超導的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展前景要點(編輯修改稿)
2025-07-15 13:39 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 不得不將研究重點轉(zhuǎn)移到開發(fā)基于YBCO體系的第二代高溫超導帶材上來，因為YBCO具有更為優(yōu)異的磁場下性能，是真正的液氮溫區(qū)下強電應(yīng)用的超導材料。 與Bi系相比，YBCO的各向異性比較弱，可以在液氮溫區(qū)附近較高磁場下有較大臨界電流密度，但由于晶粒間結(jié)合較弱，難以采用裝管法制備。采用沉積、噴涂等鍍膜方法制備釔系超導帶材是當前高溫超導強電應(yīng)用材料研究的重點。近年來，采用IBAD/PLD和RABiTS/PLD (MOCVD或MOD)復合技術(shù)制備涂層帶材已取得重大進展。如日本ISTEC公司已制備出212米長，臨界電流達245 A的第二代帶材。美國、德國等也已制備出百米量級的YBCO帶材。 C. 新型MgB2超導線帶材 2001年1月，日本科學家發(fā)現(xiàn)了臨界轉(zhuǎn)變溫度為39 K的MgB2超導體，引起了全世界的廣泛關(guān)注。綜合制冷成本和材料成本，MgB2超導體在20~30 K，低場條件下應(yīng)用具有明顯的價格優(yōu)勢，尤其是在工作磁場1~2 T的核磁共振成像MRI磁體領(lǐng)域。這也是國際MgB2超導體應(yīng)用研究持續(xù)升溫的關(guān)鍵原因之一。 近幾年來已經(jīng)用各種方法制備了MgB2線帶材。目前的研究集中在粉末裝管技術(shù)，這是因為裝管工藝能很容易推廣到大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中。美國、日本以及歐洲在線材實用化方面，進行了大量出色的工作，已能生產(chǎn)百米量級的線帶材。 目前國內(nèi)從事MgB2帶材研究和開發(fā)的單位主要有西北有色金屬研究院和中科院電工研究所等。特別是近年來，電工所在MgB2帶材制備技術(shù)、摻雜及元素替代等方面開展了大量工作，如在國際上首次報道了采用ZrSiZrB2和WSi2化合物摻雜大幅度提高MgB2/Fe線帶材臨界電流密度的新方法，開辟了在高磁場中獲高臨界電流密度的新途徑。 最近，中科院電工所在較低的制備條件要求下，通過納米SiC和C摻雜制備了臨界電流密度達世界先進水平的MgB2線帶材，并在世界上首次證明，對于MgB2材料，摻雜C可以得到和摻雜SiC一樣優(yōu)異的臨界電流密度。這些研究成果標志著我國在改善MgB2高場超導性能領(lǐng)域達到了國際先進水平。另外，電工所在國際上首次將強磁場熱處理技術(shù)應(yīng)用于MgB2超導體制備過程，并用這種方法進行了MgB2超導體的摻雜和改性實驗，改進了MgB2在強磁場下的超導性能，同時還利用制備的MgB2長線材開展了線圈繞制、測試等MRI磁體前期研究工作。 研究YBCO超導塊材的目標之一是利用它在超導態(tài)下的邁斯納效應(yīng)及磁通釘扎特性導致的磁懸浮力，應(yīng)用于超導軸承、貯能以及磁浮列車等。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，高臨界溫度氧化物超導塊材取得了很大的進展，主要表現(xiàn)在臨界電流密度的提高上。1988年，熔融織構(gòu)工藝首先在臨界電流密度提高方面取得了突破，隨后又相繼發(fā)展出液相處理法、淬火熔融生長和粉末熔化處理等熔化工藝。 自從高溫超導體發(fā)現(xiàn)以來，人們對高溫超導薄膜的制備與研究都給予了極大的重視，特別是液氮溫度以上的高溫超導體的發(fā)現(xiàn)，使人們看到了廣泛利用超導電子器件優(yōu)良性能的可能性。想得到性能優(yōu)良的高溫超導器件就必須有質(zhì)量很好的薄膜，但由于種種因素使制備高質(zhì)量高Tc超導薄膜具有相當大的困難。盡管如此，通過各國科學家十幾年來堅持不懈的努力，已取得了很大的進展，高質(zhì)量的外延YBCO薄膜的Tc在90K以上，零磁場下77K時，臨界電流密度已超過1106A/cm2，工藝已基本成熟，并有了一批高溫超導薄膜電子器件問世。超導的前景展望：由于超導材料在超導狀態(tài)下具有零電阻和完全的抗磁性，因此用途非常廣闊，大致可分為三類：電子學應(yīng)用（弱電應(yīng)用）、大電流應(yīng)用（強電應(yīng)用）和抗磁性應(yīng)用。電子學應(yīng)用包括超導微波器、超導計算機、超導天線等；大電流應(yīng)用即超導發(fā)電、輸電和儲能；抗磁性主要應(yīng)用于磁懸浮列車和熱核聚變反應(yīng)堆等。高溫超導濾波器 高溫超導材料的微波電阻比傳統(tǒng)金屬材料小3個數(shù)量級左右，用高溫超導制造的濾波器插入損耗極?。ú鍝p≤），通帶帶邊陡峭（較傳統(tǒng)濾波器提高510倍）、帶外抑制性好，具有十分理想的濾波性能。超導計算機 高速計算機要求集成電路芯片上的元件和連接線密集排列，但密集排列的電路在工作時會發(fā)生大量的熱，而散熱是超大規(guī)模集成電路面臨的難題。超導計算機中的超大規(guī)模集成電路，其元件間的互連線用接近零電阻和超微發(fā)熱的超導器件來制作，不存在散熱問題，同時計算機的運算速度大大提高。此外，科學家正研究用半導體和超導體來制造晶體管，甚至完全用超導體來制作晶體管。超導發(fā)電機 國際上認為，超導同步發(fā)電機是未來電站的主力，并爭相開展研制工作．已研制 完成的最大容量的為前蘇聯(lián)和法國的30萬千瓦發(fā)電機．美國和日本并不急于開發(fā)百萬 千瓦級的發(fā)電機，他們已研制完成的發(fā)電機容量分別為3萬千瓦和5萬千瓦．日本計劃 研制國內(nèi)最大的20萬千瓦的發(fā)電機． 發(fā)電站的容量隨著電力需求的增長而增長，因此，大功率、長距離、低損耗的輸 電技術(shù)對提高輸電的經(jīng)濟效益是十分重要的，而超導體具有零電阻的特性，可以輸送 極大的電流和功率而沒有電功率損耗，因此超導輸電系統(tǒng)必將帶來大的改觀．在電力領(lǐng)域，利用超導線圈磁體可以將發(fā)電機的磁場強度提高到5萬～6萬高斯，并且?guī)缀鯖]有能量損失，這種發(fā)電機便是交流超導發(fā)電機。超導發(fā)電機的單機發(fā)電容量比常規(guī)發(fā)電機提高5～10倍，達1萬兆瓦，而體積卻減少1/2，整機重量減輕1/3，發(fā)電效率提高50％。磁流體發(fā)電機 磁流體發(fā)電機同樣離不開超導強磁體的幫助。磁流體發(fā)電發(fā)電，是利用高溫導電性氣體（等離子體）作導體，并高速通過磁場強度為5萬～6萬高斯的強磁場而發(fā)電。磁流體發(fā)電機的結(jié)構(gòu)非常簡單，用于磁流體發(fā)電的高溫導電性氣體還可重復利用。超導輸電線路 超導材料還可以用于制作超導電線和超導變壓器，從而把電力幾乎無損耗地輸送給用戶。據(jù)統(tǒng)計，目前的銅或鋁導線輸電，約有15%的電能損耗在輸電線路上，光是在中國，每年的電力損失即達1000多億度。若改為超導輸電，節(jié)省的電能相當于新建數(shù)十個大型發(fā)電廠。超導磁懸浮列車 當今世界，提高陸路交通工具的速度對促進國家經(jīng)濟發(fā)展和改善人們生活質(zhì)量是十分重要的．傳統(tǒng)的鐵路車輛由于車輪和鐵軌磨損嚴重，以及車輪與鐵軌的摩擦力，限制了車速．這種機
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