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基本信息
| 中文名 | 高溫超導材料 |
| 外文名 | high temperature superconducting material |
| 類別 | 超導材料 |
| 別名 | 高溫氧化物超導材料 |
| 材質(zhì) | 氧化物材料 |
技術簡介
發(fā)展歷史
高溫超導體通常是指在液氮溫度（77 K）以上超導的材料。人們在超導體被發(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）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)的超導體都只是在極低的溫度（23 K)下才顯示超導，因此它們的應用受到了極大的限制。
高溫超導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薄膜，應用在電子、通信等領域；鉍鍶鈣銅氧主要用于線材的制造。
1911年，荷蘭萊頓大學的卡末林·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，由于它的特殊導電性能，卡末林·昂尼斯稱之為超導態(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)了超導體的另一個極為重要的性質(zhì)，當金屬處在超導狀態(tài)時，這一超導體內(nèi)的磁感應強度為零，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體之外去了，人們將這種現(xiàn)象稱之為“邁斯納效應”。
自卡麥林·昂尼斯發(fā)現(xiàn)汞在4.2K附近的超導電性以來，人們發(fā)現(xiàn)的新超導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型超導體和三元系超導體，超導材料要用液氦做致冷劑才能呈現(xiàn)超導態(tài)，因而在應用上受到很大限制。1986年柏諾茲和繆勒發(fā)現(xiàn)了35K 超導的鑭鋇銅氧體系。這一突破性發(fā)現(xiàn)導致了更高溫度的一系列稀土鋇銅氧化物超導體的發(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年度諾貝爾物理學獎。
這類超導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體。液氮溫度以上釔鋇銅氧超導體的發(fā)現(xiàn)，使得普通的物理實驗室具備了進行超導實驗的條件，因此全球掀起了一股探索新型高溫超導體的熱潮。1987年底，我國留美學者盛正直等首先發(fā)現(xiàn)了第一個不含稀土的鉈鋇銅氧高溫超導體。1988 年初日本研制成臨界溫度達110K的鉍鍶鈣銅氧超導體。1988年2月盛正直等又進一步發(fā)現(xiàn)了125K 鉈鋇鈣銅氧超導體。幾年以后（1993年）法國科學家發(fā)現(xiàn)了 135K 的汞鋇鈣銅氧超導體。
制備工藝
線材帶材
超導材料在強電上的應用，要求高溫超導體必須被加工成包含有超導體和一種普通金屬的復合多絲線材或帶材。但陶瓷高溫超導體本身是很脆的，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
最初的氧化物超導體都是用固相法或化學法制得粉末，然后用機械壓塊和燒結等通常的粉末冶金工藝獲得塊材，制備方法比較簡單。
應用領域
綜合目前超導技術的發(fā)展情況，超導技術可以在以下行業(yè)得到應用和拓展：
電力
超導技術與電力技術的結合將給電力行業(yè)的發(fā)、輸、配電帶來革命性的改變，電力行業(yè)是超導產(chǎn)業(yè)最重要的應用場所與市場。超導技術在電力中的應用主要包括：
1）高溫超導電纜
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。
高溫超導電纜的大規(guī)模應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、超長高溫超導電纜。據(jù)專家估計，高溫超導電纜最有可能率先實現(xiàn)實用化和商業(yè)化。
2）超導電機
電動機是最常用的電氣設備，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)艦應用高溫超導電機，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。
3）超導變壓器
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，超導變壓器體積小、重量輕、電壓轉換能量效率高、火災環(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。超導限流器是利用超導體的超導態(tài)-常態(tài)轉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限流器的研究。當前，國際上適應配電系統(tǒng)的高溫超導限流器的技術性能已經(jīng)接近應用的水平，但大體上仍處在示范試驗階段。
5）超導儲能裝置
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，科學家正研究用半導體和超導體來制造晶體管，甚至完全用超導體來制作晶體管。
超導開關可以分為電阻開關和電感開關。電阻開關是利用超導體以下性能：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)轉變到有阻狀態(tài)。例如，用冷子管作開關，就是利用一個完全超導的控制元件所產(chǎn)生的磁場，通過使門元件發(fā)生超導- - -正常轉變來控制門元件的電阻而制成。這種開關的低電阻態(tài)為零，高電阻態(tài)典型的是毫歐姆數(shù)量級，所以，開關比是無限大。電感開關的原理是：不是像線圈、線等電路元件的電感，可用來將靠近它的超導體作正常態(tài)和超導態(tài)之間的轉變，或移動電路元件附近的超導表面，使它發(fā)生相同轉變。
參考資料
[1]
周存.高溫超導材料的研究現(xiàn)狀與展望[J].技術與市場,2015,(11):71-72. · 萬方[引用日期2019-07-09]
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