超导材料论文

第一篇：超导材料论文

超导材料

摘要：简要介绍了超导材料的发展历史、现状，对未来的超导材料的发展作了展望，并对目前超导材料的主要研制方法进行了分析。关键词：超导体 研究进展 高温 低温 应用 一 前言

超导材料是在低温条件下能出现超导电性的物质。超导材料最独特的性能是电能在输送过程中几乎不会损失。超导材料的发展经历了从低温到高温的过程，经过无数科学家的努力，超导材料的研究已经取得了巨大的发展。近年来，随着材料科学的发展，超导材料的性能不断优化，实现超导的临界温度也越来越高。高温超导材料的制备工艺也得到了长足的发展，一些制备高温超导材料的材料陆续被科学家发现。现在，超导材料的研究主要集中在超导输电线缆，超导变压器等电力系统方面，还有，利用超导材料可以形成强磁场，是超导材料在磁悬浮列车的研究上有了用武之地，另外，超导材料在医学，生物学领域也取得了很大的成就。超导材料的研究未来，超导材料的研究将会努力向实用化发展。一旦室温超导体达到实用化、工业化，将对现代文明社会中的科学技术产生深刻的影响。二 研究现状

1.超导材料的探索与发展

探索新型超导材料在超导材料研究中始终起着关键的作用，同时也是一项高风险、高投入的研究工作。自1911年荷兰物理学家卡麦林·昂尼斯发现汞在4.2K附近的超导电性以来，人们发现的新超导材料几乎遍布整个元素周期表，从轻元素硼、锂到过渡重金属铀系列等。超导材料的最初研究多集中在元素、合金、过渡金属碳化物和氮化物等方面。至1973年，发现了一系列A15型超导体和三元系超导体，如Nb3Sn、V3Ga、Nb3Ge，其中Nb3Ge超导体的临界转变温度(Tc)值达到23.2K。以上超导材料要用液氦做致冷剂才能呈现超导态，因而在应用上受到很大限制。1986年，德国科学家柏诺兹和瑞士科学家穆勒发现了新的金属氧化物超导材料即钡镧铜氧化物(La-BaCuO)，其Tc为35K，第一次实现了液氮温区的高温超导。铜酸盐高温超导体的发现是超导材料研究上的一次重大突破，打开了混合金属氧化物超导体的研究方向。1987年初，中、美科学家各自发现临界温度大于90K的YBacuO超导体，已高于液氮温度(77K)，高温超导材料研究获得重大进展。后来法国的米切尔发现了第三类高温超导体BisrCuO，再后来又有人将Ca掺人其中，得到Bis尤aCuO超导体，首次使氧化物超导体的零电阻温度突破100K大关。1988年，美国的荷曼和盛正直等人又发现了T1系高温超导体，将超导临界温度提高到当时公认的最高记录125K。瑞士苏黎世的希林等发现 在HgBaCaCuO超导体中，临界转变温度大约为133K，使高温超导临界温度取得新的突破。

2.超导材料的研究 2.1低温超导阶段

在梅斯勒发现超导体的抗磁性之后(相继有荷兰物理学家埃伦弗斯特根据有关的超导 体在液氦中比热不连续现象(提出热力学中二级相变的概念)柯特和卡西米尔提出超导的二 流体模型)德国物理学家F·伦敦和H·伦敦兄弟提出超导电性的电动力学唯相理论（即伦敦

方程）；度海森伯根据电子间的库仑相互作用，提出了一种超导微观理论，波尔提出了另一种微观理论；前苏联物理学家阿布里科索夫提出第二类超导体的概念；巴丁/库伯和施里费提出了BCS理论，贾埃弗发现超导体中的单电子隧道效应；约毖夫森提出了约毖夫森效应等等。1934—1985年，人们对超导体在理论上和实验上都作了广泛的研究，使超导物理学理论逐步发展，超导材料逐步应用于实际科学技术领域。由于人们在一定条件下认识水平的局限性以及其它一些原因，直到今天，超导物理学理论尚不完善，实际应用也不广泛。在这一阶段，人们研究的超导材料临界转变温度较低，所以，在超导史上，这一时期属于低温超导阶段。

2.2高温超导阶段

目前，高温超导材料指的是：钇系(92 K)、铋系(110 K)、铊系(125 K)和汞系(135 K)以及2001年1月发现的新型超导体二硼化镁(39 K)。其中最有实用价值的是铋系、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钛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。

高温超导材料已进入实用化的研究开发阶段，氧化物复合超导材料的耐用(robustness)和稳定性已引起材料科学家的广泛重视。由于高温超导薄膜材料较早进入电子学器件的应用领域，很多学者做了薄膜材料与环境相关的稳定性和寿命研究工作。浸泡实验是一种常用的方法：在不同试剂(水、酒精和丙酮等)、不同气氛(干氮、湿氮和流动氧等)中做周期循环和热时效疲劳试验。研究表明，超导电性的退化主要来自于杂相(第二相)及时效过程中的析出相。美国西北大学的Mirkin建议把在其它材料中应用已十分广泛的分子单层表面化学改性(又称“自装配，Self assembly”)引入到高温超导铜氧化合物中来。例如用有机物对YBCO表面进行分子单层表面改性，以此改善薄膜对环境的敏感性。

高温超导带材以铋锶钙铜氧(BSCCO/2223)系为第一代带材，它以优良的可加工性而得到了广泛的开发，并在超导强电应用领域占据重要位置。但铋系材料的实用临界电流密度 较低，并且在77 K的应用磁场也很低。相反，YBCO材料在77 K的超导电性远优于BSCCO材料；然而它的可加工性却极差，传统的压力加工和热处理工艺难以做出超导性好的带材。

近年来随着材料科学工艺技术的发展，一种在轧制(rolling)金属基带上制造YBCO 超导带材的工艺受到极大重视，并被冠以“下一代”高温超导带材或“第二代”带材。有 两种基本技术方案：(1)以美国橡树岭国家实验室(ORNL)为代表的一个方案，称作轧制 双取向金属基带法(RABiTS)。会上Specht报告了基带的退火织构稳定性分析，并在1m长的取向金属基带上用激光沉积YBCO外延膜。

欧洲以德国、丹麦等为代表，努力开展高温超导材料工艺及应用研究。丹麦的NKT已批量制造铋系超导带材。长10m、2000 A的超导电力电缆正在研制中，下一步开发三相、50～100 m输电电缆。西门子公司计划到2003年制成20 MVA的超导变压器。用于电子学方面探伤的RF-SQUID及卫星通讯用高温超导滤波器也在试制之中。

2.3 高温超导材料的制备工艺

为适应各种应用的要求，高温超导材料主要有：膜材(薄膜、厚膜)、块材、线材和带材等类型。其制备方法见表1。

2.3.1薄膜 表1 高温超导材料主要制备方法及用途

高温超导体薄膜是构成高温超导电子器件的基础，制备出优质的高温超导薄膜是走向器件应用的关键。高温超导薄膜的制备几乎都是在单晶衬底(如SrTiO3、LaAl O3或MgO)上进行薄膜的气相沉积或外延生长的。经过十年的研究，高温超导薄膜的制备技术已趋于成熟，达到了实用化水平(Jc>106 Ac·m2,T=77 K)。目前，最常用、最有效的两种镀膜技术是：磁控溅射(MS)和脉冲激光沉积(PLD)。这两种方法各有其独到之处，磁控溅射法是适合于大面积沉积的最优生长法之一。脉冲激光沉积法能简便地使薄膜的化学组成与靶的化

学组成达到一致，并且能控制薄膜的厚度。2.3.2厚膜

高温超导体厚膜主要用于HTS磁屏蔽、微波谐振器、天线等。它与薄膜的区别不仅仅是 膜的厚度，还有沉积方式上的不同。其主要不同点在以下三个方面：(1)通常，薄膜的沉积 需要使用单晶衬底；(2)沉积出的薄膜相对于衬底的晶向而言具有一定的取向度；(3)一般 薄膜的制造需要使用真空技术。获得厚膜的方法有很多：如热解喷涂和电泳沉积等，而最常用的技术是丝网印刷和刮浆法，这两种方法在电子工业中得到了广泛的应用。

2.3.3线材、带材

超导材料在强电上的应用，要求高温超导体必须被加工成包含有超导体和一种普通金属的复合多丝线材或带材。但陶瓷高温超导体本身是很脆的，因此不能被拉制成细的线材。在众多的超导陶瓷线材的制备方法中，铋系陶瓷粉体银套管轧制法(Ag PIT)是最成熟并且比较理想的方法。而压制出铋系带材的临界电流密度比通过滚轧技术制备出带材的临界电流密度要高得多。

2.3.4 块材

最初的氧化物超导体都是用固相法或化学法制得粉末，然后用机械压块和烧结等通常的粉末冶金工艺获得块材，制备方法比较简单。但Tc达到了一定的高度，而载流能力Jc太低，则不能满足应用的要求，因此必须要提高其临界电流密度。经过多年的研究，采用定 向凝固技术制备出的无大角度晶界的YBa2Cu3O7x块材，其Jc值可达105A·m2(77 K)。

2.4超导材料在电力系统中的应用

随着经济建设的发展，电能需求迅速增加，电力系统的规模也越来越大，形成了联合电力系统。目前我国最大的电力系统容量已超过了10000 Mw，最高输电电压为500 kV，大发电设备容量超过600Mw，发电量和装机容量均已位居世界第二。全国己形成五个跨省电网，五个独立省网和一个南方联营电网，不久将建成以三峡电网为中心的全国性电力系统。

采用联合电力系统有很多优点，如可以利用各地负荷的互补性减少系统总的装机容量；合理利用资源，实现经济运行；利于安装大容量机组，提高劳动生产率；减少备用容量等等。然而并网联合经营也带来了一些问题，如电力系统结构变得复杂，运行难度增大。2003年8月14日美国东北部地区的大面积停电，对现代电力系统的安全运行提出了警示，必须采取有效措施保证电网安全和经济运行。

美国能源部认为：超导电力技术是21世纪电力工业唯一的高技术储备。根据国际超导科技界和相关产业部门的预测：10年以后，全球超导产业将达到260亿美元。因此，超导技术被认为是2l世纪具有战略意义的高新技术。在电力系统中采用超导技术可提高单机容量和增加电网的输送容量、降低传输损耗、提高系统运行的稳定性和可靠性、改善电能质量、降低电网的占地面积和电网的造价及改造成本，并使超大规模电网的实现成为可能∽J。不 仅如此，通过大容量的超导输电系统，可将排污的发电厂建在煤矿和油田附近，或将核电 站建在比较偏远的地区，从而改善人类生存环境的质量。通过超导储能，还可大大改善可 再生能源的电能质量，并使其与大电网有效地联结。因此，加强对超导电缆、超导故障电流限制器、超导储能器、超导变压器、超导发电机和超导电动机等超导技术的研究，将会 极大地推动电力科技的发展，将电力科技的发展带入一个崭新的阶段。目前，超导电缆、超导故障电流限制器、超导储能器和超导变压器已发展或接近到工程实用阶段，超导发电 机和超导电动机的研制也取得了重大进展。

2.4.1超导输电电缆

我国电力资源和负荷分布不均，因此长距离、低损耗的输电技术显得十分迫切。超导材料由于其零电阻特性以及比常规导体高得多的载流能力，可以输送极大的电流和功率而没有电功率损耗。超导输电可以达到单回路输送GVA级巨大容量的电力，在短距离、大容量、重负载的传输时，超导输电具有更大的优势。

低温超导材料应用时需要液氮作为冷却剂，液氦的价格很高，这就使低温超导电缆丧失了工业化应用的可行性。若使用高温超导材料作为导电线芯制造成超导电缆，就可以在液氮的冷却下无电阻地传送电能。高温超导电缆的出现使超导技术在电力电缆方面的工业应用成为可能。

目前，市场上可以得到并可用来制造高温超导电缆的材料主要是银包套铋系多芯高温超导带材，其临界工程电流密度大于10 kA/cm2高温超导电缆以其尺寸较小、损耗低、传输容量大的优势，可用于地下电缆工程改造。以高温超导电缆取代现有的常导电缆，可增加传输容量。高温超导电缆另一重要应用场合是可在比常导电缆较低的运行电压下将巨大的电能传输进入城市负荷中心。由于交流损耗的缘故，利用高温超导材料制备直流电缆比 制备交流电缆更具优势。利用超导技术，通过设计实用的直流传输电缆和有效的匹配系统，从而实现高效节能低压大容量直流电力传输系统。

2.4.2超导变压器

超导变压器一般都采用与常规变压器～样的铁芯结构，仅高、低压绕组采用超导绕组。超导绕组置于非金属低温容器中，以减少涡流损耗。变压器铁芯一般仍处在室温条件下，超导变压器具有损耗低、体积小、效率高(可达99％以上)、极限单机容量大、长时过载能力强等优点。同时由于采用高阻值的基底材料，因此具有一定的限制故障电流作用。一般而言，超导变压器的重量(铁芯和导线)仅为常规变压器的40％甚至更小，特别是当变压器的容量超过300 MVA时，这种优越性将更为明显。

早在20世纪60年代，就有人对超导变压器进行了研究。但是，由于交流损耗过大雨被认为是不经济的。随着极细丝超导复合导体的出现，超导变压器才成为有吸引力的应用项 目。高温超导材料的出现，更是降低了超导变压器的技术难度，由于超导受到的磁场强度 只有0．3～0．5 T，因此在变压器中采用高温超导材料是合适的；同时在液氮下的绝缘强度比液氦下的高，所以，将会使变压器绝缘更简化。三 结论与展望

前一段时间之所以会掀起世界性的超导热，是因为超导的三大特点：零电阻、完全的抗磁性和隧道效应。这些特性带来很大的实用价值’例如超导的零电阻’能使人们实现电力 的无损输送等+如何使超导体的这三大特性实用化’以及实用化后将会出现的问题’都是目前超导科学工作者们所面临的难题

3.1超导材料的可能应用

关于超导材料的应用，人们首先想到的是利用超导体的第一个特性—无电阻电流，假如能建立起一个全国性的电力网，由于无电阻，电力网中就无损耗，那么将节省10%—20%因输送而造成的电力损耗；用超导体制成的集成电路，将大幅度提高集成电路的性能；不发热，可以大大地缩小计算机的体积并大大加快运算速度。到目前为止，日本在超导材料的应用开发方面在世界上居领先地位，他们正在研制开发超导三极管、超导集成电路等。

利用超导的第二个性质，可以形成高磁场，高磁场在新兴的科技领域中有着广泛的应用，如日本正计划建设磁浮列车以及用超导电磁来推动轮船等。另一个用途是储能，美国计划一项代号为SMES的储能工程，这一工程研究了能在10s内释放40—100MW的能量；储能的另一个用途是均衡电力网，因为日夜间的电力需求不一。夜间，人们用电较少，则可以存储起来，在白天需要时释放出来。

超导材料还可用于医学、生物学及测量系统等等，由于真正理想的超导体尚未问世，人们对超导材料在科学领域的应用只能作一些设想和简单的试验，一旦理想的超导材料问世，它的实际应用远非今天所能设想的，它必将改变人类科学以致改变整个世界。

3.2超导研究所遇到的困难

超导材料有着广阔的应用前景，但要用超导材料来改进现有的科技工程又决非易事。目前，科学家和工程师们所遇到的困难是如何使超导材料实用化，即提高临界转变温度、临界电流密度和改良其加工性能，制造出理想的超导材料。

3.3中国超导材料的发展

我国电力、通信、国防、医疗等方面的发展急需利用超导技术解决现有的关键技术问题。在电力工业方面，电能需求量日益增长，对供电质量和可靠性的要求越来越高，常规 电力技术已越来越不能满足电力工业发展的需求。超导电力技术(如超导储能、电缆、限流器、电机等)可以克服常规电力技术的缺陷，它的应用将带来电力工业的重大变革。在国防

工业方面，由于超导技术不可代替的特殊性和优越性，将在扫雷艇、超导电机、电磁武器、传感器、舰船用防弹及导航用高精度超导陀螺仪等领域被广泛应用。

七五”以来，在国家“863”专项计划和国家重点基础研究计划的支持下，我国超导企业坚持自主创新，在超导理论、材料及应用等方面取得了长足的进步，申请了数百项专利，同时在超导产业化与技术应用方面也实现了跨越式发展。自2000年以来，国内企业资本积极参与超导技术产业的发展，西部超导材料科技有限公司、北京中数威利超导技术有 限公司、北京云电英纳超导电缆有限公司和天津海泰超导公司相继成立。中国科学院电工研究所与5家电力设备制造企业和应用单位就超导限流器、电缆和变压器等签订了技术开发合同，共同推进超导电力技术的产业化。

到2020年，超导产业对我国GDP的贡献将达到200亿美元，超导材料将在电力、医疗、交通、通讯和国防等领域得到广泛应用。我国将形成较大规模并有较强国际竞争力的超导材料产业，占据国际超导市场的20％以上，材料制备达到国际先进水平。在这期间，我国低温超导材料的产业化将在国际热核聚变计划实施和磁共振成像技术应用的牵引下得到快速发展。高温超导材料将逐渐成为实用超导材料的主体，第二代实用高温超导材料将形成规模产业。我国将建立相应的国家平台或研究开发基地，进一步提升我国超导材料自主创新能力和国际科学创新竞争力。

西北有色金属研究院经过40年的艰苦努力，在超导材料研究和产业化方面实现了第一个跨越式发展，换来了“十五”期间我国超导材料研发历史上里程碑的成果，并且奠定了未来发展的基础。在未来的5～15年，西北有色金属研究院将继续坚持自主创新，在我国建成具有国际一流水平的低温超导材料生产基地，同时实现高温超导材料技术的突破，实现 我国超导材料第二个跨越式发展。参考文献： 李华，胡国程，LI Hua，HU Guo-cheng.超导材料.湖南冶金，2000，“"(5)2 冯瑞华，姜山.超导材料的发展与研究现状.低温与超导，2007，35(6)3 谈国强。超导材料的发展状况.佛山陶瓷，2005，5 4 超导材料的应用.内蒙古电大学刊，2004，2 5 石勇.超导材料的制备与特性研究综述.山西煤炭管理干部学院学报，2006，19(2)6 杨公安，蒲永平，王瑾菲，庄永勇，韦继锋 超导材料研究进展及其应用.陶瓷，2009，”“(7)7 严仲明，董亮，王豫.超导材料在电工领域的应用.电工材料，2007，2 8 宗曦华，张喜泽.超导材料在电力系统中的应用.电线电缆，2006，”“(5)9 袁冠森.高温超导材料的实用化的新进展.稀有金属，1998，22(3)10 钱九红，袁冠森.高温超导材料制备工艺的进展.稀有金属，1998年 22(2)11 李想.我国超导材料发展快步走向实用产业化.稀有金属快报，2006，25(5)12 钱廷欣，周雅伟，赵晓鹏.新型超导材料的研究进展.材料导报，2006，20(2)13 李想.中国超导材料发展快步走向实用化.稀土信息，2006，”"(5)

第二篇：高温超导材料论文 最新

高温超导材料研究

摘要：简要介绍了高温超导材料及其发展历史，对超导材料的发展现状和用途进行说明，对目前超导材料的主要研制方法进行了分析。关键词：超导材料 研究进展 高温 应用

一、高温超导材料的发展历史

高温超导材料一般是指临界温度在绝对温度77K以上、电阻接近零的超导材料，通常可以在廉价的液氮（77K）制冷环境中使用，主要分为两种：钇钡铜氧（YBCO）和铋锶钙铜氧(BSCCO)。钇钡铜氧一般用于制备超导薄膜，应用在电子、通信等领域；铋锶钙铜氧主要用于线材的制造。

1911年，荷兰莱顿大学的卡末林·昂尼斯意外地发现，将汞冷却到-268.98°C时，汞的电阻突然消失；后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，卡末林·昂尼斯称之为超导态，他也因此获得了1913年诺贝尔奖。

1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质，当金属处在超导状态时，这一超导体内的磁感应强度为零，却把原来存在于体内的磁场排挤出去。对单晶锡球进行实验发现：锡球过渡到超导状态时，锡球周围的磁场突然发生变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了，人们将这种现象称之为“迈斯纳效应”。

自卡麦林·昂尼斯发现汞在4.2K附近的超导电性以来，人们发现的新超导材料几乎遍布整个元素周期表，从轻元素硼、锂到过渡重金属铀系列等。超导材料的最初研究多集中在元素、合金、过渡金属碳化物和氮化物等方面。至1973年，发现了一系列A15型超导体和三元系超导体，如Nb3Sn、V3Ga、Nb3Ge，其中Nb3Ge超导体的临界转变温度(Tc)值达到23.2K。以上超导材料要用液氦做致冷剂才能呈现超导态，因而在应用上受到很大限制。1986年，德国科学家柏诺兹和瑞士科学家穆勒发现了新的金属氧化物超导材料即钡镧铜氧化物(La-BaCuO)，其Tc为35K，第一次实现了液氮温区的高温超导。铜酸盐高温超导体的发现是超导材料研究上的一次重大突破，打开了混合金属氧化物超导体的研究方向。1987年初，中、美科学家各自发现临界温度大于90K的YBacuO超导体，已高于液氮温度(77K)，高温超导材料研究获得重大进展。后来法国的米切尔发现了第三类高温超导体BisrCuO，再后来又有人将Ca掺人其中，得到Bis尤aCuO超导体，首次使氧化物超导体的零电阻温度突破100K大关。1988年，美国的荷曼和盛正直等人又发现了T1系高温超导体，将超导临界温度提高到当时公认的最高记录125K。瑞士苏黎世的希林等发现在HgBaCaCuO超导体中，临界转变温度大约为133K，使高温超导临界温度取得新的突破。

二、高温超导体的发展现状

目前，高温超导材料指的是：钇系(92 K)、铋系(110 K)、铊系(125 K)和汞系(135 K)以及2001年1月发现的新型超导体二硼化镁(39 K)。其中最有实用价值的是铋系、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钛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。

高温超导材料已进入实用化的研究开发阶段，氧化物复合超导材料的耐用(robustness)和稳定性已引起材料科学家的广泛重视。由于高温超导薄膜材料较早进入电子学器件的应用领域，很多学者做了薄膜材料与环境相关的稳定性和寿命研究工作。浸泡实验是一种常用的方法：在不同试剂(水、酒精和丙酮等)、不同气氛(干氮、湿氮和流动氧等)中做周期循环和热时效疲劳试验。研究表明，超导电性的退化主要来自于杂相(第二相)及时效过程中的析出相。美国西北大学的Mirkin建议把在其它材料中应用已十分广泛的分子单层表面化学改性(又称“自装配，Self assembly”)引入到高温超导铜氧化合物中来。例如用有机物对YBCO表面进行分子单层表面改性，以此改善薄膜对环境的敏感性。

高温超导带材以铋锶钙铜氧(BSCCO/2223)系为第一代带材，它以优良的可加工性而得到了广泛的开发，并在超导强电应用领域占据重要位置。但铋系材料的实用临界电流密度较低，并且在77 K的应用磁场也很低。相反，YBCO材料在77 K的超导电性远优于BSCCO材料；然而它的可加工性却极差，传统的压力加工和热处理工艺难以做出超导性好的带材。

近年来随着材料科学工艺技术的发展，一种在轧制(rolling)金属基带上制造YBCO超导带材的工艺受到极大重视，并被冠以“下一代”高温超导带材或“第二代”带材。有两种基本技术方案：(1)以美国橡树岭国家实验室(ORNL)为代表的一个方案，称作轧制双取向金属基带法(RABiTS)。会上Specht报告了基带的退火织构稳定性分析，并在1m长的取向金属基带上用激光沉积YBCO外延膜。

欧洲以德国、丹麦等为代表，努力开展高温超导材料工艺及应用研究。丹麦的NKT已批量制造铋系超导带材。长10m、2000 A的超导电力电缆正在研制中，下一步开发三相、50～100 m输电电缆。西门子公司计划到2003年制成20 MVA的超导变压器。用于电子学方面探伤的RF-SQUID及卫星通讯用高温超导滤波器也在试制之中。

三、高温超导材料的制备工艺

为适应各种应用的要求，高温超导材料主要有：膜材(薄膜、厚膜)、块材、线材和带材等类型。3.1 薄膜

高温超导体薄膜是构成高温超导电子器件的基础，制备出优质的高温超导薄膜是走向器件应用的关键。高温超导薄膜的制备几乎都是在单晶衬底(如SrTiO3、LaAlO3或MgO)上进行薄膜的气相沉积或外延生长的。经过十年的研究，高温超导薄膜的制备技术已趋于成熟，达到了实用化水平(Jc>106

Ac·m2,T=77K)。目前，最常用、最有效的两种镀膜技术是：磁控溅射(MS)和脉冲激光沉积(PLD)。这两种方法各有其独到之处，磁控溅射法是适合于大面积沉积的最优生长法之一。脉冲激光沉积法能简便地使薄膜的化学组成与靶的化学组成达到一致，并且能控制薄膜的厚度。3.2 厚膜

高温超导体厚膜主要用于HTS磁屏蔽、微波谐振器、天线等。它与薄膜的区别不仅仅是膜的厚度，还有沉积方式上的不同。其主要不同点在以下三个方面：(1)通常，薄膜的沉积需要使用单晶衬底；(2)沉积出的薄膜相对于衬底的晶向而言具有一定的取向度；(3)一般薄膜的制造需要使用真空技术。获得厚膜的方法有很多：如热解喷涂和电泳沉积等，而最常用的技术是丝网印刷和刮浆法，这两种方法在电子工业中得到了广泛的应用。3.3 线材、带材

超导材料在强电上的应用，要求高温超导体必须被加工成包含有超导体和一种普通金属的复合多丝线材或带材。但陶瓷高温超导体本身是很脆的，因此不能被拉制成细的线材。在众多的超导陶瓷线材的制备方法中，铋系陶瓷粉体银套管轧制法(Ag PIT)是最成熟并且比较理想的方法。而压制出铋系带材的临界电流密度比通过滚轧技术制备出带材的临界电流密度要高得多。3.4 块材

最初的氧化物超导体都是用固相法或化学法制得粉末，然后用机械压块和烧结等通常的粉末冶金工艺获得块材，制备方法比较简单。但Tc达到了一定的高度，而载流能力Jc太低，则不能满足应用的要求，因此必须要提高其临界电流密度。经过多年的研究，采用定向凝固技术制备出的无大角度晶界的YBa2Cu3O7x块材，其Jc值可达105A·m2(77 K)。

四、高温超导材料的应用 综合目前超导技术的发展情况，超导技术可以在以下行业得到应用和拓展：

4.1电力

超导技术与电力技术的结合将给电力行业的发、输、配电带来革命性的改变，电力行业是超导产业最重要的应用场所与市场。超导技术在电力中的应用主要包括：

4.1.1高温超导电缆

现有电缆的扩容问题一直困扰着城市电力的发展。传统的城市地下输电电缆存在着通量小、损耗大、对土壤和地下水有热污染及油污染、土建费用高等问题，城市电力扩容变得越来越困难。高温超导电缆具有体积小、造价低、高节能、无污染等优点，具有巨大的经济效益和环保效益，终将替代传统电缆。

高温超导电缆的大规模应用能够极大地提高电力输电系统的运行效率，降低运行成本。目前国际上高温超导电缆的总体发展趋势是研制大容量、低交流损耗、超长高温超导电缆。据专家估计，高温超导电缆最有可能率先实现实用化和商业化。

4.1.2超导电机：

电动机是最常用的电气设备，但传统电动机耗电量极大。美国工业界专家估计，1,000马力以上的工业用电动机大约要消耗美国能源的25%。与常规电机相比，超导电机具有节能性好、体积小、单机容量大、造价及运营成本低、稳定性能好等优点，具有很好的经济效益和环保效益。供给同样的功率，超导电机的尺寸是常规电机的1/3，制造成本可降低40%，电流损耗可减少50%，运行成本可降低50%。美国能源部估计，高温超导电动机的低损耗每年可减少数十亿美元的运行费用。

在军事上战舰应用高温超导电机，其舰船体积重量更小，空间布置更灵活，推进系统运行更加可靠，效率更高，控制更方便，调速性能更好，能大大提高隐蔽性，达到高速安静运行，具有重要的军事意义。

4.1.3超导变压器：

常规变压器有许多缺点，如负载损耗高、重量和尺寸大、过负载能力低、没有限流能力、油污染及寿命短等。在美国，变压器的总装机容量约为总发电量的3-4倍，其电力系统的网损约为总发电量的7.34%，其中25%为变压器损失。相比较而言，超导变压器体积小、重量轻、电压转换能量效率高、火灾环境事故机率低、无油污染等优点，在提高电力系统的可靠性和运行性能、降低成本、节约能源、保护环境等方面有着重要的现实意义。

4.1.4超导限流器：

限流器（FCL）是一种提高电网稳定性的电力设备。随着社会的发展,对电网的质量要求越来越高，而传统的限流器很难在短时间内对电网的脉冲电流起到限制作用。高温超导限流器正好祢补了传统限流器的缺点，其限流时间可小于百微秒级，能快速和有效地起到限流作用。超导限流器是利用超导体的超导态-常态转变的物理特性来达到限流要求，它可同时集检测、触发和限流于一身，被认为是当前最好的而且也是唯一的行之有效的短路故障限流装置。1989年以来，美国、德国、法国、瑞士和日本等都相继开展了高温超导限流器的研究。当前，国际上适应配电系统的高温超导限流器的技术性能已经接近应用的水平，但大体上仍处在示范试验阶段。

4.1.5超导储能装置

超导储能装置是利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其他负载的一种电力设施。由于储能线圈由超导线绕制且维持在超导态，线圈中所储能几乎无损耗地永久储存下去直到需要释放时为止。超导储能装置不仅可用于调节电力系统的峰谷或解决电网瞬间断电对用电设备的影响，而且可用于降低或消除电网的低频功率震荡从而改善电网的电压和频率特性，同时还可用于无功和功率因数的调节以改善电力系统的稳定性。

4.2医疗

4.2.1核磁共振人体成像仪（MRI）：

MRI是通过探测人体各个器官在磁场下感应出的不同信号来诊断病变的一种设备。传统的MRI采用常规磁体,磁场小,很难探测到初期的病变，同时，其主磁场处于封闭的磁体空洞内，扫描时需将受检者置于与外界隔绝的狭小空间，易使人产生幽闭恐怖症，大大影响了该设备的广泛应用，低温超导磁体因此被广泛应用于MRI中。由于低温超导的液氦温度要求，其运行和维护费用很高。一些国家加快了高温超导MRI的研究，1998年，Oxford磁体技术公司和西门子公司合作研制了一个用于人体MRI的高温超导磁体。

4.3运输

4.3.1磁悬浮列车：

随着国民经济的发展，社会对交通运输的要求越来越高，高速列车应运而生。与现有的铁路、公路、水路和航空四种传统运输方式相比，超导磁悬浮列车具有高速、安全、噪音低和占地小等优点，是未来理想的交通工具。

使用Bi系高温超导线材的超导磁悬浮列车，悬浮间隙大，速度高，相对于低温超导的磁悬浮列车而言，制冷费用低，制冷设备简单。英纳公司和清华大学应用超导研究中心合作开展高温超导磁悬浮列车的研究，目前已取得较大突破，并且已经申请了高温超导磁悬浮专利。4.4 IT行业 4.4.1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。4.4.2超导开关：

超导开关可以分为电阻开关和电感开关。电阻开关是利用超导体以下性能：若改变磁场、电流和温度三个参量的任一个，就可以使它从零电阻态转变到有阻状态。例如，用冷子管作开关，就是利用一个完全超导的控制元件所产生的磁场，通过使门元件发生超导---正常转变来控制门元件的电阻而制成。这种开关的低电阻态为零，高电阻态典型的是毫欧姆数量级，所以，开关比是无限大。电感开关的原理是：不是像线圈、线等电路元件的电感，可用来将靠近它的超导体作正常态和超导态之间的转变，或移动电路元件附近的超导表面，使它发生相同转变，制成开关。由于超导体的特殊性能，超导开关的开关速度可达纳秒。4.5超导磁分离装置：

磁分离器在物质的提纯、分离方面具有举足轻重的作用。传统的磁分离器由于很难产生高磁场，其应用受到了很大的限制。高温超导线材具有比铜线高100倍的通流能力,用它制成的磁分离器很容易得到高磁场强度和高磁场梯度,解决了许多用传统磁分离器分离不了物质的分离问题，并且能节约大量能源，与传统磁分离器相比，节能效率提高90%。我国高岭土储量占世界的70%，高温超导磁分离器的发展将给我国高岭土工业带来突破性发展。同时，高温超导磁分离器能大大提高一次污水处理能力，将给环保工业带来一场革命。

综合以上分析可以看出，超导线材作为一种新型材料，将广泛应用于国民经济、军事技术、医疗卫生和各种高新技术产业的各个领域，其前景有可能如当年的晶体管取代电子管一样，世界将势必迎来一个崭新的超导时代。高温超导线材及其应用产品有着广阔的市场前景。

五、目前超导材料研究面临的问题

超导材料有着广阔的应用前景，但要用超导材料来改进现有的科技工程又决非易事。科学家和工程师们所遇到的困难是如何使超导材料实用化，即提高临界转变温度、临界电流密度和改良其加工性能，制造出理想的超导材料。目前面临的主要问题如下： 5.1提高临界电流密度

目前，高温超导材料的最突出的问题是在外加磁场下，临界电流密度偏低。超导薄膜，一般是在弱磁场中工作，Jc值(～l06A／era)基本可满足电子器件的要求。但体材和线(带)材的Jc值还远未达到实用化所要求的水平，特别是在有外加磁场时，Jc急剧下降。科学家对影响Jc的原因和解决办法进行了大量研究。许多科学家都认为，影响Jc的主要原因是：(1)晶界间的弱连结；(2)晶粒中的磁力线运动.5.1.1弱连结

造成弱连结的原因及弱连结的性质尚不十分清楚。一般认为是由于生成的晶体结构不佳、在晶界处存在位错、晶界处化学成份的改变及结晶的细微裂纹等原因使通道上的电流受阻。解决的方法是使结晶沿a—b导电层(CuO2层)的方向择优生长，采用长时问退火、熔融织构法或定向凝固法等制备大平行板式结晶。这种排成直线的多晶消除了在电流方向上的弱连结，解决了各向异性的问题 5.1.2磁力线运动

增强磁通钉扎力可解决磁力线运动问题。一般来说，有效的磁通钉扎需要有足够的钉扎中心,其尺寸要与超导相干长度相匹配。增强磁通钉扎力的方法有中子辐照、相分解、引入弥散相、化学掺杂等,其作用都是引入钉扎中心。实验证明,中子或质子辐照后，Jc可提高几十倍到近百倍实际上,很难把弱连接和磁通蠕动完垒割裂开来，对于超导实用化来说，都是迫切需要解决的问题。5.2 制备长线材

在实际应用中，超导线材占有很大比重，困此，制备性能满足要求的高温超导线(带)材是重点研究课题之。

陶瓷超导物质的脆性是其固有的特性,但也不是不可克服的。现在常用办法是将高温超导粉末装入有廷性的金属套管中,然后进行多道次拉拔。一般可采用铜或银包套,阻银包套为最佳。因为高温超导化合物对氧含最十分敏感，在氧气氛下拉拔，氧气要通过金属包套渗透到高温超导化合物内部。银的透气性较好,又有好的延展性,所现在多使用银套管(或称银鞘珐)为了增加韧性,也可以往超导粉末中掺人一定量的金属粉末(如银粉)。有许多方法可制各线材,如溶胶一凝胶法、纺丝法、芯线涤布法、真空镀膜法、溅射法、化学气相沉积法等等。所有方法制得的线l材长度都达不到实用化的水平。

随着长度的增加,高温超导的Jc降低。同时应该看到,线材的长度不是孤立的问题，它与高温超导材料的合成、加工、连接等多种因素密切相关。5.3 经济效益

高温超导材料研究刚刚起步，经济效益尚未提到议事日程，而对于实用化来说，经济效益是必须考虑的问题近两年超导材料的制备成本已显著下降，例如，钇系超导薄膜1989年的售价是1000~3000美元/片，现在降到350美元/片； 铊系超导薄膜的价格从2950美元/cm 2下降到1000美元/cm2，随之薄膜器件的价格也降低了。总的看来，高温超导材料仍处于实验室研究阶段,生产技术很不成熟,目前技术改进的着眼点是提高性能指标，而对经济效益的追求是更远一些的目标。

六、参考文献： 李华,胡国程,LI Hua,HU Guo-cheng.超导材料.湖南冶金,2000(5)2 冯瑞华,姜山.超导材料的发展与研究现状.低温与超导,2007,35(6)3 谈国强.超导材料的发展状况.佛山陶瓷，2005,5 4 超导材料的应用.内蒙古电大学刊,2004,2 5 石勇.超导材料的制备与特性研究综述.山西煤炭管理干部学院学报，2006，19 6 杨公安,蒲永平，王瑾菲，庄永勇.超导材料研究进展及其应用.陶瓷，2009(7)7 严仲明,董亮，王豫.超导材料在电工领域的应用.电工材料,2007 8 宗曦华,张喜泽.超导材料在电力系统中的应用.电线电缆,2006(5)9 袁冠森.高温超导材料的实用化的新进展.稀有金属,1998,22(3)10 钱九红，袁冠森.高温超导材料制备工艺的进展.稀有金属,1998年 22(2)11 李想.我国超导材料发展快步走向实用产业化.稀有金属快报,2006，25(5)12 钱廷欣,周雅伟，赵晓鹏.新型超导材料的研究进展.材料导报,2006，20(2)13 李想.中国超导材料发展快步走向实用化.稀土信息,2006(5)

第三篇：选修课论文-材料科学概论-超导材料

超导材料

摘要：人类的发展是一个开发和运用新材料的过程，随着上个世纪超导现象被发现以来超导现象一直为人所关注。关于超导材料的研究也是屡见不鲜，但是如何才能提高材料的临界超导温度，如何把超导材料产业化和生活化都是现在面临的重大问题。在电力、通信、国防、医疗等方面的发展急需利用超导技术解决现有的关键技术问题；超导储能、电缆、限流器、电机等超导电力技术，如果能应用将带来电力工业的重大变革；在国防工业方面，由于超导技术不可代替的特殊性和优越性，将在扫雷艇、超导电机、电磁武器、传感器、舰船用防弹及导航用高精度超导陀螺仪等领域被广泛应用。所以提高临界转变温度、临界电流密度和改良其加工性能，制造出理想的更低价格的新一代超导材料就成为超导的发展趋势。这就要求我们综合考虑超导材料的组成成分、制备工艺以改善它的性能，逐步提高材料的临界温度，使材料更具有实用意义。

关键词：材料科学 功能材料 超导材料 高温超导

前言

一、材料与材料科学

材料是人类用来制造机器、构件、器件和其他产品的物质。但并不是所有物质都可称为材料，如燃料和化工原料、工业化学品、食物和药品等，一般都不算作材料。材料可按多种方法进行分类。按物理化学属性分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料。按用途分为电子材料、宇航材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。实际应用中又常分为结构材料和功能材料。结构材料是以力学性质为基础，用以制造以受力为主的构件。结构材料也有物理性质或化学性质的要求，如光泽、热导率、抗辐照能力、抗氧化、抗腐蚀能力等，根据材料用途不同，对性能的要求也不一样。功能材料主要是利用物质的物理、化学性质或生物现象等对外界变化产生的不同反应而制成的一类材料。如半导体材料、超导材料、光电子材料、磁性材料等。材料是人类赖以生存和发展的物质基础。20世纪70年代，人们把信息、材料和能源作为社会文明的支柱。80年代，随着高技术群的兴起，又把新材料与信息技术、生物技术并列作为新技术革命的重要标志。现代社会，材料已成为国民经济建设、国防建设和人民生活的重要组成部分。

人类社会的发展历程，是以材料为主要标志的。100万年以前，原始人以石头作为工具，称旧石器时代。1万年以前，人类对石器进行加工，使之成为器皿和精致的工具，从而进入新石器时代。新石器时代后期，出现了利用粘土烧制的陶器。人类在寻找石器过程中认识了矿石，并在烧陶生产中发展了冶铜术，开创了冶金技术。公元前5000年，人类进入青铜器时代。公元前1200年，人类开始使用铸铁，从而进入了铁器时代。随着技术的进步，又发展了钢的制造技术。18世纪，钢铁工业的发展，成为产业革命的重要内容和物质基础。19世纪中叶，现代平炉和转炉炼钢技术的出现，使人类真正进入了钢铁时代。与此同时，铜、铅、锌也大量得到应用，铝、镁、钛等金属相继问世并得到应用。直到20世纪中叶，金属材料在材料工业中一直占有主导地位。20世纪中叶以后，科学技术迅猛发展，作为发明之母和产业粮食的新材料又出现了划时代的变化。首先是人工合成高分子材料问世，并得到广泛应用。先后出现尼龙、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等塑料，以及维尼纶、合成橡胶、新型工程塑料、高分子合金和功能高分子材料等。仅半个世纪时间，高分子材料已与有上千年历史的金属材料并驾齐驱，并在年产量的体积上已超过了钢，成为国民经济、国防尖端科学和高科技领域不可缺少的材料。其次是陶瓷材料的发展。陶瓷是人类最早利用自然界所提供的原料制造而成的材料。50年代，合成化工原料和特殊制备工艺的发展使陶瓷材料产生了一个飞跃，出现了从传统陶瓷向先进陶瓷的转变，许多新型功能陶瓷形成了产业，满足了电力、电子技术和航天技术的发展和需要。

材料科学是研究材料的组织结构、性质、生产流程和使用效能，以及它们之间相互关系的科学。材料科学是多学科交叉与结合的结晶，是一门与工程技术密不可分的应用科学，它的提出是在20世纪60年代。1957年，苏联人造地球卫星发射成功之后，美国政府及科技界为之震惊，并认识到先进材料对于高技术发展的重要性，于是在一些大学相继成立了十余个材料科学研究中心，从此，材料科学这一名词开始被人们广泛地引用。现代材料科学技术的发展，促进了金属、非金属无机材料和高分子材料之间的密切联系，从而出现了一个新的材料领域——复合材料。复合材料以一种材料为基体，另一种或几种材料为增强体，可获得比单一材料更优越的性能。复合材料作为高性能的结构材料和功能材料，不仅用于航空航天领域，而且在现代民用工业、能源技术和信息技术方面不断扩大应用。

二、功能材料

功能材料是指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。

功能材料是新材料领域的核心，是国民经济、社会发展及国防建设的基础和先导。它涉及信息技术、生物工程技术、能源技术、纳米技术、环保技术、空间技术、计算机技术、海洋工程技术等现代高新技术及其产业。功能材料不仅对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，还对我国相关传统产业的改造和升级，实现跨越式发展起着重要的促进作用。

当前国际功能材料及其应用技术正面临新的突破，诸如超导材料、微电子材料、光子材料、信息材料、能源转换及储能材料、生态环境材料、生物医用材料及材料的分子、原子设计等正处于日新月异的发展之中，发展功能材料技术正在成为一些发达国家强化其经济及军事优势的重要手段。

1、超导材料：以NbTi、Nb3Sn为代表的实用超导材料已实现了商品化，在核磁共振人体成像、超导磁体及大型加速器磁体等多个领域获得了应用；SQUID作为超导体弱电应用的典范已在微弱电磁信号测量方面起到了重要作用，其灵敏度是其它任何非超导的装置无法达到的。但是，由于常规低温超导体的临界温度太低，必须在昂贵复杂的液氦(4.2K)系统中使用，因而严重地限制了低温超导应用的发展。

高温氧化物超导体的出现，突破了温度壁垒，把超导应用温度从液氦（4.2K）提高到液氮（77K）温区。同液氦相比，液氮是一种非常经济的冷媒，并且具有较高的热容量，给工程应用带来了极大的方便。另外，高温超导体都具有相当高的上临界场，能够用来产生20T以上的强磁场，这正好克服了常规低温超导材料的不足之处。正因为这些由本征特性Tc、Hc2所带来的在经济和技术上的巨大潜在能力，吸引了大量的科学工作者采用最先进的技术装备，对高Tc超导机制、材料的物理特性、化学性质、合成工艺及显微组织进行了广泛和深入的研究。高温氧化物超导体是非常复杂的多元体系，在研究过程中遇到了涉及多种领域的重要问题，这些领域包括凝聚态物理、晶体化学、工艺技术及微结构分析等。一些材料科学研究领域最新的技术和手段，如非晶技术、纳米粉技术、磁光技术、隧道显微技术及场离子显微技术等都被用来研究高温超导体，其中许多研究工作都涉及了材料科学的前沿问题。高温超导材料的研究工作已在单晶、薄膜、体材料、线材和应用等方面取得了重要进展。

2、生物医用材料：作为高技术重要组成部分的生物医用材料已进入一个快速发展的新阶段，其市场销售额正以每年16%的速度递增，预计20年内，生物医用材料所占的份额将赶上药物市场，成为一个支柱产业。生物活性陶瓷已成为医用生物陶瓷的主要方向；生物降解高分子材料是医用高分子材料的重要方向；医用复合生物材料的研究重点是强韧化生物复合材料和功能性生物复合材料，带有治疗功能的HA生物复合材料的研究也十分活跃。

3、能源材料：太阳能电池材料是新能源材料研究开发的热点，IBM公司研制的多层复合太阳能电池，转换率高达40%。美国能源部在全部氢能研究经费中，大约有50%用于储氢技术。固体氧化物燃料电池的研究十分活跃，关键是电池材料，如固体电解质薄膜和电池阴极材料，还有质子交换膜型燃料电池用的有机质子交换膜等，都是目前研究的热点。

4、生态环境材料：生态环境材料是20世纪90年代在国际高技术新材料研究中形成的一个新领域，其研究开发在日、美、德等发达国家十分活跃，主要研究方向是：①直接面临的与环境问题相关的材料技术，例如，生物可降解材料技术，CO 2 气体的固化技术，SOx、NOx催化转化技术、废物的再资源化技术，环境污染修复技术，材料制备加工中的洁净技术以及节省资源、节省能源的技术；②开发能使经济可持续发展的环境协调性材料，如仿生材料、环境保护材料、氟里昂、石棉等有害物质的替代材料、绿色新材料等；③材料的环境协调性评价。

5、智能材料：智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术的发展，使传统意义下的功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失，实现结构功能化、功能多样化。科学家预言，智能材料的研制和大规模应用将导致材料科学发展的重大革命。国外在智能材料的研发方面取得很多技术突破，如英国宇航公司在导线传感器，用于测试飞机蒙皮上的应变与温度情况；英国开发出一种快速反应形状记忆合金，寿命期具有百万次循环，且输出功率高，以它作制动器时、反应时间，仅为10分钟；在压电材料、磁致伸缩材料、导电高分子材料、电流变液和磁流变液等智能材料驱动组件材料在航空上的应用取得大量创新成果。

目前世界各国功能材料的研究极为活跃，充满了机遇和挑战，新技术、新专利层出不穷。发达国家企图通过知识产权的形式在特种功能材料领域形成技术垄断，并试图占领中国广阔的市场，这种态势已引起我国的高度重视。近年来，我国在新型稀土永磁、生物医用、生态环境材料、催化材料与技术等领域加强了专利保护。但是，我们应该看到，我国目前功能材料的创新性研究不够，申报的专利数，尤其是具有原创性的国际专利数与我国的地位远不相称。我国功能材料在系统集成方面也存在不足，有待改进和发展。

超导材料

一、超导材料的分类

超导材料按其化学成分可分为超导元素、超导合金、超导化合物和超导陶瓷。

1、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。

2、超导合金：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。

3、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=24.5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。

4、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。

二、超导材料的性能

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。

1、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。

2、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。

3、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。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。

4、同位素效应：超导体的临界温度Tc与其同位素质量M有关。M越大，Tc越低，这称为同位素效应。例如，原子量为199.55的汞同位素，它的Tc是4.18K，而原子量为203.4的汞同位素，Tc为4.146K。

三、超导材料的制备

超导材料的制备方法很多，以前较为常用的有液相淬火法，离子轰击法，气相淬火法。化学气相沉积法CVD，表面扩散法和固态扩散法（青铜法）等等，对于高温超导陶瓷材料的制备而言，这些方法可以借鉴，但主要是 运用一些化学和物理技术和方法，这里更趋向于采用陶瓷工艺制备。首先必须明确的是，发展超导材料的关键在于有效地运用科学方法，控制工艺参数，以形成超导相而避免其他不利的物质或杂质生成，努力使超导材料的超导相含量增高，甚至是单一超导相，提高转变温度，力求达到液氮温区或者干冰区，甚至追求室温超导体的制备为最终目标。目前的工作重点在于提高临界电流密度（Jc）和改善机械性质（KC和强度），这方面的研究刚起步。

1、固相合成法

原料是采用Tl2O3(纯度为85%),BaO(纯度为85%)或BaO2(纯度80%),CaO（纯度98%），CuO(纯度99%)，按名义组成为TlBaCaCu2Oy ,TlBaCaCu3Oy ,TlBaCaCuOy ,Tl2BaCa3Cu2Oy配料，经充分研磨混匀，然后，将混合料在500Mpa在压强下冷压成型，将成型的圆片放置在铂板或氧化铝板上，在电阻炉内通空气进行烧结，烧结温度为740-860℃，烧结时间4-8h，以后随炉冷却，制备出高Tc（超导转变临界温度）的样品。在不同温度下进行烧结，采用热分析法进行观测，发现在800℃以上，样品已有严重的失重，加热温度再高，失重加剧。但另一方向，要充分反应以形成更高转变温度的超导相，又需较高的烧结温度，因而只有合理控制工艺条件，采用快速升温，使原料中易挥发的Tl2O3迅速达到熔化，并同其他组成发生固一液反应，快速生成较稳定的物相，这样可大大减少在烧结过程TL的损失，获得在Tc为120K的超导体陶瓷。

2、均匀溶胶一凝胶合成法

先将铜粉在热硝酸中煮溶，再添加Y(NO3)3和BaCO3，因为溶液中PH值非常低，其中会形成少量的BaO,徐徐加入氢氧化铵，使溶液PH值超过7，BaO溶解，形成透明的绿兰色溶液，然后再将聚丙稀酸添加进溶液，在高PH值的溶液中将会迅速形成螯合物，即具有聚合碳基单元的凝胶系统，将凝胶置于瓷坩埚中125℃干燥3h，400-480℃熔烧3h，再以5℃/mm升至煅烧，随炉冷却便形成单纯合成材料。

3、熔盐结构生长法

这是一种新型晶体生长法，其中工艺包括熔化1：2：3（Y2O2，BaO,CuO）氧化物，控制从液体状冷却，生成一块样品，在Tc77K时泰斯勒磁场强度中Jc7400A/cm2,该料长80-250um，横截面225um，在晶体长轴方向有高导电性，其特点是比其他方法制备的123化合物的临界电流密度高100倍，此法由美国贝尔实验室提出，现在很受重视。

4、液态淬火氧化法

日本东北大学材料研究所用纯金属Yb,Ba,Ca须氩气保护电融熔融并迅速淬火后，得到厚度为80um，直径为30um的Yb,Ba,Cu3合金箔，然后再在800-900℃空气中处理3小时，得到氧化物箔片，X射线衍射分析结果表明，淬火状态的Ybi,Ba2,Cu3合金具有非品结构，高温氧化后得到和YBa2Cu3O7相同的结构，分子为YbBa2Cu3O6-8,这是一个值得重视的方法。

5、套管拉丝法

将具有Yo4BaO0.6CnO3-y名义组成配比的混合粉未烧成熟粉，再填充到铜管或银管中拉成直径为1mm的成材，对该铜线材是先经腐蚀去铜后再进行最终热处理，则试结果Tc=87K,77K零场下Jc=720A/cm2。用同样工艺制备的块状样品，其Jc为1.1×103A/cm 2,又将该银线烧成φ2cm×2cm 的线圈直接在氧气中进行最终热处理，液氮中的电流度Jc=510A/cm2 ,Tc=70K.6、单晶生长技术

新超导化合物单晶样品有多种生长方法。溶液生长和气相传输生长法是制备从金属间氧化物到有机物各类超导体的强有力工具。过去10年来这些技术在不断发展,溶剂、输运剂、可控温度的范围在不断扩大。各类超导体的最新样品可通过这些方法制备。溶液生长的优点就是其多功能性和生长速度,可制备出高纯净度和镶嵌式样品。但是,它并不能生产出固定中子散射实验所需的立方厘米大小的样品。

7、高质量薄膜技术

目前, 薄膜超导体技术包括活性分子束外延(MBE)、溅射、化学气相沉积和脉冲激光沉积等。MBE尤其能制造出足以与单个晶体性能相媲美的外延超导薄膜。目前正在研制平衡方法可使多层膜原子层工程具有新功能。在晶格匹配的单晶衬底上生长的外延高温超导薄膜,已经被广泛应用于这些材料物理性质的基础研究中。在许多实验中薄膜的几何性质拥有它的优势,如可用光刻技术在薄膜上刻画细微的特征;具备合成定制的多层结构或超晶格的潜能。

四、超导材料的应用

超导陶瓷材料的超导材料具有的优异特性使它从被发现之日起，就向人类展示了诱人的应用前景。但要实际应用超导材料又受到一系列因素的制约，这首先是它的临界参量，其次还有材料制作的工艺等问题。到80年代，超导材料的应用主要有：①利用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（功率可达10000MVA）；可制作通信电缆和天线，其性能优于常规材料。②利用材料的完全抗磁性可制作无摩擦陀螺仪和轴承。③利用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。

（一）强电应用

1、超导输电：美国物理学家波恩特·特奥·马梯阿斯指出:“电能的输送是超导体最重要的应用之一。”发电站输出电能常用铝线和铜线。由于电阻的存在一部分电力在输出过程中转变为热能而消失,存在着严重的损耗。而利用超导材料输电,由于导线电阻消失,线路损耗也就降为零,用超导材料可制高效率大容量的动力电缆,并且可减少导体的需求量,节约大量有色金属资源。目前, 高温超导体(HTS)电力电缆的应用研究发展较快,极有可能首先广泛运用于电力系统中。2000 年美国已在底特律市的变电站使用第一条大容量HTS 输电电缆。我国第一根HTS 电缆模型已于1998 年底在中科院研制成功。

2、超导储能：人类对电力网总输出功率的要求是不平衡的。即使一天之内,也不均匀。利用超导体,可制成高效储能设备。由于超导体可以达到非常高的能量密度,可以无损耗贮存巨大的电能。这种装置把输电网络中用电低峰时多余的电力储存起来,在用电高峰时释放出来,解决用电不平衡的矛盾。美国已设计出一种大型超导储能系统,可储存5000 兆瓦小时的巨大电能,充放电功率为1000 兆瓦,转换时间为几分之一秒,效率达98 % ,它可直接与电力网相连接,根据电力供应和用电负荷情况从线圈内输出,不必经过能量转换过程。

3、变压器：发展超导变压器,可提高电力变压器的性能。从经济上看,超导材料的低阻抗特性有利于减小变压器的总损耗,高电流密度可以提高电力系统的效率,采用超导变压器将会大大节约能源,减少其运作费用;从绝缘运行寿命上看,超导变压器的绕组和固体绝缘材料都运行于深度低温下,不存在绝缘老化问题,即使在两倍于额定功率下运行也不会影响运行寿命;从对电力系统的贡献来看,正常工作时超导变压器的内限很低,增大了电压调节范围,有利于提高电力系统的性能;从环保角度看,超导变压器采用液氮进行冷却,取代了常规变压器所用的强迫油循环冷却或空冷,降低了噪声,避免了变压器可能引起的火灾危险和由于泄露造成的环境污染。

4、超导电机：在大型发电机或电动机中,一旦由超导体取代铜材则可望实现电阻损耗极小的大功率传输。在高强度磁场下,超导体的电流密度超过铜的电流密度,这表明超导电机单机输出功率可以大大增加。在同样的电机输出功率下,电机重量可以大大下降。小型、轻量、输出功率高、损耗小等超导电机的优点,不仅对于大规模电力工程是重要的,而且对于航海、航空的各种船舶、飞机特别理想。美国率先制成3000 马力的超导电机,我国科学家在20 世纪80 年代末已经制成了超导发电机的模型实验机。

5、超导故障限流器：由于电力系统容量的逐年增长,导致电路短路功率及故障短路电流的迅速增大。装备短路限流器就能有效地限制短路电流,降低对电网内电器的要求。用超导材料制成的限流器有许多优点:(1)它的动作时间快,大约几十微妙;(2)减少故障电流,可将故障电流限制在系统额定电流2 倍左右,比常规断路器开断电流小一个数量级;(3)它有低的额定损耗;(4)集检测、转换、限制于一身,可靠性高,它是一类“永久的超保险丝”;(5)结构简单,体积小,价格便宜。

6、在核能开发中的应用：若想利用热核反应来发电,电,首先必须解决大体积、高强度的磁场问题。产生这样磁场的磁体能量极高,结构复杂,电磁和机械应力巨大,常规磁体无法承担这一任务。只有通过超导磁体产生强大的磁场,将高温等离子体约束住,并且达到一个所要求的密度,这样才可以实现受控热核反应。

7、超导悬浮列车：由于超导体具有完全抗磁性,在车厢底部装备的超导线圈,路轨上沿途安放金属环,就构成悬浮列车。当列车启动时,由于金属环切割磁力线,将产生与超导磁场方向相反的感生磁场。根据同性相斥原理,列车受到向上推力而悬浮。超导悬浮列车具有许多的优点:由于它是悬浮于轨道上行驶,导轨与机车间不存在任何实际接触,没有摩擦,时速可达几百公里;磁悬浮列车可靠性大,维修简便,成本低,能源消耗仅是汽车的一半、飞机的四分之一;噪声小,时速达300 公里/ 小时,噪声只有65 分贝;以电为动力,沿线不排放废气,无污染,是一种绿色的交通工具。

8、磁悬浮轴承：高速转动的部位,由于受轴承摩擦的限制,转速无法进一步提高。利用超导体的完全抗磁性可制成无摩擦悬浮轴承。磁悬浮轴承是采用磁场力将转轴悬浮。由于它无接触,因而避免了机械磨损,降低了能耗,减小了噪声,进而具有免维护、高转速、高精度和动力学特性好的优点。磁悬浮轴承可适用于高速离心机、飞轮储能、航空陀螺仪等高速旋转系统。

9、电子束磁透镜：在通常的电子显微镜中,磁透镜的线圈是用铜导线制成的,场强不大,磁场梯度也不高,且时间稳定性较差,使得分辨率难以进一步提高。运用超导磁透镜后,以上缺点得到了克服。目前超导电子显微镜的分辨已达到3 埃,可以直接观察晶格结构和遗传物质的结构,已成为科学和生产部门强有力的工具。

（二）弱电应用

1、无损检测：无损检测是一种应用范围很广的探测技术,其工作方式有;超声探测、X光探测及涡流检测技术等。SQUID 无损检测技术在此基础上发展起来。SQUID 磁强计的磁场灵敏度已优于100ft ,完全可以用于无损检测。由于SQUID 能在大的均匀场中探测到场的微小变化,增加了探测的深度,提高了分辨率,能对多层合金导体材料的内部缺陷和腐蚀进行探测和确定,这是其他探测手段所无法办到的。工业上用于探测导体材料的缺陷、内部的腐蚀等,军事上可能于水雷和水下潜艇等的探测。

2、超导微波器件在移动通信中的应用：移动通信业蓬勃发展的同时,也带来了严重的信号干扰,频率资源紧张,系统容量不足,数据传输速率受限制等诸多难题。高温超导移动通信子系统在这一背景下应运而生,它由高温超导滤波器、低噪声前置放大器以及微型制冷机组成。高温超导子系统给移动通信系统带来的好处可以归纳为以下几个方面:(1)提高了基站接收机的抗干扰的能力;(2)可以充分利用频率资源,扩大基站能量;(3)减少了输入信号的损耗,提高了基站系统的灵敏度,从而扩大了基站的覆盖面积;(4)改善通话质量,提高数据传输速度;(5)超导基站子系统带来了绿色的通信网络。

3、超导探测器：用超导体检测红外辐射,设计制造各种样式的高TC超导红外探测器。与传统的半导体探测比较,高TC 超导探测器在大于20微米的长波探测中将为优良的接受器件,填充了电磁波谱中远红外至毫来波段的空白。此外,它还具高集成密度、低功率、高成品率、低价格等优点。这一技术将在天文探测、光谱研究、远红外激光接收和军事光学等领域有广泛应用。

4、超导计算机：超导器件在计算机中运用,将具有许多明显的优点:(1)器件的开关速度比现存半导体器件快2-3 个数量级,比普通半导体Si 集成电路,要快一千倍左右;(2)很低的功率。只有半导体器件的千分之一左右,散热问题很易解决;(3)输出电压在毫伏数量级,而输出电流大于控制线内的电流,具有一定增益,信号检测方便。同时,体积更小,成本更低；另外,因超导抗磁效应,电路布线干扰完全消除,信号准确无畸变。当然,超导材料的用途还有很多,它的优点也十分突出,但是它必须工作在比TC 低的温度,目前TC 为look ,这无疑限制了它的应用。随着高温超导材料的开发成功,必将引起能源、交通、工业、医疗、生物、电子和军事等领域的重大变革。

五、国内超导技术的研究

经过20 多年的研究发展,我国高温超导技术在超导材料技术、超导强电技术和超导弱电技术三个方面取得了重大进展和突破。在众多领域中,超导技术的应用具有非常突出的优点和不可取代的作用。随着高温超导材料和低温制冷技术的迅速发展,使超导技术的应用步伐迅速加快。超导技术在电力、通信、高新技术装备和军事装备等方面的应用也十分令人向往,具有重要的战略意义。

1、国内超导材料与薄膜技术

我国在铋系带材、钇系大面积双面薄膜、钇系新型涂层带材、钇系准单畴块材和高温超导电缆等方面,其技术发展水平与国际水平相当或相近,某些方面甚至处于国际领先水平。目前,国内带材研究在核心粉体技术方面,建立了粉体质量控制体系,保证了前驱粉体较好的重复性和稳定性;在带材加工和热处理方面,解决了长带鼓泡和芯丝不均匀性问题,消除了长期困扰铋系长带制备的障碍,所制备的带材最高临界电流密度Jc>4.0×104A/cm2(Ic=125A),200 m长带的临界电流密度Jc>3.0×104A/cm2(临界电流Ic=90A),这些成果都达到了目前国际先进水平。北京英纳超导技术公司和西北有色金属研究院先后建成了年产200 km的生产线,为我国超导技术应用的产业化提供了必要的材料基础。英纳超导公司300 m长带的临界电流大于100 A,达到国际先进水平。其产品在满足国内需求的同时,还出口到韩国、欧洲等地。

近年来第二代高温超导带材的研究成为国内外超导研究的热点。我国在“863”计划的支持下,已初步实现了第二代带材的动态制备,数十厘米长的带材的超导临界电流达到40 A。在高温超导单畴块材方面,我国在材料制备工艺上有知识产权,与国际先进水平的差距较小。北京有色金属研究总院制成了直径5 cm,冻结场7 T(4.2 K),磁悬浮力16 N / cm2的钇系块材,并实现了直径4 cm单畴材料的小批量生产。2000 年12 月国产的340 余块钇系块材用于世界首辆载人高温超导磁悬浮实验车系统。同时,铋系带材、钇系准单畴块材及钇系新型涂层带材等是供高温超导电缆、限流器、变压器、磁储能系统、电机、核磁共振成像(MR I)磁体等技术应用和研究所需的材料。

2、国内超导弱电技术

“十五”期间,国家863计划设立“超导材料与技术专项”(简称超导专项),重点支持超导应用技术的研究,充分体现了国家对“超导技术”这一战略性高技术的高度重视。目前,国内已有清华大学、天津海泰超导公司、中科院物理所和南开大学多家单位在进行移动通信和高灵敏超导接收前端的研究。2001年10月清华大学研制成功我国第一台GSM1800移动通信用高温超导滤波器系统。2004年3月26日在国内首次将超导滤波器应用于中国联通唐山分公司的码分多址移动通信基站,超导滤波器系统已连续运行两年多,实现了我国高温超导的第一次实际应用。

天津海泰超导公司是国内第一家从事高温超导滤波器产业化的企业,已经建成了国内第一条高温超导滤波器系统生产线,在超导滤波器设计、超导芯片精细加工、静态真空设计及获得、滤波器系统集成、滤波器并网运行和测试方面建立了多项自主知识产权的技术,在超导滤波器产业化工作上取得了多项阶段性成果。其超导滤波器产品也已在移动通信基站上进行了多次并网运行。

我国国防建设迫切需要超导滤波器技术,以提高通信设备和其他装备的灵敏度、选择性和抗干扰能力。清华大学最近在这方面有突破性的进展。中科院物理所研制的应用于卫星微波接收机的高温超导滤波器,采用了独创的带通滤波器和可调带阻滤波器无损超导集成技术,取得了反射损耗好于-22.5 dB,且带外抑制优于-110 dB 的优异性能。经国家权威部门认定,上述集成技术和综合指标“在国内外未见相同报道”。该滤波器和工作于低温的放大器与小型机械制冷机组成子系统,并与卫星微波接收机联机进行了地面试验。试验结果表明:使用高温超导滤波器子系统可以极大地降低卫星接收机的噪声温度(高达73%)。

在高新技术研究方面,太赫兹(THz)波也是目前超导领域研究的前沿技术。在探测非金属武器、爆炸物、伪造物或赝品等安全应用方面,太赫兹波段具有明显的优点。这一波段的开发,在实际的军事安全技术应用中有重要的意义。国内著名专家研究电磁波在层状超导体中的传播规律,致力于以超导器件为核心技术的THz信号的高灵敏接收和成像技术、物质的太赫兹波频谱测量技术和宽带频谱测量等,在整体上形成了自己的研究特色,在这一领域中已经做了许多重要的工作。北京大学和中科院物理所已经制备出高温超导量子干涉器件,并且制备出测量心脏磁场的心磁仪的样机模型。北京大学和中科院物理所合作成功进行了利用高温超导SQU ID对大地地磁分部的测量,获得了一些重要结果。清华大学曹必松教授领导的研究小组,研制的超导滤波器系统已达到国际先进水平并处于国内领先水平。

3、国内超导强电技术

国内在超导强电应用技术研究方面也做了大量工作,取得一些科研成果。如西南交通大学王家素教授领导的研究小组研制的载人高温超导磁悬浮列车技术已处于国际先进水平,并已承载两万多人次,实质上已具有一定的商业价值,这开拓了在磁悬浮技术上实现超越发展的可能性。1999年中科院电工所研制成功我国第一台微型超导储能样机。2007年中科院电工所肖立业教授领导的研究小组,研制成功世界首台超导限流—储能系统, 1MJ/0.5MVA超导限流—储能系统。该项目是超导电力中心本集中主要力量进行攻关的重点项目。1MJ/0.5MVA超导限流—储能系统主要包括:高温超导磁体、低温及制冷系统、电力电子系统,以及在线监测系统等部件。所有部件的研制在2006 年已经完成,近期1MJ /0.5MVA超导限流—储能系统将在北京市投入并网实验运行。在完成该系统并网试验运行前的各项调试和检测后,将投入10.5 kV配电网上试验运行,这将是世界上第一套投入实际电网运行的高温超导限流—储能系统。目前,在中国科学院知识创新工程的支持下,正在开展2.5MJ/1MVA超导限流—储能系统的研究。

2005年由中科院电工所与甘肃长通电缆科技股份有限公司、中科院理化所联合研究的国家“十五”计划中的“863”重大项目——75 m、10.5 kV /1.5 kA三相交流高温超导电缆顺利完成系统集成,已经通过了系统检测和调试,取得了一系列自主知识产权。它是目前世界上正在并网试验运行的高温超导电缆。75 m高温超导电缆主要由超导电缆芯、低温系统等许多关键技术,完全自主研制成功的三相交流高温超导电缆、三相高温超导限流器、三相高温超导变压器分别在甘肃省白银市、湖南省娄底市和新疆昌吉市投入并网实验运行,各个系统通过了国家电力设备的标准实验,运行期间未发生任何自身故障。超导电力技术的研究开发,解决了一系列关键技术问题,研制的相应的系统在国内处于领先地位,并达到国际先进水平。

4、我国超导技术研究取得的部分成果

2007年，中国地质调查局地质调查科研项目“ 高温超导三分量磁测技术研究”成果日前通过专家评审。有关专家认为这是我国在高温超导材料与技术的实际应用方面取得的重要突破, 取得了具有完全自主知识产权的创新性科研成果, 使我国在该领域走在了世界先进行列。中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所科研人员经过多年攻关, 不断优化电子线路设计, 研制出了具有国际先进水平的实用化单分量高温超导磁强计。在北京大学、吉林大学等单位已有多台在使用, 用于弱磁测量领域效果明显。实践证明, 和现在采用的感应线圈探头相比, 高温超导磁强计的性能指标在灵敏度、带宽、测量精度与效率等方面具有明显的优越性。据介绍, 该成果可提高勘探深度达50%以上, 使瞬变电磁法的勘探深度达1200米, 有利于推动瞬变电磁法的应用与发展, 从而为危机矿山、深部隐伏大矿的寻找、矿体的准确定位提供高技术手段。

六、超导材料的发展历程

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。

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。

1986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。

随着材料科学工艺技术的发展，近年来一种在轧制金属基带上制造钇钡铜氧超导带材的工艺被称作“第二代”带材。欧洲国家努力开展高温超导材料工艺及应用研究。丹麦已批量制造铋系超导带材。2003年11月我国第一个10m、10.5kV/1.5kA 三相交流高温超导电缆系统日前在中国科学院电工研究所研制成功，并于成功地进行了试验运行。2011年5月信赢和公司团队研发的世界最大功率的超导限流器刚成功。2011年9月25日，特拉维夫大学的研究小组开发出了一种超导体材料——蓝宝石单晶体纤维，可用于高压电缆输电，输电量是相同直径铜线输电量的40倍。研究人员称这种超导材料将可能彻底改变电力输送占空间、高损耗的状况。

七、超导材料的发展前景

陶瓷高温超导材料的发现和应用，将带动着广泛领域里许多有着重大竟义的应用前景，如约瑟夫逊效应器件，超导磁屏蔽，超导红外传感器等在近期内会得到应用。至于超导磁悬浮列车，超导电动机，超导储能，以及超导电力传输等，将在本世纪和下世纪普遍实现。著名材料学家们表示了 乐观的意见。其他人在不同的场合表示了这种看法，甚至更富于幻想或浪漫色彩。对于超导材料的研究，一定要给予高度的重视，应大力推进它的研究过程，高温陶瓷超导材料的应用价值很大，它的科学研究，会导致一场新的电磁革命，可与一百多年前法拉第，奥断陆和洛伦兹发起的电磁革命相比，它的开发就用，最终将导致一场高层次，大范围的真正工业革命，对科技，能源，交通，医疗，电业，乃至人民生活，思想信息和经济发展产生不可估量的巨大影响。

在电力、通信、国防、医疗等方面的发展急需利用超导技术解决现有的关键技术问题。超导储能、电缆、限流器、电机等超导电力技术，如果能应用将带来电力工业的重大变革。在国防工业方面，由于超导技术不可代替的特殊性和优越性，将在扫雷艇、超导电机、电磁武器、传感器、舰船用防弹及导航用高精度超导陀螺仪等领域被广泛应用。所以提高临界转变温度、临界电流密度和改良其加工性能，制造出理想的更低价格的新一代超导材料就成为超导的发展趋势。2010年3月7日日本刷新有机超导材料临界温度世界纪录。

从超导现象的发现到低温超导，再到高温超导至今已经刚好有100年的发展史了，超导技术具有广阔的发展前景，同时发展高温超导技术是21世纪国际高技术竞争中保持尖端优势的关键所在，如果能让高温超导电缆的产业化、实用化，我国将在世界上占据举足轻重的地位，世界也会因此踏入一个新的革命时代。尽管我国在高温超导技术研究领域做出了巨大努力,但整体技术水平与国外相比仍有较大差距,特别是工程化应用方面的差距较大。我国应该借鉴国外经验,合理组织研究力量,在超导技术应用研究上加大投入力度,对比较成熟的超导技术尽快投入工程化应用,加速我国超导技术研究与应用步伐,这对巩固国防和促进国民经济建设具有十分重要的战略意义。然而攻克在这个领域的各种难关，就成为当代科学的一个个的目标。作为当代理工类大学生，我们应该时时关注当代科学技术的发展，为自己树立一个更高的理想。

参考文献：

[1] 顾家琳.《材料科学与工程概论》.清华大学出版社.2005 [2] 雅菁.《材料概论》.重庆大学出版社.2006 [3] 杨遇春.高温超导材料十年来的研究开发与进展.稀有金属, 1997, 6(21): 437 [4] 窦华.超导材料的应用.内蒙古电大学刊, 2004, 2 [5] 冯瑞华, 姜山.超导材料的发展与研究现状.超导技术, 2007, 6(35): 521 [6] 新华网.我国高温超导材料与技术的实际应用取得重要突破.地质装备, 2007 [7] 杨天信, 谢毅立, 胡来平, 王生旺, 王贤华.我国高温超导技术研究现状.中国电子科学研究院学报, 2008, 2 : 123~126

第四篇：电力系统的超导技术的论文

电力系统的超导技术的论文

摘要：近年来高温超导材料研究取得很大进展，它在电力领域的应用研究已受到广泛关注，一些示范样机也已经研制成功的投入示范性试验，可以说超导技术是21世纪具有战略经济意义的高新技术。从目前电力的发展现状来看，充分利用国内各种优势资源开展超导电力技术的研究与开发，对于提高我国电力设备行业在国际市场上的竞争力及电力系统的技术经济。

关键词：电力系统、超导电性、超导电力装置

我国处于发展时期，对电力技术的有力发展，会我国经济的发展显示着越来越重要的作用，但是随着电力系统容量的增大、系统结构复杂化，电力系统巳突显出了若干技术难题，如电力安全、高密度供电、高品质供电、高效率输送电等。二目前这些问题的解决，越来越依赖于超导技术的应用。超导电力技术是受国内外广泛关注的一项前瞻性技术，将其引入电力系统会为解决电力系统的固有技术难题提供一条新的技术途径。因此，从电力系统建设、管理、运行及电力设备市场出发，我国均应大力加强超导电力技术的研究与发展，开发出性能先进、市场竞争力强、有自主知识产权的超导电力设备。

目前，超导电力技术已进入高速发展时期，有些超导技术产品已进入商品化阶段，若干超导电力设备，如超导电缆、超导限流器、超导磁储能系统等已在电力系统试运行。然而，由于电力系统的重要性、电力设备运行条件的复杂性，电力系统对于全面接受超导电力装置的准备还不充分。首先，在电力设备性能鉴定方面，目前还没有规范的

标准方法，也没有一个能对超导电力装置进行性能检测的实验基地，无法对超导电力装置是否具备入网条件进行科学判断。其次，超导电力装置进入电力系统后对电力系统产生何种影响，其装置如何和现有庞大的系统、复杂的控制相互协调没有充分的研究。同时，在若干超导电力装置的关键部件上仍需进一步提高技术性能及可靠性。基于此，国网武汉高压研究院与华中科技大学对超导电力技术的发展现状、关键课题、特别是超导电力装置的性能检测方法进行了基础性研究，在此基础上，筹备建设和发展超导电力技术检测实验室，为超导电力技术进入实际应用奠定基础。

超导技术的进步逐步形成了超导电力这一新的概念。美国、日本、欧洲乃至韩国等经济发达国家和地区均对超导电力技术给予了极大的关注，政府主导投入超导电力的研究工作，且有若干电力公司、电力设备制造厂家、甚至国防研究部门均开展了与超导电力相关的研究工作。已相继研制成功了输电电缆、限流器、磁储能系统、变压器、发电机和电动机等多种超导电力装置的实验样机。我国也在“十五”期间开发了多种超导电力装置。在Bi系高温超导带材走向商品化后，超导电力的研究开发重点已转移到高温超导。目前，高温超导电缆、限流器、变压器和电动机已进入示范试验运行阶段，高温超导磁储能系统也有相应的试样样机问世。同时小型低温超导储能系统的产品已出现。

超导电力技术是吵到技术与电工技术相结合而产生的一门新技术，超导电力技术主要研究开发各种电力装置，以及含超导电力装置 的电力系统的各种特性。超导电力装置比起常规电力装置来说有损耗小、体积小、重量轻、容量大特点，但超导电力装置一旦失超，对电力系统所产生的影响也大于常规的电力装置，因此超导电力装置的监测和保护是超导电力装置实用化过程的关键技术之一。

超导技术在电力系统的应用将带来若干个直接的和间接的技术经济效益，甚至引发技术性的革命。美国日本等国家对超导应用技术给予了很高的评价，美国能源部认为超导技术是21世纪电工行业的高科技，日本新能源开发机构认为超导技术是21世纪郭嘉间竞争的关键性高技术。国际超导界专家预测在5年~10年内超导技术将在电力工业中获得广泛的应用。

在我国，超导技术应用研究也已经进入起步阶段。我们相信，随着超导技术的发展和我国经济实力的增加，超导电力应用技术的研究必将得到进一步的加强，在我国电力系统中应用超导技术的时代必将到来。

第五篇：贾超导基导游词

大家好！很高兴在这样一个阳光明媚的日子里见到大家，首先我代表我们公司——美好时光旅行社，为大家的到来表示衷心的欢迎！托大家的宏福，很幸运地成为了各位的导游，我姓贾，大家叫我小贾就可以了。我身边的这位，是我们这次旅途中最为劳苦功高的一位，我们的司机刘师傅，刘师傅已有26年的驾车经验，由他行车大家可以放心。虽然我们的车厢不大，但却能容纳五湖四海，既然我们能从960万平方公里的土地上相聚到这个小小的车厢里，借用范伟的一句经典名言“缘分啊……”，因为缘分我们坐到了一起，因为缘分我们成为了朋友，既然是朋友，如果我有什么做得不合适的地方大家要及时提出来，我会立即改正。同时也给大家提几个小建议：

首先，我们的车已经行驶在高速公路上了，朋友们在座位上坐好就不要乱动了，以免车速过快发生危险。

其次呢，大家都起来得很早，还没有来得及吃早餐，那么希望大家把吃剩下的瓜果梨皮装进一个方便袋子里，下车的时候师傅会为大家清扫，这部车将陪伴我们1天的时间，希望大家能保持一个好的环境。

最后一点就是坐在窗边的朋友千万不要把手或头伸出窗外，以免其它车辆刮伤。朋友们注意下我们的车是蓝白相间的金龙车，车牌号是冀E 865267，车牌号的后两位是67，也就是我们的团号，希望大家上下车时注意识别。有一首歌叫做《常回家看看》，有一种渴望叫做常出来转转，说的就是旅游，旅游固然重要，但平安最重要。都说世界像部书，如果您没有外出旅游，您可只读了书中之一页：现在我们一同出游，让我们共同读好这属于中国的一页。接下来我们来阅读第一章：第一节便是武侯祠，也就是我们今天的第一站。

好了现在咱们已经到了武侯祠大门前了，请大家跟我下车，一起去观赏吧！中国文明史有五千多年，而三国时代是其中很短却又很精彩的一段。

武侯祠是纪念三国蜀国丞相诸葛亮的祠堂。诸葛亮生前封武乡侯，死后溢号忠武侯，后人便尊称他为武侯。

武侯祠始建于何时，已经没有资料可考了。但从杜甫《蜀相》诗的描写“丞相祠堂何处寻，锦官城外柏森森”来推断，早在唐代以前，就已经建有武侯祠了。在唐、宋时代，这里分别有武侯祠和刘备庙；明代初年，祠庙合并为一；明末，祠庙毁于战乱。今天看到的武侯祠，是清代康熙十一年（公元1672年）在旧址上重建的。

大门悬挂着“汉昭烈庙”的横匾。汉，是刘备政权的称号，史称“蜀汉”。昭烈，是刘备死后的溢号。匾额说明，这里是祭祀蜀国皇帝刘备的庙宇。既然如此，人们为什么又称之为武侯祠呢?民国年间的邹鲁写的一首诗，道出了其中的缘由：“门额大书昭烈庙，世人都道武侯祠。由来名位输勋业，丞相功高百代思”。也就是说，因为诸葛亮的历史功绩大，他在百姓心中的威望超过了刘备，人们就不顾君尊臣卑的礼仪和这座祠庙本来的名称了。

三绝碑大门到二门道路的两侧，立有六通高大的石碑。其中四通为清代刻建，一通为明代刻建，一通为唐代刻建。清碑记载了祠庙重建和维修的情况；明碑着重介绍了祠庙的历史沿革。这通唐碑最负盛名，被称为“三绝碑”，高3．67米，是唐宪宗元和四年，剑南西川节度使武元衡率其僚属27人，来武侯祠祭拜诸葛亮后刻建的。由裴度撰文，文中极力称颂诸葛亮治蜀的文治武功，对他鞠躬尽瘁、力图统一的精神给予了很高的评价，把他比作前代名臣管仲、曼婴、萧何、张良。

刘备殿二门内是蜀汉皇帝刘备殿。殿的正中，供奉着刘备的贴金泥塑坐像，两侧偏殿，分别供奉着关羽、张飞等人，与殿相接的东西两廊，是蜀国的28位文臣武将的彩绘泥塑像。刘备像高3米，头戴天平冕冠，身着黄袍，手捧朝天圭玉，宽面大耳，神态静穆。左右侍者，一捧玉玺，一捧宝剑。

在刘备像东侧，是刘备之孙刘谌的塑像。

西偏殿是张飞祖孙三代的塑像。张飞面色漆黑，豹头环眼，燕颔虎须，像貌威猛而有生气。张飞，字益德。《三国演义》称“翼德”。他早年追随刘备打天下，勇猛善战，是三国时代的一员虎将。刘备在当阳长阪坡被曹操打败，张飞领20多人在后面阻击。曹兵来时，他立马横枪站在桥头，大吼一声。说：“我是张益德，谁敢来决一死战!”曹军居然不敢过桥。民间传说他的吼声吓退了曹操的百万大军，桥下河水也为之倒流。张飞常常无故鞭打部下，因此被部将张达、范强暗害。陈寿《三国志》评论他“尊君子而不恤小人”。他不关心群众，不尊重下级，也遭到失败。

武将廊内有蜀汉著名将领14位。他们或因战功卓著，或因战死沙场，被立像表彰。赵云居于武将之首，他是一员智勇双全的将领。在当阳长阪坡，他只身在曹军重围中冲杀，保护了幼主刘禅。在汉中争夺战中，他凭胆识，杀退曹军，刘备称他“一身都是胆”。其他著名将领还有马超、姜维、黄忠等。马超武艺高强，当他还是一支独立势力时，曾在潼关大败曹操，弄得曹操割须弃袍，狼狈不堪。曹操曾说：“马儿不死，吾无葬身之地!”后来他战败失势，归降刘备，被封为五虎上将。姜维本是魏国一名小将，诸葛亮首次出祁山攻打曹魏时将他收降。因忠于蜀汉，文武双全，受到器重。诸葛亮死后，他担负起蜀国的军事重任。曾九伐中原，力图完成诸葛亮“兴复汉室”的遗志。黄忠，也是蜀国的五虎上将，他老当益壮，征战中总是身先士卒，勇冠三军。

文臣廊内也有塑像14尊。这14位蜀国官吏有才有识、为官清正。董允直言敢谏，后主刘禅也畏惧他三分。邓芝不仅在“东联孙吴北巨曹魏”战略上立下功劳，而且终身不置私产，临死的家无余财，可算是清正廉洁。蒋琬、费韦，是诸葛亮临终时向刘禅推荐的两位丞相继位人。二人才干虽不及诸葛亮，但能忠实执行诸葛亮的政策，在执政期间，均能保住蜀国的安定和繁荣。居于文臣之首的是庞统。庞统才思敏捷，博学多智，年轻时得“凤雏”的称号，与诸葛亮齐名。开始并不为刘备所赏识，经过鲁肃和诸葛亮的竭力推荐，又亲自与他交谈时政后，方受到重用。不幸在入蜀攻打雒城(现广汉市)的战役中被乱箭射死，年仅36岁。

出刘备殿，低一个台阶，就是过厅。为什么要低一个台阶呢?这是当时封建社会君尊臣卑等级观念的体现。

过厅悬挂着董必武、郭沫若、冯玉祥、徐悲鸿、舒同等人撰书的匾额对联。出过厅，就是诸葛亮殿。殿的门楣楹柱上挂满了前人留下的匾联。其中最有名的是悬挂在诸葛亮殿正中的一联，即“能功心则反侧自消，从古知兵非好战；不审势即宽严皆误，后来治蜀要深思”。联文是清末云南剑川人赵藩撰书。上联说，诸葛亮在打仗中能用“攻心”战术，如南征时对孟获七擒七纵，使其心悦诚服，以此称赞诸葛亮是真正懂得用兵打仗，而不是好战的军事家。下联称颂诸葛亮能审时度势，制定出宽严得宜的法度，收到良好效果，提醒后来治理四川的人从中汲取教益。这幅对联对诸葛亮的用兵和施政作出了客观的评价，提出“攻心”和“审势”两个很有启发性的问题，是武侯祠匾联中的上品，也是我国名联之一。

诸葛亮殿内，供奉着诸葛亮和他的儿子、孙子的贴金泥塑像。诸葛亮像在正中的龛台上，他羽扇纶巾，身披金袍，凝目沉思，其忧国忧民，深谋远虑的神采，显示出一代儒相的风仪。诸葛亮(181—234)，字孔明，山东沂南人，是中国历史上杰出的政治家、军事家。他年轻时隐居于襄樊隆中，因才智超群，刻苦好学，胸怀大志，得“卧龙”的美称。经刘备三顾之请，拜为军师。他先铺佐刘备，创建蜀国；刘备死后，受托孤之重任，辅佐其子刘禅，执掌朝政，治蜀达20多年；他施行教化，严明赏罚，选贤任能，兴修水利，发展生产，南征至滇池，北伐出祁山，以忠贞、勤勉、廉洁和才智，换来了蜀地的安定和繁荣。史学家陈寿评论说，当时的蜀国，政治清明，民风淳正，田野开辟，仓廪充实，到处是升平景象。由于过度辛劳，他54岁时，病逝于北伐前线五丈原军中，埋葬在陕西勉县定军山下，坟墓至今尚存。

诸葛亮一生做了有益于社会进步和勤政爱民的好事，他死后，人们十分怀念他，对他鞠躬尽瘁，死而后已的精神更是非常敬重。于是，人们便修起了一座又一座武侯祠来纪念他，还把他作为忠臣贤相的典范，智慧的化身而加以崇拜。诸葛亮的儿子诸葛瞻、孙子诸葛尚，在蜀国面临存亡之时，率部与魏军奋战，终因寡不敌众，为国捐躯。

诸葛亮殿内陈列有一面铜鼓，是公元五、六世纪时的文物。铜鼓，原是西南兄弟民族古代的炊具，后来逐渐演变成一种乐器、礼器，在集会、庆典时使用，表示富有。相传诸葛亮南征时，曾使用过这种铜鼓，白天用来煮饭，晚上当鼓，用来报警，一物多用。所以，又称为诸葛鼓。

出诸葛亮殿，就是三义庙。三义庙因祭祀桃园三结义的刘、关、张而得名。庙始建于清康熙年间，原有四进五殿，规模宏大。现仅存拜殿、正殿，成四合院布局。三义庙本在市区中心的提督街，因城市建设的需要，1997年迁建于此。迁建工程严格按照国家文物法规，将原建筑构件编号拆下，运至新址按编号搭建，恢复原貌。

恢复重建的三义庙巍峨耸立，其建筑形制与刘备殿一致。屋顶为单檐硬山式，青色简瓦覆盖其上，结构为木石结构，抬梁式木构架，立柱及柱础均为石质。有40根整石雕成的圆形立柱，柱径0．5米。有24根石柱上刻对联12副，联文描金。正殿恢复了刘、关、张的泥塑坐像，廊房两壁新增加十幅三国故事线描石刻画。画稿取自明代《三国演义》版本。这些画的内容是：桃园三结义、三英战吕布、张飞鞭打督邮、刘备招亲、关公刮骨疗毒等。

出三义庙西行，过小桥，经桂荷楼、琴亭，进入翠竹簇拥的红墙夹道。夹道尽处，是刘备墓。刘备墓土冢高12米，墓上绿荫覆盖。有一道180米长的砖墙环护着陵墓，墓前有碑和寝殿。

刘备伐吴失败后，退驻白帝城，于公元223年四月病逝。五月，诸葛亮扶灵枢回成都，八月下葬，墓称“惠陵”。据史书记载，墓中还葬有刘备先后死去的甘夫人、吴夫人两位皇后，是一座合葬墓。此墓距今1700多年，没有发现被盗，墓中情况不详。

传说唐代时一伙盗墓贼，在一个漆黑的夜晚打洞进入墓室内，看见里面灯火辉煌，刘备正与关羽下棋，张飞在一旁观战，十名武士侍立一侧。贼人吓得魂不附体，纷纷下跪求饶，刘备挥手示意卫士赐予玉带和琼浆。他们喝了琼浆，系上玉带，惊慌爬出洞来，回头一看，洞口自然封好，玉带变成了大蛇，缠住了腰，琼浆变成胶粘住了咀。据说从此再也没有人敢动刘备墓了。

出刘备墓照壁，就来到新建的“三国文化陈列”展区。该展区由展厅和外环境两部分组成。外环境由三分桥、神兽天禄、辟邪、汉宫残柱、兵争社稷、残壁石刻《临江仙》、石刻序言等组成。展厅内分五个展区，分别是战争风云、农桑一瞥、民俗采风、艺林撷英、流风遗韵等。共展出文物、资料、图片数百件。内容丰富多彩，艺术手法形象直观，集知识性、观赏性为一体，很值得细观。

看完陈列，顺道还可去“听鹂馆”参观。那是一座小小的四合院，里面的盆景值得观赏，临时举办的各种展出也很有文化品味。

各位朋友！我们的旅程马上要结束了，小贾也要跟大家说再见了。临别之际没什么送大家的，就送大家四个字吧。首先第一个字是缘，缘分的缘，俗话说“百年休的同船度，千年修的共枕眠”那么和大家1天的共处，算算也有千年的缘分了！接下来这个字是原谅的原，在这几天中，小贾有做的不好的地方，希望大家多多包涵，在这里说声对不起了！再一个自就是圆满的圆，此次行程圆满的结束多亏了大家对我工作的支持和配合，小贾说声谢谢了！最后一个字还是源字，财源的源，祝大家的财源犹如滔滔江水连绵不绝，也祝大家工作好，身体好，今天好，明天好，现在好，将来好，不好也好，好上加好！