超導(dǎo)材料的性能及其應(yīng)用

超導(dǎo)技術(shù)在軍事方面的應(yīng)用超導(dǎo)技術(shù)是研究物質(zhì)在超導(dǎo)狀態(tài)下的性質(zhì)、功能以及超導(dǎo)材料、超導(dǎo)器件的研制、開發(fā)和應(yīng)用的技術(shù)。某些物質(zhì)在溫度降低到一定值時(shí)電阻會(huì)完全消失，這種現(xiàn)象稱為超導(dǎo)電性。具有超導(dǎo)電性的物質(zhì)稱為超導(dǎo)材料或超導(dǎo)體。超導(dǎo)材料包括金屬低溫超導(dǎo)材料、陶瓷高溫超導(dǎo)材料和有機(jī)超導(dǎo)材料等。超導(dǎo)技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)、軍事技術(shù)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)與醫(yī)療衛(wèi)生等具有重大價(jià)值。超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)頗為不易。一個(gè)世紀(jì)來，超導(dǎo)體的研究使4位科學(xué)家先后獲諾貝爾獎(jiǎng)。1911年荷蘭萊頓大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)教授卡麥林·昂尼斯發(fā)現(xiàn)汞的電阻在接近絕對(duì)零度的低溫時(shí)急劇下降以致完全消失，并在1913年一篇論文中首次提到“超導(dǎo)電性”一詞。由于這一成就，昂內(nèi)斯獲1913年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1933年，德國(guó)物理學(xué)家邁斯納等人又發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)材料的溫度低于臨界溫度而進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)之后，其體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度總是零。這種現(xiàn)象稱為“邁斯納效應(yīng)”。1962年英國(guó)劍橋大學(xué)研究生約瑟夫森提出，夾有薄絕緣層的兩塊超導(dǎo)體之間，即使不加電壓也可通過一定數(shù)值的直流隧道電流。這一現(xiàn)象稱為“約瑟夫森效應(yīng)”。他也因此獲得1973年度諾貝爾物理獎(jiǎng)。超導(dǎo)技術(shù)可應(yīng)用于能源、信息、交通、環(huán)保、化工、科學(xué)儀器、醫(yī)療技術(shù)、國(guó)防軍工等諸多領(lǐng)域，前景十分廣闊。高溫超導(dǎo)材料的用途非常廣闊，大致可分為三類：大電流應(yīng)用（強(qiáng)電應(yīng)用）、電子學(xué)應(yīng)用（弱電應(yīng)用）和抗磁性應(yīng)用。大電流應(yīng)用即前述的超導(dǎo)發(fā)電、輸電和儲(chǔ)能；電子學(xué)應(yīng)用包括超導(dǎo)計(jì)算機(jī)、超導(dǎo)天線、超導(dǎo)微波器件等；抗磁性主要應(yīng)用于磁懸浮列車和熱核聚變反應(yīng)堆等。前景廣闊的超導(dǎo)兵器。超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用收效最快的是超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)，其特點(diǎn)是體積小、重量輕、能耗小、效率高，可用作艦船、坦克、飛機(jī)有效而靈活的推進(jìn)系統(tǒng)。超導(dǎo)艦艇20世紀(jì)70年代以來，美、英、日等國(guó)積極開展超導(dǎo)技術(shù)在海軍艦艇方面應(yīng)用的研究，并已初見成效。美國(guó)試制了5．5兆瓦的超導(dǎo)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，英國(guó)研制了480千瓦的超導(dǎo)電磁力推進(jìn)裝置，日本已制成了超導(dǎo)船?，F(xiàn)在國(guó)際上已有3艘超導(dǎo)電磁推進(jìn)船試驗(yàn)成功。超導(dǎo)電磁力推進(jìn)裝置是按照電磁原理設(shè)計(jì)的。在艦艇上安裝電磁鐵，在磁場(chǎng)和電流的相互作用下，海水向后運(yùn)動(dòng)。在海水的反作用力下，艦艇將獲得向前的推力。超導(dǎo)艦艇既不需要發(fā)動(dòng)機(jī)，也不需螺旋槳，能有效地消除噪音、降低紅外輻射，從而大大提高生存能力和快速機(jī)動(dòng)的突防能力。超導(dǎo)飛機(jī)設(shè)計(jì)制造大功率、小體積的發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)提高飛機(jī)的作戰(zhàn)性能起著至關(guān)重要的作用。磁流體發(fā)電是一種高效發(fā)電方式，隨著超導(dǎo)技術(shù)的不斷突破，為大容量、小型化磁流體發(fā)電機(jī)的研制提供了條件。這種超導(dǎo)發(fā)電機(jī)實(shí)用化后，飛機(jī)可用它作能源，為空中指揮所和預(yù)警飛機(jī)的大型雷達(dá)、大型計(jì)算機(jī)、各種通信設(shè)備等非常耗電的裝備提供動(dòng)力。預(yù)計(jì)這種機(jī)載大功率超導(dǎo)發(fā)電機(jī)將是超導(dǎo)技術(shù)在軍事上最先得到應(yīng)用的項(xiàng)目之一。超導(dǎo)坦克最近，美國(guó)陸軍設(shè)想了一種外廓尺寸和M1坦克相似的超導(dǎo)坦克，即電磁坦克。這種坦克為無炮塔式結(jié)構(gòu)，戰(zhàn)斗全重45噸，主要武器為105毫米電磁炮，彈丸基數(shù)為80發(fā)，裝彈采用自動(dòng)裝置，電磁炮的電源由6臺(tái)超導(dǎo)線圈制成的單極發(fā)動(dòng)機(jī)提供，車體中部的兩側(cè)為液氮容器，盛有冷卻超導(dǎo)電感線圈的液氮。高溫超導(dǎo)體的出現(xiàn)，也給坦克的高技術(shù)化開辟了一條新途徑。電磁炮的應(yīng)用，必將使陸戰(zhàn)王如虎添翼。利用超導(dǎo)材料“約瑟夫森效應(yīng)”制成的儀器設(shè)備，具有靈敏度高、噪聲低、響應(yīng)速度快和能耗小等特點(diǎn)，在軍事偵察、通信、電子對(duì)抗和指揮等方面，都大有用武之地。軍事超導(dǎo)有線電通信利用超導(dǎo)電線可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大容量通信。研究試驗(yàn)表明，超導(dǎo)電線傳輸信息的速度，比光纖系統(tǒng)快得多，可以傳輸幾萬億分之一秒的脈沖?？茖W(xué)家們預(yù)言，未來高溫超導(dǎo)的遠(yuǎn)距離通信的容量將比光纜大幾百倍，能夠每秒傳輸相當(dāng)于1000部大英百科全書的信息量。同時(shí)，超導(dǎo)電線因?yàn)闊o損耗，可以省去每3～4千米就要設(shè)置的放大器。軍用超導(dǎo)無線電通信利用超導(dǎo)材料制作無線電發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，不僅靈敏度高、帶寬寬，而且可減小天線的尺寸和重量，提高系統(tǒng)的生存能力。英國(guó)伯明翰大學(xué)制成的世界上第一臺(tái)超導(dǎo)無線電發(fā)射機(jī)，其發(fā)射距離與常規(guī)發(fā)射機(jī)相比增大10倍。超導(dǎo)材料也是制造通信衛(wèi)星的理想材料，它可以提高信息處理速度，并可使頻率響應(yīng)時(shí)間縮短一半。利用超導(dǎo)材料制造衛(wèi)星天線，其效率可提高90％。軍事指揮和控制現(xiàn)代軍事指揮和武器控制，需要高速地處理大量信息。采用具有零電阻特性的超導(dǎo)材料制作計(jì)算機(jī)，由于功耗減小，電路產(chǎn)生的熱量可以忽略不計(jì)，運(yùn)算速度大大提高，而且體積和重量可大幅減小。日本富士通公司研制成功的4位超導(dǎo)微處理機(jī)，與采用砷化鎵技術(shù)的同類處理機(jī)相比，速度快10倍，功耗只有后者的1／500。據(jù)稱，若采用超導(dǎo)材料制作計(jì)算機(jī)，目前的億次巨型計(jì)算機(jī)可制成只有微型個(gè)人計(jì)算機(jī)那么大。這種微型高速計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，必將大大提高軍事指揮效率，同時(shí)也可提高武器制導(dǎo)系統(tǒng)的性能。利用超導(dǎo)技術(shù)的探測(cè)器件，由于對(duì)磁場(chǎng)和電磁輻射極其敏感，其靈敏度比常規(guī)探測(cè)器件高上千倍，是軍事遙感偵察的理想設(shè)備。正在研制的主要有天基凝視紅外焦面陣列探測(cè)器、微波和毫米波探測(cè)器、磁探測(cè)器等。超導(dǎo)探測(cè)器不僅尺寸小、重量輕、作用距離遠(yuǎn)、探測(cè)靈敏度高，而且具備一般可見光和紅外探測(cè)系統(tǒng)所不具備的全天候以及穿透煙云的探測(cè)能力，并能提供對(duì)低特征目標(biāo)的探測(cè)能力，可廣泛應(yīng)用于航天器的相控陣天線、反潛武器和水雷探測(cè)。據(jù)悉，新一代超導(dǎo)雷達(dá)也正在研制之中。其天線、發(fā)射機(jī)、收信機(jī)、穩(wěn)頻源、信號(hào)模擬器、濾波器等電子器件全部是采用高溫超導(dǎo)材料制作而成的，具有低功耗、低噪聲、寬頻帶、高靈敏度、高可靠性以及體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。試驗(yàn)表明，用于雷達(dá)系統(tǒng)的超導(dǎo)電子器件，可使雷達(dá)頻譜擴(kuò)展166倍，作用距離提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，而且可探測(cè)到微弱的信號(hào)。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)家從未間斷過對(duì)“超導(dǎo)”的研究，特別是進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來，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)”。這表明，超導(dǎo)技術(shù)廣泛應(yīng)用的時(shí)代即將來臨。超導(dǎo)體在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用將十分廣泛。采用超導(dǎo)體材料，可使許多重要的軍用裝備，如C4I系統(tǒng)、聚能武器、艦艇、飛機(jī)、坦克、裝甲車輛、導(dǎo)彈等武器的性能得到大幅度的改善。超導(dǎo)飛機(jī)設(shè)計(jì)制造大功率、小體積的發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)提高飛機(jī)的作戰(zhàn)性能至關(guān)重要。目前，飛機(jī)所采用的均是磁流體發(fā)電，但利用普通磁體，很難使磁場(chǎng)強(qiáng)度高于15高斯，而如果利用超導(dǎo)磁體就能產(chǎn)生數(shù)萬至幾十萬高斯的磁場(chǎng)，從而大大提高磁體發(fā)電的輸出功率。所以，超導(dǎo)技術(shù)的突破，為大容量、小型化磁流體發(fā)電機(jī)的研制成功提供了條件，這種超導(dǎo)發(fā)電機(jī)正在加速走向?qū)嵱没?。目前，有些?guó)家已在研制幾百至一千兆瓦的體積小、重量輕的超導(dǎo)發(fā)電機(jī)，預(yù)計(jì)機(jī)載大功率超導(dǎo)發(fā)電機(jī)將成為超導(dǎo)技術(shù)在軍事上率先得到應(yīng)用的重點(diǎn)項(xiàng)目。超導(dǎo)艦船20世紀(jì)70年代以來，美、蘇、英、日等國(guó)積極開展超導(dǎo)技術(shù)在海軍艦船方面應(yīng)用的研究，并不斷取得成效。美國(guó)試制了7500馬力的超導(dǎo)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；英國(guó)研制了650馬力的超導(dǎo)電磁力推進(jìn)裝置；日本制成了世界上第一艘超導(dǎo)船。超導(dǎo)艦船由于取消了傳統(tǒng)的螺旋槳推動(dòng)部件，因而具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便、推力大、航速高、無震動(dòng)、無噪聲、無污染、造價(jià)低等諸多優(yōu)點(diǎn)。潛艇應(yīng)用超導(dǎo)推進(jìn)系統(tǒng)后，能有效地消除噪音、降低紅外輻射，從而不易被敵方發(fā)現(xiàn)，大大提高了艦船的快速機(jī)動(dòng)能力和突防能力。超導(dǎo)聚能武器聚能武器是把能量匯聚成極細(xì)的能束，沿著精確的方向，以接近或等于光速的速度發(fā)射出去，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行殺傷。但目前在研制這些武器上幾乎都遇到了能源問題。即如何在瞬間向聚能武器提供大量的能源，如激光武器，特別是大功率的戰(zhàn)略激光武器耗能巨大，它要求在瞬間提供數(shù)十億至數(shù)百億焦耳的能量，而目前的儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)存的能量卻非常有限，且體大笨重。而超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，則為解決聚能武器能源問題提供了可能。用超導(dǎo)材料制成的閉合線圈是一種理想的儲(chǔ)能裝置。因?yàn)橹灰€圈保持超導(dǎo)狀態(tài)，它所儲(chǔ)存的電磁能就會(huì)毫無損耗地長(zhǎng)期保存下去，并可隨時(shí)把強(qiáng)大的能量提供給聚能武器。超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置使聚能武器如虎添翼，它有如給聚能武器提供了一個(gè)機(jī)動(dòng)靈活、容量無比的彈藥庫。超導(dǎo)C4I系統(tǒng)就目前來看，C4I系統(tǒng)的心臟———電子計(jì)算機(jī)，要想繼續(xù)提高系統(tǒng)的性能和運(yùn)算速度，功耗是一個(gè)實(shí)際的限制。為此，國(guó)外已積極開展超導(dǎo)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用研究，并已經(jīng)研制出約瑟夫遜超導(dǎo)元件，利用這一元件可將電路速度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，功耗比同等功能的集成硅電路低三個(gè)數(shù)量級(jí)。超導(dǎo)計(jì)算機(jī)的突出特點(diǎn)是，可在元器件不發(fā)熱、無電阻的情況下高效率地運(yùn)行，C4I系統(tǒng)一旦應(yīng)用了超導(dǎo)技術(shù)，其性能將獲得空前的提高。著名物理學(xué)家林亞眠教授領(lǐng)導(dǎo)著青年物理學(xué)家貝小知、熊無忌等人組成了“低溫俱樂部”，克服經(jīng)費(fèi)不足和不被