超导材料

——组员；xxx超导材料，是指具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。1911年，荷兰物理学家昂尼斯(1853～1926)发现，水银的电阻率并不像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。随后，1986年4月，设在瑞士苏黎世的IBM实验室的J.G.Bednorz和K.A.Muller发现了La-Ba-Cu-O高Tc氧化物超导体(Tc=34K)[1]，以后的几年，人们相继发现了多种高温超导材料，其中包括铋系、钇系、铊系、汞系等高温超导体系。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。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。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。（1）能源超导输电、超导储能、超导电机等（大电流应用）（2）交通磁悬浮列车（抗磁性应用）、船舶磁推进器（3）医疗卫生核磁共振成像、生物磁仪器等（4）电子技术（5）重大科学工程加速器、受控热核装置等（6）国防技术超导反潜、扫雷、电磁推进、通讯及制导等超导微波技术应用、各类超导传感技术、半导体—超导体集成电路、超导计算元件等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。超导变压器结构示意图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。超导电缆示意图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。超导储能器一次系统简图1999年４月，日本研制的超导磁悬浮列车时速已达552公里。西南交通大学研制成功的超导磁悬浮列车，最高设计时速达500公里。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。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。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。超导发电机：目前，超导发电机有两种含义。一种含义是将普通发电机的铜绕组换成超导体绕组，以提高电流密度和磁场强度，具有发电容量大、体积小、重量轻、电抗小、效率高的优势。另一种含义是指超导磁流体发电机，磁流体发电机具有效率高、发电容量大等优点，但传统磁体在发电过程中会产生很大的损耗，而超导磁体自身损耗小，可以弥补这一不足。两种发电机尺寸的比较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。感应屏蔽型超导故障电流限制器原理图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。超导计算机是利用超导技术生产的计算机及其部件，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，其性能是目前电子计算机无法相比的。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。全超导托卡马克核聚变实验装置利用超导材料的周围磁场高均匀度，超级导磁能力等性质，超导体被运用在某些检测仪器中。例如超导技术在医疗上应用的成功范例之一——核磁共振仪。核磁共振成像在主磁体采用超导磁体后，磁场强度更强,稳定性大大提高,缩短了测量时间且成像更加清晰。它可以用来进行某些疾病的早期诊断，如检查骨头或肌肉的损伤以及癌症等疾病，中医经络原理的研究，化学活体检测等。超导的缺点为现有的高温超导体还处于必须用液态氮来冷却的状态。这种情况是比较难大规模做到，在整条通讯线路上采取这样的技术是不太实际的这也是目前不能大量应用的原因。而对于未来的发展趋势从超导技术发展的历程来看，新的更高转变温度材料的发现和制造工艺技术突破都有可能。目前高温超导材料正从研究阶段向应用发展阶段转变，未来的十年是市场发展和高温超导材料产业化的十年。超导技术作为一类有重大发展潜力的应用技术，已经进入实际应用开发与应用基础性研究相互推动，逐步发展为高技术产业的阶段。可以认为：超导技术将是21世纪具有经济战略意义的高新技术，具有广阔的市场前景。——组员：xxx