超导材料的研究进展及应用.docx

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1、超导材料的研究进展及应用导电材料由于电阻的存在，在输电过程中会不断消耗电能，尤其是远距离电能传输，造成极大的能源浪费，这个问题一直困扰着各国学者。找到一种材料电阻很小甚至没有电阻代替现有的导电材料以减少输电损耗一直是各国科学家们梦寐以求的愿望。通常来说，导体的电阻随温度的降低而降低，所以人们致力于寻找一个低温环境，获得小电阻的导体。1908年莱顿实验室成功制得液氦，获得4.25K的低温，这一技术促进了超导技术的发展。在此之后的3年，荷兰物理学家昂纳斯发现当温度降到4.2K时，汞的电阻突然消失，这就意味着电流流经导体时没有热损耗，这一发现震动全世界，掀起了超导研究的一股热潮，昂纳斯也因此获得19

2、13年诺贝尔奖，并将在一定温度条件下电阻突然消失的现象称之为“超导”，处于超导状态的导体称之为“超导体”，具有这一性质的材料称为超导材料。一、超导材料的发展这一设想在1986年得以实现，超导材料的研究取得了突破性进展。1986-1987年先后发现了超导临界转变温度（Tc）值为35K的钡镧铜氧化物、90K的钇-钡-铜-氧（YBaCuO）超导材料、125K的铊系高温超导体，打破了之前只有在液氦温区工作的禁区。氮气资源丰富，占大气总量的78.12%（体积分数），在标准大气压下，将空气冷却至-195.8时成为液体，价格比液氦低得多。7年后瑞士科学家希林等发现汞-钡-钙-铜-氧（HgBaCaCuO）的T

3、c值约为133K，Tc取得新的进展。氧化物高温超导材料大多以铜氧化物为组成要素，具有钙钛矿层状结构的复杂物质，常态下不是良导体，而且组成元素价格昂贵，超导材料脆性较大，线材的加工难度大。2001年1月二硼化镁（MgB2）超导体的发现，金属间化合物超导体再次吸引人们的眼球。与氧化物高温超導材料相比，MgB2超导体价格相对便宜，加工容易，且MgB2正常态为导体，因此更易实用化。特别是低温性能比传统超导体高得多。MgB2超导体的出现，冷落了近30年的简单化合物超导体再次受到科学家们的青睐。科学家们相信，终有一天会找到更高临界转变温度的简单化合物超导体。2022年2月末，日本科学家发现了铁基超导材料，

4、临界温度约为17K。之后各国学者对铁基超导材料的研究从未间断过。我国闻海虎小组发现的锶-钒-氧-铁-砷（Sr2VO3FeA）超导材料其超导临界转变温度约为37K。2022年，来自日本的T.Takayama研究小组发现了一系列新型的铂基超导材料，激发了一股新型超导材料的研究热潮。随着科学技术的发展，超导临界转变温度越来越高，材料制备技术日渐成熟，大幅度降低成本的同时，优化性能，超导材料的实用化指日可待。二、超导材料的特性及应用1.零电阻特性（1）超导电缆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

5、导电缆的容量比常规电缆提高35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。（2）超导计算机电流流经导体时由于电阻的存在而导致电线发热，电能发生损耗，高速运转的计算机上使用的集成电路芯片因为元件和连接线密集排列，工作时产生大量的热，热量难以散发，导致温度升高，影响计算机工作。将集成电路芯片元件间的连接线改用超导器件来制作，发热现象得以缓解，散热问题也就迎刃而解，同时大大提高了计算机的运算速度。（3）超导电机（包括发电机和电动机）通常见到的各类电动机，内部都有铁芯和绕组线圈，通电会产生损

6、耗，损耗的大小与电阻和电流的平方成正比，所以传统电动机都存在发热现象。发热不仅会造成能源的损耗，同时还可能引起电动机的动态响应，甚至会引起失步，而且对绝缘材料的使用温度提高了要求，否则会引起绝缘材料的快速老化。超导电动机由于采用了超导绕组，与常规电机相比，所承载的电流更大，可以产生更强的磁场，其体积和质量可以减小到常规电机的1/5左右，但功率却成倍增长，效率很高。（4）超导储能装置超导储能装置是根据超导线圈存储电磁能制造，并根据需要释放电磁能的一种电力设施。其优点在于其储能线圈由超导材料绕制，储存电磁能时电阻为零，线圈中所储存的能量几乎没有损耗并可以永久储存下去直到需要释放为止。一般在以下几个

7、方面得到应用：调节电力系统的峰谷；解决电网用电设备由于瞬间断电产生的影响；改善电力系统的稳定性；大型超导储能系统将可作为陆基自由电子激光器或天基定向能武器的功率源。（5）超导滤波器滤波器是无线电接收装置的关键器件，起着提取、分离或抑制电信号的作用。伴随使用频段的扩展，设备间的干扰日趋严重，因此如何减少信号干扰，保证接收信号质量是无线电接收装置的核心所在。常规滤波器由于采用金属电阻，总避免不了噪音的存在，产生一定的衰耗，达不到理想的滤波性能。随着高温超导技术的发展，用高温超导体做滤波器，由于超导态时电阻为零，极大限度地减小热噪音，大大提高信噪比，可用于电视机、收音机、手机等设备，所接收的信号更清

8、晰，音质更好。2022年，我国成功研制出超导临界转变温度为77K的高温超导滤波器，打破一直依靠进口的局势。目前已开始用于CDMA无线基站中，提高网络信号的质量及数据传输速率。2.完全抗磁性超导材料除具有零电阻的特性外，还具有完全抗磁性，即当导体处在超导状态时，内部的磁感应强度为零，原来存在于体内的磁场也被排挤出去。超导体的这一特性是荷兰物理学家于1933年发现，后将这一现象定义为“迈斯纳效应”。最典型的一个应用就是超导磁悬浮列车。（1）超导磁悬浮列车利用超导元件在超导态时所具有的零电阻性和完全抗磁性，制成体积小功率强大的超导电磁铁。在悬浮列车上装有超导磁体，地面导轨2侧所安装的线圈绕组所产生的

9、电磁场就会与列车上的超导电磁铁产生巨大的斥力从而使车体悬浮，再通过周期性地变换磁极方向而获得推进动力。早在20世纪70年代日本就成功研制了超导磁浮列车，时速达500km，从此各国开始研究超导磁悬浮列车。1987年3月，日本进行了超导磁悬浮列车的载人实验并成功证明其可行性。与此同时我国也开始着手磁悬浮列车的研制，并与1989年春成功研制第一台小型磁悬浮列车，6年之后，成功研制首台载人磁悬浮列车。2022年4月，JR东海公司在山梨磁悬浮试验线进行了超导磁悬浮列车的高速运行试验，达到了载人行驶590km/h的世界最高速度，刷新了世界纪录。（2）受控热核反应所谓受控热核反应是指以海水中的氘为燃料利用人

10、为的方法控制聚变反应，释放大量核能，并将这些能量合理利用起来，成为人类取之不尽用之不竭的能源，从而有效解决能源短缺的问题。核聚变反应时，内部温度高达1亿多摄氏度，用什么装置约束这些高温等离子体就成了一个关键问题，有科学家提出利用超导体产生的强磁场作为“磁封闭体”，将热核反应堆中的超高温等离子体包围、约束起来，再慢慢释放，受控核聚变能源成为21世纪前景广阔的新能源。（3）电磁推进装置将超导电磁装置应用于舰艇上也即超导电磁船，用超导材料做成线圈，并通入强电流，在船只周围产生的强磁场来推动船只的行进。可以做到瞬间启动、瞬间停止、瞬间改变方向，并消除传动噪声，隐蔽性强，可用于海上侦查。（4）核磁共振成

11、像随着肥胖病人群的增加以及各种疑难杂症的出现，采用先进的医疗设备获得更精准的诊断，是医疗领域的热切希望，超导材料的出现及应用给医疗领域注入了新的血液，如用超导体产生的磁场来研究生物體内的结构及对各种复杂疾病进行治疗，超导核磁共振层析成像仪在医疗领域的应用越来越普及。核磁共振可以对脑、肝、肾、胰等人体多个器官进行诊断。与其他辅助检查手段相比，优点明显：成像参数多、扫描速度快、组织分辨率高和图像清晰，对一些早期不易察觉的病变帮助明显，目前已成为肿瘤、心脏病及脑血管疾病早期筛查的有效手段，可以更好地满足临床应用和科研工作。另外，核磁共振是磁场成像，没有放射性，对人体无伤害，非常安全。目前由核磁共振检

12、查所导致的各种危害报道尚未发现。越来越多的医院购置核磁共振成像仪用于检查与治疗，超导材料在医疗领域的应用日益增多。三、约瑟夫森效应1960年挪威科学家贾埃沃在多次实验中证实了隧道效应的存在，1962年还是研究生的约瑟夫森预测电子对通过2块超导金属间的薄绝缘层时，只要绝缘层足够薄，电子对就会穿过绝缘层势垒，形成超导隧道电流，人们把这个现象称为“约瑟夫森效应”。1973年的诺贝尔物理学奖由约瑟夫森、贾埃沃及江崎共同获得。超导电子对隧道效应的发现，为超导体中电子对运动提供了证据，人们更加深入地认识了超导现象的本质。即使在零电压下也有超导电流的产生，而且这一电流对磁场非常敏感，利用这一特性探测微弱电磁

13、信号。如超导量子干涉器进行磁场探测，可以分辨微弱的地磁场变化，灵敏度高、噪声低、功耗小、响应速度快。还可制造成探矿仪器，探测矿藏分布情况。随着高温超导技术的发展，已成功制得高温超导干涉器，使其应用范围更加广泛。四、对超导技术发展的建议高温超导材料的应用十分广泛，除上述应用外还可用于制造交流超导发电机、超导开关、磁流体发电机、微波器件、红外单元探测器和列阵探测器等，涉及到国民经济、军事技术、医疗卫生等各个领域。近年来世界各国纷纷投入巨资加紧研究与开发，不断推动超导技术产生新的飞跃。1.提高Tc材料不同其临界转变温度也不同，某些物质临界温度非常低，例如汞为4.15K，不具有太大的应用价值。而有的超

14、导材料的临界温度比较高，达到几十K甚至上百K，随着临界温度的提高，其应用价值也大大提高。如果能制造出临界转变温度达干冰温度（240K）和室温（300K），有可能制备出室温超导体。所以如何提高超导材料的临界温度，发展出具有常温下工作能力的高温超导材料是人们重点关注的地方。2.超导转变机理到目前为止，虽然发现了不同种类的超导材料，超导材料的临界转变温度也提高了很多，但人们依然没有找到超导转变的机理，希望通过不断的摸索与探索能够发现超导转变机制，为超导材料的研发提供理论依据。3.超导应用的实用化从以上分析中不难看出，超导材料的应用大多集中在电力、交通、医疗、能源甚至军事上，且价格不菲，超导材料的实用

15、化还有待进一步开发。超导材料是一个高技术、高风险、高投入、前景好但回收周期长的高新技术产业。需要国家政府、企业及科研单位的多方联手，共同努力，超导技术材料方能得以发展。期待超导应用早日实现实用化，制造越来越多的电气设备为老百姓所用。五、结语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。参考文献1杨公安，蒲永平，王瑾菲，等.超导材料研究进展及其应用J.陶瓷，2022（7）：56-59.2周存.高温超

16、导材料的研究现状与展望J.技术与市场，2022，22（11）：71-72.3闻海虎.新型高温超导材料研究进展J.材料研究学报，2022，29（4）：241-254.4霍堡壘.MgB2高温超导材料的制备及应用J.中山大学研究生学刊，2022，36（3）：8-18.5林鹤，马衍伟.新型铁基超导线带材的研究进展J.中国材料进展，2022，32（9）：522-532.6肖立业.超导技术在未来电网中的应用J.科学通报，2022（25）：2367-2375.7信赢，侯波.21世纪电力传输材料高温超导电缆综述与展望J.电线电缆，2004（1）：3-9.8王静端.超导计算机及超导武器装备J.电子元件与材料，2

17、002（4）：31-33.9闻程.超导发电机中超导磁体的设计及其实践D.江苏：东南大学，2022.10郭文勇，张京业，张志丰，等.超导储能系统的研究现状及应用前景J.科技导报，2022，34（23）：68-79.11孙亮，黎红，张雪强，等.高温超导滤波器应用的探索与实践J.中国科学：物理学力学天文学，2022（42）：767-792.12赵超群.超导材料及技术在轨道交通领域的应用J.新材料产业，2022（2）：9-15.13高逸飞.超导磁共振产业迎来二次机遇J.中国医院院长会议，2022：36-37.14江忠胜，丁红胜.超导量子干涉器无损检测的应用与研究进展J.无损检测，2022（1）：67-71.