高溫超導技術應用和前景展望

摘要:簡要介紹了高溫超導材料(HTS)的發現歷程， 闡述了高溫超導材料(HST)工藝特性， 總結該材料在各種高科技領城中的應用發展現狀。

關鍵詞:高溫超導材料;應用;磁懸浮;電纜

中圖分類號:TQ

文獻標識碼:A

文章編號:1672-3198(2010)21-0309-01

自1986年以來，高溫超導材料(HTS)的發現，再一次掀起了研究高溫超導材料(HTS)及其他實用材料的熱潮。經過將近二十年的發展，己形成工藝成熟的第一代HST帶材，目前正在發展的第二代HST帶材-1YBCO涂層導體，近一步強化了HTS帶材在各領域(電力、磁懸浮)中的應用。根據IEA(國際能源協會)對中國能源需求的預測，提出中國將于2010年前后超過歐洲，2021年左右超過美國。因此在能源供給方面只有主要依靠自己的力量。而高溫超導材料(HTS)的一些特性正好能為我國發展低碳經濟、解決能源問題提供有效的技術支撐。

1 高溫超導體的發現歷程

自1911年荷蘭物理學家卡末林· 昂內斯(H.K.Onnes)發現恭(Hg)的超導電性以來，隨著越來越多的超導體被發現并帶入人類的視野，經歷了從簡單到復雜、由一元系到二元系、以及多元系的過程。隨后在1958年至1986年間，也就是高溫氧化物U-Ba-Cu-0被發現之前，人類對超導應用技術準備性的探索階段，許多國家加大實驗室規模上，大力嘗試了超導的應用。隨后， 在1953至1973年間，發現了如Tc>17的Nb3Sn等超導體。而蘇黎世科學家J.G.Bendnorz等人在1986年發現的鑭銀銅復合氧化物達到30K，突破了傳統的BCS理論引起了世界范圍的巨大反響。1987年， 美國華裔科學家朱經武和中國科學家趙忠賢等人相繼發現憶-鋇-銅G-氧的氧化物超導體，把Tc提高到90K以上， 同時液氮的禁區也奇跡般地被突破了77K。直到1993年，Putilin和Schilling等人又發現了的汞-鋇-鈣-銅氧的氧化物超導體， 至今它們還保持著最高的臨界轉變溫度。

2 高溫超導體材料(HTS)的特性

下圖為低溫下典型超導體的不可逆線，由圖可以看出，盡管Bi系帶材容易制造，但由于其固有的低不可逆場，限制了它在溫度77K和高磁場條件下的應用。而Ti和Hg屬于復合材料，盡管有相對較高的Tc以及有比Bi系材料高的不可逆場， 但由于存在弱連接問題，它們Jc仍很低，加之其本身有毒，制備難度也隨之加大。所以科學家們得出結論，高溫超導體材料(HTS)具有超導電性和抗磁性兩個重要特性。要讓超導體得到現實的應用，首先要有容易找到的超導材料。即主要研究方向就是尋找能在較高溫度下存在的超導體材料，簡言之，就是將高溫超導材料HTS(超導轉變溫度T>77K)。Bi系超導線材是目前率先能夠產業化生產的高溫超導線材，其導電性能超過相同橫截面積銅導線的一百倍以上。我們由上圖也易得出這一結論，因此， 使用Bi系線材制備的超導電纜、超導變壓器、超導電機、超導儲能系統， 超導限流器等具有常規產品無法比擬的優點。近年來， 世界各國紛紛投人巨資加緊研發，以此不斷推動超導技術發展。

3 高溫超導體材料(HTS)的應用

3.1 高溫超導體材料(HTS)在磁懸浮技術上的應用

高溫超導磁懸浮支撐的儲能飛輪是一種新型的轉子支撐系統，與傳統的機械軸承支撐的飛輪相比，在控制精度和使用壽命等方面具有明顯的優勢。采用高溫超導磁懸浮儲能飛輪輪轂結構，優化其設計方法，以此提高儲能密度。主要是采用建立輪轂結構模型，引入拓撲結構優化、材料優選與形狀優化等方法對其進行改進。最后結果表明，在滿足強度、極轉動慣量、一階彈性共振頻率、形狀、幾何尺寸以及控制系統等多學科約束條件下，輪轂的儲能密度比設計方案提高了7.6 %。該優化方法不僅提高了轉子的設計效率，對飛輪的高速儲能也有重要意義。

3.2 高溫超導體材料(HTS)在電力技術上的應用

(1)節能減排，例如節省輸配電過程中的電阻損耗、降低高能耗工業設備的電損耗等;

(2)解決可再生能源接入電網和遠距離輸送問題，例如通過高溫超導限流器、儲能器來解決可再生能源接入電網所引起的波動和不穩定問題，用高溫超導電纜來解決超長距離輸電問題。

4 高溫超導體材料(HTS)的前景與展望

目前從高溫超導體的應用研究現狀來看， HTS磁懸浮儲能飛輪、HTS電纜、HTS電機和故障限流器可能會是HTS電力應用的最主要市場，這些技術具有強有力的市場推動力和號召力，但商品化需要高性能第二代導體支撐。HTS技術作為未來技術，還需要規范化的風險分析以及周密的咨詢評估，其中的關鍵是降低成本，設法找到材料、制冷和絕緣三者之間的最佳契合點。

參考文獻

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