西安交大材料與人類文明選修課論文

1、超導(dǎo)材料姓名：學(xué)院：專業(yè)：學(xué)號(hào)：內(nèi)容摘要：超導(dǎo)是超導(dǎo)電性的簡(jiǎn)稱，是指某些物體當(dāng)溫度下降至一定溫度時(shí)，電阻突然趨近于零的現(xiàn)象。具有這種特性的材料稱為超導(dǎo)材料。自從超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)至今，超導(dǎo)的研究和超導(dǎo)材料的研制已迅速發(fā)展，超導(dǎo)材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)及性質(zhì)已逐漸研究清楚，其具有優(yōu)越的物理性質(zhì)和優(yōu)越的性能，目前已被廣泛的接受和認(rèn)同，超導(dǎo)材料也得到了廣泛的應(yīng)用，特別是高溫超導(dǎo)材料的廣泛應(yīng)用將會(huì)給社會(huì)帶來(lái)的巨大變革。 關(guān)鍵詞：大電流應(yīng)用（強(qiáng)電應(yīng)用）、電子學(xué)應(yīng)用（弱電應(yīng)用）、抗磁性應(yīng)用引言：超導(dǎo)技術(shù)是21世紀(jì)具有戰(zhàn)略意義的綜合性高新技術(shù)，可廣泛用于能源、信息、醫(yī)療、電力工業(yè)、交通、國(guó)防、科研及國(guó)防軍工等重大工程方面。21

2、世紀(jì)的超導(dǎo)技術(shù)會(huì)同20世紀(jì)的半導(dǎo)體技術(shù)一樣具有開(kāi)創(chuàng)新時(shí)代的意義。首先，高溫超導(dǎo)線材通電能力超出相同截面積的銅導(dǎo)線100倍以上，因而在能源領(lǐng)域潛力巨大，并有可能引發(fā)電力系統(tǒng)的革命；其次，超導(dǎo)元器件的高靈敏特性（約瑟夫森效應(yīng)）使得其在移動(dòng)通信、航空航天、資源勘探、醫(yī)療診斷及軍事國(guó)防等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景；與此同時(shí)，超導(dǎo)材料的完全抗磁性（邁斯納效應(yīng)）也使將得其在交通運(yùn)輸行業(yè)有著出色的表現(xiàn)。美國(guó)能源部認(rèn)為高溫超導(dǎo)電力技術(shù)是21世紀(jì)電力工業(yè)唯一的高技術(shù)儲(chǔ)備，是檢驗(yàn)美國(guó)將科學(xué)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為應(yīng)用技術(shù)能力的重大實(shí)踐；日本認(rèn)為超導(dǎo)電力技術(shù)是在21世紀(jì)全球競(jìng)爭(zhēng)中保持尖端優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵所在；我國(guó)自20世紀(jì)60年代即開(kāi)始超導(dǎo)

3、技術(shù)和超導(dǎo)材料的研究經(jīng)過(guò)30多年的努力，在超導(dǎo)磁體及其應(yīng)用、超導(dǎo)材料研究、超導(dǎo)電子學(xué)以及超導(dǎo)基礎(chǔ)研究等方面都取得了很大成績(jī)。本文試簡(jiǎn)述超導(dǎo)材料的前沿科技發(fā)展及其未來(lái)的應(yīng)用。正文： 超導(dǎo)材料的突破性發(fā)展，將促進(jìn)超導(dǎo)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，預(yù)示著一個(gè)嶄新的電氣化時(shí)代。實(shí)際上，超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用遍及能源、運(yùn)輸、基礎(chǔ)科學(xué)、資源、信息和醫(yī)療等科學(xué)技術(shù)的廣泛領(lǐng)域。A. 大電流應(yīng)用（強(qiáng)電應(yīng)用）一超導(dǎo)發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)使用超導(dǎo)材料只需消耗極少的電能，就可獲得穩(wěn)定的強(qiáng)磁場(chǎng)。可用于制造交流超導(dǎo)發(fā)電機(jī)，利用超導(dǎo)線圈磁體可將發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)提高到5萬(wàn)6萬(wàn)高斯而沒(méi)有能量損失，且單機(jī)發(fā)電容量比常規(guī)發(fā)電機(jī)提高510倍，達(dá)1MW，而體積卻減少1

4、/2，整機(jī)質(zhì)量減輕1/3，發(fā)電效率提高50；也可用于磁流體發(fā)電機(jī)，利用高溫導(dǎo)電性氣體做導(dǎo)體，并高速通過(guò)5萬(wàn)6萬(wàn)高斯的強(qiáng)磁場(chǎng)而發(fā)電，而且這種發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和高溫導(dǎo)電性氣體可重復(fù)利用的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，未來(lái)的高溫超導(dǎo)材料可用于直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，可使發(fā)電機(jī)的質(zhì)量和體積減小到常規(guī)電機(jī)的1/51/3；還可通過(guò)降低轉(zhuǎn)速省掉變速裝置，避免大量齒輪箱變速時(shí)帶來(lái)的機(jī)械損耗，并節(jié)省齒輪箱的維護(hù)費(fèi)用，這些優(yōu)勢(shì)使得制造更大功率的風(fēng)力發(fā)電機(jī)成為可能。有一家著名的歐洲生產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的公司宣稱，將來(lái)該公司生產(chǎn)的2MW以上的風(fēng)力發(fā)電機(jī)都將是高溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī)。德國(guó)西門子公司也制成了4MW的高溫超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)，目前正在研制5MW的高溫超

5、導(dǎo)發(fā)電機(jī)。二無(wú)損耗變壓器發(fā)展超導(dǎo)變壓器，可提高電力變壓器的性能。從經(jīng)濟(jì)上看，超導(dǎo)材料的低阻抗特性有利于減小變壓器的損耗，高電流密度可提高電力系統(tǒng)的效率，采用超導(dǎo)變壓器會(huì)大大節(jié)約能源，減少運(yùn)作費(fèi)用；從絕緣運(yùn)行壽命上看，超導(dǎo)變壓器的繞組和固體絕緣材料都運(yùn)行于深度低溫下，不存在絕緣老化問(wèn)題，即使在兩倍于額定功率下運(yùn)行也不會(huì)影響運(yùn)行壽命；從對(duì)電力系統(tǒng)的貢獻(xiàn)來(lái)看，正常工作時(shí)超導(dǎo)變壓器的內(nèi)限很低，增大了電壓調(diào)節(jié)的范圍，有利于提高電力系統(tǒng)的性能；從環(huán)保角度看，超導(dǎo)變壓器采用液氮進(jìn)行冷卻，取代了常規(guī)變壓器所用的強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻或空冷，降低了噪音，避免了變壓器可能引起的火災(zāi)危險(xiǎn)和由于泄露造成的環(huán)境污染。超導(dǎo)變壓器

6、于2001年應(yīng)用于部分鐵路機(jī)車上，我國(guó)2005年也研制出高溫超導(dǎo)型530kVA、10.5Kv的變壓器，并已投入使用。三超導(dǎo)輸電當(dāng)前，我國(guó)電網(wǎng)的電能損耗約占總發(fā)電量的8，其中90左右是由電纜損耗掉的。可以這么說(shuō)，當(dāng)前中國(guó)每年在輸配電網(wǎng)上損失的電量，相當(dāng)于兩到三個(gè)三峽電站的發(fā)電量。而在美國(guó)，每年僅在輸電線路上的損失就高達(dá)40億美元之多。美國(guó)物理學(xué)家波恩特·特奧·馬梯阿斯指出：“電能的輸送是超導(dǎo)體最重要的應(yīng)用之一。”超導(dǎo)材料可用于制作超導(dǎo)電纜，超導(dǎo)電纜具有載流能力大、損耗低和體積小的優(yōu)點(diǎn)，其傳輸容量將比常規(guī)電纜提高35倍，可把電力幾乎無(wú)損耗地輸送給用戶，盡管在交流運(yùn)行狀態(tài)下存在交

7、流損耗，但其輸電損耗也將比常規(guī)電纜降低2070。因此高溫超導(dǎo)電纜輸電無(wú)需高壓，可將輸電損耗、電磁污染、占用纜溝寬度降至最低，真正代表了世界最先進(jìn)的技術(shù)方向。目前世界上建成和在建的高溫超導(dǎo)電纜項(xiàng)目有20多個(gè)，而世界上已建成的20余根高溫超導(dǎo)電纜項(xiàng)目中，絕大多數(shù)是鉍系高溫超導(dǎo)材料，原因是其工業(yè)級(jí)的產(chǎn)量能力、電流密度、價(jià)格成本、磁場(chǎng)性能等方面都是現(xiàn)階段最符合電纜運(yùn)行要求的高溫超導(dǎo)材料。國(guó)家電網(wǎng)公司正規(guī)劃一條千米級(jí)的高溫超導(dǎo)輸電電纜，如能利用我國(guó)自有的相關(guān)技術(shù)和高溫超導(dǎo)線材，不但可向世界展示我國(guó)高溫超導(dǎo)先進(jìn)的技術(shù)水平，而且將對(duì)我國(guó)高溫超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與技術(shù)升級(jí)帶來(lái)巨大的積極作用。（據(jù)我所知，在高溫超導(dǎo)線

8、材方面，2008年中國(guó)科學(xué)院電工所馬衍偉領(lǐng)導(dǎo)的研究組研制成世界首根10米量級(jí)鐵基超導(dǎo)長(zhǎng)線，為我國(guó)超導(dǎo)線材的產(chǎn)業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。）四醫(yī)療器械方面的應(yīng)用 核磁共振成像裝置它是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的先進(jìn)的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，目前應(yīng)用于醫(yī)院中的核磁共振成像裝置近80是采用超導(dǎo)磁體，他不僅磁場(chǎng)強(qiáng)，穩(wěn)定性好，而且體積小，質(zhì)量輕，幾乎不消耗電能。 高溫超導(dǎo)心磁圖儀近年來(lái)，有科學(xué)家以YBCO陶瓷為材料，做成的高溫超導(dǎo)心磁圖儀（HT-MCG）已應(yīng)用于臨床，通過(guò)計(jì)算機(jī)將信號(hào)收集和處理后，繪制出病人的心磁圖波形等心電圖形，幫助醫(yī)生更好地了解病人的情況。該儀器成本低，效果好，對(duì)冠心病的無(wú)創(chuàng)傷診斷，心肌缺血診斷，心肌影像形

9、成等效果良好，具有很好的應(yīng)用前景。B. 電子學(xué)應(yīng)用（弱電應(yīng)用）一. 超導(dǎo)探測(cè)器根據(jù)超導(dǎo)約瑟夫森效應(yīng)制成的超導(dǎo)量子探測(cè)器，是極其靈敏的磁場(chǎng)探測(cè)儀器，可分辨相當(dāng)于地球磁場(chǎng)十億分之一的變化，可廣泛應(yīng)用于無(wú)損探傷、大地探測(cè)、生物磁學(xué)找礦的行業(yè)。與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體探測(cè)比較，高Tc超導(dǎo)探測(cè)器在大于20um長(zhǎng)波探測(cè)中將成為優(yōu)良的接受器件填充了電磁波段中遠(yuǎn)紅外至毫米波段的空白。這一技術(shù)將在天文探測(cè)、光譜研究、遠(yuǎn)紅外激光接收和軍事光學(xué)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。二. 無(wú)損檢測(cè)SQUID磁強(qiáng)計(jì)的磁場(chǎng)靈敏度優(yōu)于100ft，完全可用于無(wú)損檢測(cè)。由于SQUID能在大的均勻場(chǎng)中探測(cè)到場(chǎng)的微小變化，增加了探測(cè)深度，提高了分辨率，能對(duì)多

10、層合金導(dǎo)體材料的內(nèi)部缺陷和腐蝕進(jìn)行探測(cè)和確定，這是其他探測(cè)手段無(wú)法辦到的。工業(yè)上可用于探測(cè)導(dǎo)體材料的缺陷、內(nèi)部的腐蝕等，軍事上可用于水雷和水下潛艇等的探測(cè)。三. 超導(dǎo)計(jì)算機(jī)利用超導(dǎo)材料的隧道效應(yīng)可使計(jì)算機(jī)體積變小，能耗降低，計(jì)算速度極大提高。與傳統(tǒng)計(jì)算你相比，至少可提高數(shù)百倍的速度。它有許多明顯的優(yōu)點(diǎn)：a.器件的開(kāi)關(guān)速度比現(xiàn)存半導(dǎo)體器件快23個(gè)數(shù)量級(jí)，比普通半導(dǎo)體Si集成電路要快1000倍左右。b.很低的功率，只有半導(dǎo)體器件的千分之一左右，幾乎沒(méi)有散熱問(wèn)題。c.輸出電壓在毫伏數(shù)量級(jí)，而輸出電流大于控制線內(nèi)的電流，具有一定的增益，型號(hào)檢測(cè)更方便。同時(shí)體積更小，成本更低。d.因超導(dǎo)抗磁效應(yīng)，電路布

11、線干擾完全消失，信號(hào)準(zhǔn)確五畸變。C.抗磁性應(yīng)用一. 超導(dǎo)磁懸浮列車磁懸浮列車大致可分兩種：一種以德國(guó)為代表的，利用磁體吸引力的電磁懸?。灰环N以日本為代表的，利用磁體排斥力的電動(dòng)懸浮。相吸式是把電磁鐵安裝在車體上，通電后產(chǎn)生電磁力與導(dǎo)軌相吸引而使列車懸浮，再用電動(dòng)機(jī)牽引列車前進(jìn)。相斥式則是在列車上安裝超導(dǎo)磁體，軌道上安裝磁浮線圈，超導(dǎo)磁體與地面線圈之間產(chǎn)生強(qiáng)大磁力而使列車懸浮，再用電動(dòng)機(jī)牽引列車前進(jìn)。其優(yōu)越性：高速度，低振動(dòng)，低噪音，少維修，安全可靠，無(wú)污染。2009年6月15日，我國(guó)首列具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的實(shí)用型中低速磁懸浮列車在中國(guó)北車唐山軌道客車有限公司下線，完成調(diào)試。這標(biāo)志著中低速磁懸

12、浮技術(shù)已悄然走上產(chǎn)業(yè)化實(shí)施道路。二. 磁懸浮軸承高速轉(zhuǎn)動(dòng)的部位由于受軸承摩擦的限制轉(zhuǎn)速無(wú)法進(jìn)一步提高。利用超導(dǎo)體的完全抗磁性可制成無(wú)摩擦懸浮軸承。磁懸浮軸承是采用磁場(chǎng)力將轉(zhuǎn)軸懸浮。由于無(wú)接觸，因而避免了機(jī)械磨損。降低了能耗、減小了噪音，進(jìn)而具有免維護(hù)，高轉(zhuǎn)速，高精度和動(dòng)力學(xué)特性好的優(yōu)點(diǎn)。磁懸浮軸承可使用于高速離心機(jī)，飛輪儲(chǔ)能。航空陀螺儀等高速旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)。結(jié)語(yǔ)：超導(dǎo)材料的研究是當(dāng)今世界上一門新興的科學(xué)技術(shù)。自1911年荷蘭科學(xué)家卡末林、昂尼斯發(fā)現(xiàn)“超導(dǎo)”現(xiàn)象至今，世界各國(guó)的科學(xué)家從未間斷過(guò)對(duì)“超導(dǎo)”的研究，特別是進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來(lái)。隨著1987年中國(guó)、日本和美國(guó)科學(xué)家采用金屬氧化物，將超導(dǎo)臨

13、界溫度提高，使超導(dǎo)體前進(jìn)了一大步，從而引起了一場(chǎng)前所未有的“超導(dǎo)大戰(zhàn)”。由于超導(dǎo)材料能影響人類生存的許多重要領(lǐng)域，各國(guó)的材料科學(xué)家都在競(jìng)相探索它的結(jié)構(gòu)，研究它的性能，以求率先找到具有高臨界溫度的超導(dǎo)材料。近年來(lái)，世界各國(guó)紛紛投入巨資加緊研究與開(kāi)發(fā)，不斷推動(dòng)超導(dǎo)技術(shù)產(chǎn)生新的飛躍。 超導(dǎo)材料具有的優(yōu)異特性使它從被發(fā)現(xiàn)之日起，就向人類展示了誘人的應(yīng)用前景。但要實(shí)際應(yīng)用超導(dǎo)材料又受到一系列因素的制約，由于早期的超導(dǎo)體存在于液氦極低溫度條件下，極大地限制了超導(dǎo)材料的應(yīng)用。隨后高溫超導(dǎo)材料克服了常規(guī)低溫超導(dǎo)材料的不足之處，于是高溫超導(dǎo)材料隨即替代了低溫超導(dǎo)材料。至今，高溫超導(dǎo)的研究已經(jīng)有20多年的歷史，在

14、20多年的廣泛研究中,人們積累了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論方法。到目前為止，雖然已經(jīng)有許多很好的理論模型，但是高溫超導(dǎo)機(jī)理問(wèn)題仍然沒(méi)有完全解決，許多實(shí)驗(yàn)的結(jié)果還存在爭(zhēng)議。因此，要用高溫超導(dǎo)材料來(lái)改進(jìn)現(xiàn)有的科技工程又決非易事。高溫是相對(duì)于低溫而言，即使是高溫依然遠(yuǎn)低于冰點(diǎn)。所以在實(shí)際應(yīng)用中超導(dǎo)材料需要制冷等操作，大大提高了成本，也使得超導(dǎo)材料不能大量應(yīng)用?？茖W(xué)家和工程師們所遇到的困難就是如何使超導(dǎo)材料實(shí)用化，即提高臨界轉(zhuǎn)變溫度、臨界電流密度和改良其加工性能，制造出理想的超導(dǎo)材料?？梢赃@樣說(shuō)，高溫超導(dǎo)材料的突破，必將深刻地促進(jìn)尖端科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，從而加速人類文明的進(jìn)程。現(xiàn)如今，高溫超導(dǎo)的研究也不再局限于認(rèn)識(shí)高溫超導(dǎo)電性本身，而是要理解強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)背后所有的物理現(xiàn)象以及如何建立研究強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系的范式。因而強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系中的超導(dǎo)現(xiàn)象也就成為高溫超導(dǎo)的研究范圍，并且吸引了人們極大的興趣。盡管如此，超導(dǎo)材料仍處于試驗(yàn)研究階段。但人們相信，隨著超導(dǎo)材料臨界溫度的提高和材料加工技術(shù)的發(fā)展，它將會(huì)在許多高科技領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用。綜合以上分析可以看出，高溫超導(dǎo)材料作為一種新型材料，將廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)、軍事技術(shù)、醫(yī)療衛(wèi)生和各種高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，其前景有可能如當(dāng)年的晶體