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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(jiǎn)介
超導(dǎo)技術(shù)是21世紀(jì)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(jià)格便宜，操作方便，是具有實(shí)用意義的新能源材料。自從上世紀(jì)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(dá) 130多K。在基礎(chǔ)研究的同時(shí)，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?cè)诔瑢?dǎo)體被發(fā)現(xiàn)的時(shí)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(dá)七十五年的時(shí)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(duì)溫度77K以上、電阻接近零的超導(dǎo)材料，通常可以在廉價(jià)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(xué)的卡末林·昂尼斯意外地發(fā)現(xiàn)，將汞冷卻到-268.98°C時(shí)，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(jiǎng)。
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(gè)極為重要的性質(zhì)，當(dāng)金屬處在超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，這一超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，卻把原來存在于體內(nèi)的磁場(chǎng)排擠出去。對(duì)單晶錫球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：錫球過渡到超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，錫球周圍的磁場(chǎng)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(gè)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(shí)現(xiàn)了液氮溫度（77 K）這個(gè)溫度壁壘的突破。柏諾茲和繆勒也因?yàn)樗麄兊拈_創(chuàng)性工作而榮獲了1987年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
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(shí)驗(yàn)室具備了進(jìn)行超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)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(xué)者盛正直等首先發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)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(dá)110K的鉍鍶鈣銅氧超導(dǎo)體。1988年2月盛正直等又進(jìn)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(xué)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(jìn)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(dá)到了實(shí)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(dú)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(jiǎn)便地使薄膜的化學(xué)組成與靶的化學(xué)組成達(dá)到一致，并且能控制薄膜的厚度。
線材帶材
超導(dǎo)材料在強(qiáng)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(xì)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(xué)法制得粉末，然后用機(jī)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(jiǎn)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(chǎng)所與市場(chǎng)。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(kuò)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(duì)土壤和地下水有熱污染及油污染、土建費(fèi)用高等問題，城市電力擴(kuò)容變得越來越困難。高溫超導(dǎo)電纜具有體積小、造價(jià)低、高節(jié)能、無污染等優(yōu)點(diǎn)，具有巨大的經(jīng)濟(jì)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(yùn)行效率，降低運(yùn)行成本。目前國際上高溫超導(dǎo)電纜的總體發(fā)展趨勢(shì)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(jì)，高溫超導(dǎo)電纜最有可能率先實(shí)現(xiàn)實(shí)用化和商業(yè)化。
電動(dòng)機(jī)是最常用的電氣設(shè)備，但傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)耗電量極大。美國工業(yè)界專家估計(jì)，1,000馬力以上的工業(yè)用電動(dòng)機(jī)大約要消耗美國能源的25%。與常規(guī)電機(jī)相比，超導(dǎo)電機(jī)具有節(jié)能性好、體積小、單機(jī)容量大、造價(jià)及運(yùn)營成本低、穩(wěn)定性能好等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。供給同樣的功率，超導(dǎo)電機(jī)的尺寸是常規(guī)電機(jī)的1/3，制造成本可降低40%，電流損耗可減少50%，運(yùn)行成本可降低50%。美國能源部估計(jì)，高溫超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)的低損耗每年可減少數(shù)十億美元的運(yùn)行費(fèi)用。
在軍事上戰(zhàn)艦應(yīng)用高溫超導(dǎo)電機(jī)，其艦船體積重量更小，空間布置更靈活，推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)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(dá)到高速安靜運(yùn)行，具有重要的軍事意義。
常規(guī)變壓器有許多缺點(diǎn)，如負(fù)載損耗高、重量和尺寸大、過負(fù)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(jī)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(jī)率低、無油污染等優(yōu)點(diǎn)，在提高電力系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)行性能、降低成本、節(jié)約
能源、保護(hù)環(huán)境等方面有著重要的現(xiàn)實(shí)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(huì)的發(fā)展，對(duì)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(shí)間內(nèi)對(duì)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(bǔ)了傳統(tǒng)限流器的缺點(diǎn)，其限流時(shí)間可小于百微秒級(jí)，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(dá)到限流要求，它可同時(shí)集檢測(cè)、觸發(fā)和限流于一身，被認(rèn)為是當(dāng)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(dāng)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(yàn)階段。
5）超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置
超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置是利用超導(dǎo)線圈將電磁能直接儲(chǔ)存起來，需要時(shí)再將電磁能返回電網(wǎng)或其他負(fù)載的一種電力設(shè)施。由于儲(chǔ)能線圈由超導(dǎo)線繞制且維持在超導(dǎo)態(tài)，線圈中所儲(chǔ)能幾乎無損耗地永久儲(chǔ)存下去直到需要釋放時(shí)為止。超導(dǎo)儲(chǔ)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(duì)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(shí)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(cè)人體各個(gè)器官在磁場(chǎng)下感應(yīng)出的不同信號(hào)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(chǎng)小，很難探測(cè)到初期的病變，同時(shí)，其主磁場(chǎng)處于封閉的磁體空洞內(nèi)，掃描時(shí)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(yùn)行和維護(hù)費(fèi)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(gè)用于人體MRI的高溫超導(dǎo)磁體。
運(yùn)輸
磁懸浮列車
隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會(huì)對(duì)交通運(yùn)輸?shù)囊笤絹碓礁撸咚倭熊噾?yīng)運(yùn)而生。與現(xiàn)有的鐵路、公路、水路和航空四種傳統(tǒng)運(yùn)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(diǎn)，是未來理想的交通工具。
IT行業(yè)
高速計(jì)算機(jī)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(shí)會(huì)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(jì)算機(jī)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(shí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度大大提高。此外，科學(xué)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(chǎng)、電流和溫度三個(gè)參量的任一個(gè)，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(gè)完全超導(dǎo)的控制元件所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，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(jí)，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(dòng)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(chǎng),2015,(11):71-72. · 萬方[引用日期2019-07-09]
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