金石博览｜稀土高温超导材料：开启未来的神奇钥匙

稀土竟能是“盘尼西林”(点我回顾) ，你上次讲得太酷了！

 

 

那必须！稀土新材料更是出神入化！

 

超导(超导电性)是20世纪最伟大的科学发现之一。它指的是某些材料在温度降低到某一临界温度(或超导转变温度)以下时，电阻突然消失的现象，具备这种特性的材料称为超导材料(或超导体)。

 

1911年，荷兰科学家昂内斯在研究液氦温度下的物性时，发现汞(水银)在4.2K(-268.95℃)下，其电阻突然减小为零，而且去掉外电场后，电流可以持续流动。他将此神奇的现象称为超导现象，从此拉开了超导研究的帷幕。凭借这一发现，昂内斯获得1913年诺贝尔物理学奖，而且1911年也被称为“超导元年”。

 

1933年，德国物理学家迈斯纳等人发现，当物体进入超导态后，其内部的磁感应强度为零，即物体进入一种完全抗磁的状态，这就是超导体的完全抗磁性。从此，人们完全认识了超导体的两大基本性质：零电阻特性和完全抗磁性。

自超导现象被发现以来，它就以其独特的魅力吸引着大批科学家的关注。于是他们一直在致力于进一步了解神奇的超导现象，探索现有超导材料中的超导转变机制，努力合成更高临界温度的超导材料，并致力于寻找具有高超导临界转变温度的新超导体。因此，实现室温超导便成为人们梦寐以求的追寻目标。

 

 

如果实现了室温超导，人们就不用为超导材料提供特殊的低温环境，超导的应用范围将会无限扩大，人们的生活将会发生天翻地覆的变化，也必将引发一次新的现代工业革命。出门能轻松乘坐时速几百公里以上的磁悬浮列车；不用再为电子产品的用电量发愁，充一次电可以用几个月……光是想象就觉得美妙无穷！科学家们也为了早日实现这种美好愿景而不懈努力。然而这条高温超导追寻之路并没有想象得那么顺畅。

 

1957年，阿布里科索夫提出了一种能解释陶瓷类超导体特性的理论，并于2003年获得诺贝尔物理学奖。

 

直到1986年，德国的柏诺兹和瑞士的缪勒等人宣布发现了临界转变温度高达35K(-238.15℃)的镧-钡-铜-氧系氧化物超导体，他们也因此荣获了1987年诺贝尔物理学奖。这一突破性发现导致了更高温度的一系列的稀土-钡-铜-氧化物超导体的发现。

 

通过元素替换，1987年初，美国的吴茂昆、朱经武和中国的赵忠贤等人同时发现了90K(-183.15℃)钇-钡-铜-氧超导体，第一次实现了液氮温度(77K，-196.15℃)壁垒的突破。

 

20世纪90年代初期，人们发现了一种新的带材制备方法，即使用稀土-钡-铜-氧-δ材料可制备出第二代高温超导带材。它在液氮温度的上临界磁场高，而且临界电流密度高达735A/cm²，具有更高的载流能力。

第二代高温超导带材可用于超导电机、超导发电机、超导变压器、超导故障电流限制器、超导电缆，以及高磁场核磁共振成像(NMR)和磁共振成像(MRI)。此外，第二代高温超导导线也可以广泛应用于核聚变发电、超导磁悬浮列车和直流输电等领域。

在电力技术中的应用

超导电力技术作为一种高效节能的供电方式，已被美国能源部誉为“21世纪电力工业唯一的高新技术”。

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超导电缆和超导变压器

以液态氦或液态氮作为冷却介质的无电阻损耗、高电流密度的低温或高温超导线材制成超导电缆，其电流输送能力高于同样截面的普通电缆2~4倍；电损耗仅为常规电缆的10%，甚至更低。

中国已研制出世界传输电流最大的高温超导电缆，比普通电缆节能65%以上，已在河南中孚公司投入工程示范运行。大容量(1250kV·A)的高温超导变压器相比常规变压器可节能60%以上。

 

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超导发电机

超导发电机是在常规发电机的基础上，把发电机转子用超导材料代替而制成的。超导发电机体积仅是常规发电机的1/2，重量为常规发电机的1/3，但它的发电效率却可提高50%。在飞机、舰艇等方面应用超导发电机的优势更加明显。

除超导电缆、超导发电机外，超导电力技术还被应用于超导故障电流限制器、超导储能器等方面，可以说超导材料的不断发展也带动了电力技术的不断进步。

超导磁悬浮列车

随着经济的发展，社会对交通运输的要求越来越高，高速列车应运而生。与现有的铁路、公路、水路和航空四种传统运输方式相比，磁悬浮列车具有高速、安全、低噪声和占地少等优点，是未来理想的交通工具。

磁悬浮列车是由无接触的磁力支承、磁力导向和线性驱动系统组成的新型交通工具，主要有超导电动型磁悬浮列车、常导电磁吸力型高速磁悬浮列车及常导电磁吸力型中低速磁悬浮列车等。2019年5月23日，时速600km高速磁浮试验样车在中车四方股份公司下线，标志着我国在高速磁浮技术领域实现重大突破。

高速磁浮试验样车

在军事上的应用

超导在军事工业中大有用武之地，如超导电磁炮等。

在医疗、计算机和热核反应堆中的应用

利用超导材料的周围磁场高均匀度、超级导磁能力等性质，超导体被用于某些检测仪器中，例如超导技术用于核磁共振仪就是一个成功的范例。核磁共振成像在主磁体采用超导磁体后，磁场强度更强，稳定性大大提高，缩短了测量时间且成像更加清晰。

超导计算机中超大规模集成电路的元件间的互连线用接近零电阻和超微发热的超导器件来制作，不存在散热问题，使计算机的运算速度大大提高。科学家正研究用半导体和超导体来制造晶体管，甚至完全用超导体来制作晶体管。

超导体产生的强磁场可以作为“磁封闭体”，将热核反应堆中的超高温等离子体包围、约束起来，然后慢慢释放，从而使受控核聚变更加稳定。

在基础科学、微波技术、无摩擦陀螺仪和轴承、精密测量仪表及辐射探测器、低温物理研究等方面也有更广阔的应用前景。

未来，人们可以系上一条用超导磁体制成的腰带，它可以让人毫不费力地离开地面像超人那样在空中飞行。

尽管超导材料与技术有如此多的应用及优点，但它也存在着许多人们目前尚未克服的技术难题，这也是超导应用尚未普及的原因之一。因此，要想超导材料及技术真正地造福人类，还需要无数科学工作者的不懈努力。

如同半导体的发现和应用让人类社会发生翻天覆地的变化一样，超导的应用前景也将十分乐观，一定会给人类带来无尽的福音。

 

除了高温超导材料，还有稀土磁性材料、激光材料、发光材料储氢材料……

更有漂亮的人造宝石！

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文章内容出自《走进稀土世界》

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