高温超导材料应用的新进展
责任编辑:chineselng    浏览:2622次    时间: 2008-04-06 13:06:11      

摘要:1历史的回顾早在19世纪,科学家在研究金属的电阻与温度的关系时,发现金属的电阻在低温下随温度的降低而减少。1911年,荷兰物理学家昂内斯发现水银的电阻在4.2K(-169℃)时完全消失。这个现象叫做超导现象,金属材料的电阻为零时的温度叫做超导临界转变温度。超导现象..

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1 历史的回顾
    早在19世纪,科学家在研究金属的电阻与温度的关系时,发现金属的电阻
在低温下随温度的降低而减少。1911年,荷兰物理学家昂内斯发现水银的电阻在 4.2 K(-169 ℃)时完全消失。这个现象叫做超导现象,金属材料的电阻为零时的温度叫做超导临界转变温度。超导现象的发现曾经荣获诺贝尔物理学奖金。由于超导临界转变是如此之低,没有极为良好的真空绝热技术是难以实现的。再加上超导材料的真空熔炼以及超导元件的制造都离不开真空技术,所以说真空技术一直伴随着超导技术的发展。
以后的几十年,科学家以陆续发现了在低温下具有超导特性的金属或合金材料。它们是:Pb(7.18 K)、Sn(3.72 K)、Nb(8 K)、NbZr合金(Nb75% , 10.5 K)NbTi 合金 (Nb35% , 8.9 K)、NbTaTi合金 (Nb25% , Ta5% , 10 K)、V3Ga(15.3 K)、NbN(16.7 K) 、V3Si (17 K) 、Nb3Sn(18.2 K)   等。这些超导材料的超导临界转变温度都在20 K以下,只有利用液氦才能获得。液氦的昂贵以及液氦温区的维持的因难大大限制超导材料的应用。
2 高温超导材料的发现
    1986年,在瑞士工作的美国物理学家缪勒和贝德诺茨发现一类含有钡钆铜
的氧化物的超导临界转变温度高达40 K。1987年美国华裔科学家吴茂昆、朱经武等人在适当改变钡钆铜氧化物中的含量后发现它们在90 K时呈现超导特性。几天之后,中国科学院赵忠贤、陈立泉等人及日本科学家又相继宣布发现100 K的高温超导体。这个重要的发现后来也荣获了诺贝尔物理学奖金。这个发现的意义在于在液氮温区(78 K左右)出现超导特性成为可能,为超导现象的应用创造了良好的条件。液氮价格很低又容易获得,为降低超导应用的成本奠定了基础。新发现的高温超导材料实际上是一种具有陶瓷特性的材料,要想获得实际应用尚待时日。80年代末期,在全球掀起的超导热为日后应用的发展创造了良好的条件。
3 超导的应用
在高温超导材料尚未发现以前,超导的应用在超导发电、超导电缆等方面已
获得成功。主要应用了超导体的电阻为零和通电不发热的宝贵性质。
3.1 超导电机
   上百千瓦超导电机在国外已经研制成功并投入使用。这是一种高效率的发电机,60年代以后才实用化。利用超导体制成的电机称为超导电机。超导电机也和常规电机一样分为直流和交流两种。直流超导电机的电磁绕阻是用超导材料绕制的螺管线圈制成的。把这种线圈置于低温容器中使之处于超导状态。其转子是处于常导态的金属圆盘。电流通过螺管线圈时,产生强磁场,转子在磁场中旋转时会产生电动势, 若用引线装置把电能引出即成超导直流电机。超导交流电机的发电原理与常规电机相似。只不过转子不是磁铁而是一个转动的内盛液氦的低温容器(具有真空夹层)。转子电磁线圈放在低温容器内,该线圈由超导材料制成。超导电机的功率消耗很小,发电效率可以高达98%。
3.2 超导电缆
    现有的输电方式有两种。一种是架空线输电,另一种是电缆输电。在输电
过程中电能的消耗较大。新型的输电方式是超导电缆。70年代,随着真空获得技术、低温技术以及超导材料的发展,超导电缆的研究在发达国家开始起步,90年代获得实用。超导电缆由超导材料制成,没有电阻损耗,输电效率高。
4 高温超导材料的应用正在起步
    液氦温区的超导发电和超导电缆虽已初步研制成功,但价格毕竟过于昂贵。
所以,人们才寄希望于高温超导材料。从原理上来说,超导材料除了在发电、输电、贮能等领域有所应用而外它在超导磁体、生物、医疗、科技、通讯、微电子领域都有极大的应用前景。以至于美国能源部的专家认为“超导电力是21世纪电力工业唯一的高技术储备”。日本科学家也认为“发展超导电力技术是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材料应用的最有希望的领域。高温超导电缆的电流密度可达10000 A/cm2,而传统电缆的电流密度只有 300-400A/cm2。超导电缆的传输容量比传统电缆要高5倍左右,功耗也大为降低。因此,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。据国内专家估计,按我国现有的电价和用电量估算,如果全部输电线路改用高温超电电缆,每可以节约400亿元。
   美国已经研发出30 m长,3000 A的铋系高温超导电缆,现已满员荷运行半年多。100 m长,电流密度为3000 A/cm2 的高温超导电缆已在美国研发成功。据《日刊工业新闻》2000年11月初的报导,日本中部电力公司和富士为拉公司也研发成功铋系高温超导电缆。这种电缆由三层铋系超导薄膜状线材拧扭而成,内层与外层相互交错形成带状,用它包住芯材,成为超导电缆。每米长的交流损耗只有0.1 W。欧美各国的同类电缆的损耗为 0.2 W左右。国外还正在研发钆系高温超导电缆。
2000年7月,中国科学院电工研究所已宣布研制成功 6 m的高温超导电缆,成功通过了1450 A的电流试验。这标志着我国已成功掌握高温超导电缆的关键技术。在这个领域中,我国与世界先进水平相距不远,已达到国外1997—1998年的水平。
    未来的10年,是高温超导材料实用化的10年。科学家预测,到2010年世界高温超导材料产品的销售额将达到300亿美元。
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