超导体及其应用

1、超导体及其应用超导材料，又称为超导体 （ superconductor）。当某导体在一温度下，可使电阻为零而称之。零电阻和抗磁性是超导体的两个重要特性。使超导体电阻为零的温度，叫超导临界温度。最初发现物体的超导现象是在1911年。某些材料在极低的温度下，其电阻会完全消失，这令荷兰科学家卡·翁纳斯等人惊奇不已。 于是这以后， 超导研究便成为一个重要课题。关于超导体，科学家在不断的研究，因此也发现和创造出许多的超导材料例如1911年，荷兰物理学家卡莫林. 昂内斯(H.Karmerligh-onnes)在莱顿 (Leiden) 实验室研究在极低温度下各种金属电阻变化时 , 首先发现水银 (

2、Hg) 在 4.2K 时电阻突然为零的现象 ( 称为超导电性 ), 揭开了超导研究的序幕 . 昂内斯由于 1980年液化了氦和 1911年超导现象的研究 , 获得了1913年度诺贝尔物理学奖 . 此后科学家们经过七十余年的努力, 直到 1986年初 , 已发现并制造出了解上千种超导材料 , 同时把金属及其合金超导材料的临界温度 Tc( 出现超导现象的温度 ) 从 4.2K 提高到 23.2K(1973 年发现的NB3Ge化合物的Tc=23.2k, 直到 1985年一直保持着最高临界温度的记录), 平均每年只获得 0.253K 的进展 , 然而在 1986 年却发生了突破.1986 年1月,IB

3、M 苏黎世实验室的德国人贝德诺尔兹瑞士人米勒宣布发现可能达到Tc=35K 的镧钡铜氧化物超导体。超导体按不同条件可以分为不同种类例如. 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。由温度的不同范围可分为高温超导体和低温超导体和常 温 超 导 体 低 温 超 导 材 料 （ lowtemperaturesuperconductingmaterial）具有 低临界转变温度（ Tc<30K），在液氦温度条件下工作的超导材料。分为金属、合金和化合物。具有实用价值的低温超导金属是Nb( 铌 ) ，Tc 为 9.3K 已制成薄膜材料用于弱电领域。合金系低温超导材料是以Nb 为

4、基的二元或三元合金组成的相固溶体，Tc在 9K 以上。高温超导体是超导物质中的一种族类，具有一般的结构特征以及相对上适度间隔的铜氧化物平面。它们也被称作铜氧化物超导体。常温超导体在生活中则最多见了由物理性质可以分为第一超导体和第二超导体。第一类超导体( 又称 Pippard超导体或软超导体) ，在已发现的超导元素中只有钒、铌和锝属第二类超导体，其他元素均为第一类超导体，但大多数超导合金则属于第二类超导体。第一类超导体只存在一个临界磁场Hc，当外磁场H<Hc 时，呈现完全抗磁性，体内磁感应强度为零。第二类超导体指界面能小于零的超导体。根据超导体在磁场中磁化曲线的差异，超导体可分为第一类和第

5、二类两类。在已发现的超导元素中，只有钒、铌和钽属于第二类，其他元素均属第一类。还可以由超导理论可以分为传统超导体和非传统超导体。此外面对超导体的越演越烈的研究趋势，科学家们对低温超导体和高温超导体的研究已取得了辉煌的成就。科学家们惊讶的发现超导体主要有两个基本特性，即：零电阻性或完全导电性；完全抗磁性。因此，它在科研、生产的各个领域都可以有着广泛的应用。所以总体来说可分为两大类：一类是用于强电，用超导体制成大尺度的超导器件，如超导磁铁、电机、电缆等，用于发电、输电、贮能和交通运输等方面。另一类是用于弱电，用超导体制成小尺度的器件，如超导量子干涉器件（简称 SQVID）和制成计算机的逻辑元件，用

6、于精密仪器仪表、计算机等方面。超导体对人类社会影响最大的将是提供更多的电力，超导用于发电的装置目前有磁流体发电、超导电机发电、热核聚变发电三种。滋流体发电是一种高效、低污染、单机容量大、直接将热能转变为电能的一种新型的发电方式。普通火力发电需把热能转化为机械能再转化为电能，效率最高只有33一 36。磁流体发电是让煤（石油、天然气）加氧化剂、添加剂燃烧产生的等离子体高速通过磁场，使热能直接转化为电能，磁流体一蒸汽联合循环发电装置最高效率达到 55%，而且可自动脱硫，污染小但这种发电方式目前遇到的困难是当磁感应强度在 1.5 特以上时， 磁流体的铁芯逐渐处于磁饱和， 磁场强度很难再提高。 于是人们

7、就想到超导体， 如果利用超导磁体，那么就很容易在较大体积内产生强度为几十特的磁场，且消耗的励磁功率很小，它具有性能良好，质量小等优点。例如，磁感应强度可达 4一 5特的超导磁体，质量只有300一 500克，而要产生同样磁场强度的磁体质量却有15一 20吨。目前，美国、前苏联、日本都建有这种超导磁流体发电机。超导发电机发电是利用超导体制造发电机磁极绕组，不仅可大大增加发电机的极限输出容量，而且效率高， 体积小，质量小，可节约大量电能和金属材料。常规的两极发电机的极限输出在现今条件下只能达到 1.5 × 109瓦，但超导发电机则可达 3× 1010瓦，甚至更大。一台 6

8、5;106瓦的电动机，常规质量为 370× 103千克，采用超导体材料仅重 40× 103千克；又如目前已建成的一台 5× 106瓦超导交流发电机，其功耗比普通电机减少三分之二，体积缩小百分之八十以上。因此有人估计，超导体可以把发电成本降低 60，可以把经电缆输电的成本降低 10，这些优点使得它特别适宜于建造高效率的大型发电站、移动电源及做为太空飞船的动力设备。超导体还可帮助科学家建立核聚变发电系统，这种发电系统是以氢做燃料的，其反应温度与太阳的温度一样高。从理论上讲这种能源是取之不尽的，在实践上，关键问题是如何生成足够强大的磁场来超导体的应用最主要的是做电磁铁的

9、超导线圈以产生强磁场。和传统的相比，具有体积小、设备简单、省电等优点。超导体也在高能加速器、受控热核反应实验中得到广泛的应用。在医学上超导电磁铁还用作“核磁共振波谱仪”的关键部件。利用核磁共振技术成像可早期诊断癌症，具有准确率高、无辐射伤害、诊断面广、使用方便等优点。在电力工业中超导电机是最感兴趣的应用之一它具有极限功率大、重量轻、体积小等优点，是作为大功率核能发电站和潜水艇的理想发电机；超导材料还可作为远距离输送电能的传输线，由于其电阻为零，大大减小了导线上的能量损失；更重要的是，由于具有重量轻、体积小、输送功率大的超导传输线可铺设在地下管道中，可省去传统的架设铁塔。另外用超导材料输电不需要

10、升压，可传输直流电。所以设备简单、经济，可望有较大的发展前途。除此之外超导磁悬浮的还可能应用在交通上。在列车下部装上超导线圈，当它通有电流，列车启动后可悬浮在铁轨上。这样具有减小摩擦、提高速率的功能。同时控制剧烈的热核反应，超导材料将能够解决这个问题。另外还可以制成超导体、医用射频超导量子干涉磁强计。这种分辨率高，可以给出人体心（脑、眼）等部位的精准磁图， 以确定这些部位的生理和病理状态。当然，超导体的应用不止这些制作它还可以超导核磁共振层析成像仪。超导磁体能够提高精度及图像的清晰度。另外还有超导计算机。它有很高的测量精度和稳定性。在运算速度上比现在已有的计算机提高 1-2 个数量极。（电路能

11、耗显著降低，并且其中的逻辑器件开关灵敏度高）超导磁场计。高灵敏度。超导测辐射热计。为了提高测辐射热计的灵敏度，就必须使它在低温下运行，利用超导体的某一种随温度而急剧变化的性质，那么超导体就可以成为有效的探测元件。、超导陀螺仪。高速旋转的超导球，利用磁场控制，转速更高，反应更快。 、超导重力仪。可以研究地球的弹性性质，长周期地壳运动和预测地震等。超导开关可以分为电阻开关和电感开关。电阻开关是利用超导体以下性能： 若改变磁场、 电流和温度三个参量的任一个，就可以使它从零电阻态转变到有阻状态，并且开关比是无限大。电感开关可用来将靠近它的超导体作正常态和超导态之间的转变，或移动电路元件附近的超导表面，

12、使它发生相同转变，制成开关。超导体在不知不觉中已经成为我们生活的一部分了科学家因为超导体的优良特性，对超导体寄予了很大的期望，希望超导体在将来为社会做出更大的贡献。因为超导材料是指具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料，所以其在智能电网，城市电力扩容等方面具有广阔的应用前景。据有关机构预测，超导市场有着千亿级的潜在规模，超导材料占比 30-40 。其中，“超导限流器潜在市场巨大，因为超导限流器是目前唯一能解决短路电流过大且保护电路的产品，现在国内超导材料主要依赖美日进口，超导材料占超导产品成本的 50左右。因此，超导材料的国产化将成为国内超导行业发展的焦点。 ”一位业

13、内分析人士说。据大家所知在全球范围内，智能电网正迎来投资热潮，而智能电网也是我国“十二五”期间发展的重点之一。据业界人士介绍，在大规模建设智能电网过程中，超导是关键技术。如果超导电缆等的价格具有足够的吸引力，就将进入智能电网的商业化应用，前景非常广阔。为此，上海市在2010年5月发布的上海推进智能电网产业发展行动方案中，明确提出超导限流器是上海市智能电网产业发展的重点。除此之外，由于占地空间小、开挖铺设工作量小，高温超导电缆近期也被纳入向超大城市中心送电的考虑范围。专家告诉记者，华东、华南许多大型城市目前已面临这样的问题：城市扩容太快，用电量猛增，输电线缆严重饱和，但市区内新建高压架空线已不可

14、能。并且我国城市建设地下管道系统规划水平落后， 再铺设大容量的电缆也有很大难度。“与常规电缆相比，高温超导线缆的输电能力高出3-5 倍。”专家认为，第二代高温超导带材产业化生产以后，可有效解决人口密集的大都市圈电力扩容问题，并改善供电系统的安全性和可靠性。目前国际上第二代高温超导带材即将进入大规模市场化应用，我国大力介入这一领域的产业化研发恰逢其时。另外，在刚起步的高温超导产业当中，行业普遍预计限流器是超导行业实现商业化最早、市场前景最明确的超导应用。因为在各网的输配电都要用到它。业内人士指出，超导限流器是目前唯一能解决短路电流过大，并且保护电路的产品。按照“十二五”规划中，短路电流超过 10

15、0KA 的变电站数量测算，到 2020年，我国超导限流器潜在市场容量 2000亿元。超导材料作为一种高科技产品，我国在研发和产业化布局方面都在稳步推进，这为超导材料产业化的加速到来奠定了基础。据了解， 220KV超导限流器项目自 2007年启动以来，经过几年的设备研制，现已成功进入实验运行阶段。目前，参与该项目的有技术方云南英纳超导公司和设备方天津百利电气。此外，国家电网正在筹建一条长约1公里、 110kv 高温超导电缆示范项目，计划2012年建成，这都对整个超导材料产业形成刺激。目前我国正为一公里工程做一些技术储备，包括测试平台建设、相关技术研发、原理样机设计等。据中国电科院超导电力研究所所

16、长来小康说。进行超导试验工程目的是尽量多地应用超导技术，通过使用检测技术发现更好的技术方向。就像电动汽车一样，虽然比燃油汽车贵，但是我们不能等待，必须逐步发展，否则技术就难以进步。虽然现在不具备产业化的条件，但这是一个发展方向，一定要通过扩大示范来刺激技术发展，从而推动整个超导产业进入良性发展循环。发展超导材料就像长跑，必须持续跟踪国际先进水平和尽量跟上国际水平，通过不断应用激励目前我国一些高端超导材料已经进入国际市场。据悉，近期我国承担的国际热核聚变实验堆计划任务中的首个导体采购包已经完成，即将交付。ITER 耗资 100多亿欧元，吸引了世界顶尖科学家参加。中国研制的ITER 超导导体、屏蔽

17、包层等部件的性能在七个参与方中处于领先地位，部分采购包进展处于前列。除去上述国际科研项目外，目前我国超导材料在电网领域的应用才刚刚拉开帷幕，目前主要应用在超导限流器。超导限流器用于短路电流，后者是指电网在某一点发生短路时，有可能通过的最大电流。超导限流器可以减小短路对电网设备的损失。随着电网电压等级的提高、电网互连的程度提高，限制短路电流成为当务之急。电网短路电流超标以珠三角和长三角地区最为严重。业内人士认为，超导限流器将最先在南方电网和华东电网得到使用。上市公司百利电气有关人士认为，超导限流器是智能电网建设的关键设备。智能电网的稳定性是智能电网建设的重中之重，超导限流器可以有效提高智能电网的暂态稳定性。2006 年，英纳超导和云南电力集团控股的云电英纳主持研制的三相30m、 2kA/35kV 高温超导电缆在昆明220kv普吉变电站并网运行，这也是世界上第三组并网运行的高温超导电缆系统。2011年4月，由我国完全自主研制的世界首座超导变电站在甘肃省白银市正式投入电网运行，又为超导产业化打下非常重要的基础。中科院电工研究所所长肖立业表示，超导变电站的建成是近10年来我国在超导电力技术领域最新、最先进的研究开发成果的集中体现，在核心、关键技术上取得了一系列突破。总而言之，超导体发展将会越来越红火。从1986年4月发现钡一镧氧化物制成的陶瓷材料具有35 K的转变温度