超导的研究现状及其发展前景要点.doc

题目：超导的研究现状及其发展前景

作者单位：陕西师范大学物理学与信息技术学院物理学一班
作者姓名：杜瑞，程琳，党晓菲，闫甜，王福琼，刘洁，刘园，郭丽丽
学号：40606043，40606042，40606044，40606045，40606046，40606047，40606048，40606049
指导教师：郭芳侠
交论文时间：20007-11-28

超导的研究现状及其发展前景
（陕西师范大学物理学一班 第七组 710062）
摘要：本文简单介绍了一些与超导相关的概念，超导材料，超导的简史，超导的研究现状及对超导应用的前景展望。
关键字：超导，超导体，超导现象，超导材料，临界参量，研究现状，前景
Superconductivity research present
situation and prospects for development
（ Shaanxi normal university physics one class Seventh group 710062）

Abstract: This article simply introduced some and the superconductivity correlation concept, the superconductivity material, the superconductivity brief history, the superconductivity research present situation and to the superconductivity application prospect forecast.

Keyword: superconductors, superconductors, superconductor, superconducting materials, critical parameters

引言：某些金属、合金和化合物，在温度降到绝对零度附近某一特定温度时，它们的电阻率突然减小到无法测量的现象叫做超导现象，能够发生超导现象的物质叫做超导体。超导材料和常规导电材料的性能有很大的不同：零电阻性、完全抗磁性、约瑟夫森效应。这些特性构成了超导材料在科学技术领域越来越引人注目的各类应用的依据。超导技术被认为是21世纪最具有战略意义的高新技术．目前已被广泛用于超导电缆、超导变压器、超导电机、超导限流器、超导磁分离器、超导磁共振成像（MRI）、超导储能装置、超导磁悬浮列车等应用产品的研发，在许多领域取得了重大突破，具有十分广阔的市场前景
超导简介：
超导材料　 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。现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。
特性 　超导材料和常规导电材料的性能有很大的不同。主要有以下性能。
零电阻性：超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。如果用磁场在超导环中引发感生电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。这种“持续电流”已多次在实验中观察到。
完全抗磁性：超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零。
约瑟夫森效应：两超导材料之间有一薄绝缘层（厚度约1nm）而形成低电阻连接时，会有电子对穿过绝缘层形成电流，而绝缘层两侧没有电压，即绝缘层也成了超导体。当电流超过一定值后，绝缘层两侧出现电压U（也可加一电压U），同时，直流电流变成高频交流电，并向外辐射电磁波，其频率为，其中h为普朗克常数，e为电子电荷。这些特性构成了超导材料在科学技术领域越来越引人注目的各类应用的依据
基本临界参量
　有以下 3个基本临界参量。
临界温度:外磁场为零时超导材料由正常态转变为超导态(或相反)的温度，以Tc表示。Tc值因材料不同而异。已测得超导材料的最低Tc是钨，为0.012K。到1987年，临界温度最高值已提高到100K左右。
临界磁场：使超导材料的超导态破坏而转变到正常态所需的磁场强度，以Hc表示。Hc与温度T 的关系为Hc=H0[1-(T/Tc)2]，式中H0为0K时的临界磁场。
临界电流和临界电流密度：通过超导材料的电流达到一定数值时也会使超导态破态而转变为正常态，以Ic表示。Ic一般随温度和外磁场的增加而减少。单位截面积所承载的Ic称为临界电流密度，以Jc表示
分类：
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。
超导元素：在常压下有28种元素具超导电性，其中铌（Nb）的Tc最高，为9.26K。电工中实际应用的主要是铌和铅(Pb，Tc=7.201K)，已用于制造超导交流电力电缆、高Q值谐振腔等。
合金材料： 超导元素加入某些其他元素作合金成分， 可以使超导材料的全部性能提高。如最先应用的铌锆合金(Nb-75Zr)，其Tc为10.8K，Hc为8.7特。继后发展了铌钛合金，虽然Tc稍低了些，但Hc高得多，在给定磁场能承载更大电流。其性能是Nb-33Ti，Tc=9.3K，Hc＝11.0特；Nb-60Ti，Tc=9.3K，Hc=12特(4.2K)。目前铌钛合金是用于7～8特磁场下的主要超导磁体材料。铌钛合金再加入钽的三元合金，性能进一步提高，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。
超导化合物:超导元素与其他元素化合常有很好的超导性能。如已大量使用的Nb3Sn，其Tc=18.1K，Hc=245特。其他重要的超导化合物还有V3Ga，Tc=16.8K，Hc=24特；Nb3Al，Tc=18.8K，Hc=30特。
超导陶瓷：20世纪80年代初，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。1987年，中国、美国、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。
超导材料的这些参量限定了应用材料的条件，因而寻找高参量的新型超导材料成了人们研究的重要课题。以Tc为例，从1911年荷兰物理学家H.开默林－昂内斯发现超导电性(Hg，Tc=4.2K)起，直到1986年以前，人们发现的最高的 Tc才达到23.2K(Nb3Ge，1973)。1986年瑞士物理学家K.A.米勒和联邦德国物理学家J.G.贝德诺尔茨发现了氧化物陶瓷材料的超导电性，从而将Tc提高到35K。之后仅一年时间，新材料的Tc已提高到100K左右。这种突破为超导材料的应用开辟了广阔的前景，米勒和贝德诺尔茨也因此荣获1987年诺贝尔物理学奖金。
超导的研究现状：
1911年，荷兰物理学家昂尼斯(1853～1926)发现，水银的电阻率并不象预料的那样随温度降低逐渐减小，而是当温度降到4.15K附近时，水银的电阻突然降到零。某些金属、合金和化合物，在温度降到绝对零度附近某一特定温度时，它们的电阻率突然减小到无法测量的现象叫做超导现象，能够发生超导现象的物质叫做超导体。超导体由正常态转变为超导态的温度称为这种物质的转变温度(或临界温度)TC。现已发现大多数金属元素以及数以千计的合金、化合物都在不同条件下显示出超导性。如钨的转变温度为0.012K，锌为0.75K，铝为1.196K，铅为7.193K。超导体得天独厚的特性，使它可能在各种领域得到广泛的应用。但由于早期的超导体存在于液氦极低温度条件下，极大地限制了超导材料的应用。人们一直在探索高温超导体，从1911年到1986年，75年间从水银的4．2K提高到铌三锗的23．22K，才提高了19K。
    1986年，高温超导体的研究取得了重大的突破。掀起了以研究金属氧化物陶瓷材料为对象，以寻找高临界温度超导体为目标的“超导热”。全世界有260多个实验小组参加了这场竞赛 。 同年1月，美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎世实验室科学家柏诺兹和缪勒首先发现钡镧铜氧化物是高温超导体，将超导温度提高到30K；紧接着，日本东京大学工学部又将超导温度提高到37K；12月30日，美国休斯敦大学宣布，美籍华裔科学家朱经武又将超导温度提高到40．2K。
    1987年1月初，日本川崎国立分子研究所将超导温度提高到43K；不久日本综合电子研究所又将超导温度提高到46K和53K。中国科学院物理研究所由赵忠贤、陈立泉领导的研究组，获得了48．6K的锶镧铜氧系超导体，并看到这类物质有在70K发生转变的迹象。2月15日美国报道朱经武、吴茂昆获得了98K超导体。2月20日，中国也宣布发现100K以上超导体。3月3日，日本宣布发现123K超导体。3月12日中国北京大学成功地用液氮进行超导磁悬浮实验。3月27日美国华裔科学家又发现在氧化物超导材料中有转变温度为240K的超导迹象。很快日本鹿儿岛大学工学部发现由镧、锶、铜、氧组成的陶瓷材料在14℃温度下存在超导迹象。高温超导体的巨大突破，以液态氮代替液态氦作超导制冷剂获得超导体，使超导技术走向大规模开发应用。氮是空气的主要成分，液氮制冷机的效率比液氦至少高10倍，所以液氮的价格实际仅相当于液氦的1／100。液氮制冷设备简单，因此，现有的高温超导体虽然还必须用液氮冷却，但却被认为是20世纪科学上最伟大的发现之一。
1991年3月 日本住友电气工业公司展示了世界上第一个超导磁体。
1991年10月 日本原子能研究所和东芝公司共同研制成核聚变堆用的新型超导线圈。该线圈电流密度达到每平方毫米40安培，为过去的3倍多，达到世界最高水准。该研究所把这个线圈大型化后提供给国际热核聚变堆使用。这个新型磁体使用的超导材料是铌和锡的化合物。
1992年1月27日 第一艘由日本船舶和海洋基金会建造的超导船“大和”1号在日本神户下水试航。超导船由船上的超导磁体产生强磁场，船两侧的正负电极使水中电流从船的一侧向另一侧流动，磁场和电流之间的洛化兹力驱动船舶高速前进。这种高速超导船直到目前尚未进入实用化阶段，但实验证明，这种船舶有可能引发船舶工业爆发一次革命，就像当年富尔顿发明轮船最后取代了帆船那样。
1992年 一个以巨型超导磁体为主的超导超级对撞机特大型设备，于美国得克萨斯州建成并投入使用，耗资超过82亿美元。
1996年 改进高温超导电线的研究工作取得进展，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。
2001年4月，340米铋系高温超导线在清华大学应用超导研究中心研制成功，并于年末建成第一条铋系高温线材生产线。
2001年5月，北京有色金属研究总院采用自行设计研制的设备，成功地制备出国内最大面积的高质量双面钇钡铜氧超导薄膜，达到国际同类材料的先进水平
2001年7月，香港科技大学宣布成功开发出全球最细的纳米超导线。
目前，我国超导临界温度已提高到零下120摄氏度即153K左右 。
目前高温超导材料指的是：钇系（92 K）、铋系（110K）、铊系（125K）和汞系（135K）以及2001年1月发现的新型超导体二硼化镁（39K）。其中最有实用前途的是铋系、钇系（YBCO）和二硼化镁（MgB2）。氧化物高温超导材料是以铜氧化物为组分的具有钙钦矿层状结构的复杂物质，在正常态它们都是不良导体。同低温超导体相比，高温超导材料具有明显的各向异性，在垂直和平行于铜氧结构层方向上的物理性质差别很大。高温超导体属于非理想的第II类超导体，且具有比低温超导体更高的临界磁场和临界电流，因此是更接近于实用的超导材料，特别是在低温下的性能比传统超导体高得多。
1.高温超导线带材
    高温超导体在强电方面众多的潜在应用（如：磁体、电缆、限流器、电机等）都需要研究和开发高性能的长线带材（千米量级）。所以，人们先后在YBCO、BSCCO及MgB2线材带化实用化方面做了大量的工作。目前已在Bi系Ag基复合带线材、铁基MgB2线材和柔性金属基Y系带材方面取得了很大进展。
    A. 第一代Bi系高温超导线材
    BSCCO超导体晶粒的层状化结构使得人们能够利用机械变形和热处理来获得具有较好晶体取向的Bi系线带材，即把Bi（Pb）-Sr-Ca-Cu-O粉装入金属管（Ag或Ag合金）中进行加工和热处理的方法。经过十几年的发展，利用这种方法，已经开发出长度为千米级的铋系多芯超导线材。美国、日本、德国、中国等国已具备生产几百米到上千米的批量能力。可以说，铋系高温超导带材的临界电流密度、长度已经基本上达到了电力应用的要求，而其价格对于限流器应用来说也基本满足要求，从而为开展强电应用研究奠定了基础。因此，各国都已大力开展有关超导磁体、输电电缆、超导变压器和故障限流器等方面的应用研究。
    B. 第二代YBCO高温超导带材 
    由于第一代Bi系带材的高成本以及它的一些性能问题如磁场下临界电流的急剧衰减等，使得基于它的超导技术在工业上的大规模应用前景变得渺茫。超导界不得不将研究重点转移到开发基于YBCO体系的第二代高温超导带材上来，因为YBCO具有更为优异的磁场下性能，是真正的液氮温区下强电应用的超导材料。
    与Bi系相比，YBCO的各向异性比较弱，可以在液氮温区附近较高磁场下有较大临界电流密度，但由于晶粒间结合较弱，难以采用装管法制备。采用沉积喷涂等镀膜方法制备钇系超导带材是当前高温超导强电应用材料研究的重点。近年来，采用IBAD/PLD和RABiTS/PLD (MOCVD或MOD)复合技术制备涂层带材已取得重大进展。如日本ISTEC公司已制备出212米长，临界电流达245 A的第二代带材。美国、德国等也已制备出百米量级的YBCO带材。 
    C. 新型MgB2超导线带材
    2001年1月，日本科学家发现了临界转变温度为39 K的MgB2超导体，引起了全世界的广泛关注。综合制冷成本和材料成本，MgB2超导体在20~30 K，低场条件下应用具有明显的价格优势，尤其是在工作磁场1~2 T的核磁共振成像MRI磁体领域。这也是国际MgB2超导体应用研究持续升温的关键原因之一。

   近几年来已经用各种方法制备了MgB2线带材。目前的研究集中在粉末装管技术，这是因为装管工艺能很容易推广到大规模工业生产中。美国、日本以及欧洲在线材实用化方面，进行了大量出色的工作，已能生产百米量级的线带材。
    目前国内从事MgB2带材研究和开发的单位主要有西北有色金属研究院和中科院电工研究所等。特别是近年来，电工所在MgB2带材制备技术、掺杂及元素替代等方面开展了大量工作，如在国际上首次报道了采用ZrSi2、ZrB2和WSi2化合物掺杂大幅度提高MgB2/Fe线带材临界电流密度的新方法，开辟了在高磁场中获高临界电流密度的新途径。
    最近，中科院电工所在较低的制备条件要求下，通过纳米SiC和C掺杂制备了临界电流密度达世界先进水平的MgB2线带材，并在世界上首次证明，对于MgB2材料，掺杂C可以得到和掺杂SiC一样优异的临界电流密度。这些研究成果标志着我国在改善MgB2高场超导性能领域达到了国际先进水平。另外，电工所在国际上首次将强磁场热处理技术应用于MgB2超导体制备过程，并用这种方法进行了MgB2超导体的掺杂和改性实验，改进了MgB2在强磁场下的超导性能，同时还利用制备的MgB2长线材开展了线圈绕制、测试等MRI磁体前期研究工作。
    2.超导块材
    研究YBCO超导块材的目标之一是利用它在超导态下的迈斯纳效应及磁通钉扎特性导致的磁悬浮力，应用于超导轴承、贮能以及磁浮列车等。经过十几年的发展，高临界温度氧化物超导块材取得了很大的进展，主要表现在临界电流密度的提高上。1988年，熔融织构工艺首先在临界电流密度提高方面取得了突破，随后又相继发展出液相处理法、淬火熔融生长和粉末熔化处理等熔化工艺。
    3.薄膜
    自从高温超导体发现以来，人们对高温超导薄膜的制备与研究都给予了极大的重视，特别是液氮温度以上的高温超导体的发现，使人们看到了广泛利用超导电子器件优良性能的可能性。想得到性能优良的高温超导器件就必须有质量很好的薄膜，但由于种种因素使制备高质量高Tc超导薄膜具有相当大的困难。尽管如此，通过各国科学家十几年来坚持不懈的努力，已取得了很大的进展，高质量的外延YBCO薄膜的Tc在90K以上，零磁场下77K时，临界电流密度已超过1×106A/cm2，工艺已基本成熟，并有了一批高温超导薄膜电子器件问世。
超导的前景展望：
由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性，因此用途非常广阔，大致可分为三类：电子学应用（弱电应用）、大电流应用（强电应用）和抗磁性应用。电子学应用包括超导微波器、超导计算机、超导天线等；大电流应用即超导发电、输电和储能；抗磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。
高温超导滤波器   高温超导材料的微波电阻比传统金属材料小3个数量级左右，用高温超导制造的滤波器插入损耗极小（插损≤0.1dB），通带带边陡峭（较传统滤波器提高5-10倍）、带外抑制性好，具有十分理想的滤波性能。
超导计算机　高速计算机要求集成电路芯片上的元件和连接线密集排列，但密集排列的电路在工作时会发生大量的热，而散热是超大规模集成电路面临的难题。超导计算机中的超大规模集成电路，其元件间的互连线用接近零电阻和超微发热的超导器件来制作，不存在散热问题，同时计算机的运算速度大大提高。此外，科学家正研究用半导体和超导体来制造晶体管，甚至完全用超导体来制作晶体管。
超导发电机　　国际上认为，超导同步发电机是未来电站的主力，并争相开展研制工作．已研制 完成的最大容量的为前苏联和法国的30万千瓦发电机．美国和日本并不急于开发百万 千瓦级的发电机，他们已研制完成的发电机容量分别为3万千瓦和5万千瓦．日本计划 研制国内最大的20万千瓦的发电机． 发电站的容量随着电力需求的增长而增长，因此，大功率、长距离、低损耗的输 电技术对提高输电的经济效益是十分重要的，而超导体具有零电阻的特性，可以输送 极大的电流和功率而没有电功率损耗，因此超导输电系统必将带来大的改观．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，而体积却减少1/2，整机重量减轻1/3，发电效率提高50％。
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。
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。
超导磁悬浮列车　当今世界，提高陆路交通工具的速度对促进国家经济发展和改善人们生活质量是十分重要的．传统的铁路车辆由于车轮和铁轨磨损严重，以及车轮与铁轨的摩擦力，限制了车速．这种机车目前设计速度最高可达274公里/小时，运行平均速度为209公 里/小时，在本世纪 60年代，法国、英国和美国又生产出有轨的气垫机车，城市间运 行速度可达160公里/小时．然而，由于人们对磁悬浮兴趣的增长，现在气垫机车的发展已陷于停顿状态．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，磁体和超导体之间会产生排斥力，使超导体悬浮在磁体上方。利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车。　日本人设计一种电动悬挂系统，该系统使用了由液氦冷却的 (－269℃)铌等超导 物质做成的超导磁体，在 －296℃下它的电阻为零，利用超导磁体的排斥力，从而使 轨道与列车之间形成10～15厘米的空隙．一个小型示范性模型列车创造了517公里/小时的世界记录，其试验轨道长6.5公里，使用的超导材料是NbTi，在液氦下冷却到5K． 磁悬浮列车与传统列车相比有一系列的优点：克服了传统列车对速度的限制；非接触的运行克服了恶劣气候(如：雨、雪或冰)的障碍；采用非接触运行，没有机械磨损，减少了维修成本；由于没有运动部件，大大提高了系统的可靠性；由于只用电能， 对于石油供应紧张的国家更有意义；可节省能源． 1人公里消耗能源只是飞机或汽车 的 1/4速度极大提高，增加了运送旅客的能力，具有很大的潜在市场；大幅度地降 低了噪声和振动，有利于保护环境．
核聚变反应堆"磁封闭体"　核聚变反应时，内部温度高达1亿～2亿℃，没有任何常规材料可以包容这些物质。而超导体产生的强磁场可以作为"磁封闭体"，将热核反应堆中的超高温等离子体包围、约束起来，然后慢慢释放，从而使受控核聚变能源成为21世纪前景广阔的新能源。
粒子加速器是研究宇宙和物质基本问题的主要设备，美国在加速器的建造方面走在世界最前列．随着超导体技术的发展，在1988年美国国家科学基金会批准了建造至 今为止功能最强的粒子加速器——超级超导对撞机(SSC)计划，3年财政预算达32亿美 元．计划1999年将超级超导对撞机投入运行．超级超导对撞机相当庞大，在地下铺设 了长度为53英里的环形管道．超级超导对撞机将把相向的两个质子束加速到光速的99 .9% 以上的速度，超导磁体使质子束弯曲和聚焦以通过弯曲的路径，超导磁体要比普 通铁磁体生产更强的磁场，使质子束行进的曲率半径更小，这样就使环形管道的尺寸小型化．
在国防系统方面，超导技术在军事上也可大显身手．在弱电方面，用于水下通信、 潜艇探测、遥感、扫雷等；制成高频微波器件、红外探测器，用于雷达、微波通信及 地面卫星接收机；超导天线及馈线系统，用于导弹和卫星；数字信号和数据处理器等． 在强电方面，主要是利用高电流密度超导材料所产生的强磁场及超导储能线圈可以存 储大量能量的特性作为武器的能源，这样可以减少储能设备的尺寸和重量．美国的“ 星球大战”计划中投入5000万美元进行这方面的研究．研究中使用的低温超导磁体， 估计其储能密度相当高，在微微秒时间内释放出来． 超导强磁体用于舰船推进系统．美国已用低温超导材料制造出试验性的3兆瓦直流电机，用于舰船推进系统并在海中进行了试验．该电机比相同功率传统空冷电机小 33 %．实际上，利用低温超导材料及当前的技术可以使电机的重量进一步减小，例如一台具有3万千瓦的超导单极直流电机仅为现在同样功率的交流电机重量的四分之一． 美国正在研制这类规模的超导电机，日本也在进行小模型的试验研究． 超导电子轨道炮．美国的“星球大战”计划组织支持了该项技术的研究．轨道炮 技术是作为射弹加速器来使用的，它能使抛射物达到极高的速度．这种抛射系统不同 于化学推进系统，前者可达到的末端点的速度不受气体膨胀速度限制而由行进的电磁 脉冲的速度决定，因此可达到很高的速度． 高温超导的应用大多是低温超导应用的延伸，即当前已实用的或可预见年份实用 的低温超导设备与器件中的低温超导材料用高温超导材料替代，以降低成本，扩大超导的应用范围．但高温超导应用遇到的问题较多，现在仍是物理学前沿阵地的富有挑 战性的研究课题．
根据世界银行预测，2020年，全球超导产业产值将达到2400亿美元以上．经过国内外科学家和产业界十几年的努力，超导技术： 在多个领域已开发出实用化样机并投入试验运行；各国都启动了政府和企业共同支持的应用项目； 高温超导线材生产厂家竞相投资，扩大生产能力；专家认为，到2004年，超导产业进入高增长时期。
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