超导材料的发展与

1、超导材料的发展超导材料的发展 超导材料从1991年昂纳思发现汞的超导态开始，就以强势的姿态不断冲击着人们的生活。超导材料继纳米材料之后迅速的占据了人们的现实，并成为新材料技术产业的中流砥柱。 超导材料是在低温条件下能出现超导电性的物质。超导材料最独特的性能是电能在输送过程中不会损失。超导材料的发展过程 1911年，荷兰莱顿大学的卡茂林-昂尼斯意外地发现，将汞冷却到-268.98摄氏度时，汞的电阻突然消失；后来他又发现许多金属和合金都具有上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于他的特殊导电性能，昂尼斯称之为超导态，由于他的这一发现获得了1913年诺贝尔奖，并享有了“超导之父”的美誉。这一发现引起

2、了世界范围内的震动。在他之后人们开始把处于超导状态的导体称为“超导体”。超导体的电阻率在一定的低温下突然消失，被称作零电阻效应。导体没有了电阻，电流经过超导体时就不会发生热损耗，大的电流会毫无阻力的在导体中流过，从而产生超强磁场。超导与其诞生之所荷兰的不解之缘远不止此。 1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质，当金属处在超导状态时，这一超导体内的磁感兴强度为零，却把原来存在于体内的磁场排挤出去。对单晶锡球进行实验发现：锡球过渡到超导态时，锡球周围的磁场突然发生变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了，人们将这种现象称之为“迈斯纳效应”。迈斯纳效应有着重要

3、的意义，它可以用来判别物质是否具有超性。 经过几十年的辗转，超导材料先驱者的大旗传递到了美利坚共和国的土地上。 继迈斯纳效应后，BCS超导理论成为超导材料发展史上的又一个里程碑。BCS 理论是解释常规超导体的超导电性的微观理论（所以也常意译为超导的微观理论）。该理论以其发明者约翰巴丁、利昂库珀和约翰罗伯特施里弗的名字首字母命名。 这种理论把超导现象看作一种宏观量子效应。它提出，金属中自旋和动量相反的电子可以配对形成所谓“库珀对”，库珀对在晶格当中可以无损耗的运动，形成超导电流。在BCS理论提出的同时，尼科莱勃格留波夫也独立的提出了超导电性的量子力学解释，他使用的勃格留波夫变换至今为人常用。 在

4、获得重大理论突破后，美国研究超导材料的步伐并未就此停住。1973年，人们发现了超导合金铌锗合金，其临界超导温度为23.2K ，该记录保持了13年。 20世纪80年代初，美国IBM公司的研究人员米勒和贝德诺尔茨开始注意到某些氧化物陶瓷材料可能有超导电性，他们的小组对一些材料进行了试验，于1986年在镧钡铜氧化物中发现了Tc=35K的超导电性。打破了传统“氧化物陶瓷是绝缘体”的观念，引起世界科学界的轰动。此后，科学家们争分夺秒地攻关，几乎每隔几天，就有新的研究成果出现。86年底，美国贝尔实验室研究的氧化物超导材料，其临界超导温度达到40K ，液氢的“温度壁垒”（40K ）。1987年，中国、美国、

5、日本等国科学家在钡钇铜氧化物中发现Tc处于液氮温区有超导电性，使超导陶瓷成为极有发展前景的超导材料。而美国作为超导陶瓷的先驱占尽了先发的优势，成为超导材料研制的排头兵。 回顾人们为了使超导材料有实用性所进行的探索高温超导的历程，有许多不可思议的发现。从1911年至1986年，超导温度由水银的4.2K提高到23.22K（OK=-273C）。86年1月发现钡镧铜氧化物超导温度是30K，12月30日，又将这一纪录刷新为40.2K，87年1月升至43K，不久又升至46K和53K，2月15日发现了98K超导体，很快又发现了14C下存在超导迹象，高温超导体取得了巨大突破，使超导技术走向大规模应用。 英国

6、大不列颠帝国向来在高新科技研究领域占有一席之地，超导材料的第三站无可争议地落户在了这个西欧岛国。1962年，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

7、基础。 众所周知，超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能，以英国为首的欧洲国家在研制超导输电设备这一领域可谓独占鳌头。 由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就可以获得10万高斯以上的稳态强磁场。而用常规导体做磁体，要产生这么大的磁场，需要消耗3.5 兆瓦的电能及大量的冷却水，投资巨大。超导磁体可用于制作交流超导发电机、磁流体发电机和超导输电线路等。 No.1超导发电机在电力领域，利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强度提高到5 万6 万高斯，并且几乎没有能量损失，这种发电机便是交流超导发电机。超导发电机的单机发电容量比常规发电机提高5 10倍，达1 万兆瓦，

8、而体积却减少1/2 ，整机重量减轻1/3 ，发电效率提高50。 No.2磁流体发电机磁流体发电机同样离不开超导强磁体的帮助。磁流体发电发电，是利用高温导电性气体（等离子体）作导体，并高速通过磁场强度为5 万6 万高斯的强磁场而发电。磁流体发电机的结构非常简单，用于磁流体发电的高温导电性气体还可重复利用。 No.3超导输电线路超导材料还可以用于制作超导电线和超导变压器，从而把电力几乎无损耗地输送给用户。据统计，目前的铜或铝导线输电，约有15% 的电能损耗在输电线路上，光是在中国，每年的电力损失即达1000多亿度，若改为超导输电，节省的电能相当于新建数十个大型发电厂。 1996年改进高温超导电线的

9、研究工作取得重大突破，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。 日本也是超导材料开发应用的先锋国之一，它在超导船的研发上尤其具有代表性。 超导现象中的迈斯纳效应使人们可以到用此原理制造超导列车和超导船，由于这些交通工具将在无磨擦状态下运行，这将大大提高它们的速度和安静性能。 1976年，日本的神户商船大学用超导体电磁材料装备船的推进系统，制成了超导体电磁推进船的模型船“SEMD1”。船长仅1米，在海水中的磁场强度达到6000高斯。1979年又制成一艘超导

10、船的模型船“ST500”，全长3.6米，重700千克，船底装备的超导体电磁线圈用铌钛合金制造，在海水中可产生2万高斯的强磁场。ST500模型船在海里可以每秒1米的速度前进，完全没有振动和噪音。 最近，世界上第一艘以超导磁体作为行驶动力的新型超导电磁双体推进船在日本建成。这艘命名为“大和1号”的实验船长30米，宽18米，高8米，自重280吨，排水量185吨，航速每小时15千米。双体船的推进系统装有电磁铁，装在该船浮筒的水筒前部。海水流入水筒，带电的电极便在水中产生电流。这些磁铁产生的磁场同这一电流相互作用，产生的电磁力把水从水筒的末端作为高速水流喷出。增加磁场强度的方法是用超导电磁铁，放在液氦里

11、冷却。两台柴油发动机为这些磁铁提供电力（示意图如下）。螺旋桨曾被人们认为是船舶航行必然使用的推进装置，但随着现代船舶科技的发展，未来的巨型船舶将可能取消螺旋桨这一推进装置，而改用超导电磁推进装置来推动船快速航行在海上。 超导船已于1992年1月27日下水试航，目前尚未进入实用化阶段。利用超导材料制造交通工具在技术上还存在一定的障碍，但它势必会引发交通工具革命的一次浪潮。 中国 从朱经武到赵忠贤，中国人在超导领域的研究一直处于世界先列。 2003年元旦,由德国制造的磁悬浮列车,作为世界上首条投入商业运行的磁悬浮列车磁悬浮列车线上海浦东机场至龙阳路,总长30公,里的磁悬浮列车线路,正式开始商、世运营。自03年开始,磁悬浮列车以每小时430公里的速度,在上海浦东国际机场和市区间运送旅客,全长30公里,总运行时间还不到10分钟,是一条最为方便的高速线路。 超导磁悬浮列车（左图所示）利用超导材料的抗磁性：将超导材料放在一块永久磁体的上方，由于磁体的磁力线不能穿过超导体，磁体和超导体之