超导材料的研究进展及应用现状
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中国粉体工业 2020 No.1
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超导材料的研究进展及应用现状
杨玉梅/文
【摘要】超导体不仅在临界温度下具有零电阻特性，而且在一定的条件下具有常规导体完全不具备的电磁特性，因而在电气与电子工程领域具有广泛的应用价值。我国在超导材料及其应用领域总体上处于国际先进行列，基本掌握了各种实用化超导材料的制备技术，在多个应用方面也取得了良好的发展。我国超导材料及其应用领域将不断探索更高临界温度的超导体，提升超导材料及其应用技术的发展水平。本文将介绍超导材料的研究进展及其实际应用情况。【关键词】超导材料；研究；技术；应用
超导是指将物质冷却到某一温度以下，电阻则变为零的现象，人们从而将该温度称为超导转变温度。将超导转变温度25K以上的超导体称为高温超导体，一般情况下，都是将超导材料加工成线材及块状材料等形态，应用于相关设备。超导技术及材料可应用于多个领域，如电力机车的牵引供电变压器、超导储能系统（SMES）、储能飞轮、电力传输线缆等。
1.超导材料的研究进展1911年，Heike Kamer-Onnes在温度4.2K（-268.97℃）时用液氦冷却汞时发现汞的电阻为零，发现了超导电性规律。1933年，菲尔德和迈斯纳发现超导体冷却达到转变温度时，不仅电阻完全消失，还会出现抗磁性：磁感线从超导体中排出，不能通过超导体。1973年科学家发现了保持了近十三年记录、超导转变温度为32.4K（-249.92℃）的超导合金——铌锗合金。1986年，美国贝尔实验室研究出了打破液氢40K的温度障碍，临界温度为40K（-235.15℃）的超导材料。1987年，美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤陆续把钇-钡-铜-氧转变温度提高到了90K（-185.15℃），从而发现了高温超导体材料，打破了液氮77K的“温度堡垒”。1988年，日本实现了液氮温区超导体的理想，研发出了转变温度为110K（-165.15℃）的超导材料Bi-Sr-Cu-O，解决了困扰科学界多年的问题。超导热从高温超导材料被发现以后席卷全球。转变温度达零下150.15℃的铊系化合物超导材料和转变温度达零下31中国粉体工业 2020 No.1140.15℃的汞系化合物超导材料相继被发现，高压条件下的汞转变温度能达到“恐怖”的164K（-111.15℃）。日本东京工业大学细野秀雄教授和其合作者在2007年2月发现了转变温度为零下251.15℃的氟掺杂镧氧铁砷化合物。中国物理研究所根据这一发现，制作掺杂样品，将氟掺杂镧氧铁砷化合物中的三价镧用二价金属锶代替，发现该化合物转变温度为零下248.18℃。中国科技大学陈晓辉研究组和中国物理所研究组于2008年3月25日和3月26日发现了突破麦克米兰极限温度，转变温度为零下233.15℃的非传统超导材料[1]。2.超导材料的性能特点2.1完全导电性实验研究表明，当温度下降到某一临界温度时，超导体出现电阻突变为零的特性称为完全导电性，也叫零电阻效应。2.2完全的抗磁性1933年，迈斯纳和奥森菲尔德对单晶锡球的磁场分布进行测量，发现不论是先降温后再加磁场，还是先加磁场后降温，只要锡球温度达到超导临界温度Tc，磁力线似乎被完全排斥到超导体之外。只要T＜Tc，超导体内的磁感应强度总和为零，即超导体具有完全抗磁性。2.3约瑟夫逊效应电子等微观粒子具有波粒二象性，当两块金属被一层厚度为几十至几百A的绝缘介质隔开时，电子等都可穿越势垒而运动。加电压后，可形成隧道电流，这种现象称为隧道效应。把上述装置中的两块金属换成超导体后，当其介质层厚度减少到30A左右时，由超导电子对的长程相干效应也会产生隧道效应，称为约瑟夫逊效应。2.4临界性超导材料具有临界温度、临界磁场和临界电流密度等，只有小于它的临界值才能体现出它的超导性能，一旦超出，就会失去超导性。此外，还有相干长度。导向只有在一定的尺度之下，才能保持住它的超导性能[2]。
3.超导材料的分类3.1低温超导材料超导物理中将临界温度在液氦温区的超导体称为常规超导体或低温超导体，LTS（低温超导材料），Tc<20K，具有代表的材料：Nb-Ti（铌钛）；Nb3Sn（铌锡）。3.2高温超导材料超导物理中将临界温度在液氦温区以上的超导体叫作高临界温度超导体，HTS（高温超导材料），Tc>77K[3]。
4.超导材料的应用前景超导材料是一项具有远大战略意义的高新技术，可以广泛用于信息、检测、交通运输、电力技术等领域，有着重要的研究和开发价值。4.1超导磁体目前，超导材料应用最多的领域就是制作各种用途的超导磁体。超导磁体的优势是可以实现常规导体材料无法实现的磁场强度、磁场梯度和磁场均匀度。超导磁体有很多用途，比如核磁共振成像（MRI），已被广泛地应用于医疗检测、诊断之中，成为最为精确的医学检测手段之一。几乎世界上所有的用于重大科学研究工程的高强磁场，譬如各类粒子加速器、各类高能粒子对撞机、以及目前多国参与的国际热核聚变实验堆（ITER）的磁场，都离不开超导磁体。另外，还有各式各样的超导磁体被应用于检测仪器、各类实验装置、晶体生长等其他许多方面[4]。4.2超导电缆电能在传输过程中损耗很大，超导电缆的优势在于电能在输送过程中可以最大限度地降低损耗，仅为传输功率的0.5%，而常规电线电缆的损耗要达到10%，能源节省一目了然。而且高温超导电缆的容量比常规电缆提高3～5倍、损耗下降60%，节约占地面积和空间，更为可观的是，总费用降低20%，经济效益明显。超导电力技术是21世纪电力工业唯一的高技术，可有效解决能源短缺的问题[5]。中国粉体工业 2020 No.132小结
参考文献：[1]谢文彬.超导材料的发展和应用前景研究[J].佳木斯职业学院学报，2018(02):269-270.[2]曾勋.超导材料及其应用概述[J].科教文汇(中旬刊)，2017(06):55-57.[3侯垚.浅谈超导材料在电工领域应用及推广[J].电器工业，2018(07):73-75.[4]信赢.超导材料的发展现状与应用展望[J].新材料产业，2017(07):2-8.[5]费有静.超导材料的研究进展及应用[J].新材料产业，2017(07):9-12.[6]肖立业，刘向宏，王秋良，马衍伟，古宏伟.超导材料及其应用现状与发展前景[J].中国工业和信息化，2018(08):30-37.自从超导现象被发现以来，人们就开始想象各种各样的超导材料应用在实际生活中的场景。超导现象有多种优良的性能，毫无疑问的是，那必将给人们带来翻天覆地的变化，这很可能是第四次科技革命的开始。超导材料的应用不仅能提高工作效率，在现在这个能源越来越紧缺的时代，超导材料也必然能使资源得到大大节约，减少大量的污染。超导材料不仅是过去、现在的研究热点，也是将来的研究热点。随着超导体研究日新月异的变化，超导材料必将深刻影响科学发展和人们的生活。4.3超导电机超导电机重量轻、紧凑性好，在风力发电机中特别具有优势。所以将超导电机用于风力发电是目前发展的趋势。超导电机采用超导材料替代常规电机的转子。传统电机以铜作为线圈绕组，采用超导材料后，可将铜用量从2.1ton减至0.44ton，铁用量从10.5ton减少至2.8ton，大大减少了金属的使用量，降低了成本；而制冷系统电力消耗导致的成本，已由使用周期长、效率高而得以抵消。效率高、性能好以及巨大的市场潜力驱动着超导电机的发展[3]。4.4磁悬浮在导体截面相同时，超导体制作的导线可以比铜导线（传统电磁铁绝大多数由铜导线绕制）承载高出几十倍的电流。也就是说，由超导线圈制作的磁悬浮机构可以产生比传统磁悬浮机构大得多的悬浮力。另外，铜线圈通电时会不断地产生焦耳损耗，而超导线圈因为无电阻不会产生焦耳损耗。因此在磁悬浮轨道交通系统中使用超导电磁线圈不但可以产生更大的悬浮力和驱动力，而且更加节能、环保[4]。4.5超导储能装置储能，即通过某种手段将能量存储起来，在需要时释放的过程。按照储能的方式，可分为物理储能、化学储能和电磁储能，超导储能是电磁储能的一种。超导储能装置无需能量转换、直接储能，转换效率高，响应速度快，功率密度大，用于电网时，低谷时储藏电能，高峰时释放电能，具有有效提高输电的效率和经济性等优点；当然这种方式也不是没有缺点，比如运行及维护成本高。我国首台超导储能装置位于甘肃省白银变电站[3]。4.6我国超导材料的应用我国在超导材料及其应用领域总体上处于国际先进行列，基本掌握了各种实用化超导材料的制备技术，在多个应用方面也取得了良好的发展。今后，我国超导材料及其应用领域应进一步加强超导材料及其应用装置的制备工艺研究，不断探索更高临界温度的超导体，并加强与超导技术应用密切相关的低温制冷技术和低温系统的研究，以进一步全面提升我国的超导材料及其应用技术的发展水平[6]。
