浅谈超导材料及其应用

（山东省菏泽市第一实验中学，山东菏泽 274299）

0.引言

随着科技的发展，新型材料不断问世。可以说，材料的发展史，就是人类的生产和生活的进化史。在人类历史的每个阶段，都可以看到新材料的影子。从朴素的草房、泥房到如今的高楼大厦，从笨重的竹简和昂贵的绢帛到轻便的纸张，从厚重的盾牌到清透的防弹玻璃，新材料的出现，给人们的日常生活、文化生活，以及安全都带来了极大的改观。

在物理学领域，超导材料无疑是近年来的冉冉新星。在一定的温度（也就是临界温度）下，超导材料将排斥磁力线，并且呈现出电阻为零的现象，我们已经发现了近万种超导材料，但是，目前超导现象多发生于极低温，寻找性能更完善、更稳定的高温超导材料，成了科学研究界的重点。

超导材料有许多独特的性质，其最重要的三大特性在于零电阻性、完全抗磁性和超导隧道效应。因此，超导材料有着非常广泛的应用，应用超导材料产生较强的磁场，可以节约电能，减少损耗；利用超导材料探测人体那微弱的磁场，可以为多种疾病的诊断提供帮助，以超导隧道器件构成的电子元器件，可以提供噪声极低的功率增益。我们常说，结构决定性质，性质决定用途，在超导材料的发展过程中，科学家应该与工程人员充分沟通，及时了解在生产过程中的需求，从而能够让科学研究的方向更加明确，让科研成果能够更快应用在生产生活中。

1.超导材料的应用

由于其卓越的性能，超导材料的应用将极大地降低生产过程中的能耗，减慢电子元器件的损耗，并且可以更加精确的探测到微弱的电磁信号。因此，超导材料在电力工程、核电工程、电子信息、采矿甚至生物医学等领域都有着非常广泛的应用[1]。

1.1 超导强磁场磁体

有超导电性的材料，叫做超导体。在低于某温度时，超导体的直流电阻率会突然消失或者骤降几个数量级。由于导体的电阻等于零或者趋近于零，电流在通过导体的时候毫无阻力，我们可以很容易地获得超大的电流，从而产生较强的磁场。在生产过程中，经常会用到强磁场，以及超强磁场。人们通过产生超强磁场来加速粒子，或者产生超强的电流。因此，强磁场磁体的应用非常广泛。首先，超导磁体的电阻几乎为零，其产生的焦耳热损耗较低。利用超导磁体生成强磁场时，所耗的电能只是常规导体所耗电能的万分之一，而且不需要冷却水系统进行冷却，不仅节约了电能，也简化了系统的结构。其次，产生同样强度的强磁场时，超导磁体的重量仅为常规磁体的1/3。因此，以超导磁体为主要零部件的设备，更适应远距离运输，组装难度也较低，为工程工作提供了诸多方便。最后，超导磁体不仅更为轻便，其稳定性也远优于传统导体。超导磁体工作过程中产热较少，因而故障发生率相对较低，维护成本也相对较低。超导磁体的诸多优越性能，使其在工程建设以及工业生产中有着非常广泛的应用，现将超导磁体的用途举例如下[2]。

1.1.1 超导磁体在高能物理与核物理中的应用

近年来，高能物理领域的发展十分迅速。为了对粒子的结构进行更深层次的探索，需要用高能粒子加速器对粒子进行加速。目前，通过磁场使粒子做加速圆周运动，是多数粒子加速器的原理。为了使粒子获得更高的能量、更快的速度，需要加大轨道半径，或提高加速所用的磁场强度。由于加大轨道半径对空间以及设备的要求较高，改建的难度实际上是非常高的。使用超导磁体，通过加大电流来提高磁场强度，无疑是更经济、更便捷的选择。不过，在使用超导磁体的过程中，应当注意避免系统出现过热的情况，防止由于电阻急剧上升，造成系统损坏，甚至发生火灾。

在核聚变反应的核心，内部温度高达几千万摄氏度，超高温将使目前几乎所有的材料熔化、汽化。因此，必须利用磁场将等离子体包围起来。超导磁体可以产生超强的磁场，而且可以通过控制电流，精确地调节其磁场强度、磁场分布。超导磁体，尤其是高温超导磁体的应用，将促进核能在各个领域的利用。不过，与在高能物理中的应用相似，在使用超导磁体对核聚变进行控制的过程中，应该注意严密监测超导体的性能，防止磁场下降，粒子逸出，造成核泄漏或其他后果。

1.1.2 超导磁分离技术

自20世纪70年代以来，磁选技术已经得到越来越广泛的应用。液体净化是磁选技术的主要应用之一，实验室废水中重金属离子的去除、造纸工业中高岭土的净化、钢铁工业中废水的回收利用，以及抛光厂玻璃磨泥的回收利用，都离不开磁选技术。20世纪80年代以来，应用了大容量导电磁体的高梯度磁选系统，逐渐被应用于高岭土净化。20世纪90年代，随着高温超导磁体的发展，日本开始了新的国家研究项目，以扩大超导磁选在其他领域的应用。事实上，除工业应用外，磁选技术还可用于去除水生系统和溪流中的中的生物源和其他工业废物，如重金属、化学物质、放射性物质等人为污染物。磁选工艺的全面应用，不仅将助力工业，也有助于保护全球环境，为人类营造更好的家园。

由于铁磁性颗粒与其他矿物颗粒的顺磁性不同，它们在经过梯度磁场时的运动轨迹不同，适当地调整磁场梯度，可以让这些颗粒落到不同的位置，实现磁分离，在工业中，可以利用磁分离技术对矿物进行分选，或除去矿物中或者水中的杂质。应用超导磁体对需要分离的物质进行磁分选，不仅能够提高分选效率，降低分选后的杂质率，而且能产生高梯度磁场，并且其消耗的功率仅为常规磁体的几十分之一。因此，在金属及非金属矿物的分选，除杂以及污水的净化处理过程中，超导磁体都有着广泛的应用。可以说，超导磁体的应用，在现代冶金工业及金属回收、废水处理等领域掀起了一场巨大的变革。

1.2 超导磁悬浮列车

随着社会的发展，人们对交通工具的速度和舒适度也提出了更高的要求。如何提高列车的运行速度，同时保证其运行的安全性，是设计人员和工程师共同面对的问题。如果将超导磁体安装在列车的底部，并在轨道旁安装铝环，当列车沿着轨道开始运动时，铝环中的感应电流与超导磁体所产生的强磁场的相互作用，将给列车一个向上的力，从而使整辆列车“浮”在轨道上。目前，由日本JR东海公司所研发的磁悬浮列车，在测试的过程中时速可以达到将近600km，远远高于目前高速铁路所能够达到的最高运行速度。此外，由于超导磁悬浮列车的运行过程中，列车与轨道之间几乎没有摩擦，其运行过程中的噪声和震动也会大大降低，使旅客在乘坐时更加舒适。与传统的列车相比，超导磁悬浮列车也更加节省能源，并可以减少列车与轨道的机械磨损，延长他们的使用寿命[3]。

1.3 超导能量存储设备

超导磁储能（SMES）技术是近年来应用超导最活跃的研究领域之一，特别是在发现高温超导（HTS）材料之后。超导磁储能（SMES）技术可以以直流电的形式，对能量进行储存。与其他储能设备和方法相比，SMES具有更好的性能。首先，由超导磁体所产生的磁感应强度较高，SMES线圈的电流密度约为普通线圈的10～100倍，并且几乎没有焦耳热损耗。因此SMES可以持久地存储更高密度的能量，节约空间。其次，SMES的能量传输效率也非常高，它可以与电力系统在几毫秒内完成进行能量交换，并且在交换的过程中几乎不损失能量。最后，对SMES的控制也较为容易。借助成熟的电子技术，SMES可以通过有功和无功功率补偿来增强电力系统的稳定性，并改善电能质量。

我们应当致力于对超导能量存储技术进行更加深入的研究，对超导能量存储设备进行不断改进，并探索更科学、更高效、更安全的控制策略，使其更好地适应电力工程以及其他领域的储能需要。

1.4 超导电子电路

在弱电和弱磁领域，超导材料同样有着非常广泛的应用。超导电子学是研究超导材料在电子领域中应用的一门学科，近年来发展十分迅猛。应用新型电感器的电路板将容受更复杂的电路结构，更高的电子元件密度，而且散热更少，为自动控制相关设备和电子信息相关设备的改进提供了更多可能。此外，用超导材料制成的电子元器件，还可以广泛应用于航空航天、地震预报，以及能源领域、军事领域中。

1.5 超导技术在其他领域的应用

在航空航天领域，超导技术可以应用于大规模电磁发射（EML）系统的一个或多个部分中。使用超导体可以降低系统的能量损耗，并减小能量存储装置的尺寸和数量。高温超导材料应用，可以实现能量分配和转换设计。所有这些技术都有助于改进现有发射系统，降低系统的复杂性，并降低有效载荷的发射成本[4]。

在军事领域，超导技术也大展身手。相比传统扫雷设备，超导扫雷工具更为轻便，便于携带，而且其工作磁场较强，灵敏度较高，所以更为可靠。此外，超导扫雷工具的功率和能耗也比传统扫雷工具低很多，而且安全性更高，非常适合长期野外作业。在将来，超导技术在军事和国防领域发挥越来越重要的作用[5]。

2.结语

自20世纪90年代以来，超导材料及超导技术领域的发展十分迅速。超导技术的应用十分广泛，超导磁体设备灵敏度高，易于操作和控制，具有良好的可操作性，具有广阔的应用前景。目前，部分超导产品已经商用，但还有许多产品还在研发过程中。我国的超导技术还有很大的发展空间，我们必须不断深耕，致力于探索更高临界温度的超导体，并不断改进现有技术，培养高水平的超导技术人才，加快超导设备的研发和应用进程[6]。