超导材料在能源上的应用

第一篇：超导材料在能源上的应用

超导材料在电力系统和热核聚变上的应用

姓名：成双良

班级：复材1402

学号：1105140212

摘要：超导技术是21世纪具有重大经济和战略意义的高新技术，在国民经济诸多领域具有广阔的应用前景，在能源方面尤其是电力系统以及热核聚变实验之中尤为突出。实用化超导材料是超导技术发展的基础。目前，国际上发现的实用化超导材料主要有有低温超导线材、铋系高温超导带材、YBCO涂层导体。文章首先介绍了超导材料的发展基础，重点综述了上述几种实用化超导材料制备及加工、性能和应用方面的最新研究进展，并对相关领域存在的问题及今后的发展作出展望。

关键词：超导材料，电力系统，热核聚变，NbTi，Nb3Sn，铋系高温超导带材，YBCO涂层导体

Application of Superconducting Materials in Power System and Thermonuclear

Fusion

Abstract:Superconducting technology is a high-tech with significant economic and strategic significance in the 21st century.It has wide application prospect in many fields of national economy, especially in energy, especially power system and thermonuclear fusion experiment.Performance improvementin practical superconducting materials is the foundation of application development.The overall picture of superconductors is diverse and developing rapidly.Currently, practical superconducting materials comprise mainly Nb-based low-temperature wires, bismuth-strontium-calcium copper oxide high-temperature superconducting tapes and yttrium barium copper oxide coated conductors.A review is presented here of the fabrication issues, key properties and recentdevelopments of these materials, with an assessment of the challenges and prospects for fixture applications.Keywords: superconducting Materials, power system, thermonuclear fusion, NbTi，Nb3Sn, BSCCO tapes, YBCO coated conductors

1.前言

自从 1911 年荷兰物理学家 Kamerling Onnes 发现超导现象以来，超导材料的发展经过了一个从简单金属到复杂化合物，即由一元系到二元系、三元系直至多元系及高分子体系的过程。在上世纪 80 代末发现铜氧化物超导体之后，在新世纪之初又有两类比较接近实用的超导材料被发现，即 MgB2和 Fe 基超导体，新型超导体可谓层出不穷。然而，由于各自不同的本征特性、低温条件、合成技术及其环境污染等因素，各类超导体的实用化水平相差很大，有的基本失去实用性，仅能适于基础研究。本文主要对超导材料进行概述性介绍并以目前已处在应用中或处于商业化前期的NbTi，Nb3Sn，铋系高温超导带材，钇系高温超导带材为例介绍超导材料在电力系统和热核聚变方面的应用。

2.超导材料的发展概况

超导体在超导状态下具有零电阻、抗磁性和电子隧道效应等奇特的物理性质[1]。利用超导体的这些特性可以传输大电流、获得强磁场、实现磁悬浮、检测微弱磁场信号等，因此超导材料广泛应用于电力、电子、军事、医疗、交通运输、高能物理等许多领域。

目前，超导材料已发现上千种，包括单质、合金和化合物。从 1911 年第 1 次发现超导现象到 1985 年，超导转变温度最高为铌三锗的 23 K，这些超导材料工作在液氦环境，一般称为低温超导材料。1986 年，Bednorz和 Muller 发现了Tc达到 30 K 的La-Ba-Cu-O 超导体，标志着高温超导研究的开始。紧接着发现了 TC超过液氮温度(77 K)的Y-Ba-Cu-O(YBCO，Tc= 92 K)、Bi-Sr-Ca-Cu-O(Bi2223，Tc= 110K)，Ti-Ba-Cu-O(Ti2223，Tc=127 K)和 Hg-Ba-Ca-Cu-O(Hg1223，Tc= 134 K)等系列氧化物高温超导材料，它们可以工作在廉价的液氮环境，这类材料被称为高温超导材料。1990 年以前，实用化超导材料的研究主要集中在低温超导材料。目前，低温超导材料已经进入产业化阶段，实用化超导材料研究主要集中在铜氧化物的高温超导材料。

虽然近年 来 各 类 新 型 超 导 材 料 层 出 不 穷，包 括2000 年发现的二元化合物 MgB2和 2008 年发现的 FeAs超导材料。然而从实用的角度特别是就电力能源系统的强电应用而言，只有 Bi、Y 系材料才有市场价值。Fe、Ti和 Hg 系由于含有环境危害元素和特殊的制备工艺，失去了作为一种实用超导材料的广泛性和普适性。

上世纪 90 年代末，随着第 1 代 Bi 系超导材料的制备技术取得重大突破，高温超导线材很快形成产业化生产能力，极大地促进了超导应用技术的发展，如高温超导电缆、高温超导限流器、高温超导变压器、高温超导电动机等已经进入示范运行阶段。超导电力技术的应用可望提升电力工业的发展水平和促进电力业的重大变革。因此，世界主要发达国家均把超导电力技术视为具有经济战略意义的高新技术。美国能源部认为超导电力技术将是 21 世纪电力工业唯一的高技术储备，发展高温超导电力技术是检验美国将科学发现转化为应用技术能力的重大实践，而日本新能源开发机构(NEDO)则认为发展高温超导电力技术是在 21 世纪的高技术竞争中保持尖端优势的关键所在。可见，超导技术越来越成为1 种不可替代的具有经济战略意义和巨大发展潜力的高新技术。

高温超导材料可广泛应用于电力、电子、医疗、国防军事、交通运输、高能物理等领域，大致可分为两大类: 大电流应用(强电应用)、电子学应用(弱电应用)。超导技术越来越成为 1 种不可替代的具有经济战略意义和巨大发展潜力的高新技术，将会对国民经济和人类社会的发展产生巨大推动作用。特别值得指出的是: 高温超导线带材可制备成各类器件，包括超导储能、变压器、电缆、限流器等等广泛用于先进电网之中。正如光纤的发明催生崭新的信息时代，高温超导线带材也将带来电力工业史上划时代的革命。

目前，世界范围内能源供应越来越紧张，而电能有大量浪费在传输线上。仅美国每年在输电线上的损失就高达 400 亿美元。而如果使用高温超导线材，不仅可避免这些损失，还可以节约大量的金属材料。因为同样直径的高温超导材料的导体能力高于普通铜导线的 100 倍以上。高温超导线材制成的超导器件具有损耗低、体积小、重量轻和效率高等特点。另外，建设超导智能电网是解决常规电缆远距离输电时对超高压电缆及技术依赖的唯一途径。例如，从内蒙到上海通过传统输电方式至少需要 500 kV 的电压，而通过超导电缆仅仅需要 220 V即可输送。随着经济和社会发展，人们对电能的需求量日益增长，电力系统的容量越来越大，电网将不得不向超大规模方向发展，同时人们对电能质量和安全的要求也越来越高，急需进行电力工业的革新改造。

同时，超导材料不仅仅在电力系统方面有着划时代的意义，在开发另一种梦幻般的新能源，即可控核聚变方面也有着不可替代的作用,即用作核聚变反应堆“磁封闭体”：核聚变反应时，内部温度高达1亿～2亿摄氏度，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。

为了提高超导导体的冷却效率，自上世纪 60年代起人们开始发展内冷导体 － ICC(InternalCooledConductor)，将超导线或铜线缠绕在封闭的中心冷却管周围获取冷量。1975 年，Hoenig、Iwasa 等人在 ICC 的基础上，发展出 CICC(Cable－ in － Conduit － Conductor)。由于 CICC 中冷却剂(主要是液氦)以流体形式直接与电缆接触，湿表面大，因此较 ICC 换热效率更高。此外，由于外部铠甲为内部电缆提供了支撑，提高了其结构强度，可承受高电磁载荷。因此，CICC 是目前国际上公认的受控热核聚变装置中的大型超导磁体线圈的首选导体，已广泛应用在加速器、聚变堆等大科学装置中，如正在建造中国际合作 ITER装置、CERN 的 LHC 装置、德国马普的 W7 － X 装置等[2]。目前主要使用的是NbTi和Nb3Sn材料。

尽管目前已有数千种超导体被发现，但具有实用价值的仅以下几种:已实现商业化生产的NbTi,Nb3Sn，铜氧化物BSCCO(Bi2223,Bi2212)和MgB2，处于商业化前期的YBCO涂层导体，以及处于实验室阶段的2008年刚发现的铁基超导材料。可以说，只有低温超导材料实现了大规模应用，当前，NbTi和Nb3Sn占超导材料市场的90%，而BSCCO和MgB2处于应用示范阶段，YBCO涂层导体批量制备尚未实现，铁基超导线带材还处于研发阶段。

3.低温超导材料

3.1 NbTi

1961年，美国Hulm等人首先报道了NbTi超导合金[3]，其很快就在1968被完全产业化并迅速获得广泛应用，这主要是由于这种合金具有良好的加工塑性和很高的强度及优异的超导性能。还有很重要的一点是这种合金的原材料及制造成本远低于其他超导材料。

我们知道，NbTi合金的Tc为9.7 K，其临界场H可达12T，可用来制造磁场达9 T(4 K)或11 T(1.8 K)的超导磁体。NbTi线可用一般难熔金属的熔炼方法加工成合金，再用多芯复合加工法加工成以铜(或铝)为基体的多芯复合超导线，最后用时效热处理及冷加工工艺使其最终合金由β单相转变为具有强钉扎中心的两相(α+β)合金，以满足使用要求。现在的多芯复合NbTi线材的每根截面上排列数百芯乃至数万芯NbTi丝，典型产品截面结构见图1(a)。不同公司工艺流程稍有变化。目前NbTi超导材料主要应用于制造核磁共振成像系统(MRI)、实验室用超导磁体、磁悬浮列车等，其中MRI每年消耗的NbTi超导线约为2500吨左右。因此，NbTi超导材料因其易加工、低成本和耐用，已成为最成功的实用化、商业化的超导材料。有理由相信，NbTi超导体在今后一段相当长时间内将继续得到广泛应用。3.2 Nb3Sn

产生较高磁场的Nb3Sn材料是由贝尔实验室Matthias于1954年发现的[4]，但因为其脆性大、硬度高，因而直到1970年代初才实现商业化生产。Nb3Sn是一种具有A15晶体结构的铌锡金属间化合物，其超导转变温度为18K，在4.2 K时的上临界磁场可达25 T, 4.2K/l0T磁场下能承载的临界电流密度约为5×10^5 A/cm2，因此，Nb3Sn主要用于制作10-23 T的超导磁体。Nb3Sn材料因其脆性不能按照NbTi线同样的工艺制备，历史上先后尝试过多种制造方法，如气相沉积法、青铜法、扩散法、内锡法以及粉末装管法等。虽然各有优缺点，加工工艺均较复杂，产品的力学性能差。实际上，青铜法一直是各种商品化Nb3Sn实用材料的主要制造工艺。

Nb3Sn导体主要应用于核磁共振仪，磁约束核聚变以及高能物理的高场磁体领域，如2011年Bruker公司已采用Nb3Sn开发了23.5 T,1 GHz的NMR系统。除Nb3Sn以外，比较著名的A15化合物中还有Nb3Al，其T和H比Nb3Sn要高，分别达19.1 K和32.4 T。Nb3A1是当前的一个研究热点[5]，主要由于它具有优异的应变特性，但是这种材料的加工窗口更窄，制备更为困难。目前日本国立材料科学研究所((NIMS)对该材料的研究工作较为突出，已能制备高性能长线，并实验绕制了高场内插线圈。

NbTi和Nb3Sn是目前应用最为广泛的两种超导材料。至今，用NbTi合金线材绕制一个8T的超导磁体，用Nb3Sn线材绕制一个15 T的超导磁体已经不存在任何的技术问题。这些导线的主要生产厂家是美国牛津超导((OST)公司、欧洲先进超导公司((EAS)、日本古河公司以及英国Luvata公司、中国西部超导公司等。值得一提的是，我国西部超导公司近年来承担了国际ITER计划的69% NbTi超导线材和7%Nb3Sn超导线材任务。通过参与ITER计划，大大提升了我国低温超导导线研发和产业化能力，成为ITER项目超导线的重要供货商。

图 1 实用化超导导线的界面结构 高温超导材料

4.1 铋系高温超导带材

1988年，日本NIMS的Maeda发现了临界温度达110 K的秘系（BiSrCaCuO)氧化物超导体[6]，后经证实他们得到的是Bi2212和Bi2223的混合物，Bi2223的Tc为110 K，而Bi2212的Tc是90 K。铋系超导相是一种陶瓷结构，无法直接加工成带材。通常采用粉末装管法（PIT)，即将脆性的超导粉包裹在金属套管里制备成导线。Bi2223带材工艺流程一般是先将原料粉末装入银管，通过拉拔轧制，然后退火热处理，见图2。经过十几年的发展，利用这种方法，可以开发出长度为千米级的秘系多芯超导线材，且技术已经比较成熟，已达到商业化生产水平（被称为第一代高温超导带材)。目前工业化生产的Bi2223超导长线的临界电流（截面积为1 mm2的超导导线在77 K温度和0T条件下)一般在100 A以上，最好的能达到200 A。

图 2采用粉末套管法制备Ｂi２２２３带材的工艺流程

具备Bi2223长线批量化生产能力的厂家主要有美国超导体公司、德国布鲁克公司、日本住友公司、北京英纳公司等（前2家公司已停产)。目前Bi2223导线已基本满足实用要求，并且已在超导输电电缆、磁体、发电机、变压器、限流器等多个项目中获得示范应用，特别是中国科学院电工研究所成功研制了世界首座超导变电站并进行了并网试验。真正接人电网进行商业运行的1 km长三相Bi2223超导电缆安装在德国小城Essen,其电压为10 kV，总功率为40 MVA。自从2014年10月正式替代原来一根110 kV的铜电缆以来，已安全运行了近1年。

然而Bi2223超导体具有较强的各向异性，在液氮温区的不可逆场较低（<0.5 T)，在较小的磁场下，其临界电流会显著降低，不适合用于强磁场场合。因此，在液氮温区，Bi2223超导体主要面向“超导电缆”应用。

4.2 钇系高温超导带材

临界温度达93 K的钇系（YBaCuO,缩写为YBCO)超导体是第一个被发现的Tc超过77 K的高温超导体[7]。和Bi2223相比，YBCO的各向异性γH较弱，约为5-7左右，同时在77 K时具有很高的不可逆场，高达7T，也就是说，钇系可以在77 K强磁场下承载较大的临界电流，是真正的液氮温区下强电应用的超导材料。由于YBCO带材在强磁场下具有更为优异的性能，近年来，它已成为超导材料的研究热点，研究重点是降低成本和提高性能。但是钇系超导体晶粒间结合较弱，难以用传统的PIT工艺制备带材，其成材通常建立在薄膜外延生长技术上，称为第二代高温超导带材（也称为涂层导体)。

第二代高温超导带材主要是由金属基带、多层隔离层、YBCO超导层、保护层等组成。金属基带一般为Ni或者Ni合金（如哈氏合金)，甚至不锈钢，其厚度为50-100 μm，其上沉积总厚度小于1μm的几层隔离层，随后外延生长1-4 μm的YBCO超导层，最后覆盖几个μm的保护层，典型结构见图1。这样的工艺结构主要是为了得到具有双轴织构特性的YBCO超导层，从而最大程度地避免材料中的大角度晶界，消除超导相之间的弱连接，获得大的传输电流。织构化基带的制备工艺路线主要有3种: 轧制辅助双轴织构基带技术（RABiTS)、离子束辅助沉积技术（IBAD)、倾斜衬底技术（ISD)。隔离层一般采用磁控溅射或脉冲激光沉积获得，除了具有阻挡原子扩散的作用外，还具有将织构传递给超导层的作用。超导层的几种主流沉积方法有: 脉冲激光沉积(PLD）、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、金属有机沉积(MOD)以及电子束共蒸发（CE)技术等。采用上述工艺获得的YBCO薄膜临界电流密度JC一般在106-107 A/cm2，之间（77 K,0 T)。目前YBCO薄膜的研究重点是:一个是引入人工钉扎中心，进一步提高磁场下的JC;另一个是通过增加YBCO薄膜的厚度来提高涂层导体的临界电流。

自1999年第一根100 m长YBCO带材被制备出来以后，第二代高温超导带材的研发单位已逐步发展成为以企业公司为主，主要的研发单位为:美国Superpower公司，日本Fujikura和SWCC公司，美国AMSC公司，德国THEWA公司以及韩国SuNAM公司等。其中美国Superpower公司是世界上第一家制备出千米级(1065 m, 2009年)的YBCO带材厂商，目前仍然保持着长度方面的世界纪录。该公司生产的首根1065 m长YBCO带材的最小电流是282 A/cm，整根带材的负载电流(电流ICx长度L)超过300000 A·m。值得一提的是，韩国通过设立“应用超导技术发展先进能源系统”的10年计划(即DAPAS计划)，经过有效组织、整合，采用合适的技术路线，近年来获得了突破性的进展，于2012年成功研制出1000 m长的YBCO带材，其负载电流达到422 A×1000 m = 422000 A·m。近几年来，我国进行YBCO带材产业化研发的主要单位有上海超导科技公司、苏州新材料研究所以及上海上创超导公司等。

YBCO带材的缓冲层及超导层，多采用真空沉积法制备，复杂的薄膜制备工艺不仅导致其成材率较低，而且价格至今也远高于第一代Bi2223导线。因此，今后面临的挑战是进一步优化制造工艺，提高电流性能，降低成本，这样才有望获得规模化的电力应用。

5.小结

如文中所述，实用化超导材料NbTi, Nb3Sn, Bi2223均是采用拉拔、挤压或轧制等机械加工工艺获得超导线带材，该方法制造成本低廉，易于规模化制备，而YBCO导体必须采用多层镀膜的方法，需要人们付出更多的努力，才能获得真正意义上的低成本、高性能YBCO带材。

以NbTi, Nb3Sn为代表的低温超导体已实现了商品化，其制备工艺及性能发展已完全成熟，并得到广泛的应用，尤其是在全球医疗和科学仪器方面，如用于医学诊断的核磁共振成像仪和用于谱线分析的核磁共振仪以及高能物理实验用的磁体。其中在高能物理实验中更是有可能在不久的将来实现可控核聚变，人类将获得永不枯竭的能源。

我们相信，随着实用化超导材料的进一步提高和技术的成熟，人类的社会将在能源，通讯以及更多的方面出现划时代的变革。

参考文献

[1]蔡传兵, 刘志勇.实用超导材料的发展演变及前景展望.上海：中国材料进展, 2011 [2]黄素贞, 秦经刚.未来聚变堆用高温 CICC 导体发展现状.合肥：低温与超导, 2016 [3]Hulm J K, Blaugher R D.Phys.Rev.,1961,123:1569 [4]Matthias B T, Geballe T H, Geller S et al.Phys.Rev., 1954, 95:1435 [5]Rogalla H, Kes P H(ed.).One Hundred Years of Superconduc-tivity.New York: CRC press, 2011 [6]Maeda H, Tanaka Y, Fukutomi M et al.Jpn J.Appl.Phys.,1988 ,27:L209 [7]赵忠贤，陈立泉，杨乾声等.科学通报，1987,32:412

第二篇：超导材料应用与制备概况

超导材料制备与应用概述

摘要：新型超导材料一直是人类追求的目标。本文主要从超导材料的性质，制备，应用等方面探索超导材料科学的发展概况。随着高温超导材料制备方法的不断成熟，超导材料将越来越多的应用于尖端技术中去，超导材料的应用将给电工技术带来质的飞跃，因此，超导材料技术有着重大的应用发展潜力，可解决未来能源，交通，医疗和国防事业中的重要问题。

关键词：超导材料 强电应用 弱电应用 超导制备 1.引言

1911年荷兰科学家onnes发现纯水银在4.2K附近电阻突然消失，接着发现其他一些金属也有这样的现象，随着人们在Pb和其它材料中也发现这种性质：在满足临界条件（临界温度Tc，临界电流Ic，临界磁场Hc）时物质的电阻突然消失，这种现象称为超导电性的零电阻现象。只是直流电情况下才有零电阻现象，这一现象的发现开拓了一个崭新的物理领域。

超导材料具有1）零电阻性2）完全抗磁效应3）Josephson效应。这些性质的研究与应用使得超导材料的性能不断优化，实现超导临界温度也越来越高。一旦室温超导达到实用化、工业化，将对现代科学技术产生深远的影响。

2.超导材料主要制备技术

控制和操纵有序结晶需要充分了解原子尺度的超导相性能。有序、高质量晶体的超导转变温度较高 ,晶体质量往往强烈依赖于合成技术和条件。目前，常用作制备超导材料的技术主要有： 2.1.1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。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。浮动熔区法常用来制备大尺寸的样品 ,但局限于已知的材料。这种技术是近几年出现的一些超导氧化物单晶生长的主要技术。这种技术使La2-xSr xCuO4晶体生长得到改善 ,允许对从未掺杂到高度掺杂各种情况下的细微结构和磁性性能进行细致研究。在T1Ba 2Ca2Cu3O9+d 和Bi2Sr2CaCu2O8中 ,有可能削弱无序的影响从而提高临界转变温度。最近汞基化合物在晶体生长尺寸上取得的进展 ,使晶体尺寸较先前的纪录高出了几个数量级。但应该指出的是即使是高 Tc的化合物 ,利用溶液生长技术也可制备出高纯度的YBCO等单晶。

2.1.2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能制造出足以与单个晶体性能相媲美的外延超导薄膜。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。

在过去的 20年里 ,多种高温超导薄膜生长技术快速发展。有些技术已经适用于其它超导体的制备。目前所使用主要方法有溅射和激光烧蚀（脉冲激光沉积）。类似分子束外延这种先进薄膜生长技术也已经发展得很好。臭氧或氧原子用来实现超高真空条件下的充分氧化。这使得生长的单晶薄膜的性能已接近乃至超过块状晶体。如 LSCO单晶薄膜的 T =51.5 K,比块状晶体（Tc <40 K）要高 ,外延应力是产生这种强化现象的部分原因。

3.超导材料制备的新探索

发现新型超导体最直接的方法是研究相空间并实施一系列系统探索来发现新的化合物 ,可通过鉴别成分空间中有希望的区域和快速检测该区域尽可能多的化合物的方法来实现。通过这样的研究,在 20世纪50到 60年代产出了很多金属间超导体 ,这些超导体还需要在三相或更高相空间中再继续研究。此外 ,继续寻找异常形态的超导材料也是很重要的。3.1先进合成与掺杂技术

3.1.1极端条件下的合成技术

经验上讲 ,超导性常常表现得和结构上的相转变联系紧密;事实上 ,有许多超导体是亚稳态 ,需要在高温高压下合成。此外 ,合成新化合物所需的许多元素具有非常高的挥发性活性和难熔性 如 Li、B、C、Mg、P、S、Se、Te ,而且要在非常特殊的环境下才能成功合成。大尺寸单晶生长技术 ,特别是用于固定中子散射实验的关键材料的合成技术应进一步发展。

3.1.2合成与表征组合技术

对新型超导化合物的系统性组合探索可基于薄膜沉积技术。一种方法是利用掩膜技术制备微小均质区域。利用连续相涂敷法(Continuousphase spread method)以及使用多种源或靶材在衬底上形成不同的薄膜成分。磁场调制光谱(Magnetic Field Modulated Spectroscopy),MFMS ,是一种非常敏感而快速的超导检测技术 ,可用于高产量的表征方法。合成与表征组合技术需要进一步完善,以在更大范围内应用来寻求具有理想性能的新型超导体。3.1.3原子层工程、人造超晶格技术

薄膜沉积技术的迅速发展为化学和材料科学突破体相平衡的限制提供了机遇。拓展相界、获得新亚稳态和微结构、创造多层结构、施加大的面内应力以及获得不同排列体系间的平滑界面都因此成为可能。单晶多层结构使材料具有不同的界面性能 ,不会受到污染物的干扰。在界面处各种电荷移动和自旋态的相互影响会产生新电子结构。与界面原子层工程一样 ,改变相邻绝缘体的组成和结构 ,为利用外延应力和稳定性来调整界面结构的超导性提供了多种可能。3.1.4场效应掺杂和光掺杂技术

化学掺杂是在铜酸盐等化合物超导体中实现金属和超导态所必需的 ,但它的缺点是会同时产生无序状态。这种无序状态不仅使人难以区分内在和外在特性 ,而且实际上还削弱了超导性能。此外 ,在多数情况下化学掺杂量是不可调的 ,每种组成都需要一个单独的样品。场效应掺杂和光掺杂通过外加强电场或强光照射引入电荷载体 ,从而避免了这些弊端。使用这两种掺杂 ,可连续地调节单个样品的掺杂量而不会诱发化学无序状态。这一方法在从配合物中寻找新的超导体方面有很大的潜力。3.2 纳米尺度超导材料

新型超导体的设计和研究面临挑战是难以控制的化学合成工艺参数。最有希望发展的就是可控制的纳米新型高温超导材料。开发新的纳米尺度的高温超导体 ,可增进机械稳定性、耐化学腐蚀性等。虽然这些性能已单独得到证明 ,但把它们全部合成至单一的材料器件或系统中仍是一个巨大的挑战。在高温超导材料中 ,很多基本长度尺寸是处于纳米量级的(如单晶畴)大小、相干长度等 ,因此关于纳米尺寸结构的实验性研究对帮助人们了解微观机制具有相当的重要性。3.3 超导材料制备相关问题

块体样品、单晶方面的关键性公开问题包括:提高各种有机超导、重费密子超导等非常规超导体样品的纯度;了解和消除样品的依赖性;了解和控制缺陷、杂质及无序对样品的影响;改进各类材料的 Jc、Hc2和 Tc以及大尺寸单晶生长问题。要处理好这些问题 ,要改进现有的晶体生长技术并创造新的技术。新的助熔剂、输运剂以及新的温度、温度梯度、成核控制方法将提高人们对样品的大小、品质和可重复性的控制能力。对于各类超导薄膜 ,最基本的问题是衬底表面的制备以及对薄膜生长的影响 ,对这些问题的深入了解将使薄膜沉积条件具有更好的可重复性 ,对薄膜的合成控制更加优良。随着越来越多的超导化合物被引入薄膜材料的范畴 ,人们需要进一步改进薄膜的合成和表征技术。在薄膜的成核、生长和界面方面 ,应实现原子级的控制 ,最终目标是在如绝缘-超导这种多层异质结构中制造出洁净的界面。4.超导材料的应用

4.1强电应用 4.1.1 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氦作为冷却剂,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10kA/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输系统。

图1 CD高温超导电缆示意图

美国是最早发展高温超导电缆技术的国家。1999年底,美国outhwire公司、橡树岭国家试验室、美国能源部和IGC公司联合开发研制了长度为30m、三相、12.5kV/1.26kA的冷绝缘高温超导电缆,并于2000年在电网试运行,向高温超导技术实用化迈出了坚实的一步。目前,世界上报道的能制备百米量级长度的超导电缆仅有日本和美国。在欧洲如法国、瑞典的电力公司有十米量级的超导电缆计划。

4.1.2超导变压器

超导变压器一般都采用与常规变压器一样的铁芯结构,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(可达到额定功率的2倍左右)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300MVA时,这种优越性将更为明显。图2为美国Waukesha公司在1997年就研制了1MVA的超导变压器结构示意图。

图 2超导变压器结构示意图 4.1.3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。

图3 超导储能器一次系统简图

4.1.4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。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。

图4 两种发电机尺寸的比较

4.1.5超导故障限流器

超导故障电流限制器(简称SFCL)主要是利用超导体在一定条件下发生的超导态/正常态转变,快速而有效地限制电力系统中短路故障电流的一种电力设备。该设想是在上世纪70年代提出的,到1983年法国阿尔斯通公司研制出交流金属系超导线后,各研究机构才开始着手开发SFCL产品。现已有中压级样品挂网运行,国外乐观估计可望在10年或更长的时间内开始投入市场。

图5感应屏蔽型超导故障电流限制器原理图

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两倍左右,比常规断路器开断电流小一个数量级;3）低的额定损耗;4）可靠性高 ,它是一类“永久的超保险丝”;5）结构简单 ,价格低廉。4.2弱电应用

4.2.1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。4.2.2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。

4.2.3超导探测器

用超导体检测红外辐射 ,已设计制造了各种样式的高 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。4.2.4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）器件的开关速度快;2）低功率;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 ,信号检测方便。同时 ,体积更小 ,成本更低;另外,信号准确无畸变。

5.超导磁体

由于能无电损耗地提供大体积的稳定强磁场 ,超导磁体成为低温超导应用的主要方向 ,经过四十年的持续努力 ,按照实际需求设计、研制、建造 15 万高斯以内 ,不同磁场形态与各种体积的低温超导磁体技术已经成熟 ,有关导线与磁体的产业已经形成。低温超导磁体应用的一个重大障碍在于要创造与维持液氦温度（118～412K）的工作环境 ,需要有相应的低温制冷装备与运行维护工作。图6 制冷装备相对投资与运行温度的关系曲线

高临界温度超导体的出现使人们看到了提高运行温度的可能性 ,从而激发了发展高临界温度超导磁体的积极性。发展高临界温度超导磁体的主要问题在于迄今已能生产的铋系实用导线的强磁场下的性能在高运行温度下还难于与低温超导线相比及价格高 ,图 7示出了铋系实用导线在不同温度与磁场下的临界电流 性 能 曲 线 , 77K、0 T 时临界电流密度I ≈50kA/cm2。由图6可见 ,在 77K时 ,最高仅能产生10-1 特斯拉的超导磁场 ,当要求磁场高于 1 特斯拉时 ,运行温度需低于20～50K,从图 6所示制冷装备投资看仍有着重要意义 ,前述的超导同步电机激磁绕组就属于此范围。值得注意的还有 ,若运行温度仍保持在4.2K,Bi-2223 导线在近40T强场下仍能保持约100kA/cm2 的临界电流密度 ,从而可用于产生更高的超导强磁场。

图7 Bi-2223实用导线的临界电流性能(B∥带面)5.1 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，是一种绿色环保的交通工具。

图8 日本研制的磁浮列车用高温超导磁体系统

5.2磁悬浮轴承

高速转动的部位 ,由于摩擦的限制 ,转速无法进一步提高。利用超导体的完全抗磁性可制成悬浮轴承。磁悬浮轴承是采用磁场力将转轴悬浮。由于无接触 ,因而避免了机械磨损 ,降低了能耗 ,减小了噪声 ,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。5.3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。6展望与建议

自从超导材料制备技术不断成熟并逐步产业化生产以来 ,近十年来高临界温度超导应用得到了良好的发展 ,在超导电缆、超导限流器与超导变压器等电力应用方面 ,研制成功多台样机，人类在 21 世纪前期将迅速进入超导应用的新时代。从超导材料的发展历程来看，新的更高转变温度材料的发现及室温超导的实现都有可能。单晶生长及薄膜制造工艺技术也会取得重大突破，但超导材料的基础研究还面临一些挑战。目前超导材料正从研究阶段向产业化发展阶段。随着高温超导材料的开发成功，超导材料将越来越多地应用于尖端技术中，因此超导材料技术有着重大的应用发展潜力，可解决未来能源、交通、医疗和国防事业中的重要问题。

参考资料：

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第三篇：超导材料在电力系统中的应用前景展望

超导材料在电力系统中的应用前景展望

摘要：

超导的发现是20世纪物理学的一项伟大成果。文章主要阐述了超导现象，超导材料的研究和发展以及在电力系统方面的应用优势和进展，并做了前景展望。

关键词：

超导材料；超导电缆；超导发电机；超导电动机。Abstract:

The discovery of superconductivity is a great achievement of 20th century in physics.The article mainly describes the phenomenon of superconductivity, the research and development of the superconducting materials as well as in Electric Power System strengths and progress, and outlook.Keywords: superconducting material;superconducting cable;superconducting generators;superconducting electrical motor.超导的诞生和发展

1911年，荷兰科学家卡麦林·昂尼斯用液氦冷却汞，当温度下降到4.2K（﹣268.95℃）时，汞的电阻变为零，这种现象被称为超导现象，电阻为零时的温度称为临界温度。为了证实超导体的电阻为零，科学家将一个铅制圆环放入温度低于7.2K（﹣265.95℃）的空间，利用电磁感应在铅制圆环内激发起感应电流。结果发现，环内电流能持续下去，从1954年3月16日始，到1956年9月5日止，在两年半的时间内的电流一直没有衰减，这说明圆环内的电能没有损失，这就是著名的昂尼斯持久电流实验。这一实验极大的激发了科学家们的研究热情，国际上也对超导技术在电力方面的应用给予了极大的关注，开展了一系列可行性论证和一定规模的研究，但由于技术上和经济上的原因，这方面的应用研究都没能实现预期的目标。随着不断的实验，超导合金的出现使超导材料的临界温度也不断提高。

1986年瑞士缪勒和柏诺兹发现了一种成分为钡、镧、铜、氧的陶瓷性金属氧化物（La-Ba-Cu-O系氧化物）具有高于30K（﹣243.15℃）的约为35K的超导性。由于陶瓷性金属氧化物通常是绝缘物质，因此这个发现的意义非常重大，缪勒和柏诺兹因此而荣获了1987诺贝尔物理学奖。此后，新的研究成果如雨后春笋般大量出现，出现了研究和发现的高潮。到了1987年底，临界温度达到125K（﹣148.15℃），短短一年多的时间临界温度几乎提高了100K。

从此超导材料的研究方向朝向高温超导材料发展，当然，高温是相对于低温而言，即使是高温，依然远低于冰点。所以在实际应用中超导材料需要制冷等操作，大大提高了成本，也使得超导材料不能大量应用。

超导材料在电力系统的应用

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。

由于超导材料有零电阻的性质，所以科学家想到把其应用到电力系统中，这样可以大大减少电能的热损耗，节约很大一部分电能。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，单单是在中国，每年的电力损失即达1000多亿度。若改为超导电缆输电，节省的电能相当于新建数十个大型发电厂。

在电力领域，利用超导线圈磁体还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%。超导发电机的另一个突出特点是有利于改善系统的稳定性。一般来说，发电机的电抗越小，系统就越稳定。超导发电机的电抗大约只有普通发电机的l／4左右，因此在系统电抗相对较小时，系统的稳定极限增加了约4倍。

另外，在2012年4月12日，中国船舶重工集团公司第七一二研究所研制的兆瓦级高温超导电机实现满负载稳定运行，标志着我国首台兆瓦级高温超导电机研制成功。该电机具有完全自主知识产权，达到世界先进水平，对我国超导电机的战略发展具有里程碑意义。今后，该所将着力进行大容量高温超导电机的实用化研究，预计到2020年前进入工程研制，逐步将高温超导电机技术推广运用到电气传动和发电领域，实现该领域的新变革。

超导材料的前景展望

综上所述，在电力系统中采用超导技术可增加电网的输送容量、降低电能损耗、提高电力系统运行的可靠性和稳定性、有利于保护环境．具有广阔的应用前景。现在超导电缆，超导发电机和超导电动机的研制都取得了重大进展，超导技术在电力系统中大规模应用的想法正在不断成为现实。我国的电力科技发展必须紧跟世界电力科技发展的步伐，要加强对超导电缆，超导发电机和超导电动机等可改善电网运行参数、有利于系统稳定且结构相对简单的超导电力设备的研制开发工作，争取在超导材料的研究开发、超导设备的结构设计、降低成本、经济运行等方面取得突破。

参考文献：

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第四篇：相态变化及超导在生活中的应用

相态变化及超导在生活中的应用

相态也就是物质的状态（或简称相，也叫物态）

物质在一定温度、压强下所处的相对稳定的状态。物质聚集状态的简称，也称聚集态。气态、液态、固态是物质三态，相应的物质分别称为气体、液体、固体。它们是以分子或原子为基元的3种聚集状态。水汽、水、冰是常见的同一物质的三态；氧、氢、氦等在常温下是气态，只在极低温度下才是液态或固态；金、钨等在常温下是固态，只在极高温度下才是液态或气态，固态物质的分子或原子只能围绕各自的平衡位置微小振动，固体有一定的形状、大小；液态物质的分子或原子没有固定的平衡位置，但还不能分散远离，液体有一定体积，形状随容器而定，易流动，不易压缩；气态物质的分子或原子作无规则热运动，无平衡位置，也不能维持在一定距离，气体没有固定的体积和形状，自发地充满容器，易流动，易压缩。

除上述三态外，在极高温下电离的气体成为由离子和电子组成的等离子体，称为物质第四态。这是宇宙中普遍存在的物质聚集状态。在超高压、超高温下原子结构被破坏，原子外围的电子被挤压到原子核范围，这种状态称为超固态，亦称物质第五态。

人们把处 于超导状态的导体称之为“超导体”。超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失，被称作零电阻效应。导体没有了电阻，电流流经超导体时就不发生热损耗，电流可以毫无阻力地在导线中形成强大的电流，从而产生超强磁场。

超导是指某些物质在一定温度条件下（一般为较低温度）电阻降为零的性质。1911年荷兰物理学家H·卡末林·昂内斯发现汞在温度降至4.2K附近时突然进入一种新状态，其电阻小到实际上测不出来，他把汞的这一新状态称为超导态。以后又发现许多其他金属也具有超导电性。低于某一温度出现超导电性的物质称为超导体。

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”。

后来人们还做过这样一个实验：在一个浅平的锡盘中，放入一个体积很小但磁性很强的永久磁体，然后把温度降低，使锡盘出现超导性，这时可以看到，小磁铁竟然离开锡盘表面，慢慢地飘起，悬浮不动。

迈斯纳效应有着重要的意义，它可以用来判别物质是否具有超导性。为了使超导材料有实用性，人们开始了探索高温超导的历程，从1911年至1986年，超导温度由水银的4.2K提高到23.22K（0K=-273.15℃；K开尔文温标，起点为绝对零度）。1986年1月发现钡镧铜氧化物超导温度是30K，12月30日，又将这一纪录刷新为40.2K，1987年1月升至4 3K，不久又升至46K和53K，2月15日发现了98K超导体。高温超导体取得了巨大突破，使超导技术走向大规模应用。

超导材料和超导技术有着广阔的应用前景。超导现象中的迈斯纳效应使人们可以用此原理制造超导列车和超导船，由于这些交通工具将在悬浮无摩擦状态下运行，这将大大提高它们的速度和安静性，并有效减少机械磨损。利用超导悬浮可制造无磨损轴承，将轴承转速提高到每分钟10万转以上。超导列车已于70年代成功地进行了载人可行性试验，1987年开始，日本开始试运行，但经常出现失效现象，出现这种现象可能是由于高速行驶产生的颠簸造成的。超导船已于1992年1月27日下水试航，目前尚未进入实用化阶段。利用超导材料制造交通工具在技术上还存在一定的障碍，但它势必会引发交通工具革命的一次浪潮。

超导材料的零电阻特性可以用来输电和制造大型磁体。超高压输电会有很大的损耗，而利用超导体则可最大限度地降低损耗，但由于临界温度较高的超导体还未进入实用阶段，从而限制了超导输电的采用。随着技术的发展，新超导材料的不断涌现，超导输电的希望能在不久的将来得以实现。

现有的高温超导体还处于必须用液态氮来冷却的状态，但它仍旧被认为是20世纪最伟大的发现之一。

世纪70年代，世界材料科学中出现了一种具有“记忆”形状功能的合金。记忆合金是一种颇为特别的金属条，它极易被弯曲，我们把它放进盛着热水的玻璃缸内，金属条向前冲去；将它放入冷水里，金属条则恢复了原状。在盛着凉水的玻璃缸里，拉长一个弹簧，把弹簧放入热水中时，弹簧又自动的收拢了。凉水中弹簧恢复了它的原状，而在热水中，则会收缩，弹簧可以无限次数的被拉伸和收缩，收缩再拉开。这些都由一种有记忆力的智能金属做成的，它的微观结构有两种相对稳定的状态，在高温下这种合金可以被变成任何你想要的形状，在较低的温度下合金可以被拉伸，但若对它重新加热，它会记起它原来的形状，而变回去。[1]这种材料就叫做记忆金属（memory metal）。它主要是镍钛合金材料。例如，一根螺旋状高温合金，经过高温退火后，它的形状处于螺旋状态。在室温下，即使用很大力气把它强行拉直，但只要把它加热到一定的“变态温度”时，这根合金仿佛记起了什么似的，立即恢复到它原来的螺旋形态。这是怎么回事？难道合金也具有人类那样的记忆力？

原来不是那么回事！这只是利用某些合金在固态时其晶体结构随温度发生变化的规律而已。例如，镍-钛合金在40℃以上和40℃以下的晶体结构是不同的，但温度在40℃上下变化时，合金就会收缩或膨胀，使得它的形态发生变化。这里，40℃就是镍-钛记忆合金的“变态温度”。各种合金都有自己的变态温度。上述那种高温合金的变态温度很高。在高温时它被做成螺旋状而处于稳定状态。在室温下强行把它拉直时，它却处于不稳定状态，因此，只要把它加热到变态温度，它就立即恢复到原来处于稳定状态的螺旋形状了。

工业应用

（1）利用单程形状记忆效应的单向形状恢复。如管接头、天线、套环等。（2）外因性双向记忆恢复。即利用单程形状记忆效应并借助外力随温度升降做反复动作，如热敏元件、机器人、接线柱等。

（3）内因性双向记忆恢复。即利用双程记忆效应随温度升降做反复动作，如热机、热敏元件等。但这类应用记忆衰减快、可靠性差，不常用。（4）超弹性的应用。如弹簧、接线柱、眼镜架等。

以记忆合金制成的弹簧为例，把这种弹簧放在热水中，弹簧的长度立即伸长，再放到冷水中，它会立即恢复原状。利用形状记忆合金弹簧可以控制浴室水管的水温，在热水温度过高时通过“记忆”功能，调节或关闭供水管道，避免烫伤。也可以制作成消防报警装置及电器设备的保安装置。当发生火灾时,记忆合金制成的弹簧发生形变，启动消防报警装置，达到报警的目的。还可以把用记忆合金制成的弹簧放在暖气的阀门内，用以保持暖房的温度，当温度过低或过高时，自动开启或关闭暖气的阀门。

作为一类新兴的功能材料，记忆合金的很多新用途正不断被开发，例如用记忆合金制作的眼镜架，如果不小心被碰弯曲了，只要将其放在热水中加热，就可以恢复原状。不久的将来，汽车的外壳也可以用记忆合金制作。如果不小心碰瘪了，只要用电吹风加加温就可恢复原状，既省钱又省力，很是方便。管道结合和自动化控制方面。记忆合金已用于管道结合和自动化控制方面，用记忆合金制成套管可以代替焊接，方法是在低温时将管端内全扩大约 4%，装配时套接一起，一经加热，套管收缩 恢复原形，形成紧密的接合。美国海军飞机的液压系统使用了10万个这种接头，多年来从未发生漏油和破损。船舰和海底油田管道损坏，用记忆合金配件修复起来，十分方便。在一些施工不便的部位，用记忆合金制成销钉，装入孔内加热，其尾端自动分开卷曲，形成单面装配件。热机械和恒温自动控制

记忆合金特别适合于热机械和恒温自动控制，已制成室温自动开闭臂，能在阳光照耀的白天打开通风窗，晚间室温下降时自动关闭。记忆合金热机的设计方案也不少，它们都能在具有低温差的两种介质间工作，从而为利用工业冷却水、核反应堆余热、海洋温差和太阳能开辟了新途径。现在普遍存在的问题是效率不高，只有 4%～6%，有待于进一步改进。

医疗上的应用记忆合金在临床医疗领域内有着广泛的应用，例如人造骨骼、伤骨固定加压器、牙科正畸器、各类腔内支架、栓塞器、心脏修补器、血栓过滤器、介入导丝和手术缝合线等等，记忆合金在现代医疗中正扮演着不可替代的角色。TiNi合金的生物相容性很好，利用其形状记忆效应和超弹性的医学实例相当多。如血栓过滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫形丝、脑动脉瘤夹、接骨板、髓内针、人工关节、避孕器、心脏修补元件、人造肾脏用微型泵等。

例如接骨用的骨板，不但能将两段断骨固定，而且在恢复原形状的过程中产生压缩力，迫使断骨接合在一起。齿科用的矫齿丝，结扎脑动脉瘤和输精管的长夹，脊柱矫直用的支板等，都是在植入人体内后靠体温的作用启动，血栓滤器也是一种记忆合金新产品。被拉直的滤器植入静脉后，会逐渐恢复成网状，从而阻止 95%的凝血块流向心脏和肺部。

人工心脏是一种结构更加复杂的脏器，用记忆合金制成的肌纤维与弹性体薄膜心室相配合，可以模仿心室收缩运动。现在泵送水已取得成功。由于记忆合金是一种“有生命的合金”，利用它在一定温度下形状的变化，就可以设计出形形色色的自控器件，它的用途正在不断扩大。航天技术

记忆合金最令人鼓舞的应用是在中。1969年7月20日，“阿波罗”11号登月舱在月球着陆，实现了人类第一次登月旅行的梦想。宇航员登月后，在月球上放置了一个半球形的直径数米大的天线，用以向地球发送和接受信息。数米大的天线装在小小的登月舱里送上了太空。天线就是用当时刚刚发明不久的记忆合金制成的。用极薄的记忆合金材料先在正常情况下按预定要求做好，然后降低温度把它压成一团，装进登月舱带上天去。放到月面上以后，在阳光照射下温度升高，当达到转变温度时，天线又“记”起了自己的本来面貌，变成一个巨大的半球形。高科技应用展望

20世纪是机电学的时代。传感——集成电路——驱动是最典型的机械电子控制系统，但复杂而庞大。形状记忆材料兼有传感和驱动的双重功能，可以实现控制系统的微型化和智能化，如全息机器人、毫米级超微型机械手等。21世纪将成为材料电子学的时代。形状记忆合金的机器人的动作除温度外不受任何环境条件的影响，可望在反应堆、加速器、太空实验室等高技术领域大显身手。

第五篇：ERP系统在能源企业中的应用

ERP系统在能源企业中的应用

发表时间：2010-6-5 佟巍 郭莉莉 来源：万方数据

关键字：ERP 生产流程 效益分析 企业管理

本文介绍了企业资源规划的基本概念并分析了ERP在几家大型能源公司上的应用，论述了企业在实施ERP的过程中需要注意的几个关键点，为企业成功实施ERP系统给出了建议，最后分析了ERP能够在经营指标、产品营销、资金管理以及人力资源等方面给企业带来的效益。

ERP(Enterprise Resource Planning)，即企业资源规划，它是一种基于先进的企业管理理念、高度集成化的信息系统，是“一套将财务、分销、制造和其它业务功能合理集成的应用软件系统”，也是帮助企业提高管理水平的新型企业管理模式。它是企业经营管理活动中的物流、信息流，资金流、工作流加以集成和综合。成功实施ERP可以优化企业的业务流程，改善管理信息系统，提升企业的决策支持能力，给企业带来广泛的效益。ERP系统在国际大型能源公司的应用现状

1.1 英国石油公司(BP)

BP是世界上最大的能源公司之一，向顾客提供运输燃料、光热能源、油品零售服务以及与人们日常生活密切相关的各种石化产品。BP从2000年开始实施ERP系统，采用SAP解决方案。包括财务会计(FI)、管理会计(CO)、销售与分销(SD)，物料管理(MM)、流程行业生产计划(PP)，工厂与设备维护(PM)、人力资源(HR)。IBM公司和埃森哲公司为其提供ERP系统实施服务。2003年以前，采取分散式构架。2003年初开始整合其全球ERP系统，为期18个月，现已全部完成。BP的ERP系统上线后，实现了跨行业和跨地区工作流程标准化；提升了总体管理水平；减少了库存；加快了财务月结速度，提高了工作效率。

1.2 壳牌公司(Shell)

英荷(英国、荷兰联营)皇家壳牌集团，简称壳牌公司，其组建始于1907年英国壳牌运输和贸易有限公司与荷兰皇家石油公司股权的合并。壳牌从1999年开始实施ERP系统，其早期基本采取分散式系统架构，仅SAP系统就达60多套，现在考虑进一步规范和新业务流程和降低IT运行成本，将IT系统变成集中式的架构。目前，以壳牌石油主要业务壳牌化工为例，因为使用ERP系统为核心的信息化系统，壳牌化工一年节省的费用在1亿美元以上。

1.3 中石化

2001年初，中国石化通过ERP总体规划，提出“国际水平、中国国情、石化特色”的建设思路。核心思想是借助ERP系统的实施，使企业在管理理念、管理能力和管理水平等方面逐步向国际水准看齐。它采取了分散式系统架构。埃森哲公司和石化盈科公司为其提供ERP系统实施服务。通过ERP项目的实施，效益开始显现，其中用户最深刻的感受是通过ERP的实施促进了管理体耕和机制的改革、管理的提升及流程的改进，形成了高效运作的企业组织。构建ERP系统的关键环节

2.1 强化ERP的数据准备工作

数据对ERP的重要性不言而喻，因此搜集数据要靠合理的方法和步骤来进行。首先要明确各类编码的规范。如物料代码、供应商代码、客户代码等。有了规范的编码方法，才能尽可能的最大限度地保证了编码的唯一性。准确性。其次设计和准备好数据准备表，在数据准备表上要安排如部门、数据准备人、审核人、录入人、校对人、完成日期等用于实施控制的项目。最后，为了确保数据的准确及时，必须责成专人整录入、检查，并做好备份。

2.2 强化企业流程优化和再造

为了让ERP系统能够更顺利的实施，就要调整企业管理上存在的不合理的工艺流程和物流过程。在实施中我们可以先确定企业所需要的运作模式即流程。将流程进行分析，确定关键流程。与ERP要求差距较大的流程要进行流程再造。最后将经过梳理的企业流程进行信息化，企业在这一环节需要做到各级部门和业务人员全面配合实施，结果既要符合ERP的要求，又要符合业务操作的实际情况，实现业务流程的优化与再造。

2.3 强化员工培训，尽快融入ERP文化

ERP不但是一种技术手段，更是一种现代管理思想的综合。为了能够让ERP更好的实施，减小风险，就应该对企业员工进行培训。培训的内容不应该只限干流程、技术和技巧层面，而应该将培育团队合作精神和态度养成作为重点内容。将ERP的理念融入到员工的心里。不但要在培训中将本企业生产经营理念灌输给员工，也要把ERP提供商的理念也融入进来，使员工尽快接纳ERP特有的文化，保证系统顺利上线实施。成功实施ERP的效益分析

ERP通过对企业拥有的资源进行综合平衡和优化管理，并协调企业生产经营各个环节，以市场为导向开展企业的各项业务活动，提高企业竞争能力。从而能够为企业赢得可观的经济效益。

(1)ERP能够使企业决策者快速便捷地获得各种关键指标数据、统计和分析信息，对企业的运行情况有更清晰、完整、准确和快速的了解。并且在企业需要重大决策时，可以通过ERP系统分析有关历史数据，分析趋势和变化，为科学决策提供依据。

(2)ERP系统能够对企业各类原辅料、产品进行成本核算，将各项生产消耗进行合理分摊，做到企业精细化管理。并且通过对企业的资金预算及执行情况进行精细规划来提高企业运营资金，降低资金运营成本。

(3)通过ERP系统可以实时查询可用库存、客户信用和产品价格，为销售人员提供全方位信息。并且能够结合销售运营计划、生产能力和产品库存，自动产生最优的生产计划，提高企业竞争力。

(4)通过ERP的在人力资源上的应用，能够建立全员信息库，提高人工成本核算的精确性、合理性。在ERP实施的过程中，优化了企业流程，剔除了企业在生产经营上的一些弊端，为企业培养了一批既了解企业综合业务管理又具有现代化管理理念、既懂业务又懂技术的复合性人才，为企业转型和深化改革积蓄了人才力量。结 语

ERP系统的实施和应用是一项系统工程，涉及到企业的组织机构，管理体制、工作方式等一系列重大问题角色，是现代企业的客观需要和必然趋势。但ERP的运用，既不能生搬硬套先进的做法，也不能牵强附会不合适宜地追求完善。只有认真分析ERP实施过程中存在的问题，采取有针对性的策略，才能提高ERP实施的效率，真促进企业管理水平的提升。

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