超導材料的未來展望

1． 超導的發展歷史及原理簡介

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發現水銀的電阻在T=4.2K附近時突然降到了零。昂納斯把這種電阻突然消失的狀態稱之為超導態。此后，他又發現其他許多金屬也具有超導現象，并把這種能隨溫度降低而進入超導態的材料叫做超導材料，也叫做超導體。由此拉開了人們研究超導態及超導材料的序幕。

此后人們針對超導態的產生原因進行了一系列研究，卡末林·昂內斯，霍爾姆，邁斯納，奧森菲爾德，弗茹里赫等眾多科學家先后提出了重要的理論來試圖解決超導態出現的原因。但是直到1950年美國伊利諾斯大學的巴丁、庫柏和斯里弗提出超導電量子理論的才真正成功解釋了超導現象，他們認為：在超導態金屬中電子以晶格波為媒介相互吸引而形成電子對，無數電子對相互重疊又常常互換搭配對象形成一個整體，電子對作為一個整體的流動產生了超導電流。由于拆開電子對需要一定能量，因此超導體中基態和激發態之間存在能量差，即能隙。這一重要的理論預言了電子對能隙的存在，被科學家界稱作“巴庫斯理論”。這一理論的提出標志著超導理論的正式建立，從而使超導研究進入了一個新的階段。現今超導已被更好地完善并越來越多地利用到人們的現實生活中，例如超導列車，高溫超導輸電電纜，超導船等都漸漸走入我們的視野并開始扮演著越來越重要的角色。

2． 超導材料的簡單分類 我們已經知道許多材料在達到一定條件時都可達到超導態，但是其達到超導態的具體條件確是各不相同的因此需要對超導材料進行具體的分類。比如可以將超導材料按其化學成分分為元素材料、合金材料、化合物材料和超導陶瓷四種。

在元素周期表中，常壓下具有超導電性的就有26個，如：Pb、In、Sn、Al、Nb、V、Ta等，有的元素在常壓下不能成為超導體，但在高壓下就能進入超導態，如：Ge、Si等。

除此之外，還有一些金屬元素的合金，化合物也能呈現超導電性，稱之為合金超導體和化合物超導體。超導合金以PbIn、NbTi為代表，超導化合物以Nb3Sn、V3Ga為代表。他們的Tc見表1.1。

表1.1超導合金和超導化合物的轉變溫度

迄今為止，具有超導性的元素、化合物已有數千種。特別是近20年來，高溫氧化物超導體的發現，有使超導體的類屬增加了成千上萬個，表1. 2列出了一些主要的高溫氧化物超導體及其Tc。

表1.2高溫氧化物超導體的轉變溫度

另外20世紀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電性，他們的小組對一些材料進行了試驗，于1986年在鑭－鋇－銅－氧化物中發現了1987年中國、美國、日本等國科學家在鋇－釔－銅氧化物中發現Tc處Tc=35K的超導電性。

于液氮溫區有超導電性，使超導陶瓷成為極有發展前景的超導材料。 3． 超導材料的應用現狀

超導材料有著許多其他材料所以難以匹及的優越性，所以自他被發現之日起，人們就在不斷研究如何將其最好應用到實際生活中。到目前為止，超導材料的應用主要有： ① 利用超導材料的超導電性可制作磁體，應用于電機、高能粒子加速器、磁懸浮運輸、受

控熱核反應、儲能等；可制作電力電纜，用于大容量輸電；可制作通信電纜和天線，其性能優于常規材料。

② 利用超導材料的完全抗磁性可制作無摩擦陀螺儀和軸承。

③ 利用超導材料的約瑟夫森效應可制作一系列精密測量儀表以及輻射探測器、微波發生

器、邏輯元件等。利用約瑟夫森結作計算機的邏輯和存儲元件，其運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。

現階段超導體的廣泛應用要解決材料在技術方面的很多問題。在材料方面，要求超導體應有較高的臨界溫度和臨界電流。其安全穩定性要考慮，而提高超導材料的超導轉變溫度是超導材料得以廣泛應用的基本前提，臨界電流的提高也是至關重要的。

超導體本身也存在一些弱點。如強烈的各向異性，短的相干長度，不均勻性等等。現代在液氫溫區大規模應用超導體還需要努力，進一步發展制備工藝。

4． 高溫超導的技術簡介

高溫超導是相對于常規的超導材料而言，其達到超導態溫度比較高。

人們提出疑問，臨界溫度一直在十幾 K、二十幾K。對于這么低的臨界溫度超導材料的應用價值何在？能否有更高的臨界溫度？能否在常溫下就有超導現象產生？由此誕生了高溫超導的概念。 1986 年 10 月，柏諾茲等人提出了他們在 Ba-La-Cu-O 系統中獲得了Tc為 33K 左右的報道。同年 12 月 15 日，休斯頓大學報告了在處于壓力下的 La-Ba-Cu-O 化合物體系中獲得 40.2K的超導轉變。同年 12 月 26 日，中科院物理研究所宣布，他們成功地獲得轉變溫度 48.6K 的超導材料。到 1987 年 2 月 16 日。朱經武的試驗小組在 92K 處觀察到了超導轉變。同年 2 月 24 日，中科院物理研究所趙忠賢領導的研究集體宣布，液氮溫區超導體起始轉變溫度在 100K 左右。這時期超導臨界溫度突破液氮沸點 77K大關，對人類具有劃時代的意義。

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結語：超導技術毫無疑問將成為 21 世紀的寵兒，而超導材料也將深入千家萬戶。超導技術的發展、應用和普及將會在世界能源方面發揮不朽的作用，將會為世界每年免去不必要的邊緣耗散。如果能用上超導材料，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對人類的發展不可謂不大，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、急需救助的國家與人民，那意義不可謂不大。超導材料的普及必將是一場材料大革命，其意義并不會亞于其他科技革命。

摘要：

① 百度百科 ② 互動百科

③ 電動力學，郭碩鴻，高等教育出版社，2004

超導材料的未來展望 [篇2]

超導材料——當代科學的明珠

超導是超導電性的簡稱。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，其電阻完全消失，這種現象稱為超導電性，具有這種現象的材料稱為超導材料。超導體的另外一個特征是：當電阻消失時，磁感應線將不能通過超導體，這種現象稱為抗磁性。

超導材料的用途非常廣闊，大致可分為三類：大電流應用（強電應用）、電子學應用（弱電應用）和抗磁性應用。大電流應用即超導發電、輸電和儲能；電子學應用包括超導計算機、超導天線、超導微波器件等；抗磁性主要應用于磁懸浮列車和熱核聚變反應堆等。 超導體的巨大前景

●超導材料不可思議

那么，為什么世界各國對“超導”技術的研究與開發如此重視呢？這主要是因為超導材料具有極其優越的物理特性：一是零電阻效應，二是約瑟夫遜效應，三是邁斯納效應。超導體這些突出特性的重大意義，不亞于半導體的發現。甚至有專家預言，超導體的應用將導致一場新技術革命，特別是在軍事領域的應用，將引起一系列巨大變革。

●軍事應用前景廣闊

超導體在軍事領域的應用將十分廣泛。采用超導體材料，可使許多重要的軍用裝備，如C4I系統、聚能武器、艦艇、飛機、坦克、裝甲車輛、導彈等武器的性能得到大幅度的改善。

超導飛機設計制造大功率、小體積的發動機，對提高飛機的作戰性能至關重要。目前，飛機所采用的均是磁流體發電，但利用普通磁體，很難使磁場強度高于15高斯，而如果利用超導磁體就能產生數萬至幾十萬高斯的磁場，從而大大提高磁體發電的輸出功率。所以，超導技術的突破，為大容量、小型化磁流體發電機的研制成功提供了條件，這種超導發電機正在加速走向實用化。目前，有些國家已在研制幾百至一千兆瓦的體積小、重量輕的超導發電機，預計機載大功率超導發電機將成為超導技術在軍事上率先得到應用的重點項目。

超導艦船20世紀70年代以來，美、蘇、英、日等國積極開展超導技術在海軍艦船方面應用的研究，并不斷取得成效。美國試制了7500馬力的超導驅動系統；英國研制了650馬力的超導電磁力推進裝置；日本制成了世界上第一艘超導船。超導艦船由于取消了傳統的螺旋槳推動部件，因而具有結構簡單、維修方便、推力大、航速高、無震動、無噪聲、無污染、造價低等諸多優點。潛艇應用超導推進系統后，能有效地消除噪音、降低紅外輻射，從而不易被敵方發現，大大提高了艦船的快速機動能力和突防能力。

超導聚能武器聚能武器是把能量匯聚成極細的能束，沿著精確的方向，以接近或等于光速的速度發射出去，對目標進行殺傷。但目前在研制這些武器上幾乎都遇到了能源問題。即如何在瞬間向聚能武器提供大量的能源，如激光武器，特別是大功率的戰略激光武器耗能巨大，它要求在瞬間提供數十億至數百億焦耳的能量，而目前的儲能裝置儲存的能量卻非常有限，且體大笨重。而超導技術的發展，則為解決聚能武器能源問題提供了可能。

用超導材料制成的閉合線圈是一種理想的儲能裝置。因為只要線圈保持超導狀態，它所儲存的電磁能就會毫無損耗地長期保存下去，并可隨時把強大的能量提供給聚能武器。超導儲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機動靈活、容量無比的彈藥庫。

超導C4I系統就目前來看，C4I系統的心臟———電子計算機，要想繼續提高系統的性能和運算速度，功耗是一個實際的限制。為此，國外已積極開展超導計算機的應用研究，并已經研制出約瑟夫遜超導元件，利用這一元件可將電路速度提高一個數量級，功耗比同等功能的集成硅電路低三個數量級。超導計算機的突出特點是，可在元器件不發熱、無電阻的情況下高效率地運行，C4I系統一旦應用了超導技術，其性能將獲得空前的提高。

超導太空發射器1990年，日本研制出了一種新型的常溫超導材料，它所具有的磁懸浮力相當于當時超導材料的300倍，它不僅可以用來制造高速磁懸浮列車，還可以用來發射航天飛機。如今，世界一些發達國家采用這種超導材料，已經研制出一種可以用來發射航天飛機的超導磁懸浮發射裝置，它主要由一條3500米長的水平超導導軌和一條2000米高的垂直超導導軌相連接，形成一個近90度的陡坡。發射時，龐大的航天飛機在磁懸浮力的作用下，沿著水平方向前進并逐漸被加速，當到達終端的弧形軌道后，便隨弧形軌道改變方向，并以每小時500—600千米的速度沿垂直導軌向上飛行，在距地面1500米左右時飛離發射裝置，與此同時，航天飛機的發動機開始工作，靠自身的動力直刺蒼穹。

采用超導磁懸浮發射裝置取代火箭發射航天飛機，可以減輕航天飛機的重量，增加有效載荷，并且推力大、耗能少、起飛速度大、安全可靠、可多次重復使用，從而節省了大量經費。

●超導攻關激戰猶酣

隨著超導技術的進一步發展，超導常溫材料研制成功，超導裝甲車輛、超導坦克、超導導彈等形形色色的超導武器也將紛紛亮相。事實上，早在1987年，美國就將超導技術的發展及實用化列入了國防部計劃、SDI計劃和“常規防御計

劃” （CDI）。美國前總統里根一份“發展超導技術的11點計劃”，其中明確規定要從 1988年開始的幾年計劃中，撥專款1．5億美元，以保證超導計劃能盡快應用在各種軍事系統中，并說在實用化方面美國必須走在日本的前頭。而日本則不甘

落后，在預測1994—2017年技術發展趨勢時明確指出，在擬完成的三項重點技術計劃中，首項便是液氮溫區以上的超導材料實用化。

不難預測，21世紀的戰場，將有越來越多的超導武器頻頻出現，而它們的應用必將引起未來作戰理論、作戰樣式和戰略戰術等方面的一系列變革。

暢談超導體的未來

眾所周知，中國為了修建三峽工程可謂是不惜血本啊！為什么要耗費如此巨大來建造三峽？中國原本是利用火力發電的，現在改用水力發電（還是有好多地方的電是靠火力的）。火力發電的能量來源絕大部分是煤炭，自然就要耗費大量的煤炭，這是顯而易見的。而煤炭又是不可再生資源。然而，世界范圍內都面臨著資源危機，顯然身為不可再生資源的煤炭在其中扮演著一個十分重要的角色。利用水力發電也就解決大大了這個問題，這就是為什么即使犧牲再大也要建造三峽水電站的根本原因。但是單單靠一個三峽水力發電顯然是不夠用的，特別是在這樣一個什么都要用電的現代化社會之中。煤炭在發電這方面的使用依然是十分巨大的。即使加上風力發電等其它能量來源，依然還是不能滿足現代社會對電力的需求。那么要怎樣做？

千家萬戶分住各地，我們不可能把他們集中在一個地方居住，所以L無法改變，這也是不爭的事實，同時因為考慮到熱脹冷縮的物理現象，我們的兩根電桿間的輸電線還必須長于他們的實際長度，這使得L的值相對而言就更加大了。而S做得太大也不切合實際。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體，如果使用超導體作為我們的輸電線的材料，我們將永永遠遠告別輸電線上帶來的損耗。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來換取電能了，因為利用其它方式發電將完完全全能夠滿足我們的所需。下面我來粗劣計算下輸電線上電能的損耗，以此來證明當用超導體作為輸電線時將帶來的巨大利益。

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