超导技术及其发展历程

1、超导技术 超导技术的主体是超导材料。简而言之，超导材料就是没有电阻、或电阻极小的导电材料。超导材料最独特的性能是电能在输送过程中几乎不会损失。1911年荷兰物理学家Onnes发现汞(水银)在4.2k附近电阻突然下降为零，他把这种零电阻现象称为超导电性。海克卡末林昂内斯海克卡末林昂内斯（Heike Onnes，1853年9月21日1926年2月21日），荷兰物理学家，超导现象的发现者，低温物理学的奠基人。1853年出生于荷兰的格罗宁根，1894年创建了莱顿大学低温物理实验室，建立了大型液化气工厂，1904年液化了氧气，两年后又液化了氢气，并在1908年7月10日首次液化了氦气，以-269 C(4

2、K)刷新了人造低温的新纪录。1911年由于对物质在低温状态下性质的研究以及液化氦气，昂内斯被授予诺贝尔物理学奖。1923年，昂内斯退休，1926年在莱顿逝世。为纪念他，莱顿大学物理实验室1932年被命名为“卡末林昂内斯实验室”。汞的电阻突然消失时的温度称为转变温度或临界温度，常用Tc表示。 在一定温度下具有超导电性的物体称为超导体。金属汞是超导体。进一步研究发现元素周期表中共有26种金属具有超导电性，它们的转变温度Tc列于表5-6。从表中可以看到，单个金属的超导转变温度都很低，没有应用价值。因此，人们逐渐转向研究金属合金的超导电性。表5-7列出一些超导合金的转变温度，其中Nb3Ge的转变温度为

3、23.2K，这在70年代算是最高转变温度超导体了。当超导体显示导材料都是在极低温下才能进入超导态，假如没有低温技术发展作为后盾，就发现不了超导电性，无法设想超导材料。这里又一次看到材料发展与科学技术互相促进的关系。 低温超导材料要用液氦做致冷剂才能呈现超导态，因此在应用上受到很大的限制。人们迫切希望找到高温超导体，在徘徊了几十年后，终于在1986年有了突破。（1）瑞士Bednorz和Mller发现他们研制的La-Ba-CuO混合金属氧化物具有超导电性，转变温度为35K。这是超导材料研究上的一次重大突破，打开了混合金属氧化物超导体的研究方向；（2）接着中、美科学家发现Y-Ba-CuO混合金属氧化

4、物在90K具有超导电性，这类超导氧化物的转变温度已高于液氮温度(77K)，高温超导材料研究获得重大进展。一连串激动人心的发现在世界上掀起了“超导热”。（3）目前新的超导氧化物系列不断涌现，如Bi-Ca-CuO，Tl-Ba-Ca-CuO等，它们的超导转变温度超过了120K。高温超导体的研究方兴未艾，人们殷切地期待着室温超导材料的出现。下面简单介绍超导体的一些应用。 (1)用超导材料输电发电站通过漫长的输电线向用户送电。由于电线存在电阻，使电流通过输电线时电能被消耗一部分，如果用超导材料做成超导电缆用于输电，那么在输电线路上的损耗将降为零。 (2)超导发电机制造大容量发电机，关键部件是线圈和磁体。

5、由于导线存在电阻，造成线圈严重发热，如何使线圈冷却成为难题。如果用超导材料制造超导发电机，线圈是由无电阻的超导材料绕制的，根本不会发热，冷却难题迎刃而解，而且功率损失可减少50%。 (3)磁力悬浮高速列车要使列车速度达到500kmh-1，普通列车是绝对办不到的。如果把超导磁体装在列车内，在地面轨道上敷设铝环，利用它们之间发生相对运动，使铝环中产生感应电流，从而产生磁排斥作用，把列车托起离地面约10cm，使列车能悬浮在地面上而高速前进。 可控热核聚变核聚变时能释放出大量的能量。为了使核聚变反应持续不断，必须在108下将等离子约束起来，这就需要一个强大的磁场，而超导磁体能产生约束等离子所需要的磁场

6、。人类只有掌握了超导技术，才有可能把可控热核聚变变为现实，为人类提供无穷的能源。研究历史1911年，荷兰物理学家昂尼斯(18531926)发现，水银的电阻率并不象预料的那样随温度降低逐渐减小，而是当温度降到4.15K附近时，水银的电阻突然降到零。某些金属、合金和化合物，在温度降到绝对零度附近某一特定温度时，它们的电阻率突然减小到无法测量的现象叫做超导现象，能够发生超导现象的物质叫做超导体。超导体由正常态转变为超导态的温度称为这种物质的转变温度(或临界温度)TC。现已发现大多数金属元素以及数以千计的合金、化合物都在不同条件下显示出超导性。如钨的转变温度为0.012K，锌为0.75K，铝为1.19

7、6K，铅为7.193K。超导体得天独厚的特性，使它可能在各种领域得到广泛的应用。但由于早期的超导体存在于液氦极低温度条件下，极大地限制了超导材料的应用。人们一直在探索高温超导体，从1911年到1986年，75年间从水银的42K提高到铌三锗的2322K，才提高了19K。1986年，高温超导体的研究取得了重大的突破。掀起了以研究金属氧化物陶瓷材料为对象，以寻找高临界温度超导体为目标的“超导热”。1986年1月，美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎世实验室科学家柏诺兹和缪勒首先发现钡镧铜氧化物是高温超导体，将超导温度提高到30K；紧接着，日本东京大学工学部又将超导温度提高到37K；12月30日，美国休斯

8、敦大学宣布，美籍华裔科学家朱经武又将超导温度提高到402K。1987年1月初，日本川崎国立分子研究所将超导温度提高到43K；不久日本综合电子研究所又将超导温度提高到46K和53K。中国科学院物理研究所由赵忠贤、陈立泉领导的研究组，获得了486K的锶镧铜氧系超导体，并看到这类物质有在70K发生转变的迹象。2月15日美国报道朱经武、吴茂昆获得了98K超导体。2月20日，中国也宣布发现100K以上超导体。3月3日，日本宣布发现123K超导体。3月12日中国北京大学成功地用液氮进行超导磁悬浮实验。3月27日美国华裔科学家又发现在氧化物超导材料中有转变温度为240K的超导迹象。很快日本鹿儿岛大学工学部发

9、现由镧、锶、铜、氧组成的陶瓷材料在14温度下存在超导迹象。高温超导体的巨大突破，以液态氮代替液态氦作超导制冷剂获得超导体，使超导技术走向大规模开发应用。氮是空气的主要成分，液氮制冷机的效率比液氦至少高10倍，所以液氮的价格实际仅相当于液氦的1/100。液氮制冷设备简单，因此，现有的高温超导体虽然还必须用液氮冷却，但却被认为是20世纪科学上最伟大的发现之一。1997年，研究人员发现，金铟合金在接近绝对零度时既是超导体同时也是磁体。1999年科学家发现钌铜化合物在45K（230.15）时具有超导电性。由于该化合物独特的晶体结构，它在计算机数据存储中的应用潜力将是非常巨大的。自2007年12月开始，

10、中国科学院物理研究所的陈根富博士已投入到镧氧铁砷非掺杂单晶体的制备中。2007年2月18日，日本东京工业大学的细野秀雄教授和他的合作者在美国化学会志上发表了一篇两页的文章，指出氟掺杂镧氧铁砷化合物在零下247.15时即具有超导电性。在长期研究中保持着跨界关注习惯的陈根富和王楠林研究员立即捕捉到了这一消息的价值，王楠林小组迅速转向制作掺杂样品，他们在一周内实现了超导并测量了基本物理性质。几乎与此同时，物理所闻海虎研究组通过在镧氧铁砷材料中用二价金属锶替换三价的镧，发现有临界温度为零下248.15以上的超导电性。2008年3月25日和3月26日，中国科学技术大学陈仙辉组和物理所王楠林组分别独立发现

11、临界温度超过零下233.15的超导体，突破麦克米兰极限，证实为非传统超导。2008年3月29日，中国科学院院士、物理所研究员赵忠贤领导的小组通过氟掺杂的镨氧铁砷化合物的超导临界温度可达零下221.15，4月初该小组又发现无氟缺氧钐氧铁砷化合物在压力环境下合成超导临界温度可进一步提升至零下218.15。2009年10月10日，美国科学家合成物质(Tl4Ba)Ba2Ca2Cu7O13+,将超导温度提高到254K，距离冰点仅19，对于推广超导的实际应用具有极大的意义。超导编辑词条超导，一般是指超导电性，即在低温环境下某些物质呈现出零电阻的性质。超导做动词的时候，指超导体的无阻导电行为。另外，有时候在

12、不引起混淆的情况下，也简称超导体为超导。基本信息发展历程折叠编辑本段1911年卡末林昂内斯意外地发现，将汞冷却到268.98时，汞的电阻突然消失；后来他发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性 。1913年卡末林昂内斯在诺贝尔领奖演说中指出：低温下金属电阻的消失“不是逐渐的，而是突然的”，水银在4.2K进入了一种新状态，由于它的特殊导电性能，可以称为超导态” 。1932年霍尔姆和卡末林昂内斯都在实验中发现，隔着极薄一层氧化物的两块处于超导状态的金属，没有外加电压时也有电流流过。1933年荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的一个极为重要的性质，1935年德国人伦敦兄弟提

13、出了一个超导电性的电动力学理论。1950年美籍德国人弗茹里赫与美国伊利诺斯大学的巴丁经过复杂的研究和推论后，同时提出：超导电性是电子与晶格振动相互作用而产生的。他们都认为金属中的电子在点阵中被正离子所包围，正离子被电子吸引而影响到正离子振动，并吸引其它电子形成了超导电流。接着，美国伊利诺斯大学的巴丁、库柏和斯里弗提出超导电量子理论，他们认为：在超导态金属中电子以晶格波为媒介相互吸引而形成电子对，无数电子对相互重叠又常常互换搭配对象形成一个整体，电子对作为一个整体的流动产生了超导电流。由于拆开电子对需要一定能量，因此超导体中基态和激发态之间存在能量差，即能隙。这一重要的理论预言了电子对能隙的存在

14、，成功地解释了超导现象，被科学家界称作“巴库斯理论”。这一理论的提出标志着超导理论的正式建立，使超导研究进入了一个新的阶段。1953年毕派德推广了伦敦的概念并得到与实验基本相符的超导穿透深度的数值，1960-1961年美籍挪威人贾埃瓦用铝做成隧道元件进行超导实验，直接观测到了超导能隙，证明了巴库斯理论。他在大量实验中，曾多次测量到零电压的超导电流，但未引起他的重视。1962年仅20多岁的剑桥大学实验物理研究生约瑟夫逊在著名科学家安德森指导下研究超导体能隙性质，他提出在超导结中，电子对可以通过氧化层形成无阻的超导电流，这个现象称作直流约瑟夫逊效应。当外加直流电压为V时，除直流超导电流之外，还存在

15、交流电流，这个现象称作交流约瑟夫逊效应。将超导体放在磁场中，磁场透入氧化层，这时超导结的最大超导电流随外磁场大小作有规律的变化。约瑟夫逊的这一重要发现为超导体中电子对运动提供了证据，使对超导现象本质的认识更加深入。约瑟夫森效应成为微弱电磁信号探测和其他电子学应用的基础。70年代超导列车成功地进行了载人可行性试验。超导列车是在车上安装强大的超导磁体，地上安放一系列金属环状线圈。当车辆行进时，车上的磁体在地上的线圈中感应起相反的磁极，使两者的斥力将车子浮出地面。车辆在电机牵引下无摩擦地前进，时速可高达500千米。1986年1月在美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎世实验室中工作的科学家柏诺兹和缪勒，首

16、先发现钡镧铜氧化物是高温超导体，将超导温度提高到30K；紧接着，日本东京大学工学部又将超导温度提高到37K。1987年1月初日本川崎国立分子研究所将超导温度提高到43K；不久日本综合电子研究所又将超导温度提高到46K和53K。中国科学院物理研究所由赵忠贤、陈立泉领导的研究组，获得了486K的锶镧铜氧系超导体，并看到这类物质有在70K发生转变的迹象。1987年2月16日美国国家科学基金会宣布，朱经武与吴茂昆获得转变温度为98K的超导体。1987年2月20日中国也宣布发现100K以上超导体。1987年3月3日，日本宣布发现123K超导体，1987年3月12日中国北京大学成功地用液氮进行超导磁悬浮实

17、验。 1987年3月27日美国华裔科学家又发现在氧化物超导材料中有转变温度为240K的超导迹象。1987年12月30 美国休斯敦大学宣布，美籍华裔科学家朱经武又将超导温度提高到40.2K1987年日本铁道综合技术研究所的“MLU002”号磁悬浮实验车开始试运行。1991年3月日本住友电气工业公司展示了世界上第一个超导磁体。1991年10月日本原子能研究所和东芝公司共同研制成核聚变堆用的新型超导线圈。该线圈电流密度达到每平方毫米40安培，为过去的3倍多，达到世界最高水准。该研究所把这个线圈大型化后提供给国际热核聚变堆使用。这个新型磁体使用的超导材料是铌和锡的化合物。1992年1月27日第一艘由日

18、本船舶和海洋基金会建造的超导船“大和”1号在日本神户下水试航。超导船由船上的超导磁体产生强磁场，船两侧的正负电极使水中电流从船的一侧向另一侧流动，磁场和电流之间的洛伦兹力驱动船舶高速前进。这种高速超导船直到目前尚未进入实用化阶段，但实验证明，这种船舶有可能引发船舶工业爆发一次革命，就像当年富尔顿发明轮船最后取代了帆船那样。1992年一个以巨型超导磁体为主的超导超级对撞机特大型设备，于美国得克萨斯州建成并投入使用，耗资超过82亿美元。 1996年改进高温超导电线的研究工作取得进展，制成了第一条地下输电电缆。欧洲电缆巨头皮雷利电缆公司、美国超导体公司和旧金山的电力研究所的工人，共同把6000米长的

19、铋、锶、钙、铜和氧制成的线缠绕到一根保持超导温度的液氮的空管子上。2001年4月，340米铋系高温超导线在清华大学应用超导研究中心研制成功，并于年末建成第一条铋系高温线材生产线。2001年5月，北京有色金属研究总院采用自行设计研制的设备，成功地制备出国内最大面积的高质量双面钇钡铜氧超导薄膜，达到国际同类材料的先进水平 2001年7月，香港科技大学宣布成功开发出全球最细的纳米超导线。中国超导临界温度已提高到零下120摄氏度即153K左右。发展折叠编辑本段超导现象早在1911年就为世人所知。目前我国关于超导技术的各项研发均已步入正轨，且进入产业化运作，现已普遍运营在电力行业、通信领域、军事领域以及

20、医疗领域等。前瞻产业研究院发布的中国超导行业发展前景与投资战略规划分析报告前瞻在我国关于超导的研发中，超导材料经营经历了低温到高温的研发，第一代材料已经研究成熟，第二代材料由于其成本低更适用于产业化运作而被市场看好;超导产品品类逐渐增加，现已进行产业化运作的有超导电缆、超导限流器、超导滤波器、超导储能等。虽然与国际尚有一定的差距，但部分领域的研发已经处于国际先进水平。由于超导技术被认为将在一定程度上决定一个国家智能电网的竞争力，因此，对于超导产业而言，“十二五”期间，我国智能电网的全面建设将给该产业的发展提供良好的发展契机。超导产业或将迎来“十年十倍”的快速增长，未来十年我国超导市场的规模约为

21、1300-1600亿元，预计到2020年，该产值将达到750亿美元。由于超导技术壁垒高，虽然各类超导材料企业以及电线电缆类生产企业相继进入超导产业市场，但全球仅少数研究机构掌握相关技术，且尚未有企业实现大规模商业化生产，市场呈现垄断格局，因此市场的最先进入者将因丰富的运行经验占据明显的优势地位，成为市场的领导者。基本分类折叠编辑本段超导材料按其化学成分可分为元素材料、合金材料、化合物材料和超导陶瓷。超导元素：在常压下有28种元素具超导电性，其中铌（Nb）的Tc最高，为9.26K。电工中实际应用的主要是铌和铅(Pb，Tc=7.201K)，已用于制造超导交流电力电缆、高Q值谐振腔等。 合金材料：

22、超导元素加入某些其他元素作合金成分， 可以使超导材料的全部性能提高。如最先应用的铌锆合金(Nb-75Zr)，其Tc为10.8K，Hc为8.7特。继后发展了铌钛合金，虽然Tc稍低了些，但Hc高得多，在给定磁场能承载更大电流。其性能是Nb-33Ti，Tc=9.3K，Hc=11.0特；Nb-60Ti，Tc=9.3K，Hc=12特(4.2K)。目前铌钛合金是用于78特磁场下的主要超导磁体材料。铌钛合金再加入钽的三元合金，性能进一步提高，Nb-60Ti-4Ta的性能是，Tc=9.9K，Hc=12.4特（4.2K）；Nb-70Ti-5Ta的性能是，Tc=9.8K，Hc=12.8特。超导化合物:超导元素与其他元素化合常有很好的超导性能。如已大量使用的Nb3Sn，其Tc=18.1K，Hc=24.5特。其他重要的超导化合物还有V3Ga，Tc=16.8K，Hc=24特；Nb3Al，Tc=18.8K，H