高温超导技术的发展与应用前景

摘 要：超导体（superconductor），又称超导材料，指在某一温度下电阻为零的导体。超导体不仅具有零电阻的特性，另一个重要特征是完全抗磁性。目前，超导体已经进行了一系列的试验性应用，开展了一定的军事、商业应用，同时在通讯领域可以作为光子晶体的缺陷材料。高温超导（High-temperature superconductivity，High Tc）是一种物理现象，指一些具有较其他超导物质相对较高的临界温度的物质在液态氮的环境下产生的超导现象。本文将对高温超导技术的发展、应用前景进行研究，研究方法为文献搜集法。

关键词：超导 电子 航天 舰船

中图分类号：TB34 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2019）02-0-01

一、课题研究的背景

由于能量是在不断运动的，能量从一种形式转换为另一种形式时遵从了热力学的定律，人类通过对热力学的深入研究，从液化气体这一实验获得了低温。科学家们对低温的获取和存在绝对温度的思想有着巨大的兴趣。大自然的温度区间显示着各种各样的物质，这些物质如果出现在低温环境中，会不会有不一样的变化呢？这就是低温带给科学家们的第一个问题。而超导现象就是是指某些材料在足够低的温度下发生电阻消失但感应电流长期存在的现象。

高温超导体主要包括四大类：90K的稀土系，110K的铋系，125K的铊系，和135K的汞系。它们都含有铜和氧，因此也总称为铜氧基超导体[1]。它们具有类似的层状结晶结构，铜氧层是超导层。高温超导技术的应用有哪些？它的发展前景又是怎么样呢？

二、课题研究的目的和意义

本次课题研究将运用文献收集法对高温超导技术的发展情况和应用前景進行研究，从而对高温超导技术进行更深一步的了解。

三、课题研究的方法

文献收集法

四、课题的研究结果

1.高温超导现象的发展历史

詹姆斯·杜瓦是最先研究固体在低温下电阻有何变化的人。当时科学界对低温下电阻有何变化这一问题有着两种不同的看法，一种认为金属在绝对零度时电阻会变成无穷大；另一种则认为电阻在绝对零度时会稳定地下降直至零。

海克·卡默林·翁内斯和各布·克雷开始研究杜瓦做的固体在低温下电阻的变化。他们选择了使用经过蒸馏提纯后的水银来做实验。翁内斯将固态的水银做成环路，并使磁铁穿过环路使其中产生感应电流。在通常情况下，只要磁铁停止运动，由于电阻的存在环路中的电流会立即消失，但当水银环路处于4.19度k之下的低温时，即使磁铁停止了运动，感应电流却仍然存在，即水银的电阻突然消失。翁尼斯又将实验过程反过来，重新升高温度测水银的电阻，结果发现当温度达4.12度k时，水银又有了电阻。翁内斯又对多种金属、合金、化合物材料进行低温下的实验，发现它们中的许多都具有在低温下电阻消失、感应电流长期存在的现象。这一发现使翁内斯获得了1913年的诺贝尔奖。

1987年，来自台湾的美国物理学家吴茂昆和朱经武在钇钡铜氧系材料上把临界超导温度提高到90K（摄氏零下183度）以上，液氮的“温度壁垒”（77K，绝对零度以上摄氏77度）也被突破了。这项研究突破了自1911年后七十多年的物理学研究瓶颈，为临界温度高于77K的材料称为高温超导体下了定义，被誉为超导体领域30年来最重要的先驱之一。

2015年，物理学者发现，硫化氢在极度高压的环境下（至少150GPa，也就是约150万标准大气压），约于温度203K（-70°C）时会发生超导相变，是目前已知最高温度的超导体。

2.高温超导技术在电子装备方面的应用（以雷达为例）[2]

雷达自发明以来，一直是军事战争领域研究的关键，因为它涉及战争前情报收集、战争时实时状态、战争后形势分析等方面的信息收集，是至关重要的装备。

超导技术可以提高雷达的接收灵敏度、抑制带外干扰和提高频带利用率。且超导器件和子系统有着极高的可靠性，可以经受住火箭发射和空间飞行的考验，抗辐照能力也极强。目前高温超导技术可以制作超导滤波器，这一器件可以降低雷达系统之间的相互影响，提高雷达在干扰环境下的作战能力。

3.高温超导技术在航天方面的应用

航天力量强弱也是一个国家的象征，在太空这一与地面截然不同的环境中，一切变化皆有可能，这就是众多科学家梦寐以求的研究。同样的，太空的战略意义也是无法估量的。这就要求在太空环境中工作的器件更加符合太空的要求。

由于超导体的应用最起码要有足够的低温才能展现其特性，太空中极低的温度相较于地面对于超导体的使用有着独特的优势。

高温超导体材料首先以薄膜的形式获得，在航天方面的空间通信中可以用于微波移相器、滤波器和超导天线的零件制作。超导材料将显著提升其性能，同时可以降低功耗和缩小外观大小。在航天遥感方面，由于飞往外空的行星要持续以十年为单位的时间，目前只有无源辐射制冷是唯一令人满意的选择。高温超导技术则可以用于远红外辐射热测量仪中的温度传感器。在低温系统中，高温超导技术可以制作性能效率更加优秀，可靠性和寿命大大增大的低温制冷机。总体来说，高温超导技术在太空低温环境下的应用更加便利，具有良好的前景。

4.高温超导技术在舰船装备方面的应用[3]

超导的应用方向除了在地面和太空中，还可以应用于水下环境。

在舰船方向，超导材料可以用于制作潜艇大功率推进器。相较于普通材料制成的传统推进器，这种新型的推进器拥有更小的尺寸和更节能、更静音的特点。

由于海水具有导电性，在船舶周围会产生电磁场和电流场，从而推进船舶前进或退后。而超导磁流体就是将电能转化成流体动能，从而为船舶提供动力，这种新型的动力模式相较于传统的螺旋桨动力器，可以大大降低震动和噪音，具有节能高效的优点。

5.高温超导技术在电力运输方面的应用[4]

由于超导器材电阻为零的特点，与传统的电缆相比，高温超导电缆承载能力更强，同时兼备损耗低的特点。且高温超导电缆与传统电缆相比体积更小重量更轻，在冬季等风雪环境中更为稳定。高温超导电缆有望在未来电网发展中发挥重要作用。

6.高温超导磁悬浮技术的研发前景

美国人马斯克研究的“超环高铁”利用低真空管道和磁悬浮技术，设想的高铁速度接近每小时1000公里已进入了可行性研究。成都西南大学建的全球首个真空管道超高速磁悬浮列车环形实验线平台，也是国内首个载人高温超导磁悬浮环形实验线，这项技术理论上也可将车速提高到1000公里、甚至1500公里以上。[5]

时速最快的真空高温超导磁悬浮比例模型车的试验线正在成都搭建，预计2019年年初建成并投入试验测试。该试验平台有望在 2018 年年底前獲国家批准，项目从开始实施到建成约需3年或更短。中国超级高铁最快有望于 2021 年上半年达到1 500 km 的试验时速。[6]

五、总结体会和反思

高温超导技术起源自热力学的“馈赠”，学者们在物理的道路上探索，发现了不同于正常环境下的电阻电流现象，并将其运用于日常的科技生活中。回顾高温超导的历史我们可以发现，即便是在1911年后八十多年的历程里并未对临界超导温度进行提升，各方学者也从未放弃试验和探究。这样的科学追求才成就了后来一次次的温度提升。同样的，各方学者在超导材料的发现和合成进程中也是迎难而上，从最开始的金、铂，到后来的提纯汞，再到现在的钇系超导体、铋系超导体、镁硼超导体等各式各样不同种类不同性状的超导材料，凝聚了一代又一代科学家们的心血。可以说，探索精神是科学巨大的推动力。

在本次的研究报告中，仅仅是对高温超导技术的历史和发展情况做出了浅显的讨论。通过对各类关于高温超导技术文献的收集，仅列出了高温超导技术在电子装备、航天、舰船装备、电力运输这四方面的应用，涉及范围十分有限，但在整个研究过程中对科学精神有了新的认识，受益匪浅。

参考文献

[1]郑军.高温超导电机技术的研究现状与应用前景浅析[J].新材料产业，2017（8）：60-65.

[2]罗军.高温超导技术在雷达中的应用[J].雷达与对抗，2018（3）：12-15，52.

[3] 刘秀峰，卢永进.高温超导技术在舰船装备中的应用[J].船电技术.2013（7）：39-42.

[4]金建勋，游虎，姜在强，陈正华，魏子强，邢云琪，杜伯学.高温超导电缆发展及其应用概述[J]，南方电网技术，2015（12）.

[5]中国公布高温超导磁悬浮技术[J]，经济半小时，2018-3-313：08.

[6]孙钧，刘子忠，刘甲朋.畅想海上交通运输建设的伟大革命—真空高温超导磁浮高速列车桥隧工程前期工作与运行方案探讨[J]，隧道建设（中英文），2018（9）第38卷：1406-1416.