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超导材料引领材料新时代

时间:2019-05-13 来源:数码观察酱

1 超导材料的发展

超导现象的发现源于二十世纪初,至今已逾一百多年。1908 年荷兰莱顿大学实验物理学家卡麦林·昂尼斯实现了对氦气的液化,在研究低温下的金属电阻时发现一个意外现象,汞在液氦温区(4.2K)时会电阻骤降,电阻小到无法测量。这种现象被称为超导,昂尼斯也因此获得 1913 年的诺贝尔物理学奖。

后续研究发现,超导材料达到超导态时会具有两个特性:

首先就是零电阻效应,即到达某一温度后,材料的电阻突然减小接近零;其次是完全抗磁性 (迈纳斯效应),超导体内部的磁感应强度始终为零。汞的超导特性被发现后,越来越多的超导材料被发现,种类包含了元素、合金、过渡金属碳化物以及氮化物等。但是,这些超导材料实现超导态时的温度(即临界转变温度)很低,使得其在应用上受到很大的局限。

超导材料引领材料新时代

2 超导材料的应用

超导材料是一项具有远大战略意义的高新技术,可以广泛用于信息、检测、交通运输、电力技术等领域,有着重要的研究和开发价值。

2.1 信息领域

目前,计算机多采用集成电路芯片,密集排列的元件和连接线在工作时会产生大量的热,导致温度升高,影响计算机运算速度。如果能够使用超导材料制作集成电路中的元器件、连接线,就能够解决计算机的散热问题,从而提高计算机运算速度。

超导材料引领材料新时代

2.2 检测领域

根据完全抗磁性,超导材料可以实现常规导体材料无法实现的磁场强度、磁场梯度和磁场均匀度,有着广泛的应用。核磁共振成像就是利用超导材料磁性质,是如今医疗检测、医学诊断中的常用手段。此外,世界上几乎所有用于重大研究的高强磁场都使用了超导材料,比如各种高能粒子对撞机、各种粒子加速器等。

2.3 交通运输领域

根据超导材料的性质,科学家们已经研制出高温超导磁悬浮列车和超导电磁推进船。应用超导磁悬浮技术的交通工具,具有速度快、噪音低、安全系数高等优点。我国在 1997 年就研制出高温超导磁悬浮模型车,并在 2000 年研制出世界上首辆高温超导磁悬浮试验车。此外,利用材料的完全抗磁性还可制作无摩擦陀螺仪和轴承等,减小摩擦造成的能量损耗。

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2.4 电力技术领域

首先,高温超导电缆具有损耗低、体积小、重量轻、容量大等优点,可以实现低电压、长距离的大电流输电,有助于改善电网结构,提高电网输电能力,减少电能损耗。其次,利用超导特性还可以制造超导发电机。超导发电机转子内的磁场线圈使用超导线材制作而成,能够大大减少磁场线圈中的电能损耗,提高功率密度。最后,超导材料也可以用在变压器中,使得变压器具有体积小、重量轻、高效率、无燃烧危险等优点。

3 结语

超导材料向人类展示了诱人的应用前景,但实际应用超导材料仍受到一系列因素的制约,首先是其较低的临界温度,其次还有材料制作的工艺等问题。随着制备工艺和质量逐渐成熟,超导材料已经有望初步进入实际应用和产业化阶段。21世纪是以节能环保、新能源、新材料为主题的年代,超导材料的研究价值和市场十分巨大。可以相信,在未来,超导材料会发挥越来越重要的作用,使我们的生活更美好、更节能。