超导材料的发展应用

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超导材料的发展应用（1）超导研究的发展于中国对高温超导材料研究的贡献　　1911年，荷兰莱顿大学的卡茂林-昂尼斯用液氦冷却水银（汞）时意外地发现，，当温度降到绝对温度4.2度时（-268.98°C，绝对温度零度相当于零下273摄氏度)）时发现水银的电阻突然完全消失。这种现象称为超导电性。后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，卡茂林-昂尼斯称之为超导态。卡茂林由于他的这一发现获得了1913年诺贝尔奖。这一发现引起了世界范围内的震动。在他之后，人们开始把处于超导状态的导体称之为“超导体”。超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失，被称作零电阻效应。导体没有了电阻，电流流经超导体时就不发生热损耗，电流可以毫无阻力地在导线中流大的电流，从而产生超强磁场。　　1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质，当金属处在超导状态时，这一超导体内的磁感兴强度为零，却把原来存在于体内的磁场排挤出去。对单晶锡球进行实验发现：锡球过渡到超导态时，锡球周围的磁场突然发生变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了，人们将这种现象称之为“迈斯纳效应”。后来人们还做过这样一个实验：在一个浅平的锡盘中，放入一个体积很小但磁性很强的永久磁体，然后把温度降低，使锡盘出现超导性，这时可以看到，小磁铁竟然离开锡盘表面，慢慢地飘起，悬空不动。迈斯纳效应有着重要的意义，它可以用来判别物质是否具有超性。后来还发现，如果把超导体放在磁场中冷却，则在材料电阻消失的同时，磁感应线将超导体中排出，即出现所谓抗磁性。因此，零电阻和抗磁性就成为超导体的两个重要特性。能使超导体电阻为零的温度，叫超导临界温度；依照磁化强度与外加磁场的不同，又可把超导体分为第Ⅰ类和第Ⅱ类超导体。超导转变温度用绝对温标（以k表示）计。绝对温度０k相当于摄氏零下273度。传统的超导电现象只能在液氦温区(-269℃)才能出现，而氦是一种稀有气体，因而大大限制了超导的应用。1986年夏，当时在瑞士工作的物理学家缪勒和贝德诺兹发现，一类特殊的铜氧化物超导转变温度高达近40度绝对温度。　　1987年初，在美国工作的华裔科学家吴茂昆、朱经武等发现了超导转变温度高达90度绝对温度的超导体，几天后，中国科学院物理研究所赵忠贤、陈立泉等以及日本的科学家也分别独立地发现了超导转变温度为100度绝对温度以上的超导体。超导体不能在液氮温区(绝对温度78度)工作的禁区终于被打破了。氮在空气中有的是，而空气的液化是一种广泛应用的技术。　　在陶瓷“高温”超导材料发现以前，所研究的超导材料几乎都是金属合金，如铌合金（超导临界温度为１５k）,复性和稳定性得到确认，1987年，《人民日报》发表新闻，第一次在世界上公布了钡、钇、铜、氧体系。这一消息加速了世界范围内的高温超导研究。可以说，从一开始，我国高温超导材料的研究就居世界前列。　　经过４年多的发展，我国在高温超导电性的研究和应用开发的一些主要方面，仍居世界先进水平。这主要表现在：在提高体材料的载流能力和制备高质量的超导薄膜上，我国目前仍属世界最好水平；在量子干涉器的制作以及将这种器件应用到地磁测量上，我国也属于世界最好水平；在高温超导粉料的制备，高温超导体材、线材的制备，以及发展金属有机化学气相沉积和发展厚膜技术方面，我国也属于世界上较好水平。此外，在确定高温超导材料的晶体结构、系统探索铋系、铊系材料及证实高温超导体中各种基本的超导现象等方面，我国也有较高水平的研究工作。　　八十年代中，我国科学界在液氮温区超导材料的发现上做出了国际公认的贡献，为适应超导技术发展的潮流，国家科委决定成立国家超导技术专家委员会和国家超导技术联合研究开发中心，统一协调和管理全国３０多个有关单位超导研究和开发工作。近九年来，在液氮温区超导电性的研究开发，包括新材料探索、材料物理化学性质的研究、实用成材技术的研究、薄膜技术、器件物理和技术、以及高温超导电性的基础研究等方面都进行了比较深入系统的工作，在主要方面仍处于国际先进水平。其中铋系带材和磁体、钇系块材、铊系材料、高温氧化物超导薄膜、高温超导量子干涉器件、超导微波元件及制冷技术等项目是一批具有国际先进水平的研究成果，代表了我国超导技术的水平和发展现状。本项目共获已鉴定成果79项，其中国际领先6项，国际先进24项，以应用25项，形成商品2项，获奖成果42项，国家自然科学奖一等奖一项，三等奖2项，国家科技进步奖二等奖2项，三等奖一项。发表论文共3028篇，其中国外发表1335篇，国内一级刊物上发表1006篇。获国内外专利37项。1991年，北京大学化学系、物理系在成功地合成C60以后，又和中科院物理所合作，于7 月份先后研制成功新型超导体掺钾碳—60和掺铷碳—60，经超导国家重点实验室交流磁化率测量表明，所研制的样品超导起始温度为17.9K。随后的研究使超导相的数量从1％左右提高到8.4％。这一成果为高温超导体的探索开辟了一条新的途径，具有重要的学术意义。同时表明，我国在高温超导研究方面已经走到了世界前列。1993年4月3日，北京大学碳—60科研组又做出重要成果：“重结晶法分离、纯化C60、C70”和“C60、C70的高效液相色谱分析和中压液相色谱分离方法”通过国家自然科学基金委主持的专家鉴定。专家们一致认为，此成果具有独创性、先进性和实用性，处于国际先进水平。　　1999年中科院紫金山天文台新近研制成功安装在13.7米毫米波射电天文望远镜上的超导ＳＩＳ接收机。超导ＳＩＳ混频技术是当今最先进的低噪声、高灵敏度检测技术，其接近量子极限的噪声性能使它成为射电天文及大气物理研究中分子谱线观测的首选手段。目前，国际上多数毫米波和亚毫米波射电天文望远镜已采用超导ＳＩＳ接收机。美国、日本、法国等发达国家正在将这项技术应用于球载项目和空间项目。专家认为，这是我国首次将低温超导技术应用于实践，它不仅使我国毫米波、亚毫米波射电天文观测能力实现了新的飞跃，而且为超导低噪声检测技术在国民经济和国防建设上的推广应用打下了重要基础。随着实用高温超导材料的研究取得重大进展，作为应用超导技术最重要的组成部分高温超导电力技术的实用化已成为现实。超导电力设备的应用对提高电网容量、电能质量、供电可靠性和安全性，具有重要意义。高温超导电力技术将是21世纪具有经济战略意义的高新技术。1998年7月中科院电工所研制和试验成功我国第一根1米/1200安高温超导电缆，被两院院士评为1998年中国十大科技进展之一。2000年7月，中科院电工所开发的6米长高温超导电缆成功通过了1450安培的电流试验，这标志着我国已经全面掌握了高温超导电缆的关键技术。此后不到一个月，中科院物理所研制出高温超导低相位噪声振荡器，其振荡频率和相位噪声等指标达到国际水平。目前正在研究6米/2千安直流高温超导电缆、1米/600安（有效值）交流高温超导电缆、5兆焦/400千瓦超导磁储能系统、2千伏/3千安高温超导限流器和50千伏安高温超导变压器，同时进行高温超导限流器在电力系统中的应用试验。　　2000年11月，北京有色金属研究总院超导材料研究中心研制成功我国第一根百米长的铋系高温超导带材，表明我国超导材料研究开始从实验室迈向应用阶段。这项技术填补了国内高温超导长带制备的空白，达到国际先进水平。998年7月，北京有研总院与兄弟单位共同研制成功我国第一根1米长1000安培铋系高温超导直流输电模型电缆。这项成果被两院院士列为当年中国十大科技进展。此次研制成功的高温超导带材长116米，宽3．6毫米，厚为0．28毫米，以螺旋管方式缠绕，用四引线法全长度测量，77K液氮温度（零下169摄氏度）自场下临界电流达12．7安培，各项技术指标均达到国内领先水平。高温超导带材达到100米以上，就可进入生产领域。它主要用作输电电缆、变压器、核磁共振成像等。超导材料指在一定温度下，电阻等于零的材料。现在一般输电电缆在长距离输送时电力损耗达20％，而高温超导长带做成的输电电缆，输电损耗几乎为零，可极大地降低输电成本。　　北京大学物理系超导电子学实验室承担了—“863”计划中的“超导技术”专项的子课题—“高温超导射频量子干涉仪及其应用”于2000年12月14日通过了由教育部主持的鉴定。该课题开始于90年代，是“九五”期间国家高技术研究发展计划项目，1996年正式列入“863”计划课题。超导量子干涉仪又称超导磁力仪，是及其灵敏的弱磁测量仪器。在精密测量、科学研究、生物磁研究（包括心磁图、脑磁信号研究等）、大地电磁测量、无损探伤、磁显微镜等方面有重要应用价值，在军事上也有应用前景。使用液态氦（4.2K）的低温超导磁力仪在70年代已有商品出售，但由于使用液氦难度较大，价格昂贵，难以大规模推广。高温超导磁力仪工作在液态氮温度（77K），技术简单，价格便宜，为超导磁力仪的推广应用打开了新的前景。各国争相开展高温超导磁力仪及其应用的研究工作，目前已有数家公司出售相应产品。鉴定专家组认为，北京大学物理系研制的高温超导磁力仪在技术上有自己的特色，性能指标达到了国际先进水平，结构上便于用户使用，并已具有小批量生产的能力。专家组对该课题的完成给予较高的评价。　　超导体在电力能源、超导磁体、生物、医疗科技、通信和微电子等领域有广泛的应用。在电力能源方面，包括输电电缆、线流器、电动机、发电机、变压器、超导储能系统在内的一系列超导产品将给电力的发展带来深远的影响，以至于美国能源部的专家认为“超导电力技术是21世纪电力工业唯一的高技术备，日本专家也认为“发展超导电力技术是在21世纪保持尖端优势的关键所在” 。输电电缆被认为是实现高温超导应用的最有希望的领域。传统电缆由于有电阻，电流密度只有300-400安培／平方厘米，而高温超导电缆的电流密度可超过10000安培／平方厘米，传输容量比传统电缆要高5倍左右，功率损耗仅相当于后者的40%。因而在城市中心配电、水电站等需要大电流的场合具有重要的应用价值。有专家预测，按现在的电价和用电量计算，如果我国输电线路全部采用超导电缆，则每年可节约400亿元。　　美国已经开发出30米长3000安培的铋系电缆，并在电力公司满负荷运行半年多。我国高温超导电缆研究水平大致相当于美国1997-1998年的水平，这主要是因为我国高温超导材料的研制相对滞后。国外最新的超导材料已经达到长1000-2000米、电流密度在10000-15000安培／平方厘米以上的水平，而国内材料最好的也就是100米长，电流密度3000安培／平方厘米。如果采用外国进口材料，我们完全有可能在两三年内达到美国现有的水平。（2）超导材料的应用　　为了使超导材料有实用性，人们开始了探索高温超导的历程，从1911年至1986年，超导温度由水银的4.2K提高到23.22K（OK=-273°C）。86年1月发现钡镧铜氧化物超导温度是30度，12月30日，又将这一纪录刷新为40.2K，87年1月升至43K，不久又升至46K和53K，2月15日发现了98K超导体，很快又发现了14°C下存在超导迹象，高温超导体取得了巨大突破，使超导技术走向大规模应用。最高的超导温度是在1993年4月，在瑞士苏黎世的实验室，水银、钡、钙和铜氧化物的混合物HgBa2Ca23Cu3O1+xHgBa2CaCu2O6+x产生了巨大超导性，伴随的最大转移温度为-140.7°C比其更高的温度皆未经证实。这一记录已载入《吉尼斯世界纪录大全》。　　　　超导材料和超导技术有着广阔的应用前景。超导现象中的迈斯纳效应使人们可以到用此原理制造超导列车和超导船，由于这些交通工具将在无磨擦状态下运行，这将大大提高它们的速度和安静性能。超导列车已于70年代成功地进行了载人可行性试验，1987年开始，日本国开始试运行，但经常出现失效现象，出现这种现象可能是由于高速行驶产生的颠簸造成的。超导船已于1992年1月27日下水试航，目前尚未进入实用化阶段。利用超导材料制造交通工具在技术上还存在一定的障碍，但它势必会引发交通工具革命的一次浪潮。超导材料的零电阻特性可以用来输电和制造大型磁体。超高压输电会有很大的损耗，而利用超导体则可最大限度地降低损耗，但由于临界温度较高的超导体还未进入实用阶段，从而限制了超导输电的采用。随着技术的发展，新超导材料的不断涌现，超导输电的希望能在不久的将来得以实现。现有的高温超导体还处于必须用液态氮来冷却的状态，但它仍旧被认为是20世纪最伟大的发现之一。　　高温超导材料的应用十分广泛。根据材料自身的特性，大致可以分为三类应用，即大电流应用（强电应用），电子学应用（弱电应用）和抗磁性应用。尽管现在对高温超导体的应用研究已经开始，但离要求还相差甚远。不过，大多数科学家相信，在１０年或更长一些时间内，高温超导的研究和应用开发会有巨大的进步，其中，大电流应用和电子学应用将有实质性的突破。超导电性最诱人的应用是作输电、储能。这项应用的突破必将给国民经济和国防建设带来巨大的效益。以超导输电为例可以说明这一点。超导的一个重要特性是零电阻，用超导材料输电基本上没有损耗。据悉，我国目前约有１５％的电能要损耗在输电线路上，每年的损失达到９００多亿度。若改为超导输电，节省的电能是极为可观的。　　在高温超导体发展初期，不少人怀疑这种陶瓷超导体是否有使用上有意义的载流能力。经过５年来的努力，这种怀疑已从实践和科学上证明是不必有的。尽管按使用化要求还有许许多多的问题需要解决，担现在人们对高温超导电性的大电流应用普遍乐观。一种流行的看法是，在５０年左右的时间内，能制备出在７７k温度下，在５万高斯的磁场中，临界电流密度超过每平方厘米１０万安培的实用化线材、缆材或带材。若能达到这样的要求，在零场大电流传输和无源电工元件等方面的应用便可以考虑了。　　广阔的超导应用高温超导材料的用途非常广阔，大致可分为三类：大电流应用（强电应用）、电子学应用（弱电应用）和抗磁性应用。大电流应用为超导发电，超导输电。超导体在大电流上的应用还有很多，诸如储存电力，制造超导发电机等，超导材料最诱人的应用是发电，输电和储能；电子学应用包括超导计算机，超导天线，超导微波器件等；抗磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。　　由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就可以获得10万高斯以上的稳态强磁场。而用常规导体做磁体，要产生这么大的磁场，需要消耗3.5兆瓦的电能及大量的冷却水，投资巨大。　　超导磁体可用于制作交流超导发电机、磁流体发电机和超导输电线路等。 　　超导发电机　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。　　由于超导体在电子学上的应用具有许多优点，因此在发现高温超导体后，开拓它在电子学方面的应用一直是人们努力的主要方向之一。预期这方面的应用在今后１０年内将会发展到一定的规模。其中，重要的有以下几个方面：　　１）超导量子干涉器（简称SQUID）　由超导约瑟夫森(Josephon)结制成的超导量子干涉器(SQUID)磁强计是极其灵敏的磁场探测仪器，它可以分辨相当于十亿分一的地磁场变化，广泛用于科学研究、生物磁(脑磁、心磁)、无损探伤及大地电磁测量等领域。是高温超导体最早走向实用化的领域之一。利用超导材料做成的探矿仪器，装在飞机甚至卫星上，可以大面积地探测某些矿藏的分布。北京大学物理系和中科院物理所经过几年的努力，已研制成功工作于液氮温度的高温SQUID，该仪器的性能指标已满足实际应用的要求。1998年我国的几家单位与德国的科学工作者成功地进行了大地测量用SQUID磁强计系统的野外实验。证明了目前研制成功的高温SQUID系统已经成熟，伴随着数据处理软件的完善和仪器操作系统的进一步简化，高温SQUID将可能逐步取代瞬变电磁法大地电磁测量的感应探头，并得到较大范围的应用。高温超导(HTS)SQUID另一项引人注目的课题是HTS扫描SQUID显微镜。美国Neocera公司正研制和销售这种系统。　　２）制作微波器件　利用高温超导体制作的微波无源器件在几年内将会有实际应用。随着制备技术的进步，利用高温超导体也可制作某些微波有源器件。超导天线、超导谐振腔等也会开始应用。高温超导体在微波技术上的应用估计会首先在卫星通信和军事技术上实现。例如热电子测热辐射电阻(HEB)混频器。高温超导有源微波器件的一项新进展是用YBCO研制热电子测热辐射电阻(HEB)混频器。工作在4K的Nb-HEB与通常的隧道结混频器相比是很有竞争力的，因为它不受超导能隙所规定的截止频率的限制。YBCO-HEB目前虽然还处于初步的研究阶段，但在60--80K的温度范围内有可能提供灵敏的、所需本振频率很小的超外差探测器。这种HEB采用极薄(10---20nm)的YBCO膜制备的，图形尺寸在深亚微米的量级。　　３）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，而散热正是超大规模集成电路面临的难题。如果超大规模集成电路中元件之间的互连线用零电阻或接近零电阻的、不发热或仅微发热的超导器件来制作，则不存在散热问题，亦更能提高计算机的运算速度。此外，也有人考虑用半导体和超导体来制造晶体管（目前正在探索之中），或完全用超导体来制作晶体管（目前这一工作还处在最基础的研究阶段，能否制造出可以工作的器件还有待观察）。　　４）高温超导体制作红外单元探测器和列阵探测器的研究也在开展之中，目前已研制出原型器件。这种器件在军事上有比较广泛的应用。　　５）高温超导滤波器　所有的无线电接收装置在接受外界讯号时总伴有一定的噪音。噪音主要可分为两部分：一是外界信号带入的，可用检波的方法加以消除；二是装置的线路内部产生的噪音。这一部分也可以用许多方法使之尽量减少，但是不管我们如何努力，也不能将噪音减到零。这是由于电路中存在一种所谓热噪音，它起源于电阻、电感和接线中的电子和晶格的碰撞。可以说对于有阻元件，热噪音是不可避免的。即使将接收装置维持在极低的温度下，热噪音也不能被消除。对噪音特别是热噪音的分析表明，前级放大器的热噪音，经过各级放大对信号的干扰最大。因此，只要设法降低前级放大器的热噪音或加以消除就可以将主要的热噪音去除。高温超导体在超导态下电阻为零，这意味着高温超导体的热噪音十分小（但不为零）。用高温超导体做成的滤波器，自然可将前级放大器中的热噪音消除，又不引入新的热噪音，这就大大的提高了信噪比。如果在电视机、录音机、收音机和高级音响装置上加上高温超导体制成的超导滤波器将使音乐更加美妙动听！ 抗磁性应用　　超导磁悬浮列车　超导材料的另一重要特征是具有完全的抗磁性。若把超导材料放在一块永久磁体之上，由于磁体的磁力不能穿过超导体，磁体和超导体之间就会产生斥力，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。　　核聚变反应堆“磁封闭体”　此外，利用超导体产生的巨大磁场，还可应用于受控制热核反应。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。　　自超导临界温度突破７７k而进入液氮温区以来，各国政府都极为关注，竞相采取对策，各国科学家也全力以赴，力争在超导研究中取得进一步的突破。理论物理学家正试图解释新超导材料的导电机制，化学家和材料学家则利用数千种方法以图合成临界温度更高的超导材料。现在，世界上有数千个实验室和数百家工厂、企业正在研究能实用化的超导线材料和薄膜，并研究相关的超导器件和超导仪器设备。高温超导材料于器件的研制成功，将为超导的早日应用开拓广阔的前景，产生不可估量的政治、经济效益。　　高温超导材料的下一个目标是使超导临界温度达干冰温度（２４０k）和室温（３００k）。利用氟、氮、碳部分取代氧，或在钇钡铜氧化物中加钪、锶和某些金属元素，有可能制备出室温超导体。此外，金属氢是否有希望成为室温超导体，这已引起一些科学家的关注。　　未来的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。