超导材料的未来展望

1．超导的发展历史及原理简介

1911年，卡莫林·昂纳斯在研究水银的低温电阻随温度的变化时发现水银的电阻在T=4.2K附近时突然降到了零。昂纳斯把这种电阻突然消失的状态称之为超导态。此后，他又发现其他许多金属也具有超导现象，并把这种能随温度降低而进入超导态的材料叫做超导材料，也叫做超导体。由此拉开了人们研究超导态及超导材料的序幕。

此后人们针对超导态的产生原因进行了一系列研究，卡末林·昂内斯，霍尔姆，迈斯纳，奥森菲尔德，弗茹里赫等众多科学家先后提出了重要的理论来试图解决超导态出现的原因。但是直到1950年美国伊利诺斯大学的巴丁、库柏和斯里弗提出超导电量子理论的才真正成功解释了超导现象，他们认为：在超导态金属中电子以晶格波为媒介相互吸引而形成电子对，无数电子对相互重叠又常常互换搭配对象形成一个整体，电子对作为一个整体的流动产生了超导电流。由于拆开电子对需要一定能量，因此超导体中基态和激发态之间存在能量差，即能隙。这一重要的理论预言了电子对能隙的存在，被科学家界称作“巴库斯理论”。这一理论的提出标志着超导理论的正式建立，从而使超导研究进入了一个新的阶段。现今超导已被更好地完善并越来越多地利用到人们的现实生活中，例如超导列车，高温超导输电电缆，超导船等都渐渐走入我们的视野并开始扮演着越来越重要的角色。

2．超导材料的简单分类我们已经知道许多材料在达到一定条件时都可达到超导态，但是其达到超导态的具体条件确是各不相同的因此需要对超导材料进行具体的分类。比如可以将超导材料按其化学成分分为元素材料、合金材料、化合物材料和超导陶瓷四种。

在元素周期表中，常压下具有超导电性的就有26个，如：Pb、In、Sn、Al、Nb、V、Ta等，有的元素在常压下不能成为超导体，但在高压下就能进入超导态，如：Ge、Si等。

除此之外，还有一些金属元素的合金，化合物也能呈现超导电性，称之为合金超导体和化合物超导体。超导合金以PbIn、NbTi为代表，超导化合物以Nb3Sn、V3Ga为代表。他们的Tc见表1.1。

表1.1超导合金和超导化合物的转变温度

迄今为止，具有超导性的元素、化合物已有数千种。特别是近20年来，高温氧化物超导体的发现，有使超导体的类属增加了成千上万个，表1. 2列出了一些主要的高温氧化物超导体及其Tc。

表1.2高温氧化物超导体的转变温度

另外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Tc=35K的超导电性。

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。 3．超导材料的应用现状

超导材料有着许多其他材料所以难以匹及的优越性，所以自他被发现之日起，人们就在不断研究如何将其最好应用到实际生活中。到目前为止，超导材料的应用主要有： ① 利用超导材料的超导电性可制作磁体，应用于电机、高能粒子加速器、磁悬浮运输、受

控热核反应、储能等；可制作电力电缆，用于大容量输电；可制作通信电缆和天线，其性能优于常规材料。

② 利用超导材料的完全抗磁性可制作无摩擦陀螺仪和轴承。

③ 利用超导材料的约瑟夫森效应可制作一系列精密测量仪表以及辐射探测器、微波发生

器、逻辑元件等。利用约瑟夫森结作计算机的逻辑和存储元件，其运算速度比高性能集成电路的快10-20倍，而功耗却只有其四分之一。

现阶段超导体的广泛应用要解决材料在技术方面的很多问题。在材料方面，要求超导体应有较高的临界温度和临界电流。其安全稳定性要考虑，而提高超导材料的超导转变温度是超导材料得以广泛应用的基本前提，临界电流的提高也是至关重要的。

超导体本身也存在一些弱点。如强烈的各向异性，短的相干长度，不均匀性等等。现代在液氢温区大规模应用超导体还需要努力，进一步发展制备工艺。

4．高温超导的技术简介

高温超导是相对于常规的超导材料而言，其达到超导态温度比较高。

人们提出疑问，临界温度一直在十几 K、二十几K。对于这么低的临界温度超导材料的应用价值何在？能否有更高的临界温度？能否在常温下就有超导现象产生？由此诞生了高温超导的概念。 1986 年 10 月，柏诺兹等人提出了他们在 Ba-La-Cu-O 系统中获得了Tc为 33K 左右的报道。同年 12 月 15 日，休斯顿大学报告了在处于压力下的 La-Ba-Cu-O 化合物体系中获得 40.2K的超导转变。同年 12 月 26 日，中科院物理研究所宣布，他们成功地获得转变温度 48.6K 的超导材料。到 1987 年 2 月 16 日。朱经武的试验小组在 92K 处观察到了超导转变。同年 2 月 24 日，中科院物理研究所赵忠贤领导的研究集体宣布，液氮温区超导体起始转变温度在 100K 左右。这时期超导临界温度突破液氮沸点 77K大关，对人类具有划时代的意义。

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结语：超导技术毫无疑问将成为 21 世纪的宠儿，而超导材料也将深入千家万户。超导技术的发展、应用和普及将会在世界能源方面发挥不朽的作用，将会为世界每年免去不必要的边缘耗散。如果能用上超导材料，那每年消耗的能量将不可估量。如果这些能量被合理地利用起来对人类的发展不可谓不大，或者每年为这些能量的耗散而投入的不必要的资金，用于资助那些苦难的、急需救助的国家与人民，那意义不可谓不大。超导材料的普及必将是一场材料大革命，其意义并不会亚于其他科技革命。

摘要：

① 百度百科 ② 互动百科

③ 电动力学，郭硕鸿，高等教育出版社，2004

超导材料的未来展望 [篇2]

超导材料——当代科学的明珠

超导是超导电性的简称。是一种材料，如某种金属、合金或化合物在温度下降至某一临界温度时，其电阻完全消失，这种现象称为超导电性，具有这种现象的材料称为超导材料。超导体的另外一个特征是：当电阻消失时，磁感应线将不能通过超导体，这种现象称为抗磁性。

超导材料的用途非常广阔，大致可分为三类：大电流应用（强电应用）、电子学应用（弱电应用）和抗磁性应用。大电流应用即超导发电、输电和储能；电子学应用包括超导计算机、超导天线、超导微波器件等；抗磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。超导体的巨大前景

●超导材料不可思议

那么，为什么世界各国对“超导”技术的研究与开发如此重视呢？这主要是因为超导材料具有极其优越的物理特性：一是零电阻效应，二是约瑟夫逊效应，三是迈斯纳效应。超导体这些突出特性的重大意义，不亚于半导体的发现。甚至有专家预言，超导体的应用将导致一场新技术革命，特别是在军事领域的'应用，将引起一系列巨大变革。

●军事应用前景广阔

超导体在军事领域的应用将十分广泛。采用超导体材料，可使许多重要的军用装备，如C4I系统、聚能武器、舰艇、飞机、坦克、装甲车辆、导弹等武器的性能得到大幅度的改善。

超导飞机设计制造大功率、小体积的发动机，对提高飞机的作战性能至关重要。目前，飞机所采用的均是磁流体发电，但利用普通磁体，很难使磁场强度高于15高斯，而如果利用超导磁体就能产生数万至几十万高斯的磁场，从而大大提高磁体发电的输出功率。所以，超导技术的突破，为大容量、小型化磁流体发电机的研制成功提供了条件，这种超导发电机正在加速走向实用化。目前，有些国家已在研制几百至一千兆瓦的体积小、重量轻的超导发电机，预计机载大功率超导发电机将成为超导技术在军事上率先得到应用的重点项目。

超导舰船20世纪70年代以来，美、苏、英、日等国积极开展超导技术在海军舰船方面应用的研究，并不断取得成效。美国试制了7500马力的超导驱动系统；英国研制了650马力的超导电磁力推进装置；日本制成了世界上第一艘超导船。超导舰船由于取消了传统的螺旋桨推动部件，因而具有结构简单、维修方便、推力大、航速高、无震动、无噪声、无污染、造价低等诸多优点。潜艇应用超导推进系统后，能有效地消除噪音、降低红外辐射，从而不易被敌方发现，大大提高了舰船的快速机动能力和突防能力。

超导聚能武器聚能武器是把能量汇聚成极细的能束，沿着精确的方向，以接近或等于光速的速度发射出去，对目标进行杀伤。但目前在研制这些武器上几乎都遇到了能源问题。即如何在瞬间向聚能武器提供大量的能源，如激光武器，特别是大功率的战略激光武器耗能巨大，它要求在瞬间提供数十亿至数百亿焦耳的能量，而目前的储能装置储存的能量却非常有限，且体大笨重。而超导技术的发展，则为解决聚能武器能源问题提供了可能。

用超导材料制成的闭合线圈是一种理想的储能装置。因为只要线圈保持超导状态，它所储存的电磁能就会毫无损耗地长期保存下去，并可随时把强大的能量提供给聚能武器。超导储能装置使聚能武器如虎添翼，它有如给聚能武器提供了一个机动灵活、容量无比的弹药库。

超导C4I系统就目前来看，C4I系统的心脏———电子计算机，要想继续提高系统的性能和运算速度，功耗是一个实际的限制。为此，国外已积极开展超导计算机的应用研究，并已经研制出约瑟夫逊超导元件，利用这一元件可将电路速度提高一个数量级，功耗比同等功能的集成硅电路低三个数量级。超导计算机的突出特点是，可在元器件不发热、无电阻的情况下高效率地运行，C4I系统一旦应用了超导技术，其性能将获得空前的提高。

超导太空发射器1990年，日本研制出了一种新型的常温超导材料，它所具有的磁悬浮力相当于当时超导材料的300倍，它不仅可以用来制造高速磁悬浮列车，还可以用来发射航天飞机。如今，世界一些发达国家采用这种超导材料，已经研制出一种可以用来发射航天飞机的超导磁悬浮发射装置，它主要由一条3500米长的水平超导导轨和一条2000米高的垂直超导导轨相连接，形成一个近90度的陡坡。发射时，庞大的航天飞机在磁悬浮力的作用下，沿着水平方向前进并逐渐被加速，当到达终端的弧形轨道后，便随弧形轨道改变方向，并以每小时500—600千米的速度沿垂直导轨向上飞行，在距地面1500米左右时飞离发射装置，与此同时，航天飞机的发动机开始工作，靠自身的动力直刺苍穹。

采用超导磁悬浮发射装置取代火箭发射航天飞机，可以减轻航天飞机的重量，增加有效载荷，并且推力大、耗能少、起飞速度大、安全可靠、可多次重复使用，从而节省了大量经费。

●超导攻关激战犹酣

随着超导技术的进一步发展，超导常温材料研制成功，超导装甲车辆、超导坦克、超导导弹等形形色色的超导武器也将纷纷亮相。事实上，早在1987年，美国就将超导技术的发展及实用化列入了国防部计划、SDI计划和“常规防御计

划” （CDI）。美国前总统里根一份“发展超导技术的11点计划”，其中明确规定要从 1988年开始的几年计划中，拨专款1．5亿美元，以保证超导计划能尽快应用在各种军事系统中，并说在实用化方面美国必须走在日本的前头。而日本则不甘

落后，在预测1994—2017年技术发展趋势时明确指出，在拟完成的三项重点技术计划中，首项便是液氮温区以上的超导材料实用化。

不难预测，21世纪的战场，将有越来越多的超导武器频频出现，而它们的应用必将引起未来作战理论、作战样式和战略战术等方面的一系列变革。

畅谈超导体的未来

众所周知，中国为了修建三峡工程可谓是不惜血本啊！为什么要耗费如此巨大来建造三峡？中国原本是利用火力发电的，现在改用水力发电（还是有好多地方的电是靠火力的）。火力发电的能量来源绝大部分是煤炭，自然就要耗费大量的煤炭，这是显而易见的。而煤炭又是不可再生资源。然而，世界范围内都面临着资源危机，显然身为不可再生资源的煤炭在其中扮演着一个十分重要的角色。利用水力发电也就解决大大了这个问题，这就是为什么即使牺牲再大也要建造三峡水电站的根本原因。但是单单靠一个三峡水力发电显然是不够用的，特别是在这样一个什么都要用电的现代化社会之中。煤炭在发电这方面的使用依然是十分巨大的。即使加上风力发电等其它能量来源，依然还是不能满足现代社会对电力的需求。那么要怎样做？

千家万户分住各地，我们不可能把他们集中在一个地方居住，所以L无法改变，这也是不争的事实，同时因为考虑到热胀冷缩的物理现象，我们的两根电杆间的输电线还必须长于他们的实际长度，这使得L的值相对而言就更加大了。而S做得太大也不切合实际。显然R是很大，自然损耗功也是很大的。

但是大家不要忘了超导体，如果使用超导体作为我们的输电线的材料，我们将永永远远告别输电线上带来的损耗。输电线上得损耗的杜绝将让我们可以很自信的向宇宙宣布我们地球上将不用再以牺牲煤炭为代价来换取电能了，因为利用其它方式发电将完完全全能够满足我们的所需。下面我来粗劣计算下输电线上电能的损耗，以此来证明当用超导体作为输电线时将带来的巨大利益。

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