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1、超导材料的发展应用（ 1）超导研究的发展于中国对高温超导材料研究的贡献1911 年，荷兰莱顿大学的卡茂林-昂尼斯用液氦冷却水银（汞）时意外地发现，当温度降到绝对温度4.2 度时（ -268.98 C，绝对温度零度相当于零下273 摄氏度 )）时发现水银的电阻突然完全消失。这种现象称为超导电性。后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，卡茂林 -昂尼斯称之为超导态。卡茂林由于他的这一发现获得了1913 年诺贝尔奖。这一发现引起了世界范围内的震动。在他之后，人们开始把处于超导状态的导体称之为“超导体”。超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失，被称
2、作零电阻效应。导体没有了电阻，电流流经超导体时就不发生热损耗，电流可以毫无阻力地在导线中流大的电流，从而产生超强磁场。1933 年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质，当金属处在超导状态时，这一超导体内的磁感兴强度为零，却把原来存在于体内的磁场排挤出去。对单晶锡球进行实验发现：锡球过渡到超导态时，锡球周围的磁场突然发生变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了，人们将这种现象称之为“迈斯纳效应” 。后来人们还做过这样一个实验：在一个浅平的锡盘中，放入一个体积很小但磁性很强的永久磁体，然后把温度降低，使锡盘出现超导性，这时可以看到，小磁铁竟然离开锡盘表面，慢慢地飘起
3、，悬空不动。迈斯纳效应有着重要的意义，它可以用来判别物质是否具有超性。后来还发现，如果把超导体放在磁场中冷却，则在材料电阻消失的同时，磁感应线将超导体中排出，即出现所谓抗磁性。因此，零电阻和抗磁性就成为超导体的两个重要特性。能使超导体电阻为零的温度，叫超导临界温度；依照磁化强度与外加磁场的不同，又可把超导体分为第类和第类超导体。超导转变温度用绝对温标（以k 表示）计。绝对温度k 相当于摄氏零下273 度。传统的超导电现象只能在液氦温区(-269 )才能出现， 而氦是一种稀有气体，因而大大限制了超导的应用。1986 年夏，当时在瑞士工作的物理学家缪勒和贝德诺兹发现，一类特殊的铜氧化物超导转变温度
4、高达近40 度绝对温度。1987 年初，在美国工作的华裔科学家吴茂昆、朱经武等发现了超导转变温度高达90 度绝对温度的超导体，几天后，中国科学院物理研究所赵忠贤、陈立泉等以及日本的科学家也分别独立地发现了超导转变温度为 100 度绝对温度以上的超导体。超导体不能在液氮温区(绝对温度78 度 )工作的禁区终于被打破了。氮在空气中有的是，而空气的液化是一种广泛应用的技术。在陶瓷“高温”超导材料发现以前，所研究的超导材料几乎都是金属合金，如铌合金（超导临界温度为 k） ,复性和稳定性得到确认， 1987 年，人民日报发表新闻，第一次在世界上公布了钡、钇、铜、氧体系。这一消息加速了世界范围内的高温超导
5、研究。可以说，从一开始，我国高温超导材料的研究就居世界前列。经过年多的发展，我国在高温超导电性的研究和应用开发的一些主要方面，仍居世界先进水平。这主要表现在：在提高体材料的载流能力和制备高质量的超导薄膜上，我国目前仍属世界最好水平；在量子干涉器的制作以及将这种器件应用到地磁测量上，我国也属于世界最好水平；在高温超导粉料的制备，高温超导体材、线材的制备，以及发展金属有机化学气相沉积和发展厚膜技术方面，我国也属于世界上较好水平。此外，在确定高温超导材料的晶体结构、系统探索铋系、铊系材料及证实高温超导体中各种基本的超导现象等方面，我国也有较高水平的研究工作。八十年代中，我国科学界在液氮温区超导材料的
6、发现上做出了国际公认的贡献，为适应超导技术发展的潮流，国家科委决定成立国家超导技术专家委员会和国家超导技术联合研究开发中心，统一协调和管理全国多个有关单位超导研究和开发工作。近九年来，在液氮温区超导电性的研究开发，包括新材料探索、材料物理化学性质的研究、实用成材技术的研究、薄膜技术、器件物理和技术、以及高温超导电性的基础研究等方面都进行了比较深入系统的工作，在主要方面仍处于国际先进水平。其中铋系带材和磁体、钇系块材、铊系材料、高温氧化物超导薄膜、高温超导量子干涉器件、超导微波元件及制冷技术等项目是一批具有国际先进水平的研究成果，代表了我国超导技术的水平和发展现状。本项目共获已鉴定成果79项，其
7、中国际领先6 项，国际先进24 项，以应用25 项，形成商品2 项，获奖成果42 项，国家自然科学奖一等奖一项，三等奖2 项，国家科技进步奖二等奖2 项，三等奖一项。发表论文共3028 篇，其中国外发表 1335 篇，国内一级刊物上发表1006 篇。获国内外专利37 项。1991年，北京大学化学系、物理系在成功地合成C60以后，又和中科院物理所合作，于7 月份先后研制成功新型超导体掺钾碳60 和掺铷碳 60，经超导国家重点实验室交流磁化率测量表明，所研制的样品超导起始温度为17.9K 。随后的研究使超导相的数量从1左右提高到 8.4。这一成果为高温超导体的探索开辟了一条新的途径，具有重要的学术
8、意义。同时表明，我国在高温超导研究方面已经走到了世界前列。1993 年 4 月 3 日，北京大学碳 60 科研组又做出重要成果： “重结晶法分离、 纯化 C60、C70”和“C60、C70 的高效液相色谱分析和中压液相色谱分离方法”通过国家自然科学基金委主持的专家鉴定。专家们一致认为，此成果具有独创性、先进性和实用性，处于国际先进水平。1999 年中科院紫金山天文台新近研制成功安装在13.7 米毫米波射电天文望远镜上的超导接收机。超导混频技术是当今最先进的低噪声、高灵敏度检测技术，其接近量子极限的噪声性能使它成为射电天文及大气物理研究中分子谱线观测的首选手段。目前，国际上多数毫米波和亚毫米波射
9、电天文望远镜已采用超导接收机。美国、日本、法国等发达国家正在将这项技术应用于球载项目和空间项目。专家认为，这是我国首次将低温超导技术应用于实践，它不仅使我国毫米波、亚毫米波射电天文观测能力实现了新的飞跃，而且为超导低噪声检测技术在国民经济和国防建设上的推广应用打下了重要基础。随着实用高温超导材料的研究取得重大进展，作为应用超导技术最重要的组成部分高温超导电力技术的实用化已成为现实。超导电力设备的应用对提高电网容量、电能质量、供电可靠性和安全性，具有重要意义。高温超导电力技术将是21 世纪具有经济战略意义的高新技术。1998 年 7 月中科院电工所研制和试验成功我国第一根1 米 /1200 安高
10、温超导电缆，被两院院士评为1998 年中国十大科技进展之一。2000 年 7月，中科院电工所开发的6米长高温超导电缆成功通过了1450 安培的电流试验，这标志着我国已经全面掌握了高温超导电缆的关键技术。此后不到一个月，中科院物理所研制出高温超导低相位噪声振荡器，其振荡频率和相位噪声等指标达到国际水平。目前正在研究6 米 /2 千安直流高温超导电缆、1 米 /600 安（有效值）交流高温超导电缆、5 兆焦 /400 千瓦超导磁储能系统、2 千伏 /3 千安高温超导限流器和 50千伏安高温超导变压器，同时进行高温超导限流器在电力系统中的应用试验。2000 年 11 月，北京有色金属研究总院超导材料
11、研究中心研制成功我国第一根百米长的铋系高温超导带材，表明我国超导材料研究开始从实验室迈向应用阶段。这项技术填补了国内高温超导长带制备的空白，达到国际先进水平。998 年 7 月，北京有研总院与兄弟单位共同研制成功我国第一根1 米长 1000安培铋系高温超导直流输电模型电缆。这项成果被两院院士列为当年中国十大科技进展。此次研制成功的高温超导带材长 116 米，宽3 6 毫米，厚为 028 毫米，以螺旋管方式缠绕，用四引线法全长度测量，77K 液氮温度（零下169 摄氏度）自场下临界电流达127 安培，各项技术指标均达到国内领先水平。高温超导带材达到 100米以上，就可进入生产领域。它主要用作输电
12、电缆、变压器、核磁共振成像等。超导材料指在一定温度下， 电阻等于零的材料。 现在一般输电电缆在长距离输送时电力损耗达20，而高温超导长带做成的输电电缆，输电损耗几乎为零，可极大地降低输电成本。北京大学物理系超导电子学实验室承担了“863”计划中的“超导技术”专项的子课题“高温超导射频量子干涉仪及其应用”于2000 年 12 月 14 日通过了由教育部主持的鉴定。该课题开始于90年代，是“九五”期间国家高技术研究发展计划项目，1996 年正式列入“ 863”计划课题。超导量子干涉仪又称超导磁力仪，是及其灵敏的弱磁测量仪器。在精密测量、科学研究、生物磁研究（包括心磁图、脑磁信号研究等）、大地电磁测
13、量、无损探伤、磁显微镜等方面有重要应用价值，在军事上也有应用前景。使用液态氦（ 4.2K ）的低温超导磁力仪在70 年代已有商品出售，但由于使用液氦难度较大，价格昂贵，难以大规模推广。高温超导磁力仪工作在液态氮温度（77K ），技术简单，价格便宜，为超导磁力仪的推广应用打开了新的前景。各国争相开展高温超导磁力仪及其应用的研究工作，目前已有数家公司出售相应产品。鉴定专家组认为，北京大学物理系研制的高温超导磁力仪在技术上有自己的特色，性能指标达到了国际先进水平，结构上便于用户使用，并已具有小批量生产的能力。专家组对该课题的完成给予较高的评价。超导体在电力能源、超导磁体、生物、医疗科技、通信和微电子
14、等领域有广泛的应用。在电力能源方面，包括输电电缆、线流器、电动机、发电机、变压器、超导储能系统在内的一系列超导产品将给电力的发展带来深远的影响，以至于美国能源部的专家认为“超导电力技术是21 世纪电力工业唯一的高技术备，日本专家也认为“发展超导电力技术是在21 世纪保持尖端优势的关键所在” 。输电电缆被认为是实现高温超导应用的最有希望的领域。传统电缆由于有电阻，电流密度只有300-400 安培平方厘米，而高温超导电缆的电流密度可超过10000 安培平方厘米，传输容量比传统电缆要高5 倍左右，功率损耗仅相当于后者的 40%。因而在城市中心配电、水电站等需要大电流的场合具有重要的应用价值。有专家预测，按现在的电价和用电量计算，如果我国输电线路全部采用超导电缆，则每年可节约400 亿元。美国已经开发出 30米长 3000 安培的铋系电缆，并在电力公司满负荷运行半年多。我国高温超导电缆研究水平大致相当于美国1997-1998 年的水平，这主要是因为我国高温超导材料的研制相对滞后。国外最新的超导材料已经达到长1000-2000 米、电流密度在10000-15000 安培平方厘米以上的水平，而国内材料最好的也就是100 米长，电流密度 30
