超导技术及材料原理及应用领域

超导技术及材料介绍及其应用领域
一、超导技术简介
超导材料，是指具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。

已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。

某些金属、合金和化合物，在温度降到绝对零度附近某一特定温度时，它们的电阻率突然减小到无法测量的现象叫做超导现象，能够发生超导现象的物质叫做超导体。

超导材料和常规导电材料的性能有很大的不同：零电阻性、完全抗磁性、约瑟夫森效应。

这些特性构成了超导材料在科学技术领域越来越引人注目的各类应用的依据。

超导技术被认为是21世纪最具有战略意义的高新技术，其技术原理为：零电阻
超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。

如果用磁场在超导环中引发感应电流，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。

抗磁性
超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零。

临界温度
外磁场为零时超导材料由正常态转变为超导态(或相反)的温度，以Tc表示。

Tc值因材料不同而异。

已测得超导材料的最低Tc是钨，为0.012K。

到1987年，临界温度最高值已提高到100K左右。

临界磁场
使超导材料的超导态破坏而转变到正常态所需的磁场强度，以Hc 表示。

Hc与温度T 的关系为Hc=H0[1-(T/Tc)2]，式中H0为0K时的临界磁场。

临界电流和临界电流密度
超导体的临界温度Tc与其同位素质量M有关。

M越大，Tc越低，这称为同位素效应。

例如，原子量为199.55的汞同位素，它的Tc是4.18开，而原子量为203.4的汞同位素，Tc为4.146开。

通过超导材料的电流达到一定数值时也会使超导态破坏而转变为正常态，以Ic表示。

Ic一般随温度和外磁场的增加而减少。

单位截面积所承载的Ic称为临界电流密度，以Jc表示。

超导材料的这些参量限定了应用材料的条件，因而寻找高参量的新型超导材料成了人们研究的重要课题。

以Tc为例，从1911年荷兰物理学家H.开默林－昂内斯发现超导电性(Hg，Tc=4.2K)起，直到1986年以前，人们发现的最高的 Tc才达到23.2K(Nb3Ge，1973)。

1986年瑞士物理学家K.A.米勒和联邦德国物理学家J.G.贝德诺尔茨发现了氧化物陶瓷材料的超导电性，从而将Tc提高到35K。

之后仅
一年时间，新材料的Tc已提高到100K左右。

这种突破为超导材料的应用开辟了广阔的前景，米勒和贝德诺尔茨也因此荣获1987年诺贝尔物理学奖金。

二、超导材料特性
超导材料和常规导电材料的性能有很大的不同。

主要有以下性能：
1、零电阻性：超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。

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。

2、完全抗磁性：超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零。

3、约瑟夫森效应：两超导材料之间有一薄绝缘层（厚度约1nm）而形成低电阻连接时，会有电子对穿过绝缘层形成电流，而绝缘层两侧没有电压，即绝缘层也成了超导体。

当电流超过一定值后，绝缘层两侧出现电压U（也可加一电压U），同时，直流电流变成高频交流电，并向外辐射电磁波，其频率为，其中h为普朗克常数，e为电子电荷。

这些特性构成了超导材料在科学技术领域越来越引人注目的各类应用的依据
三、超导技术应用领域
由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性，因此用途非常广阔，大致可分为三类：电子学应用（弱电应用）、大电流应用（强电应用）和抗磁性应用。

电子学应用包括超导微波器、超导计算机、超导天线等；大电流应用即超导发电、输电和储能；抗磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。

四、超导技术应用及原理
高温超导滤波器高温超导材料的微波电阻比传统金属材料小3个数量级左右，用高温超导制造的滤波器插入损耗极小（插损≤0.1dB），通带带边陡峭（较传统滤波器提高5-10倍）、带外抑制性好，具有十分理想的滤波性能。

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。

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。

超导发电机国际上认为，超导同步发电机是未来电站的主力，并争相开展研制工作．已研制完成的最大容量的为前苏联和法国的30万千瓦发电机．美国和日本并不急于开发百万千瓦级的发电机，他们已研制完成的发电机容量分别为3万千瓦和5万千瓦．日本
计划研制国内最大的20万千瓦的发电机．发电站的容量随着电力需求的增长而增长，因此，大功率、长距离、低损耗的输电技术对提高输电的经济效益是十分重要的，而超导体具有零电阻的特性，可以输送极大的电流和功率而没有电功率损耗，因此超导输电系统必将带来大的改观．在电力领域，利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强度提高到5万～6万高斯，并且几乎没有能量损失，这种发电机便是交流超导发电机。

超导发电机的单机发电容量比常规发电机提高5～10倍，达1万兆瓦，而体积却减少1/2，整机重量减轻1/3，发电效率提高50％。

磁流体发电机磁流体发电机同样离不开超导强磁体的帮助。

磁流体发电发电，是利用高温导电性气体（等离子体）作导体，并高速通过磁场强度为5万～6万高斯的强磁场而发电。

磁流体发电机的结构非常简单，用于磁流体发电的高温导电性气体还可重复利用。

超导输电线路超导材料还可以用于制作超导电线和超导变压器，从而把电力几乎无损耗地输送给用户。

据统计，目前的铜或铝导线输电，约有15%的电能损耗在输电线路上，光是在中国，每年的电力损失即达1000多亿度。

若改为超导输电，节省的电能相当于新建数十个大型发电厂。

超导磁悬浮列车当今世界，提高陆路交通工具的速度对促进国家经济发展和改善人们生活质量是十分重要的．传统的铁路车辆由于车轮和铁轨磨损严重，以及车轮与铁轨的摩擦力，限制了车速．这种
机车目前设计速度最高可达274公里/小时，运行平均速度为209公里/小时，在本世纪 60年代，法国、英国和美国又生产出有轨的气垫机车，城市间运行速度可达160公里/小时．然而，由于人们对磁悬浮兴趣的增长，现在气垫机车的发展已陷于停顿状态．利用超导材料的抗磁性，将超导材料放在一块永久磁体的上方，由于磁体的磁力线不能穿过超导体，磁体和超导体之间会产生排斥力，使超导体悬浮在磁体上方。

利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车。

日本人设计一种电动悬挂系统，该系统使用了由液氦冷却的 (－269℃)铌等超导物质做成的超导磁体，在－296℃下它的电阻为零，利用超导磁体的排斥力，从而使轨道与列车之间形成10～15厘米的空隙．一个小型示范性模型列车创造了517公里/小时的世界记录，其试验轨道长6.5公里，使用的超导材料是NbTi，在液氦下冷却到5K．磁悬浮列车与传统列车相比有一系列的优点：克服了传统列车对速度的限制；非接触的运行克服了恶劣气候(如：雨、雪或冰)的障碍；采用非接触运行，没有机械磨损，减少了维修成本；由于没有运动部件，大大提高了系统的可靠性；由于只用电能，对于石油供应紧张的国家更有意义；可节省能源． 1人公里消耗能源只是飞机或汽车的 1/4；速度极大提高，增加了运送旅客的能力，具有很大的潜在市场；大幅度地降低了噪声和振动，有利于保护环境．核聚变反应堆"磁封闭体" 核聚变反应时，内部温度高达1亿～2亿℃，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。

粒子加速器是研究宇宙和物质基本问题的主要设备，美国在加速器的建造方面走在世界最前列．随着超导体技术的发展，在1988年美国国家科学基金会批准了建造至今为止功能最强的粒子加速器——超级超导对撞机(SSC)计划，3年财政预算达32亿美元．计划1999年将超级超导对撞机投入运行．超级超导对撞机相当庞大，在地下铺设了长度为53英里的环形管道．超级超导对撞机将把相向的两个质子束加速到光速的99 .9% 以上的速度，超导磁体使质子束弯曲和聚焦以通过弯曲的路径，超导磁体要比普通铁磁体生产更强的磁场，使质子束行进的曲率半径更小，这样就使环形管道的尺寸小型化．在国防系统方面，超导技术在军事上也可大显身手．在弱电方面，用于水下通信、潜艇探测、遥感、扫雷等；制成高频微波器件、红外探测器，用于雷达、微波通信及地面卫星接收机；超导天线及馈线系统，用于导弹和卫星；数字信号和数据处理器等．在强电方面，主要是利用高电流密度超导材料所产生的强磁场及超导储能线圈可
以存储大量能量的特性作为武器的能源，这样可以减少储能设备的尺寸和重量．美国的“星球大战”计划中投入5000万美元进行这方面的研究．研究中使用的低温超导磁体，估计其储能密度相当高，在微微秒时间内释放出来．超导强磁体用于舰船推进系统．美国已用低温超导材料制造出试验性的3兆瓦直流电机，用于舰船推进系统并在
海中进行了试验．该电机比相同功率传统空冷电机小 33 %．实际上，利用低温超导材料及当前的技术可以使电机的重量进一步减小，例如一台具有3万千瓦的超导单极直流电机仅为现在同样功率的交流电
机重量的四分之一．美国正在研制这类规模的超导电机，日本也在进行小模型的试验研究．超导电子轨道炮．美国的“星球大战”计划组织支持了该项技术的研究．轨道炮技术是作为射弹加速器来使用的，它能使抛射物达到极高的速度．这种抛射系统不同于化学推进系统，前者可达到的末端点的速度不受气体膨胀速度限制而由行进的电磁脉冲的速度决定，因此可达到很高的速度．高温超导的应用大多是低温超导应用的延伸，即当前已实用的或可预见年份实用的低温超导设备与器件中的低温超导材料用高温超导材料替代，以降低成本，扩大超导的应用范围．但高温超导应用遇到的问题较多，现在仍是物理学前沿阵地的富有挑战性的研究课题．
四、超导技术发展前景
目前已被广泛用于超导电缆、超导变压器、超导电机、超导限流器、超导磁分离器、超导磁共振成像（MRI）、超导储能装置、超导磁悬浮列车等应用产品的研发，在许多领域取得了重大突破，具有十分广阔的市场前景。

根据世界银行预测，2020年，全球超导产业产值将达到2400亿美元以上．经过国内外科学家和产业界十几年的努力，超导技术在多个领域已开发出实用化样机并投入试验运行；各国都启动了政府和企
业共同支持的应用项目；高温超导线材生产厂家竞相投资，扩大生产能力。

五、个人评价
超导材料因在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性，应用范围广泛，市场前景巨大。

但是由于超导材料临界温度很低，目前研制的高温超导材料最高也要零下一百多度，降温需要昂贵的设备与大量电能，极大地限制了超导材料的应用，但是随着技术的不断发展，高温超导科学技术可望被广泛应用到交通、能源、信息通信和医疗等许多产业领域里。

现在投入实际使用的超导材料多是钇钡铜氧体系，磁悬浮列车也不例外，钇钡铜氧是一种多组分的陶瓷材料，具体成分比例略有出入，使用时都要用液氮冷却才能实现超导。