淺談超導材料及其應用

（山東省菏澤市第一實驗中學，山東菏澤 274299）

0.引言

隨著科技的發展，新型材料不斷問世。可以說，材料的發展史，就是人類的生產和生活的進化史。在人類歷史的每個階段，都可以看到新材料的影子。從樸素的草房、泥房到如今的高樓大廈，從笨重的竹簡和昂貴的絹帛到輕便的紙張，從厚重的盾牌到清透的防彈玻璃，新材料的出現，給人們的日常生活、文化生活，以及安全都帶來了極大的改觀。

在物理學領域，超導材料無疑是近年來的冉冉新星。在一定的溫度（也就是臨界溫度）下，超導材料將排斥磁力線，并且呈現出電阻為零的現象，我們已經發現了近萬種超導材料，但是，目前超導現象多發生于極低溫，尋找性能更完善、更穩定的高溫超導材料，成了科學研究界的重點。

超導材料有許多獨特的性質，其最重要的三大特性在于零電阻性、完全抗磁性和超導隧道效應。因此，超導材料有著非常廣泛的應用，應用超導材料產生較強的磁場，可以節約電能，減少損耗；利用超導材料探測人體那微弱的磁場，可以為多種疾病的診斷提供幫助，以超導隧道器件構成的電子元器件，可以提供噪聲極低的功率增益。我們常說，結構決定性質，性質決定用途，在超導材料的發展過程中，科學家應該與工程人員充分溝通，及時了解在生產過程中的需求，從而能夠讓科學研究的方向更加明確，讓科研成果能夠更快應用在生產生活中。

1.超導材料的應用

由于其卓越的性能，超導材料的應用將極大地降低生產過程中的能耗，減慢電子元器件的損耗，并且可以更加精確的探測到微弱的電磁信號。因此，超導材料在電力工程、核電工程、電子信息、采礦甚至生物醫學等領域都有著非常廣泛的應用[1]。

1.1 超導強磁場磁體

有超導電性的材料，叫做超導體。在低于某溫度時，超導體的直流電阻率會突然消失或者驟降幾個數量級。由于導體的電阻等于零或者趨近于零，電流在通過導體的時候毫無阻力，我們可以很容易地獲得超大的電流，從而產生較強的磁場。在生產過程中，經常會用到強磁場，以及超強磁場。人們通過產生超強磁場來加速粒子，或者產生超強的電流。因此，強磁場磁體的應用非常廣泛。首先，超導磁體的電阻幾乎為零，其產生的焦耳熱損耗較低。利用超導磁體生成強磁場時，所耗的電能只是常規導體所耗電能的萬分之一，而且不需要冷卻水系統進行冷卻，不僅節約了電能，也簡化了系統的結構。其次，產生同樣強度的強磁場時，超導磁體的重量僅為常規磁體的1/3。因此，以超導磁體為主要零部件的設備，更適應遠距離運輸，組裝難度也較低，為工程工作提供了諸多方便。最后，超導磁體不僅更為輕便，其穩定性也遠優于傳統導體。超導磁體工作過程中產熱較少，因而故障發生率相對較低，維護成本也相對較低。超導磁體的諸多優越性能，使其在工程建設以及工業生產中有著非常廣泛的應用，現將超導磁體的用途舉例如下[2]。

1.1.1 超導磁體在高能物理與核物理中的應用

近年來，高能物理領域的發展十分迅速。為了對粒子的結構進行更深層次的探索，需要用高能粒子加速器對粒子進行加速。目前，通過磁場使粒子做加速圓周運動，是多數粒子加速器的原理。為了使粒子獲得更高的能量、更快的速度，需要加大軌道半徑，或提高加速所用的磁場強度。由于加大軌道半徑對空間以及設備的要求較高，改建的難度實際上是非常高的。使用超導磁體，通過加大電流來提高磁場強度，無疑是更經濟、更便捷的選擇。不過，在使用超導磁體的過程中，應當注意避免系統出現過熱的情況，防止由于電阻急劇上升，造成系統損壞，甚至發生火災。

在核聚變反應的核心，內部溫度高達幾千萬攝氏度，超高溫將使目前幾乎所有的材料熔化、汽化。因此，必須利用磁場將等離子體包圍起來。超導磁體可以產生超強的磁場，而且可以通過控制電流，精確地調節其磁場強度、磁場分布。超導磁體，尤其是高溫超導磁體的應用，將促進核能在各個領域的利用。不過，與在高能物理中的應用相似，在使用超導磁體對核聚變進行控制的過程中，應該注意嚴密監測超導體的性能，防止磁場下降，粒子逸出，造成核泄漏或其他后果。

1.1.2 超導磁分離技術

自20世紀70年代以來，磁選技術已經得到越來越廣泛的應用。液體凈化是磁選技術的主要應用之一，實驗室廢水中重金屬離子的去除、造紙工業中高嶺土的凈化、鋼鐵工業中廢水的回收利用，以及拋光廠玻璃磨泥的回收利用，都離不開磁選技術。20世紀80年代以來，應用了大容量導電磁體的高梯度磁選系統，逐漸被應用于高嶺土凈化。20世紀90年代，隨著高溫超導磁體的發展，日本開始了新的國家研究項目，以擴大超導磁選在其他領域的應用。事實上，除工業應用外，磁選技術還可用于去除水生系統和溪流中的中的生物源和其他工業廢物，如重金屬、化學物質、放射性物質等人為污染物。磁選工藝的全面應用，不僅將助力工業，也有助于保護全球環境，為人類營造更好的家園。

由于鐵磁性顆粒與其他礦物顆粒的順磁性不同，它們在經過梯度磁場時的運動軌跡不同，適當地調整磁場梯度，可以讓這些顆粒落到不同的位置，實現磁分離，在工業中，可以利用磁分離技術對礦物進行分選，或除去礦物中或者水中的雜質。應用超導磁體對需要分離的物質進行磁分選，不僅能夠提高分選效率，降低分選后的雜質率，而且能產生高梯度磁場，并且其消耗的功率僅為常規磁體的幾十分之一。因此，在金屬及非金屬礦物的分選，除雜以及污水的凈化處理過程中，超導磁體都有著廣泛的應用。可以說，超導磁體的應用，在現代冶金工業及金屬回收、廢水處理等領域掀起了一場巨大的變革。

1.2 超導磁懸浮列車

隨著社會的發展，人們對交通工具的速度和舒適度也提出了更高的要求。如何提高列車的運行速度，同時保證其運行的安全性，是設計人員和工程師共同面對的問題。如果將超導磁體安裝在列車的底部，并在軌道旁安裝鋁環，當列車沿著軌道開始運動時，鋁環中的感應電流與超導磁體所產生的強磁場的相互作用，將給列車一個向上的力，從而使整輛列車“浮”在軌道上。目前，由日本JR東海公司所研發的磁懸浮列車，在測試的過程中時速可以達到將近600km，遠遠高于目前高速鐵路所能夠達到的最高運行速度。此外，由于超導磁懸浮列車的運行過程中，列車與軌道之間幾乎沒有摩擦，其運行過程中的噪聲和震動也會大大降低，使旅客在乘坐時更加舒適。與傳統的列車相比，超導磁懸浮列車也更加節省能源，并可以減少列車與軌道的機械磨損，延長他們的使用壽命[3]。

1.3 超導能量存儲設備

超導磁儲能（SMES）技術是近年來應用超導最活躍的研究領域之一，特別是在發現高溫超導（HTS）材料之后。超導磁儲能（SMES）技術可以以直流電的形式，對能量進行儲存。與其他儲能設備和方法相比，SMES具有更好的性能。首先，由超導磁體所產生的磁感應強度較高，SMES線圈的電流密度約為普通線圈的10～100倍，并且幾乎沒有焦耳熱損耗。因此SMES可以持久地存儲更高密度的能量，節約空間。其次，SMES的能量傳輸效率也非常高，它可以與電力系統在幾毫秒內完成進行能量交換，并且在交換的過程中幾乎不損失能量。最后，對SMES的控制也較為容易。借助成熟的電子技術，SMES可以通過有功和無功功率補償來增強電力系統的穩定性，并改善電能質量。

我們應當致力于對超導能量存儲技術進行更加深入的研究，對超導能量存儲設備進行不斷改進，并探索更科學、更高效、更安全的控制策略，使其更好地適應電力工程以及其他領域的儲能需要。

1.4 超導電子電路

在弱電和弱磁領域，超導材料同樣有著非常廣泛的應用。超導電子學是研究超導材料在電子領域中應用的一門學科，近年來發展十分迅猛。應用新型電感器的電路板將容受更復雜的電路結構，更高的電子元件密度，而且散熱更少，為自動控制相關設備和電子信息相關設備的改進提供了更多可能。此外，用超導材料制成的電子元器件，還可以廣泛應用于航空航天、地震預報，以及能源領域、軍事領域中。

1.5 超導技術在其他領域的應用

在航空航天領域，超導技術可以應用于大規模電磁發射（EML）系統的一個或多個部分中。使用超導體可以降低系統的能量損耗，并減小能量存儲裝置的尺寸和數量。高溫超導材料應用，可以實現能量分配和轉換設計。所有這些技術都有助于改進現有發射系統，降低系統的復雜性，并降低有效載荷的發射成本[4]。

在軍事領域，超導技術也大展身手。相比傳統掃雷設備，超導掃雷工具更為輕便，便于攜帶，而且其工作磁場較強，靈敏度較高，所以更為可靠。此外，超導掃雷工具的功率和能耗也比傳統掃雷工具低很多，而且安全性更高，非常適合長期野外作業。在將來，超導技術在軍事和國防領域發揮越來越重要的作用[5]。

2.結語

自20世紀90年代以來，超導材料及超導技術領域的發展十分迅速。超導技術的應用十分廣泛，超導磁體設備靈敏度高，易于操作和控制，具有良好的可操作性，具有廣闊的應用前景。目前，部分超導產品已經商用，但還有許多產品還在研發過程中。我國的超導技術還有很大的發展空間，我們必須不斷深耕，致力于探索更高臨界溫度的超導體，并不斷改進現有技術，培養高水平的超導技術人才，加快超導設備的研發和應用進程[6]。