超导材料的研究进展及应用

1、超导资料的研究进展及应用导电资料由于电阻的存在，在输电过程中会不断耗资电能，特别是远距离电能传输，造成极大的能源浪费，这个问题素来困扰着各国学者。找到一种资料电阻很小甚至没有电阻代替现有的导电资料以减少输电耗费素来是各国科学家们念念不忘的梦想。平时来说，导体的电阻随温度的降低而降低，因此人们致力于搜寻一个低温环境，获取小电阻的导体。1908年莱顿实验室成功制得液氦，获取4.25K的低温，这一技术促进了超导技术的发展。在此此后的3年，荷兰物理学家昂纳斯发现当温度降到4.2K时，汞的电阻突然消失，这就意味着电流流经导体时没有热耗费，这一发现震动全世界，掀起了超导研究的一股热潮，昂纳斯也因此获取19

2、13年诺贝尔奖，并将在必然温度条件下电阻突然消失的现象称之为“超导”，处于超导状态的导体称之为“超导体”，拥有这一性质的资料称为超导资料。一、超导资料的发展自昂纳斯发现汞的超导特点此后，越来越多的超导资料进入人们视野，人们发现元素周期表中的很多资料都拥有超导性，很长一段时间内科学家们把元素、合金、过渡金属碳化物以及氮化物作为超导资料的研究对象，直到1985年金属间化合物铌锡（Nb3Sn）的出现，诚然其临界转变温度仅23.2K，却拓宽了超导资料的研究思路。用液氦做致冷剂实现低温，由于氦原子间的相互作用力和原子质量都很小，很难液化，再加上氦资源缺乏等要素以致液氦价格昂贵，但若是没有液氦，低温超导资

3、料的研究就会碰到严重的阻拦，进而影响到研究工作的睁开，最后以致超导资料在应用上受限。因此，追求新的超导资料以获取较高的超导转变温度，改变只能采用液氦做制冷剂的场面是各国科学工作者们重点关注的方向。这一设想在1986年得以实现，超导资料的研究获取了打破性进展。1986-1987年先后发现了超导临界转变温度（Tc）值为35K的钡镧铜氧化物、90K的钇-钡-铜-氧（YBaCuO）超导资料、125K的铊系高温超导体，打破了从前只有在液氦温区工作的禁区。氮气资源丰富，占大气总量的78.12%（体积分数），在标准大气压下，将空气冷却至195.8时成为液体，价格比液氦低得多。7年后瑞士科学家希林等发现汞-钡

4、-钙-铜-氧（HgBaCaCuO）的Tc值约为133K，Tc获取新的进展。在追求较高Tc的研究上，我国科学工作者作出了很大的贡献，1987年此后有了高温超导资料（临界温度在77K以上）的说法。高温超导资料采用低价的液氮（77K）作为制冷剂而代替从前价格昂贵的液氦，第一次实现了液氮温区的高温超导。至此，超导资料的研究获取打破性进展。高温超导资料的发现可以说是科学界的一次飞驰，人们终于看到了超导技术的应用希望。此后的几年时间，高温超导资料的临界转变温度提高到绝对温度100K以上，发展迅速。氧化物高温超导资料大多以铜氧化物为组成要素，拥有钙钛矿层状结构的复杂物质，常态下不是良导体，而且组成元素价格昂

5、贵，超导资料脆性较大，线材的加工难度大。2001年1月二硼化镁（MgB2）超导体的发现，金属间化合物超导体再次吸引人们的眼球。与氧化物高温超導资料对照，MgB2超导体价格相对低价，加工简单，且MgB2正常态为导体，因此更易合用化。特别是低温性能比传统超导体高得多。MgB2超导体的出现，冷漠了近30年的简单化合物超导体再次碰到科学家们的喜欢。科学家们相信，终有一天会找到更高临界转变温度的简单化合物超导体。2008年2月尾，日本科学家发现了铁基超导资料，临界温度约为17K。此后各国学者对铁基超导资料的研究从未中止过。我国闻海虎小组发现的锶-钒-氧-铁-砷（Sr2VO3FeAs）超导资料其超导临界转

6、变温度约为37K。2012年，来自日本的T.Takayama研究小组发现了一系列新式的铂基超导资料，激发了一股新式超导资料的研究热潮。随着科学技术的发展，超导临界转变温度越来越高，资料制备技术日渐成熟，大幅度降低成本的同时，优化性能，超导资料的合用化指日而待。二、超导资料的特点及应用1.零电阻特点超导资料的一个重要特点是零电阻，传输电流密度大、耗费小，在电力传输中可用作电线电缆。高温超导电线电缆的应用必然给公民经济和国防建设带来巨大效益。1）超导电缆超导电缆的优势在于电能在输送过程中可以最大限度地降低损耗，仅为传输功率的0.5%，而老例电线电缆的耗费要达到10%，能源节约如数家珍。而且高温超导

7、电缆的容量比老例电缆提高35倍、耗费下降60%，节约占地面积和空间，更加可观的是，总花销降低20%，经济效益明显。超导电力技术是21世纪电力工业唯一的高技术，可有效解决能源短缺的问题。2）超导计算机电流流经导体时由于电阻的存在而以致电线发热，电能发生耗费，高速运转的计算机上使用的集成电路芯片由于元件和连接线密集排列，工作时产生大量的热，热量难以发散，以致温度高升，影响计算机工作。将集成电路芯片元件间的连接线改用超导器件来制作，发热现象得以缓解，散热问题也就瓜熟蒂落，同时大大提高了计算机的运算速度。（3）超导电机（包括发电机和电动机）平时有到的各种电动机，内部都有铁芯和绕组线圈，通电会产生耗费，

8、耗费的大小与电阻和电流的平方成正比，因此传统电动机都存在发热现象。发热不但会造成能源的耗费，同时还可能引起电动机的动向响应，甚至会引起失步，而且对绝缘资料的使用温度提高了要求，否则会引起绝缘资料的迅速老化。超导电动机由于采用了超导绕组，与老例电机对照，所承载的电流更大，可以产生更强的磁场，其体积和质量可以减小到老例电机的1/5左右，但功率却成倍增加，效率很高。4）超导储能装置超导储能装置是依照超导线圈储藏电磁能制造，并依照需要释放电磁能的一种电力设施。其优点在于其储能线圈由超导资料绕制，储蓄电磁能时电阻为零，线圈中所储蓄的能量几乎没有耗费并可以永久储蓄下去直到需要释放为止。一般在以下几个方面获

9、取应用：调治电力系统的峰谷；解决电网用电设施由于瞬中止电产生的影响；改进电力系统的牢固性；大型超导储能系统将可作为陆基自由电子激光器或天基定向能武器的功率源。（5）超导滤波器滤波器是无线电接收装置的重点器件，起着提取、分别或控制电信号的作用。陪同使用频段的扩展，设施间的搅乱日益严重，因此如何减少信号搅乱，保证接收信号质量是无线电接收装置的核心所在。老例滤波器由于采用金属电阻，总防备不了噪音的存在，产生必然的衰耗，达不到理想的滤波性能。随着高温超导技术的发展，用高温超导体做滤波器，由于超导态时电阻为零，极大限度地减小热噪音，大大提高信噪比，可用于电视机、收音机、手机等设施，所接收的信号更清楚，音

10、质更好。2010年，我国成功研制出超导临界转变温度为77K的高温超导滤波器，打破素来依靠进口的局势。目前已开始用于CDMA无线基站中，提高网络信号的质量及数据传输速率。2.完好抗磁性超导资料除拥有零电阻的特点外，还拥有完好抗磁性，即当导体处在超导状态时，内部的磁感觉强度为零，原来存在于体内的磁场也被排挤出去。超导体的这一特点是荷兰物理学家于1933年发现，后将这一现象定义为“迈斯纳效应”。最典型的一个应用就是超导磁悬浮列车。（1）超导磁悬浮列车利用超导元件在超导态时所拥有的零电阻性和完好抗磁性，制成体积小功率富强的超导电磁铁。在悬浮列车上装有超导磁体，地面导轨2侧所安装的线圈绕组所产生的电磁场

11、就会与列车上的超导电磁铁产生巨大的斥力进而使车体悬浮，再经过周期性地变换磁极方向而获取推进动力。早在20世纪70年代日本就成功研制了超导磁浮列车，时速达500km，今后各国开始研究超导磁悬浮列车。1987年3月，日本进行了超导磁悬浮列车的载人实验并成功证明其可行性。与此同时我国也开始着手磁悬浮列车的研制，并与1989年春成功研制第一台小型磁悬浮列车，6年此后，成功研制首台载人磁悬浮列车。2015年4月，JR东海企业在山梨磁悬浮试验线进行了超导磁悬浮列车的高速运转试验，达到了载人行驶590km/h的世界最高速度，刷新了世界纪录。2）受控热核反应所谓受控热核反应是指以海水中的氘为燃料利用人为的方法

12、控制聚变反应，释放大量核能，并将这些能量合理利用起来，成为人类取之不尽用之不断的能源，进而有效解决能源短缺的问题。核聚变反应时，内部温度高达1亿多摄氏度，用什么装置拘束这些高温等离子体就成了一个重点问题，有科学家提出利用超导体产生的强磁场作为“磁封闭体”，将热核反应堆中的超高温等离子体包围、拘束起来，再慢慢释放，受控核聚变能源成为21世纪远景广阔的新能源。3）电磁推进装置将超导电磁装置应用于舰艇上也即超导电磁船，用超导资料做成线圈，并通入强电流，在船只周围产生的强磁场来推进船只的行进。可以做到刹时启动、刹时停止、刹时改变方向，并除掉传动噪声，隐蔽性强，可用于海上侦探。4）核磁共振成像随着肥胖病

13、人群的增加以及各种疑难杂症的出现，采用先进的医疗设施获取更精准的诊断，是医疗领域的热切希望，超导资料的出现及应用给医疗领域注入了新的血液，如用超导体产生的磁场来研究生物體内的结构及对各种复杂疾病进行治疗，超导核磁共振层析成像仪在医疗领域的应用越来越普及。核磁共振可以对脑、肝、肾、胰等人体多个器官进行诊断。与其他辅助检查手段对照，优点明显：成像参数多、扫描速度快、组织分辨率高和图像清楚，对一些早期不易察觉的病变帮助明显，目前已成为肿瘤、心脏病及脑血管疾病早期筛查的有效手段，可以更好地满足临床应用和科研工作。别的，核磁共振是磁场成像，没有放射性，对人体无伤害，特别安全。目前由核磁共振检查所以致的各

14、种危害报道还没有发现。越来越多的医院购置核磁共振成像仪用于检查与治疗，超导资料在医疗领域的应用日益增加。三、约瑟夫森效应1960年挪威科学家贾埃沃在多次实验中证了然地道效应的存在，1962年还是研究生的约瑟夫森展望电子对经过2块超导金属间的薄绝缘层时，只要绝缘层足够薄，电子对就会穿过绝缘层势垒，形成超导地道电流，人们把这个现象称为“约瑟夫森效应”。1973年的诺贝尔物理学奖由约瑟夫森、贾埃沃及江崎共同获取。超导电子对地道效应的发现，为超导体中电子对运动供应了凭据，人们更加深入地认识了超导现象的实质。即使在零电压下也有超导电流的产生，而且这一电流对磁场特别敏感，利用这一特点探测稍微电磁信号。如超

15、导量子干涉器进行磁场探测，可以分辨稍微的地磁场变化，矫捷度高、噪声低、功耗小、响应速度快。还可制造成探矿仪器，探测矿藏分布情况。随着高温超导技术的发展，已成功制得高温超导干涉器，使其应用范围更加广泛。四、对超导技术发展的建议高温超导资料的应用十分广泛，除上述应用外还可用于制造交流超导发电机、超导开关、磁流体发电机、微波器件、红外单元探测器和列阵探测器等，涉及到公民经济、军事技术、医疗卫生等各个领域。近来几年来世界各国纷纷投入巨资加紧研究与开发，不断推进超导技术产生新的飞驰。1.提高Tc资料不同样其临界转变温度也不同样，某些物质临界温度特别低，例如汞为4.15K，不拥有太大的应用价值。而有的超导资料的临界温度比较高，达到几十K甚至上百K，随着临界温度的提高，其应用价值也大大提高。若是能制造出临界转变温度达干冰温度（240K）和室温300K），有可能制备出室温超导体。因此如何提高明导资料的临界温度，发展出拥有常温下工作能力的高温超导资料是人们重点关注的地方。2.超导转变机理到目前为止，诚然发现了不同样种类的超导资料，超导资料的临界转变温度也提高了很多，但人们仍旧没有找到超导转变的机理，希望经过不断的研究与研究可以发现超导转变体系，为超导资料的研发供应理论依照。3.超导应用的合用化从以上解析中不难看出，超导资料的应用大多集中在电力、交通、医疗、能源甚至军事上，且价格不