超导材料的研发及应用概述

超导材料的研发及应用概述

材料物理一班 李孟君（2009034035）

摘要：文章简要叙述了超导材料研究发展历程，国内外超导材料的开发研究进展以及超导材料在电力系统，能源和交通领域的应用。 关键字：超导；超导材料；临界温度，高温超导材料，临界电流密度；

一 、引言

超导是超导电性的简称。是一种材料, 如某种金属合金或化合物在一定的温度以下, 电子可以无阻地流动, 电阻变为零的性质。也就是说一个由超导材料做成的线圈当通上电流以后再把它闭合起来, 进入超导态以后, 电流就无阻地在线圈里面流动, 电流衰减时间超过十万年, 十万年以上才能够看到有衰减, 所以物理上就认定电阻等于零。

超导材料具有常规材料所不具备的3 个基本特性,即零电阻、完全抗磁性、宏观量子效应。超导材料有3 个临界参数: 临界温度( T c ) 、临界磁场(H c ) 和临界电流密度( Jc ) ,即超导材料必须在一定条件下才能保持超导态。超导材料是当代材料科学领域一个十分活跃的重要前沿, 它与凝聚态物理中一系列有重大意义的基本科学问题都有紧密联系, 并将推动功能材料科学的深入发展。发展低能耗、环境友好的超导技术对我国国民经济和社会发展具有重要的战略意义。

二、超导材料的发展历程

自1911年荷兰科学家卡茂林昂纳斯发现水银在4. 2 K出现超导现象以来, 已历时100年。超导材料必须在一定条件下才能保持超导

态, 具有高临界参数的超导材料才具有实用化价值。提高超导材料的临界参数, 就成为超导材料研发的主要内容。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。

1957 年Bardeen 等提出了著名的BCS 理论，揭示了长时期不清楚的超导起因。1973 年找到的临界温度最高的材料是Tc值为23. 2 K 的Nb3Ge 薄膜, 到1985 年这个记录一直保持不变。1986 年瑞士IBM 实验室科学家缪勒和柏诺兹发现了转变温度为36K 的La- Ba- Cu- O 超导体 , 揭开了高温超导发展的帷幕。1987 年2 月, 美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤把Y- Ba- Cu- O 系材料临界超导温度提高到90 K 以上, 液氮的禁区( 77 K) 奇迹般地被突破了。1987 年底,T1- Ba- Ca- Cu- O 系材料又把临界超导温度的记录提高到125 K。从1986~ 1987 年短短一年多的时间里, 临界超导温度竟然提高了100 K以上, 使超导的应用和发展迈上了一个新台阶。2001年，二硼化镁（MgB2）被发现其超导临界温度达到39K。此化合物的发现，打破了非铜氧化物超导体的临界温度纪录。2008年，日本的Hideo Hosono团队发现在铁基氮磷族氧化物中，将部份氧以掺杂的方式用氟作部份取代，可使LaFeAsO1-xFx的临界温度达到26K，在加压後（4 GPa）甚至可达到43K。其後，中国的闻海虎团队，发现在以锶取代稀土元素之後，La1-xSrxFeAsO亦可达到临界温度25K。其後，中国的科

学家陈仙辉、赵忠贤等人，发现将镧以其他稀土元素作取代，则可得到更高的临界温度。此化合物的发现，再度打破了由MgB2保持的非铜氧化物超导体的临界温度纪录。目前，我国超导临界温度已提高到153K左右 。

三、国内外超导材料研发进展

3.1国内研究开发进展

我国在超导研究，特别是高温超导领域处在世界前沿，在1987年在铜氧化物超导体的时候，中国当时就是世界领先。2008年铁基超导体从日本开始，最后中国科学家取得铁基超导研究的领先地位。但在整体水平上，包括应用、物理方面的研究，还有一定差距，但是尽管有差距，很有潜力在国际上能够走在前面的。

在低温超导材料产业化方面，西部超导材料科技公司是我国低温超导线材国家高技术产业化示范工程。在一个相当长的时期，低温超导材料仍将处于必须大批量使用且又无法被取代的地位。我国中科院等离子研究所正在研制的新一代超导托卡马克装置HT-7等都必须使用大量的锭钦超导合金材料。中铝西北铝45MN反向挤压机批量生产出Nb-Ti超导棒材，从2008年起，在对锭一钦棒材进行多次试制后，全面掌握了产品的各项组织和性能确定了合理的生产工艺，为批量生产提供了技术保障。2008年由山东华特磁电股份有限公司与中科院高能物理研究所联合研制的我国第一台低温超导除铁器，在北京通过了技术鉴定。由于采用了低温超导技术，该装置的耗电量仅是普通工业除铁器的10%。此前，大型超导磁体的生产技术一直为国外所垄断，国

际上仅有美国一家公司能够制造此类装置。我国首台低温超导除铁器价格仅为美国同类产品的60%。

在上世纪90年代，我国就开展了高温超导电缆的研究。中国科学院电工研究所与北京有色金属研究总院和西北有色金属研究院合作，于1998年研制成功1 m/2kA高温超导直流输电电缆模型，随后于2000年又研制出6m/2kA高温超导直流输电电缆.2002年，中国科学院电工研究所还完成了1 Om/ 1.5kA三相高温超导交流输电电缆的研制。结合高温超导电缆的研制，中国科学院电工研究所还进行了高温超导电缆带材电流分布的均匀性问题、电缆的电磁屏蔽技术、电缆的高电压绝缘和终端绝缘技术、高温超导电缆的焊接技术、高温超导电缆的绕制技术、高温超导电缆冷却技术、高温超导输电电缆系统监控保护技术以及高温超导带材临界电流和均匀性无接触测量技术等研究。2005年，中国科学院电工研究所与甘肃长通电缆公司、中国科学院理化技术研究所等合作，研制出75m.10.5kv/ 1.5kA三相交流高温超导输电电缆，并于2005年底安装在甘肃白银长通电缆公司向车间供电运行。2004年12月，中国科学院电工研究所与甘肃长通电缆公司等合作研制成功75m, 10.5kV/1.5kA交流高温超导电缆。并接入到甘肃长通电缆公司6 kV配电网中向车间供电运行。云电英纳超导电缆公司也于2004年完成33 m长、35kV/2 kA高温超导交流电缆的开发，安装在云南普吉变电站中运行。并投入实际运行。

自上世纪90年代以来，中国科学院电工研究所、东北大学和北京云电英纳超导电缆公司等已相继开展高温超导限流器研究与开发。

在国家863计划、国家自然科学基金和中科院创新工程等支持下，中国科学院电工研究所进行了高温超导限流器及其在电力系统中应用研究，并于2002年研制成功一台400V/25A高温超导限流器，在此基础上，提出了多种新型高温超导限流器的原理。2004年，电工研究所完成50Kj/25kw超导限流一储能原理样机研制，并进行动模试验.005年，中国科学院电工研究所研制出10.5Kv/1.5kA新型桥路式高温超导限流器，并安装在湖南娄底电力局高溪变电站，进行了挂网运行和三相短路限流实验，该限流器功地预计的3.5kA短电流限到635A.2003年中国科学院电工研究所与新疆特变公司合作先后研制成功26kVA.400V (37.5A) / 16v (938A)、三相高温超导变压器和45kvA. 2.6kv/ 160v单相高温超导变压器。在此基础上进而研制出630kvA. 10.5kv(34.6A)/400V(909A)的高温超导变压器示范样机，于2005年 12月在新疆特变公司并网试验运行。此外，株洲电力机车车辆厂也开展了电力机车用300kvA高温超导变压器的研制。

3.2国外研究开发进展

超导材料技术是21世纪具有战略意义的高新技术，极具发展潜力和市场前景。世界各主要国家政府纷纷制订相关计划和加大研发投资，推动基础研究和产业化发展，竞争十分激烈。

一、美国

美国能源部（D O E）早在1988年就创建了超导计划，该计划将高科技公司、国家实验室和大学结合起来，进行具有高度复杂性的高温超导技术的应用研发工作，目的是加速高温超导电力设备走进市场。D O

E在2001年9月24日宣布了新一轮的高温超导计划——S P I二期，投入总资金达1.17亿美元，支持高温超导商业化示范电缆、100M V A高温超导发电机、1000英尺、3相长距离高温超导输电电缆、高温超导变压器、高温超导核磁共振成像装置、超导飞轮储能装置、高温超导磁分离器等7个项目的研发。在2020年前希望在H T S发电机、变压器和电缆方面具有显著改善，并完成长距离超导传输电缆；2030年前建成国家超导主干输电网络。2006年6月，DOE发布了超导技术基础研究需求报告，指出了超导技术在应用、涡旋物质、超导理论、新现象和超导材料5个方面的基础研究挑战，明确了新超导体的探索与发现、原子级超导体的结构与性能控制、优化超导材料输电能力、理解和开发竞争电子相、超导性能与超导体理论预测、揭示高T c超导性的基本理论、发展涡旋物质科学等未来7个优先研究方向，以及合成、表征、理论集成新工具和超导支撑材料2个交叉研究方向。

二、日本

日本在1987年9月建立了Super-GM计划其长期目标是发展超导电动机及相关的电力应用。1988年，日本成立了国际超导产业技术研究中心致力于有关超导技术的调查研究和基础研究开发以及国际交流的促进。为推动日本产业进行持续和独立自主的技术创新，保持竞争优势，日本经济产业省2005年3月首次制定了国家层面的“战略技术路线图”，确定了20项战略重点技术；2006年4月，又新增了超导技术、能源、癌症对策及人性化技术等4项战略重点技术；2007年又增至25项，分属信息与通讯、生命科学、环境与能源、纳米技术与材料、

制造业等5个领域。超导技术的战略路线图提出了要在2020年实现超导技术为社会服务的前景。其进度预期为：2010年大多数超导技术开始进入应用，而在2020年达到普及。由于超导技牵涉面广，该路线图分为4个部分：①能源电力（发电技术、输配电技术、能源储存技术）；②工业交通（磁场应用技术、计测仪器技术、发动机技术、列车用变压器技术）；③医疗诊断（磁体应用技术、加速器应用技术、高频器件技术、SQUID应用技术）；④信息通讯（计算机网络机器技术、无线存取访问机器技术、计测仪器技术）。日本超导技术战略路线图明确阐述了超导技术每一个领域所要发展的核心技术及其时间表。日本新能源产业综合技术开发机构（NEDO）对超导技术研究项目进行了大力支持。

三、欧洲

欧洲为促进超导电力技术和超导材料技术的发展，也批准了超导电力联接计划和欧洲超导技术公司合作计划的实施。欧盟于1997年开展了超导电性欧洲网，共分为2个阶段，第一阶段为1997-2001年，第二阶段为2002-2006年，研发基金由欧盟提供，共涉及14个欧洲国家的42个学术机构和21工业卓越中心。目标是为欧洲超导研究区建立一个组织，收集和传播超导信息，进行研究和预测，为技术和科学讨论提供一个平台，促进科技转让，并提升产业界和学术界沟通。2007年，欧洲基金会发布了2007-2012年的超导纳米科学与工程项目，2007-2012年的超导纳米科学与工程项目计划，涉及15个欧洲国家、68个研究团队，项目共分为5个主题：①纳米尺度超导电性演变，纳

米孔等有限区域超流态；②超导态－正常态（S N）和超导态－磁态（S M）混合纳米系统的超导性；③纳米结构超导体和S N / S M混合纳米系统的受限通量；④弱耦合超导冷凝物的J o s e p h s on效应和隧道效应；⑤磁通量子、超导器件基本原理研究。N E S综合研究设施和技术包括5个层次：第一层为现代样品制备和纳米结构技术；第二层为涡旋可视化局部探针技术和纳米尺度冷凝物波动函数成像；第三层为下一代共享研究设施；第四层为新应用开发的实验平台；第五层为理论方法和技术。

四、超导材料的应用

4.1 高温超导材料在电力系统，能源和交通领域方面的应用

超导材料具有常规材料不具备的3个基本特征，即零电阻、完全抗磁性、宏观量子效应。这在提高电力系统电力传输效率、减少电磁损耗等方面拥有很大帮助。与传统的超低温超导材料所需的极低温度（23K）不同，高温超导材料所需要的温度要高很多，可以采用液氮来致冷，取代了昂贵的液氦，也使得深冷系统的效率提高了50倍。

4.1.1 高温超导电缆

超导材料的零电阻特性使其成为电流传输的理想导体。随着经济和社会的发展，人们对电量的需求越来越大，加之我国能源和负荷分布不均匀，长距离输电成为必然，高温超导电缆的零电阻特性，能够有效地减小电能在传输中的损耗，对低压低损耗传输电力的研究具有重要意义。高温超导电缆具有大容量、低损耗、结构紧凑、对环境影响小的特点，可用来远距离大容量输电、为大负荷特殊场合供电、用

于电流传输母线、替换海底电缆等。能够节约大量金属材料和安装成本，它在电力系统的广泛运用，将在电力系统中引发技术性的革命。

4.1.2 高温超导发电机和电动机

目前应用较多的感应电机和永磁同步电机都有许多众所周知的优点，虽然感应电机启动方便，但运行效率低；永磁同步电机运行效率高，可本身启动困难。高温超导电动机，由于其完全抗磁性，兼备了感应和永磁同步电机的优点，具有体积小、效率高、步电抗小、寿命长、噪声低等优点。高温超导的完全抗磁性使得在深冷温的使用下电阻近乎为零，与铜导体相比，电流密度可提高十倍、有效利用率提高3倍。与普通电机相比，体积减小一半而效率达到了99.7%。

4.1.3 高温超导变压器

与常规变压器相比，高温超导变压器采用超导材料取代铜线，液氮取代油作为冷却剂，具有诸多优点：体积小重量轻，高温超导电缆在电力系统中的应用特别适合用于用电负荷大并且安装于室内的闹市城区；节能，虽然高温超导用于交流会产生交流损耗，尽管如此，其综合效率仍然高于常规变压高温超导电动机。利用液氮取代油作为冷却剂，避免的了冷却油泄漏而造成的爆炸、着火的危险，无火灾隐患，而且过载能力强。

4.1.4 高温超导储能装置

由于高温超导技术的突破和电力电子技术的发展， 超导储能系统 已经在欧美一些国家的电力系统中得到初步的应用，SMES因具有无损储能、快速吞吐和按系统要求在四象限范围内对系统有功和无功

功率进行调节的特点，提高了电力系统的动态特性、维持电网稳定、和改善供电品质方面发挥了极其重要的作用。

4.1.5 超导加速器

超导磁体在粒子加速方面大有作为。在研究高能物理时,需要建造大型粒子加速器,在加速器建造中若采用超导磁体,其轨道半径相比常规磁体可以大大减小。

4.1.6 磁悬浮列车

超导磁体系统用于火车的动力系统可生产出超导磁悬浮列车,和常规列车比较,超导磁悬浮列车有许多的优点,比如速度快、污染小、爬坡能力强、节能等等。

4.2 其它应用

用超导材料薄片制作约瑟夫森器件,用于制造高速电子计算机和灵敏度极高的电磁探测设备。如超导量子干涉仪、超导开关、超导磁强计、超导计算机、超导滤波器等。用超导体产生的磁场来研究生物体内的结构及用于对人的各种复杂疾病的治疗及其他应用。如超导核磁共振层析成像仪等。

4.3 高温超导材料的应用遇到的困难

当高温超导材料出现时, 人们的注意力集中于高的临界温度, 认为材料有可能在液氮温度得到应用, 不需要使用不便且昂贵的液体氦, 前景似乎很美妙。事实上, 对实际应用言, 更重要的是临界电流密度。科学家们为提高临界电流密度而努力, 在薄膜材料中得到了很大的成功了。但体材料却相反, 最高的临界电流密度值也都难以满

足电子学方面应用的要求。科学家们发现在提高临界电流密度方面面临着复杂困难的局面, 这主要来源于磁通线格子的行为。

高温超导材料发现以来, 人们还希望能发现在室温下工作,然而对磁通格子运动的研究结果表明, 也许这种愿望永远也不能实现。临界电流密度的增加似乎总伴随着磁通线钉扎的减弱, 即使得到室温超导休, 也许也没有任何的无阻载流能力。

五、总结

超导材料的研究是当今世界上一门新兴的科学技术。由于超导材料能影响人类生存的许多重要领域，各国的材料科学家都在竞相探索它的结构，研究它的性能，以求率先找到具有高临界温度的超导材料。可以这样说，高温超导材料的突破，必将深刻地促进尖端科学技术的发展，从而加速人类文明的进程。

如何提高高温超导体各项临界参数, 尤其是提高临界温度, 仍然是高温超导研究领域最大的难题。好在高温超导体可以在液氮温区实现超导, 所以高温超导体已具备了实际应用的价值。

目前我国在超导材料制备技术及应用技术方面与国外还存在差距, 主要原因是高温超导材料成材工艺复杂, 工程化和产业化制备技术的开发刚刚开始, 获得实用化超导材料所必须解决的一系列关键技术问题都需要进一步解决。因此，超导技术及应用(包括低温超导和高温超导的研究与开发)应继续列入国家中长期科技发展计划。我国应积极参与国际超导市场竞争，参与国际有关科学工程计划的研发工作，促进超导与新能源研究的国际合作。

六、参考文献

[ 1 ] L arb alestier D C, Gu revich A, Feldm ann D, et a l. H igh-T c

Superconducting M aterials for E lectric Pow er App lications

[ J ] .N ature, 2 001, 414: 368 - 369.

[ 2 ] Bednorz G, M u ller K A. Poss ib le H ighT c Superconduct ivity inthe BaLaCuO System [ J] . Z Phy s B, 1986, 64: 189.

[ 3 ]J Bardeen, L N Cooper, J R Schrieffer. Theory of supercon ductivity . Physical Review, 1957( 5) : 1 175~ 1 194

[ 4 ] 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) : 23~ 27

[ 5 ] 侯炳林, 朱学武. 高温超导体在未来聚变装置中的应 用. 低温与超导, 2004, 32( 3) : 48~ 52

[ 6 ] Yuriko Okaa. Operation result of super- conductive material

fabrication experim - ents in the users space. Acta Astro - nautica,2004, 55: 181~ 188

[ 7 ] 闫世成. MgB2 超导材料的若干应用研究. 国外工艺技 术集锦, 2007, 26: 7~ 10