高溫超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用前景

王智涵

摘 要：超導(dǎo)體（superconductor），又稱超導(dǎo)材料，指在某一溫度下電阻為零的導(dǎo)體。超導(dǎo)體不僅具有零電阻的特性，另一個(gè)重要特征是完全抗磁性。目前，超導(dǎo)體已經(jīng)進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)性應(yīng)用，開(kāi)展了一定的軍事、商業(yè)應(yīng)用，同時(shí)在通訊領(lǐng)域可以作為光子晶體的缺陷材料。高溫超導(dǎo)（High-temperature superconductivity，High Tc）是一種物理現(xiàn)象，指一些具有較其他超導(dǎo)物質(zhì)相對(duì)較高的臨界溫度的物質(zhì)在液態(tài)氮的環(huán)境下產(chǎn)生的超導(dǎo)現(xiàn)象。本文將對(duì)高溫超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用前景進(jìn)行研究，研究方法為文獻(xiàn)搜集法。

關(guān)鍵詞：超導(dǎo) 電子 航天 艦船

中圖分類號(hào)：TB34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-9082（2019）02-0-01

一、課題研究的背景

由于能量是在不斷運(yùn)動(dòng)的，能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式時(shí)遵從了熱力學(xué)的定律，人類通過(guò)對(duì)熱力學(xué)的深入研究，從液化氣體這一實(shí)驗(yàn)獲得了低溫?？茖W(xué)家們對(duì)低溫的獲取和存在絕對(duì)溫度的思想有著巨大的興趣。大自然的溫度區(qū)間顯示著各種各樣的物質(zhì)，這些物質(zhì)如果出現(xiàn)在低溫環(huán)境中，會(huì)不會(huì)有不一樣的變化呢？這就是低溫帶給科學(xué)家們的第一個(gè)問(wèn)題。而超導(dǎo)現(xiàn)象就是是指某些材料在足夠低的溫度下發(fā)生電阻消失但感應(yīng)電流長(zhǎng)期存在的現(xiàn)象。

高溫超導(dǎo)體主要包括四大類：90K的稀土系，110K的鉍系，125K的鉈系，和135K的汞系。它們都含有銅和氧，因此也總稱為銅氧基超導(dǎo)體[1]。它們具有類似的層狀結(jié)晶結(jié)構(gòu)，銅氧層是超導(dǎo)層。高溫超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用有哪些？它的發(fā)展前景又是怎么樣呢？

二、課題研究的目的和意義

本次課題研究將運(yùn)用文獻(xiàn)收集法對(duì)高溫超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展情況和應(yīng)用前景進(jìn)行研究，從而對(duì)高溫超導(dǎo)技術(shù)進(jìn)行更深一步的了解。

三、課題研究的方法

文獻(xiàn)收集法

四、課題的研究結(jié)果

1.高溫超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)展歷史

詹姆斯·杜瓦是最先研究固體在低溫下電阻有何變化的人。當(dāng)時(shí)科學(xué)界對(duì)低溫下電阻有何變化這一問(wèn)題有著兩種不同的看法，一種認(rèn)為金屬在絕對(duì)零度時(shí)電阻會(huì)變成無(wú)窮大；另一種則認(rèn)為電阻在絕對(duì)零度時(shí)會(huì)穩(wěn)定地下降直至零。

海克·卡默林·翁內(nèi)斯和各布·克雷開(kāi)始研究杜瓦做的固體在低溫下電阻的變化。他們選擇了使用經(jīng)過(guò)蒸餾提純后的水銀來(lái)做實(shí)驗(yàn)。翁內(nèi)斯將固態(tài)的水銀做成環(huán)路，并使磁鐵穿過(guò)環(huán)路使其中產(chǎn)生感應(yīng)電流。在通常情況下，只要磁鐵停止運(yùn)動(dòng)，由于電阻的存在環(huán)路中的電流會(huì)立即消失，但當(dāng)水銀環(huán)路處于4.19度k之下的低溫時(shí)，即使磁鐵停止了運(yùn)動(dòng)，感應(yīng)電流卻仍然存在，即水銀的電阻突然消失。翁尼斯又將實(shí)驗(yàn)過(guò)程反過(guò)來(lái)，重新升高溫度測(cè)水銀的電阻，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度達(dá)4.12度k時(shí)，水銀又有了電阻。翁內(nèi)斯又對(duì)多種金屬、合金、化合物材料進(jìn)行低溫下的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)它們中的許多都具有在低溫下電阻消失、感應(yīng)電流長(zhǎng)期存在的現(xiàn)象。這一發(fā)現(xiàn)使翁內(nèi)斯獲得了1913年的諾貝爾獎(jiǎng)。

1987年，來(lái)自臺(tái)灣的美國(guó)物理學(xué)家吳茂昆和朱經(jīng)武在釔鋇銅氧系材料上把臨界超導(dǎo)溫度提高到90K（攝氏零下183度）以上，液氮的“溫度壁壘”（77K，絕對(duì)零度以上攝氏77度）也被突破了。這項(xiàng)研究突破了自1911年后七十多年的物理學(xué)研究瓶頸，為臨界溫度高于77K的材料稱為高溫超導(dǎo)體下了定義，被譽(yù)為超導(dǎo)體領(lǐng)域30年來(lái)最重要的先驅(qū)之一。

2015年，物理學(xué)者發(fā)現(xiàn)，硫化氫在極度高壓的環(huán)境下（至少150GPa，也就是約150萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓），約于溫度203K（-70°C）時(shí)會(huì)發(fā)生超導(dǎo)相變，是目前已知最高溫度的超導(dǎo)體。

2.高溫超導(dǎo)技術(shù)在電子裝備方面的應(yīng)用（以雷達(dá)為例）[2]

雷達(dá)自發(fā)明以來(lái)，一直是軍事戰(zhàn)爭(zhēng)領(lǐng)域研究的關(guān)鍵，因?yàn)樗婕皯?zhàn)爭(zhēng)前情報(bào)收集、戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)實(shí)時(shí)狀態(tài)、戰(zhàn)爭(zhēng)后形勢(shì)分析等方面的信息收集，是至關(guān)重要的裝備。

超導(dǎo)技術(shù)可以提高雷達(dá)的接收靈敏度、抑制帶外干擾和提高頻帶利用率。且超導(dǎo)器件和子系統(tǒng)有著極高的可靠性，可以經(jīng)受住火箭發(fā)射和空間飛行的考驗(yàn)，抗輻照能力也極強(qiáng)。目前高溫超導(dǎo)技術(shù)可以制作超導(dǎo)濾波器，這一器件可以降低雷達(dá)系統(tǒng)之間的相互影響，提高雷達(dá)在干擾環(huán)境下的作戰(zhàn)能力。

3.高溫超導(dǎo)技術(shù)在航天方面的應(yīng)用

航天力量強(qiáng)弱也是一個(gè)國(guó)家的象征，在太空這一與地面截然不同的環(huán)境中，一切變化皆有可能，這就是眾多科學(xué)家夢(mèng)寐以求的研究。同樣的，太空的戰(zhàn)略意義也是無(wú)法估量的。這就要求在太空環(huán)境中工作的器件更加符合太空的要求。

由于超導(dǎo)體的應(yīng)用最起碼要有足夠的低溫才能展現(xiàn)其特性，太空中極低的溫度相較于地面對(duì)于超導(dǎo)體的使用有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

高溫超導(dǎo)體材料首先以薄膜的形式獲得，在航天方面的空間通信中可以用于微波移相器、濾波器和超導(dǎo)天線的零件制作。超導(dǎo)材料將顯著提升其性能，同時(shí)可以降低功耗和縮小外觀大小。在航天遙感方面，由于飛往外空的行星要持續(xù)以十年為單位的時(shí)間，目前只有無(wú)源輻射制冷是唯一令人滿意的選擇。高溫超導(dǎo)技術(shù)則可以用于遠(yuǎn)紅外輻射熱測(cè)量?jī)x中的溫度傳感器。在低溫系統(tǒng)中，高溫超導(dǎo)技術(shù)可以制作性能效率更加優(yōu)秀，可靠性和壽命大大增大的低溫制冷機(jī)?？傮w來(lái)說(shuō)，高溫超導(dǎo)技術(shù)在太空低溫環(huán)境下的應(yīng)用更加便利，具有良好的前景。

4.高溫超導(dǎo)技術(shù)在艦船裝備方面的應(yīng)用[3]

超導(dǎo)的應(yīng)用方向除了在地面和太空中，還可以應(yīng)用于水下環(huán)境。

在艦船方向，超導(dǎo)材料可以用于制作潛艇大功率推進(jìn)器。相較于普通材料制成的傳統(tǒng)推進(jìn)器，這種新型的推進(jìn)器擁有更小的尺寸和更節(jié)能、更靜音的特點(diǎn)。

由于海水具有導(dǎo)電性，在船舶周圍會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)和電流場(chǎng)，從而推進(jìn)船舶前進(jìn)或退后。而超導(dǎo)磁流體就是將電能轉(zhuǎn)化成流體動(dòng)能，從而為船舶提供動(dòng)力，這種新型的動(dòng)力模式相較于傳統(tǒng)的螺旋槳?jiǎng)恿ζ?，可以大大降低震?dòng)和噪音，具有節(jié)能高效的優(yōu)點(diǎn)。

5.高溫超導(dǎo)技術(shù)在電力運(yùn)輸方面的應(yīng)用[4]

由于超導(dǎo)器材電阻為零的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的電纜相比，高溫超導(dǎo)電纜承載能力更強(qiáng)，同時(shí)兼?zhèn)鋼p耗低的特點(diǎn)。且高溫超導(dǎo)電纜與傳統(tǒng)電纜相比體積更小重量更輕，在冬季等風(fēng)雪環(huán)境中更為穩(wěn)定。高溫超導(dǎo)電纜有望在未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展中發(fā)揮重要作用。

6.高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)的研發(fā)前景

美國(guó)人馬斯克研究的“超環(huán)高鐵”利用低真空管道和磁懸浮技術(shù)，設(shè)想的高鐵速度接近每小時(shí)1000公里已進(jìn)入了可行性研究。成都西南大學(xué)建的全球首個(gè)真空管道超高速磁懸浮列車環(huán)形實(shí)驗(yàn)線平臺(tái)，也是國(guó)內(nèi)首個(gè)載人高溫超導(dǎo)磁懸浮環(huán)形實(shí)驗(yàn)線，這項(xiàng)技術(shù)理論上也可將車速提高到1000公里、甚至1500公里以上。[5]

時(shí)速最快的真空高溫超導(dǎo)磁懸浮比例模型車的試驗(yàn)線正在成都搭建，預(yù)計(jì)2019年年初建成并投入試驗(yàn)測(cè)試。該試驗(yàn)平臺(tái)有望在 2018 年年底前獲國(guó)家批準(zhǔn)，項(xiàng)目從開(kāi)始實(shí)施到建成約需3年或更短。中國(guó)超級(jí)高鐵最快有望于 2021 年上半年達(dá)到1 500 km 的試驗(yàn)時(shí)速。[6]

五、總結(jié)體會(huì)和反思

高溫超導(dǎo)技術(shù)起源自熱力學(xué)的“饋贈(zèng)”，學(xué)者們?cè)谖锢淼牡缆飞咸剿?，發(fā)現(xiàn)了不同于正常環(huán)境下的電阻電流現(xiàn)象，并將其運(yùn)用于日常的科技生活中。回顧高溫超導(dǎo)的歷史我們可以發(fā)現(xiàn)，即便是在1911年后八十多年的歷程里并未對(duì)臨界超導(dǎo)溫度進(jìn)行提升，各方學(xué)者也從未放棄試驗(yàn)和探究。這樣的科學(xué)追求才成就了后來(lái)一次次的溫度提升。同樣的，各方學(xué)者在超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)和合成進(jìn)程中也是迎難而上，從最開(kāi)始的金、鉑，到后來(lái)的提純汞，再到現(xiàn)在的釔系超導(dǎo)體、鉍系超導(dǎo)體、鎂硼超導(dǎo)體等各式各樣不同種類不同性狀的超導(dǎo)材料，凝聚了一代又一代科學(xué)家們的心血?？梢哉f(shuō)，探索精神是科學(xué)巨大的推動(dòng)力。

在本次的研究報(bào)告中，僅僅是對(duì)高溫超導(dǎo)技術(shù)的歷史和發(fā)展情況做出了淺顯的討論。通過(guò)對(duì)各類關(guān)于高溫超導(dǎo)技術(shù)文獻(xiàn)的收集，僅列出了高溫超導(dǎo)技術(shù)在電子裝備、航天、艦船裝備、電力運(yùn)輸這四方面的應(yīng)用，涉及范圍十分有限，但在整個(gè)研究過(guò)程中對(duì)科學(xué)精神有了新的認(rèn)識(shí)，受益匪淺。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭軍.高溫超導(dǎo)電機(jī)技術(shù)的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用前景淺析[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2017（8）：60-65.

[2]羅軍.高溫超導(dǎo)技術(shù)在雷達(dá)中的應(yīng)用[J].雷達(dá)與對(duì)抗，2018（3）：12-15，52.

[3] 劉秀峰，盧永進(jìn).高溫超導(dǎo)技術(shù)在艦船裝備中的應(yīng)用[J].船電技術(shù).2013（7）：39-42.

[4]金建勛，游虎，姜在強(qiáng)，陳正華，魏子強(qiáng)，邢云琪，杜伯學(xué).高溫超導(dǎo)電纜發(fā)展及其應(yīng)用概述[J]，南方電網(wǎng)技術(shù)，2015（12）.

[5]中國(guó)公布高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)[J]，經(jīng)濟(jì)半小時(shí)，2018-3-313：08.

[6]孫鈞，劉子忠，劉甲朋.暢想海上交通運(yùn)輸建設(shè)的偉大革命—真空高溫超導(dǎo)磁浮高速列車橋隧工程前期工作與運(yùn)行方案探討[J]，隧道建設(shè)（中英文），2018（9）第38卷：1406-1416.