超导体发展及应用调研报告_超导体的应用前景
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超导体发展及应用调研报告
超导是指在一定温度条件下物质电阻突然消失的现象，超导体是指能够产生超导现象的物质。1911年，荷兰物理学家昂纳斯（H•K•O•nnes）在观测汞的电阻与温度的关系时发现，温度下降到4.2K附近时，汞的电阻突然减小到无法测量的程度。由此发现了超导体„„
超导体自发现以来，得到了广泛的发展和应用。随着现代科学技术的发展及人们的生活需求，超导技术得到了进一步推进和发展，涉及了更为广泛的领域。为此，我查阅了一些资料，了解了当今最前沿的超导技术发展及运用。
一﹑超导技术的发现及其发展
1911年，荷兰物理学家昂纳斯（H•K•O•nnes）在观测汞的电阻与温度的关系时发现，温度下降到4.2K附近时，汞的电阻突然减小到无法测量的程度。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，卡茂林-昂尼斯称之为超导态。卡茂林由于他的这一发现获得了1913年诺贝尔奖。这一发现引起了世界范围内的震动。在他之后，人们开始把处于超导状态的导体称之为“超导体”。
1933年，迈斯纳和奥克森菲尔德两位科学家发现，如果把超导体放在磁场中冷却，则在材料电阻消失的同时，磁感应线将从超导体中排出，不能通过超导体，这种现象称为抗磁性。经过科学家们的努力，超导材料的磁电障碍已被跨越，下一个难关是突破温度障碍，即寻求高温超导材料。但这里所说的“高温”，其实仍然是远低于冰点0℃的，对一般人来说算是极低的温度。
直到二十世纪50年代以后，超导技术才逐步发展起来。由于超导体同时具有零电阻、完全抗磁两个独特的性质，它可以无电阻地传输电流的特性，使人们在发现超导现象后立即想到利用超导体来传输电流。但是不久人们就发现用这些金属超导体制作的导线只在传输很小的电流时才具有零电阻特性，当电流增大时又恢复了一般的导体电阻特性。1953年至1973年间，发现了以NbsSn，NbTi，NisGa为代表的铌合金超导体。其临界超导温度为23.2K，这一记录保持了近13年。一些铌合金超导体可以传输较大电流而仍能保持零电阻特性，人们利用超导体无电阻地传输电流的愿望在发现这些铌合金超导体后才成为可能。1962年仅20多岁的剑桥大学实验物理研究生约瑟夫逊在著名科学家安德森指导下研究超导体能隙性质，发现了直流约瑟夫逊效应和交流约瑟夫逊效应。将超导体放在磁场中，磁场透入氧化层，这时超导结的最大超导电流随外磁场大小作有规律的变化。70年代超导列车成功地进行了载人可行性试验，列车时速高达500千米/时。1986年，设在瑞士苏黎世的美国IBM公司的研究中心报道了一种氧化物（镧钡铜氧化物）具有35K的高温超导性。此后，科学家们几乎每隔几天，就有新的研究成果出现。1986年，美国贝尔实验室研究的超导材料，其临界超导温度达到40K，液氢的“温度壁垒”（40K）被跨越。
1987年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。1987年，美国华裔科学家朱经武以及中国科学家赵忠贤相继在钇－钡－铜－氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上，液氮的“温度壁垒”（77K）也被突破了。1987年底，铊－钡－钙－铜－氧系材料又把临界超导温度的记录提高到125K。从1986－1987年的短短一年多的时间里，临界超导温度提高了近100K。这在材料科发展史上，堪称一大奇迹！
1992年1月27日第一艘由日本船舶和海洋基金会建造的超导船“大和”1号在日本神户下水试航。超导船由船上的超导磁体产生强磁场，船两侧的正负电极使水中电流从船的一侧向另一侧流动，磁场和电流之间的洛化兹力驱动船舶高速前进。这种高速超导船直到目前尚未进入实用化阶段，但实验证明，这种船舶有可能引发船舶工业爆发一次革命，就像当年富尔顿发明轮船最后取代了帆船那样。
1992年一个以巨型超导磁体为主的超导超级对撞机特大型设备，于美国得克萨斯州建成并投入使用，耗资超过82亿美元。
1996年改进高温超导电线的研究工作取得进展，制成了第一条地下输电电缆
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自2007年12月开始，中国科学院物理研究所的陈根富博士已投入到镧氧铁砷非掺杂单晶体的制备中。
2008年3月25日和3月26日，中国科学技术大学陈仙辉组和物理所王楠林组分别独立发现临界温度超过零下233.15℃的超导体，突破麦克米兰极限，证实为非传统超导。
2008年3月29日，中国科学院院士、物理所研究员赵忠贤领导的小组通过氟掺杂的镨氧铁砷化合物的超导临界温度可达零下221.15℃，4月初该小组又发现无氟缺氧钐氧铁砷化合物在压力环境下合成超导临界温度可进一步提升至零下218.15℃。
相信在着日新月异的科学世界里，更多关于超导的尖端技术一定会有更新的进展。
二﹑超导材料的科学研究
1.非常规超导体磁通动力学和超导机理
主要研究混合态区域的磁通线运动的机理，不可逆线性质、起因及其与磁场和温度的关系，临界电流密度与磁场和温度的依赖关系及各向异性。超导机理研究侧重于研究正常态在强磁场下的磁阻、霍尔效应、涨落效应、费米面的性质以及T
2.强磁场下的低维凝聚态特性研究
低维性使得低维体系表现出三维体系所没有的特性。低维不稳定性导致了多种有序相。强磁场是揭示低维凝聚态特性的有效手段。主要研究内容包括：有机铁磁性的结构和来源；有机（包括富勒烯）超导体的机理和磁性；强磁场下二维电子气中非线性元激发的特异属性；低维磁性材料的相变和磁相互作用；有机导体在磁场中的输运和载流子特性；磁场中的能带结构和费米面特征等。
3.强磁场下的半导体材料的光、电等特性
强磁场技术对半导体科学的发展愈益变得重要，因为在各种物理因素中，外磁场是唯一在保持晶体结构不变的情况下改变动量空间对称性的物理因素，因而在半导体能带结构研究以及元激发及其互作用研究中，磁场有着特别重要的作用。通过对强磁场下半导体材料的光、电等特性开展实验研究，可进一步理解和把握半导体的光学、电学等物理性质，从而为制造具有各种功能的半导体器件并发展高科技作基础性探索。
4.强磁场下极微细尺度中的物理问题
极微细尺度体系中出现许多常规材料不具备的新现象和奇异特性，这与这类材料的微结构特别是电子结构密切相关。强磁场为研究极微细尺度体系的电子态和输运特性提供强有力的手段，不但能进一步揭示这类材料在常规条件下难以出现的奇异现象，而且为在更深层次下认识其物理特性提供丰富的科学信息。主要研究强磁场下极微细尺度金属、半导体等的电子输运、电子局域和关联特性；量子尺寸效应、量子限域效应、小尺寸效应和表面、界面效应；以及极微细尺度氧化物、碳化物和氮化物的光学特性及能隙精细结构等。
5.强磁场化学
强磁场对化学反应电子自旋和核自旋的作用，可导致相应化学键的松驰，造成新键生成的有利条件，诱发一般条件下无法实现的物理化学变化，获得原来无法制备的新材料和新化合物。强磁场化学是应用基础性很强的新领域，有一系列理论课题和广泛应用前景。近期可开展水和有机溶剂的磁化及机理研究以及强磁场诱发新化学反应研究等。
6.磁场下的生物学、生物－医学研究等
而我国最近有国家自然科学基金项目来研究强磁场下低维系统的输运性质和Shubnikov-deHaas效应。
三﹑超导技术的运用
超导技术是21世纪具有战略意义的高新技术。超导技术可广泛用于能源、信息、医疗、交通、国防、科学研究及国防军工等诸多领域。超导技术的广泛应用将会对国民经济和人类社会的发展产生巨大的推动作用。
由于超导体同时具有零电阻、完全抗磁两个独特的性质，它可以无电阻地传输电流的特性，使人们在发现超导现象后立即想到利用超导体来传输电流。.超导磁悬浮列车 利用超导材料的抗磁性，将超导材料放在一块永久磁体的上方，由于磁体的磁力线不能穿过超导体，磁体和超导体之间会产生排斥力，使超导体悬浮在磁体上方。利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车。
磁悬浮列车是超导技术最先实现大规模运用的典范。2.超导电力设备
电力设备是超导技术应用的一个重要领域，主要利用超导体可以无电阻传输大电流的特点。目前世界各国开发的乇要超导电力设备包括超导电缆、超导限流器、超导变压器、超导电机和超导储能装置等。.超导磁体计算机
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。
另外，超导核磁共振成像仪已在医学上应用。
四、我国超导技术的发展现状
过去的十余年中，在国家863专项计划、国家重点基础研究计划以及各地方科技计划的大力支持下，我国在超导技术领域的研发能力大大增强，获得了100多项专利。目前我国在超导各主要研究领域均有涉足，与世界先进水平之间的差距正日益缩小，某些方面处于国际领先地位。.超导材料技术
在铋系高温超导带材方面，300m长带的临界电流接近90A，达到国际先进水平，在满足国内需求的同时，产品还出口到韩国、欧洲等国家和地区。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。制成直径5cm、冻结场7T（4.2K）、磁悬浮力16N／cm2的钇系块材；北京有色金属研究总院实现了直径4cm单畴材料的小批量生产，2000年12月利用自产的340余块钇系块材制备出了世界首辆载人高温超导磁悬浮实验车。
在低温超导材料方面，我国在熔炼加工和热处理上拥有自主知识产权。西北有色金属研究院熔炼的NbTi合金杂质含量低，综合性能高，成本低于国际同类水平，并且创造了国际最高Jc纪录。
2.超导强电应用技术
高温超导电缆、限流器、变压器、磁储能系统、电动机、MRI磁体等应用技术的研发均已启动。相关企业和投资界已经积极参与超导电力技术的产业化，一些研发型公司已经建立起来。
3.超导弱电应用技术
研制成功适合我国通信系统的GSM1800、GSM900和CDMA移动通信用高温超导滤波器系统，技术指标处于国际先进水平。2010年三月中国成为继美国后第二个将超导技术运用到移动通讯领域的国家。.超导技术在电力系统的应用
由国产超导线材制造的我国第1组、世界上第3组并网试运行的超导电缆于2004年4月19日在昆明普吉变电站投入运行，该组三相交流33.5m 35kV／2kA超导电缆系统运行状态良好，其部分性能指标优于目前已经_并网运行的美国和丹麦的超导电缆。该组超导电缆系统由超导电缆本体、终端、制冷及其监控系统、超导电缆监控与保护系统等4部分组成。二相超导电缆本体在变电站场地上平行布置，以转角90度敷设，B相转弯半径5m。终端是连接超导电缆、高压母线、液氮制冷系统三者的接口，每根电缆两端各有一套。制冷及其监控系统安装于电缆附近的热工房内，通过真空液氮输送管连接到终端上，对电缆和终端进行冷却。超导电缆监控与保护系统安装于主控室内，可实现对超导电缆系统的远程监控与保护。.超导技术在交通领域的应用
目前，我国已拥有载人高温超导磁悬浮系统技术，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。此外，高温超导磁悬浮技术的发展及其应用，将极大地推动高温超导材料的研发和产业化发展，并将为我国稀土及稀土永磁工业提供巨大的市场和发展需求。
我国计划在2010年，超导产业对我国GDP的贡献达到20亿美元，超导电力技术、超导通讯技术、超导量子干涉器件得到实际应用。我国超导材料产业初具规模，并以低温超导材料（NbTi，Nb3Sn）和铋系高温超导带材为主，材料性能达到国际先进水平，能够满足国内应用。低温超导材料达到1000t的年生产能力；铋系高温超导带材达到10000km的年生产规模；高温超导第二代带材（YBCO涂层导体）达到实用化水平；高温超导大面积薄膜实现产业化。
通过这次调研，我充分了解了超导技术的发展历史，也看到了超导技术诱人的运用前景。相信在将来的社会里，超导技术一定能为人类带来更多的财富和便利。我国也将紧随世界的脚步，向更加宽广的超导领域迈进！
