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超導(dǎo)材料的未來(lái)展望
1． 超導(dǎo)的發(fā)展歷史及原理簡(jiǎn)介
1911年，卡莫林·昂納斯在研究水銀的低溫電阻隨溫度的變化時(shí)發(fā)現(xiàn)水銀的電阻在T=4.2K附近時(shí)突然降到了零。昂納斯把這種電阻突然消失的狀態(tài)稱(chēng)之為超導(dǎo)態(tài)。此后，他又發(fā)現(xiàn)其他許多金屬也具有超導(dǎo)現(xiàn)象，并把這種能隨溫度降低而進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的材料叫做超導(dǎo)材料，也叫做超導(dǎo)體。由此拉開(kāi)了人們研究超導(dǎo)態(tài)及超導(dǎo)材料的序幕。
此后人們針對(duì)超導(dǎo)態(tài)的產(chǎn)生原因進(jìn)行了一系列研究，卡末林·昂內(nèi)斯，霍爾姆，邁斯納，奧森菲爾德，弗茹里赫等眾多科學(xué)家先后提出了重要的理論來(lái)試圖解決超導(dǎo)態(tài)出現(xiàn)的原因。但是直到1950年美國(guó)伊利諾斯大學(xué)的巴丁、庫(kù)柏和斯里弗提出超導(dǎo)電量子理論的才真正成功解釋了超導(dǎo)現(xiàn)象，他們認(rèn)為：在超導(dǎo)態(tài)金屬中電子以晶格波為媒介相互吸引而形成電子對(duì)，無(wú)數(shù)電子對(duì)相互重疊又常常互換搭配對(duì)象形成一個(gè)整體，電子對(duì)作為一個(gè)整體的流動(dòng)產(chǎn)生了超導(dǎo)電流。由于拆開(kāi)電子對(duì)需要一定能量，因此超導(dǎo)體中基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間存在能量差，即能隙。這一重要的理論預(yù)言了電子對(duì)能隙的存在，被科學(xué)家界稱(chēng)作“巴庫(kù)斯理論”。這一理論的提出標(biāo)志著超導(dǎo)理論的正式建立，從而使超導(dǎo)研究進(jìn)入了一個(gè)新的階段。現(xiàn)今超導(dǎo)已被更好地完善并越來(lái)越多地利用到人們的現(xiàn)實(shí)生活中，例如超導(dǎo)列車(chē)，高溫超導(dǎo)輸電電纜，超導(dǎo)船等都漸漸走入我們的視野并開(kāi)始扮演著越來(lái)越重要的角色。
2． 超導(dǎo)材料的簡(jiǎn)單分類(lèi) 我們已經(jīng)知道許多材料在達(dá)到一定條件時(shí)都可達(dá)到超導(dǎo)態(tài)，但是其達(dá)到超導(dǎo)態(tài)的具體條件確是各不相同的因此需要對(duì)超導(dǎo)材料進(jìn)行具體的分類(lèi)。比如可以將超導(dǎo)材料按其化學(xué)成分分為元素材料、合金材料、化合物材料和超導(dǎo)陶瓷四種。
在元素周期表中，常壓下具有超導(dǎo)電性的就有26個(gè)，如：Pb、In、Sn、Al、Nb、V、Ta等，有的元素在常壓下不能成為超導(dǎo)體，但在高壓下就能進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，如：Ge、Si等。
除此之外，還有一些金屬元素的合金，化合物也能呈現(xiàn)超導(dǎo)電性，稱(chēng)之為合金超導(dǎo)體和化合物超導(dǎo)體。超導(dǎo)合金以PbIn、NbTi為代表，超導(dǎo)化合物以Nb3Sn、V3Ga為代表。他們的Tc見(jiàn)表1.1。
表1.1超導(dǎo)合金和超導(dǎo)化合物的轉(zhuǎn)變溫度
迄今為止，具有超導(dǎo)性的元素、化合物已有數(shù)千種。特別是近20年來(lái)，高溫氧化物超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，有使超導(dǎo)體的類(lèi)屬增加了成千上萬(wàn)個(gè)，表1. 2列出了一些主要的高溫氧化物超導(dǎo)體及其Tc。
表1.2高溫氧化物超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度
另外20世紀(jì)80年代初，米勒和貝德諾爾茨開(kāi)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Tc=35K的超導(dǎo)電性。
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。 3． 超導(dǎo)材料的應(yīng)用現(xiàn)狀
超導(dǎo)材料有著許多其他材料所以難以匹及的優(yōu)越性，所以自他被發(fā)現(xiàn)之日起，人們就在不斷研究如何將其最好應(yīng)用到實(shí)際生活中。到目前為止，超導(dǎo)材料的應(yīng)用主要有： ① 利用超導(dǎo)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；可制作通信電纜和天線，其性能優(yōu)于常規(guī)材料。
② 利用超導(dǎo)材料的完全抗磁性可制作無(wú)摩擦陀螺儀和軸承。
③ 利用超導(dǎo)材料的約瑟夫森效應(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，而功耗卻只有其四分之一。
現(xiàn)階段超導(dǎo)體的廣泛應(yīng)用要解決材料在技術(shù)方面的很多問(wèn)題。在材料方面，要求超導(dǎo)體應(yīng)有較高的臨界溫度和臨界電流。其安全穩(wěn)定性要考慮，而提高超導(dǎo)材料的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度是超導(dǎo)材料得以廣泛應(yīng)用的基本前提，臨界電流的提高也是至關(guān)重要的。
超導(dǎo)體本身也存在一些弱點(diǎn)。如強(qiáng)烈的各向異性，短的相干長(zhǎng)度，不均勻性等等。現(xiàn)代在液氫溫區(qū)大規(guī)模應(yīng)用超導(dǎo)體還需要努力，進(jìn)一步發(fā)展制備工藝。
4． 高溫超導(dǎo)的技術(shù)簡(jiǎn)介
高溫超導(dǎo)是相對(duì)于常規(guī)的超導(dǎo)材料而言，其達(dá)到超導(dǎo)態(tài)溫度比較高。
人們提出疑問(wèn)，臨界溫度一直在十幾 K、二十幾K。對(duì)于這么低的臨界溫度超導(dǎo)材料的應(yīng)用價(jià)值何在？能否有更高的臨界溫度？能否在常溫下就有超導(dǎo)現(xiàn)象產(chǎn)生？由此誕生了高溫超導(dǎo)的概念。 1986 年 10 月，柏諾茲等人提出了他們?cè)?Ba-La-Cu-O 系統(tǒng)中獲得了Tc為 33K 左右的報(bào)道。同年 12 月 15 日，休斯頓大學(xué)報(bào)告了在處于壓力下的 La-Ba-Cu-O 化合物體系中獲得 40.2K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。同年 12 月 26 日，中科院物理研究所宣布，他們成功地獲得轉(zhuǎn)變溫度 48.6K 的超導(dǎo)材料。到 1987 年 2 月 16 日。朱經(jīng)武的試驗(yàn)小組在 92K 處觀察到了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。同年 2 月 24 日，中科院物理研究所趙忠賢領(lǐng)導(dǎo)的研究集體宣布，液氮溫區(qū)超導(dǎo)體起始轉(zhuǎn)變溫度在 100K 左右。這時(shí)期超導(dǎo)臨界溫度突破液氮沸點(diǎn) 77K大關(guān)，對(duì)人類(lèi)具有劃時(shí)代的意義。
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結(jié)語(yǔ)：超導(dǎo)技術(shù)毫無(wú)疑問(wèn)將成為 21 世紀(jì)的寵兒，而超導(dǎo)材料也將深入千家萬(wàn)戶(hù)。超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用和普及將會(huì)在世界能源方面發(fā)揮不朽的作用，將會(huì)為世界每年免去不必要的邊緣耗散。如果能用上超導(dǎo)材料，那每年消耗的能量將不可估量。如果這些能量被合理地利用起來(lái)對(duì)人類(lèi)的發(fā)展不可謂不大，或者每年為這些能量的耗散而投入的不必要的資金，用于資助那些苦難的、急需救助的國(guó)家與人民，那意義不可謂不大。超導(dǎo)材料的普及必將是一場(chǎng)材料大革命，其意義并不會(huì)亞于其他科技革命。
摘要：
① 百度百科 ② 互動(dòng)百科
③ 電動(dòng)力學(xué)，郭碩鴻，高等教育出版社，2004
超導(dǎo)材料的未來(lái)展望 [篇2]
超導(dǎo)材料——當(dāng)代科學(xué)的明珠
超導(dǎo)是超導(dǎo)電性的簡(jiǎn)稱(chēng)。是一種材料，如某種金屬、合金或化合物在溫度下降至某一臨界溫度時(shí)，其電阻完全消失，這種現(xiàn)象稱(chēng)為超導(dǎo)電性，具有這種現(xiàn)象的材料稱(chēng)為超導(dǎo)材料。超導(dǎo)體的另外一個(gè)特征是：當(dāng)電阻消失時(shí)，磁感應(yīng)線將不能通過(guò)超導(dǎo)體，這種現(xiàn)象稱(chēng)為抗磁性。
超導(dǎo)材料的用途非常廣闊，大致可分為三類(lèi)：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(chē)和熱核聚變反應(yīng)堆等。 超導(dǎo)體的巨大前景
●超導(dǎo)材料不可思議
那么，為什么世界各國(guó)對(duì)“超導(dǎo)”技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)如此重視呢？這主要是因?yàn)槌瑢?dǎo)材料具有極其優(yōu)越的物理特性：一是零電阻效應(yīng)，二是約瑟夫遜效應(yīng)，三是邁斯納效應(yīng)。超導(dǎo)體這些突出特性的重大意義，不亞于半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)。甚至有專(zhuān)家預(yù)言，超導(dǎo)體的應(yīng)用將導(dǎo)致一場(chǎng)新技術(shù)革命，特別是在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用，將引起一系列巨大變革。
●軍事應(yīng)用前景廣闊
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(chē)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(wàn)至幾十萬(wàn)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Ｄ壳埃行﹪?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(lái)，美、蘇、英、日等國(guó)積極開(kāi)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(wú)震動(dòng)、無(wú)噪聲、無(wú)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(wèn)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(wèn)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(wú)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(wú)比的彈藥庫(kù)。
超導(dǎo)C4I系統(tǒng)就目前來(lái)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(kāi)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(wú)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。
超導(dǎo)太空發(fā)射器1990年，日本研制出了一種新型的常溫超導(dǎo)材料，它所具有的磁懸浮力相當(dāng)于當(dāng)時(shí)超導(dǎo)材料的300倍，它不僅可以用來(lái)制造高速磁懸浮列車(chē)，還可以用來(lái)發(fā)射航天飛機(jī)。如今，世界一些發(fā)達(dá)國(guó)家采用這種超導(dǎo)材料，已經(jīng)研制出一種可以用來(lái)發(fā)射航天飛機(jī)的超導(dǎo)磁懸浮發(fā)射裝置，它主要由一條3500米長(zhǎng)的水平超導(dǎo)導(dǎo)軌和一條2000米高的垂直超導(dǎo)導(dǎo)軌相連接，形成一個(gè)近90度的陡坡。發(fā)射時(shí)，龐大的航天飛機(jī)在磁懸浮力的作用下，沿著水平方向前進(jìn)并逐漸被加速，當(dāng)?shù)竭_(dá)終端的弧形軌道后，便隨弧形軌道改變方向，并以每小時(shí)500—600千米的速度沿垂直導(dǎo)軌向上飛行，在距地面1500米左右時(shí)飛離發(fā)射裝置，與此同時(shí)，航天飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始工作，靠自身的動(dòng)力直刺蒼穹。
采用超導(dǎo)磁懸浮發(fā)射裝置取代火箭發(fā)射航天飛機(jī)，可以減輕航天飛機(jī)的重量，增加有效載荷，并且推力大、耗能少、起飛速度大、安全可靠、可多次重復(fù)使用，從而節(jié)省了大量經(jīng)費(fèi)。
●超導(dǎo)攻關(guān)激戰(zhàn)猶酣
隨著超導(dǎo)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，超導(dǎo)常溫材料研制成功，超導(dǎo)裝甲車(chē)輛、超導(dǎo)坦克、超導(dǎo)導(dǎo)彈等形形色色的超導(dǎo)武器也將紛紛亮相。事實(shí)上，早在1987年，美國(guó)就將超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展及實(shí)用化列入了國(guó)防部計(jì)劃、SDI計(jì)劃和“常規(guī)防御計(jì)
劃” （CDI）。美國(guó)前總統(tǒng)里根一份“發(fā)展超導(dǎo)技術(shù)的11點(diǎn)計(jì)劃”，其中明確規(guī)定要從 1988年開(kāi)始的幾年計(jì)劃中，撥專(zhuān)款1．5億美元，以保證超導(dǎo)計(jì)劃能盡快應(yīng)用在各種軍事系統(tǒng)中，并說(shuō)在實(shí)用化方面美國(guó)必須走在日本的前頭。而日本則不甘
落后，在預(yù)測(cè)1994—2017年技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)時(shí)明確指出，在擬完成的三項(xiàng)重點(diǎn)技術(shù)計(jì)劃中，首項(xiàng)便是液氮溫區(qū)以上的超導(dǎo)材料實(shí)用化。
不難預(yù)測(cè)，21世紀(jì)的戰(zhàn)場(chǎng)，將有越來(lái)越多的超導(dǎo)武器頻頻出現(xiàn)，而它們的應(yīng)用必將引起未來(lái)作戰(zhàn)理論、作戰(zhàn)樣式和戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)等方面的一系列變革。
暢談超導(dǎo)體的未來(lái)
眾所周知，中國(guó)為了修建三峽工程可謂是不惜血本啊！為什么要耗費(fèi)如此巨大來(lái)建造三峽？中國(guó)原本是利用火力發(fā)電的，現(xiàn)在改用水力發(fā)電（還是有好多地方的電是靠火力的）。火力發(fā)電的能量來(lái)源絕大部分是煤炭，自然就要耗費(fèi)大量的煤炭，這是顯而易見(jiàn)的。而煤炭又是不可再生資源。然而，世界范圍內(nèi)都面臨著資源危機(jī)，顯然身為不可再生資源的煤炭在其中扮演著一個(gè)十分重要的角色。利用水力發(fā)電也就解決大大了這個(gè)問(wèn)題，這就是為什么即使?fàn)奚俅笠惨ㄔ烊龒{水電站的根本原因。但是單單靠一個(gè)三峽水力發(fā)電顯然是不夠用的，特別是在這樣一個(gè)什么都要用電的現(xiàn)代化社會(huì)之中。煤炭在發(fā)電這方面的使用依然是十分巨大的。即使加上風(fēng)力發(fā)電等其它能量來(lái)源，依然還是不能滿(mǎn)足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)電力的需求。那么要怎樣做？
千家萬(wàn)戶(hù)分住各地，我們不可能把他們集中在一個(gè)地方居住，所以L無(wú)法改變，這也是不爭(zhēng)的事實(shí)，同時(shí)因?yàn)榭紤]到熱脹冷縮的物理現(xiàn)象，我們的兩根電桿間的輸電線還必須長(zhǎng)于他們的實(shí)際長(zhǎng)度，這使得L的值相對(duì)而言就更加大了。而S做得太大也不切合實(shí)際。顯然R是很大，自然損耗功也是很大的。
但是大家不要忘了超導(dǎo)體，如果使用超導(dǎo)體作為我們的輸電線的材料，我們將永永遠(yuǎn)遠(yuǎn)告別輸電線上帶來(lái)的損耗。輸電線上得損耗的杜絕將讓我們可以很自信的向宇宙宣布我們地球上將不用再以犧牲煤炭為代價(jià)來(lái)?yè)Q取電能了，因?yàn)槔闷渌绞桨l(fā)電將完完全全能夠滿(mǎn)足我們的所需。下面我來(lái)粗劣計(jì)算下輸電線上電能的損耗，以此來(lái)證明當(dāng)用超導(dǎo)體作為輸電線時(shí)將帶來(lái)的巨大利益。
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