超导材料的研究发展

超导材料的研究发展和应用前景综述•超导简史•超导材料的应用•超导材料的发展趋势和应用前景一、超导简史1、超导发现及及进展1908年，荷兰物理学家昂内斯首次成功地把称为“永久气体”的氦液化，因而获得4.2K的低温源，为超导准备了条件，三年后即1911年，在测试纯金属电阻率的低温特性时，他又发现，汞的直流电阻在4.2K时突然消失，多次精密测量表明，汞柱两端压降为零，他认为这时汞进入了一种以零阻值为特征的新物态，并称为“超导态”。物质在超低温下失去电阻的性质称为超导电性，具有这种性质的物质称为超导体，超导体在电阻消失以前的状态称为常导状态，电阻消失以后的状态称为超导状态。这种特性称为超导材料的零电阻性。1933年迈斯纳发现，超导体一旦进入超导状态，体内的磁通量将全部被排出体外，磁感应强度恒为零，且不论对导体是先降温后加磁场，还是先加磁场后降温，只要进入超导状态，超导体就把全部磁通量排出体外。在锡盘上放一条永久磁铁，当温度低于锡的转变温度时，小磁铁会离开锡盘飘然升起，升至一定距离后，便悬空不动了，这是由于磁铁的磁力线不能穿过超导体，在锡盘感应出持续电流的磁场，与磁铁之间产生了排斥力，磁体越远离锡盘，斥力越小，当斥力减弱到与磁铁的重力相平衡时，就悬浮不动了。这种效应称为迈斯纳效应又叫完全抗磁性。•自1911年以后，又发现了23种纯金属也具有超导性。包括水银在内，24种纯金属超导材料的临界温度范围为0.1～9.13K，最高温度9.13K的是铌元素。•为了寻找较高临界温度的超导材料，在1950年，科学家将注意力转向了合金和化合物。•1952年，发现了临界温度为17K的硅化钒，不久又发现了临界温度为18K的铌锡合金，这在当时是最高的临界温度，以后又陆续发现了若干铌系列合金超导体。•1973年，科学家发现了铌锗合金，其临界温度为23.2K，该纪录保持了13年。•直到1986年，IBM公司的研究人员米勒和贝德诺尔茨发现了一种铜氧化物具有35K的高温超导性，突破了传统“氧化物陶瓷是绝缘体”的观念，更重要的是改变了从金属和合金中寻找超导材料的传统思路。•1986年底，美国贝尔实验室研究的氧化物超导材料，其临界超导温度达到40K，液氢的“温度壁垒”被跨越。•1987年，中国科学家赵忠贤在钇-钡-铜-氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上，液氮的禁区（77K）也被突破了，这使超导转变温度高于液氮的气化温度，使资源丰富、价格低廉的液氮作为超导体工作的冷却剂成为可能。人们将这类铜基氧化物超导体叫做高温超导体。为了与这类新发现的高温超导体相区别，人们把在此以前发现的超导体称为低温超导体。•1987年底，铊-钡-钙-铜-氧系材料又把临界超导温度的纪录提高到125K。•1993年，人们发现了超导临界转变温度为133K的汞-钡-钙-铜-氧系材料。2、几种常见超导材料2.1钇系高温超导体钇系高温超导体是当前已知的四类高温超导体中研究得最透彻的一种。目前已能从多种商业渠道获得优质的Y123粉、块材和薄膜。制备超导性能优异的粉末$高度致密块材或薄膜的方法和工艺条件已相当成熟。YBCO大约在92K显示出超导电性，并且超导相的比例极高。Y123薄膜的磁通钉扎性能甚佳。2.2铋系高温超导体(BSCCO)这是仅次于钇系研究得颇为透彻的高温超导体。988年初日本人用便宜的Bi2O3代替稀土，用锶、钙代替钡在BSCCO系中发现了新的高温超导相。此后,美、日都宣布发现了Tc=110Ｋ的超导体，经研究BSCCO共有Bi2Sr2CaCu2O8(Bi2212)和(Bi，Pb)2Sr2Ca2Cu3O10(Bi2223)两个高温超导相,前者的Tc约80Ｋ,后者为110Ｋ。BSCCO粉具有极好的烧结特性和超导性能，目前已商品化生产用于制造和开发铋系线材。2.3铊系高温超导体(TBCCO)铊系高温超导体是继钇系、铋系之后于1988年发现的第三种高温超导体。目前已合成出Tl1212、Tl1223、Tl2212和Tl2223四种超导相的粉末。近年来对TBCCO的研究表明,用它们有望获得高Tc的薄膜、多晶、厚膜和带材。2.4其它超导体如汞系、镧系、Nb3Sn系及其它。3、新超导材料的发现3.1贝尔实验室研制出具有超导性能的塑料贝尔实验室的科学家设法用氧化铝合金制成一种金属薄片，并在其上涂一层聚噻吩薄膜，结果发现：在电场中，电子可以无损耗地通过聚噻吩薄膜。但这一特性的出现，需要非常低的温度——绝对温度4K。这种材料是一种导电高分子材料聚噻吩，价值便宜，有望广泛运用于量子计算机及超导电子设备等领域。虽然人们认为超导塑料具有广阔的应用前景，但领导该项研究的贝特拉格认为，超导塑料要进入实际应用还有很多工作要做，但这一材料的出现为超导研究开辟了新的途径，具有重大的科研和商业价值。3.2日本物理学家发现锂元素的超导电性在极高的压力下，锂元素自身的电阻会消失，成为超导体。东京Osaka大学的KatsuyaShimizu与其研究小组将锂置于30GPa的压力下，发现此时的锂具有超导的特性，若将压力加到48Gpa，则转变温度(Tc)为20K。因此，目前锂除了是最轻的金属之外，还是超导转变温度最高的元素。这个实验困难之处在于：除了必须加高压之外，锂的活性相当强，如何让锂在实验过程中不与其它物质发生反应也是很重要的。3.3ISTEC成功合成具有14T永久磁性的高温超导体国际超导产业技术研究中心超导工学研究所（ISTEC-SRL）日前成功合成了在液体氮的沸点温度77K（约-196℃）下具有14T（特斯拉）永久磁性的高温超导体，比目前投入使用的永久磁铁的磁场强度（最大约为1T）高出1个数量级。二、超导材料的应用1、超导电力设备电力设备是超导技术应用的一个重要领域，主要利用超导体可以无电阻传输大电流的特点。目前世界各国开发的主要超导电力设备包括超导电缆、超导限流器、超导变压器、超导电机和超导储能装置等。1.1超导电缆超导电缆的发展经历了直流低温超导电缆、交流低温超导电缆和交流高温超导电缆等几个发展过程,目前交流高温超导电缆已经成为超导电缆研究的重点。超导电缆是利用超导材料零电阻特性的新一代电力输电电缆。与常规电缆相比，超导电缆具有损耗低、容量大、材料省、无污染等优势。超导电缆的广泛应用，将降低输电损耗，改进和提高电网的稳定性和安全性，节省土地资源，保护生态环境。1.2超导限流器超导限流器是利用超导体的基本特性，有效限制电力系统故障短路电流，提高电网安全性和稳定性的一种新型电力设备。超导限流器主要用于输变电系统，能有效地抑制事故扩散，解决由于短路电流过大而无法联网的问题，为降低高压电网的脆弱性提供新的技术手段。特别是用于人口密度高、经济发展速度快、对电能质量需求较高的地区，将会带来很大的经济效益和社会效益。1.3超导电机超导电机包括发电机和电动机。由于采用了超导绕组，与常规电机相比，能够承载更大的电流从而产生更强的磁场，所以在与常规电机功率相同的情况下，其体积和重量可以减小到常规电机的1/5左右。1.4超导变压器使用超导绕组制成的超导变压器可以大大地减小变压器的体积和重量，并杜绝了传统变压器可能造成的油污染。由于超导绕组具有较低的损耗，所以运行时也可减少能量损失。1.5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它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，线圈中所储存的能量几乎可以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，而且可用于降低甚至消除电网的低频功率振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。1.6超导悬浮列车由于超导体具有完全抗磁性,在车厢底部装备的超导线圈,路轨上沿途安放金属环,就构成悬浮列车。当列车启动时,由于金属环切割磁力线,将产生与超导磁场方向相反的感生磁场。根据同性相斥原理,列车受到向上推力而悬浮。超导悬浮列车具有许多的优点:由于它是悬浮于轨道上行驶,导轨与机车间不存在任何实际接触,没有摩擦,时速可达几百公里；磁悬浮列车可靠性大,维修简便,成本低,能源消耗仅是汽车的一半、飞机的四分之一；噪声小,时速达300公里/小时,噪声只有65分贝;以电为动力,沿线不排放废气,无污染,是一种绿色的交通工具。1.7磁悬浮轴承高速转动的部位,由于受轴承摩擦的限制,转速无法进一步提高。利用超导体的完全抗磁性可制成无摩擦悬浮轴承。磁悬浮轴承是采用磁场力将转轴悬浮。由于它无接触,因而避免了机械磨损,降低了能耗,减小了噪声,进而具有免维护、高转速、高精度和动力学特性好的优点。磁悬浮轴承可适用于高速离心机、飞轮储能、航空陀螺仪等高速旋转系统。1.8电子束磁透镜在通常的电子显微镜中,磁透镜的线圈是用铜导线制成的,场强不大,磁场梯度也不高,且时间稳定性较差,使得分辨率难以进一步提高。运用超导磁透镜后,以上缺点得到了克服。目前超导电子显微镜的分辨已达到3埃,可以直接观察晶格结构和遗传物质的结构,已成为科学和生产部门强有力的工具。1.9超导电力设备的市场及各国的发展状况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，同时将会滋生一个具有巨大潜力的超导设备市场。根据1999年世界银行组织的世界超导工业峰会预测：2010年，全球各种超导相关产业的产值将达到260亿美元；到2020年，将达到2400亿美元以上。美国：一份报告展望在2010年实现几个数10km以上的超导电缆并网运行，2030年建立基于超导技术的主干输电网络，其中包括超导电缆、超导限流器和超导变压器。欧洲：欧洲各国政府和各大公司也一直对超导技术的应用研发进行投资，Siemens公司重点开发的是车载变压器和故障限流器。ABB公司在2001年研制成功6.4MVA的电阻型超导限流器。2001年5月，丹麦NKT公司将三相30m长、30kV/2kA热绝缘结构超导电缆在哥本哈根郊区的Amager变电站并网运行，成为世界上第2组并网试运行的超导电缆。日本和韩国：日本一直积极开展在超导电缆、变压器、飞轮储能、发电机、限流器等方面的研究开发工作，特别是东京电力公司(TEPCO)和超导线材制造商联合开发高温超导电缆。1999年，TEPCO和SumitomoElectricIndustries开始联合研发3芯、100m长的超导电缆，2002年完成制造并在东京电力实验场进行了一系列试验。投入电网试验的还有1kW.h/1MW超导储能和70MW发电机样机；韩国政府2001年制定了超导技术电力应用的10年规划，投资2亿美元进行超导电缆、变压器、限流器、电机等应用产品的研发。LG电缆公司2004年生产出长30m三相，22.9kV/1.25kA超导电缆系统并投入测试。中国：我国在“十五”期间，国家“863”计划设立“超导材料与技术专项”，加强了对超导应用技术的研究，在电力应用、强磁体应用以及弱电应用等方面全面开展研发。与世界先进水平之间的差距正日益缩小。目前我国在超导电力设备方面的主要应用研究项目还包括超导限流器、超导变压器和超导储能系统。2、超导材料在舰船上的应用超导材料在舰船上的应用主要包括：超导电缆、超导电机、扫雷具、电磁弹射/发射装置、储能系统、集成动力系统、超导电磁炮、国防导航系统的高精度超导陀螺仪和其它武装装备上。3.超导在加速器上的应用不仅在过去的几十年不断有以超导磁体为核心技术的超导加速器在建造,未来的加速器方案中仍将主要采用超导技术方案,超导技术在大型粒子加速器建造中的核心地位仍没有动摇。迄今为止液氦冷却的铌及其合金仍是最好的选择,但是基于铌合金的超导磁体和基于高纯铌的超导腔性能都已逼近其极限水平,因此,人们对于高温超导材料以及最新发现的MgB2超导体应用于粒子加速器寄以厚望。粒子加速器是一种用电磁场来加速和约束粒子的装置,它描述一个电荷为q的粒子处于电场E和磁场B中的运动规律,超导在加速器中应用主要体现在两个方面,一是提供强磁场B的超导磁体二是提供加速场强E的超导谐振腔。前者应用于回旋加速器