高温超导材料应用的新进展
责任编辑:chineselng 浏览:4505次 时间: 2008-04-06 13:06:11
免职声明:本网站为公益性网站,部分信息来自网络,如果涉及贵网站的知识产权,请及时反馈,我们承诺第一时间删除!
This website is a public welfare website, part of the information from the Internet, if it involves the intellectual property rights of your website, please timely feedback, we promise to delete the first time.
电话Tel: 19550540085: QQ号: 929496072 or 邮箱Email: Lng@vip.qq.com
摘要:1历史的回顾早在19世纪,科学家在研究金属的电阻与温度的关系时,发现金属的电阻在低温下随温度的降低而减少。1911年,荷兰物理学家昂内斯发现水银的电阻在4.2K(-169℃)时完全消失。这个现象叫做超导现象,金属材料的电阻为零时的温度叫做超导临界转变温度。超导现象..
1 历史的回顾 早在19世纪,科学家在研究金属的电阻与温度的关系时,发现金属的电阻 在低温下随温度的降低而减少。1911年,荷兰物理学家昂内斯发现水银的电阻在 4.2 K(-169 ℃)时完全消失。这个现象叫做超导现象,金属材料的电阻为零时的温度叫做超导临界转变温度。超导现象的发现曾经荣获诺贝尔物理学奖金。由于超导临界转变是如此之低,没有极为良好的真空绝热技术是难以实现的。再加上超导材料的真空熔炼以及超导元件的制造都离不开真空技术,所以说真空技术一直伴随着超导技术的发展。 以后的几十年,科学家以陆续发现了在低温下具有超导特性的金属或合金材料。它们是:Pb(7.18 K)、Sn(3.72 K)、Nb(8 K)、NbZr合金(Nb75% , 10.5 K)NbTi 合金 (Nb35% , 8.9 K)、NbTaTi合金 (Nb25% , Ta5% , 10 K)、V3Ga(15.3 K)、NbN(16.7 K) 、V3Si (17 K) 、Nb3Sn(18.2 K) 等。这些超导材料的超导临界转变温度都在20 K以下,只有利用液氦才能获得。液氦的昂贵以及液氦温区的维持的因难大大限制超导材料的应用。 2 高温超导材料的发现 1986年,在瑞士工作的美国物理学家缪勒和贝德诺茨发现一类含有钡钆铜 的氧化物的超导临界转变温度高达40 K。1987年美国华裔科学家吴茂昆、朱经武等人在适当改变钡钆铜氧化物中的含量后发现它们在90 K时呈现超导特性。几天之后,中国科学院赵忠贤、陈立泉等人及日本科学家又相继宣布发现100 K的高温超导体。这个重要的发现后来也荣获了诺贝尔物理学奖金。这个发现的意义在于在液氮温区(78 K左右)出现超导特性成为可能,为超导现象的应用创造了良好的条件。液氮价格很低又容易获得,为降低超导应用的成本奠定了基础。新发现的高温超导材料实际上是一种具有陶瓷特性的材料,要想获得实际应用尚待时日。80年代末期,在全球掀起的超导热为日后应用的发展创造了良好的条件。 3 超导的应用 在高温超导材料尚未发现以前,超导的应用在超导发电、超导电缆等方面已 获得成功。主要应用了超导体的电阻为零和通电不发热的宝贵性质。 3.1 超导电机 上百千瓦超导电机在国外已经研制成功并投入使用。这是一种高效率的发电机,60年代以后才实用化。利用超导体制成的电机称为超导电机。超导电机也和常规电机一样分为直流和交流两种。直流超导电机的电磁绕阻是用超导材料绕制的螺管线圈制成的。把这种线圈置于低温容器中使之处于超导状态。其转子是处于常导态的金属圆盘。电流通过螺管线圈时,产生强磁场,转子在磁场中旋转时会产生电动势, 若用引线装置把电能引出即成超导直流电机。超导交流电机的发电原理与常规电机相似。只不过转子不是磁铁而是一个转动的内盛液氦的低温容器(具有真空夹层)。转子电磁线圈放在低温容器内,该线圈由超导材料制成。超导电机的功率消耗很小,发电效率可以高达98%。 3.2 超导电缆 现有的输电方式有两种。一种是架空线输电,另一种是电缆输电。在输电 过程中电能的消耗较大。新型的输电方式是超导电缆。70年代,随着真空获得技术、低温技术以及超导材料的发展,超导电缆的研究在发达国家开始起步,90年代获得实用。超导电缆由超导材料制成,没有电阻损耗,输电效率高。 4 高温超导材料的应用正在起步 液氦温区的超导发电和超导电缆虽已初步研制成功,但价格毕竟过于昂贵。 所以,人们才寄希望于高温超导材料。从原理上来说,超导材料除了在发电、输电、贮能等领域有所应用而外它在超导磁体、生物、医疗、科技、通讯、微电子领域都有极大的应用前景。以至于美国能源部的专家认为“超导电力是21世纪电力工业唯一的高技术储备”。日本科学家也认为“发展超导电力技术是21世纪保持尖端优势的关键所在”。输电电缆被认为是实现高温超导材料应用的最有希望的领域。高温超导电缆的电流密度可达10000 A/cm2,而传统电缆的电流密度只有 300-400A/cm2。超导电缆的传输容量比传统电缆要高5倍左右,功耗也大为降低。因此,在城市中心配电、水电站等需要大电流的场合具有重要的应用价值。据国内专家估计,按我国现有的电价和用电量估算,如果全部输电线路改用高温超电电缆,每可以节约400亿元。 美国已经研发出30 m长,3000 A的铋系高温超导电缆,现已满员荷运行半年多。100 m长,电流密度为3000 A/cm2 的高温超导电缆已在美国研发成功。据《日刊工业新闻》2000年11月初的报导,日本中部电力公司和富士为拉公司也研发成功铋系高温超导电缆。这种电缆由三层铋系超导薄膜状线材拧扭而成,内层与外层相互交错形成带状,用它包住芯材,成为超导电缆。每米长的交流损耗只有0.1 W。欧美各国的同类电缆的损耗为 0.2 W左右。国外还正在研发钆系高温超导电缆。 2000年7月,中国科学院电工研究所已宣布研制成功 6 m的高温超导电缆,成功通过了1450 A的电流试验。这标志着我国已成功掌握高温超导电缆的关键技术。在这个领域中,我国与世界先进水平相距不远,已达到国外1997—1998年的水平。 未来的10年,是高温超导材料实用化的10年。科学家预测,到2010年世界高温超导材料产品的销售额将达到300亿美元。 |