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基本信息
| 中文名 | 高溫超導材料 |
| 外文名 | high temperature superconducting material |
| 類(lèi)別 | 超導材料 |
| 別名 | 高溫氧化物超導材料 |
| 材質(zhì) | 氧化物材料 |
技術(shù)簡(jiǎn)介
超導技術(shù)是21世紀具有巨大發(fā)展潛力和重大戰略意義的技術(shù)，超導材料具有高載流能力和低能耗特性，可廣泛應用于能源、國防、交通、醫療等領(lǐng)域。由于高溫超導體較高的臨界溫度，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。自從上世紀八十年代發(fā)現氧化物超導體以來(lái)，全球掀起了研究高溫超導電性的熱潮。此后，人們又發(fā)現了超導轉變溫度越來(lái)越高的各種系列的高溫超導材料，目前汞系超導體的轉變溫度已高達 130多K。在基礎研究的同時(shí)，世界各國在超導材料的產(chǎn)業(yè)化研究方面，也投入了大量的人力物力。
發(fā)展歷史
高溫超導體通常是指在液氮溫度（77 K）以上超導的材料。人們在超導體被發(fā)現的時(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）所吸引。但在此后長(cháng)達七十五年的時(shí)間內所有已發(fā)現的超導體都只是在極低的溫度（23 K)下才顯示超導，因此它們的應用受到了極大的限制。
高溫超導材料一般是指臨界溫度在絕對溫度77K以上、電阻接近零的超導材料，通?？梢栽诹畠r(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薄膜，應用在電子、通信等領(lǐng)域；鉍鍶鈣銅氧主要用于線(xiàn)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，將汞冷卻到-268.98°C時(shí)，汞的電阻突然消失；后來(lái)他又發(fā)現許多金屬和合金都具有與上述汞相類(lèi)似的低溫下失去電阻的特性，由于它的特殊導電性能，卡末林·昂尼斯稱(chēng)之為超導態(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)現了超導體的另一個(gè)極為重要的性質(zhì)，當金屬處在超導狀態(tài)時(shí)，這一超導體內的磁感應強度為零，卻把原來(lái)存在于體內的磁場(chǎng)排擠出去。對單晶錫球進(jìn)行實(shí)驗發(fā)現：錫球過(guò)渡到超導狀態(tài)時(shí)，錫球周?chē)拇艌?chǎng)突然發(fā)生變化，磁力線(xiàn)似乎一下子被排斥到超導體之外去了，人們將這種現象稱(chēng)之為“邁斯納效應”。
自卡麥林·昂尼斯發(fā)現汞在4.2K附近的超導電性以來(lái)，人們發(fā)現的新超導材料幾乎遍布整個(gè)元素周期表，從輕元素硼、鋰到過(guò)渡重金屬鈾系列等。超導材料的最初研究多集中在元素、合金、過(guò)渡金屬碳化物和氮化物等方面。至1973年，發(fā)現了一系列A15型超導體和三元系超導體，超導材料要用液氦做致冷劑才能呈現超導態(tài)，因而在應用上受到很大限制。1986年柏諾茲和繆勒發(fā)現了35K 超導的鑭鋇銅氧體系。這一突破性發(fā)現導致了更高溫度的一系列稀土鋇銅氧化物超導體的發(fā)現。通過(guò)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釔鋇銅氧超導體的發(fā)現，第一次實(shí)現了液氮溫度（77 K）這個(gè)溫度壁壘的突破。柏諾茲和繆勒也因為他們的開(kāi)創(chuàng )性工作而榮獲了1987年度諾貝爾物理學(xué)獎。
這類(lèi)超導體由于其臨界溫度在液氮溫度（77K）以上，因此通常被稱(chēng)為高溫超導體。液氮溫度以上釔鋇銅氧超導體的發(fā)現，使得普通的物理實(shí)驗室具備了進(jìn)行超導實(shí)驗的條件，因此全球掀起了一股探索新型高溫超導體的熱潮。1987年底，我國留美學(xué)者盛正直等首先發(fā)現了第一個(gè)不含稀土的鉈鋇銅氧高溫超導體。1988 年初日本研制成臨界溫度達110K的鉍鍶鈣銅氧超導體。1988年2月盛正直等又進(jìn)一步發(fā)現了125K 鉈鋇鈣銅氧超導體。幾年以后（1993年）法國科學(xué)家發(fā)現了 135K 的汞鋇鈣銅氧超導體。
制備工藝
薄膜
高溫超導體薄膜是構成高溫超導電子器件的基礎，制備出優(yōu)質(zhì)的高溫超導薄膜是走向器件應用的關(guān)鍵。高溫超導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(cháng)的。經(jīng)過(guò)十年的研究，高溫超導薄膜的制備技術(shù)已趨于成熟，達到了實(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到之處，磁控濺射法是適合于大面積沉積的最優(yōu)生長(cháng)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)組成達到一致，并且能控制薄膜的厚度。
線(xiàn)材帶材
超導材料在強電上的應用，要求高溫超導體必須被加工成包含有超導體和一種普通金屬的復合多絲線(xiàn)材或帶材。但陶瓷高溫超導體本身是很脆的，因此不能被拉制成細的線(xiàn)材。在眾多的超導陶瓷線(xiàn)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(guò)滾軋技術(shù)制備出帶材的臨界電流密度要高得多。
塊材
最初的氧化物超導體都是用固相法或化學(xué)法制得粉末，然后用機械壓塊和燒結等通常的粉末冶金工藝獲得塊材，制備方法比較簡(jiǎn)單。
應用領(lǐng)域
綜合目前超導技術(shù)的發(fā)展情況，超導技術(shù)可以在以下行業(yè)得到應用和拓展：
電力
超導技術(shù)與電力技術(shù)的結合將給電力行業(yè)的發(fā)、輸、配電帶來(lái)革命性的改變，電力行業(yè)是超導產(chǎn)業(yè)最重要的應用場(chǎng)所與市場(chǎng)。超導技術(shù)在電力中的應用主要包括：
1）高溫超導電纜
現有電纜的擴容問(wèn)題一直困擾著(zhù)城市電力的發(fā)展。傳統的城市地下輸電電纜存在著(zhù)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(wèn)題，城市電力擴容變得越來(lái)越困難。高溫超導電纜具有體積小、造價(jià)低、高節能、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，具有巨大的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益，終將替代傳統電纜。
高溫超導電纜的大規模應用能夠極大地提高電力輸電系統的運行效率，降低運行成本。目前國際上高溫超導電纜的總體發(fā)展趨勢是研制大容量、低交流損耗、超長(cháng)高溫超導電纜。據專(zhuān)家估計，高溫超導電纜最有可能率先實(shí)現實(shí)用化和商業(yè)化。
2）超導電機
電動(dòng)機是最常用的電氣設備，但傳統電動(dòng)機耗電量極大。美國工業(yè)界專(zhuān)家估計，1,000馬力以上的工業(yè)用電動(dòng)機大約要消耗美國能源的25%。與常規電機相比，超導電機具有節能性好、體積小、單機容量大、造價(jià)及運營(yíng)成本低、穩定性能好等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益。供給同樣的功率，超導電機的尺寸是常規電機的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，高溫超導電動(dòng)機的低損耗每年可減少數十億美元的運行費用。
3）超導變壓器
常規變壓器有許多缺點(diǎn)，如負載損耗高、重量和尺寸大、過(guò)負載能力低、沒(méi)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，超導變壓器體積小、重量輕、電壓轉換能量效率高、火災環(huán)境事故機率低、無(wú)油污染等優(yōu)點(diǎn)，在提高電力系統的可靠性和運行性能、降低成本、節約
能源、保護環(huán)境等方面有著(zhù)重要的現實(shí)意義。
限流器（FCL）是一種提高電網(wǎng)穩定性的電力設備。隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展，對電網(wǎng)的質(zhì)量要求越來(lái)越高，而傳統的限流器很難在短時(shí)間內對電網(wǎng)的脈沖電流起到限制作用。高溫超導限流器正好禰補了傳統限流器的缺點(diǎn)，其限流時(shí)間可小于百微秒級，能快速和有效地起到限流作用。超導限流器是利用超導體的超導態(tài)-常態(tài)轉變的物理特性來(lái)達到限流要求，它可同時(shí)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(lái)，美國、德國、法國、瑞士和日本等都相繼開(kāi)展了高溫超導限流器的研究。當前，國際上適應配電系統的高溫超導限流器的技術(shù)性能已經(jīng)接近應用的水平，但大體上仍處在示范試驗階段。
5）超導儲能裝置
醫療
1）核磁共振人體成像儀（MRI）
MRI是通過(guò)探測人體各個(gè)器官在磁場(chǎng)下感應出的不同信號來(lái)診斷病變的一種設備。傳統的MRI采用常規磁體，磁場(chǎng)小，很難探測到初期的病變，同時(shí)，其主磁場(chǎng)處于封閉的磁體空洞內，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，大大影響了該設備的廣泛應用，低溫超導磁體因此被廣泛應用于MRI中。由于低溫超導的液氦溫度要求，其運行和維護費用很高。一些國家加快了高溫超導MRI的研究，1998年，Oxford磁體技術(shù)公司和西門(mén)子公司合作研制了一個(gè)用于人體MRI的高溫超導磁體。
運輸
磁懸浮列車(chē)
隨著(zhù)國民經(jīng)濟的發(fā)展，社會(huì )對交通運輸的要求越來(lái)越高，高速列車(chē)應運而生。與現有的鐵路、公路、水路和航空四種傳統運輸方式相比，超導磁懸浮列車(chē)具有高速、安全、噪音低和占地小等優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)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(xiàn)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，而散熱是超大規模集成電路面臨的難題。超導計算機中的超大規模集成電路，其元件間的互連線(xiàn)用接近零電阻和超微發(fā)熱的超導器件來(lái)制作，不存在散熱問(wèn)題，同時(shí)計算機的運算速度大大提高。此外，科學(xué)家正研究用半導體和超導體來(lái)制造晶體管，甚至完全用超導體來(lái)制作晶體管。
超導開(kāi)關(guān)可以分為電阻開(kāi)關(guān)和電感開(kāi)關(guān)。電阻開(kāi)關(guān)是利用超導體以下性能：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)轉變到有阻狀態(tài)。例如，用冷子管作開(kāi)關(guān)，就是利用一個(gè)完全超導的控制元件所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，通過(guò)使門(mén)元件發(fā)生超導- - -正常轉變來(lái)控制門(mén)元件的電阻而制成。這種開(kāi)關(guān)的低電阻態(tài)為零，高電阻態(tài)典型的是毫歐姆數量級，所以，開(kāi)關(guān)比是無(wú)限大。電感開(kāi)關(guān)的原理是：不是像線(xiàn)圈、線(xiàn)等電路元件的電感，可用來(lái)將靠近它的超導體作正常態(tài)和超導態(tài)之間的轉變，或移動(dòng)電路元件附近的超導表面，使它發(fā)生相同轉變。
參考資料
[1]
周存.高溫超導材料的研究現狀與展望[J].技術(shù)與市場(chǎng),2015,(11):71-72. · 萬(wàn)方[引用日期2019-07-09]
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