高温超导材料是指在液氮温度(77 K)以上超导的材料。这是一种不同于常规超导材料,必须要施加超低临界温度、超高压等极端苛刻的条件,能够在相对较高温度下实现超导。
超导是一种非常有趣并且意义深远的低温固体物理现象。1911年荷兰莱顿大学的Heike Kamerlingh Onnes发现了绝对零度的4.2 K(即约-268.95 ℃)下许多金属和合金都呈现电阻消失现象,他将具有超导性质的材料称为超导体,并因这一发现获得了诺贝尔奖。1933年德国物理学家Walther Meissner和obert Ochsenfeld共同发现了超导体的另一个极为重要的性质—完全抗磁性,即当金属处于超导状态时,体内的磁感应强度为零,这种现象被称为“迈斯纳效应”,可用来判别物质是否具有超导性。超导体的零电阻和抗磁性使电流流经超导体时就不发生热损耗,产生超强磁场。后来人们还做过一个有趣的实验,利用超导磁铁的强大磁场稳稳地托起一只活着的青蛙!
高温超导材料
近几十年来,为了超导材料的实际应用,科学家们一直探索高温超导材料。1987年,钇钡铜氧系材料首次把超导温度提高到90 K以上,成功地突破了液氮的“温度壁垒”。1993年,铊钡钙铜氧系和铊汞铜钡钙氧系材料又把超导温度提高到了138 K。2014年,发现在超高压条件(1亿个大气压以上)的硫化氢固体可以在203.5 K(-70 ℃)的温度下达到零电阻。有趣的是,最近麻省理工学院的物理学家发现即使不引入杂原子碳材料也能形成超导态。
高温超导材料的突破,使得超导技术有潜力走向大规模应用。其中最广为人知的用途是用在电力网上,超导材料的零电阻特性可以用来帮助大功率的超高压输电,还可以节省10%-20%因输送而造成的电力损耗。1996年,欧洲皮雷利电缆公司、美国超导体公司和旧金山电力研究所已制成了第一条超导输电电缆。随着新的高温超导材料的不断发展,未来超导输电将逐渐成为现实。
高温超导材料另一个令人期待的用途是磁悬浮交通工具,在悬浮无摩擦状态下能大幅度提高了速度和静音性能,并有效减少机械磨损和能量损耗。超导列车已于70年代成功地进行了载人可行性试验,1987年在日本开始试运行,而超导船也已于1992年下水试航。不过由于高速行驶的不稳定性能,实际应用还待进一步突破。
在精密机械和电力等行业,超导材料也有重要的应用前景。利用超导悬浮可制造无磨损的电机、机械轴承和高速陀螺仪,将轴承转速提高到每分钟10万转以上。超导材料可用来制造大型极强磁体,也可用于高能粒子加速器、受控热核反应堆等高科技研发。超导材料还能像半导体那样做成二极管、三极管和超导量子干涉仪,制作一系列精密测量仪表及辐射探测器、弱磁场探测器、逻辑元件超导计算机等。利用超导材料制造的超导计算机,运算速度比高性能硅基集成电路快10-20倍,而功耗只有四分之一。
超导技术被认为将是决定一个国家智能电网竞争力的关键“卡脖子”技术。2001年,340米长铋系高温超导电缆在清华大学应用超导研究中心研制成功,并建成第一条铋系高温线材生产线。同年北京有色金属研究总院成功地制备了大面积高质量的双面钇钡铜氧超导薄膜。目前,我国第一代高温超导材料的规模化生产工艺已经研究成熟,第二代高温超导材料由于其成本低更适用于产业化运作,研发也已取得了显著的进步,已经在电力、通信、军事及医疗等领域投入了使用。在我国的高精尖技术行业,超导产品的种类逐渐增加,现已进行产业化运作的包括:超导电缆、超导限流器、超导滤波器、超导储能等,在部分领域的研发已经处于国际先进水平。