国内外各种超导材料性能特点的技术研发分析

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1、超导材料性能特点在国内外的技术研究分析报告一、国际超导材料的应用进展前言：低温超导材料已得到广泛应用。在强电磁场中，NbTi超导材料用作高能物理的加速器、探测器、等离子体磁约束、超导储能、超导电机及医用磁共振人体成像仪等；Nb3Sn超导材料除用于制作大量小型高磁场（710T）磁体外，还用于制作受控核聚变装置中数米口径的磁体；用Nb及NbN薄膜制成的低温仪器，已用于军事及医学领域检测极弱电磁信号。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。超导电性的实际应用从根本上取决于超导材料的性能。与实用低温超导材料相比，高温超导材料的最大优势在于它应用于液氮温

2、区。20世纪90年代，随着第一代Bi系高温超导材料的商业化，美国、日本、欧洲和中国等国和相关大公司都投入大量的人力和资金，开展高温超导电力应用研究，相继开展了超导电机、超导变压器、超导输电电缆和超导储能装置等的研究，并取得了许多实质性的进展。1.电流引线在给低温环境下工作的超导磁体和电力设备供电时，由低温到高温之间的电流引线会消耗许多液氦。高温超导体由于临界温度高，热导率低，可以在超导态下给磁体供电，从而把由低温区到高温区的热漏减少到了极小的程度。目前用作电流引线的材料主要有Bi-2212及Bi-2223的棒、管和带材、以及熔融法YBCO棒材。目前电流引线已成功地用于微型致冷机冷却

3、的NbTi及Nb3Sn磁体系统，第一次实现了不需用液氦的超导磁体应用。2.磁体高温超导磁体在MRI、NMR、磁悬浮列车、磁分离技术、高能加速器、磁性扫雷技术和磁流体推动技术等方面有重要的应用价值。美国超导体（AMSC）公司研制了一个利用机械致冷机冷却的高温超导磁体，在27K零外场下能产生2.16T的磁场。最近，日本住友电工将Bi系多芯带绕制的四双饼高温超导磁体插入NbTi及Nb3Sn组合磁体中，在4.2K产生了常规低温超导体无法实现的24T的磁场，已能满足1GHz核磁共振磁体要求。Bi-2212线材绕制线圈和磁体是目前研究的重点之一。Bi-2212具有较高的临界温度，用这种材料绕制

4、的磁体具有高的稳定性和可靠性，因此，这种磁体能够在广阔的范围内得到应用。3.输电电缆高温超导电缆具有体积小、重量轻、损耗低和传输容量大的优点，从20世纪90年代起，美国、日本和丹麦等国都相继开展这方面的研究，并进行示范性实验。2004年，日本东京电力公司研制出500m长、77kV／1kA单芯高温超导电缆。2004年l2月，中国科学院电工研究所与甘肃长通电缆公司等合作研制成功75m、10．5kV／1．5kA交流高温超导电缆，并接入到甘肃长通电缆公司6kV配电网中向车间供电运行，如图2所示。云电英纳超导电缆公司也于2004年完成33m长、35kV／2kA高温超导交流电缆的开发，安装在云

5、南普吉变电站中运行。目前美国Southwire，AMSC公司等预计在2006年分别研制出200m、13.5kv／3kA，350m、34.5kv／0.8kA和660m、l38kv／2.4kA的三相高温超导交流电缆并将投入实际运行。4.故障限流器在电厂，高压输电、低压配电等电力系统中，有时会因闪电轰击，设备故障等引起短路，对50Hz的电力系统而言，一旦发生短路，不可避免会产生很大的故障电流，为此电路上必须配有限流装置。中国、美国、日本、德国、法国等都在从事高温超导故障限流器的开发，并取得了较大进展。如2005年中国科学院电工研究所研制成功l0.5kV／1.5kA新型桥路式高温超导限流器

6、，并于2005年8月安装在湖南娄底的110kV／l0.5kV变电站中进行短路和运行试验。5.变压器高温超导变压器与常规变压器相比有体积小重量轻的优点，它采用液氮作冷却剂，没有污染环境或火灾的隐患。90年代，美国、日本以及欧洲ABB公司等都在致力研究电力系统用的高温超导变压器。2001年，德国Siemens公司已研制、试验成功用于铁路机车的1MVA高温超导变压器样机。中国科学院电工研究所研制成功630kVA、10.5kV(34.6A)／400V(909A)的高温超导变压器示范样机，并已于2005年12月在新疆特变电工股份有限公司并网运行试验，向车间供电。6.高温超导器件应用高温氧化物

7、超导体的出现，无疑给超导电子学带来了更为广阔的应用前景。常规超导电子器件早已显示出巨大的优越性，超导量子干涉器件用于测量微弱磁场，灵敏度可比常规仪器高1-2个数量级，这使得它在生物磁性测量、寻找矿藏等领域发挥了巨大的作用，超导隧道效应使微波接收机的灵敏度大大提高，超导薄膜数字电路可用来制造高速、超小体积的大型计算机，但由于常规超导器件工作在液氦温区或致冷机所能达到的温度（10-20K）下，这个温区的获得和维持成本相当高，技术也复杂，因而使用常规超导器件的应用范围受到了