超導(dǎo)材料

超導(dǎo)體不僅在臨界溫度下具有零電阻特性，而且在一定的條件下具有常規(guī)導(dǎo)體完全不具備的電磁特性，因而在電氣與電子工程領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值。一般情況下都是將超導(dǎo)材料加工成線材及塊狀材料等形態(tài)，應(yīng)用于相關(guān)設(shè)備。超導(dǎo)技術(shù)及材料可應(yīng)用于多個領(lǐng)域，如電力機(jī)車的牽引供電變壓器、超導(dǎo)儲能系統(tǒng)（SMES）、儲能飛輪、電力傳輸線纜等。

一、什么是超導(dǎo)材料

超導(dǎo)材料，是指具有在一定的低溫條件下呈現(xiàn)出電阻等于零以及排斥磁力線的性質(zhì)的材料。一般來說，按照材料的常溫電阻率從大到小可以分為絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體。絕大部分金屬都是良導(dǎo)體，他們在室溫下的電阻率非常小但不為零，在10-12mΩ ? cm量級附近。當(dāng)把某種材料降到某個特定溫度以下的時候，電阻突降為零，同時所有外磁場磁力線被排出材料外，導(dǎo)致體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，即同時出現(xiàn)零電阻態(tài)和完全抗磁性。這種狀態(tài)下，即為材料進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，這種材料就是超導(dǎo)材料。

超導(dǎo)體的一系列神奇特性意味著我們可以在低溫下穩(wěn)定地利用超導(dǎo)體，比如實(shí)現(xiàn)無損耗輸電、穩(wěn)恒強(qiáng)磁場和高速磁懸浮車等。正因如此，自從超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)以來，人們對超導(dǎo)材料的探索腳步一直不斷向前，對超導(dǎo)微觀機(jī)理和超導(dǎo)應(yīng)用的研究熱情也從未衰減。

二、超導(dǎo)材料的發(fā)展史

1911年，Heike Kamer-Onnes在溫度4.2K（-268.97℃）時用液氦冷卻汞時發(fā)現(xiàn)汞的電阻為零，發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)電性規(guī)律。

1933年，菲爾德和邁斯納發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體冷卻達(dá)到轉(zhuǎn)變溫度時，不僅電阻完全消失，還會出現(xiàn)抗磁性：磁感線從超導(dǎo)體中排出，不能通過超導(dǎo)體。

1973年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了保持了近十三年記錄、超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為32.4K（-249.92℃）的超導(dǎo)合金——鈮鍺合金。

1986年，美國貝爾實(shí)驗室研究出了打破夜氫40K的溫度障礙，臨界溫度為40K（-235.15℃）的超導(dǎo)材料。

1987年，美國華裔科學(xué)家朱經(jīng)武和中國科學(xué)家趙忠賢陸續(xù)把釔-鋇-銅-氧轉(zhuǎn)變溫度提高到了90K（-185.15℃），從而發(fā)現(xiàn)了高溫超導(dǎo)體材料，打破了液氮77K的“溫度堡壘”。

1988年，日本實(shí)現(xiàn)了液氮溫區(qū)超導(dǎo)體的理想，研發(fā)出了轉(zhuǎn)變溫度為110K（-165.15℃）的超導(dǎo)材料Bi-Sr-Cu-O，解決了困擾科學(xué)界多年的問題。超導(dǎo)熱從高溫超導(dǎo)材料被發(fā)現(xiàn)以后席卷全球。轉(zhuǎn)變溫度達(dá)零下150.15℃的鉈系化合物超導(dǎo)材料和轉(zhuǎn)變溫度達(dá)零下140.15℃的汞系化合物超導(dǎo)材料相繼被發(fā)現(xiàn)，高壓條件下的汞轉(zhuǎn)變溫度能達(dá)到“恐怖”的164K（-111.15℃）。

2007年2月，日本東京工業(yè)大學(xué)細(xì)野秀雄教授和其合作者發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)變溫度為零下251.15℃的氟摻雜鑭氧鐵砷化合物。

2008年3月25日和3月26日，中國科技大學(xué)陳曉輝研究組和中國物理所研究組發(fā)現(xiàn)了突破麥克米蘭極限溫度，轉(zhuǎn)變溫度為零下233.15℃的非傳統(tǒng)超導(dǎo)材料。

在近100年的超導(dǎo)材料發(fā)展歷史中，有10位科學(xué)家憑借杰出的研究獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。

目前發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)材料主要可以劃分如下幾大家族：金屬和合金超導(dǎo)體、銅氧化物超導(dǎo)體、重費(fèi)米子超導(dǎo)體、有機(jī)超導(dǎo)體、鐵基超導(dǎo)體以及其他氧化物超導(dǎo)體。

三、我國超導(dǎo)材料的發(fā)展歷程

中國的超導(dǎo)研究起步較晚，但經(jīng)過數(shù)十年的潛心發(fā)展，已經(jīng)成為國際上超導(dǎo)領(lǐng)域不可忽視的中堅力量。我國稀土資源儲備豐富，具有得天獨(dú)厚的發(fā)展超導(dǎo)線材的優(yōu)勢。

1951年，中國低溫物理研究所經(jīng)錢三強(qiáng)等人提議，自洪朝生先生歸國后得以建設(shè)，這是中國低溫物理學(xué)的開端。在洪朝生先生的主持下，建立了各類低溫研究所；設(shè)立中國科大低溫物理專業(yè)，培養(yǎng)出一大批中國超導(dǎo)領(lǐng)域的佼佼者，如趙忠賢先生；制造、調(diào)試成功了氫液化器，為“兩彈一星”事業(yè)奠定實(shí)驗基礎(chǔ)；制造、調(diào)試成功了制活塞膨脹式液化器，為后來中國超導(dǎo)研究創(chuàng)造了必要條件。

1960年，管惟炎先生回國，在低溫研究室開展超導(dǎo)體的相關(guān)研究，五年后，其課題組成功制得中國首個強(qiáng)磁場超導(dǎo)磁體，取得突破性進(jìn)展。

70年代末，中國超導(dǎo)領(lǐng)域發(fā)展初具規(guī)模，中外交流的開展使得國際經(jīng)驗共享日漸增多，以趙忠賢先生為代表的一大批有志之士出國進(jìn)修，不斷拓寬中國超導(dǎo)領(lǐng)域的國際視野。1986年，自柏諾茲和繆勒實(shí)現(xiàn)30K的突破性進(jìn)展后，一直堅信“結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性可以導(dǎo)致高臨界溫度”趙忠賢先生通過摻雜鍶在SrLaCuO多相系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)48.6K的轉(zhuǎn)變溫度；朱經(jīng)武和吳茂昆兩位華裔科學(xué)家也通過類似的方式實(shí)現(xiàn)了39K的轉(zhuǎn)變溫度。此后，中國乃至全世界都開始了高溫超導(dǎo)領(lǐng)域的研究熱潮，中國數(shù)十所高校和研究所均開始投入高溫超導(dǎo)研究工作。

四、超導(dǎo)材料的分類

超導(dǎo)材料分為低溫超導(dǎo)材料和高溫超導(dǎo)材料。

1.低溫超導(dǎo)材料

低溫超導(dǎo)材料是具有低臨界轉(zhuǎn)變溫度(Tc<30K=在液氦溫度條件下工作)的超導(dǎo)材料，分為金屬、合金和化合物。具有實(shí)用價值的低溫超導(dǎo)金屬是Nb(鈮)，Tc為9.3K已制成薄膜材料用于弱電領(lǐng)域。合金系低溫超導(dǎo)材料是以Nb為基的二元或三元合金組成的β相固溶體，Tc在9K以上。

低溫超導(dǎo)材料一般都需在昂貴的液氦環(huán)境下工作，由于液氦制冷的方法昂貴且不方便，故低溫超導(dǎo)體的應(yīng)用長期得不到大規(guī)模的發(fā)展。低溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用分為：強(qiáng)電應(yīng)用，主要包括超導(dǎo)在強(qiáng)磁場中的應(yīng)用和大電流輸送；弱電應(yīng)用，主要包括超導(dǎo)電性在微電子學(xué)和精密測量等方面的應(yīng)用。

2.高溫超導(dǎo)材料

高溫超導(dǎo)體材料(HTS)具有超導(dǎo)電性和抗磁性兩個重要特性。要讓超導(dǎo)體得到現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用，首先要有容易找到的超導(dǎo)材料。即主要研究方向就是尋找能在較高溫度下存在的超導(dǎo)體材料。

高溫超導(dǎo)材料用途非常廣泛，大致可分三大類：大電流應(yīng)用、電子學(xué)應(yīng)用和抗磁性應(yīng)用。大電流應(yīng)用是由于超導(dǎo)材具有零電阻和完全的抗磁性，因此只需消耗極少的電能，就可以獲得的穩(wěn)定強(qiáng)磁場。超導(dǎo)體的基本特性之一是當(dāng)它處于超導(dǎo)態(tài)時具有理想的導(dǎo)電性，同時由于其載流能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于常規(guī)導(dǎo)體，因此，利用超導(dǎo)體可以傳輸大電流和產(chǎn)生強(qiáng)磁場，并且沒有電阻熱損耗。電工設(shè)備的基本特點(diǎn)是大電流、強(qiáng)磁場和高電壓，因此在電工設(shè)備中使用超導(dǎo)材料可以減少電氣損耗、提高效率、縮小體積、減輕重量、降低成本，還可以提高裝置的極限容量。顯然，超導(dǎo)材料的應(yīng)用給電工技術(shù)帶來了質(zhì)的飛躍，許多過去無法實(shí)現(xiàn)的電工設(shè)備由于采用超導(dǎo)技術(shù)而成為現(xiàn)實(shí)，或即將成為現(xiàn)實(shí)。

我國電力資源和負(fù)荷分布不均，因此長距離、低損耗的輸電技術(shù)顯得十分迫切。超導(dǎo)材料由于其零電阻特性以及比常規(guī)導(dǎo)體高得多的載流能力，可以輸送極大的電流和功率而沒有電功率損耗。據(jù)統(tǒng)計，按目前情況，如果將銅或鋁導(dǎo)改為超導(dǎo)體，光是在中國節(jié)省電能相當(dāng)于新建數(shù)十個大型發(fā)電廠。超導(dǎo)材料在這些方面的應(yīng)用是最誘人的。

五、超導(dǎo)材料的性能特點(diǎn)

1.完全導(dǎo)電性

實(shí)驗研究表明，當(dāng)溫度下降到某一臨界溫度時，超導(dǎo)體出現(xiàn)電阻突變?yōu)榱愕奶匦苑Q為完全導(dǎo)電性，也叫零電阻效應(yīng)。

2.完全的抗磁性

1933年，邁斯納和奧森菲爾德對單晶錫球的磁場分布進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)不論是先降溫后再加磁場，還是先加磁場后降溫，只要錫球溫度達(dá)到超導(dǎo)臨界溫度Tc，磁力線似乎被完全排斥到超導(dǎo)體之外。只要T＜Tc，超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度總和為零，即超導(dǎo)體具有完全抗磁性。

3.約瑟夫遜效應(yīng)

電子等微觀粒子具有波粒二象性，當(dāng)兩塊金屬被一層厚度為幾十至幾百A的絕緣介質(zhì)隔開時，電子等都可穿越勢壘而運(yùn)動。加電壓后，可形成隧道電流，這種現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)。把上述裝置中的兩塊金屬換成超導(dǎo)體后，當(dāng)其介質(zhì)層厚度減少到30A左右時，由超導(dǎo)電子對的長程相干效應(yīng)也會產(chǎn)生隧道效應(yīng)，稱為約瑟夫遜效應(yīng)。

4.臨界性

超導(dǎo)材料具有臨界溫度、臨界磁場和臨界電流密度等，只有小于它的臨界值才能體現(xiàn)出它的超導(dǎo)性能，一旦超出，就會失去超導(dǎo)性。此外，還有相干長度。導(dǎo)向只有在一定的尺度之下，才能保持住它的超導(dǎo)性能。

六、超導(dǎo)材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

超導(dǎo)材料已然成為21世紀(jì)具有戰(zhàn)略意義的國之重器，是各國科技革命的突破重點(diǎn)。我們難以估量超導(dǎo)技術(shù)的普及會給國家和社會帶來多少經(jīng)濟(jì)效益，綜合國力會邁上多少臺階，但我們能說，超導(dǎo)技術(shù)“可以改變世界”。

超導(dǎo)技術(shù)的突破性進(jìn)展和廣泛應(yīng)用，將引起一場新的技術(shù)革命，并對科技、經(jīng)濟(jì)、軍事乃至社會發(fā)展產(chǎn)生不可估量的影響。超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣闊，在輸電、電機(jī)、交通運(yùn)輸、航天、微電子、電子計算機(jī)、通信、核物理、新能源、生物工程、醫(yī)療以及軍事裝備等領(lǐng)域，都已展現(xiàn)出燦爛奪目的前景。

1.超導(dǎo)磁體

目前，超導(dǎo)材料應(yīng)用最多的領(lǐng)域就是制作各種用途的超導(dǎo)磁體。超導(dǎo)磁體的優(yōu)勢是可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)導(dǎo)體材料無法實(shí)現(xiàn)的磁場強(qiáng)度、磁場梯度和磁場均勻度。

超導(dǎo)磁體有很多用途，比如核磁共振成像（MRI），已被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療檢測、診斷之中，成為最為精確的醫(yī)學(xué)檢測手段之一。幾乎世界上所有的用于重大科學(xué)研究工程的高強(qiáng)磁場，譬如各類粒子加速器、各類高能粒子對撞機(jī)、以及目前多國參與的國際熱核聚變實(shí)驗堆（ITER）的磁場，都離不開超導(dǎo)磁體。另外，還有各式各樣的超導(dǎo)磁體被應(yīng)用于檢測儀器、各類實(shí)驗裝置、晶體生長等其他許多方面。

2.超導(dǎo)電纜

利用超導(dǎo)材料制成很細(xì)的導(dǎo)線，在無需變電所和變壓器等配電設(shè)備下輸電，免去由于常規(guī)輸電造成的10%以上電力損失(送電、變電、配電等每一步都存在電阻，使一部分電能轉(zhuǎn)化成熱量而白白浪費(fèi))，電費(fèi)開支節(jié)省15%以上。

電能在傳輸過程中損耗很大，超導(dǎo)電纜的優(yōu)勢在于電能在輸送過程中可以最大限度地降低損耗，僅為傳輸功率的0.5%，而常規(guī)電線電纜的損耗要達(dá)到10%，能源節(jié)省一目了然。而且高溫超導(dǎo)電纜的容量比常規(guī)電纜提高3～5倍、損耗下降60%，節(jié)約占地面積和空間，更為可觀的是，總費(fèi)用降低20%，經(jīng)濟(jì)效益明顯。超導(dǎo)電力技術(shù)是21世紀(jì)電力工業(yè)唯一的高技術(shù)，可有效解決能源短缺的問題。

3.超導(dǎo)電機(jī)

超導(dǎo)電機(jī)重量輕、緊湊性好，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中特別具有優(yōu)勢。所以將超導(dǎo)電機(jī)用于風(fēng)力發(fā)電是目前發(fā)展的趨勢。超導(dǎo)電機(jī)采用超導(dǎo)材料替代常規(guī)電機(jī)的轉(zhuǎn)子。傳統(tǒng)電機(jī)以銅作為線圈繞組，采用超導(dǎo)材料后，可將銅用量從2.1ton減至0.44ton，鐵用量從10.5ton減少至2.8ton，大大減少了金屬的使用量，降低了成本；而制冷系統(tǒng)電力消耗導(dǎo)致的成本，已由使用周期長、效率高而得以抵消。效率高、性能好以及巨大的市場潛力驅(qū)動著超導(dǎo)電機(jī)的發(fā)展。

4.磁懸浮

在導(dǎo)體截面相同時，超導(dǎo)體制作的導(dǎo)線可以比銅導(dǎo)線（傳統(tǒng)電磁鐵絕大多數(shù)由銅導(dǎo)線繞制）承載高出幾十倍的電流。也就是說，由超導(dǎo)線圈制作的磁懸浮機(jī)構(gòu)可以產(chǎn)生比傳統(tǒng)磁懸浮機(jī)構(gòu)大得多的懸浮力。另外，銅線圈通電時會不斷地產(chǎn)生焦耳損耗，而超導(dǎo)線圈因為無電阻不會產(chǎn)生焦耳損耗。因此在磁懸浮軌道交通系統(tǒng)中使用超導(dǎo)電磁線圈不但可以產(chǎn)生更大的懸浮力和驅(qū)動力，而且更加節(jié)能、環(huán)保。

超導(dǎo)磁懸浮列車是會“飛”的火車，由于磁懸浮列車與鐵軌之間的磁力作用，使列車懸浮在鐵軌上方，消除了鐵軌與車輪之間的摩擦力，時速可達(dá)500千米，而且行車平穩(wěn)、噪聲小、安全舒適、所需牽引力小、不污染環(huán)境。將來的輪船、汽車也可以用超導(dǎo)電動機(jī)開動。如果用超導(dǎo)電動汽車來代替燃油汽車，那么全世界一年可節(jié)省汽油10億噸。

5.超導(dǎo)儲能裝置

儲能，即通過某種手段將能量存儲起來，在需要時釋放的過程。按照儲能的方式，可分為物理儲能、化學(xué)儲能和電磁儲能，超導(dǎo)儲能是電磁儲能的一種。

超導(dǎo)儲能裝置無需能量轉(zhuǎn)換、直接儲能，轉(zhuǎn)換效率高，響應(yīng)速度快，功率密度大。用于電網(wǎng)時，超導(dǎo)儲能可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)的負(fù)荷，低谷時儲藏電能，高峰時釋放電能，電力輸入超導(dǎo)線圈中，電流可在里面長期流動而幾乎不損耗電能，因此，可設(shè)計大容量的超導(dǎo)儲能裝置于地下巖石中，儲存大量電能供電網(wǎng)調(diào)峰之用。超導(dǎo)體約束的等離子體可以引起核聚變以實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷朔磻?yīng)，為解決能源危機(jī)發(fā)揮重大作用。當(dāng)然這種方式也不是沒有缺點(diǎn)，比如運(yùn)行及維護(hù)成本高。我國首臺超導(dǎo)儲能裝置位于甘肅省白銀變電站。

6.超導(dǎo)計算機(jī)

超導(dǎo)體在電子學(xué)領(lǐng)域里大有用武之地。用超導(dǎo)芯片(約瑟夫森器件)代替普通芯片制成超導(dǎo)計算機(jī)，可以大大提高運(yùn)算速度，減小計算機(jī)體積。美國研制的一臺運(yùn)算速度為800萬次/秒的超導(dǎo)計算機(jī)，只有一部電話機(jī)那么大，運(yùn)算速度提高了10～1000倍，而且元件不發(fā)熱、功耗非常小、無故障、高效率運(yùn)行時間要長得多。

7.超導(dǎo)通信

超導(dǎo)技術(shù)可用于通信。一根超導(dǎo)線路傳遞數(shù)據(jù)的速率高達(dá)每秒1億次，可供1500萬部電話機(jī)同時通話，比現(xiàn)有光纖通信的通信速率還快100倍。

8.超導(dǎo)量子干涉儀

用超導(dǎo)器件制成的極其精密的超導(dǎo)量子干涉儀，可測出極其微弱的電磁波，被廣泛用到電子工業(yè)中。超導(dǎo)量子干涉儀不但能探測出埋在地下的礦物，也能探測出人腦的高級神經(jīng)活動，揭開人類大腦思維活動的奧秘。利用超導(dǎo)原理制造的新型紅外探測器、超導(dǎo)磁強(qiáng)針 、 超導(dǎo)重力儀、超導(dǎo)濾波器及各種微波器件，將廣泛應(yīng)用于航空航天事業(yè)、地震預(yù)報、地質(zhì)勘探及天文學(xué)領(lǐng)域。利用超導(dǎo)體的完全抗磁性可制造新型回旋加速器，把人們的視覺和感觀延伸到微觀世界深處，揭開物質(zhì)起源、生命起源的奧秘。

七、超導(dǎo)材料的發(fā)展展望

自從超導(dǎo)現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以來，人們就開始想象各種各樣的超導(dǎo)材料應(yīng)用在實(shí)際生活中的場景。超導(dǎo)現(xiàn)象有多種優(yōu)良的性能，毫無疑問，這必將給人們帶來翻天覆地的變化，也很可能是第四次科技革命的開始。超導(dǎo)材料的應(yīng)用不僅能提高工作效率，在現(xiàn)在這個能源越來越緊缺的時代，超導(dǎo)材料也必然能使資源得到大大節(jié)約，減少大量的污染。超導(dǎo)材料不僅是過去、現(xiàn)在的研究熱點(diǎn)，也是將來的研究熱點(diǎn)。隨著超導(dǎo)體研究日新月異的變化，超導(dǎo)材料必將深刻影響科學(xué)發(fā)展和人們的生活。

2000年11月北京有色金屬研究院研制的百米長鉍系高溫超導(dǎo)帶材問世。這種帶材長116米，寬3.6毫米，厚0.8納米，以螺旋管方式纏繞，用四引線法全長度測量。77開(即-196℃)液氮溫度下臨界電流達(dá)12.7安。它主要用于輸電電纜、變壓器、核磁共振成像等。2001年4月，340米長鉍系高溫超導(dǎo)線在清華大學(xué)研制成功，標(biāo)志著我國已躋身于少數(shù)掌握超導(dǎo)線材產(chǎn)業(yè)化的國家行列。

目前，我國基本掌握了各種實(shí)用化超導(dǎo)材料的制備技術(shù)，在多個應(yīng)用方面也取得了良好的發(fā)展。今后，我國超導(dǎo)材料及其應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)超導(dǎo)材料及其應(yīng)用裝置的制備工藝研究，不斷探索更高臨界溫度的超導(dǎo)體，并加強(qiáng)與超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用密切相關(guān)的低溫制冷技術(shù)和低溫系統(tǒng)的研究，以進(jìn)一步全面提升我國的超導(dǎo)材料及其應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展水平。