超導(dǎo)材料發(fā)展現(xiàn)狀與展望

1、超導(dǎo)材料發(fā)展現(xiàn)狀與展望第1頁，共22頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)25分，星期三 現(xiàn)今科學(xué)技術(shù)告訴發(fā)展的年代，在許多領(lǐng)域產(chǎn)生了巨變！任何一點(diǎn)不經(jīng)意地發(fā)現(xiàn)都能促使一個(gè)領(lǐng)域翻天覆地的變化。如今，超導(dǎo)材料的進(jìn)展是有目共睹的。本文旨在介紹超導(dǎo)現(xiàn)象，基本理論和一些重要的超導(dǎo)材料的研究應(yīng)用；闡述超導(dǎo)材料發(fā)展歷史，目前的進(jìn)展及未來的發(fā)展前景。 超導(dǎo)材料是在低溫條件下能出現(xiàn)超導(dǎo)電性的物質(zhì)。超導(dǎo)材料最獨(dú)特的性能是電能在輸送過程中幾乎不會(huì)損失。近年來，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，超導(dǎo)材料的性能不斷優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的臨界溫度也越來越高。一旦室溫超導(dǎo)題達(dá)到實(shí)用化、工業(yè)化，將對現(xiàn)代文明社會(huì)中的科學(xué)技術(shù)產(chǎn)生深刻的影響。第2頁，

2、共22頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)25分，星期三 導(dǎo)電材料的電阻會(huì)不斷消耗電能，這在遠(yuǎn)距離電能傳輸中一直是一個(gè)很大的問題。尋找一種極低電阻甚至沒有電阻的材料一直是物理科學(xué)家們夢寐以求的愿望。人們很早就發(fā)現(xiàn)了良導(dǎo)體的電阻會(huì)隨著環(huán)境溫度的降低而減小，因而科學(xué)工作者致力于創(chuàng)造一個(gè)低溫環(huán)境，尋求電阻減小的規(guī)律。17世紀(jì)末阿蒙頓提出了溫度下限（絕對零度）的概念，到了18世紀(jì)，蓋.呂薩克.查理斯確定了絕對零度為-273C。直到1908年萊頓實(shí)驗(yàn)室成功液化氦，獲得4.25K以下極低溫，開創(chuàng)了極低溫物性研究。第3頁，共22頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)25分，星期三 1911年，昂尼斯發(fā)現(xiàn)溫度降到4

3、.2K時(shí)，汞的電阻突然降為零的現(xiàn)象，當(dāng)溫度回到4.2K以上，汞重新恢復(fù)電阻性的。某些金屬、合金和化合物，在溫度降到絕對零度附近某一特定溫度時(shí)，它們的電阻率突然減小到無法測量的現(xiàn)象叫做超導(dǎo)現(xiàn)象，能夠發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象的物質(zhì)叫做超導(dǎo)體。 1911年到1955年，是人類對超導(dǎo)體基本認(rèn)識(shí)和探索階段，相繼發(fā)現(xiàn)了臨界溫度（1911），臨界電流（1933），邁斯納效應(yīng)（1933）。 1955年到1985年，合金與金屬化合物超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)使人們沖破了應(yīng)用超導(dǎo)體的重要阻力電磁壁壘。這其中重要的發(fā)展標(biāo)志之一就是幾種重要化合物超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)。標(biāo)志之二是Nb3Sn金屬間化合物超導(dǎo)線材制備技術(shù)的出現(xiàn)。從此為超導(dǎo)材料的應(yīng)用打開了局

4、面。 1986年至今，高溫超導(dǎo)材料的出現(xiàn)是又一大重要突破，沖破了“溫度壁壘”。高溫超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)被視為科學(xué)界得一次“飛躍和革命”。人們終于看到了超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用希望。超導(dǎo)現(xiàn)象的研究和超導(dǎo)材料的制備成為科技前沿，發(fā)展越來越快。在這個(gè)發(fā)展過程中，各種理論的提出也極大推動(dòng)了超導(dǎo)材料研究的發(fā)展。其中比較著名的是BCS理論，獲得了廣泛認(rèn)可。第4頁，共22頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)25分，星期三 （1）零電阻現(xiàn)象 （2）邁斯納效應(yīng) （3）超導(dǎo)態(tài)臨界參數(shù)三維圖 （4）約瑟夫森效應(yīng) （5）同位素效應(yīng)第5頁，共22頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)25分，星期三 將超導(dǎo)體的溫度降到某臨界溫度Tc時(shí)，超導(dǎo)體

5、電阻突然變?yōu)榱愕默F(xiàn)象，稱為零電阻現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)表明：超導(dǎo)狀態(tài)下的零電阻現(xiàn)象不僅與臨界溫度有關(guān)，也與超導(dǎo)體中的電流強(qiáng)度和外磁場強(qiáng)度有關(guān)，所以也存在著類似的臨界電流和臨界外磁場。 不同的材料具有不同的臨界溫度。某些物質(zhì)臨界溫度非常低，例如汞為4.15K，不具有太大的應(yīng)用價(jià)值。而有的超導(dǎo)材料的臨界溫度比較高，達(dá)到幾十K甚至上百K，隨著臨界溫度的提高，其應(yīng)用價(jià)值也大大提高。所以如何提高超導(dǎo)材料的臨界溫度，發(fā)展出具有常溫下工作能力的高溫超導(dǎo)材料是人們重點(diǎn)關(guān)注的地方。第6頁，共22頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)25分，星期三 邁斯納效應(yīng)也叫完全抗磁性。即超導(dǎo)體進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)后，超導(dǎo)體內(nèi)部的磁通量會(huì)全部被排除

6、到超導(dǎo)體外，超導(dǎo)體磁場強(qiáng)度恒為零。而且不論是先降溫后加入磁場還是先加入磁場后降溫，只要進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，磁通完全被排除體外。上世紀(jì)末磁懸浮技術(shù)就是依據(jù)這個(gè)原理。 第7頁，共22頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)25分，星期三第8頁，共22頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)25分，星期三第9頁，共22頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)25分，星期三 超導(dǎo)體的臨界溫度Tc與其同位素質(zhì)量M有關(guān)。M越大，Tc越低，這稱為同位素效應(yīng)。例如，原子量為199.55的汞同位素，它的Tc是4.18開，而原子量為203.4的汞同位素，Tc為4.146開。第10頁，共22頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)25分，星期三

7、 超導(dǎo)材料應(yīng)用價(jià)值在國民經(jīng)濟(jì)中在軍事上在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中電流應(yīng)用電子學(xué)應(yīng)用抗磁性應(yīng)用強(qiáng)磁弱磁強(qiáng)磁場第11頁，共22頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)25分，星期三 超導(dǎo)電纜的發(fā)展經(jīng)歷了直流低溫超導(dǎo)電纜、交流低溫超導(dǎo)電纜和交流高溫超導(dǎo)電纜等幾個(gè)發(fā)展過程,目前交流高溫超導(dǎo)電纜已經(jīng)成為超導(dǎo)電纜研究的重點(diǎn)。超導(dǎo)電纜是利用超導(dǎo)材料零電阻特性的新一代電力輸電電纜。與常規(guī)電纜相比，超導(dǎo)電纜具有損耗低、容量大、材料省、無污染等優(yōu)勢。超導(dǎo)電纜的廣泛應(yīng)用，將降低輸電損耗，改進(jìn)和提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性，節(jié)省土地資源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。 第12頁，共22頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)25分，星期三 高速計(jì)算機(jī)要求集成電路

8、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(shí)會(huì)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(dǎo)計(jì)算機(jī)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(dǎo)器件來制作，不存在散熱問題，同時(shí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度大大提高。此外，科學(xué)家正研究用半導(dǎo)體和超導(dǎo)體來制造晶體管，甚至完全用超導(dǎo)體來制作晶體管。 第13頁，共22頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)25分，星期三 利用超導(dǎo)材料的抗磁性，將超導(dǎo)材料放在一塊永久磁體的上方，由于磁體的磁力線不能穿過超導(dǎo)體，磁體和超導(dǎo)體之間會(huì)產(chǎn)生排斥力，使超導(dǎo)體懸浮在磁體上方。利用這種磁懸浮效應(yīng)可以制作高速超導(dǎo)磁懸浮列車。 第14頁，共22頁，20

9、22年，5月20日，10點(diǎn)25分，星期三 超導(dǎo)電機(jī) 超導(dǎo)電機(jī)包括發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)。由于采用了超導(dǎo)繞組，與常規(guī)電機(jī)相比，能夠承載更大的電流從而產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場，所以在與常規(guī)電機(jī)功率相同的情況下，其體積和重量可以減小到常規(guī)電機(jī)的1/5 左右。這種電機(jī)的體積和質(zhì)量將比常規(guī)電機(jī)顯著縮小，功率成倍增長，效率大大提高，可為武器裝備提供動(dòng)力。 電磁推進(jìn)裝置 用超導(dǎo)強(qiáng)磁材料制造的電磁推進(jìn)裝置，把電能直接轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)力，將能以很高的速度推進(jìn)大質(zhì)量的物體，在軍事上用作艦艇的動(dòng)力裝置，可消除傳動(dòng)噪聲，提高隱蔽性；也可用作電磁炮的動(dòng)力裝置。 第15頁，共22頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)25分，星期三 超導(dǎo)強(qiáng)磁技術(shù)主要是

10、利用超導(dǎo)材料能夠產(chǎn)生很高的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場，據(jù)此將可制成超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置、超導(dǎo)電機(jī)和電磁推進(jìn)裝置。 超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置 超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置是利用超導(dǎo)線圈將電磁能直接儲(chǔ)存起來，需要時(shí)再將電磁能返回電網(wǎng)或其它負(fù)載的一種電力設(shè)施。由于儲(chǔ)能線圈由超導(dǎo)線繞制且維持在超導(dǎo)態(tài)，線圈中所儲(chǔ)存的能量幾乎可以無損耗地永久儲(chǔ)存下去直到需要釋放時(shí)為止。超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置不僅可用于調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)的峰谷或解決電網(wǎng)瞬間斷電對用電設(shè)備的影響，而且可用于降低甚至消除電網(wǎng)的低頻功率振蕩從而改善電網(wǎng)的電壓和頻率特性，同時(shí)還可用于無功和功率因數(shù)的調(diào)節(jié)以改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這種儲(chǔ)能裝置將可長時(shí)期儲(chǔ)存大量的能量，然后根據(jù)需要加以釋放。大型超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)將可作為陸基自

11、由電子激光器或天基定向能武器的功率源。 第16頁，共22頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)25分，星期三 超導(dǎo)弱磁技術(shù)的理論基礎(chǔ)是約瑟夫森效應(yīng)。利用這種效應(yīng)制成的超導(dǎo)電子器件，將具有功耗低、噪聲小、靈敏度高、反應(yīng)速度快等特點(diǎn)，可進(jìn)行高精度、弱信號(hào)的電磁測量，也可用作超高速電子計(jì)算機(jī)元器件等。 超導(dǎo)弱磁探測器件。超導(dǎo)量子干涉儀、電磁傳感器和磁強(qiáng)計(jì)等，對磁場和電輻射的靈敏度比常規(guī)器件高得多，可用于軍事偵察。 超導(dǎo)計(jì)算機(jī)。采用約瑟夫森器件的超導(dǎo)計(jì)算機(jī)，運(yùn)算速度將比普通計(jì)算機(jī)快幾十倍，功耗減少到千分之一以下，散熱性能很好。 超導(dǎo)高頻探測器。如超導(dǎo)紅外探測器、參量放大器、混頻器、功率放大器等，將使空間監(jiān)

12、視、通信、導(dǎo)航、氣象和武器系統(tǒng)的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過利用常規(guī)器件時(shí)的性能。 第17頁，共22頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)25分，星期三 由于超導(dǎo)材料在超導(dǎo)狀態(tài)下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10萬高斯以上的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場.而用常規(guī)導(dǎo)體做磁體,要產(chǎn)生這么大的磁場,需要消耗3.5兆瓦的電能及大量的冷卻水,投資巨大。 第18頁，共22頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)25分，星期三 超導(dǎo)材料正以其獨(dú)特的性能，不斷地滲透到人們生活的方方面面。怎樣將其只能在超低溫下特有的性能運(yùn)用在常溫下是全世界科學(xué)家致力研究的方向。這就預(yù)示著超導(dǎo)材料現(xiàn)今乃至今后的主要研究方向，由于不斷的努力，高

13、溫超導(dǎo)材料的研究出現(xiàn)。 在高溫超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)以后，原則上說，凡是低溫超導(dǎo)電性能獲得應(yīng)用并顯示優(yōu)越性的領(lǐng)域，高溫超導(dǎo)電性也具有同樣的優(yōu)越性。然而高溫超導(dǎo)體比低溫超導(dǎo)體的最主要優(yōu)勢在于高溫。因?yàn)楦邷爻瑢?dǎo)體只需要廉價(jià)液氮冷卻，而不是昂貴的液氨。有人甚至預(yù)言，人類社會(huì)將進(jìn)入超導(dǎo)時(shí)代。這是因?yàn)楦邷爻瑢?dǎo)材料如能在一系列重要領(lǐng)域特別是所謂強(qiáng)電，諸如電力輸送、電機(jī)、受控核聚變、交通、醫(yī)療等領(lǐng)域獲得應(yīng)用，可能顯示出巨大的優(yōu)越性，將導(dǎo)致一場新的技術(shù)革命。第19頁，共22頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)25分，星期三 從超導(dǎo)材料的發(fā)展歷程來看，新的更高轉(zhuǎn)變溫度材料的發(fā)現(xiàn)及室溫超導(dǎo)的實(shí)現(xiàn)都有可能。單晶生長及薄膜制造工藝也會(huì)取得重大突破，但超導(dǎo)材料的基礎(chǔ)研究還面臨一些挑戰(zhàn)。目前超導(dǎo)材料正從研究階段向應(yīng)用發(fā)展階段轉(zhuǎn)變，且有可能進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化發(fā)展階段。超導(dǎo)材料正越來越多地應(yīng)用于間斷技術(shù)中。我們有理由相信，隨著探求更高溫度超導(dǎo)材料研究。超導(dǎo)成材研究、超導(dǎo)理論研究的廣泛深入的開展，超導(dǎo)將會(huì)改變我們