高溫超導材料

超導技術是21世紀具有巨大發展潛力和重大戰略意義的技術，超導材料具有高載流能力和低能耗特性，可廣泛應用於能源、國防、交通、醫療等領域。由於高溫超導體較高的臨界溫度，且用於其冷卻的液氨價格便宜，操作方便，是具有實用意義的新能源材料。自從上世紀八十年代發現氧化物超導體以來，全球掀起了研究高溫超導電性的熱潮。此後，人們又發現了超導轉變溫度越來越高的各種系列的高溫超導材料，目前汞系超導體的轉變溫度已高達 130多K。在基礎研究的同時，世界各國在超導材料的產業化研究方面，也投入了大量的人力物力。

高溫超導體通常是指在液氮溫度（77 K）以上超導的材料。人們在超導體被發現的時候（1911年），就被其奇特的性質（即零電阻，反磁性，和量子隧道效應）所吸引。但在此後長達七十五年的時間內所有已發現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）製冷環境中使用，主要分為兩種：釔鋇銅氧（YBCO）和鉍鍶鈣銅氧(BSCCO)。釔鋇銅氧一般用於製備超導薄膜，應用在電子、通信等領域；鉍鍶鈣銅氧主要用於線材的製造。

1911年，荷蘭萊頓大學的卡末林·昂尼斯意外地發現，將汞冷卻到-268.98°C時，汞的電阻突然消失；後來他又發現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，由於它的特殊導電性能，卡末林·昂尼斯稱之為超導態，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現了超導體的另一個極為重要的性質，當金屬處在超導狀態時，這一超導體內的磁感應強度為零，卻把原來存在於體內的磁場排擠出去。對單晶錫球進行實驗發現：錫球過渡到超導狀態時，錫球周圍的磁場突然發生變化，磁力線似乎一下子被排斥到超導體之外去了，人們將這種現象稱之為“邁斯納效應”。

自卡麥林·昂尼斯發現汞在4.2K附近的超導電性以來，人們發現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，發現了一系列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超導態，因而在應用上受到很大限制。1986年柏諾茲和繆勒發現了35K 超導的鑭鋇銅氧體系。這一突破性發現導致了更高溫度的一系列稀土鋇銅氧化物超導體的發現。通過元素替換，1987年初美國吳茂昆（朱經武）等和我國物理所趙忠賢等宣布了90K釔鋇銅氧超導體的發現，第一次實現了液氮溫度（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性工作而榮獲了1987年度諾貝爾物理學獎。

這類超導體由於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現，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現了第一個不含稀土的鉈鋇銅氧高溫超導體。1988 年初日本研製成臨界溫度達110K的鉍鍶鈣銅氧超導體。1988年2月盛正直等又進一步發現了125K 鉈鋇鈣銅氧超導體。幾年以後（1993年）法國科學家發現了 135K 的汞鋇鈣銅氧超導體。

為適應各種應用的要求，高溫超導材料主要有：膜材(薄膜、厚膜)、塊材、線材和帶材等類型。

高溫超導體薄膜是構成高溫超導電子器件的基礎，製備出優質的高溫超導薄膜是走向器件應用的關鍵。高溫超導薄膜的製備幾乎都是在單晶襯底(上進行薄膜的氣相沉積或外延生長的。經過十年的研究，高溫超導薄膜的製備技術已趨於成熟，達到了實用化水平。目前，最常用、最有效的兩種鍍膜技術是：磁控濺射(MS)和脈衝激光沉積 (PLD)。這兩種方法各有其獨到之處，磁控濺射法是適合於大面積沉積的最優生長法之一。脈衝激光沉積法能簡便地使薄膜的化學組成與靶的化學組成達到一致，並且能控制薄膜的厚度。

高溫超導體厚膜主要用於HTS磁屏蔽、微波諧振器、天線等。它與薄膜的區別不僅僅是膜的厚度，還有沉積方式上的不同。其主要不同點在以下三個方面：(1)通常，薄膜的沉積需要使用單晶襯底；(2)沉積出的薄膜相對於襯底的晶向而言具有一定的取向度；(3)一般薄膜的製造需要使用真空技術。獲得厚膜的方法有很多：如熱解噴塗和電泳沉積等，而最常用的技術是絲網印刷和刮漿法，這兩種方法在電子工業中得到了廣泛的應用。

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複合多絲線材或帶材。但陶瓷高溫超導體本身是很脆的，因此不能被拉製成細的線材。在眾多的超導陶瓷線材的製備方法中，鉍系陶瓷粉體銀套管軋製法(Ag PIT)是最成熟並且比較理想的方法。而壓制出鉍系帶材的臨界電流密度比通過滾軋技術製備出帶材的臨界電流密度要高得多。

最初的氧化物超導體都是用固相法或化學法製得粉末，然後用機械壓塊和燒結等通常的粉末冶金工藝獲得塊材，製備方法比較簡單。

綜合目前超導技術的發展情況，超導技術可以在以下行業得到應用和拓展：

超導技術與電力技術的結合將給電力行業的發、輸、配電帶來革命性的改變，電力行業是超導產業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

現有電纜的擴容問題一直困擾著城市電力的發展。傳統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、高節能、無污染等優點，具有巨大的經濟效益和環保效益，終將替代傳統電纜。

高溫超導電纜的大規模應用能夠極大地提高電力輸電系統的運行效率，降低運行成本。目前國際上高溫超導電纜的總體發展趨勢是研製大容量、低交流損耗、超長高溫超導電纜。據專家估計，高溫超導電纜最有可能率先實現實用化和商業化。

2）超導電機

電動機是最常用的電氣設備，但傳統電動機耗電量極大。美國工業界專家估計，1,000馬力以上的工業用電動機大約要消耗美國能源的25%。與常規電機相比，超導電機具有節能性好、體積小、單機容量大、造價及運營成本低、穩定性能好等優點，具有很好的經濟效益和環保效益。供給同樣的功率，超導電機的尺寸是常規電機的1/3，製造成本可降低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十億美元的運行費用。

在軍事上戰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，推進系統運行更加可靠，效率更高，控制更方便，調速性能更好，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電量的3-4倍，其電力系統的網損約為總發電量的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、火災環境事故機率低、無油污染等優點，在提高電力系統的可靠性和運行性能、降低成本、節約

能源、保護環境等方面有著重要的現實意義。

4）超導限流器：

限流器（FCL）是一種提高電網穩定性的電力設備。隨著社會的發展，對電網的質量要求越來越高，而傳統的限流器很難在短時間內對電網的脈衝電流起到限制作用。高溫超導限流器正好禰補了傳統限流器的缺點，其限流時間可小於百微秒級，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-常態轉變的物理特性來達到限流要求，它可同時集檢測、觸發和限流於一身，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的高溫超導限流器的技術性能已經接近應用的水平，但大體上仍處在示範試驗階段。

5）超導儲能裝置

超導儲能裝置是利用超導線圈將電磁能直接儲存起來，需要時再將電磁能返回電網或其他負載的一種電力設施。由於儲能線圈由超導線繞制且維持在超導態，線圈中所儲能幾乎無損耗地永久儲存下去直到需要釋放時為止。超導儲能裝置不僅可用於調節電力系統的峰谷或解決電網瞬間斷電對用電設備的影響，而且可用於降低或消除電網的低頻功率震蕩從而改善電網的電壓和頻率特性，同時還可用於無功和功率因數的調節以改善電力系統的穩定性。

1）核磁共振人體成像儀（MRI）

MRI是通過探測人體各個器官在磁場下感應出的不同信號來診斷病變的一種設備。傳統的MRI採用常規磁體，磁場小，很難探測到初期的病變，同時，其主磁場處於封閉的磁體空洞內，掃描時需將受檢者置於與外界隔絕的狹小空間，易使人產生幽閉恐怖症，大大影響了該設備的廣泛應用，低溫超導磁體因此被廣泛應用於MRI中。由於低溫超導的液氦溫度要求，其運行和維護費用很高。一些國家加快了高溫超導MRI的研究，1998年，Oxford磁體技術公司和西門子公司合作研製了一個用於人體MRI的高溫超導磁體。

磁懸浮列車

隨著國民經濟的發展，社會對交通運輸的要求越來越高，高速列車應運而生。與現有的鐵路、公路、水路和航空四種傳統運輸方式相比，超導磁懸浮列車具有高速、安全、噪音低和佔地小等優點，是未來理想的交通工具。

1）超導計算機：

高速計算機要求集成電路晶元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生大量的熱，而散熱是超大規模集成電路面臨的難題。超導計算機中的超大規模集成電路，其元件間的互連線用接近零電阻和超微發熱的超導器件來製作，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製造晶體管，甚至完全用超導體來製作晶體管。

2）超導開關：

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轉變到有阻狀態。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生的磁場，通過使門元件發生超導- - -正常轉變來控制門元件的電阻而製成。這種開關的低電阻態為零，高電阻態典型的是毫歐姆數量級，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和超導態之間的轉變，或移動電路元件附近的超導表面，使它發生相同轉變。