超导材料研究进展以及行业发展综述

超导材料研究进展以及行业发展综

述

材料物理一班李孟君（2009034035）

摘要：简要概述了超导材料的研究进展及其应用，特别是在先进电网中的应用需求和前景，分析了国内外几种典型的实用超导材料的发展趋势和市场需求情况。以及发展超导材料所带来的巨大收益。

关键词：实用超导材料；超导电网。

引言

自从1911 年荷兰物理学家Kamerling Onnes 发现超导现象以来，超导材料的发展经过了一个从简单金属到复杂化合物，即由一元系到二元系、三元系直至多元系及高分子体系的过程。在上世纪80 代末发现铜氧化物超导体之后，在新世纪之初又有两类比较接近实用的超导材料被发现，即MgB2和Fe 基超导体，新型超导体可谓层出不穷。然而，由于各自不同的本征特性、低温条件、合成技术及其环境污染等因素，各类超导体的实用化水平相差很大，有的基本失去实用性，仅能适于基础研究。基于双轴织构和薄膜外延技术的第2 代高温超导带材，由于克服了晶界弱连接和拥有大量位错缺陷提供的高密度的磁通钉扎中心，在液氮温区具有高的不可逆磁场，就磁场中的超导载流能力而言，它为目前最佳的实用超导材料。更为可贵的是，其技术使

用价廉的Ni 基合金或一般的不锈钢带作为衬底，材料成本明显低于第1 代Bi 系高温超导带材。第2 代高温超导带材已经成为发展超导电力应用的基础和必然选择，因此当前，世界主要发达国家均争先恐后地进行研发。

近年来，美、日、韩和欧洲多国，已先后成功研制出长度超过100 m，最长达到1 000 m 且能够传输100 A以上超导电流的第2 代高温超导带材，使氧化物高温超导材料在能源、电力、交通运输、强磁体和军事领域的大规模应用成为可能，应用第2 代高温超导带材进行的电力示范工程也在不断增加。可以预见，正如半导体带来了资讯时代、光纤带来了传讯时代，高温超导材料将从根本上改变人类的用电方式，给电力、能源、交通以及其它与电磁有关的科技业带来革命性的发展。

1、超导材料及其应用概述

超导材料：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。超导材料的基本物理特性：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。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。

图1给我们展示了这100年来超导材料的研究进程

超导材料除零电阻特性外，还具有完全抗磁性和宏观量子效应等诸多常规材料所不具备的奇特性质。利用超导体的这些特性可以传输大电流、获得强磁场、实现磁悬浮、检测微弱磁场信号等，因此超导材料广泛应用于电力、电子、军事、医疗、交通运输、高能物理等许

多领域。目前，超导材料已发现上千种，包括单质、合金和化合物。

从1911 年第1 次发现超导现象到1985 年，超导转变温度最高为铌三锗的23 K，这些超导材料工作在液氦环境，一般称为低温超导材料。1986 年，Bednorz和Muller 发现了Tc达到30 K 的La-Ba-Cu-O 超导体，标志着高温超导研究的开始。紧接着发现了Tc超过液氮温度( 77 K) 的Y-Ba-Cu-O( YBCO，Tc = 92 K) 、Bi-Sr-Ca-Cu-O( Bi2223，Tc = 110 K) ，Tl-Ba-Cu-O( Tl2223，Tc =127 K) 和

Hg-Ba-Ca-Cu-O( Hg1223，Tc = 134 K) 等系列氧化物高温超导材料，它们可以工作在廉价的液氮环境，这类材料被称为高温超导材料。1990 年以前，实用化超导材料的研究主要集中在低温超导材料。目前，低温超导材料已经进入产业化阶段，实用化超导材料研究主要集中在铜氧化物的高温超导材料。

虽然近年来各类新型超导材料层出不穷，包2000 年发现的二元化合物MgB2和2008 年发现的FeAs超导材料。然而从实用的角度，特别是就电力能源系统的强电应用而言，只有Bi、Y 系材料才有市场价值。Fe、Tl 和Hg 系由于含有环境危害元素和特殊的制备工艺，失去了作为一种实用超导材料的广泛性和普适性。

上世纪90 年代末，随着第1 代Bi 系超导材料的制备技术取得重大突破，高温超导线材很快形成产业化生产能力，极大地促进了超导应用技术的发展，如高温超导电缆、高温超导限流器、高温超导变压器、高温超导电动机等已经进入示范运行阶段。超导电力技术的应用可望提升电力工业的发展水平和促进电力业的重大变革。因此，世界主要发达国家均把超导电力技术视为具有经济战略意义的高新技术。

美国能源部认为超导电力技术将是21 世纪电力工业唯一的高技术储备，发展高温超导电力技术是检验美国将科学发现转化为应用技术能力的重大实践，而日本新能源开发机构( NEDO) 则认为发展高温超导电力技术是在21 世纪的高技术竞争中保持尖端优势的关键所在。可见，超导技术越来越成为1 种不可替代的具有经济战略意义和巨大发展潜力的高新技术。

高温超导材料可广泛应用于电力、电子、医疗、国防军事、交通运输、高能物理等领域，大致可分为两大类: 大电流应用( 强电应用) 、电子学应用( 弱电应用) 。超导技术越来越成为1 种不可替代的具有经济战略意义和巨大发展潜力的高新技术，将会对国民经济和人类社会的发展产生巨大推动作用。特别值得指出的是: 高温超导线带材可制备成各类器件，包括超导储能、变压器、电缆、限流器等等广泛用于先进电网之中( 见图1 ) 。正如光纤的发明催生崭新的信息时代，高温超导线带材也将带来电力工业史上划时代的革命。

目前，世界范围内能源供应越来越紧张，而电能有大量浪费在传输线上。仅美国每年在输电线上的损失就高达400 亿美元。而如果使用高温超导线材，不仅可避免这些损失，还可以节约大量的金属材料。因为同样直径的高温超导材料的导体能力高于普通铜导线的100 倍

以上。高温超导线材制成的超导器件具有损耗低、体积小、重量轻和效率高等特点。另外，建设超导智能电网是解决常规电缆远距离输电时对超高压电缆及技术依赖的唯一途径。