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超導材料的歷史與未來


軍工匯什麼是超導材料?超導材料,是指具有在一定的低溫條件下呈現出電阻等於零以及排斥磁力線的性質的材料。氣體液化問題是世紀物理的熱點之一。年荷蘭萊頓大學實驗物理學教授卡麥林·昂內斯建立了著名的低溫試驗室。年昂內斯成功地液化了地球上最後一種「永久氣體」—氦氣,並且...

- 2018年10月01日20時24分
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什麼是超導材料?

超導材料,是指具有在一定的低溫條件下呈現出電阻等於零以及排斥磁力線的性質的材料。

氣體液化問題是19世紀物理的熱點之一。1894年荷蘭萊頓大學實驗物理學教授卡麥林·昂內斯建立了著名的低溫試驗室。1908年昂內斯成功地液化了地球上最後一種「永久氣體」—氦氣,並且獲得了接近絕對零度(零下273.2攝氏度,標為0K)的低溫:4.25K~1.15K(相當於零下攝氏度)。為此,朋友們風趣地稱他為「絕對零度先生」。這樣低的溫度為超導現象的發現提供了有力保證。經過多次實驗,1911年昂內斯發現:汞的電阻在4.2K左右的低溫度時急劇下降,以致完全消失(即零電阻)。1913年他在一篇論文中首次以「超導電性」一詞來表達這一現象。由於「對低溫下物質性質的研究,並使氦氣液化」方面的成就,昂內斯獲1913年諾貝爾物理學獎。

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、半導體和導體。絕大部分金屬都是良導體,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,導致體內磁感應強度為零,即同時出現零電阻態和完全抗磁性。這種狀態下,即為材料進入超導態,這種材料就是超導材料。

超導體的一系列神奇特性意味著我們可以在低溫下穩定地利用超導體,比如實現無損耗輸電、穩恆強磁場和高速磁懸浮車等。正因如此,自從超導發現以來,人們對超導材料的探索腳步一直不斷向前,對超導微觀機理和超導應用的研究熱情也從未衰減。

超導材料的發展歷史

1911年,荷蘭物理學家昂尼斯(H.K.Onnes)發現,汞的電阻率並不像預料的那樣隨溫度降低逐漸減小,而是當溫度降到4.15K附近時,汞的電阻突然降到零。超導現象和超導體被第一次發現了。

1986年,IBM公司的柏諾茲(J. Bednorz)和繆勒(K. Müller)獨闢蹊徑,在一般認為導電性不好的陶瓷材料中去探索超導電性。結果他們在La-Ba-Cu-O體系中首次發現了可能存在超導電性,其Tc(臨界轉變溫度)高達35 K。這一發現引發了世界範圍高溫超導研究熱潮。

1987年,美國休斯頓大學的朱經武、吳茂昆研究組和中國科學院物理研究所的趙忠賢研究團隊分別獨立發現在YBa2Cu3O6+體系存在90 K以上的Tc。超導研究首次成功突破了液氮溫區(液氮的沸點為77 K),使得超導的大規模研究和應用成為可能。

1994年,朱經武研究組在高壓條件下把Hg2Ba2Ca2Cu3O10 體系的Tc 提高到了164 K,這一最高Tc紀錄一直保持至今。

2006年,日本的細野秀雄(H. Hosono)發現LaFePO存在4 K左右的超導電性,隨後他們於2008年一月又發現LaFeAsO1-xFx中存在26 K的超導電性。開創了鐵基超導的先河。之後在國際上引發了以鐵基超導研究領銜的高溫超導研究的第二波熱潮。

在近100年的超導材料發展歷史中,有10位科學家憑藉傑出的研究獲得了諾貝爾物理學獎。

目前發現的超導材料主要可以劃分如下幾大家族:金屬和合金超導體、銅氧化物超導體、重費米子超導體、有機超導體、鐵基超導體以及其他氧化物超導體。

超導材料的分類

超導材料分為低溫超導材料和高溫超導材料。

1、低溫超導材料

何謂低溫超導材料?低溫超導材料是具有低臨界轉變溫度(Tc<30K=在液氦溫度條件下工作)的超導材料,分為金屬、合金和化合物。具有實用價值的低溫超導金屬是Nb(鈮),Tc為9.3K已製成薄膜材料用於弱電領域。合金系低溫超導材料是以Nb為基的二元或三元合金組成的β相固溶體,Tc在9K以上。低溫超導材料一般都需在昂貴的液氦環境下工作,由於液氦製冷的方法昂貴且不方便,故低溫超導體的應用長期得不到大規模的發展。低溫超導材料的應用分為:強電應用,主要包括超導在強磁場中的應用和大電流輸送;弱電應用,主要包括超導電性在微電子學和精密測量等方面的應用。

2、高溫超導材料

高溫超導體材料(HTS)具有超導電性和抗磁性兩個重要特性。要讓超導體得到現實的應用,首先要有容易找到的超導材料。即主要研究方向就是尋找能在較高溫度下存在的超導體材料。高溫超導材料用途非常廣泛,大致可分三大類:大電流應用、電子學應用和抗磁性應用。大電流應用是由於超導材具有零電阻和完全的抗磁性,因此只需消耗極少的電能,就可以獲得的穩定強磁場。超導體的基本特性之一是當它處於超導態時具有理想的導電性,同時由於其載流能力遠遠強於常規導體,因此,利用超導體可以傳輸大電流和產生強磁場,並且沒有電阻熱損耗。電工設備的基本特點是大電流、強磁場和高電壓,因此在電工設備中使用超導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,超導材料的應用給電工技術帶來了質的飛躍,許多過去無法實現的電工設備由於採用超導技術而成為現實,或即將成為現實。我國電力資源和負荷分布不均,因此長距離、低損耗的輸電技術顯得十分迫切。超導材料由於其零電阻特性以及比常規導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。據統計,按目前情況,如果將銅或鋁導改為超導體,光是在中國節省電能相當於新建數十個大型發電廠。超導材料在這些方面的應用是最誘人的。

超導材料應用前景

超導技術的突破性進展和廣泛應用,將引起一場新的技術革命,並對科技、經濟、軍事乃至社會發展產生不可估量的影響。超導技術的應用範圍十分廣闊,在輸電、電機、交通運輸、航天、微電子、電子計算機、通信、核物理、新能源、生物工程、醫療以及軍事裝備等領域,都已展現出燦爛奪目的前景。

超導材料的應用,將會在電力工業中引起一場革命。利用超導材料製成很細的導線,在無需變電所和變壓器等配電設備下輸電,免去由於常規輸電造成的10%以上電力損失(送電、變電、配電等每一步都存在電阻,使一部分電能轉化成熱量而白白浪費),電費開支節省15%以上。據估計,光是實現超導輸電,美國每年就可減少100億美元的電力損失。超導發電機、電動機和其他大型電機與現有同類產品比,不僅體積小、重量輕十分之九、造價低一半,而且可以大大提高電流效率。一台100萬千瓦大型超導發電機,設計壽命為40年,光節約能量就相當於400萬桶石油。

人們預計,高溫超導將在能源工業上大有作為,超導儲能可以調節電網的負荷。電力輸入超導線圈中,電流可在裡面長期流動而幾乎不損耗電能,因此,可設計大容量的超導儲能裝置於地下岩石中,儲存大量電能供電網調峰之用。超導體約束的等離子體可以引起核聚變以實現受控熱核反應,為解決能源危機發揮重大作用。

超導體在電子學領域裡大有用武之地。用超導晶片(約瑟夫森器件)代替普通晶片製成超導計算機,可以大大提高運算速度,減小計算機體積。美國研製的一台運算速度為800萬次/秒的超導計算機,只有一部電話機那麼大,運算速度提高了10~1000倍,而且元件不發熱、功耗非常小、無故障、高效率運行時間要長得多。

超導技術可用於通信。一根超導線路傳遞數據的速率高達每秒1億次,可供1500萬部電話機同時通話,比現有光纖通信的通信速率還快100倍。

用超導器件製成的極其精密的超導量子干涉儀,可測出極其微弱的電磁波,被廣泛用到電子工業中。超導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活動,揭開人類大腦思維活動的奧秘。利用超導原理製造的新型紅外探測器、超導磁強針 、

超導重力儀、超導濾波器及各種微波器件,將廣泛應用於航空航天事業、地震預報、地質勘探及天文學領域。利用超導體的完全抗磁性可製造新型回旋加速器,把人們的視覺和感觀延伸到微觀世界深處,揭開物質起源、生命起源的奧秘。

給超導線圈通電可獲得超導磁體,產生極強的磁場。日本用鈮三錫(Nb3Sn)和釩三鎵(V3Ga)超導材料製成一個產生17.5萬高斯強磁場的超導磁體,只消耗15千瓦電力,而用普通銅線繞制,就得消耗電力7000千瓦,而且產生的熱量還要用大量的冷卻水帶走。超導磁體在磁流體發電、電子顯微鏡、高能加速器、電磁軌道炮、受控熱核聚變反應裝置等中,都可大顯神威。強超導磁體應用在核磁共振計算機斷層診斷裝置上,可以使解析度大大提高,

能診斷出更早期的癌細胞。若用超導技術製成家用電器,可做到體積小、重量輕、耗電少、精度高,而且經久耐用、價格便宜。

超導磁懸浮列車是會「飛」的火車,由於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500千米,而且行車平穩、噪聲小、安全舒適、所需牽引力小、不污染環境。將來的輪船、汽車也可以用超導電動機開動。如果用超導電動汽車來代替燃油汽車,那麼全世界一年可節省汽油10億噸。

2000年11月北京有色金屬研究院研製的百米長鉍系高溫超導帶材問世。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12.7安。它主要用於輸電電纜、變壓器、核磁共振成像等。2001年4月,340米長鉍系高溫超導線在清華大學研製成功,標誌著我國已躋身於少數掌握超導線材產業化的國家行列。

專家們相信,超導材料在工業上大規模應用已經為期不遠了。持樂觀態度的人預計,到2l世紀中葉超導產業將會創造8000億美元的巨大市場。


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