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超導材料的發(fā)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(xiàn)的性質(zhì)的材料�，F已發(fā)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(guān)于超導材料的發(fā)展前景，歡迎閱讀。
我國超導研發(fā)再獲突破 諸多領(lǐng)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(cháng)線(xiàn)。這是鐵基超導材料從實(shí)驗室研究走向產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的關(guān)鍵一步，標志著(zhù)我國在鐵基超導材料技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)走在了世界最前沿。目前，美、日、歐等國家的鐵基超導線(xiàn)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(yè)、醫學(xué)、國防等諸多領(lǐng)域具有廣闊的應用前景，被認為是最具發(fā)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(fā)展階段轉變。數據顯示，去年全球超導技術(shù)市場(chǎng)規模達到18億美元，預計到2022年市場(chǎng)規模將增至58億美元，年均復合增速將達12.8%。其中，商業(yè)、醫療保健和電力等工業(yè)領(lǐng)域的需求提升是促進(jìn)市場(chǎng)快速增長(cháng)的主要原因。
鐵基超導材料是繼銅基超導材料之后發(fā)現的一類(lèi)新的高溫超導材料，這是高溫超導研究領(lǐng)域的一個(gè)“重大進(jìn)展”。據了解，鐵基超導體由于其上臨界磁場(chǎng)最大可超過(guò)100特斯拉，并且在高磁場(chǎng)下仍能保持超導無(wú)損傳輸和高載流密度的特性，使其迅速成為國際超導領(lǐng)域爭相競逐的研究熱點(diǎn)。
公開(kāi)資料顯示，2013年度國家自然科學(xué)一等獎，即為“40K以上鐵基高溫超導體的發(fā)現及若干基本物理性質(zhì)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(lèi)高溫超導體，為未來(lái)潛在的應用提供了新的材料體系。
另外，去年國務(wù)院發(fā)布了《中國制造2025》，要求加快研發(fā)新材料制備關(guān)鍵技術(shù)和裝備，突破產(chǎn)業(yè)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(guān)鍵元器件和材料的制造及應用技術(shù)，形成產(chǎn)業(yè)化能力。
從產(chǎn)品類(lèi)型來(lái)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(zhù)技術(shù)的不斷改進(jìn)，高溫超導需求將不斷增加。從應用領(lǐng)域來(lái)看，磁共振成像將成為應用需求最多的一個(gè)領(lǐng)域。另外，電子電氣將成為超導技術(shù)需求增速最快的領(lǐng)域。
超導材料的發(fā)現及應用前景
這一切曾經(jīng)都是夢(mèng)想：列車(chē)懸浮在空中高速行駛，快得讓人無(wú)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(shí)，而這些夢(mèng)想的實(shí)現都應歸功于神奇的超導技術(shù)。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(xué)家們急需解決的問(wèn)題之一。
托卡馬克是一種供科學(xué)研究用的反應堆，它可以產(chǎn)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(chǎn)生超強的電磁場(chǎng)，而且還可以產(chǎn)生高能粒子束。
磁懸浮列車(chē)是利用超導材料的抗磁性(磁懸浮效應)生產(chǎn)的。
1911年荷蘭物理學(xué)家開(kāi)麥林·昂內斯在實(shí)驗中，偶然發(fā)現了水銀具有了超導電性。
眾多科學(xué)家非常關(guān)注昂內斯教授的這一偉大發(fā)現，自1911年起，許多人都開(kāi)始研究超導體。經(jīng)歷了幾十年的努力，人們發(fā)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(xué)家貝特諾茨和繆勒在瑞士國際商用公司實(shí)驗室工作，他們從奇妙的超導現象中獲得啟示，發(fā)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(shí)會(huì )出現超導現象。
此后，我國物理學(xué)家趙忠賢、美籍華人科學(xué)家朱經(jīng)武，相繼于1987年發(fā)現了釔鋇銅氧系高溫超導材料。不久，又發(fā)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(zhù)，我國科學(xué)家又發(fā)現了一種高溫超導的材料，這種超導材料在132K時(shí)電阻為零。
現在，科學(xué)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(jīng)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�？茖W(xué)家們對這一想法充滿(mǎn)信心，認為一定能很快實(shí)現它。
超導材料有幾個(gè)特點(diǎn)，首先，超導材料沒(méi)有電阻，它輸送電流時(shí)，不會(huì )造成電力損耗，用它可以制作出體積很小的發(fā)電機，送出的電流卻很大。
除了沒(méi)有電阻外，超導材料還有一個(gè)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(gè)超導體放在一塊永久磁鐵上，由于這個(gè)超導體具有了抗磁性，磁鐵的磁力線(xiàn)不能穿過(guò)超導體，結果就會(huì )在磁鐵和超導體之間產(chǎn)生排斥力，這種排斥力使超導體懸浮在磁鐵的上方。
科學(xué)家們對超導材料的發(fā)展前景充滿(mǎn)了信心，他們推測，如果利用超導材料的這兩個(gè)特性制成各種輸電、發(fā)電、儲能設備，將會(huì )大大節約能源和提高效率。
國際上正在開(kāi)發(fā)轉子磁場(chǎng)線(xiàn)圈和定子電樞線(xiàn)圈均使用超導線(xiàn)材的發(fā)電機，這種發(fā)電機叫全超導發(fā)電。同時(shí)也在研究使用高溫超導線(xiàn)材的發(fā)電機，這種發(fā)電機叫做高溫超導發(fā)電機。這兩種發(fā)電機作為新型超導發(fā)電機，仍處在研制開(kāi)發(fā)階段。此外，科學(xué)家們還在進(jìn)行實(shí)驗，研究用超導材料制作的，能把電能幾乎無(wú)損耗地高效能地輸送給用戶(hù)的超導電線(xiàn)和超導變壓器。同時(shí)，對核聚變發(fā)電，超導體也將產(chǎn)生重大影響。核聚變會(huì )產(chǎn)生能量，且產(chǎn)生的能量相當大。
超導材料在上述強電應用領(lǐng)域的用途極其廣泛，其在弱電應用和抗磁性應用領(lǐng)域的應用也很充分。磁懸浮列車(chē)是利用超導材料的抗磁性(磁懸浮效應)生產(chǎn)的。它現在已進(jìn)入實(shí)質(zhì)性的運營(yíng)階段。超導材料將會(huì )引起人類(lèi)陸地交通的變革。此外，超導磁體在許多科學(xué)儀器中也得到了運用，如粒子加速器。它是使如質(zhì)子等帶電粒子增加速度，獲得高能的儀器。
超導技術(shù)使過(guò)去很難實(shí)現的10萬(wàn)高斯的強磁場(chǎng)在現在變得實(shí)現起來(lái)相當容易。強大的超導磁體可以使觀(guān)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(shù)在醫學(xué)診斷中的重要作用日益凸顯�？傊�，凡是需要強大均勻磁場(chǎng)之處，超導磁體都能成功地完成任務(wù)。
現在一門(mén)實(shí)用性很強的學(xué)科——超導電子學(xué)正在迅速發(fā)展。它的發(fā)展必將給電子工業(yè)帶來(lái)革命性的沖擊。
超導材料的發(fā)展史
1911年，荷蘭科學(xué)家�？恕た┝帧ぐ簝人褂靡汉だ鋮s汞，當溫度下降到絕對溫標4.2K時(shí)水銀的電阻完全消失，這種現象稱(chēng)為超導電性，此溫度稱(chēng)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(shuō)的「高溫」，其實(shí)仍然是遠低於冰點(diǎn)攝氏0℃的，對一般人來(lái)說(shuō)算是極低的溫度。
1933年，邁斯納和奧克森菲爾德兩位科學(xué)家發(fā)現，如果把超導體放在磁場(chǎng)中冷卻，則在材料電阻消失的同時(shí)，磁感應線(xiàn)將從超導體中排出，不能通過(guò)超導體，這種現象稱(chēng)為抗磁性。
經(jīng)過(guò)科學(xué)家們的努力，超導材料的磁電障礙已被跨越，下一個(gè)難關(guān)是突破溫度障礙，即尋求高溫超導材料。
1973年，發(fā)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(xué)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(shí)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(xué)家趙忠賢以及美國華裔科學(xué)家朱經(jīng)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(shí)間里，臨界超導溫度提高了近100K。
2001年，二硼化鎂（MgB2）被發(fā)現其超導臨界溫度達到39K [1]。此化合物的發(fā)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(guò)渡金屬氮磷族化合物（rare-earth transition-metal oxypnictide, ReTmPnO）陸續被發(fā)現[2] [3]。但并未有人發(fā)現其中的超導現象。
2008年，日本的Hideo Hosono團隊發(fā)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�；F隊，發(fā)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(xué)家陳仙輝、趙忠賢等人，發(fā)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(fā)超導[9] [10] [11]。
此系統亦被簡(jiǎn)稱(chēng)為「1111系統」。此化合物的發(fā)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(fā)，ThCr2Si2結構的鹼土金屬氮磷族化合物（ATm2Pn2）亦被發(fā)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(jiǎn)稱(chēng)為「122系統」。如同氧化物超導體，「1111」與「122」系統的超導來(lái)源也是由層狀結構中的FeAs層貢獻，藉由不同價(jià)數的離子摻雜或是氧缺陷，可提升FeAs層載子的濃度，進(jìn)而引發(fā)超導。
超導材料的分類(lèi)
超導材料按其化學(xué)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(shí)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(fā)展了鈮鈦合金，雖然Tc稍低了些，但Hc高得多，在給定磁場(chǎng)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(chǎng)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(jìn)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(kāi)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(jìn)行了試驗，于1986年在鑭－鋇－銅－氧化物中發(fā)現了Tc=35K的超導電性。1987年，中國、美國、日本等國科學(xué)家在鋇－釔－銅氧化物中發(fā)現Tc處于液氮溫區有超導電性，使超導陶瓷成為極有發(fā)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(tài)時(shí)電阻為零，能夠無(wú)損耗地傳輸電能。如果用磁場(chǎng)在超導環(huán)中引發(fā)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(shí)驗中觀(guān)察到。
2.完全抗磁性：超導材料處于超導態(tài)時(shí)，只要外加磁場(chǎng)不超過(guò)一定值，磁力線(xiàn)不能透入，超導材料內的磁場(chǎng)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(shí)，會(huì )有電子對穿過(guò)絕緣層形成電流，而絕緣層兩側沒(méi)有電壓，即絕緣層也成了超導體。當電流超過(guò)一定值后，絕緣層兩側出現電壓U（也可加一電壓U），同時(shí)，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(xué)技術(shù)領(lǐng)域越來(lái)越引人注目的各類(lèi)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(fā)電機、磁流體發(fā)電機和超導輸電線(xiàn)路等。目前超導量子干涉儀（SQUID）已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化。 另外，作為低溫超導材料的主要代表NbTi合金和Nb3Sn，在商業(yè)領(lǐng)域主要應用于醫學(xué)領(lǐng)域的MRI（核磁共振成像儀）。作為科學(xué)研究領(lǐng)域，已經(jīng)應用于歐洲的大型項目LHC項目，幫助人類(lèi)尋求宇宙的起源等科學(xué)問(wèn)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(xiàn)，其性能優(yōu)于常規材料。還可用在太陽(yáng)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(wú)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?jì)x表以及輻射探測器、微波發(fā)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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