淺談超導(dǎo)材料及其應(yīng)用

（山東省菏澤市第一實(shí)驗(yàn)中學(xué)，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(chǎn)和生活的進(jìn)化史。在人類歷史的每個(gè)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(jiǎn)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(xiàn)，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(xué)領(lǐng)域，超導(dǎo)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(dǎo)材料將排斥磁力線，并且呈現(xiàn)出電阻為零的現(xiàn)象，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了近萬種超導(dǎo)材料，但是，目前超導(dǎo)現(xiàn)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(dǎo)材料，成了科學(xué)研究界的重點(diǎn)。

超導(dǎo)材料有許多獨(dú)特的性質(zhì)，其最重要的三大特性在于零電阻性、完全抗磁性和超導(dǎo)隧道效應(yīng)。因此，超導(dǎo)材料有著非常廣泛的應(yīng)用，應(yīng)用超導(dǎo)材料產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場(chǎng)，可以節(jié)約電能，減少損耗；利用超導(dǎo)材料探測(cè)人體那微弱的磁場(chǎng)，可以為多種疾病的診斷提供幫助，以超導(dǎo)隧道器件構(gòu)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(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定用途，在超導(dǎo)材料的發(fā)展過程中，科學(xué)家應(yīng)該與工程人員充分溝通，及時(shí)了解在生產(chǎn)過程中的需求，從而能夠讓科學(xué)研究的方向更加明確，讓科研成果能夠更快應(yīng)用在生產(chǎn)生活中。

1.超導(dǎo)材料的應(yīng)用

由于其卓越的性能，超導(dǎo)材料的應(yīng)用將極大地降低生產(chǎn)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(cè)到微弱的電磁信號(hào)。因此，超導(dǎo)材料在電力工程、核電工程、電子信息、采礦甚至生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都有著非常廣泛的應(yīng)用[1]。

1.1 超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)磁體

有超導(dǎo)電性的材料，叫做超導(dǎo)體。在低于某溫度時(shí)，超導(dǎo)體的直流電阻率會(huì)突然消失或者驟降幾個(gè)數(shù)量級(jí)。由于導(dǎo)體的電阻等于零或者趨近于零，電流在通過導(dǎo)體的時(shí)候毫無阻力，我們可以很容易地獲得超大的電流，從而產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場(chǎng)。在生產(chǎn)過程中，經(jīng)常會(huì)用到強(qiáng)磁場(chǎng)，以及超強(qiáng)磁場(chǎng)。人們通過產(chǎn)生超強(qiáng)磁場(chǎng)來加速粒子，或者產(chǎn)生超強(qiáng)的電流。因此，強(qiáng)磁場(chǎng)磁體的應(yīng)用非常廣泛。首先，超導(dǎo)磁體的電阻幾乎為零，其產(chǎn)生的焦耳熱損耗較低。利用超導(dǎo)磁體生成強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，所耗的電能只是常規(guī)導(dǎo)體所耗電能的萬分之一，而且不需要冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，不僅節(jié)約了電能，也簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。其次，產(chǎn)生同樣強(qiáng)度的強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，超導(dǎo)磁體的重量?jī)H為常規(guī)磁體的1/3。因此，以超導(dǎo)磁體為主要零部件的設(shè)備，更適應(yīng)遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，組裝難度也較低，為工程工作提供了諸多方便。最后，超導(dǎo)磁體不僅更為輕便，其穩(wěn)定性也遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)導(dǎo)體。超導(dǎo)磁體工作過程中產(chǎn)熱較少，因而故障發(fā)生率相對(duì)較低，維護(hù)成本也相對(duì)較低。超導(dǎo)磁體的諸多優(yōu)越性能，使其在工程建設(shè)以及工業(yè)生產(chǎn)中有著非常廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)將超導(dǎo)磁體的用途舉例如下[2]。

1.1.1 超導(dǎo)磁體在高能物理與核物理中的應(yīng)用

近年來，高能物理領(lǐng)域的發(fā)展十分迅速。為了對(duì)粒子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行更深層次的探索，需要用高能粒子加速器對(duì)粒子進(jìn)行加速。目前，通過磁場(chǎng)使粒子做加速圓周運(yùn)動(dòng)，是多數(shù)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(chǎng)強(qiáng)度。由于加大軌道半徑對(duì)空間以及設(shè)備的要求較高，改建的難度實(shí)際上是非常高的。使用超導(dǎo)磁體，通過加大電流來提高磁場(chǎng)強(qiáng)度，無疑是更經(jīng)濟(jì)、更便捷的選擇。不過，在使用超導(dǎo)磁體的過程中，應(yīng)當(dāng)注意避免系統(tǒng)出現(xiàn)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(zāi)。

在核聚變反應(yīng)的核心，內(nèi)部溫度高達(dá)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(chǎng)將等離子體包圍起來。超導(dǎo)磁體可以產(chǎn)生超強(qiáng)的磁場(chǎng)，而且可以通過控制電流，精確地調(diào)節(jié)其磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)分布。超導(dǎo)磁體，尤其是高溫超導(dǎo)磁體的應(yīng)用，將促進(jìn)核能在各個(gè)領(lǐng)域的利用。不過，與在高能物理中的應(yīng)用相似，在使用超導(dǎo)磁體對(duì)核聚變進(jìn)行控制的過程中，應(yīng)該注意嚴(yán)密監(jiān)測(cè)超導(dǎo)體的性能，防止磁場(chǎng)下降，粒子逸出，造成核泄漏或其他后果。

1.1.2 超導(dǎo)磁分離技術(shù)

自20世紀(jì)70年代以來，磁選技術(shù)已經(jīng)得到越來越廣泛的應(yīng)用。液體凈化是磁選技術(shù)的主要應(yīng)用之一，實(shí)驗(yàn)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(shù)。20世紀(jì)80年代以來，應(yīng)用了大容量導(dǎo)電磁體的高梯度磁選系統(tǒng)，逐漸被應(yīng)用于高嶺土凈化。20世紀(jì)90年代，隨著高溫超導(dǎo)磁體的發(fā)展，日本開始了新的國(guó)家研究項(xiàng)目，以擴(kuò)大超導(dǎo)磁選在其他領(lǐng)域的應(yīng)用。事實(shí)上，除工業(yè)應(yīng)用外，磁選技術(shù)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(xué)物質(zhì)、放射性物質(zhì)等人為污染物。磁選工藝的全面應(yīng)用，不僅將助力工業(yè)，也有助于保護(hù)全球環(huán)境，為人類營(yíng)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?cè)诮?jīng)過梯度磁場(chǎng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡不同，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整磁場(chǎng)梯度，可以讓這些顆粒落到不同的位置，實(shí)現(xiàn)磁分離，在工業(yè)中，可以利用磁分離技術(shù)對(duì)礦物進(jìn)行分選，或除去礦物中或者水中的雜質(zhì)。應(yīng)用超導(dǎo)磁體對(duì)需要分離的物質(zhì)進(jìn)行磁分選，不僅能夠提高分選效率，降低分選后的雜質(zhì)率，而且能產(chǎn)生高梯度磁場(chǎng)，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(dǎo)磁體都有著廣泛的應(yīng)用?？梢哉f，超導(dǎo)磁體的應(yīng)用，在現(xiàn)代冶金工業(yè)及金屬回收、廢水處理等領(lǐng)域掀起了一場(chǎng)巨大的變革。

1.2 超導(dǎo)磁懸浮列車

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)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(yùn)行速度，同時(shí)保證其運(yùn)行的安全性，是設(shè)計(jì)人員和工程師共同面對(duì)的問題。如果將超導(dǎo)磁體安裝在列車的底部，并在軌道旁安裝鋁環(huán)，當(dāng)列車沿著軌道開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，鋁環(huán)中的感應(yīng)電流與超導(dǎo)磁體所產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)的相互作用，將給列車一個(gè)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(cè)試的過程中時(shí)速可以達(dá)到將近600km，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前高速鐵路所能夠達(dá)到的最高運(yùn)行速度。此外，由于超導(dǎo)磁懸浮列車的運(yùn)行過程中，列車與軌道之間幾乎沒有摩擦，其運(yùn)行過程中的噪聲和震動(dòng)也會(huì)大大降低，使旅客在乘坐時(shí)更加舒適。與傳統(tǒng)的列車相比，超導(dǎo)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(jī)械磨損，延長(zhǎng)他們的使用壽命[3]。

1.3 超導(dǎo)能量存儲(chǔ)設(shè)備

超導(dǎo)磁儲(chǔ)能（SMES）技術(shù)是近年來應(yīng)用超導(dǎo)最活躍的研究領(lǐng)域之一，特別是在發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)（HTS）材料之后。超導(dǎo)磁儲(chǔ)能（SMES）技術(shù)可以以直流電的形式，對(duì)能量進(jìn)行儲(chǔ)存。與其他儲(chǔ)能設(shè)備和方法相比，SMES具有更好的性能。首先，由超導(dǎo)磁體所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)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(chǔ)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(nèi)完成進(jìn)行能量交換，并且在交換的過程中幾乎不損失能量。最后，對(duì)SMES的控制也較為容易。借助成熟的電子技術(shù)，SMES可以通過有功和無功功率補(bǔ)償來增強(qiáng)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并改善電能質(zhì)量。

我們應(yīng)當(dāng)致力于對(duì)超導(dǎo)能量存儲(chǔ)技術(shù)進(jìn)行更加深入的研究，對(duì)超導(dǎo)能量存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行不斷改進(jìn)，并探索更科學(xué)、更高效、更安全的控制策略，使其更好地適應(yīng)電力工程以及其他領(lǐng)域的儲(chǔ)能需要。

1.4 超導(dǎo)電子電路

在弱電和弱磁領(lǐng)域，超導(dǎo)材料同樣有著非常廣泛的應(yīng)用。超導(dǎo)電子學(xué)是研究超導(dǎo)材料在電子領(lǐng)域中應(yīng)用的一門學(xué)科，近年來發(fā)展十分迅猛。應(yīng)用新型電感器的電路板將容受更復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)，更高的電子元件密度，而且散熱更少，為自動(dòng)控制相關(guān)設(shè)備和電子信息相關(guān)設(shè)備的改進(jìn)提供了更多可能。此外，用超導(dǎo)材料制成的電子元器件，還可以廣泛應(yīng)用于航空航天、地震預(yù)報(bào)，以及能源領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域中。

1.5 超導(dǎo)技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用

在航空航天領(lǐng)域，超導(dǎo)技術(shù)可以應(yīng)用于大規(guī)模電磁發(fā)射（EML）系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)部分中。使用超導(dǎo)體可以降低系統(tǒng)的能量損耗，并減小能量存儲(chǔ)裝置的尺寸和數(shù)量。高溫超導(dǎo)材料應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)能量分配和轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)。所有這些技術(shù)都有助于改進(jìn)現(xiàn)有發(fā)射系統(tǒng)，降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，并降低有效載荷的發(fā)射成本[4]。

在軍事領(lǐng)域，超導(dǎo)技術(shù)也大展身手。相比傳統(tǒng)掃雷設(shè)備，超導(dǎo)掃雷工具更為輕便，便于攜帶，而且其工作磁場(chǎng)較強(qiáng)，靈敏度較高，所以更為可靠。此外，超導(dǎo)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(zhǎng)期野外作業(yè)。在將來，超導(dǎo)技術(shù)在軍事和國(guó)防領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用[5]。

2.結(jié)語

自20世紀(jì)90年代以來，超導(dǎo)材料及超導(dǎo)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展十分迅速。超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，超導(dǎo)磁體設(shè)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(yīng)用前景。目前，部分超導(dǎo)產(chǎn)品已經(jīng)商用，但還有許多產(chǎn)品還在研發(fā)過程中。我國(guó)的超導(dǎo)技術(shù)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(dǎo)體，并不斷改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)，培養(yǎng)高水平的超導(dǎo)技術(shù)人才，加快超導(dǎo)設(shè)備的研發(fā)和應(yīng)用進(jìn)程[6]。