西安交大材料与人类文明选修课论文Word格式.docx

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引言：

超导技术是21世纪具有战略意义的综合性高新技术，可广泛用于能源、信息、医疗、电力工业、交通、国防、科研及国防军工等重大工程方面。

21世纪的超导技术会同20世纪的半导体技术一样具有开创新时代的意义。

首先，高温超导线材通电能力超出相同截面积的铜导线100倍以上，因而在能源领域潜力巨大，并有可能引发电力系统的革命；

其次，超导元器件的高灵敏特性（约瑟夫森效应）使得其在移动通信、航空航天、资源勘探、医疗诊断及军事国防等领域有广阔的应用前景；

与此同时，超导材料的完全抗磁性（迈斯纳效应）也使将得其在交通运输行业有着出色的表现。

美国能源部认为高温超导电力技术是21世纪电力工业唯一的高技术储备，是检验美国将科学发现转化为应用技术能力的重大实践；

日本认为超导电力技术是在21世纪全球竞争中保持尖端优势的关键所在；

我国自20世纪60年代即开始超导技术和超导材料的研究经过30多年的努力，在超导磁体及其应用、超导材料研究、超导电子学以及超导基础研究等方面都取得了很大成绩。

本文试简述超导材料的前沿科技发展及其未来的应用。

正文：

超导材料的突破性发展，将促进超导技术的突飞猛进，预示着一个崭新的电气化时代。

实际上，超导技术的应用遍及能源、运输、基础科学、资源、信息和医疗等科学技术的广泛领域。

A.大电流应用（强电应用）

一．超导发电机与电动机

使用超导材料只需消耗极少的电能，就可获得稳定的强磁场。

可用于制造交流超导发电机，利用超导线圈磁体可将发电机的磁场提高到5万~6万高斯而没有能量损失，且单机发电容量比常规发电机提高5~10倍，达1MW，而体积却减少1/2，整机质量减轻1/3，发电效率提高50％；

也可用于磁流体发电机，利用高温导电性气体做导体，并高速通过5万~6万高斯的强磁场而发电，而且这种发电机具有结构简单和高温导电性气体可重复利用的优点。

同时，未来的高温超导材料可用于直驱式风力发电机，可使发电机的质量和体积减小到常规电机的1/5~1/3；

还可通过降低转速省掉变速装置，避免大量齿轮箱变速时带来的机械损耗，并节省齿轮箱的维护费用，这些优势使得制造更大功率的风力发电机成为可能。

有一家著名的欧洲生产风力发电机的公司宣称，将来该公司生产的2MW以上的风力发电机都将是高温超导发电机。

德国西门子公司也制成了4MW的高温超导电动机，目前正在研制5MW的高温超导发电机。

二．无损耗变压器

发展超导变压器，可提高电力变压器的性能。

从经济上看，超导材料的低阻抗特性有利于减小变压器的损耗，高电流密度可提高电力系统的效率，采用超导变压器会大大节约能源，减少运作费用；

从绝缘运行寿命上看，超导变压器的绕组和固体绝缘材料都运行于深度低温下，不存在绝缘老化问题，即使在两倍于额定功率下运行也不会影响运行寿命；

从对电力系统的贡献来看，正常工作时超导变压器的內限很低，增大了电压调节的范围，有利于提高电力系统的性能；

从环保角度看，超导变压器采用液氮进行冷却，取代了常规变压器所用的强迫油循环冷却或空冷，降低了噪音，避免了变压器可能引起的火灾危险和由于泄露造成的环境污染。

超导变压器于2001年应用于部分铁路机车上，我国2005年也研制出高温超导型530kVA、10.5Kv的变压器，并已投入使用。

三．超导输电

当前，我国电网的电能损耗约占总发电量的8％，其中90％左右是由电缆损耗掉的。

可以这么说，当前中国每年在输配电网上损失的电量，相当于两到三个三峡电站的发电量。

而在美国，每年仅在输电线路上的损失就高达40亿美元之多。

美国物理学家波恩特·

特奥·

马梯阿斯指出：

“电能的输送是超导体最重要的应用之一。

”超导材料可用于制作超导电缆，超导电缆具有载流能力大、损耗低和体积小的优点，其传输容量将比常规电缆提高3~5倍，可把电力几乎无损耗地输送给用户，尽管在交流运行状态下存在交流损耗，但其输电损耗也将比常规电缆降低20％~70％。

因此高温超导电缆输电无需高压，可将输电损耗、电磁污染、占用缆沟宽度降至最低，真正代表了世界最先进的技术方向。

目前世界上建成和在建的高温超导电缆项目有20多个，而世界上已建成的20余根高温超导电缆项目中，绝大多数是铋系高温超导材料，原因是其工业级的产量能力、电流密度、价格成本、磁场性能等方面都是现阶段最符合电缆运行要求的高温超导材料。

国家电网公司正规划一条千米级的高温超导输电电缆，如能利用我国自有的相关技术和高温超导线材，不但可向世界展示我国高温超导先进的技术水平，而且将对我国高温超导产业的发展与技术升级带来巨大的积极作用。

（据我所知，在高温超导线材方面，2008年中国科学院电工所马衍伟领导的研究组研制成世界首根10米量级铁基超导长线，为我国超导线材的产业化奠定了基础。

）

四．医疗器械方面的应用

①核磁共振成像装置

它是20世纪80年代发展起来的先进的医学影像技术，目前应用于医院中的核磁共振成像装置近80％是采用超导磁体，他不仅磁场强，稳定性好，而且体积小，质量轻，几乎不消耗电能。

②高温超导心磁图仪

近年来，有科学家以YBCO陶瓷为材料，做成的高温超导心磁图仪（HT-MCG）已应用于临床，通过计算机将信号收集和处理后，绘制出病人的心磁图波形等心电图形，帮助医生更好地了解病人的情况。

该仪器成本低，效果好，对冠心病的无创伤诊断，心肌缺血诊断，心肌影像形成等效果良好，具有很好的应用前景。

B.电子学应用（弱电应用）

一.超导探测器

根据超导约瑟夫森效应制成的超导量子探测器，是极其灵敏的磁场探测仪器，可分辨相当于地球磁场十亿分之一的变化，可广泛应用于无损探伤、大地探测、生物磁学找矿的行业。

与传统的半导体探测比较，高Tc超导探测器在大于20um长波探测中将成为优良的接受器件填充了电磁波段中远红外至毫米波段的空白。

这一技术将在天文探测、光谱研究、远红外激光接收和军事光学等领域有广泛的应用。

二.无损检测

SQUID磁强计的磁场灵敏度优于100ft，完全可用于无损检测。

由于SQUID能在大的均匀场中探测到场的微小变化，增加了探测深度，提高了分辨率，能对多层合金导体材料的内部缺陷和腐蚀进行探测和确定，这是其他探测手段无法办到的。

工业上可用于探测导体材料的缺陷、内部的腐蚀等，军事上可用于水雷和水下潜艇等的探测。

三.超导计算机

利用超导材料的隧道效应可使计算机体积变小，能耗降低，计算速度极大提高。

与传统计算你相比，至少可提高数百倍的速度。

它有许多明显的优点：

a.器件的开关速度比现存半导体器件快2—3个数量级，比普通半导体Si集成电路要快1000倍左右。

b.很低的功率，只有半导体器件的千分之一左右，几乎没有散热问题。

c.输出电压在毫伏数量级，而输出电流大于控制线内的电流，具有一定的增益，型号检测更方便。

同时体积更小，成本更低。

d.因超导抗磁效应，电路布线干扰完全消失，信号准确五畸变。

C.抗磁性应用

一.超导磁悬浮列车

磁悬浮列车大致可分两种：

一种以德国为代表的，利用磁体吸引力的电磁悬浮；

一种以日本为代表的，利用磁体排斥力的电动悬浮。

相吸式是把电磁铁安装在车体上，通电后产生电磁力与导轨相吸引而使列车悬浮，再用电动机牵引列车前进。

相斥式则是在列车上安装超导磁体，轨道上安装磁浮线圈，超导磁体与地面线圈之间产生强大磁力而使列车悬浮，再用电动机牵引列车前进。

其优越性：

高速度，低振动，低噪音，少维修，安全可靠，无污染。

2009年6月15日，我国首列具有完全自主知识产权的实用型中低速磁悬浮列车在中国北车唐山轨道客车有限公司下线，完成调试。

这标志着中低速磁悬浮技术已悄然走上产业化实施道路。

二.磁悬浮轴承

高速转动的部位由于受轴承摩擦的限制转速无法进一步提高。

利用超导体的完全抗磁性可制成无摩擦悬浮轴承。

磁悬浮轴承是采用磁场力将转轴悬浮。

由于无接触，因而避免了机械磨损。

降低了能耗、减小了噪音，进而具有免维护，高转速，高精度和动力学特性好的优点。

磁悬浮轴承可使用于高速离心机，飞轮储能。

航空陀螺仪等高速旋转系统。

结语：

超导材料的研究是当今世界上一门新兴的科学技术。

自1911年荷兰科学家卡末林、昂尼斯发现“超导”现象至今，世界各国的科学家从未间断过对“超导”的研究，特别是进入20世纪80年代以来。

随着1987年中国、日本和美国科学家采用金属氧化物，将超导临界温度提高，使超导体前进了一大步，从而引起了一场前所未有的“超导大战”。

由于超导材料能影响人类生存的许多重要领域，各国的材料科学家都在竞相探索它的结构，研究它的性能，以求率先找到具有高临界温度的超导材料。

近年来，世界各国纷纷投入巨资加紧研究与开发，不断推动超导技术产生新的飞跃。

超导材料具有的优异特性使它从被发现之日起，就向人类展示了诱人的应用前景。

但要实际应用超导材料又受到一系列因素的制约，由于早期的超导体存在于液氦极低温度条件下，极大地限制了超导材料的应用。

随后高温超导材料克服了常规低温超导材料的不足之处，于是高温超导材料随即替代了低温超导材料。

至今，高温超导的研究已经有20多年的历史，在20多年的广泛研究中,人们积累了大量的实验数据和理论方法。

到目前为止，虽然已经有许多很好的理论模型，但是高温超导机理问题仍然没有完全解决，许多实验的结果还存在争议。

因此，要用高温超导材料来改进现有的科技工程又决非易事。

高温是相对于低温而言，即使是高温依然远低于冰点。

所以在实际应用中超导材料需要制冷等操作，大大提高了成本，也使得超导材料不能大量应用。

科学家和工程师们所遇到的困难就是如何使超导材料实用化，即提高临界转变温度、临界电流密度和改良其加工性能，制造出理想的超导材料。

可以这样说，高温超导材料的突破，必将深刻地促进尖端科学技术的发展，从而加速人类文明的进程。

现如今，高温超导的研究也不再局限于认识高温超导电性本身，而是要理解强关联效应背后所有的物理现象以及如何建立研究强关联体系的范式。

因而强关联体系中的超导现象也就成为高温超导的研究范围，并且吸引了人们极大的兴趣。

尽管如此，超导材料仍处于试验研究阶段。

但人们相信，随着超导材料临界温度的提高和材料加工技术的发展，它将会在许多高科技领域获得重要应用。

综合以上分析可以看出，高温超导材料作为一种新型材料，将广泛应用于国民经济、军事技术、医疗卫生和各种高新技术产业的各个领域，其前景有可能如当年的晶体管取代电子管一样。

未来十年是高温超导市场发展和材料产业化的十年。

据预测，2020年，世界超导市场将达到2440亿美元/年。

我们可以看到，超导技术广泛应用的时代即将来临，含苞待放的超导之花，必将带来一个缤纷的世界。

参考文献：

1.李全林主编.前沿领域新材料.南京：

东南大学出版社.2008.12

2.齐宝森，吕宇鹏，徐淑琼编.21世纪新型材料.北京：

化学工业出版社.2011.7

3.田永君，曹茂盛，曹传宝编著.先进材料导论.哈尔滨：

哈尔滨工业大学出版社.2014.12