超導(dǎo)材料的發(fā)展前景

　　超導(dǎo)材料，是指具有在一定的低溫條件下呈現(xiàn)出電阻等于零以及排斥磁力線的性質(zhì)的材料�，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)有28種元素和幾千種合金和化合物可以成為超導(dǎo)體。下面是有關(guān)于超導(dǎo)材料的發(fā)展前景，歡迎閱讀。

　　我國(guó)超導(dǎo)研發(fā)再獲突破 諸多領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊

　　近日中科院電工所成功研制出全球首根100米量級(jí)鐵基超導(dǎo)長(zhǎng)線。這是鐵基超導(dǎo)材料從實(shí)驗(yàn)室研究走向產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的關(guān)鍵一步，標(biāo)志著我國(guó)在鐵基超導(dǎo)材料技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)走在了世界最前沿。目前，美、日、歐等國(guó)家的鐵基超導(dǎo)線制備還處于米級(jí)水平。

　　據(jù)上海證券報(bào)9月8日消息，鐵基超導(dǎo)材料在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、國(guó)防等諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是最具發(fā)展前景的新型高溫超導(dǎo)體之一。目前高溫超導(dǎo)材料正從研究階段向應(yīng)用發(fā)展階段轉(zhuǎn)變。數(shù)據(jù)顯示，去年全球超導(dǎo)技術(shù)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到18億美元，預(yù)計(jì)到2022年市場(chǎng)規(guī)模將增至58億美元，年均復(fù)合增速將達(dá)12.8%。其中，商業(yè)、醫(yī)療保健和電力等工業(yè)領(lǐng)域的需求提升是促進(jìn)市場(chǎng)快速增長(zhǎng)的主要原因。

　　鐵基超導(dǎo)材料是繼銅基超導(dǎo)材料之后發(fā)現(xiàn)的一類新的高溫超導(dǎo)材料，這是高溫超導(dǎo)研究領(lǐng)域的一個(gè)“重大進(jìn)展”。據(jù)了解，鐵基超導(dǎo)體由于其上臨界磁場(chǎng)最大可超過(guò)100特斯拉，并且在高磁場(chǎng)下仍能保持超導(dǎo)無(wú)損傳輸和高載流密度的特性，使其迅速成為國(guó)際超導(dǎo)領(lǐng)域爭(zhēng)相競(jìng)逐的研究熱點(diǎn)。

　　公開資料顯示，2013年度國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，即為“40K以上鐵基高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)及若干基本物理性質(zhì)的研究”。該項(xiàng)研究成果首次突破麥克米蘭極限溫度，確定鐵基超導(dǎo)體為新一類高溫超導(dǎo)體，為未來(lái)潛在的應(yīng)用提供了新的材料體系。

　　另外，去年國(guó)務(wù)院發(fā)布了《中國(guó)制造2025》，要求加快研發(fā)新材料制備關(guān)鍵技術(shù)和裝備，突破產(chǎn)業(yè)化制備瓶頸。做好超導(dǎo)材料、納米材料、石墨烯、生物基材料等戰(zhàn)略前沿材料提前布局和研制，加快基礎(chǔ)材料升級(jí)換代。突破大功率電力電子器件、高溫超導(dǎo)材料等關(guān)鍵元器件和材料的制造及應(yīng)用技術(shù)，形成產(chǎn)業(yè)化能力。

　　從產(chǎn)品類型來(lái)看，超導(dǎo)分為低溫超導(dǎo)和高溫超導(dǎo)。其中，低溫超導(dǎo)應(yīng)用范圍最廣泛。隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)，高溫超導(dǎo)需求將不斷增加。從應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看，磁共振成像將成為應(yīng)用需求最多的一個(gè)領(lǐng)域。另外，電子電氣將成為超導(dǎo)技術(shù)需求增速最快的領(lǐng)域。

　　超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用前景

　　這一切曾經(jīng)都是夢(mèng)想：列車懸浮在空中高速行駛，快得讓人無(wú)暇欣賞窗外的景致;小小一臺(tái)掌上電腦可與任何大型超級(jí)電腦相媲美。如今這些都正在變成現(xiàn)實(shí)，而這些夢(mèng)想的實(shí)現(xiàn)都應(yīng)歸功于神奇的超導(dǎo)技術(shù)。超導(dǎo)究竟是什么?它的神奇之處又在哪里?

　　僅在中國(guó)，每年電力系統(tǒng)的損耗就達(dá)1000多億度，因而尋找超導(dǎo)材料就成為科學(xué)家們急需解決的問(wèn)題之一。

　　托卡馬克是一種供科學(xué)研究用的反應(yīng)堆，它可以產(chǎn)生出核聚變必需的極高的溫度，如果利用超導(dǎo)材料，它不僅可以產(chǎn)生超強(qiáng)的電磁場(chǎng)，而且還可以產(chǎn)生高能粒子束。

　　磁懸浮列車是利用超導(dǎo)材料的抗磁性(磁懸浮效應(yīng))生產(chǎn)的。

　　1911年荷蘭物理學(xué)家開麥林·昂內(nèi)斯在實(shí)驗(yàn)中，偶然發(fā)現(xiàn)了水銀具有了超導(dǎo)電性。

　　眾多科學(xué)家非常關(guān)注昂內(nèi)斯教授的這一偉大發(fā)現(xiàn)，自1911年起，許多人都開始研究超導(dǎo)體。經(jīng)歷了幾十年的努力，人們發(fā)現(xiàn)了具有超導(dǎo)性能的上千種金屬、合金和化合物，它們的臨界溫度都非常低，只有在極低的溫度下它們才具有超導(dǎo)電性。

　　1986年，年輕的物理學(xué)家貝特諾茨和繆勒在瑞士國(guó)際商用公司實(shí)驗(yàn)室工作，他們從奇妙的超導(dǎo)現(xiàn)象中獲得啟示，發(fā)現(xiàn)了一種鑭銅鋇氧陶瓷氧化物材料在比絕對(duì)零度高43℃的較高溫度下，即43K時(shí)會(huì)出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象。

　　此后，我國(guó)物理學(xué)家趙忠賢、美籍華人科學(xué)家朱經(jīng)武，相繼于1987年發(fā)現(xiàn)了釔鋇銅氧系高溫超導(dǎo)材料。不久，又發(fā)現(xiàn)了鉍鍶鈣氧銅超導(dǎo)合金和鉈鋇鈣銅氧合金，這種合金在110K和120K出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象，使超導(dǎo)溫度更接近于室溫。接著，我國(guó)科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了一種高溫超導(dǎo)的材料，這種超導(dǎo)材料在132K時(shí)電阻為零。

　　現(xiàn)在，科學(xué)家們正致力于使超導(dǎo)臨界溫度達(dá)到240K(干冰溫度)和300K(室溫)。他們已經(jīng)注意到這樣一種現(xiàn)象，即利用氟、氮、碳部分代氧，或把鈧、鍶和某些金屬元素加在釓鋇銅氧化物中，這樣就有可能制出室溫超導(dǎo)體。科學(xué)家們對(duì)這一想法充滿信心，認(rèn)為一定能很快實(shí)現(xiàn)它。

　　超導(dǎo)材料有幾個(gè)特點(diǎn)，首先，超導(dǎo)材料沒有電阻，它輸送電流時(shí)，不會(huì)造成電力損耗，用它可以制作出體積很小的發(fā)電機(jī)，送出的電流卻很大。

　　除了沒有電阻外，超導(dǎo)材料還有一個(gè)重要特性，就是完全抗磁性，也叫做邁斯納效應(yīng)。這種完全抗磁性是指這樣一種情形，即把一個(gè)超導(dǎo)體放在一塊永久磁鐵上，由于這個(gè)超導(dǎo)體具有了抗磁性，磁鐵的磁力線不能穿過(guò)超導(dǎo)體，結(jié)果就會(huì)在磁鐵和超導(dǎo)體之間產(chǎn)生排斥力，這種排斥力使超導(dǎo)體懸浮在磁鐵的上方。

　　科學(xué)家們對(duì)超導(dǎo)材料的發(fā)展前景充滿了信心，他們推測(cè)，如果利用超導(dǎo)材料的這兩個(gè)特性制成各種輸電、發(fā)電、儲(chǔ)能設(shè)備，將會(huì)大大節(jié)約能源和提高效率。

　　國(guó)際上正在開發(fā)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)線圈和定子電樞線圈均使用超導(dǎo)線材的發(fā)電機(jī)，這種發(fā)電機(jī)叫全超導(dǎo)發(fā)電。同時(shí)也在研究使用高溫超導(dǎo)線材的發(fā)電機(jī)，這種發(fā)電機(jī)叫做高溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī)。這兩種發(fā)電機(jī)作為新型超導(dǎo)發(fā)電機(jī)，仍處在研制開發(fā)階段。此外，科學(xué)家們還在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究用超導(dǎo)材料制作的，能把電能幾乎無(wú)損耗地高效能地輸送給用戶的超導(dǎo)電線和超導(dǎo)變壓器。同時(shí)，對(duì)核聚變發(fā)電，超導(dǎo)體也將產(chǎn)生重大影響。核聚變會(huì)產(chǎn)生能量，且產(chǎn)生的能量相當(dāng)大。

　　超導(dǎo)材料在上述強(qiáng)電應(yīng)用領(lǐng)域的用途極其廣泛，其在弱電應(yīng)用和抗磁性應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用也很充分。磁懸浮列車是利用超導(dǎo)材料的抗磁性(磁懸浮效應(yīng))生產(chǎn)的。它現(xiàn)在已進(jìn)入實(shí)質(zhì)性的運(yùn)營(yíng)階段。超導(dǎo)材料將會(huì)引起人類陸地交通的變革。此外，超導(dǎo)磁體在許多科學(xué)儀器中也得到了運(yùn)用，如粒子加速器。它是使如質(zhì)子等帶電粒子增加速度，獲得高能的儀器。

　　超導(dǎo)技術(shù)使過(guò)去很難實(shí)現(xiàn)的10萬(wàn)高斯的強(qiáng)磁場(chǎng)在現(xiàn)在變得實(shí)現(xiàn)起來(lái)相當(dāng)容易。強(qiáng)大的超導(dǎo)磁體可以使觀察分子、原子行為的高分辨率電子顯微鏡輕松制成。采用超導(dǎo)磁體的核磁共振、人體掃描技術(shù)在醫(yī)學(xué)診斷中的重要作用日益凸顯�？傊�，凡是需要強(qiáng)大均勻磁場(chǎng)之處，超導(dǎo)磁體都能成功地完成任務(wù)。

　　現(xiàn)在一門實(shí)用性很強(qiáng)的學(xué)科——超導(dǎo)電子學(xué)正在迅速發(fā)展。它的發(fā)展必將給電子工業(yè)帶來(lái)革命性的沖擊。

　　超導(dǎo)材料的發(fā)展史

　　1911年，荷蘭科學(xué)家海克·卡末林·昂內(nèi)斯用液氦冷卻汞，當(dāng)溫度下降到絕對(duì)溫標(biāo)4.2K時(shí)水銀的電阻完全消失，這種現(xiàn)象稱為超導(dǎo)電性，此溫度稱為臨界溫度。根據(jù)臨界溫度的不同，超導(dǎo)材料可以被分為：高溫超導(dǎo)材料和低溫超導(dǎo)材料。但這里所說(shuō)的「高溫」，其實(shí)仍然是遠(yuǎn)低於冰點(diǎn)攝氏0℃的，對(duì)一般人來(lái)說(shuō)算是極低的溫度。

　　1933年，邁斯納和奧克森菲爾德兩位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，如果把超導(dǎo)體放在磁場(chǎng)中冷卻，則在材料電阻消失的同時(shí)，磁感應(yīng)線將從超導(dǎo)體中排出，不能通過(guò)超導(dǎo)體，這種現(xiàn)象稱為抗磁性。

　　經(jīng)過(guò)科學(xué)家們的努力，超導(dǎo)材料的磁電障礙已被跨越，下一個(gè)難關(guān)是突破溫度障礙，即尋求高溫超導(dǎo)材料。

　　1973年，發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)合金――鈮鍺合金，其臨界超導(dǎo)溫度為23.2K，這一記錄保持了近13年。

　　1986年，設(shè)在瑞士蘇黎世的美國(guó)IBM公司的研究中心報(bào)道了一種氧化物（鑭鋇銅氧化物）具有35K的高溫超導(dǎo)性。此后，科學(xué)家們幾乎每隔幾天，就有新的研究成果出現(xiàn)。

　　1986年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研究的超導(dǎo)材料，其臨界超導(dǎo)溫度達(dá)到40K，液氫的“溫度壁壘”（40K）被跨越。

　　1987年，中國(guó)科學(xué)家趙忠賢以及美國(guó)華裔科學(xué)家朱經(jīng)武相繼在釔－鋇－銅－氧系材料上把臨界超導(dǎo)溫度提高到90K以上，液氮的“溫度壁壘”（77K）也被突破了。1987年底，鉈－鋇－鈣－銅－氧系材料又把臨界超導(dǎo)溫度的記錄提高到125K。從1986－1987年的短短一年多的時(shí)間里，臨界超導(dǎo)溫度提高了近100K。

　　2001年，二硼化鎂（MgB2）被發(fā)現(xiàn)其超導(dǎo)臨界溫度達(dá)到39K [1]。此化合物的發(fā)現(xiàn)，打破了非銅氧化物超導(dǎo)體（non-cuprate superconductor）的臨界溫度紀(jì)錄。

　　1990至2000年代，具ZrCuAsSi結(jié)構(gòu)的稀土過(guò)渡金屬氮磷族化合物（rare-earth transition-metal oxypnictide, ReTmPnO）陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)[2] [3]。但并未有人發(fā)現(xiàn)其中的超導(dǎo)現(xiàn)象。

　　2008年，日本的Hideo Hosono團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在鐵基氮磷族氧化物（iron-based oxypnictide中，將部份氧以摻雜的方式用氟作部份取代，可使LaFeAsO1-xFx的臨界溫度達(dá)到26K[4]，在加壓後（4 GPa）甚至可達(dá)到43K[5]。其後，中國(guó)的聞�；�團(tuán)隊(duì)，發(fā)現(xiàn)在以鍶取代稀土元素之後，La1-xSrxFeAsO亦可達(dá)到臨界溫度25K[6]。其後，中國(guó)的科學(xué)家陳仙輝、趙忠賢等人，發(fā)現(xiàn)將鑭以其他稀土元素作取代，則可得到更高的臨界溫度；其中，SmFeAs[O0.9F0.1]可達(dá)55K[7] [8]。另外，將鐵以鈷取代（LaFe1-xCoxAsO），稀土元素以釷取代（Gd1-xThxFeAsO），或是利用氧缺陷（LaFeAsO1-δ）等方式，也都可以引發(fā)超導(dǎo)[9] [10] [11]。

　　此系統(tǒng)亦被簡(jiǎn)稱為「1111系統(tǒng)」。此化合物的發(fā)現(xiàn)，非但再度打破了由MgB2保持的非銅氧化物超導(dǎo)體（non-cuprate superconductor）的臨界溫度紀(jì)錄，其含鐵卻有超導(dǎo)的特性也受人注目。

　　同樣在2008年，受到上述「1111系統(tǒng)」的啟發(fā)，ThCr2Si2結(jié)構(gòu)的鹼土金屬氮磷族化合物（ATm2Pn2）亦被發(fā)現(xiàn)，在將BaFe2As2中將鹼土金屬（IIA）以鹼金屬（IA）部分取代，亦可得到臨界溫度約30至40K的高溫超導(dǎo)體，如Ba1-xKxFe2As2（38 K） [12]。此系統(tǒng)亦被簡(jiǎn)稱為「122系統(tǒng)」。如同氧化物超導(dǎo)體，「1111」與「122」系統(tǒng)的超導(dǎo)來(lái)源也是由層狀結(jié)構(gòu)中的FeAs層貢獻(xiàn)，藉由不同價(jià)數(shù)的離子摻雜或是氧缺陷，可提升FeAs層載子的濃度，進(jìn)而引發(fā)超導(dǎo)。

　　超導(dǎo)材料的分類

　　超導(dǎo)材料按其化學(xué)成分可分為元素材料、合金材料、化合物材料和超導(dǎo)陶瓷。

　　1.超導(dǎo)元素：在常壓下有28種元素具超導(dǎo)電性，其中鈮（Nb）的Tc最高，為9.26K。電工中實(shí)際應(yīng)用的主要是鈮和鉛（Pb，Tc=7.201K），已用于制造超導(dǎo)交流電力電纜、高Q值諧振腔等。

　　2.合金材料：超導(dǎo)元素加入某些其他元素作合金成分， 可以使超導(dǎo)材料的全部性能提高。如最先應(yīng)用的鈮鋯合金（Nb-75Zr），其Tc為10.8K，Hc為8.7特。繼后發(fā)展了鈮鈦合金，雖然Tc稍低了些，但Hc高得多，在給定磁場(chǎng)能承載更大電流。其性能是Nb-33Ti，Tc=9.3K，Hc＝11.0特；Nb-60Ti，Tc=9.3K，Hc=12特（4.2K）。目前鈮鈦合金是用于7～8特磁場(chǎng)下的主要超導(dǎo)磁體材料。鈮鈦合金再加入鉭的三元合金，性能進(jìn)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。

　　3.超導(dǎo)化合物：超導(dǎo)元素與其他元素化合常有很好的超導(dǎo)性能。如已大量使用的Nb3Sn，其Tc=18.1K，Hc=24.5特。其他重要的超導(dǎo)化合物還有V3Ga，Tc=16.8K，Hc=24特；Nb3Al，Tc=18.8K，Hc=30特。④超導(dǎo)陶瓷：20世紀(jì)80年代初，米勒和貝德諾爾茨開始注意到某些氧化物陶瓷材料可能有超導(dǎo)電性，他們的小組對(duì)一些材料進(jìn)行了試驗(yàn)，于1986年在鑭－鋇－銅－氧化物中發(fā)現(xiàn)了Tc=35K的超導(dǎo)電性。1987年，中國(guó)、美國(guó)、日本等國(guó)科學(xué)家在鋇－釔－銅氧化物中發(fā)現(xiàn)Tc處于液氮溫區(qū)有超導(dǎo)電性，使超導(dǎo)陶瓷成為極有發(fā)展前景的超導(dǎo)材料。

　　超導(dǎo)材料的特性

　　1.零電阻性：超導(dǎo)材料處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)電阻為零，能夠無(wú)損耗地傳輸電能。如果用磁場(chǎng)在超導(dǎo)環(huán)中引發(fā)感生電流，這一電流可以毫不衰減地維持下去。這種“持續(xù)電流”已多次在實(shí)驗(yàn)中觀察到。

　　2.完全抗磁性：超導(dǎo)材料處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，只要外加磁場(chǎng)不超過(guò)一定值，磁力線不能透入，超導(dǎo)材料內(nèi)的磁場(chǎng)恒為零。

　　3.約瑟夫森效應(yīng)：兩超導(dǎo)材料之間有一薄絕緣層（厚度約1nm）而形成低電阻連接時(shí)，會(huì)有電子對(duì)穿過(guò)絕緣層形成電流，而絕緣層兩側(cè)沒有電壓，即絕緣層也成了超導(dǎo)體。當(dāng)電流超過(guò)一定值后，絕緣層兩側(cè)出現(xiàn)電壓U（也可加一電壓U），同時(shí)，直流電流變成高頻交流電，并向外輻射電磁波，其頻率為，其中h為普朗克常數(shù)，e為電子電荷。這些特性構(gòu)成了超導(dǎo)材料在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域越來(lái)越引人注目的各類應(yīng)用的依據(jù)。

　　超導(dǎo)材料的用途

　　超導(dǎo)材料可用于制作交流超導(dǎo)發(fā)電機(jī)、磁流體發(fā)電機(jī)和超導(dǎo)輸電線路等。目前超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化。 另外，作為低溫超導(dǎo)材料的主要代表NbTi合金和Nb3Sn，在商業(yè)領(lǐng)域主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的MRI（核磁共振成像儀）。作為科學(xué)研究領(lǐng)域，已經(jīng)應(yīng)用于歐洲的大型項(xiàng)目LHC項(xiàng)目，幫助人類尋求宇宙的起源等科學(xué)問(wèn)題。

　　超導(dǎo)材料的應(yīng)用

　　1、利用材料的超導(dǎo)電性可制作磁體，應(yīng)用于電機(jī)、高能粒子加速器、磁懸浮運(yùn)輸、受控?zé)岷朔磻?yīng)、儲(chǔ)能等；可制作電力電纜，用于大容量輸電（功率可達(dá)10000MVA）；可制作通信電纜和天線，其性能優(yōu)于常規(guī)材料。還可用在太陽(yáng)能電池中，如便攜音箱鋰電池。

　　2、利用材料的完全抗磁性可制作無(wú)摩擦陀螺儀和軸承。

　　3、利用約瑟夫森效應(yīng)可制作一系列精密測(cè)量?jī)x表以及輻射探測(cè)器、微波發(fā)生器、邏輯元件等。利用約瑟夫森結(jié)作計(jì)算機(jī)的邏輯和存儲(chǔ)元件，其運(yùn)算速度比高性能集成電路的快10～20倍，功耗只有四分之一。

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