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高溫超導(dǎo)材料
能在液氮溫度下工作的超導(dǎo)材料
基本信息
| 中文名 | 高溫超導(dǎo)材料 |
| 外文名 | high temperature superconducting material |
| 類別 | 超導(dǎo)材料 |
| 別名 | 高溫氧化物超導(dǎo)材料 |
| 材質(zhì) | 氧化物材料 |
技術(shù)簡介
超導(dǎo)技術(shù)是21世紀具有巨大發(fā)展?jié)摿椭卮髴?zhàn)略意義的技術(shù)，超導(dǎo)材料具有高載流能力和低能耗特性，可廣泛應(yīng)用于能源、國防、交通、醫(yī)療等領(lǐng)域。由于高溫超導(dǎo)體較高的臨界溫度，且用于其冷卻的液氨價格便宜，操作方便，是具有實用意義的新能源材料。自從上世紀八十年代發(fā)現(xiàn)氧化物超導(dǎo)體以來，全球掀起了研究高溫超導(dǎo)電性的熱潮。此后，人們又發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度越來越高的各種系列的高溫超導(dǎo)材料，目前汞系超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度已高達 130多K。在基礎(chǔ)研究的同時，世界各國在超導(dǎo)材料的產(chǎn)業(yè)化研究方面，也投入了大量的人力物力。
發(fā)展歷史
高溫超導(dǎo)體通常是指在液氮溫度（77 K）以上超導(dǎo)的材料。人們在超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)的時候（1911年），就被其奇特的性質(zhì)（即零電阻，反磁性，和量子隧道效應(yīng)）所吸引。但在此后長達七十五年的時間內(nèi)所有已發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體都只是在極低的溫度（23 K)下才顯示超導(dǎo)，因此它們的應(yīng)用受到了極大的限制。
高溫超導(dǎo)材料一般是指臨界溫度在絕對溫度77K以上、電阻接近零的超導(dǎo)材料，通常可以在廉價的液氮（77K）制冷環(huán)境中使用，主要分為兩種：釔鋇銅氧（YBCO）和鉍鍶鈣銅氧(BSCCO)。釔鋇銅氧一般用于制備超導(dǎo)薄膜，應(yīng)用在電子、通信等領(lǐng)域；鉍鍶鈣銅氧主要用于線材的制造。
1911年，荷蘭萊頓大學的卡末林·昂尼斯意外地發(fā)現(xiàn)，將汞冷卻到-268.98°C時，汞的電阻突然消失；后來他又發(fā)現(xiàn)許多金屬和合金都具有與上述汞相類似的低溫下失去電阻的特性，由于它的特殊導(dǎo)電性能，卡末林·昂尼斯稱之為超導(dǎo)態(tài)，他也因此獲得了1913年諾貝爾獎。
1933年，荷蘭的邁斯納和奧森菲爾德共同發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的另一個極為重要的性質(zhì)，當金屬處在超導(dǎo)狀態(tài)時，這一超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強度為零，卻把原來存在于體內(nèi)的磁場排擠出去。對單晶錫球進行實驗發(fā)現(xiàn)：錫球過渡到超導(dǎo)狀態(tài)時，錫球周圍的磁場突然發(fā)生變化，磁力線似乎一下子被排斥到超導(dǎo)體之外去了，人們將這種現(xiàn)象稱之為“邁斯納效應(yīng)”。
自卡麥林·昂尼斯發(fā)現(xiàn)汞在4.2K附近的超導(dǎo)電性以來，人們發(fā)現(xiàn)的新超導(dǎo)材料幾乎遍布整個元素周期表，從輕元素硼、鋰到過渡重金屬鈾系列等。超導(dǎo)材料的最初研究多集中在元素、合金、過渡金屬碳化物和氮化物等方面。至1973年，發(fā)現(xiàn)了一系列A15型超導(dǎo)體和三元系超導(dǎo)體，超導(dǎo)材料要用液氦做致冷劑才能呈現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)，因而在應(yīng)用上受到很大限制。1986年柏諾茲和繆勒發(fā)現(xiàn)了35K 超導(dǎo)的鑭鋇銅氧體系。這一突破性發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了更高溫度的一系列稀土鋇銅氧化物超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)。通過元素替換，1987年初美國吳茂昆（朱經(jīng)武）等和我國物理所趙忠賢等宣布了90K釔鋇銅氧超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，第一次實現(xiàn)了液氮溫度（77 K）這個溫度壁壘的突破。柏諾茲和繆勒也因為他們的開創(chuàng)性工作而榮獲了1987年度諾貝爾物理學獎。
這類超導(dǎo)體由于其臨界溫度在液氮溫度（77K）以上，因此通常被稱為高溫超導(dǎo)體。液氮溫度以上釔鋇銅氧超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，使得普通的物理實驗室具備了進行超導(dǎo)實驗的條件，因此全球掀起了一股探索新型高溫超導(dǎo)體的熱潮。1987年底，我國留美學者盛正直等首先發(fā)現(xiàn)了第一個不含稀土的鉈鋇銅氧高溫超導(dǎo)體。1988 年初日本研制成臨界溫度達110K的鉍鍶鈣銅氧超導(dǎo)體。1988年2月盛正直等又進一步發(fā)現(xiàn)了125K 鉈鋇鈣銅氧超導(dǎo)體。幾年以后（1993年）法國科學家發(fā)現(xiàn)了 135K 的汞鋇鈣銅氧超導(dǎo)體。
制備工藝
薄膜
高溫超導(dǎo)體薄膜是構(gòu)成高溫超導(dǎo)電子器件的基礎(chǔ)，制備出優(yōu)質(zhì)的高溫超導(dǎo)薄膜是走向器件應(yīng)用的關(guān)鍵。高溫超導(dǎo)薄膜的制備幾乎都是在單晶襯底(上進行薄膜的氣相沉積或外延生長的。經(jīng)過十年的研究，高溫超導(dǎo)薄膜的制備技術(shù)已趨于成熟，達到了實用化水平。目前，最常用、最有效的兩種鍍膜技術(shù)是：磁控濺射(MS)和脈沖激光沉積 (PLD)。這兩種方法各有其獨到之處，磁控濺射法是適合于大面積沉積的最優(yōu)生長法之一。脈沖激光沉積法能簡便地使薄膜的化學組成與靶的化學組成達到一致，并且能控制薄膜的厚度。
線材帶材
超導(dǎo)材料在強電上的應(yīng)用，要求高溫超導(dǎo)體必須被加工成包含有超導(dǎo)體和一種普通金屬的復(fù)合多絲線材或帶材。但陶瓷高溫超導(dǎo)體本身是很脆的，因此不能被拉制成細的線材。在眾多的超導(dǎo)陶瓷線材的制備方法中，鉍系陶瓷粉體銀套管軋制法(Ag PIT)是最成熟并且比較理想的方法。而壓制出鉍系帶材的臨界電流密度比通過滾軋技術(shù)制備出帶材的臨界電流密度要高得多。
塊材
最初的氧化物超導(dǎo)體都是用固相法或化學法制得粉末，然后用機械壓塊和燒結(jié)等通常的粉末冶金工藝獲得塊材，制備方法比較簡單。
應(yīng)用領(lǐng)域
綜合目前超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展情況，超導(dǎo)技術(shù)可以在以下行業(yè)得到應(yīng)用和拓展：
電力
超導(dǎo)技術(shù)與電力技術(shù)的結(jié)合將給電力行業(yè)的發(fā)、輸、配電帶來革命性的改變，電力行業(yè)是超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)最重要的應(yīng)用場所與市場。超導(dǎo)技術(shù)在電力中的應(yīng)用主要包括：
現(xiàn)有電纜的擴容問題一直困擾著城市電力的發(fā)展。傳統(tǒng)的城市地下輸電電纜存在著通量小、損耗大、對土壤和地下水有熱污染及油污染、土建費用高等問題，城市電力擴容變得越來越困難。高溫超導(dǎo)電纜具有體積小、造價低、高節(jié)能、無污染等優(yōu)點，具有巨大的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益，終將替代傳統(tǒng)電纜。
高溫超導(dǎo)電纜的大規(guī)模應(yīng)用能夠極大地提高電力輸電系統(tǒng)的運行效率，降低運行成本。目前國際上高溫超導(dǎo)電纜的總體發(fā)展趨勢是研制大容量、低交流損耗、超長高溫超導(dǎo)電纜。據(jù)專家估計，高溫超導(dǎo)電纜最有可能率先實現(xiàn)實用化和商業(yè)化。
電動機是最常用的電氣設(shè)備，但傳統(tǒng)電動機耗電量極大。美國工業(yè)界專家估計，1,000馬力以上的工業(yè)用電動機大約要消耗美國能源的25%。與常規(guī)電機相比，超導(dǎo)電機具有節(jié)能性好、體積小、單機容量大、造價及運營成本低、穩(wěn)定性能好等優(yōu)點，具有很好的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益。供給同樣的功率，超導(dǎo)電機的尺寸是常規(guī)電機的1/3，制造成本可降低40%，電流損耗可減少50%，運行成本可降低50%。美國能源部估計，高溫超導(dǎo)電動機的低損耗每年可減少數(shù)十億美元的運行費用。
在軍事上戰(zhàn)艦應(yīng)用高溫超導(dǎo)電機，其艦船體積重量更小，空間布置更靈活，推進系統(tǒng)運行更加可靠，效率更高，控制更方便，調(diào)速性能更好，能大大提高隱蔽性，達到高速安靜運行，具有重要的軍事意義。
常規(guī)變壓器有許多缺點，如負載損耗高、重量和尺寸大、過負載能力低、沒有限流能力、油污染及壽命短等。在美國，變壓器的總裝機容量約為總發(fā)電量的3-4倍，其電力系統(tǒng)的網(wǎng)損約為總發(fā)電量的7.34%，其中25%為變壓器損失。相比較而言，超導(dǎo)變壓器體積小、重量輕、電壓轉(zhuǎn)換能量效率高、火災(zāi)環(huán)境事故機率低、無油污染等優(yōu)點，在提高電力系統(tǒng)的可靠性和運行性能、降低成本、節(jié)約
能源、保護環(huán)境等方面有著重要的現(xiàn)實意義。
限流器（FCL）是一種提高電網(wǎng)穩(wěn)定性的電力設(shè)備。隨著社會的發(fā)展，對電網(wǎng)的質(zhì)量要求越來越高，而傳統(tǒng)的限流器很難在短時間內(nèi)對電網(wǎng)的脈沖電流起到限制作用。高溫超導(dǎo)限流器正好禰補了傳統(tǒng)限流器的缺點，其限流時間可小于百微秒級，能快速和有效地起到限流作用。超導(dǎo)限流器是利用超導(dǎo)體的超導(dǎo)態(tài)-常態(tài)轉(zhuǎn)變的物理特性來達到限流要求，它可同時集檢測、觸發(fā)和限流于一身，被認為是當前最好的而且也是唯一的行之有效的短路故障限流裝置。 1989年以來，美國、德國、法國、瑞士和日本等都相繼開展了高溫超導(dǎo)限流器的研究。當前，國際上適應(yīng)配電系統(tǒng)的高溫超導(dǎo)限流器的技術(shù)性能已經(jīng)接近應(yīng)用的水平，但大體上仍處在示范試驗階段。
5）超導(dǎo)儲能裝置
超導(dǎo)儲能裝置是利用超導(dǎo)線圈將電磁能直接儲存起來，需要時再將電磁能返回電網(wǎng)或其他負載的一種電力設(shè)施。由于儲能線圈由超導(dǎo)線繞制且維持在超導(dǎo)態(tài)，線圈中所儲能幾乎無損耗地永久儲存下去直到需要釋放時為止。超導(dǎo)儲能裝置不僅可用于調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)的峰谷或解決電網(wǎng)瞬間斷電對用電設(shè)備的影響，而且可用于降低或消除電網(wǎng)的低頻功率震蕩從而改善電網(wǎng)的電壓和頻率特性，同時還可用于無功和功率因數(shù)的調(diào)節(jié)以改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
醫(yī)療
1）核磁共振人體成像儀（MRI）
MRI是通過探測人體各個器官在磁場下感應(yīng)出的不同信號來診斷病變的一種設(shè)備。傳統(tǒng)的MRI采用常規(guī)磁體，磁場小，很難探測到初期的病變，同時，其主磁場處于封閉的磁體空洞內(nèi)，掃描時需將受檢者置于與外界隔絕的狹小空間，易使人產(chǎn)生幽閉恐怖癥，大大影響了該設(shè)備的廣泛應(yīng)用，低溫超導(dǎo)磁體因此被廣泛應(yīng)用于MRI中。由于低溫超導(dǎo)的液氦溫度要求，其運行和維護費用很高。一些國家加快了高溫超導(dǎo)MRI的研究，1998年，Oxford磁體技術(shù)公司和西門子公司合作研制了一個用于人體MRI的高溫超導(dǎo)磁體。
運輸
磁懸浮列車
隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，社會對交通運輸?shù)囊笤絹碓礁?，高速列車?yīng)運而生。與現(xiàn)有的鐵路、公路、水路和航空四種傳統(tǒng)運輸方式相比，超導(dǎo)磁懸浮列車具有高速、安全、噪音低和占地小等優(yōu)點，是未來理想的交通工具。
IT行業(yè)
高速計算機要求集成電路芯片上的元件和連接線密集排列，但密集排列的電路在工作時會發(fā)生大量的熱，而散熱是超大規(guī)模集成電路面臨的難題。超導(dǎo)計算機中的超大規(guī)模集成電路，其元件間的互連線用接近零電阻和超微發(fā)熱的超導(dǎo)器件來制作，不存在散熱問題，同時計算機的運算速度大大提高。此外，科學家正研究用半導(dǎo)體和超導(dǎo)體來制造晶體管，甚至完全用超導(dǎo)體來制作晶體管。
超導(dǎo)開關(guān)可以分為電阻開關(guān)和電感開關(guān)。電阻開關(guān)是利用超導(dǎo)體以下性能：若改變磁場、電流和溫度三個參量的任一個，就可以使它從零電阻態(tài)轉(zhuǎn)變到有阻狀態(tài)。例如，用冷子管作開關(guān)，就是利用一個完全超導(dǎo)的控制元件所產(chǎn)生的磁場，通過使門元件發(fā)生超導(dǎo)- - -正常轉(zhuǎn)變來控制門元件的電阻而制成。這種開關(guān)的低電阻態(tài)為零，高電阻態(tài)典型的是毫歐姆數(shù)量級，所以，開關(guān)比是無限大。電感開關(guān)的原理是：不是像線圈、線等電路元件的電感，可用來將靠近它的超導(dǎo)體作正常態(tài)和超導(dǎo)態(tài)之間的轉(zhuǎn)變，或移動電路元件附近的超導(dǎo)表面，使它發(fā)生相同轉(zhuǎn)變。
參考資料
[1]
周存.高溫超導(dǎo)材料的研究現(xiàn)狀與展望[J].技術(shù)與市場,2015,(11):71-72. · 萬方[引用日期2019-07-09]
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