超導(dǎo)材料的研究進(jìn)展及應(yīng)用

（上海交通大學(xué)附屬中學(xué)，上海 200439）

0.引言

科學(xué)家在研究中發(fā)現(xiàn)，將某些固體冷卻到一定溫度以下時，它們的電阻會完全消失，這類材料被稱為超導(dǎo)材料，該溫度被稱為轉(zhuǎn)變溫度，不同材料的轉(zhuǎn)變溫度存在一定的差異，但是多數(shù)材料的轉(zhuǎn)變溫度是低于20K的（-253℃）。除溫度外，磁場也會對超導(dǎo)材料的性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響。超過某個臨界值的強(qiáng)磁場會導(dǎo)致超導(dǎo)體恢復(fù)到正常狀態(tài)（即非超導(dǎo)狀態(tài)）。即使該材料所處環(huán)境的溫度已經(jīng)遠(yuǎn)低于其轉(zhuǎn)變溫度，它也無法表現(xiàn)出超導(dǎo)性。

超導(dǎo)材料在許多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，它可以減小設(shè)備在通電過程中產(chǎn)生的熱量，節(jié)約能源，減小設(shè)備的體積，提高設(shè)備工作時的穩(wěn)定性。在醫(yī)用磁成像設(shè)備、磁儲能系統(tǒng)、電動機(jī)、發(fā)電機(jī)、變壓器、計算機(jī)部件以及精密磁場測量儀中，超導(dǎo)材料都發(fā)揮著重要的作用。近年來，許多工程學(xué)家致力于提升用超導(dǎo)材料制成的機(jī)械的運行速度、能量利用效率、靈敏度。他們對不同種類的超導(dǎo)材料的性質(zhì)進(jìn)行了深入的研究，以期為改進(jìn)現(xiàn)有超導(dǎo)設(shè)備、研發(fā)新型超導(dǎo)設(shè)備提供新思路[1]。

1.超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)

1911年，荷蘭物理學(xué)家Heike Kamerlingh Onnes發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象。由于他在低溫研究領(lǐng)域的卓越貢獻(xiàn)，Onnes于1913年被授予諾貝爾物理學(xué)獎。Onnes發(fā)現(xiàn)，將汞冷卻至低于約4K（-269℃）的溫度時，其電阻會突然消失。此外，不斷增大通過超導(dǎo)材料的電流或?qū)Τ瑢?dǎo)材料施加足夠強(qiáng)的磁場，都可以促使超導(dǎo)材料返回正常（即非超導(dǎo)）狀態(tài)。Onnes對絕對零度有著較深的研究，他認(rèn)為，絕對零度（0K）是所有物質(zhì)失去無序狀態(tài)的溫度，在接近絕對零度時，材料中的電子可能處于一種較為有序的狀態(tài)，在定向移動的過程中，電子受到的阻礙大大降低，因此，導(dǎo)體的電阻顯著減小[2]。

2.超導(dǎo)材料的研究進(jìn)展

數(shù)百種天然材料會在低溫下變成超導(dǎo)體。有27種元素的單質(zhì)（均為金屬）在低溫和低壓（1個大氣壓）的條件下具有超導(dǎo)性。這些超導(dǎo)材料包括一些眾所周知的金屬，如鋁、錫、鉛和汞，以及一些不太常見的金屬如Rh、La。此外，還有一些金屬材料和非金屬材料是低溫和高壓下的超導(dǎo)體，其中比較常用的材料有鈾、鈰、硅和硒。鉍和其他元素雖然不能在常規(guī)的條件下形成具有超導(dǎo)性的晶體，但是可以通過在高溫高壓的條件下制備鉍，使其具備超導(dǎo)性。研究表明，這種具有特殊結(jié)構(gòu)的鉍在極低的溫度下也是穩(wěn)定的。在研究鉻、錳、鐵、鈷或鎳等磁性元素時，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，它們并不能表現(xiàn)出超導(dǎo)性。

大多數(shù)已知的超導(dǎo)體是合金或化合物。即使組成化合物的元素不具有超導(dǎo)性，它們形成的化合物也可能有超導(dǎo)性。比如，二氟化銀（Ag2F）和碳鉀化合物（C8K）都是有超導(dǎo)性的。如果向某些半導(dǎo)體化合物（如碲化錫，SnTe）中適當(dāng)?shù)負(fù)诫s一些特定的雜質(zhì)，它們就會在低溫下變成超導(dǎo)體。

1986年，人們在研究中發(fā)現(xiàn)，某些銅氧化物和銅酸鹽具有更高的轉(zhuǎn)變溫度Tc。這些物質(zhì)可以在較高的溫度下表現(xiàn)出超導(dǎo)性。這些高Tc化合物的特性在某些方面與1986年前已知的超導(dǎo)體（經(jīng)典超導(dǎo)體）的特性有一定的差異。此外，在20世紀(jì)80年代末，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了一些含碳的超導(dǎo)體（通常會摻雜其他原子），其中的碳原子位于球形或類球形晶體的表面上。這些在上世紀(jì)八十年代被發(fā)現(xiàn)的化合物被人們稱為富勒烯。它們也具有比經(jīng)典超導(dǎo)體更高的轉(zhuǎn)變溫度。不過，人們尚不清楚這些化合物的超導(dǎo)原理是否與銅酸鹽高溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)原理是相似的。在對這些材料的結(jié)構(gòu)以及超導(dǎo)原理進(jìn)行了深入研究后，研究人員細(xì)化了超導(dǎo)體材料的分類標(biāo)準(zhǔn)[3]。

3.超導(dǎo)材料的應(yīng)用

在1987年5月11日《時代周刊》的封面故事中，超導(dǎo)材料被譽(yù)為“可以改變我們世界的重大突破”，人們對與超導(dǎo)材料相關(guān)的各種技術(shù)的應(yīng)用是十分有信心的。實際上，從1911年開始，人們就嘗試在各種場景中應(yīng)用超導(dǎo)技術(shù)。今天，超導(dǎo)磁體、傳動電纜、電動機(jī)、發(fā)電機(jī)、能量存儲設(shè)備、磁懸浮列車等大功率設(shè)備的工作，幾乎離不開超導(dǎo)材料了。此外，在弱電領(lǐng)域，人們開發(fā)了各種超導(dǎo)傳感器，它們在多種場景中有著廣泛的應(yīng)用。

3.1 具有應(yīng)用價值的超導(dǎo)材料的主要性質(zhì)

在發(fā)現(xiàn)了多種具有超導(dǎo)性的材料之后，科學(xué)家花費了相當(dāng)多的時間來尋找可以用作電源的超導(dǎo)材料。這種材料必須具有相當(dāng)高的Tc，并且必須能夠在高磁場（高臨界磁場Hc）環(huán)境中承載高電流（高臨界電流密度jc）。1954年，一些科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，含金屬的化合物Nb3Sn具有以上特征，一些其他的化合物（如NbTi）也具有類似的性質(zhì)，它們的應(yīng)用比其他經(jīng)典超導(dǎo)體更廣泛。到目前為止，這些含Nb的材料仍然是超導(dǎo)技術(shù)中最常用的材料。應(yīng)用這些材料，人們可以制備功率較高的超導(dǎo)磁體，這種超導(dǎo)磁體能夠產(chǎn)生所需的高磁場。在用于醫(yī)學(xué)診斷的磁共振成像（MRI）掃描儀、用于核聚變的托卡馬克中，超導(dǎo)磁體都發(fā)揮著十分重要的作用[4]。

銅酸鹽HTS的發(fā)現(xiàn)，顯著地擴(kuò)大了超導(dǎo)材料的應(yīng)用范圍。原則上，人們有可能在比常規(guī)超導(dǎo)設(shè)備的工作溫度高得多的工作溫度下操作超導(dǎo)設(shè)備，即在高于液氮的沸點（77K）的溫度環(huán)境下應(yīng)用超導(dǎo)技術(shù)。液氮比液氦（沸點4K）便宜得多，且人們更容易從自然界中獲得氮氣。但是，對于用于電力工程的超導(dǎo)線材而言，高轉(zhuǎn)變溫度Tc不是人們關(guān)注的唯一參數(shù)。線材必須具有高電流密度jc并能夠承受高磁場（即具有高臨界磁場Hc）。銅酸鹽高溫超導(dǎo)體是所謂的II型超導(dǎo)體，其特征在于，它具有兩個臨界磁場：較低的臨界磁場Hc1和較高的臨界磁場Hc2。在電力系統(tǒng)中應(yīng)用超導(dǎo)材料時，人們主要關(guān)注Hc2。在理想情況下，高溫超導(dǎo)材料（HTS）的所有參數(shù)都高于低溫超導(dǎo)材料（LTS）的參數(shù)。不過，銅酸鹽HTS還存在一些其他缺點，在較高的溫度下，它的性質(zhì)并不穩(wěn)定。這在一定程度上限制了其應(yīng)用。

除銅酸鹽高溫超導(dǎo)體外，在1986年后，人們還發(fā)現(xiàn)了其他實用的超導(dǎo)材料，如Tc為39K（-234°C）的二硼化鎂MgB2，以及一系列高Tc的鐵基化合物，這些化合物被科學(xué)家稱為Pnictides，它們的Tc可以達(dá)到56K（-221°C）。

3.2 超導(dǎo)材料的生產(chǎn)應(yīng)用

在下文中，筆者將重點介紹銅酸鹽HTS的應(yīng)用。與LTS相比，它們的最大優(yōu)勢顯然是高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc。這意味著人們可以在應(yīng)用超導(dǎo)材料的過程中大幅降低冷卻成本，這是大規(guī)模應(yīng)用超導(dǎo)技術(shù)的關(guān)鍵。此外，理想的超導(dǎo)材料應(yīng)當(dāng)具有良好的延展性，從而被制成長而堅固的柔性電纜以及性質(zhì)穩(wěn)定的高質(zhì)量薄膜，后者可以被用于制作低功率電子設(shè)備和傳感器[5]。

高溫超導(dǎo)材料是結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的材料，它通常由多種具有多個相的元素組成。多數(shù)高溫超導(dǎo)材料是非常脆的陶瓷，人們很難高效地在制備的過程中對材料進(jìn)行優(yōu)化，使其滿足各個方面的要求。此外，銅酸鹽高溫超導(dǎo)材料是具有短的相干長度ξ的層狀超導(dǎo)體。超導(dǎo)電流主要在銅-氧平面中流動。因此，臨界參數(shù)jc、Hc和相干長度ξ具有各向異性。為了在高功率體系中獲得足夠高的電流密度，導(dǎo)線中的晶粒必須在長達(dá)數(shù)百米范圍內(nèi)完全位于同一條直線上，這是一個很難解決的材料科學(xué)問題。不過，經(jīng)過數(shù)十年的研究，HTS材料的研發(fā)解決了這一難題。

3.2.1 商用電力設(shè)備

HTS材料通常被應(yīng)用于商用電力設(shè)備中。人們通常將性能較為理想的HTS材料制成長而柔軟的高質(zhì)量HTS電線和電纜。大功率傳輸電纜、高場超導(dǎo)磁體、電動機(jī)、發(fā)電機(jī)、同步電容器、變壓器和故障電流限制器等設(shè)備中，都有HTS的身影。此類電線和電纜是由世界各地的多家公司開發(fā)的，并且可以在市場上買到。

2014年，全球最長的HTS電纜被整合到德國埃森的電網(wǎng)中，該電網(wǎng)已投入實際運行。該系統(tǒng)由一公里長的10kV（2300A）HTS電纜組成、一個接頭和一個故障限流器組成，該系統(tǒng)需要由液氮冷卻體系進(jìn)行冷卻，才能正常地工作。它可以高效地連接埃森市中心的兩個變電站。工程技術(shù)人員建設(shè)這一系統(tǒng)的初衷是用中壓電纜 （10kV）代替高壓電纜（110kV），從而減少對變壓器和其他笨重設(shè)備的需求，節(jié)省變電站的空間。應(yīng)用特別高效的和節(jié)省空間的超導(dǎo)電纜傳輸?shù)碾娏κ莻鹘y(tǒng)電纜的5倍，且在傳輸過程中幾乎沒有損耗。在對這個新穎的電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場測試時，研究人員進(jìn)行了多項實驗，這些實驗的結(jié)果能夠為規(guī)劃未來城市的能源供應(yīng)系統(tǒng)提供新思路。此外，這個新系統(tǒng)還包含一個基于HTS技術(shù)的故障電流限制器，該電流限制器能夠承受較大的故障電流。它的基本工作原理是：當(dāng)電路中的電流超過臨界電流時，超導(dǎo)體會變成普通的導(dǎo)體，它的電阻會顯著增加，因此，該限流器可以阻止過大的電流通過系統(tǒng)。目前，世界上已經(jīng)有多家公司開發(fā)了各種類型的故障電流限制器，并已在市場上出售這些限制器[6]。

3.2.2 高效儲能設(shè)備

高溫超導(dǎo)材料也可以用于制作高效儲能設(shè)備。這種設(shè)備可以被大致分為兩種。第一種是超導(dǎo)磁能存儲（SMES）裝置。它基本上是由超導(dǎo)線圈組成的，電能能夠以無摩擦的超電流形式存儲在線圈中。應(yīng)用HTS材料制成的SMES通常具有非常緊湊的結(jié)構(gòu)，其重量較小，儲能效率較高。第二種是飛輪能量存儲（FES）裝置。向這類裝置輸入能量時，轉(zhuǎn)子（飛輪）會被加速至極高的速度，并且系統(tǒng)中的能量逐漸升高。當(dāng)從系統(tǒng)中提取能量時，根據(jù)能量守恒定律，飛輪的轉(zhuǎn)速會降低。高速旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)速20000rpm～50000rpm）的飛輪一般懸掛于基于HTS技術(shù)的無摩擦磁性軸承上，它在旋轉(zhuǎn)時不會與軸承發(fā)生摩擦[7]。

4.結(jié)語

在低溫環(huán)境下，超導(dǎo)材料具有良好的電導(dǎo)性和抗磁性，其在電力工程、信息工程、通信工程等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。各個國家和地區(qū)的科學(xué)家應(yīng)當(dāng)致力于研發(fā)臨界溫度更高的超導(dǎo)材料，提高材料的機(jī)械性能，降低超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用成本。