淺談超導材料及其應用

（山東省菏澤市第一實驗中學，山東菏澤 274299）

0.引言

隨著科技的發(fā)展，新型材料不斷問世。可以說，材料的發(fā)展史，就是人類的生產和生活的進化史。在人類歷史的每個階段，都可以看到新材料的影子。從樸素的草房、泥房到如今的高樓大廈，從笨重的竹簡和昂貴的絹帛到輕便的紙張，從厚重的盾牌到清透的防彈玻璃，新材料的出現，給人們的日常生活、文化生活，以及安全都帶來了極大的改觀。

在物理學領域，超導材料無疑是近年來的冉冉新星。在一定的溫度（也就是臨界溫度）下，超導材料將排斥磁力線，并且呈現出電阻為零的現象，我們已經發(fā)現了近萬種超導材料，但是，目前超導現象多發(fā)生于極低溫，尋找性能更完善、更穩(wěn)定的高溫超導材料，成了科學研究界的重點。

超導材料有許多獨特的性質，其最重要的三大特性在于零電阻性、完全抗磁性和超導隧道效應。因此，超導材料有著非常廣泛的應用，應用超導材料產生較強的磁場，可以節(jié)約電能，減少損耗；利用超導材料探測人體那微弱的磁場，可以為多種疾病的診斷提供幫助，以超導隧道器件構成的電子元器件，可以提供噪聲極低的功率增益。我們常說，結構決定性質，性質決定用途，在超導材料的發(fā)展過程中，科學家應該與工程人員充分溝通，及時了解在生產過程中的需求，從而能夠讓科學研究的方向更加明確，讓科研成果能夠更快應用在生產生活中。

1.超導材料的應用

由于其卓越的性能，超導材料的應用將極大地降低生產過程中的能耗，減慢電子元器件的損耗，并且可以更加精確的探測到微弱的電磁信號。因此，超導材料在電力工程、核電工程、電子信息、采礦甚至生物醫(yī)學等領域都有著非常廣泛的應用[1]。

1.1 超導強磁場磁體

有超導電性的材料，叫做超導體。在低于某溫度時，超導體的直流電阻率會突然消失或者驟降幾個數量級。由于導體的電阻等于零或者趨近于零，電流在通過導體的時候毫無阻力，我們可以很容易地獲得超大的電流，從而產生較強的磁場。在生產過程中，經常會用到強磁場，以及超強磁場。人們通過產生超強磁場來加速粒子，或者產生超強的電流。因此，強磁場磁體的應用非常廣泛。首先，超導磁體的電阻幾乎為零，其產生的焦耳熱損耗較低。利用超導磁體生成強磁場時，所耗的電能只是常規(guī)導體所耗電能的萬分之一，而且不需要冷卻水系統(tǒng)進行冷卻，不僅節(jié)約了電能，也簡化了系統(tǒng)的結構。其次，產生同樣強度的強磁場時，超導磁體的重量僅為常規(guī)磁體的1/3。因此，以超導磁體為主要零部件的設備，更適應遠距離運輸，組裝難度也較低，為工程工作提供了諸多方便。最后，超導磁體不僅更為輕便，其穩(wěn)定性也遠優(yōu)于傳統(tǒng)導體。超導磁體工作過程中產熱較少，因而故障發(fā)生率相對較低，維護成本也相對較低。超導磁體的諸多優(yōu)越性能，使其在工程建設以及工業(yè)生產中有著非常廣泛的應用，現將超導磁體的用途舉例如下[2]。

1.1.1 超導磁體在高能物理與核物理中的應用

近年來，高能物理領域的發(fā)展十分迅速。為了對粒子的結構進行更深層次的探索，需要用高能粒子加速器對粒子進行加速。目前，通過磁場使粒子做加速圓周運動，是多數粒子加速器的原理。為了使粒子獲得更高的能量、更快的速度，需要加大軌道半徑，或提高加速所用的磁場強度。由于加大軌道半徑對空間以及設備的要求較高，改建的難度實際上是非常高的。使用超導磁體，通過加大電流來提高磁場強度，無疑是更經濟、更便捷的選擇。不過，在使用超導磁體的過程中，應當注意避免系統(tǒng)出現過熱的情況，防止由于電阻急劇上升，造成系統(tǒng)損壞，甚至發(fā)生火災。

在核聚變反應的核心，內部溫度高達幾千萬攝氏度，超高溫將使目前幾乎所有的材料熔化、汽化。因此，必須利用磁場將等離子體包圍起來。超導磁體可以產生超強的磁場，而且可以通過控制電流，精確地調節(jié)其磁場強度、磁場分布。超導磁體，尤其是高溫超導磁體的應用，將促進核能在各個領域的利用。不過，與在高能物理中的應用相似，在使用超導磁體對核聚變進行控制的過程中，應該注意嚴密監(jiān)測超導體的性能，防止磁場下降，粒子逸出，造成核泄漏或其他后果。

1.1.2 超導磁分離技術

自20世紀70年代以來，磁選技術已經得到越來越廣泛的應用。液體凈化是磁選技術的主要應用之一，實驗室廢水中重金屬離子的去除、造紙工業(yè)中高嶺土的凈化、鋼鐵工業(yè)中廢水的回收利用，以及拋光廠玻璃磨泥的回收利用，都離不開磁選技術。20世紀80年代以來，應用了大容量導電磁體的高梯度磁選系統(tǒng)，逐漸被應用于高嶺土凈化。20世紀90年代，隨著高溫超導磁體的發(fā)展，日本開始了新的國家研究項目，以擴大超導磁選在其他領域的應用。事實上，除工業(yè)應用外，磁選技術還可用于去除水生系統(tǒng)和溪流中的中的生物源和其他工業(yè)廢物，如重金屬、化學物質、放射性物質等人為污染物。磁選工藝的全面應用，不僅將助力工業(yè)，也有助于保護全球環(huán)境，為人類營造更好的家園。

由于鐵磁性顆粒與其他礦物顆粒的順磁性不同，它們在經過梯度磁場時的運動軌跡不同，適當地調整磁場梯度，可以讓這些顆粒落到不同的位置，實現磁分離，在工業(yè)中，可以利用磁分離技術對礦物進行分選，或除去礦物中或者水中的雜質。應用超導磁體對需要分離的物質進行磁分選，不僅能夠提高分選效率，降低分選后的雜質率，而且能產生高梯度磁場，并且其消耗的功率僅為常規(guī)磁體的幾十分之一。因此，在金屬及非金屬礦物的分選，除雜以及污水的凈化處理過程中，超導磁體都有著廣泛的應用。可以說，超導磁體的應用，在現代冶金工業(yè)及金屬回收、廢水處理等領域掀起了一場巨大的變革。

1.2 超導磁懸浮列車

隨著社會的發(fā)展，人們對交通工具的速度和舒適度也提出了更高的要求。如何提高列車的運行速度，同時保證其運行的安全性，是設計人員和工程師共同面對的問題。如果將超導磁體安裝在列車的底部，并在軌道旁安裝鋁環(huán)，當列車沿著軌道開始運動時，鋁環(huán)中的感應電流與超導磁體所產生的強磁場的相互作用，將給列車一個向上的力，從而使整輛列車“浮”在軌道上。目前，由日本JR東海公司所研發(fā)的磁懸浮列車，在測試的過程中時速可以達到將近600km，遠遠高于目前高速鐵路所能夠達到的最高運行速度。此外，由于超導磁懸浮列車的運行過程中，列車與軌道之間幾乎沒有摩擦，其運行過程中的噪聲和震動也會大大降低，使旅客在乘坐時更加舒適。與傳統(tǒng)的列車相比，超導磁懸浮列車也更加節(jié)省能源，并可以減少列車與軌道的機械磨損，延長他們的使用壽命[3]。

1.3 超導能量存儲設備

超導磁儲能（SMES）技術是近年來應用超導最活躍的研究領域之一，特別是在發(fā)現高溫超導（HTS）材料之后。超導磁儲能（SMES）技術可以以直流電的形式，對能量進行儲存。與其他儲能設備和方法相比，SMES具有更好的性能。首先，由超導磁體所產生的磁感應強度較高，SMES線圈的電流密度約為普通線圈的10～100倍，并且?guī)缀鯖]有焦耳熱損耗。因此SMES可以持久地存儲更高密度的能量，節(jié)約空間。其次，SMES的能量傳輸效率也非常高，它可以與電力系統(tǒng)在幾毫秒內完成進行能量交換，并且在交換的過程中幾乎不損失能量。最后，對SMES的控制也較為容易。借助成熟的電子技術，SMES可以通過有功和無功功率補償來增強電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并改善電能質量。

我們應當致力于對超導能量存儲技術進行更加深入的研究，對超導能量存儲設備進行不斷改進，并探索更科學、更高效、更安全的控制策略，使其更好地適應電力工程以及其他領域的儲能需要。

1.4 超導電子電路

在弱電和弱磁領域，超導材料同樣有著非常廣泛的應用。超導電子學是研究超導材料在電子領域中應用的一門學科，近年來發(fā)展十分迅猛。應用新型電感器的電路板將容受更復雜的電路結構，更高的電子元件密度，而且散熱更少，為自動控制相關設備和電子信息相關設備的改進提供了更多可能。此外，用超導材料制成的電子元器件，還可以廣泛應用于航空航天、地震預報，以及能源領域、軍事領域中。

1.5 超導技術在其他領域的應用

在航空航天領域，超導技術可以應用于大規(guī)模電磁發(fā)射（EML）系統(tǒng)的一個或多個部分中。使用超導體可以降低系統(tǒng)的能量損耗，并減小能量存儲裝置的尺寸和數量。高溫超導材料應用，可以實現能量分配和轉換設計。所有這些技術都有助于改進現有發(fā)射系統(tǒng)，降低系統(tǒng)的復雜性，并降低有效載荷的發(fā)射成本[4]。

在軍事領域，超導技術也大展身手。相比傳統(tǒng)掃雷設備，超導掃雷工具更為輕便，便于攜帶，而且其工作磁場較強，靈敏度較高，所以更為可靠。此外，超導掃雷工具的功率和能耗也比傳統(tǒng)掃雷工具低很多，而且安全性更高，非常適合長期野外作業(yè)。在將來，超導技術在軍事和國防領域發(fā)揮越來越重要的作用[5]。

2.結語

自20世紀90年代以來，超導材料及超導技術領域的發(fā)展十分迅速。超導技術的應用十分廣泛，超導磁體設備靈敏度高，易于操作和控制，具有良好的可操作性，具有廣闊的應用前景。目前，部分超導產品已經商用，但還有許多產品還在研發(fā)過程中。我國的超導技術還有很大的發(fā)展空間，我們必須不斷深耕，致力于探索更高臨界溫度的超導體，并不斷改進現有技術，培養(yǎng)高水平的超導技術人才，加快超導設備的研發(fā)和應用進程[6]。