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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(xué)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(dāng)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(xué)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(xué)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(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(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(xué)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(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)囊笤絹碓礁撸咚倭熊噾?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(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、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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