选修课论文材料科学概论超导材料_生命科学概论结课论文

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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年度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。

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