超导电性的研究与应用

摘要：超导材料是一种具有超导特性的新型材料,它在一定低温条件下能排斥磁力线并且呈现出电阻为零的现象，即具有零电阻效应与完全抗磁性。本文通过对超导电性的研究以及对其产生的微观机理的分析，根据其性质把超导材料的应用分为强电应用、弱电应用与完全抗磁性应用三大类。综述超导在能源、运输、医疗、国防等领域的重要应用，提出超导研究的主攻方向与发展趋势。

关键词：超导体；唯象理论；迈斯纳效应；约瑟夫森效应

The Research and Application of Superconductivity

Abstract: Superconducting material is a kind of new materials with superconducting properties, it can exclude lines in conditions of low temperature, and presents the zero resistance phenomenon, namely with zero resistance effect and diamagnetic completely. In this paper, based on the research of the superconductivity and the microscopic mechanism analysis, according to the nature of the superconducting material is divided into high voltage application, low and full diamagnetic application three categories. Review superconductivity in energy, transportation, medical, defense and other fields important application, puts forward the main direction and trend of development of superconducting research.

Key word: superconductor ; Phenomenological theory；Meissner effect；Josephson effect

目  录

前  言    1

1    超导的发现与发展历程    2

1.1  超导电性的发现    2

1.2   超导的发展历程    3

1.1.1   超导的唯象理论的提出    3

1.1.2    超导微观理论的发展    4

2    超导的性质与分类    6

2.1超导的性质    6

2.2超导的分类    7

2.2.1按超导的化学成分分类    7

2.2.2  按超导临界温度分类    7

3 超导的应用    10

3.1  强电应用    11

3.1.1  电力运输    11

3.1.2  超导储能装置    12

3.2   弱电应用    12

3.2.1   约瑟夫森器件    12

3.2.2   超导测辐射热计    14

3.3   抗磁性应用    14

3.3.1   超导磁悬浮列车    15

3.3.2   带有超导磁体的同步加速器    16

3.3.3   医用超导材料    16

4  研究现状与国内外发展趋势    18

5  研究的主要方向    19

5.1  提高临界电流密度    20

5.2   制备长线材    21

结束语    22

【参考文献】    23

致  谢    25

前  言

近一百年的超导科技发展史大体经过了三个阶段。1911年到1957年超导微观理论（目前通称BCS理论）问世，是人类对超导电性的基本探索和认知阶段。BCS理论是巴丁（J. Bardeen）、库柏（L. N. Cooper）和斯里弗（J. R. Schrieffer）共同发展的低温超导理论（亦可称为低温超导理论）。1972年BCS三人共获得诺贝尔文学奖，这是人类认识超导电性的基础阶段；第二阶段自1958年到1985年，属于开展超导技术应用的准备阶段；第三阶段自1986年发现超导转变温度高于30K的超导材料（La-Ba-Cu-O）后，人类将逐步转入超导技术开发时代。随着人类对超导机制的认识及理论上的进步，超导材料在当今社会越来越展现出自己的价值了。

经过这一百多年的发展，我们对超导电性的认识有了更进一步的了解，超导材料的制作工艺有了很大的进步。超导材料也越来越多的应用到了电力运输、军事发展以及医疗保健等各个领域了，例如我们可以将超导材料制成高压输电电缆，可以大大减小电力的损耗，也可以将超导材料运用到储能装置，制成瞬间爆发的电磁炮，可用于军事打击，还可以将超导材料运用到新型计算机当中，制成超导计算机，大大提高计算机的性能。尤其是近年来纳米超导技术的快速发展以及制作工艺的日趋成熟，使得超导材料越来越受到人们的青睐了。

1超导的发现与发展历程

1.1  超导电性的发现

很久以来人们就已知道，金属的电阻率随温度的降低而减小。于是在1911年卡莫琳-昂尼斯（Kamerlingh Onnes）决定研究一下在他们所达到的新低温区内电阻变化的规律。昂尼斯根据杜瓦（Dewar）的经验预期，随着温度降低，电阻率会平缓地趋于零。然而，对金属铂所做的试验却发现，铂的电阻趋于不为零的剩余电阻值，此值与铂中所含的杂质量有关，由于利用真空蒸馏易于得到纯汞，他们便进一步选择汞做试验，结果发现，在4.2K附近汞电阻突然降为零。这是电阻的突变，在昂尼斯的指导下，其学生霍尔斯特（G. Holst）首先观察到了这一电阻突变现象；霍尔斯特和弗利姆（G. Flim）、道尔斯曼（C. Dorsman）反复确证，又经昂尼斯重复了这个试验多次，他指出：在4.2K以下汞进入了一个新的物态，在这新物态中汞的电阻实际上为零。昂尼斯把这种显示出超导电性质的物质态定名为超导态，此后，他们又发现其他许多金属也有超导电现象，例如锡约在3.8K开始进入超导态。

超导体开始失去电阻的温度为超导转变温度或临界温度，以表示。1914年他发现，超导态可以被外加磁场破坏。当超导体处在低于的任意温度下时，若外加磁场强度小于某一确定数值，则超导体具有零电阻；当大到时，电阻突然出现，超导态被破坏转变为正常态。我们称为超导的临界磁场，它是温度的函数，记为()。有以下经验公：

                          1-1

其中是时超导体的临界磁场。

昂尼斯还发现，当通过超导线的电流超过一定数值后，超导态便被破坏，称为超导体的临界电流。在无外加磁场的情况下，临界电流在超导体表面产生的磁场恰等于。

1.2   超导的发展历程

1.1.1   超导的唯象理论的提出

1933年，荷兰的迈斯纳（Meissner）和奥森菲尔德（R. Ochsenfeld）共同发现了超导体的一个极为重要的性质。他们发现不管过渡到超导态的途径如何，只要超导体进入超导态，超导的磁性质是唯一的。也就是超导的完全抗磁性，即把外磁场从导体内“排斥”出导体外。这样，超导现象就是两种性质的复合体——超导性和抗磁性的复合体。唯象表达的基本使命就是同时说明这两种性质。于是人们开始运用热力学理论研究超导电性问题。1934年哥特（C. J. Gorter）和卡西米尔（H. B. G. Casimit）在普遍德地讨论了对超导体的热力学处理的基础上，提出了超导“二流体模型”。此模型可以解释超导态的熵、比热及热力学临界场等诸多实验事实。但只能说明超导体的热性质和临界磁场随温度变化的关系，仍不能详细地描述超导体的电磁性质。但这在人类认识超导电性上却无疑是一次突破。随着观察现象的关联视角的扩大和对现象理解的深化，紧接着，1935年伦敦兄弟（F. London & H. London）首先提出了两个描述超导电流和电磁场关系的方程。他们认为超导体中的电子有两部分组成，一部分仍与普通导体中的电子相同，称为正常电子，遵循欧姆定律；另一部分具有超导电性，运动时不受任何阻力，称为超导电子。他们根据超导体的这两个基本性质，提出描述超导电子运动规律的两个方。

B    2-1

     2-2

2-1、2-2是伦敦方程， 2-3是麦克斯韦（Maxwell）方程

                              2-3

当时，既有：

                                                 2-4

2-4式可以描述超导体内的磁感应强度分布。

伦敦方程与麦克斯韦方程一起构成研究超导电动力学的基础。这标志着在唯象理论的指导下，人们研究超导体的微观机制的开始。

1.1.2    超导微观理论的发展

1950年 美籍德国人弗勒里赫（H. Frolich）与美国伊利诺斯大学的巴丁（J. Bardeen）经过复杂的研究和推论后，同时提出：超导电性是电子与晶格振动相互作用而产生的。他们都认为金属中的电子在点阵中被正离子所包围，正离子被电子吸引而影响到正离子振动，并吸引其它电子形成了超导电流。接着，美国伊利诺斯大学的巴丁、库柏（L. N. Cooper）和斯里弗（J. R. Schrieffer）提出超导电量子理论，解决了超导体的基态波函数问题，他们认为：在超导态金属中电子以晶格波为媒介相互吸引而形成电子对，无数电子对相互重叠又常常互换搭配对象形成一个整体，电子对作为一个整体的流动产生了超导电流。由于拆开电子对需要一定能量，因此超导体中基态和激发态之间存在能量差，即能隙。这一重要的理论预言了电子对能隙的存在，成功地解释了超导现象，被科学家界称作“巴库斯理论（BCS理论）”。这一理论认为，是电子通过晶格（称为声）而相互吸，从而导致超导作用，这种相互吸引而束缚在一起并运动着的一对电子被称为库柏电子对。这一理论的提出标志着超导理论的正式建立，使超导研究进入了一个新的阶段。

在1960年美籍挪威人贾埃瓦用铝做成隧道元件进行超导实验，直接观测到了超导能隙，证明了巴库斯理论。他在大量实验中，曾多次测量到零电压的超导电流，但未引起他的重视。

1962年当时仅20多岁的剑桥大学实验物理研究生约瑟夫逊在著名科学家安德森指导下研究超导体能隙性质，他提出在超导结中，电子对可以通过氧化层形成无阻的超导电流，这个现象称作直流约瑟夫逊效应。当外加直流电压为V时，除直流超导电流之外，还存在交流电流，这个现象称作交流约瑟夫逊效应。将超导体放在磁场中，磁场透入氧化层，这时超导结的最大超导电流随外磁场大小作有规律的变化。约瑟夫逊的这一重要发现为超导体中电子对运动提供了证据，使对超导现象本质的认识更加深入。约瑟夫森效应成为微弱电磁信号探测和其他电子学应用的基础。

超导电性的量子特征明显地表现在约瑟夫森（B.D. Josephson）效应中。两块超导体中间夹一薄的绝缘层就形成了一个约瑟夫森结。按照经典理论，两种超导材料之间的绝缘层是禁止电子通过的。这是因为绝缘层内的电势比超导体中的电势低得多，对电子的运动形成一个高的“势垒”。超导体体中的电子的能量不足以使它爬过这势垒，所以宏观上不能有电流通过。但是量子力学原理指出，即使对于相当高的势垒，能量较小的电子也能穿过，好像势垒下面有隧道似的。这种电子对通过超导的约瑟夫森结中势垒隧道而形成超导电流的现象叫做超导隧道效应，也叫约瑟夫森效应。

2超导的性质与分类

2.1超导的性质

当温度达到临界温度时，超导进入超导态，处在超导态的超导电阻为零，这就是超导的零电阻效应，是超导的最基本也是最直观的性质。超导体区别于一般完全导体的特征就是超导体还具有迈斯纳效应即完全抗磁性。这两个性质一起构成了超导最基本的微观机理，是人们认识超导研究超导并应用超导的基础。

一、零电阻效应：1911年，荷兰科学家昂尼斯用液氦冷却水银，当温度下降到4.2K 时发现水银的电阻完全消失，这种现象称为超导的零电阻效应。超导体当温度到达临界温度时，进入超导态，电阻为零。这一重要性质使得超导材料有着极大的应用前景，人们可以将导这一效应运用到能源和运输等领域上，将极大的减少成本并且带来经济效益。

二、迈斯纳效应：1933年德国物理学家迈斯纳和奥克森尔德在试验中发现：不论是在没有加外磁场还是加外磁场的情况下使样品变为超导态，只要，在超导内部总有

                           2-5

当施加一外磁场时，在样品内不出现净磁通密度的特征称为完全抗磁性，或迈斯纳效应。所以，不能把超导体和完全导体等同起来。除去零电阻而外，超导还有其独特的磁性质。超导体的磁状态是热力学状态，即在给定的条件下（如）下，它的状态是唯一的，与达到这一状态的具体过程无关。

超导体按其磁化特性可分成两类。第类超导体只有一个临界磁场。在超导态，具有迈斯纳效应。第II类超导体有两个临界磁场，即下临界磁场和上临界磁场。当外磁场小于时，同第类超导体一样，磁场被完全排出体外，此时，第II类超导体处于迈斯纳状态，体内没有磁感应线通过。当外场增加至和之间时，第II类超导体处于混合态，也称涡旋态。这时体内将有

部分磁感应线穿过，体内既有超导态部分，又有正常态部分，磁场只是部分地被排出。

2.2超导的分类

2.2.1按超导的化学成分分类

超导材料按其化学成分可分为元素材料、合金材料、化合物材料和超导陶瓷。

一、超导元素：在常压下有28种元素具超导电性，其中铌（）的最高，为9.26。电工中实际应用的主要是铌和铅（， =7.201），已用于制造超导交流电力电缆、高Q值谐振等。

二、 合金材料：超导元素加入某些其他元素作合金成分，可以使超导材料的全部性能提高。如最先应用的铌锆合金（Nb-75Zr），其为10.8K，为8.7T。继后发展了铌钛合金，虽然稍低了些，但高得多，在给定磁场能承载更大电流。其性能是Nb-33Ti，=9.3K，＝11.0T；Nb-60Ti， =9.3K，=12T(4.2K)。目前铌钛合金是用于7～8T磁场下的主要超导磁体材料。铌钛合金再加入钽的三元合金，性能进一步提高，Nb-60Ti-4Ta的性能是，＝9.9K，=12.4T（4.2K）；Nb-70Ti-5Ta的性能是，=9.8K，=12.8T。

三、超导化合物：超导元素与其他元素化合常有很好的超导性能。如已大量使用的，其，=24.5T。其他重要的超导化合物还有，=16.5，=24T。

四、超导陶瓷：20世纪80年代初，米勒和贝德诺尔茨开始注意到某些氧化物陶瓷材料可能有超导电性，他们的小组对一些材料进行了试验，于1986年在镧－钡－铜－氧化物中发现了=35K的超导电性。1987年，中国、美国、日本等国科学家在钡－钇－铜氧化物中发现处于液氮温区有超导电性，使超导陶瓷成为极有发展前景的超导材料。

2.2.2  按超导临界温度分类

一、低超导体：自从1911年昂尼斯发现汞、锡等元素具有超导电性以来，由于低温技术的发展，经过许多科学家的大量辛勤劳动，现在人们已经发现或制出上千种超导材料，在采用了特殊的技术后（如高压技术、薄膜技术、极快速冷却以及非晶无序技术等），以前不能显示出超导电性的许多元素，现在也已在一定条件下出现了超导态。为获得具有实用价值的超导材料，目前最重要的技术手段仍是制造合金和化合物，主要是二元的、三元的和多元的化合物及合金。组成这些化合物及合金的元素可以是超导元素，

（如=9.5，=16.5）

也可以只有一种是超导元素，或都不是超导元素，

（如多硫氮聚合物，）。

二、高温超导：1986年IBM的苏黎世实验室研究人员Mvller和Bednorz制成了钡镧铜氧化高温超导材料，其转变温度可能大于30K，由此在高温超导研究上取得了突破性进。

表2.2列出了一些在结构或化学式上不同的铜氧化合物超导体及其发现年。

表2.2  结构或化学上不同的铜氧化物超导体

1986年Mvller和Bednorz发现的高温铜氧化物超导体，是实现高温超导的途径之一，但不会是唯一的，有机超导材料方面的进展已经提供了另一种可能，虽然目前仍处在初期发展阶段。目前有机导体的电导率已达到铜的水平，有机超

导体发现以来临界温度已达到但人们利用对有机超导材料进行掺的形式，获得了多种高温超导。

表2-3 一些掺杂超导体

3 超导的应用

超导现象自从20世纪初被发现以来，就以其独特的魅力持续不断的吸引着广大科学家的关注，这不仅因为它能完美地展示物理学的一些重要规律，更重要的是它具有很多应用技术可广泛应用领域可以开拓，超导技术可广泛应用于能源、信息、医疗、交通、国防、科学研究及国防军工等重大工程方面。

从目前的研究情况来看， 超导技术的应用可分成三类：即强电即大电流应用、弱电即电子学应用以及完全抗磁性应用。

3.1  强电应用

大电流应用即超导发电、输电和储能，超导技术与电力技术的结合将给电力行业的发、输、配点带来性的改变，电力行业是超导产业最重要的应用场所和市场。

3.1.1  电力运输

一、高温超导电缆：现有电缆的扩容问题一直困扰着城市电力的发展。传统的城市地下输电电缆存在着通量小、损耗大、对土壤和地下水有热污染及油污染、土建费用高等问题，城市电力扩容变得越来越困难。高温超导电缆具有体积小、造价低、高节能、无污染等优点，具有巨大的经济效益和环保效益，终将替代传统电缆。

高温超导电缆的大规模应用能够极大地提高电力输电系统的运行效率，降低运行成本。目前国际上高温超导电缆的总体发展趋势是研制大容量、低交流损耗、超长高温超导电缆。

二、超导变压器：常规变压器有许多缺点，如负载损耗高、重量和尺寸大、过负载能力低、没有限流能力、油污染及寿命短等。在美国，变压器的总装机容量约为总发电量的3-4倍，其电力系统的网损约为总发电量的7.34%，其中25%为变压器损失。相比较而言，超导变压器体积小、重量轻、电压转换能量效率高、

火灾环境事故机率低、无油污染等优点，在提高电力系统的可靠性和运行性能、降低成本、节约能源、保护环境等方面有着重要的现实意义。

早在60年代，就有人对超导变压器进行研究。但是，由于交流损耗过大而认为是不经济的。只是最近几年由于极细丝超导复合导体的出现，超导变压器才成为有吸引力的应用项目。高温超导材料放宽了对细丝直径的要求。已有的液氦冷却的极细丝超导复合导体，估计损耗可降低至原来的1/2 到1/3，重量也可进一步减轻。高温超导变压器将比极细丝超导复合导作的变压器更优越。由于超导受到的磁场强度只有0.3-0.5T, 在变压器中采用高温超导材料是适当的。在液氮下的绝缘强度比液氦下的高，所以，将会使变压器绝缘更简化。

3.1.2  超导储能装置

超导储能装置是利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其他负载的一种电力设备。由于储能线圈由超导线绕制且维持在超导态，线圈中所储能几乎无损耗地永久储存下去直到需要释放时为止。超导储能装置不仅可用于调节电力系统的峰谷或解决电网瞬间断点对用电设备的影响，而且可用于降低或消耗电网的低频功率震荡从而改善电网的电压和频率特性，同时还可用于无功和功率因数的调节以改善电力系统的稳定性。

在军事上，聚能武器即定向能武器，在未来战争中将起举足轻重的作用，美国和俄罗斯已把定向能武器的研制摆在突出的位置。这样需要改革现有的储能设备和传能系统，而超导技术可以为定向能武器能源的问题的解决提供可能性。我们知道，聚能武器是把能量汇聚成极细的能束，沿着指定的方向，以光速向外发射能束，来摧毁目标。这里要解决技术上的一个难题：如何在瞬间提供大量的能量。也就是说需要一个电感储能装置，但普通线圈由于存在大量的能耗，因此不能长时间储存大量的能量。超导材料的零电阻的特性和高载流能力，使超导储能线圈能长时间、大容量地储存能量。这种储存的能量可以用于军事上，并且还可以多种形式发射能量。

3.2   弱电应用

弱电应用即电子学应用，包括超导计算机、超导天线、超导器件等，例如可

用于制造高速电子计算机和灵敏度极高的电磁探测设等。

3.2.1   约瑟夫森器件

超导技术的应用还可以利用超导隧道效应制成的约瑟夫森器件进行各种探测仪的制作。用它做成的各种探测器是普通探测仪器无法比拟的，它有很高的测量精度和稳定性。另外超导材料可应用于制造新一代的计算机——超导计算机，这种新型计算机在运算速度上比现在已有的计算机提高1-2个数量极。下面就超导隧道效应的应用给予介绍。

首先，隧道效应可应用于新型的超导电子计算机的硬件中。目前的计算机大多采用半导体技术，硅集成电路技术起了很大的作用，但要想继续提高计算机的性能和计算速度，能量消耗是一个因素，若在硅集成电路中提高计算速度，必然造成芯片的发热，这些热量会对半导体材料产生不良影响，若运算速度提高到某一限度时可能会使内部芯片发热而损坏内部元件。为了解决这一矛盾，利用超导材料可做成约瑟夫结。这里简单介绍一下它的原理：当它的电流小于临界电流，它是零电压输出；当通过它的电流大于时，它有毫伏量级电压输出。超导隧道结在不出现任何电阻的情况下有零电压和非零电压两种状态，所以用它可以组成逻辑电路，故可用它作为电子计算机的元件，用这种元件做成的计算机有许多优点，可使计算机运算速度提高一个数量级以上。

在军事上，由于现代战争更多使用电子战，计算机的应用显得十分重要，特别是超导计算机具有高的运算速度，可提高的应变反应速度。在工业生产和科研中，提高计算机的速度也很有意义，它可以提高生产效率和工作效率。

其次超导结的输出电压高，这意味着它输出的信号强，这一点可以使我们获得更加稳定、更加清晰的图像与数据，使我们今天使用的电脑在图像质量、清晰度及稳定性方面相形见绌。另外超导计算机功率损耗小，估计一次快速开关期间消耗的能量小于10-13 焦耳，这样使计算机内部几乎不发热，这一点对提高计算机的稳定性和延长计算机芯的寿命都非常重要。

利用约瑟夫森器件还可制成高灵敏度的超导磁场计，由于超导磁场计可分辨10-14 -10-15 特斯拉的磁场，它的测量精度比其它仪器高3- 4个数量级，因此它

可以测量极弱的磁场及磁场的微小的变化，我们可以用它来测量地雷和水雷，使测量的准确性大大提高。另外，我们在水雷上可安装超导磁强计作为追踪器。我们把这种水雷称为超导磁性水雷，它的命中率将远远高于其它水雷。

超导磁强计在地质探测方面也将大显身手。由于地下有各种的矿藏，必然影响地磁的分布，并且矿的种类不同，对地磁的影响程度也不同，由于超导磁强计具有很高的灵敏度，也就能把矿藏的影响测量出来，从而可以确定矿藏的确切位置。

另外，由于世界能源的缺乏，使人们对海洋特别是深海的开发有很大兴趣，同样我们可以用超导磁强计深入深海中，来探测海底的磁场及其变化，从而可以为我们探测开发海洋资源打下基础。在国防上我们可以用超导磁强计来探测沿海的各种船只，特别是潜艇的动向，当潜艇靠近海岸时，破坏了地磁分布，这时超导磁强计可立即显示磁场的变化，这个反潜方法比其它方法准确得多，一是测量精度高，二是这种方法是被动的 ，它能发现潜艇而潜艇不能发现它。

超导磁强计的另一个应用是预报地震，我们知道超导体可以被磁场悬浮起来，如果我们把一个超导体悬浮平衡在磁场中，当有地震时，由于地球内部结构的变化，造成重力发生变化，这时超导球的重量要发生变化，则球对磁场的压缩也随之改变，以致磁场发生畸变，虽然这种变化很小，但超导磁强计已完全可以将其测出。

3.2.2   超导测辐射热计

探测红外辐射用的测辐射热计是一种测辐射能的仪器，为了提高测辐射热计的灵敏度，就必须使它在低温下运行，如果利用超导体的某一种随温度而急剧变化的性质，那么超导体就可以成为有效的探测元件。第类和某些第II类超导体处于临界温度时电阻率就有这种性质。例如，锡在发生正常超导转变时，只要入射的辐射能使处在 的温度改变10-4K，就可以探测电阻的变化。此外，在低温下运行，不仅可以降低热噪声，而且由于比热的减小，可以使灵敏度提高。超导测辐射热计可以达到。

3.3   抗磁性应用

超导体的抗磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等，还可以来研究生物体内的结构及用于对人的各种复杂疾病的治疗。

3.3.1   超导磁悬浮列车

超导磁体系统用于火车的动力系统可生产出超导列车，这种列车具有低噪声、高速度、低消耗的特点。其原理是：在列车上装有超导磁体系统，当列车一旦运行时，下面的铁轨在磁体的交变磁场作用下产生涡流，这种涡流产生的磁场与列车上超导磁体的磁场相互作用，产生相斥作用力，可托起列车，当列车被托起后，它的运行阻力将大大减少，这样它的运行速度是普通列车无法比拟的，此外，它的两侧也安装超导磁体，在导轨的侧壁也装上导电板，保证列车在任何时候均在导轨的中心。

　　磁悬浮列车和常规列车比较有许多的优点，随着对磁浮列车的更多研究，人们发现它还具有其他诸多优点，如速度可以达到很高、污染小、爬坡能力强等等。特别是采用了超导型磁悬浮列车，它更有体积小、磁场强、能量消耗小、速度更高等优点，是最为理想的类型，我们知道磁悬浮列车有两种基本悬浮方式：电磁悬浮方式（EML）和电动悬浮方式（EDL。电磁悬浮方式需要很好的控制系统，而电动悬浮方式不需要控制系统，电动悬浮方式靠自身的运动就可以控制列车的高度，可见，电动悬浮方式是理想的悬浮方式。和常导型磁悬浮列车比较，低温超导型磁悬浮列车有许多优点，其一，超导体可以流过很大的电流，超导磁体的磁场要比常规电磁体的大。其二，超导体几乎没有电阻，损耗极小。一次通入电流用以励磁之后，即可去掉电源，只需维持其低温工作环境以保证它不失超。从长期使用的角度来看，超导磁体的能耗小、成本低，是一种理想的磁体。超导磁体由于其零电阻的特性，在处于超导状态时几乎不产生热，因此在不失超的情况下，通过超导磁体的电流可以很大而又不产生能量消耗，实现强磁场低能耗的要求。其三，重量轻，体积小。一个产生4～5T磁场、内径为0.2m的磁体线圈，常规磁体重为15～20t，体积约为（1～2）；而超导磁体的重量仅0.2～0.3kg，

体积只有10-4，包括低温容器在内也只有0.1。至此，我们也可看出人们之所以千方百计寻找并利用超导体的理由了。当然，低温超导的4.2K（-273℃）的工作温度也给低温超导带来了不少麻烦。与常规磁体相比，超导磁体的优越性是巨大的。

　　此外，超导磁体系统还可以用于火车的动力系统，即解决驱动问题。在低温超导磁浮中仍然采用线性电机驱动，这一点与常规是相同的。电机的推动原理是这样的：导轨中的线圈好比是旋转电机中的定子，当我们在线圈中通以交流电时，这些线圈中就会产生沿轨前进的磁场行波，任意一处的极性不断变化，车上磁体的极性不变，从而产生这样的效果：导轨中的磁场将一会儿拉车载磁体，一会儿推车上的磁体。磁浮车就运动起来了。低温超导车的直线电机效率可以高达70%～80%。

3.3.2   带有超导磁体的同步加速器

超导磁体在粒子加速方面大有作为。为了研究高能物，人们建造了大型粒子加速器，普通一台3000亿电子伏特的同步加速器，若采用1.2特斯拉的常规磁体，加速器的粒子轨道半径为1.2公里；改用6特斯拉的超导磁体，其轨道半径可减少到170米。在同步加速器中，随着粒子的加速，磁场强度必须相应变化，即当磁场强度逐渐增大时，粒子加速运动的轨道半径逐渐减小，这样可大大降低建造粒子加速器装置的成本。还有在同步加速器中获得的高能离子，需要通过偏转磁场把多种粒子分离出来，再用集束磁场把各种粒子分别集束。采用超导磁体产生强磁场，增强了偏转和集束能力，这样可使各个通道的长度大大减少。集束用的超导磁体，内径为10厘米，长度为60厘米，最大磁场为6特斯拉，磁场梯度1.2特斯拉/厘米，这样大的磁场梯度有利于集束所需的距离。

3.3.3   医用超导材料

一、医用超导磁体：超导技术在生物医学领域也有广泛的应用。首先，我们来看最近人们提出的关于治疗癌症的一种方法，首先人们根据癌症病理提出一种

设想，就是如何将局部癌变组织的营养来源切断，使癌细胞由于得不到营养而坏死，最终达到根治癌症的目。为了达到这一目的，我们可以生产出一种铁剂，这种铁剂经科学方法加工处理对人体无害（这一点在医学上已经变为现实），把这种铁剂注入人体血液中，然后我们可以在人体外用磁体诱导铁剂在人体血液中流动。这使我们最理想的方法是用超导磁体作为工具，因为超导磁体中无热产生，同时可以通过控制电流的方法控制磁场的大小，通常情况下超导磁体的磁场远大于普通磁体的磁场，同时导线中临界电流大，要产生某一特定的磁场，磁体可做得很小，这样有利操作，有利于超导磁体在人体表面自由移动。这样在超导磁体的作用下，血液中的铁剂可在血液中自由流动，在超导磁体作用下流向肿瘤、癌变部位，阻塞其周围的血管，使其肿瘤组织坏死，使癌变部位缩小乃至消失，这样做既能起到治疗作用又不开刀和插管，使病人免去许多病痛。另外也可以用药包在铁剂外，在超导磁体的诱导下这种铁剂到达病变部位，从而使药物直接作用于病变部位，取得最佳疗效。

二、射频超导量子干涉磁强计：由于超导技术的迅速发展，诞生了一门新兴的边缘学科——生物磁学。生物磁学是研究物质磁性、磁场与生命活动，生物特性之间的相互联系和影响的交叉学科。最近，人们已把对人体磁场的研究从实验室推广到临床诊断，取得了令人振奋的成果。生物磁学告诉我们，人体的心、脑和眼的活动伴随着电子的传递和离子的移动，这些带电粒的运动会在空间产生磁场，我们把人体中的电荷运动产生的磁场随时间的变化的曲线称为心（脑、眼）磁图，这与电场随时间的变化的曲线称为心（脑、眼）电图很相似。通过分析发现心（脑、眼）磁图中的磁场强度很小（大约10-9-10-13特），而地球产生的磁场强度（10-4-10-5特）比它大的多，所以心（脑、眼）磁图很容易受到地磁场的影响，为了准确的测量心（脑、眼）磁图，必须采用高灵敏度的磁强计-超导量子干涉磁强（SQUID），该磁强计可以探测到10-13特的磁场的变化。通过人们的不断的努力，科学家已经发明了射频超导量子干涉器，它的灵敏度更高，可探测到10-15特的磁场的变化。大大的促进了人体磁图的研究和应用。用超导量子干涉器测量出的心（脑、眼）等部位的磁图反映了人体心（脑、眼）等部位

的生理和病理状态。最近，科学家用超导量子干涉器来探索人脑的秘密，寻找人的感觉与思维活动和人的脑磁信号的关系，揭示一个未知的新世界。与心（脑、眼）等部位的电图相比较心（脑、眼）等部位的磁图有许多的优点，如有无电极接触干扰，能进行交、直流分量和三维磁场的测量，及分辨率高等优点，是一种十分理想的仪器。

三、超导核磁共振层析成像仪：今天，科学家已发明了一种新的诊断仪器——超导核磁共振层析成像仪，该诊断仪器是根据核磁共振的原理对人体进行诊断。所为核磁共振，是具有核磁矩的物质在一定的恒定磁场和交变磁场同时作用下，会对变化的电磁场产生强烈的共振吸收现象，称为核磁共振。超导核磁共振层析成像仪中的超导磁体可以在一个大的空间产生一个均匀的强磁场，故这种新的成像仪的分辨率很高。从生物磁学中我们可以知道，不同的核和同种核在不同的微观环境中有不同的共振谱线，因此可以由核磁共振谱线对人体的组成、状态、结构和变化过程进行分析，从而获得人体的生理和病理的信息。人们在核磁共振的原理下，进一步采用的超导核磁共振层析成像仪，可以得到人体、生物和材料内部某些核的浓度和状态的截面图像，并且可以获得三维截面图像，这种可以对人体内部的结构进行精细的分析，从而对人体的状态进行合理的诊断，判断人体组织是否发生病变。这种诊断的优点是对人体无电离辐射伤害，且截面图像的分辨率很高。采用超导磁体能够提高精度及图像的清晰度的原因可由以下分析得出，在生物体中，某些元素的自然含量很低，其旋磁比很弱，为了获得清晰的共振谱信号，必须提高背景磁场，当背景磁场达到10特，磁场的均匀度高于10-5和磁场的稳定度高于10-7时，我们可以得到理想的图像。而这样的磁场只有超导磁体就能产生。目前，超导核磁共振层析成像技术已在国内外医学界重视，进一步提高磁场强度及图像的分辨率的研究正在进行中。

4  研究现状与国内外发展趋势

超导技术是 21世纪具有战略意义的综合性高新技术，可广泛用于能源、信息、医疗、交通、国防、科学研究及国防军工等重大工程方面。超导技术的大规模应用主要取决于未来能否将超导体的临界温度变得更接近常温，从而降低超导技术应用的成本。而这又取决于人们能否找到更好的制作超导的材料，或者是改进超导的制作工艺。随着科技的发展，新的制作工艺会不断出现，具有良好超导性能的超导材料必然会被人们所发现。例如空间技术的发展带动了太空实验的发展，在太空微重力的条件下或许有我们想要的结果；再如纳米材相对于一般材料有着许多不为人知的优良特性，而或许新的超导材料就隐藏其中，重要的是人们不要停下探索的脚步，超导技术终将会取得大的突破。

根据国际超导科技界和相关产业部门的预测：2010 年，全球超导产业将达到 260亿美元，到2020年，将达到2400 亿美元以上。 21世纪的超导技术会如同20世纪的半导体技术一样具有重要意义。一方面，高温超导线材通电能力超出相同截面积铜导线 100倍以上，因而在能源领域应用潜力巨大，并有可能引发电力系统的。美国能源部认为高温超导电力技术是 21世纪电力工业惟一的高技术储备，是检验美国将科学发现转化为应用技术能力的重大实践。日本认为超导电力技术是在21 世纪全球竞争中保持尖端优势的关键所在。另一方面，超导元器件的高灵敏特性使得其在移动通信、航空航天、资源勘探、医疗诊断以及军事国防等领域有广阔的应用前景。随着国际竞争的激烈，环保这一概念将会越来越成为发达国家制定游戏规则的一个重要依据。发展能耗低、环境友好的超导技术具有重要的战略意义。

5  研究的主要方向

超导材料有着广阔的应用前景，但要用超导材料来改进现有的科技工程又决非易事。科学家和工程师们所遇到的困难是如何使超导材料实用化，即提高转变温度、临界电流密度和改良其加工性能，制造出理想的超导材料。

5.1  提高临界电流密度

目前， 高温超导材料的最突出的问题是在外加磁场下， 临界电流密度偏低。超导薄膜，一般是在弱磁场中工作，值(～A／era )基本可满足电子器件的要。但体材和线(带)材的值还远未达到实用化所要求的水平， 特别是在有外加磁场时，急剧下降。科学家对影响的原因和解决办法进行了大量研究。许多科学家都认为，影响的主要原因是：(1)晶界间的弱连结；(2) 晶粒中的磁力线运动。

造成弱连结的原因及弱连结的性质尚不十分清楚。一般认为是由于生成的晶体结构不佳、在晶界处存在位错、晶界处化学成份的改变及结晶的细微裂纹等原因使通道上的电流受阻。解决的方法是使结晶沿a—b导电层(层) 的方向择优生长，采用长时问退火、熔融织构法或定向凝固法等制备大平行板式结晶。这种排成直线的多晶消除了在电流方向上的弱连结，解决了各向异性的问题。

增强磁通钉扎可解决磁力线运动问题。一般来说，有效的磁通钉扎需要有足够的钉扎中心,其尺寸要与超导相干长度相匹配。增强磁通钉扎力的方法有中子辐照、相分解、引入弥散相、化学掺杂等,其作用都是引入钉扎中心。实验证明,中子或质子辐照后，可提高几十倍到近百倍实际上,很难把弱连接和磁通蠕动完垒割裂开来， 对于超导实用化来说， 都是迫切需要解决的问题。

5.2   制备长线材

在实际应用中，超导线材占有很大比重，困此，制备性能满足要求的高温超导线(带)材是重点研究课题之。

陶瓷超物质的脆性是其固有的特性,但也不是不可克服的。现在常用办法是将高温超导粉末装入有廷性的金属套管中,然后进行多道次拉拔。一般可采用铜或银包套,阻银包套为最佳。因为高温超导化合物对氧含最十分敏感，在氧气氛下拉拔， 氧气要通过金属包套渗透到高温超导化合物内部。银的透气性较好，又有好的延展性,所现在多使用银套管（或称银鞘法） 为了增加韧性，也可以往超导粉末中掺人一定量的金属粉末(如银粉)。有许多方法可制各线材，如溶胶一凝胶法、纺丝法、芯线涤布法、真空镀膜法、溅射法、化学气相沉积法等等。所有方法制得的线材长度都达不到实用化的水平。

随着长度的增加,高温超导的降低。同时应该看到，线材的长度不是孤立的问题，它与高温超导材料的合成、加工、连接等多种因素密切相关。

当前真空超导和纳米超导的发展也给超导的研究带来了光明，限于一些制作工艺和造价没有得到广泛的应用。我相信随着科技的进步，超导材料将给我们的社会带来更多地惊喜。

结束语

本文通过对超导的零电阻效应和迈斯纳效应的微观机理的研究，超导材料越来越为人们所熟知，正是因为超导的这些独特的性质，使得超导材料与其他传统材料相比，有着一些无与伦比的优势。超导材料将不可避免的取代传统材料在能源、信息、交通、军事、国防、医疗等领域中发挥重要作用，尤其是进来高临界温度超导的发展，已经在这方面显示出了重大的优越性与光明的应用前景。目前，超导技术的大规模应用主要取决于未来能否将超导体的临界温度变得更接近常温，从而降低超导技术应用的成本。而这又取决于人们能否找到更好的制作超导的材料，或者是改进超导的制作工艺。

总之，在可以预见的将来超导电性的研究和应用必将有一个突飞猛进的发展,据预测，2010年和2020年世界超导市场将分别达到300亿美元/年和2440美元/年。不久的将来,我国的能源、医疗卫生、电子技术和科学仪器等方面发展将会迫切需要超导技术的广泛应用。经来美国、日本、德国等国家关于超导产品的市场均把我国作为重要市场之一。能否抓住超导技术发展提供的历史性的机会、争取在这一新兴高技术产业中占有一席之地，是我国超导技术发展面临的一个重要课题也是给中国科学家提出的一个挑战。

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致  谢

我衷心的感谢我的论文指导老师畅兴平畅老师在本论文的设计和写作过程中给予的细致全面的帮助，畅老师多次对我耐心的当面指导，对我的论文写作提出了宝贵的建议，使我的写作能力有了很大的提升。畅老师悉心的指导、对细节的把握都深深的影响着我，让我从中受益不少，对我将来步入社会也有很大的帮助。

另外还要感谢我的同学们对我写作思路的启发和对我的支持和帮助。感谢我的舍友们对我写作过程中的帮助以及提出的意见和建议。

最后还要感谢我的班主任谢老师为我提供大量的参考资料，对我论文的撰写提供了大量的帮助。