超导材料的应用与前景展望

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超导材料的应用与前景展望摘　要：超导是超导电性的简称，是指某些物体当温度下降至一定温度时，电阻突然趋近于零的现象。具有这种特性的材料称为超导材料。自从超导发现至今，超导的研究和超导材料的研制已迅速发展，超导材料的物质结构及性质已逐渐研究清楚，其具有优越的物理性质和优越的性能，目前已被广泛的接受和认同，超导材料也得到了广泛的应用，特别是高温超导材料的广泛应用将会给社会带来的巨大变革。关键字：超导材料；临界参量；超导应用ApplicationandProspectofsuperconductingmaterialsAbstract:Superconductingsuperconductivityforshort,referstosomeobjectwhenthetemperaturedropstoacertaintemperature,resistancesuddenlyapproacheszerophenomenon.Withthecharacteristicsofthematerialcalledsuperconductingmaterials.Sincethesuperconductingfoundsofar,theresearchanddevelopmentofsuperconductingsuperconductingmaterialshasdevelopedrapidly,thematerialstructureandpropertiesofsuperconductingmaterialshasbeenstudiedclearly,whichhasphysicalpropertiessuperiorandsuperiorperformance,hasbeenwidelyacceptedandrecognized,superconductingmaterialshavebeenwidelyused,especiallythegreatchangewidelyusedhightemperaturesuperconductingmaterialswillbringtothesociety.Keywords:Superconductor;Criticalparameter;Superconductingapplication1引言1911年荷兰物理学家翁奈在研究水银低温电阻时首先发现了超导现象。后来许多科学家又陆续发现了一些金属、合金和化合物在低温时电阻也变为零，即具有超导现象。超导现象是20世纪的重大探索发现之一。物质在超低温下，失去电阻的性质称为超导电性；相应的具有这种性质的物质就称这超导体。超导材料具有的优异特性使它从被发现之日起，就向人类展示了诱人的应用前景。有专家预言，超导体的应用将导致一场新技术革命，尤其是高温超导材料的发现，是最近几十年来物理学及材料科学领域中的重大突破之一，已引起全世界广泛关注，各国众多科学工作者参与超导的研究与发展工作，人们将会很快感受到它给社会带来的巨大变革。目前，超导材料已被应用于很多领域，本文拟就超导材料的性质、临界参量、分类、应用及前景展望等几个方面展开论述，以帮助人们更好的认识超导材料。 2超导的性质图1电阻率与温度的关系1-纯金属晶体2-含杂质和缺陷的金属晶体3-超导体2.1零电阻性超导材料处于超导态时电阻将变为为零，这样就可以无损耗地传输电能；也就是说如果用磁场在超导环中引发感生电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去，这种“持续电流”已多次在实验中观察到。超导体的零电阻现象与常导体零电阻在实质上是截然不同的。常导体的零电阻是指在理想的金属晶体中，由于电子运动畅通无阻，因此没有电阻；而超导体零电阻是指当温度降至某一数值Tc（临界温度）或以下时，其电阻突然变为零。如右图1所示，为常导体与超导体电阻率和温度关系的对比[1]。T>TcTHc时，B=μH，即在超导态内能完全排除外磁场，且只有一个值，这就是第一类超导体。除钒、铌、钌外,元素超导体都是第一类超导体。4.2.2第二类超导体如果超导体在磁场中有一相同的规律，如图（5）所示：当H0而B<μH，磁场部分穿透；当H>Hc2时，B=μH，磁场完全穿透。也就是在超导态和正常态之间有一种混合态存在，Hc有两个值Hc1和Hc2，这就是第二类超导体。钒、铌、钌及大多数合金或化合物超导体都是属于第二类导体。图5第二类超导体图4第一类超导体90不同导体的B-H曲线 5超导材料的应用及前景展望5.1低温超导材料的应用低温超导材料是具有低临界转变温度（TC＜30K＝在液氦温度条件下工作)的超导材料，分为金属、合金和化合物。具有实用价值的低温超导金属是Nb(铌)，TC为9.3K已制成薄膜材料用于弱电领域。合金系低温超导材料是以Nb为基的二元或三元合金组成的β相固溶体，TC在9K以上。虽然低温超导材料已得到了广泛应用，但低温超导材料由于TC低，必须在液氦温度下使用，运转费用昂贵，故其应用受到限制[4]。5.2高温超导材料的应用及前景展望高温超导材料是具有高临界转变温度(TC>77K)在液氮温度条件下工作的超导材料,主要为多元系氧化物，高温氧化物超导体的出现，突破了温度壁垒，把超导应用的温度从液氦提高到了液氮（77K）温区。同液氦相比，液氮是一种非常经济的冷媒，并且具有较高的热容量，给工程应用带来了极大的方便。另外，高温超导体都具有相当高的上临界场（Hc2（4K）＞50T），能够用来产生20T以上的强磁场，这正好克服了常规低温超导材料的不足之处。5.2.1弱电应用以约瑟夫森效应为基础，建立极灵敏的电子测量装置为目标的超导电子学。5.2.1.1超导滤波器（CDMA）滤波器是电子、通信系统中的关键器件，作用是对电信号进行提取、分离或抑制。随着使用频段的不断扩展，设备间的干扰也日趋严重，因此滤波器不但要确保产品本身正常工作，而且要减少相互影响、维持正常的无线工作环境。常规滤波器由于金属电阻会产生一定衰耗，不可能达到理想的滤波性能。高温超导技术的发展，为开发高性能滤波器提供了一种切实有效的方法。在移动通信频段，高温超导材料制作的微带器件具有很高的品质因数，CDMA具有损耗极小、边带极陡峭、带外抑制极好的特点。CDMA是目前可以同时解决损耗和陡度的唯一有效方案，在窄带宽、高阶数滤波器中优势非常明显。他还可以显著提高通信基站的灵敏度和选择性，提高通信容量，降低手机的辐射率并提高通话清晰度[5]。目前，高温超导技术在通信、雷达与射电天文等领域取得重大突破，美国已将高温超导滤波器推向市场，并成功实现了批量应用。清华大学研制的两套高温超导滤波系统在中国联通CDMA移动通讯基站已连续无故障商业运行一年以上。 截至2012年6月，中国移动电话用户已超过7亿，是全球移动电话用户最多的国家。中国移动和联通所建基站已超过30多万个，中国3G网络建设估计还需30万个基站。若有20%的新建基站应用超导滤波器，加上原有基站优化，将会产生百亿级的巨大市场。鉴于我国移动通信的高速发展和在超导滤波器研究方面已有的基础，相信经过科学家的努力，CDMA技术将有一个新的飞跃，并将在移动通信、军事装备等领域获得广泛的、较大规模的商业应用。5.2.1.2超导计算机高速计算机要求集成电路芯片上的元件和连接线密集排列，但密集排列的电路在工作时会发生大量的热，而散热是超大规模集成电路面临的难题。超导计算机是利用超导技术生产的计算机及其部件，超导计算机中的超大规模集成电路，其元件间的互连线用接近零电阻和超微发热的超导器件来制作，不存在散热问题，同时计算机的运算速度大大提高，其性能是目前电子计算机无法相比的。人们可以利用超导材料制成超导开关器件和超导存贮器，再利用这些器件制成超导计算机。实验表明，其结果将使计算机的体积大幅度缩小，能耗大大下降，并且计算速度大大提高。超导计算机运算速度比现在的电子计算机快100倍，而电能消耗仅是电子计算机的千分之一。如果目前一台大中型计算机，每小时耗电10千瓦，那么，同样一台的超导计算机只需一节干电池就可以工作了。将超导数据处理器与外存储芯片组装成约瑟夫逊式计算机，能获得高速处理能力，速度相当于大型计算机的15倍。但是，现在这种组件计算机的电路还一定要在低温下工作。若将来发明了常温超导材料，计算机的整个世界将改变[6]。此外，科学家正研究用半导体和超导体来制造晶体管，甚至完全用超导体来制作晶体管。5.2.2强电应用高温超导线材在强磁场中,能负载很高的临界电流。超导磁体，能在大的空间内产生很高的磁场，所需的励磁功率很小，一个10T的磁体只要汽车蓄电池充电即可[7]。5.2.2.1高温超导电缆 目前远程大容量电力输送一般都采用架空铝裸线，大城市的输电一般采用地下电缆，导体为铜线或者铝线。使用这些传统的电线或电缆，电能在输送过程中要损失5%～10%。为了减少电能在输送过程中的损失，在长距离输电时要尽量提高电压，如采用220kV或500kV超高压线路。超高压线路对输电塔的绝缘瓷瓶和对空间使用有很高的要求，尤其是对线路终端附件的材料和制作技术要求更高，大大提高了超高压线路的建设成本。目前我国还不能生产超高压线路终端附件，进口的超高压线路终端附件十分昂贵。如果使用高温超导电缆，其交流阻抗仅为常规电缆的1/10，可以减少电网线损50%左右。高温超导电缆与常规电缆相比，具有明显的优势：一是损耗低。高温超导电缆的导体损耗不足常规电缆的1/10，加上制冷的能量损耗，其运行总损耗也仅为常规电缆的50%～60%；二是容量大。同样截面的高温超导电缆的电流输送能力是常规电缆的3～5倍；三是节约材料。具有同样传输能力的高温超导电缆与常规电缆相比，使用较少的金属和绝缘材料；四是无污染。高温超导电缆没有造成环境污染的可能性，而充油常规电缆存在着漏油污染环境的危险。另外，高温超导电缆还具有低噪音的特性[8]。从长远来讲，高温超导电缆的应用还使长距离直流输电技术变得容易和经济。用于直流输电，超导电缆会使电网线损降低70%以上，显示出更好的经济效益。由云电英纳承担研制的我国第一组实用型高温超导电缆，于2004年3月23日全部完成，并于4月19日在昆明普吉变电站挂网试运行成功。5.2.2.2超导悬浮高速列车科学家觉察到现如今的火车在速度、成本、特别是在环境保护方面具有的一些局限性,预见它必将为一种更先进的陆上运载工具所取代。于是科学家提出应该把超导理论运用于铁路建设,创造出一种速度更快、运力更大、成本更省、维护更易、对人类居住环境所带来的不利影响更小的新的陆上运载工具。超导磁悬浮列车是采用超导材料的强磁场研制的一种无接触的电磁悬浮、导向和驱动系统的磁悬浮高速列车系统。多方面系统的实验结果表明,与传统的铁路列车相比,超导磁悬浮列车具有多方面的优势，速度快、省能源、舒适性好、运行安全、无摩擦部件,减少了维修量无车轮冲击、摩擦产生的噪音,无废气,对环境不会带来公害[9]。目前，中国对磁悬浮铁路技术的研究还处于初级阶段。经过中国铁道科学研究院、西南交大、国防科大、中科院电工所等单位对常导低速磁悬浮列车的悬浮、导向、推进等关键技术的基础性研究，已对低速常导磁悬浮技术有了一定认识，初步掌握了常导低速磁悬浮稳定悬浮的控制技术。英纳公司和清华大学应用超导研究中心合作开展高温超导磁悬浮列车的研究，目前已取得较大突破，并且已经申请了高温超导磁悬浮专利。其实，磁悬浮运载技术它不仅能够用于陆上平面运载，也可以用于海上运载，还能用于垂直发射，美国就在试验用磁悬浮技术发射火箭；高速磁悬浮体系的发展还将带动当前众多高新技术前沿的发展，这些高新技术本身又将为新兴产业的形成和经济发展起着重要的作用。概括的说，它是一种能带动众多高新技术发展的基础科学，又是一种具有极广泛前景的应用技术。5.2.2.3热核聚变反应堆核聚变反应时，内部温度高达1亿-2亿摄氏度，没有任何常规材料可以包容这些物质。而超导体产生的强磁场可以作为“磁封闭体”，将热核反应堆中的超高温等离子体包围、约束起来，然后慢慢释放，从而使受控核聚变能源成为21世纪前景广阔的新能源。“国际热核聚变实验堆（ITER）计划” 是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，建造约需10年，耗资50亿美元（1998年值）。2003年1月，国务院批准我国参加ITER计划谈判，2006年5月，经国务院批准，中国ITER谈判联合小组代表我国政府与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国共同草签了ITER计划协定。2013年1月5日中科院合肥物质研究院宣布，“人造太阳”实验装置辅助加热工程的中性束注入系统在综合测试平台上成功实现100秒长脉冲氢中性束引出。据了解，经过实验，目前总控系统、真空系统、低温系统、数据采集系统、电源系统、失超保护、真空磁位形测量系统、超导传输线、高温超导电流引线以及等离子体控制系统运行正常。据专家介绍，发明这种装置，可以有效控制“氢弹爆炸”过程，让能量持续稳定输出，像太阳一样，为人类提供一种无限的、清洁的和安全的能源，俗称“人造太阳”。核聚变研究是当今世界科技界为解决人类未来能源问题而开展的重大国际合作计划。与不可再生能源和常规清洁能源不同，聚变能具有资源无限，不污染环境，不产生高放射性核废料等优点，是人类未来能源的主导形式之一，也是目前认识到的可以最终解决人类社会能源问题和环境问题、推动人类社会可持续发展的重要途径之一。5.2.2.4超导变压器现代电力变压器是一种具有高度可靠性、高效率的电力设备。随着我国电力工业和城市建设的迅速发展,国家正在实施城网、农网改造,变压器行业相应地得到了飞速发展。随着单机容量的日益增大,用户对变压器的要求越来越高,电力变压器除了要满足电、磁、力、热等技术规范外,还要满足小型、无油、低噪音的要求,以减小占地面积和减少环境污染。常规变压器由于其固有缺陷难以满足现代电力工业发展的需要。早在60年代实用超导材料出现后,国际上就开展了对超导变压器的研究。由于超导线的交流损耗较大,超导变压器的研究没有什么进展。1987年以来,随着高温超导带材的开发成功,超导变压器的研究兴趣开始转向高温超导变压器。超导变压器与传统的变压器相比：1.不存在常规变压器中的发热损耗，节能潜力；2.体积可以减少40-60%；3.液氮代替变压器油，消除火灾隐患；4.内阻极小，能够增大电压的可调节范围[10]。总体来看,超导变压器将成为21世纪最理想的节能变压器,极具潜在的开发前景。研究和发展新型超导变压器,从而提高电力变压器的性能,具有巨大的理论研究意义和实际应用价值。专家预计，超导变压器可望在5-10年内实现产业化。我国于2010年7月自主研制成功了第一台高温超导变压器，并顺利通过了各项试验检测。这是继美国、瑞士、德国、日本等少数几个国家之后，我国研究成功的首台三相高温超导变压器样机，其二次侧输出电流是目前世界上最大的。最终与2012年4月，这台高温超导变压器投入配电网试验运行，这是世界上第二台挂网运行的高温超导变压器，标志着我国在高温超导变压器的研制开发方面已经进入世界先进行列。 目前，除了以上所列出的超导材料的应用外还有超导开关、超导磁分离装置、超导电机、超导限流器、超导储能装置、超导电磁推进装置、核磁共振人体成像仪等应用。涉及到国民经济、军事技术、医疗卫生和各种高新技术产业的各个领域。6结论超导材料的研究是当今世界上一门新兴的科学技术。自1911年荷兰科学家卡末林、昂尼斯发现“超导”现象至今，世界各国的科学家从未间断过对“超导”的研究，特别是进入20世纪80年代以来。随着1987年中国、日本和美国科学家采用金属氧化物，将超导临界温度提高，使超导体前进了一大步，从而引起了一场前所未有的“超导大战”。由于超导材料能影响人类生存的许多重要领域，各国的材料科学家都在竞相探索它的结构，研究它的性能，以求率先找到具有高临界温度的超导材料。近年来，世界各国纷纷投入巨资加紧研究与开发，不断推动超导技术产生新的飞跃。超导材料具有的优异特性使它从被发现之日起，就向人类展示了诱人的应用前景。但要实际应用超导材料又受到一系列因素的制约，由于早期的超导体存在于液氦极低温度条件下，极大地限制了超导材料的应用。随后高温超导材料克服了常规低温超导材料的不足之处，于是高温超导材料随即替代了低温超导材料。至今，高温超导的研究已经有22年的历史，在20多年的广泛研究中,人们积累了大量的实验数据和理论方法。到目前为止，虽然已经有许多很好的理论模型，但是高温超导机理问题仍然没有完全解决，许多实验的结果还存在争议。因此，要用高温超导材料来改进现有的科技工程又决非易事。高温是相对于低温而言，即使是高温依然远低于冰点。所以在实际应用中超导材料需要制冷等操作，大大提高了成本，也使得超导材料不能大量应用。科学家和工程师们所遇到的困难就是如何使超导材料实用化，即提高临界转变温度、临界电流密度和改良其加工性能，制造出理想的超导材料。可以这样说，高温超导材料的突破，必将深刻地促进尖端科学技术的发展，从而加速人类文明的进程。现如今，高温超导的研究也不再局限于认识高温超导电性本身，而是要理解强关联效应背后所有的物理现象以及如何建立研究强关联体系的范式。因而强关联体系中的超导现象也就成为高温超导的研究范围，并且吸引了人们极大的兴趣。尽管如此，超导材料仍处于试验研究阶段。但人们相信，随着超导材料临界温度的提高和材料加工技术的发展，它将会在许多高科技领域获得重要应用。综合以上分析可以看出，高温超导材料作为一种新型材料，将广泛应用于国民经济、军事技术、医疗卫生和各种高新技术产业的各个领域，其前景有可能如当年的晶体管取代电子管一样。未来十年是高温超导市场发展和材料产业化的十年。据预测，2010年和2020年，世界超导市场将分别达到300亿美元/年和2440亿美元/年。我们可以看到，超导技术广泛应用的时代即将来临，含苞待放的超导之花，必将带来一个缤纷的世界。参考文献：[1]张裕恒.超导物理（第三版）[M].北京：中国科学技术大学出版社，2009,(04)：44-74. [2]杨公安，蒲永平，王瑾菲，庄永勇.超导材料研究进展及其应用[M].南京：电子工业出版社,2009(7)：243-277.[3]海伟，杨宏伟.超导技术及其工程应用[J].天津：科技创新导报，2008(20)：11-13.[4]冯瑞华，姜山.超导材料的发展与研究现状[J].北京：现代物理知识，2007(06)：6-7.[5]季来运.WCDMA通信系统用高温超导滤波器的设计[M].上海：上海科技教育出版社，2007，35（2）：106-109.[6]官伯然.超导电子技术极其应用[M].北京：科学出版社，2009,(10)：91-108.[7]康志成.大型超导磁体电流引线理论及应用[M].北京：国防工业出版社，2009(03)：54-78.[8]宗曦华，张喜泽.超导材料在电力系统中的应用[M].北京：机械工业出版社,2006(5)：201-225.[9]吴学新，洪崇恩.超导磁悬浮列车(献给21世纪的礼物)[J].浙江：浙江经济，2004,（173）：13-16.[10]HanS.DevelopmentonsuperconductivityinChina[J],2010(05)：5-8. 谢辞经过一个多月的辛苦和努力,对于超导材料的应用及前景展望的探究已基本完成。本次论文完成的同时，我的知识和能力也得到了一定的扩展和提高。对于我而言，这只是科研上一次简单的尝试，但其过程所体现的系统性和严密性以及当中所运用的一些理论、方法都使我获益非浅。在这次论文过程中，为力争论文的各个环节尽量合理完善这一原则，综合考虑了经济性和可行性。本次论文过程，使我在资料查阅、数据收集及团体协作方面均获得了锻炼，这必将为我日后的实际工作奠基良好的基础。对于本次论文的完成，虽然做了很多工作，但是其中还是存在缺陷和不足之处，希望各位老师和同学们批评指正。本次设计在侯新儒老师的精心指导下，无论是从设计的选题，资料查找及每一步计算到论文的撰写过程都给予了精心细致的指导。此外，还得到张浩等同学的帮助，在此一并致以最诚挚的谢意！（全文共8490字）