高温超导材料及应用

超导与高温超导

1911年，荷兰科学家昂尼斯（Onnes）发现，在液氦（4.2K）低温条件下水银的电阻突降为零。这种在低温条件下物质电阻突然消失的现象被称为超导现象,转变温度称为临界温度(Tc)。

（1）低温超导材料

低温超导材料的临界温度是绝对温度十几K以下，需要在液氦中工作。由于液氦及其制冷费用昂贵，低温超导材料的应用受到了很大的限制。目前商品化的低温超导线材主要有NbTi，Nb3Sn，主要用于核磁共振成像仪、加速器磁体等方面，全世界的市场有十多亿美元。

（2）高温超导材料

高温超导材料一般是指临界温度在绝对温度77K以上、电阻接近零的超导材料，通常可以在廉价的液氮（77K）制冷环境中使用，主要分为两种：钇钡铜氧（YBCO）和铋锶钙铜氧(BSCCO)。钇钡铜氧一般用于制备超导薄膜，应用在电子、通信等领域；铋锶钙铜氧主要用于线材的制造。

超导技术应用的主要行业

超导现象自从20世纪初被发现以来，就以其独特的魅力持续不断的吸引着广大科学家的关注，这不仅因为它能完美地展示物理学的一些重要规律，更重要的是它具有很多应用领域可以开拓，超导技术可广泛应用于能源、信息、医疗、交通、国防、科学研究及国防军工等重大工程方面。

美国能源部认为高温超导电力技术是21世纪电力工业唯一的高技术储备，

是检验美国将科学转化为应用技术的能力的重大实践。专家认为21世纪的超导技术会如同20世纪的半导体技术一样具有重要意义。

综合目前超导技术的发展情况，超导技术可以在以下行业得到应用和拓展：3.2.1电力

超导技术与电力技术的结合将给电力行业的发、输、配电带来革命性的改变，电力行业是超导产业最重要的应用场所与市场。超导技术在电力中的应用主要包括：

高温超导电缆

现有电缆的扩容问题一直困扰着城市电力的发展。传统的城市地下输电电缆存在着通量小、损耗大、对土壤和地下水有热污染及油污染、土建费用高等问题，城市电力扩容变得越来越困难。高温超导电缆具有体积小、造价低、高节能、无污染等优点，具有巨大的经济效益和环保效益，终将替代传统电缆。

高温超导电缆的大规模应用能够极大地提高电力输电系统的运行效率，降低运行成本。目前国际上高温超导电缆的总体发展趋势是研制大容量、低交流损耗、超长高温超导电缆。据专家估计，高温超导电缆最有可能率先实现实用化和商业化。

超导电机：

电动机是最常用的电气设备，但传统电动机耗电量极大。美国工业界专家估计，1,000马力以上的工业用电动机大约要消耗美国能源的25%。与常规电机相比，超导电机具有节能性好、体积小、单机容量大、造价及运营成本低、稳定性能好等优点，具有很好的经济效益和环保效益。供给同样的功率，超导电机的尺

寸是常规电机的1/3，制造成本可降低40%，电流损耗可减少50%，运行成本可降低50%。美国能源部估计，高温超导电动机的低损耗每年可减少数十亿美元的运行费用。

在军事上战舰应用高温超导电机，其舰船体积重量更小，空间布置更灵活，推进系统运行更加可靠，效率更高，控制更方便，调速性能更好，能大大提高隐蔽性，达到高速安静运行，具有重要的军事意义。

高温超导风力发电机是5兆瓦以上风力发电系统的唯一选择，目前已成为高温超导电力应用设备产业化应用的优先发展产品。

超导变压器：

常规变压器有许多缺点，如负载损耗高、重量和尺寸大、过负载能力低、没有限流能力、油污染及寿命短等。在美国，变压器的总装机容量约为总发电量的3-4倍，其电力系统的网损约为总发电量的7.34%，其中25%为变压器损失。相比较而言，超导变压器体积小、重量轻、电压转换能量效率高、火灾环境事故机率低、无油污染等优点，在提高电力系统的可靠性和运行性能、降低成本、节约能源、保护环境等方面有着重要的现实意义。

超导限流器：

限流器（FCL）是一种提高电网稳定性的电力设备。随着社会的发展,对电网的质量要求越来越高，而传统的限流器很难在短时间内对电网的脉冲电流起到限制作用。高温超导限流器正好祢补了传统限流器的缺点，其限流时间可小于百微秒级，能快速和有效地起到限流作用。超导限流器是利用超导体的超导态-常态转变的物理特性来达到限流要求，它可同时集检测、触发和限流于一身，被认为是当前最好的而且也是唯一的行之有效的短路故障限流装置。

1989年以来，美国、德国、法国、瑞士和日本等都相继开展了高温超导限流器的研究。当前，国际上适应配电系统的高温超导限流器的技术性能已经接近应用的水平，但大体上仍处在示范试验阶段。

超导储能装置

超导储能装置是利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其他负载的一种电力设施。由于储能线圈由超导线绕制且维持在超导态，线圈中所储能几乎无损耗地永久储存下去直到需要释放时为止。超导储能装置不仅可用于调节电力系统的峰谷或解决电网瞬间断电对用电设备的影响，而且可用于降低或消除电网的低频功率震荡从而改善电网的电压和频率特性，同时还可用于无功和功率因数的调节以改善电力系统的稳定性。

3.2.2医疗

核磁共振人体成像仪（MRI）：

MRI是通过探测人体各个器官在磁场下感应出的不同信号来诊断病变的一种设备。传统的MRI采用常规磁体,磁场小,很难探测到初期的病变，同时，其主磁场处于封闭的磁体空洞内，扫描时需将受检者置于与外界隔绝的狭小空间，易使人产生幽闭恐怖症，大大影响了该设备的广泛应用，低温超导磁体因此被广泛应用于MRI中。由于低温超导的液氦温度要求，其运行和维护费用很高。一些国家加快了高温超导MRI的研究，1998年，Oxford磁体技术公司和西门子公司合作研制了一个用于人体MRI的高温超导磁体。

3.2.3运输

磁悬浮列车：

随着国民经济的发展，社会对交通运输的要求越来越高，高速列车应运而生。与现有的铁路、公路、水路和航空四种传统运输方式相比，超导磁悬浮列车具有高速、安全、噪音低和占地小等优点，是未来理想的交通工具。

使用Bi系高温超导线材的超导磁悬浮列车，悬浮间隙大，速度高，相对于低温超导的磁悬浮列车而言，制冷费用低，制冷设备简单。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。

3.2.4军工

高精度电磁测量装置、磁性雷、探测器、电磁干扰武器、粒子束武器、反导弹、反卫星武器、舰艇、潜艇驱动系统。

3.2.5航天

为卫星定位定向的旋转姿态定位仪，低损耗轴承装置。如果宇宙飞船中的电动马达线圈能使用超导材料，将会减小马达的体积等等。

3.2.6电子

超导电子干涉器（SQUID）、频带滤波器、超导数字电路、超导混频器、超导粒子探测器等。