什么是超導材料？超導材料的發展史/分類/性能特點/應用現狀

超導材料

超導體不僅在臨界溫度下具有零電阻特性，而且在一定的條件下具有常規導體完全不具備的電磁特性，因而在電氣與電子工程領域具有廣泛的應用價值。一般情況下都是將超導材料加工成線材及塊狀材料等形態，應用于相關設備。超導技術及材料可應用于多個領域，如電力機車的牽引供電變壓器、超導儲能系統（SMES）、儲能飛輪、電力傳輸線纜等。

實現室溫超導一直是科學家們的夢想，若能成功實現，將極大地拓展了超導技術的應用領域，引發一次科學和工業領域的革命也不為過，從能源傳輸到交通運輸，再到醫療設備和科學研究等方面都將獲益。

室溫超導如果出現，其潛在影響體現在以下幾個方面：

01能源傳輸與儲存

超導電流的傳輸效率遠高于常規電纜，能夠大幅度減少能源損耗。室溫超導技術將實現更高效、可靠的電力系統，促進可再生能源的大規模應用，解決能源短缺和環境污染問題。

02交通運輸

超導技術在磁懸浮列車、磁力推進飛行器等領域具有廣泛應用前景。室溫超導的出現將降低能耗、提高速度和穩定性，推動未來交通工具的創新和發展。

03醫療設備與科學研究

室溫超導技術可以改進磁共振成像（MRI）設備，并推動生物科學、醫學研究等領域的突破。它將加速治療和診斷的發展，為人類健康作出重要貢獻。

04信息技術與通信

超導材料在電子元件和計算機芯片等領域具有潛在應用。室溫超導的出現將提高集成電路的速度和性能，加快信息技術的發展，推動數字化時代的進一步發展。

一、什么是超導材料

超導材料，是指具有在一定的低溫條件下呈現出電阻等于零以及排斥磁力線的性質的材料。一般來說，按照材料的常溫電阻率從大到小可以分為絕緣體、半導體和導體。絕大部分金屬都是良導體，他們在室溫下的電阻率非常小但不為零，在10-12mΩ ? cm量級附近。當把某種材料降到某個特定溫度以下的時候，電阻突降為零，同時所有外磁場磁力線被排出材料外，導致體內磁感應強度為零，即同時出現零電阻態和完全抗磁性。這種狀態下，即為材料進入超導態，這種材料就是超導材料。

超導體的一系列神奇特性意味著我們可以在低溫下穩定地利用超導體，比如實現無損耗輸電、穩恒強磁場和高速磁懸浮車等。正因如此，自從超導發現以來，人們對超導材料的探索腳步一直不斷向前，對超導微觀機理和超導應用的研究熱情也從未衰減。

二、超導材料的發展史

1911年，Heike Kamer-Onnes在溫度4.2K（-268.97℃）時用液氦冷卻汞時發現汞的電阻為零，發現了超導電性規律。

1933年，菲爾德和邁斯納發現超導體冷卻達到轉變溫度時，不僅電阻完全消失，還會出現抗磁性：磁感線從超導體中排出，不能通過超導體。

1973年，科學家發現了保持了近十三年記錄、超導轉變溫度為32.4K（-249.92℃）的超導合金——鈮鍺合金。

1986年，美國貝爾實驗室研究出了打破夜氫40K的溫度障礙，臨界溫度為40K（-235.15℃）的超導材料。

1987年，美國華裔科學家朱經武和中國科學家趙忠賢陸續把釔-鋇-銅-氧轉變溫度提高到了90K（-185.15℃），從而發現了高溫超導體材料，打破了液氮77K的“溫度堡壘”。

1988年，日本實現了液氮溫區超導體的理想，研發出了轉變溫度為110K（-165.15℃）的超導材料Bi-Sr-Cu-O，解決了困擾科學界多年的問題。超導熱從高溫超導材料被發現以后席卷全球。轉變溫度達零下150.15℃的鉈系化合物超導材料和轉變溫度達零下140.15℃的汞系化合物超導材料相繼被發現，高壓條件下的汞轉變溫度能達到“恐怖”的164K（-111.15℃）。

2007年2月，日本東京工業大學細野秀雄教授和其合作者發現了轉變溫度為零下251.15℃的氟摻雜鑭氧鐵砷化合物。

2008年3月25日和3月26日，中國科技大學陳曉輝研究組和中國物理所研究組發現了突破麥克米蘭極限溫度，轉變溫度為零下233.15℃的非傳統超導材料。

在近100年的超導材料發展歷史中，有10位科學家憑借杰出的研究獲得了諾貝爾物理學獎。

目前發現的超導材料主要可以劃分如下幾大家族：金屬和合金超導體、銅氧化物超導體、重費米子超導體、有機超導體、鐵基超導體以及其他氧化物超導體。

三、我國超導材料的發展歷程

中國的超導研究起步較晚，但經過數十年的潛心發展，已經成為國際上超導領域不可忽視的中堅力量。我國稀土資源儲備豐富，具有得天獨厚的發展超導線材的優勢。

1951年，中國低溫物理研究所經錢三強等人提議，自洪朝生先生歸國后得以建設，這是中國低溫物理學的開端。在洪朝生先生的主持下，建立了各類低溫研究所；設立中國科大低溫物理專業，培養出一大批中國超導領域的佼佼者，如趙忠賢先生；制造、調試成功了氫液化器，為“兩彈一星”事業奠定實驗基礎；制造、調試成功了制活塞膨脹式液化器，為后來中國超導研究創造了必要條件。

1960年，管惟炎先生回國，在低溫研究室開展超導體的相關研究，五年后，其課題組成功制得中國首個強磁場超導磁體，取得突破性進展。

70年代末，中國超導領域發展初具規模，中外交流的開展使得國際經驗共享日漸增多，以趙忠賢先生為代表的一大批有志之士出國進修，不斷拓寬中國超導領域的國際視野。1986年，自柏諾茲和繆勒實現30K的突破性進展后，一直堅信“結構不穩定性可以導致高臨界溫度”趙忠賢先生通過摻雜鍶在SrLaCuO多相系統上實現48.6K的轉變溫度；朱經武和吳茂昆兩位華裔科學家也通過類似的方式實現了39K的轉變溫度。此后，中國乃至全世界都開始了高溫超導領域的研究熱潮，中國數十所高校和研究所均開始投入高溫超導研究工作。

四、超導材料的分類

超導材料分為低溫超導材料和高溫超導材料。

1.低溫超導材料

低溫超導材料是具有低臨界轉變溫度(Tc<30K=在液氦溫度條件下工作)的超導材料，分為金屬、合金和化合物。具有實用價值的低溫超導金屬是Nb(鈮)，Tc為9.3K已制成薄膜材料用于弱電領域。合金系低溫超導材料是以Nb為基的二元或三元合金組成的β相固溶體，Tc在9K以上。

低溫超導材料一般都需在昂貴的液氦環境下工作，由于液氦制冷的方法昂貴且不方便，故低溫超導體的應用長期得不到大規模的發展。低溫超導材料的應用分為：強電應用，主要包括超導在強磁場中的應用和大電流輸送；弱電應用，主要包括超導電性在微電子學和精密測量等方面的應用。

2.高溫超導材料

高溫超導體材料(HTS)具有超導電性和抗磁性兩個重要特性。要讓超導體得到現實的應用，首先要有容易找到的超導材料。即主要研究方向就是尋找能在較高溫度下存在的超導體材料。

高溫超導材料用途非常廣泛，大致可分三大類：大電流應用、電子學應用和抗磁性應用。大電流應用是由于超導材具有零電阻和完全的抗磁性，因此只需消耗極少的電能，就可以獲得的穩定強磁場。超導體的基本特性之一是當它處于超導態時具有理想的導電性，同時由于其載流能力遠遠強于常規導體，因此，利用超導體可以傳輸大電流和產生強磁場，并且沒有電阻熱損耗。電工設備的基本特點是大電流、強磁場和高電壓，因此在電工設備中使用超導材料可以減少電氣損耗、提高效率、縮小體積、減輕重量、降低成本，還可以提高裝置的極限容量。顯然，超導材料的應用給電工技術帶來了質的飛躍，許多過去無法實現的電工設備由于采用超導技術而成為現實，或即將成為現實。

我國電力資源和負荷分布不均，因此長距離、低損耗的輸電技術顯得十分迫切。超導材料由于其零電阻特性以及比常規導體高得多的載流能力，可以輸送極大的電流和功率而沒有電功率損耗。據統計，按目前情況，如果將銅或鋁導改為超導體，光是在中國節省電能相當于新建數十個大型發電廠。超導材料在這些方面的應用是最誘人的。

五、超導材料的性能特點

1.完全導電性

實驗研究表明，當溫度下降到某一臨界溫度時，超導體出現電阻突變為零的特性稱為完全導電性，也叫零電阻效應。

2.完全的抗磁性

1933年，邁斯納和奧森菲爾德對單晶錫球的磁場分布進行測量，發現不論是先降溫后再加磁場，還是先加磁場后降溫，只要錫球溫度達到超導臨界溫度Tc，磁力線似乎被完全排斥到超導體之外。只要T＜Tc，超導體內的磁感應強度總和為零，即超導體具有完全抗磁性。

3.約瑟夫遜效應

電子等微觀粒子具有波粒二象性，當兩塊金屬被一層厚度為幾十至幾百A的絕緣介質隔開時，電子等都可穿越勢壘而運動。加電壓后，可形成隧道電流，這種現象稱為隧道效應。把上述裝置中的兩塊金屬換成超導體后，當其介質層厚度減少到30A左右時，由超導電子對的長程相干效應也會產生隧道效應，稱為約瑟夫遜效應。

4.臨界性

超導材料具有臨界溫度、臨界磁場和臨界電流密度等，只有小于它的臨界值才能體現出它的超導性能，一旦超出，就會失去超導性。此外，還有相干長度。導向只有在一定的尺度之下，才能保持住它的超導性能。

六、超導材料的應用現狀

超導材料已然成為21世紀具有戰略意義的國之重器，是各國科技革命的突破重點。我們難以估量超導技術的普及會給國家和社會帶來多少經濟效益，綜合國力會邁上多少臺階，但我們能說，超導技術“可以改變世界”。

超導技術的突破性進展和廣泛應用，將引起一場新的技術革命，并對科技、經濟、軍事乃至社會發展產生不可估量的影響。超導技術的應用范圍十分廣闊，在輸電、電機、交通運輸、航天、微電子、電子計算機、通信、核物理、新能源、生物工程、醫療以及軍事裝備等領域，都已展現出燦爛奪目的前景。

1.超導磁體

目前，超導材料應用最多的領域就是制作各種用途的超導磁體。超導磁體的優勢是可以實現常規導體材料無法實現的磁場強度、磁場梯度和磁場均勻度。

超導磁體有很多用途，比如核磁共振成像（MRI），已被廣泛地應用于醫療檢測、診斷之中，成為最為精確的醫學檢測手段之一。幾乎世界上所有的用于重大科學研究工程的高強磁場，譬如各類粒子加速器、各類高能粒子對撞機、以及目前多國參與的國際熱核聚變實驗堆（ITER）的磁場，都離不開超導磁體。另外，還有各式各樣的超導磁體被應用于檢測儀器、各類實驗裝置、晶體生長等其他許多方面。

2.超導電纜

利用超導材料制成很細的導線，在無需變電所和變壓器等配電設備下輸電，免去由于常規輸電造成的10%以上電力損失(送電、變電、配電等每一步都存在電阻，使一部分電能轉化成熱量而白白浪費)，電費開支節省15%以上。

電能在傳輸過程中損耗很大，超導電纜的優勢在于電能在輸送過程中可以最大限度地降低損耗，僅為傳輸功率的0.5%，而常規電線電纜的損耗要達到10%，能源節省一目了然。而且高溫超導電纜的容量比常規電纜提高3～5倍、損耗下降60%，節約占地面積和空間，更為可觀的是，總費用降低20%，經濟效益明顯。超導電力技術是21世紀電力工業唯一的高技術，可有效解決能源短缺的問題。

3.超導電機

超導電機重量輕、緊湊性好，在風力發電機中特別具有優勢。所以將超導電機用于風力發電是目前發展的趨勢。超導電機采用超導材料替代常規電機的轉子。傳統電機以銅作為線圈繞組，采用超導材料后，可將銅用量從2.1ton減至0.44ton，鐵用量從10.5ton減少至2.8ton，大大減少了金屬的使用量，降低了成本；而制冷系統電力消耗導致的成本，已由使用周期長、效率高而得以抵消。效率高、性能好以及巨大的市場潛力驅動著超導電機的發展。

4.磁懸浮

在導體截面相同時，超導體制作的導線可以比銅導線（傳統電磁鐵絕大多數由銅導線繞制）承載高出幾十倍的電流。也就是說，由超導線圈制作的磁懸浮機構可以產生比傳統磁懸浮機構大得多的懸浮力。另外，銅線圈通電時會不斷地產生焦耳損耗，而超導線圈因為無電阻不會產生焦耳損耗。因此在磁懸浮軌道交通系統中使用超導電磁線圈不但可以產生更大的懸浮力和驅動力，而且更加節能、環保。

超導磁懸浮列車是會“飛”的火車，由于磁懸浮列車與鐵軌之間的磁力作用，使列車懸浮在鐵軌上方，消除了鐵軌與車輪之間的摩擦力，時速可達500千米，而且行車平穩、噪聲小、安全舒適、所需牽引力小、不污染環境。將來的輪船、汽車也可以用超導電動機開動。如果用超導電動汽車來代替燃油汽車，那么全世界一年可節省汽油10億噸。

5.超導儲能裝置

儲能，即通過某種手段將能量存儲起來，在需要時釋放的過程。按照儲能的方式，可分為物理儲能、化學儲能和電磁儲能，超導儲能是電磁儲能的一種。

超導儲能裝置無需能量轉換、直接儲能，轉換效率高，響應速度快，功率密度大。用于電網時，超導儲能可以調節電網的負荷，低谷時儲藏電能，高峰時釋放電能，電力輸入超導線圈中，電流可在里面長期流動而幾乎不損耗電能，因此，可設計大容量的超導儲能裝置于地下巖石中，儲存大量電能供電網調峰之用。超導體約束的等離子體可以引起核聚變以實現受控熱核反應，為解決能源危機發揮重大作用。當然這種方式也不是沒有缺點，比如運行及維護成本高。我國首臺超導儲能裝置位于甘肅省白銀變電站。

6.超導計算機

超導體在電子學領域里大有用武之地。用超導芯片(約瑟夫森器件)代替普通芯片制成超導計算機，可以大大提高運算速度，減小計算機體積。美國研制的一臺運算速度為800萬次/秒的超導計算機，只有一部電話機那么大，運算速度提高了10～1000倍，而且元件不發熱、功耗非常小、無故障、高效率運行時間要長得多。

7.超導通信

超導技術可用于通信。一根超導線路傳遞數據的速率高達每秒1億次，可供1500萬部電話機同時通話，比現有光纖通信的通信速率還快100倍。

8.超導量子干涉儀

用超導器件制成的極其精密的超導量子干涉儀，可測出極其微弱的電磁波，被廣泛用到電子工業中。超導量子干涉儀不但能探測出埋在地下的礦物，也能探測出人腦的高級神經活動，揭開人類大腦思維活動的奧秘。利用超導原理制造的新型紅外探測器、超導磁強針 、 超導重力儀、超導濾波器及各種微波器件，將廣泛應用于航空航天事業、地震預報、地質勘探及天文學領域。利用超導體的完全抗磁性可制造新型回旋加速器，把人們的視覺和感觀延伸到微觀世界深處，揭開物質起源、生命起源的奧秘。

七、超導材料的發展展望

自從超導現象被發現以來，人們就開始想象各種各樣的超導材料應用在實際生活中的場景。超導現象有多種優良的性能，毫無疑問，這必將給人們帶來翻天覆地的變化，也很可能是第四次科技革命的開始。超導材料的應用不僅能提高工作效率，在現在這個能源越來越緊缺的時代，超導材料也必然能使資源得到大大節約，減少大量的污染。超導材料不僅是過去、現在的研究熱點，也是將來的研究熱點。隨著超導體研究日新月異的變化，超導材料必將深刻影響科學發展和人們的生活。

2000年11月北京有色金屬研究院研制的百米長鉍系高溫超導帶材問世。這種帶材長116米，寬3.6毫米，厚0.8納米，以螺旋管方式纏繞，用四引線法全長度測量。77開(即-196℃)液氮溫度下臨界電流達12.7安。它主要用于輸電電纜、變壓器、核磁共振成像等。2001年4月，340米長鉍系高溫超導線在清華大學研制成功，標志著我國已躋身于少數掌握超導線材產業化的國家行列。

目前，我國基本掌握了各種實用化超導材料的制備技術，在多個應用方面也取得了良好的發展。今后，我國超導材料及其應用領域應進一步加強超導材料及其應用裝置的制備工藝研究，不斷探索更高臨界溫度的超導體，并加強與超導技術應用密切相關的低溫制冷技術和低溫系統的研究，以進一步全面提升我國的超導材料及其應用技術的發展水平。

審核編輯：湯梓紅