導(dǎo)電材料由于電阻的存在，在輸電過程中會(huì)不斷消耗電能，尤其是遠(yuǎn)距離電能傳輸，造成極大的能源浪費(fèi)，這個(gè)問題一直困擾著各國(guó)學(xué)者。找到一種材料電阻很小甚至沒有電阻代替現(xiàn)有的導(dǎo)電材料以減少輸電損耗一直是各國(guó)科學(xué)家們夢(mèng)寐以求的愿望。通常來說，導(dǎo)體的電阻隨溫度的降低而降低，所以人們致力于尋找一個(gè)低溫環(huán)境，獲得小電阻的導(dǎo)體。1908年萊頓實(shí)驗(yàn)室成功制得液氦，獲得4.25K的低溫，這一技術(shù)促進(jìn)了超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展。在此之后的3年，荷蘭物理學(xué)家昂納斯發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度降到4.2K時(shí)，汞的電阻突然消失，這就意味著電流流經(jīng)導(dǎo)體時(shí)沒有熱損耗，這一發(fā)現(xiàn)震動(dòng)全世界，掀起了超導(dǎo)研究的一股熱潮，昂納斯也因此獲得1913年諾貝爾獎(jiǎng)，并將在一定溫度條件下電阻突然消失的現(xiàn)象稱之為“超導(dǎo)”，處于超導(dǎo)狀態(tài)的導(dǎo)體稱之為“超導(dǎo)體”，具有這一性質(zhì)的材料稱為超導(dǎo)材料。

一、超導(dǎo)材料的發(fā)展

自昂納斯發(fā)現(xiàn)汞的超導(dǎo)特性之后，越來越多的超導(dǎo)材料進(jìn)入人們視野，人們發(fā)現(xiàn)元素周期表中的很多材料都具有超導(dǎo)性，很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)科學(xué)家們把元素、合金、過渡金屬碳化物以及氮化物作為超導(dǎo)材料的研究對(duì)象，直到1985年金屬間化合物鈮錫（Nb3Sn）的出現(xiàn)，雖然其臨界轉(zhuǎn)變溫度僅23.2K，卻拓寬了超導(dǎo)材料的研究思路。用液氦做致冷劑實(shí)現(xiàn)低溫，由于氦原子間的相互作用力和原子質(zhì)量都很小，很難液化，再加上氦資源缺乏等因素導(dǎo)致液氦價(jià)格昂貴，但如果沒有液氦，低溫超導(dǎo)材料的研究就會(huì)受到嚴(yán)重的阻礙，進(jìn)而影響到研究工作的開展，最終導(dǎo)致超導(dǎo)材料在應(yīng)用上受限。因此，尋求新的超導(dǎo)材料以獲得較高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，改變只能采用液氦做制冷劑的局面是各國(guó)科學(xué)工作者們重點(diǎn)關(guān)注的方向。

這一設(shè)想在1986年得以實(shí)現(xiàn)，超導(dǎo)材料的研究取得了突破性進(jìn)展。

1986-1987年先后發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度（Tc）值為35K的鋇鑭銅氧化物、90K的釔-鋇-銅-氧（YBaCuO）超導(dǎo)材料、125K的鉈系高溫超導(dǎo)體，打破了之前只有在液氦溫區(qū)工作的禁區(qū)。氮?dú)赓Y源豐富，占大氣總量的78.12%（體積分?jǐn)?shù)），在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，將空氣冷卻至-195.8℃時(shí)成為液體，價(jià)格比液氦低得多。7年后瑞士科學(xué)家希林等發(fā)現(xiàn)汞-鋇-鈣-銅-氧（HgBaCaCuO）的Tc值約為133K，Tc取得新的進(jìn)展。

在尋求較高Tc的研究上，我國(guó)科學(xué)工作者作出了很大的貢獻(xiàn)，1987年之后有了高溫超導(dǎo)材料（臨界溫度在77K以上）的說法。高溫超導(dǎo)材料采用廉價(jià)的液氮（77K）作為制冷劑而取代之前價(jià)格昂貴的液氦，第一次實(shí)現(xiàn)了液氮溫區(qū)的高溫超導(dǎo)。至此，超導(dǎo)材料的研究獲得突破性進(jìn)展。高溫超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)可以說是科學(xué)界的一次飛躍，人們終于看到了超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用希望。之后的幾年時(shí)間，高溫超導(dǎo)材料的臨界轉(zhuǎn)變溫度提高到絕對(duì)溫度100K以上，發(fā)展迅速。

氧化物高溫超導(dǎo)材料大多以銅氧化物為組成要素，具有鈣鈦礦層狀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜物質(zhì)，常態(tài)下不是良導(dǎo)體，而且組成元素價(jià)格昂貴，超導(dǎo)材料脆性較大，線材的加工難度大。2001年1月二硼化鎂（MgB2）超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，金屬間化合物超導(dǎo)體再次吸引人們的眼球。與氧化物高溫超導(dǎo)材料相比，MgB2超導(dǎo)體價(jià)格相對(duì)便宜，加工容易，且MgB2正常態(tài)為導(dǎo)體，因此更易實(shí)用化。特別是低溫性能比傳統(tǒng)超導(dǎo)體高得多。MgB2超導(dǎo)體的出現(xiàn)，冷落了近30年的簡(jiǎn)單化合物超導(dǎo)體再次受到科學(xué)家們的青睞?？茖W(xué)家們相信，終有一天會(huì)找到更高臨界轉(zhuǎn)變溫度的簡(jiǎn)單化合物超導(dǎo)體。

2008年2月末，日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了鐵基超導(dǎo)材料，臨界溫度約為17K。之后各國(guó)學(xué)者對(duì)鐵基超導(dǎo)材料的研究從未間斷過。我國(guó)聞?；⑿〗M發(fā)現(xiàn)的鍶-釩-氧-鐵-砷（Sr2VO3FeAs）超導(dǎo)材料其超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度約為37K。2012年，來自日本的T.Takayama研究小組發(fā)現(xiàn)了一系列新型的鉑基超導(dǎo)材料，激發(fā)了一股新型超導(dǎo)材料的研究熱潮。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度越來越高，材料制備技術(shù)日漸成熟，大幅度降低成本的同時(shí)，優(yōu)化性能，超導(dǎo)材料的實(shí)用化指日可待。

二、超導(dǎo)材料的特性及應(yīng)用

1.零電阻特性

超導(dǎo)材料的一個(gè)重要特性是零電阻，傳輸電流密度大、損耗小，在電力傳輸中可用作電線電纜。高溫超導(dǎo)電線電纜的應(yīng)用必將給國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)帶來巨大效益。

（1）超導(dǎo)電纜

超導(dǎo)電纜的優(yōu)勢(shì)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(guī)電線電纜的損耗要達(dá)到10%，能源節(jié)省一目了然。而且高溫超導(dǎo)電纜的容量比常規(guī)電纜提高3～5倍、損耗下降60%，節(jié)約占地面積和空間，更為可觀的是，總費(fèi)用降低20%，經(jīng)濟(jì)效益明顯。超導(dǎo)電力技術(shù)是21世紀(jì)電力工業(yè)唯一的高技術(shù)，可有效解決能源短缺的問題。

（2）超導(dǎo)計(jì)算機(jī)

電流流經(jīng)導(dǎo)體時(shí)由于電阻的存在而導(dǎo)致電線發(fā)熱，電能發(fā)生損耗，高速運(yùn)轉(zhuǎn)的計(jì)算機(jī)上使用的集成電路芯片因?yàn)樵瓦B接線密集排列，工作時(shí)產(chǎn)生大量的熱，熱量難以散發(fā)，導(dǎo)致溫度升高，影響計(jì)算機(jī)工作。將集成電路芯片元件間的連接線改用超導(dǎo)器件來制作，發(fā)熱現(xiàn)象得以緩解，散熱問題也就迎刃而解，同時(shí)大大提高了計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。

（3）超導(dǎo)電機(jī)（包括發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)）

通常見到的各類電動(dòng)機(jī)，內(nèi)部都有鐵芯和繞組線圈，通電會(huì)產(chǎn)生損耗，損耗的大小與電阻和電流的平方成正比，所以傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)都存在發(fā)熱現(xiàn)象。發(fā)熱不僅會(huì)造成能源的損耗，同時(shí)還可能引起電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，甚至?xí)鹗Р?，而且?duì)絕緣材料的使用溫度提高了要求，否則會(huì)引起絕緣材料的快速老化。

超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)由于采用了超導(dǎo)繞組，與常規(guī)電機(jī)相比，所承載的電流更大，可以產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場(chǎng)，其體積和質(zhì)量可以減小到常規(guī)電機(jī)的1/5左右，但功率卻成倍增長(zhǎng)，效率很高。

（4）超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置

超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置是根據(jù)超導(dǎo)線圈存儲(chǔ)電磁能制造，并根據(jù)需要釋放電磁能的一種電力設(shè)施。其優(yōu)點(diǎn)在于其儲(chǔ)能線圈由超導(dǎo)材料繞制，儲(chǔ)存電磁能時(shí)電阻為零，線圈中所儲(chǔ)存的能量幾乎沒有損耗并可以永久儲(chǔ)存下去直到需要釋放為止。一般在以下幾個(gè)方面得到應(yīng)用：①調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)的峰谷；②解決電網(wǎng)用電設(shè)備由于瞬間斷電產(chǎn)生的影響；③改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性；④大型超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)將可作為陸基自由電子激光器或天基定向能武器的功率源。

（5）超導(dǎo)濾波器

濾波器是無線電接收裝置的關(guān)鍵器件，起著提取、分離或抑制電信號(hào)的作用。伴隨使用頻段的擴(kuò)展，設(shè)備間的干擾日趨嚴(yán)重，因此如何減少信號(hào)干擾，保證接收信號(hào)質(zhì)量是無線電接收裝置的核心所在。常規(guī)濾波器由于采用金屬電阻，總避免不了噪音的存在，產(chǎn)生一定的衰耗，達(dá)不到理想的濾波性能。隨著高溫超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，用高溫超導(dǎo)體做濾波器，由于超導(dǎo)態(tài)時(shí)電阻為零，極大限度地減小熱噪音，大大提高信噪比，可用于電視機(jī)、收音機(jī)、手機(jī)等設(shè)備，所接收的信號(hào)更清晰，音質(zhì)更好。2010年，我國(guó)成功研制出超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度為77K的高溫超導(dǎo)濾波器，打破一直依靠進(jìn)口的局勢(shì)。目前已開始用于CDMA無線基站中，提高網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的質(zhì)量及數(shù)據(jù)傳輸速率。

2.完全抗磁性

超導(dǎo)材料除具有零電阻的特性外，還具有完全抗磁性，即當(dāng)導(dǎo)體處在超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，原來存在于體內(nèi)的磁場(chǎng)也被排擠出去。超導(dǎo)體的這一特性是荷蘭物理學(xué)家于1933年發(fā)現(xiàn)，后將這一現(xiàn)象定義為“邁斯納效應(yīng)”。最典型的一個(gè)應(yīng)用就是超導(dǎo)磁懸浮列車。

（1）超導(dǎo)磁懸浮列車

利用超導(dǎo)元件在超導(dǎo)態(tài)時(shí)所具有的零電阻性和完全抗磁性，制成體積小功率強(qiáng)大的超導(dǎo)電磁鐵。在懸浮列車上裝有超導(dǎo)磁體，地面導(dǎo)軌2側(cè)所安裝的線圈繞組所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)就會(huì)與列車上的超導(dǎo)電磁鐵產(chǎn)生巨大的斥力從而使車體懸浮，再通過周期性地變換磁極方向而獲得推進(jìn)動(dòng)力。早在20世紀(jì)70年代日本就成功研制了超導(dǎo)磁浮列車，時(shí)速達(dá)500km，從此各國(guó)開始研究超導(dǎo)磁懸浮列車。1987年3月，日本進(jìn)行了超導(dǎo)磁懸浮列車的載人實(shí)驗(yàn)并成功證明其可行性。與此同時(shí)我國(guó)也開始著手磁懸浮列車的研制，并與1989年春成功研制第一臺(tái)小型磁懸浮列車，6年之后，成功研制首臺(tái)載人磁懸浮列車。2015年4月，JR東海公司在山梨磁懸浮試驗(yàn)線進(jìn)行了超導(dǎo)磁懸浮列車的高速運(yùn)行試驗(yàn)，達(dá)到了載人行駛590km/h的世界最高速度，刷新了世界紀(jì)錄。

（2）受控?zé)岷朔磻?yīng)

所謂受控?zé)岷朔磻?yīng)是指以海水中的氘為燃料利用人為的方法控制聚變反應(yīng)，釋放大量核能，并將這些能量合理利用起來，成為人類取之不盡用之不竭的能源，從而有效解決能源短缺的問題。核聚變反應(yīng)時(shí)，內(nèi)部溫度高達(dá)1億多攝氏度，用什么裝置約束這些高溫等離子體就成了一個(gè)關(guān)鍵問題，有科學(xué)家提出利用超導(dǎo)體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)作為“磁封閉體”，將熱核反應(yīng)堆中的超高溫等離子體包圍、約束起來，再慢慢釋放，受控核聚變能源成為21世紀(jì)前景廣闊的新能源。

（3）電磁推進(jìn)裝置

將超導(dǎo)電磁裝置應(yīng)用于艦艇上也即超導(dǎo)電磁船，用超導(dǎo)材料做成線圈，并通入強(qiáng)電流，在船只周圍產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)來推動(dòng)船只的行進(jìn)?？梢宰龅剿查g啟動(dòng)、瞬間停止、瞬間改變方向，并消除傳動(dòng)噪聲，隱蔽性強(qiáng)，可用于海上偵查。

（4）核磁共振成像

隨著肥胖病人群的增加以及各種疑難雜癥的出現(xiàn)，采用先進(jìn)的醫(yī)療設(shè)備獲得更精準(zhǔn)的診斷，是醫(yī)療領(lǐng)域的熱切希望，超導(dǎo)材料的出現(xiàn)及應(yīng)用給醫(yī)療領(lǐng)域注入了新的血液，如用超導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)來研究生物體內(nèi)的結(jié)構(gòu)及對(duì)各種復(fù)雜疾病進(jìn)行治療，超導(dǎo)核磁共振層析成像儀在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用越來越普及。核磁共振可以對(duì)腦、肝、腎、胰等人體多個(gè)器官進(jìn)行診斷。與其他輔助檢查手段相比，優(yōu)點(diǎn)明顯：成像參數(shù)多、掃描速度快、組織分辨率高和圖像清晰，對(duì)一些早期不易察覺的病變幫助明顯，目前已成為腫瘤、心臟病及腦血管疾病早期篩查的有效手段，可以更好地滿足臨床應(yīng)用和科研工作。

另外，核磁共振是磁場(chǎng)成像，沒有放射性，對(duì)人體無傷害，非常安全。目前由核磁共振檢查所導(dǎo)致的各種危害報(bào)道尚未發(fā)現(xiàn)。越來越多的醫(yī)院購(gòu)置核磁共振成像儀用于檢查與治療，超導(dǎo)材料在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用日益增多。

三、約瑟夫森效應(yīng)

1960年挪威科學(xué)家賈埃沃在多次實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了隧道效應(yīng)的存在，1962年還是研究生的約瑟夫森預(yù)測(cè)電子對(duì)通過2塊超導(dǎo)金屬間的薄絕緣層時(shí)，只要絕緣層足夠薄，電子對(duì)就會(huì)穿過絕緣層勢(shì)壘，形成超導(dǎo)隧道電流，人們把這個(gè)現(xiàn)象稱為“約瑟夫森效應(yīng)”。1973年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)由約瑟夫森、賈埃沃及江崎共同獲得。

超導(dǎo)電子對(duì)隧道效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，為超導(dǎo)體中電子對(duì)運(yùn)動(dòng)提供了證據(jù)，人們更加深入地認(rèn)識(shí)了超導(dǎo)現(xiàn)象的本質(zhì)。即使在零電壓下也有超導(dǎo)電流的產(chǎn)生，而且這一電流對(duì)磁場(chǎng)非常敏感，利用這一特性探測(cè)微弱電磁信號(hào)。如超導(dǎo)量子干涉器進(jìn)行磁場(chǎng)探測(cè)，可以分辨微弱的地磁場(chǎng)變化，靈敏度高、噪聲低、功耗小、響應(yīng)速度快。還可制造成探礦儀器，探測(cè)礦藏分布情況。隨著高溫超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，已成功制得高溫超導(dǎo)干涉器，使其應(yīng)用范圍更加廣泛。

四、對(duì)超導(dǎo)技術(shù)發(fā)展的建議

高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用十分廣泛，除上述應(yīng)用外還可用于制造交流超導(dǎo)發(fā)電機(jī)、超導(dǎo)開關(guān)、磁流體發(fā)電機(jī)、微波器件、紅外單元探測(cè)器和列陣探測(cè)器等，涉及到國(guó)民經(jīng)濟(jì)、軍事技術(shù)、醫(yī)療衛(wèi)生等各個(gè)領(lǐng)域。近年來世界各國(guó)紛紛投入巨資加緊研究與開發(fā)，不斷推動(dòng)超導(dǎo)技術(shù)產(chǎn)生新的飛躍。

1.提高Tc

材料不同其臨界轉(zhuǎn)變溫度也不同，某些物質(zhì)臨界溫度非常低，例如汞為4.15K，不具有太大的應(yīng)用價(jià)值。而有的超導(dǎo)材料的臨界溫度比較高，達(dá)到幾十K甚至上百K，隨著臨界溫度的提高，其應(yīng)用價(jià)值也大大提高。如果能制造出臨界轉(zhuǎn)變溫度達(dá)干冰溫度（240K）和室溫（300K），有可能制備出室溫超導(dǎo)體。所以如何提高超導(dǎo)材料的臨界溫度，發(fā)展出具有常溫下工作能力的高溫超導(dǎo)材料是人們重點(diǎn)關(guān)注的地方。

2.超導(dǎo)轉(zhuǎn)變機(jī)理

到目前為止，雖然發(fā)現(xiàn)了不同種類的超導(dǎo)材料，超導(dǎo)材料的臨界轉(zhuǎn)變溫度也提高了很多，但人們依然沒有找到超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的機(jī)理，希望通過不斷的摸索與探索能夠發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變機(jī)制，為超導(dǎo)材料的研發(fā)提供理論依據(jù)。

3.超導(dǎo)應(yīng)用的實(shí)用化

從以上分析中不難看出，超導(dǎo)材料的應(yīng)用大多集中在電力、交通、醫(yī)療、能源甚至軍事上，且價(jià)格不菲，超導(dǎo)材料的實(shí)用化還有待進(jìn)一步開發(fā)。超導(dǎo)材料是一個(gè)高技術(shù)、高風(fēng)險(xiǎn)、高投入、前景好但回收周期長(zhǎng)的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。需要國(guó)家政府、企業(yè)及科研單位的多方聯(lián)手，共同努力，超導(dǎo)技術(shù)材料方能得以發(fā)展。期待超導(dǎo)應(yīng)用早日實(shí)現(xiàn)實(shí)用化，制造越來越多的電氣設(shè)備為老百姓所用。

五、結(jié)語

超導(dǎo)材料的應(yīng)用不僅能提高工作效率，在現(xiàn)在這個(gè)能源越來越緊缺的時(shí)代，超導(dǎo)材料也必然能使資源得到大大節(jié)約，減少大量的污染。超導(dǎo)材料不僅是過去、現(xiàn)在的研究熱點(diǎn)，也是將來的研究熱點(diǎn)。隨著超導(dǎo)體研究日新月異的變化，超導(dǎo)材料必將深刻影響科學(xué)發(fā)展和人們的生活。

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