超導材料的發展前景

　　超導材料，是指具有在一定的低溫條件下呈現出電阻等于零以及排斥磁力線的性質的材料。現已發現有28種元素和幾千種合金和化合物可以成為超導體。下面是有關于超導材料的發展前景，歡迎閱讀。

　　我國超導研發再獲突破 諸多領域應用前景廣闊

　　近日中科院電工所成功研制出全球首根100米量級鐵基超導長線。這是鐵基超導材料從實驗室研究走向產業化進程的關鍵一步，標志著我國在鐵基超導材料技術領域的研發走在了世界最前沿。目前，美、日、歐等國家的鐵基超導線制備還處于米級水平。

　　據上海證券報9月8日消息，鐵基超導材料在工業、醫學、國防等諸多領域具有廣闊的應用前景，被認為是最具發展前景的新型高溫超導體之一。目前高溫超導材料正從研究階段向應用發展階段轉變。數據顯示，去年全球超導技術市場規模達到18億美元，預計到2022年市場規模將增至58億美元，年均復合增速將達12.8%。其中，商業、醫療保健和電力等工業領域的需求提升是促進市場快速增長的主要原因。

　　鐵基超導材料是繼銅基超導材料之后發現的一類新的高溫超導材料，這是高溫超導研究領域的一個“重大進展”。據了解，鐵基超導體由于其上臨界磁場最大可超過100特斯拉，并且在高磁場下仍能保持超導無損傳輸和高載流密度的特性，使其迅速成為國際超導領域爭相競逐的研究熱點。

　　公開資料顯示，2013年度國家自然科學一等獎，即為“40K以上鐵基高溫超導體的發現及若干基本物理性質的研究”。該項研究成果首次突破麥克米蘭極限溫度，確定鐵基超導體為新一類高溫超導體，為未來潛在的應用提供了新的材料體系。

　　另外，去年國務院發布了《中國制造2025》，要求加快研發新材料制備關鍵技術和裝備，突破產業化制備瓶頸。做好超導材料、納米材料、石墨烯、生物基材料等戰略前沿材料提前布局和研制，加快基礎材料升級換代。突破大功率電力電子器件、高溫超導材料等關鍵元器件和材料的制造及應用技術，形成產業化能力。

　　從產品類型來看，超導分為低溫超導和高溫超導。其中，低溫超導應用范圍最廣泛。隨著技術的不斷改進，高溫超導需求將不斷增加。從應用領域來看，磁共振成像將成為應用需求最多的一個領域。另外，電子電氣將成為超導技術需求增速最快的領域。

　　超導材料的發現及應用前景

　　這一切曾經都是夢想：列車懸浮在空中高速行駛，快得讓人無暇欣賞窗外的景致;小小一臺掌上電腦可與任何大型超級電腦相媲美。如今這些都正在變成現實，而這些夢想的實現都應歸功于神奇的超導技術。超導究竟是什么?它的神奇之處又在哪里?

　　僅在中國，每年電力系統的損耗就達1000多億度，因而尋找超導材料就成為科學家們急需解決的問題之一。

　　托卡馬克是一種供科學研究用的反應堆，它可以產生出核聚變必需的極高的溫度，如果利用超導材料，它不僅可以產生超強的電磁場，而且還可以產生高能粒子束。

　　磁懸浮列車是利用超導材料的抗磁性(磁懸浮效應)生產的。

　　1911年荷蘭物理學家開麥林·昂內斯在實驗中，偶然發現了水銀具有了超導電性。

　　眾多科學家非常關注昂內斯教授的這一偉大發現，自1911年起，許多人都開始研究超導體。經歷了幾十年的努力，人們發現了具有超導性能的上千種金屬、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電性。

　　1986年，年輕的物理學家貝特諾茨和繆勒在瑞士國際商用公司實驗室工作，他們從奇妙的超導現象中獲得啟示，發現了一種鑭銅鋇氧陶瓷氧化物材料在比絕對零度高43℃的較高溫度下，即43K時會出現超導現象。

　　此后，我國物理學家趙忠賢、美籍華人科學家朱經武，相繼于1987年發現了釔鋇銅氧系高溫超導材料。不久，又發現了鉍鍶鈣氧銅超導合金和鉈鋇鈣銅氧合金，這種合金在110K和120K出現超導現象，使超導溫度更接近于室溫。接著，我國科學家又發現了一種高溫超導的材料，這種超導材料在132K時電阻為零。

　　現在，科學家們正致力于使超導臨界溫度達到240K(干冰溫度)和300K(室溫)。他們已經注意到這樣一種現象，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體。科學家們對這一想法充滿信心，認為一定能很快實現它。

　　超導材料有幾個特點，首先，超導材料沒有電阻，它輸送電流時，不會造成電力損耗，用它可以制作出體積很小的發電機，送出的電流卻很大。

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

　　科學家們對超導材料的發展前景充滿了信心，他們推測，如果利用超導材料的這兩個特性制成各種輸電、發電、儲能設備，將會大大節約能源和提高效率。

　　國際上正在開發轉子磁場線圈和定子電樞線圈均使用超導線材的發電機，這種發電機叫全超導發電。同時也在研究使用高溫超導線材的發電機，這種發電機叫做高溫超導發電機。這兩種發電機作為新型超導發電機，仍處在研制開發階段。此外，科學家們還在進行實驗，研究用超導材料制作的，能把電能幾乎無損耗地高效能地輸送給用戶的超導電線和超導變壓器。同時，對核聚變發電，超導體也將產生重大影響。核聚變會產生能量，且產生的能量相當大。

　　超導材料在上述強電應用領域的用途極其廣泛，其在弱電應用和抗磁性應用領域的應用也很充分。磁懸浮列車是利用超導材料的抗磁性(磁懸浮效應)生產的。它現在已進入實質性的運營階段。超導材料將會引起人類陸地交通的變革。此外，超導磁體在許多科學儀器中也得到了運用，如粒子加速器。它是使如質子等帶電粒子增加速度，獲得高能的儀器。

　　超導技術使過去很難實現的10萬高斯的強磁場在現在變得實現起來相當容易。強大的超導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。采用超導磁體的核磁共振、人體掃描技術在醫學診斷中的重要作用日益凸顯。總之，凡是需要強大均勻磁場之處，超導磁體都能成功地完成任務。

　　現在一門實用性很強的學科——超導電子學正在迅速發展。它的發展必將給電子工業帶來革命性的沖擊。

　　超導材料的發展史

　　1911年，荷蘭科學家海克·卡末林·昂內斯用液氦冷卻汞，當溫度下降到絕對溫標4.2K時水銀的電阻完全消失，這種現象稱為超導電性，此溫度稱為臨界溫度。根據臨界溫度的不同，超導材料可以被分為：高溫超導材料和低溫超導材料。但這里所說的「高溫」，其實仍然是遠低於冰點攝氏0℃的，對一般人來說算是極低的溫度。

　　1933年，邁斯納和奧克森菲爾德兩位科學家發現，如果把超導體放在磁場中冷卻，則在材料電阻消失的同時，磁感應線將從超導體中排出，不能通過超導體，這種現象稱為抗磁性。

　　經過科學家們的努力，超導材料的磁電障礙已被跨越，下一個難關是突破溫度障礙，即尋求高溫超導材料。

　　1973年，發現超導合金――鈮鍺合金，其臨界超導溫度為23.2K，這一記錄保持了近13年。

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

　　1986年，美國貝爾實驗室研究的超導材料，其臨界超導溫度達到40K，液氫的“溫度壁壘”（40K）被跨越。

　　1987年，中國科學家趙忠賢以及美國華裔科學家朱經武相繼在釔－鋇－銅－氧系材料上把臨界超導溫度提高到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溫度的記錄提高到125K。從1986－1987年的短短一年多的時間里，臨界超導溫度提高了近100K。

　　2001年，二硼化鎂（MgB2）被發現其超導臨界溫度達到39K [1]。此化合物的發現，打破了非銅氧化物超導體（non-cuprate superconductor）的臨界溫度紀錄。

　　1990至2000年代，具ZrCuAsSi結構的稀土過渡金屬氮磷族化合物（rare-earth transition-metal oxypnictide, ReTmPnO）陸續被發現[2] [3]。但并未有人發現其中的超導現象。

　　2008年，日本的Hideo Hosono團隊發現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的臨界溫度達到26K[4]，在加壓後（4 GPa）甚至可達到43K[5]。其後，中國的聞海虎團隊，發現在以鍶取代稀土元素之後，La1-xSrxFeAsO亦可達到臨界溫度25K[6]。其後，中國的科學家陳仙輝、趙忠賢等人，發現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，也都可以引發超導[9] [10] [11]。

　　此系統亦被簡稱為「1111系統」。此化合物的發現，非但再度打破了由MgB2保持的非銅氧化物超導體（non-cuprate superconductor）的臨界溫度紀錄，其含鐵卻有超導的特性也受人注目。

　　同樣在2008年，受到上述「1111系統」的啟發，ThCr2Si2結構的鹼土金屬氮磷族化合物（ATm2Pn2）亦被發現，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的高溫超導體，如Ba1-xKxFe2As2（38 K） [12]。此系統亦被簡稱為「122系統」。如同氧化物超導體，「1111」與「122」系統的超導來源也是由層狀結構中的FeAs層貢獻，藉由不同價數的離子摻雜或是氧缺陷，可提升FeAs層載子的濃度，進而引發超導。

　　超導材料的分類

　　超導材料按其化學成分可分為元素材料、合金材料、化合物材料和超導陶瓷。

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

　　2.合金材料：超導元素加入某些其他元素作合金成分， 可以使超導材料的全部性能提高。如最先應用的鈮鋯合金（Nb-75Zr），其Tc為10.8K，Hc為8.7特。繼后發展了鈮鈦合金，雖然Tc稍低了些，但Hc高得多，在給定磁場能承載更大電流。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特磁場下的主要超導磁體材料。鈮鈦合金再加入鉭的三元合金，性能進一步提高，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.超導化合物：超導元素與其他元素化合常有很好的超導性能。如已大量使用的Nb3Sn，其Tc=18.1K，Hc=24.5特。其他重要的超導化合物還有V3Ga，Tc=16.8K，Hc=24特；Nb3Al，Tc=18.8K，Hc=30特。④超導陶瓷：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Tc=35K的超導電性。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。

　　超導材料的特性

　　1.零電阻性：超導材料處于超導態時電阻為零，能夠無損耗地傳輸電能。如果用磁場在超導環中引發感生電流，這一電流可以毫不衰減地維持下去。這種“持續電流”已多次在實驗中觀察到。

　　2.完全抗磁性：超導材料處于超導態時，只要外加磁場不超過一定值，磁力線不能透入，超導材料內的磁場恒為零。

　　3.約瑟夫森效應：兩超導材料之間有一薄絕緣層（厚度約1nm）而形成低電阻連接時，會有電子對穿過絕緣層形成電流，而絕緣層兩側沒有電壓，即絕緣層也成了超導體。當電流超過一定值后，絕緣層兩側出現電壓U（也可加一電壓U），同時，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，e為電子電荷。這些特性構成了超導材料在科學技術領域越來越引人注目的各類應用的依據。

　　超導材料的用途

　　超導材料可用于制作交流超導發電機、磁流體發電機和超導輸電線路等。目前超導量子干涉儀（SQUID）已經產業化。 另外，作為低溫超導材料的主要代表NbTi合金和Nb3Sn，在商業領域主要應用于醫學領域的MRI（核磁共振成像儀）。作為科學研究領域，已經應用于歐洲的大型項目LHC項目，幫助人類尋求宇宙的起源等科學問題。

　　超導材料的應用

　　1、利用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（功率可達10000MVA）；可制作通信電纜和天線，其性能優于常規材料。還可用在太陽能電池中，如便攜音箱鋰電池。

　　2、利用材料的完全抗磁性可制作無摩擦陀螺儀和軸承。

　　3、利用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，功耗只有四分之一。

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