稀土高溫超導(dǎo)材料是一種高科技稀土功能材料，將會(huì)給現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展帶來不可估量的影響，也會(huì)給我們的生活帶來全新的變化。

看過美國科幻大片 《阿凡達(dá)》的人，大概都不會(huì)忘記影片中神奇的哈利路亞山。那里的山巒居然能懸浮云端，山上竟有飛瀑傾瀉而下，真是讓人不可思議。影片介紹這些山體含有Unobtanium礦石，說那是一種罕見的常溫超導(dǎo)體，在生命之樹區(qū)域強(qiáng)大的磁場(chǎng)作用下，所顯示出來的一種特有效應(yīng)——磁懸浮。以科學(xué)的眼光來看，這確實(shí)是一種超導(dǎo)磁懸浮現(xiàn)象，只是無比夸張罷了。影片談到，地球人為了開采這種特殊礦石來到潘多拉星球，期望用它來解決地球資源日漸枯竭所面臨的能源危機(jī)。應(yīng)該說，大導(dǎo)演卡梅隆真是相當(dāng)善于利用高科技的噱頭，不僅利用影片反映了當(dāng)今人類面臨的危機(jī)和困境，而且隱約說出了未來解決這些問題我們所要倚仗的對(duì)象，還把影片拍得如此吸引世人的眼球，賺得一個(gè)盆滿缽滿，獲得史無前例的27億美金的票房收入。人們自然會(huì)問，究竟什么是超導(dǎo)？超導(dǎo)與我們的生活有關(guān)嗎？超導(dǎo)離我們遙遠(yuǎn)嗎？

圖17-1 哈利路亞山

圖17-2 電影 《阿凡達(dá)》場(chǎng)景

記得20世紀(jì)80年代中期，新聞媒體時(shí)常連篇累牘地報(bào)道美、中、日三國科學(xué)家在超導(dǎo)領(lǐng)域的最新成果，同時(shí)還發(fā)表了許多相關(guān)的介紹和評(píng)論，經(jīng)過超導(dǎo)界這一波緊張刺激、你追我趕的研究熱潮，不少人對(duì)超導(dǎo)現(xiàn)象和超導(dǎo)材料已不再陌生。時(shí)光荏苒，超導(dǎo)熱雖然已不復(fù)當(dāng)年盛景，但電影 《阿凡達(dá)》像突如其來的一場(chǎng)視覺盛宴，讓人們?cè)谛蕾p影片的同時(shí)，不知不覺間對(duì)磁懸浮產(chǎn)生了全新的印象，還對(duì)常溫超導(dǎo)及相關(guān)技術(shù)的開發(fā)又重新燃起了新的期待。

讓我們先回到一百多年前，當(dāng)時(shí)物理學(xué)界的泰斗級(jí)人物、英國的開爾文勛爵在1902年曾提出一種觀點(diǎn)，認(rèn)為隨著溫度的降低，金屬的電阻在達(dá)到一個(gè)極小值后，會(huì)由于電子凝聚到金屬原子上而變?yōu)闊o限大。也有人認(rèn)為，純金屬的電阻應(yīng)該隨溫度的降低逐漸變小，并最終在絕對(duì)零度時(shí)消失。1908年，荷蘭萊頓大學(xué)的K.昂尼斯終于征服了最難液化的、曾被認(rèn)為是永久氣體的氦氣，獲得了當(dāng)時(shí)的最低溫度4.2K。1911年，當(dāng)他安排他的學(xué)生測(cè)量金屬汞在如此低溫下的電阻時(shí)，竟然驚奇地發(fā)現(xiàn)汞的電阻并不如預(yù)想的那樣隨溫度降低逐漸減小，而是當(dāng)溫度降到4.15K附近時(shí)，水銀的電阻突然降為零，由此發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象。能夠發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象的物質(zhì)叫做超導(dǎo)體，超導(dǎo)體可以是金屬、合金或化合物，超導(dǎo)體由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)的溫度稱為臨界溫度Tc。1913年，昂尼斯又發(fā)現(xiàn)錫和鉛也具有超導(dǎo)電性，他因?yàn)閷?duì)物質(zhì)低溫性質(zhì)的研究和液氦的制備榮獲了1913年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，被譽(yù)為超導(dǎo)之父。

圖17-3 超導(dǎo)之父——昂尼斯

圖17-4 汞在低溫下的電阻變化

超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)曾被美國 《商業(yè)周刊》稱為 “比電燈泡和晶體管還重要”。因?yàn)檫M(jìn)入超導(dǎo)態(tài)后的材料電阻為零，這時(shí)若電流形成回路會(huì)因?yàn)闆]有損耗成為永久電流。File和Mills曾利用精確核磁共振方法通過測(cè)量超導(dǎo)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)來研究螺線管內(nèi)超導(dǎo)電流的衰變，結(jié)論是超導(dǎo)電流的衰變時(shí)間大于10萬年。

1933年，荷蘭的邁斯納和奧森菲爾德共同發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體的另一重要特性——完全抗磁性。即置于外磁場(chǎng)中的超導(dǎo)體會(huì)表現(xiàn)出完全的抗磁性，超導(dǎo)體內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度恒為零，這種現(xiàn)象稱為邁斯納效應(yīng)。邁斯納效應(yīng)產(chǎn)生的原因是超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，在外加磁場(chǎng)作用下，超導(dǎo)體表面會(huì)產(chǎn)生一個(gè)無損耗感應(yīng)電流，磁感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與外加磁場(chǎng)大小相等，方向相反，從而使超導(dǎo)體內(nèi)部磁場(chǎng)為零。邁斯納效應(yīng)表明超導(dǎo)態(tài)的完全抗磁性與超導(dǎo)體如何進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的過程無關(guān)，故超導(dǎo)態(tài)是一個(gè)熱力學(xué)平衡態(tài)。

零電阻現(xiàn)象和邁斯納效應(yīng)是超導(dǎo)材料不同于其他材料的兩個(gè)重要特征，是判斷和檢驗(yàn)材料是否具有超導(dǎo)性的兩個(gè)依據(jù)。

1957年，巴丁 （J.Bardeen）、庫珀 （L.N.Cooper）和施里弗 （J.R.Schrieffer）成功建立常規(guī)金屬合金超導(dǎo)體的微觀理論，即著名的BCS理論，三人因此榮獲1972年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。BCS理論認(rèn)為，金屬材料在低溫條件下，材料中能量較高的巡游電子會(huì)借助周期排列的原子振動(dòng)交換的能量，進(jìn)行兩兩配對(duì) （稱為庫珀對(duì)），這些電子對(duì)將集體關(guān)聯(lián)共同凝聚到一個(gè)低能態(tài)，即形成大量庫柏對(duì)的集合態(tài)就是超導(dǎo)態(tài)。庫柏對(duì)是現(xiàn)代超導(dǎo)理論的基礎(chǔ)。BCS理論是第一個(gè)，也是目前唯一成功解釋超導(dǎo)現(xiàn)象的微觀理論。該理論認(rèn)為，在超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)之間存在一個(gè)能隙，其大小與電子分布結(jié)構(gòu)及原子振動(dòng)能量有關(guān)。要破壞電子對(duì)需要付出一定能量，所以超導(dǎo)態(tài)在低外磁場(chǎng)和低溫下屬于穩(wěn)定存在的有序量子態(tài)。配對(duì)后的電子對(duì)在運(yùn)動(dòng)中各自受到的散射將相互抵消，結(jié)果相當(dāng)于他們?cè)谶\(yùn)動(dòng)中不受阻礙，表現(xiàn)出零電阻的特征。材料中所有電子對(duì)之間的集體關(guān)聯(lián)效應(yīng)能夠把外磁場(chǎng)屏蔽，表現(xiàn)出完全抗磁性。但隨著超導(dǎo)體承載的電流密度增大，電子對(duì)獲得的能量超過能隙后將被拆散，超導(dǎo)態(tài)也就被破壞了，這個(gè)最大電流密度稱為超導(dǎo)體的臨界電流密度。

1962年，年僅22歲的英國劍橋大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)博士研究生B.約瑟夫森預(yù)言，當(dāng)兩個(gè)超導(dǎo)體之間設(shè)置一個(gè)絕緣薄層構(gòu)成SIS形成弱連接時(shí)，會(huì)有電子對(duì)穿過絕緣層形成電流，即電子對(duì)能夠穿過絕緣層從一個(gè)超導(dǎo)體到達(dá)另一個(gè)超導(dǎo)體，而絕緣層兩側(cè)沒有電壓，此時(shí)絕緣層也成了超導(dǎo)體。這一預(yù)言很快被P.W.安德森和J.M.羅厄耳的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，電子對(duì)通過兩塊超導(dǎo)金屬間的厚度約為1納米的薄絕緣層時(shí)發(fā)生了量子隧道效應(yīng)，這一現(xiàn)象稱之為約瑟夫森效應(yīng)。約瑟夫森由于預(yù)言隧道超導(dǎo)電流，將其解釋為具有超導(dǎo)性的庫珀對(duì)的隧穿效應(yīng)，榮獲了1973年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。約瑟夫森效應(yīng)是一種宏觀量子力學(xué)效應(yīng)，具有重要的理論意義，已成為超導(dǎo)弱電應(yīng)用的理論基礎(chǔ)。利用該效應(yīng)可制成超導(dǎo)量子干涉器件，這種器件具有噪聲小、功耗低、反應(yīng)速度快、靈敏度高等特點(diǎn)，可進(jìn)行高精度、弱信號(hào)的電磁測(cè)量，在量子電路中應(yīng)用廣泛，是超導(dǎo)磁強(qiáng)計(jì)、磁梯度計(jì)、磁化率計(jì)、高靈敏度的檢流計(jì)和電壓計(jì)、噪聲溫度計(jì)等的重要組成部分，還可用于微波、遠(yuǎn)紅外探測(cè)器和混頻器及超導(dǎo)計(jì)算機(jī)中。

早期的超導(dǎo)材料只能在接近液氦 （-269℃）的超低溫下使用，嚴(yán)重限制了其應(yīng)用范圍?？茖W(xué)家一直在探索、尋找臨界溫度Tc更高的超導(dǎo)體，以便能夠?qū)⑵鋺?yīng)用在日常的生產(chǎn)和生活中，發(fā)揮其巨大的科技和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。根據(jù)BCS理論，要實(shí)現(xiàn)高Tc就必須要借助能量更高的原子振動(dòng)方式，但原子振動(dòng)過強(qiáng)，又會(huì)使材料的微觀結(jié)構(gòu)失穩(wěn)發(fā)生塌縮。因此有人預(yù)言在BCS理論框架下，Tc將不會(huì)超過30K。事情的發(fā)展確如理論所預(yù)言那樣，此后科學(xué)家們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，在常壓和極低的溫度下，有近30種元素的單質(zhì)具超導(dǎo)電性，其中鈮的Tc最高，為9.26K。超導(dǎo)元素與其他元素作成合金或形成化合物后，材料的超導(dǎo)性可能會(huì)有很大提高，已發(fā)現(xiàn)的合金或化合物超導(dǎo)體達(dá)到一千多種，其中以1973年發(fā)現(xiàn)Nb3Ge的Tc最高，達(dá)到23.2K，但并未打破30K上限的預(yù)言。從1911年到1986年的七十五年間，從汞的4.2K到鈮三鍺的23.2K，超導(dǎo)材料的臨界溫度僅僅提高了19K，離高溫或常溫超導(dǎo)的要求相去何止萬里。這使超導(dǎo)的研究和應(yīng)用完全依賴于稀有、昂貴、操作復(fù)雜的液氦，嚴(yán)重制約了超導(dǎo)領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用研究。眼看著超導(dǎo)材料的大規(guī)模應(yīng)用遙遙無期，許多人失去了對(duì)超導(dǎo)進(jìn)行繼續(xù)研究、探索的興趣和動(dòng)力。

圖17-5 周期表中的超導(dǎo)元素

1986年1月，已快山窮水盡的超導(dǎo)材料研究突然出現(xiàn)柳暗花明的一幕，美國國際商用機(jī)器公司設(shè)在瑞士蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家，瑞士的K.A.米勒和聯(lián)邦德國的J.G.柏諾茲在以絕緣體為母體的銅氧化物材料鑭鋇銅氧（La2Ba Cu4Ox）中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)電性，其Tc高達(dá)35K，一舉打破BCS理論預(yù)言的上限。一石激起千層浪，這個(gè)重大突破立即掀起了全球范圍內(nèi)以研究金屬氧化物陶瓷材料為對(duì)象，以尋找高臨界溫度超導(dǎo)體為目標(biāo)的 “超導(dǎo)熱”，開創(chuàng)了液氮溫區(qū)超導(dǎo)體 （即高溫超導(dǎo)體）的新紀(jì)元。緊接著，日本東京大學(xué)工學(xué)部將超導(dǎo)溫度提高到37K，美國休斯敦大學(xué)宣布，美籍華裔科學(xué)家朱經(jīng)武將超導(dǎo)溫度提高到40.2K。一時(shí)間全世界有260多個(gè)實(shí)驗(yàn)小組參加了這場(chǎng)高科技競(jìng)賽。

1987年1月，日本川崎國立分子研究所將超導(dǎo)溫度提高到43K，不久日本綜合電子研究所又將超導(dǎo)溫度提高到46K和53K。中國科學(xué)院物理研究所由趙忠賢、陳立泉領(lǐng)導(dǎo)的研究組，獲得了48.6K的鍶鑭銅氧系超導(dǎo)體，并看到這類物質(zhì)有在70K發(fā)生轉(zhuǎn)變的跡象。2月15日美國報(bào)道朱經(jīng)武、吳茂昆獲得了98K超導(dǎo)體。2月20日，中國也宣布發(fā)現(xiàn)100K以上超導(dǎo)體。3月3日，日本宣布發(fā)現(xiàn)123K超導(dǎo)體。3月12日中國北京大學(xué)成功地用液氮進(jìn)行超導(dǎo)磁懸浮實(shí)驗(yàn)。3月27日美國華裔科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)在氧化物超導(dǎo)材料中有轉(zhuǎn)變溫度為240K的超導(dǎo)跡象。很快日本鹿兒島大學(xué)工學(xué)部發(fā)現(xiàn)由鑭、鍶、銅、氧組成的陶瓷材料在14℃溫度下存在超導(dǎo)跡象……

后來到1993年，人們又合成Hg系高溫超導(dǎo)體，其中Hg Ba2Cam-1CumO2m+2+δ的臨界溫度在30GPa的壓力下可達(dá)164K，是迄今發(fā)現(xiàn)的最高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。

如此激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)引起超導(dǎo)界及整個(gè)凝聚態(tài)物理領(lǐng)域一輪前所未有的研究熱潮，在許多材料如稀土系 （Y-Ba-Cu-O，90K）、鉍系 （Bi-Sr-Ca-Cu-O，110K）、鉈系 （Tl-Ba-Ca-Cu-O，125K）、汞系 （Hg-Ba-Ca-Cu-O，135K）中發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性，由于這些材料組分中都含銅氧元素，故稱為銅氧化物超導(dǎo)體。這類材料的超導(dǎo)機(jī)制不能用BCS理論進(jìn)行解釋，稱為非常規(guī)超導(dǎo)體。此外，人們還在其他許多材料中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)電性，如鈦氧化物、鈮氧化物、釕氧化物、鈷氧化物等，只是它們的Tc不如銅氧化物高。

高溫超導(dǎo)體的這一重大突破，為超導(dǎo)材料的應(yīng)用開辟了廣闊的前景。因?yàn)榈强諝獾闹饕煞?，液氮制冷設(shè)備簡(jiǎn)單，液氮制冷機(jī)的效率比液氦至少高十倍，液氮價(jià)格只有液氦的百分之一。用液氮代替液氦作超導(dǎo)制冷劑獲得超導(dǎo)體不僅使用成本大幅降低，而且應(yīng)用更加方便，使得超導(dǎo)技術(shù)走向大規(guī)模開發(fā)應(yīng)用成為可能，也讓許多原本沒有能力從事超導(dǎo)研究和應(yīng)用開發(fā)的機(jī)構(gòu)能夠參與進(jìn)來，所以盡管現(xiàn)有的高溫超導(dǎo)體仍需用液氮進(jìn)行冷卻，卻已成為20世紀(jì)科學(xué)史上最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。米勒和柏諾茲也因發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)體榮獲1987年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

高溫超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)初期，人們對(duì)其應(yīng)用前景充滿期待。但經(jīng)過二十多年努力，盡管銅氧化物高溫超導(dǎo)材料的質(zhì)量和性能不斷提高，在高敏感磁信號(hào)探測(cè)和微波通訊等領(lǐng)域取得了重大的進(jìn)展，釔鋇銅氧超導(dǎo)體和鉍系超導(dǎo)體還制成了高質(zhì)量的超導(dǎo)電纜。但在超導(dǎo)輸電、超導(dǎo)強(qiáng)磁和超導(dǎo)磁懸浮等方面卻仍然難以獲得大規(guī)模應(yīng)用。因?yàn)檫@類材料屬于非理想第二類超導(dǎo)體，混合態(tài)的性質(zhì)復(fù)雜多變，臨界電流密度較小，不適于承載大電流，銅氧化物又是陶瓷材料，柔韌性和延展性遠(yuǎn)不如金屬材料，存在機(jī)械加工上的諸多困難。

2006年5月，日本的細(xì)野秀雄研究小組偶然發(fā)現(xiàn)La OFe P中出現(xiàn)Tc為5K左右的超導(dǎo)電性。2008年1月，他們又成功在F摻雜的La Fe As O1-xFx材料中發(fā)現(xiàn)了Tc高達(dá)26K的超導(dǎo)電性，引起關(guān)注。我國趙忠賢等人對(duì)該系列超導(dǎo)體進(jìn)行詳細(xì)地探索和研究后，不僅找到了許多新體系的超導(dǎo)體如Sm Fe As O，而且還把Tc翻了一番，達(dá)到了56K。這類超導(dǎo)體被稱為鐵基超導(dǎo)體，是繼銅氧化物高溫超導(dǎo)體之后發(fā)現(xiàn)的第二個(gè)高溫超導(dǎo)家族。鐵基超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，又讓科學(xué)家對(duì)常溫超導(dǎo)充滿了期待，引發(fā)了又一波研究和尋找常溫超導(dǎo)的熱潮，尋找更高臨界溫度的超導(dǎo)體再次成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

鐵基高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)顛覆了磁性和超導(dǎo)相互矛盾的觀念，被認(rèn)為是介于銅基高溫超導(dǎo)體和常規(guī)高溫超導(dǎo)體之間的一類新材料，對(duì)超導(dǎo)理論和應(yīng)用研究有重要意義，因?yàn)橹两襁€沒有一個(gè)公認(rèn)的理論能夠完美地解釋高溫超導(dǎo)的機(jī)理?？茖W(xué)家們相信，有關(guān)銅氧化物和鐵基超導(dǎo)體的基礎(chǔ)研究也許能夠提供一些參考和線索。另外還發(fā)現(xiàn)了重費(fèi)米子超導(dǎo)體Ce-Co In5、有機(jī)物超導(dǎo)體、摻雜C60超導(dǎo)體及Mg B2超導(dǎo)體等。

高溫超導(dǎo)材料的兩次重要突破，即銅氧化物超導(dǎo)體和鐵基超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，我們都能看到稀土元素的身影，使超導(dǎo)材料能在價(jià)廉易得的液氮中使用，對(duì)超導(dǎo)材料的研制和應(yīng)用開發(fā)起到了巨大的推動(dòng)作用。盡管稀土元素中只有鑭屬于超導(dǎo)元素，α-La的Tc為5.0K，β-La的Tc為6.3K。但在超導(dǎo)材料中添加稀土元素卻有可能大幅提高超導(dǎo)材料的臨界溫度（一般可達(dá)70～90K），如超導(dǎo)陶瓷大多為含稀土的陶瓷材料。

稀土超導(dǎo)材料主要有兩個(gè)系列，也被稱為稀土214、123家族。其中，稀土214家族的化學(xué)通式一般寫為（R，Ba）2Cu O4-x，R表示某稀土元素，至少有十種稀土元素可供選擇。在晶格中，R和Ba的位置是等價(jià)的，故將它們看作一類原子。通式中含2個(gè) （R、Ba）類原子，1個(gè)Cu原子，4個(gè)氧原子，所以稱214結(jié)構(gòu)。由于晶格中一般存在氧原子少缺現(xiàn)象，故通式往往寫成O4-x。這個(gè)家族的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度約為36K。

稀土123家族的化學(xué)通式為RBa2Cu3O7-x。該家族通式中金屬元素的個(gè)數(shù)分別為1、2、3，故稱稀土123超導(dǎo)體家族，或稱釔家族。釔鋇銅氧（Ba2YCu3O7-x）超導(dǎo)材料中的Y可被其他13稀土元素，特別是重稀土元素 （如Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Tb和Lu等）取代，形成相應(yīng)的單相或多相超導(dǎo)材料。這個(gè)家族的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為90K左右。

圖17-6 各種超導(dǎo)材料及其結(jié)構(gòu)模型

圖17-7 已發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體及其代表材料結(jié)構(gòu)

超導(dǎo)體可分為兩類，第一類是其零電阻和邁斯納態(tài)同時(shí)存在，或被外加磁場(chǎng)同時(shí)破壞。第二類除了邁斯納態(tài)和正常態(tài)外，還存在混合態(tài)。當(dāng)外界磁場(chǎng)大于下臨界磁場(chǎng)又小于上臨界磁場(chǎng)時(shí)，超導(dǎo)體內(nèi)既有超導(dǎo)區(qū)又有正常區(qū)，會(huì)有部分磁通穿入超導(dǎo)體，材料同時(shí)具有超導(dǎo)電性和磁性，故稱為混合態(tài)。大部分超導(dǎo)材料屬于第二類超導(dǎo)體，處于混合態(tài)的超導(dǎo)體仍具有部分抗磁能力，也能實(shí)現(xiàn)磁懸浮。

第二類超導(dǎo)體又分兩種，一種為理想II類超導(dǎo)體，這類材料經(jīng)退火處理后構(gòu)成較均勻，在混合態(tài)時(shí)內(nèi)部磁通線呈均勻分布。另一類為非理想II類超導(dǎo)體，這類材料未經(jīng)退火處理，樣品內(nèi)部存在空位、雜質(zhì)、位錯(cuò)、微裂紋、層錯(cuò)、脫溶相等缺陷，混合態(tài)時(shí)內(nèi)部磁通線分布不均勻，高溫超導(dǎo)體就屬于這種類型。非理想第II類超導(dǎo)體具有很高的無阻載流能力，是真正能實(shí)用的超導(dǎo)材料。

超導(dǎo)體從材料也可分為元素超導(dǎo)體、合金或化合物超導(dǎo)體、氧化物超導(dǎo)體即陶瓷超導(dǎo)體三大類。從使用溫區(qū)可分為液氦溫區(qū)超導(dǎo)體 （4.2K以下）、液氫溫區(qū)超導(dǎo)體 （20K以下）、液氮溫區(qū)超導(dǎo)體 （77K以下）和常溫超導(dǎo)體四大類。

由于超導(dǎo)材料具有零電阻、完全抗磁性和超導(dǎo)隧道效應(yīng)等優(yōu)異特性，使得高溫超導(dǎo)和常溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用前景非常美妙，主要表現(xiàn)在大電流應(yīng)用、電子學(xué)應(yīng)用和抗磁性應(yīng)用三個(gè)方面。

超導(dǎo)材料在大電流應(yīng)用方面包括超導(dǎo)發(fā)電、超導(dǎo)輸電和超導(dǎo)儲(chǔ)能。利用材料的超導(dǎo)電性可制作大型磁體，用于電機(jī)、高能粒子加速器、磁懸浮運(yùn)輸、磁流體發(fā)電、受控?zé)岷朔磻?yīng)和儲(chǔ)能等。超導(dǎo)磁體能在較大的空間內(nèi)產(chǎn)生很高的磁場(chǎng)，且只需消耗極少的電能，就能獲得10T以上的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)。而用常規(guī)導(dǎo)體做磁體，要產(chǎn)生這么大的磁場(chǎng)，需消耗3.5兆瓦的電能及大量的冷卻水，投資巨大。利用超導(dǎo)線圈磁體可以將發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)強(qiáng)度提高到5～6T，卻幾乎沒有能量損失，交流超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的單機(jī)發(fā)電容量比常規(guī)發(fā)電機(jī)提高5～10倍，達(dá)10000MW，而體積可減少1/2，整機(jī)重量減輕1/3，發(fā)電效率提高50%。另外，還有許多國家正在研制利用超導(dǎo)強(qiáng)磁體的百萬千瓦級(jí)的磁流體發(fā)電機(jī)。核聚變反應(yīng)時(shí)內(nèi)部溫度高達(dá)1億～2億℃，超導(dǎo)體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)可作為 “磁封閉體”將其產(chǎn)生的超高溫等離子體包圍、約束起來，然后再慢慢釋放達(dá)到受控目的。

超導(dǎo)材料可用于制作電力電纜和超導(dǎo)變壓器，把電力幾乎無損耗地輸送給用戶。傳統(tǒng)電纜由于有電阻，即使采用超高壓輸電損耗也很大，電流密度一般為300～400A/cm2。據(jù)統(tǒng)計(jì)，用銅或鋁導(dǎo)線輸電，約有15%的電能損耗在輸電線路上，我國每年這方面的電力損失就有1000多億度。若改用超導(dǎo)輸電，節(jié)省的電能相當(dāng)于新建數(shù)十個(gè)大型發(fā)電廠。因?yàn)楦邷爻瑢?dǎo)電纜的電流密度超過10000A/cm2，傳輸容量比傳統(tǒng)電纜高3～5倍，但功率損耗僅為后者的40%，所以利用超導(dǎo)材料遠(yuǎn)距離輸電能夠最大限度地降低損耗。因此，高溫超導(dǎo)技術(shù)被喻為21世紀(jì)最具潛力的電工技術(shù)，有人預(yù)測(cè)，到2025年全球高溫超導(dǎo)電纜市場(chǎng)價(jià)值將達(dá)60億元。超導(dǎo)變壓器無發(fā)熱損耗，還能使體積減小40%～60%。中小型超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)可用于改善提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、改善電能質(zhì)量，也可作為緊急備用電源。超導(dǎo)體強(qiáng)大的磁場(chǎng)能夠貯存大量的電磁能，還能在瞬間釋放，這在軍事上非常有用，可作為定向能武器或電磁炮的能量轉(zhuǎn)換裝置。超導(dǎo)磁體用于核磁共振 （NMR）、磁共振成像（MRI）能提高分辨率。

鉍系 （BSCCO）高溫超導(dǎo)材料是目前技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛和商業(yè)化程度最高的超導(dǎo)材料，被稱為第一代超導(dǎo)材料。稀土系 （YBCO）高溫超導(dǎo)材料具有較強(qiáng)的載流能力、抗磁場(chǎng)衰竭能力以及較低的理論價(jià)格，成為各國研發(fā)和生產(chǎn)的重點(diǎn)超導(dǎo)材料，被稱為第二代高溫超導(dǎo)材料，其中，含釔的YBCO（釔鋇銅氧）和含釹的NBCO（釹鋇銅氧）這兩種線材由于有更好的磁場(chǎng)特性，有可能成為超導(dǎo)線材的主流。另外，歐盟從2008年開始就致力于第二代高溫超導(dǎo)材料在電網(wǎng)高壓開關(guān)的應(yīng)用研究，已取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。這種高壓開關(guān)在電流正常時(shí)電阻幾乎為零，電流過大瞬間則自動(dòng)變成強(qiáng)大的電流阻斷器并切斷故障線路。

超導(dǎo)材料在電子學(xué)方面的應(yīng)用包括超導(dǎo)計(jì)算機(jī)、超導(dǎo)天線、超導(dǎo)器件等，其性能優(yōu)于常規(guī)材料。如利用約瑟夫森結(jié)作計(jì)算機(jī)的邏輯和存儲(chǔ)元件，運(yùn)算速度比高性能集成電路的快10～20倍，功耗僅為后者的四分之一。還可利用約瑟夫森效應(yīng)制作一系列精密測(cè)量?jī)x表及輻射探測(cè)器、微波發(fā)生器等，在弱電磁檢測(cè)領(lǐng)域具有不可替代的優(yōu)越性，能探測(cè)強(qiáng)度為地磁場(chǎng)十億分之一到百億分之一的磁信號(hào)，高溫超導(dǎo)量子干涉儀已形成小規(guī)模市場(chǎng)，超導(dǎo)心/腦磁圖儀也將成為一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域。還可用于磁性掃雷技術(shù)和磁分離技術(shù)等。由于高溫超導(dǎo)材料在微波頻段的表面電阻接近0，用它制作的濾波器幾乎可以達(dá)到理想的濾波性能，在移動(dòng)通信頻率 （～1GHz）附近，YBCO超導(dǎo)薄膜的表面電阻僅為銅的千分之一，用其制備的濾波器插損極小，可使手機(jī)發(fā)射功率大幅降低，顯著提高基站接收靈敏度，改善通信質(zhì)量。

利用超導(dǎo)材料的邁斯納效應(yīng)可制造超導(dǎo)磁懸浮列車、超導(dǎo)船，無摩擦的陀螺儀和無磨損軸承，也可用于熱核聚變反應(yīng)堆的超導(dǎo)磁約束。其中超導(dǎo)懸浮的軸承轉(zhuǎn)速可高達(dá)每分鐘10萬轉(zhuǎn)以上。

懸浮是指物體克服地球的吸引力、且不與周圍物體相互接觸的一種隨機(jī)或穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。懸浮包括氣懸浮、聲懸浮、光懸浮和磁懸浮等。氣懸浮因有許多致命弱點(diǎn)而被放棄。聲懸浮僅限于在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究，懸浮重量?jī)H為毫克量級(jí)，光懸浮也僅限于體積小、質(zhì)量輕的物體懸浮。

超導(dǎo)磁懸浮則利用超導(dǎo)體的完全抗磁性，把一塊永久磁體放在超導(dǎo)體的上方，超導(dǎo)體和永磁體之間就會(huì)產(chǎn)生排斥力，使得永磁體懸浮在超導(dǎo)體的上方。這種懸浮力的本質(zhì)是超導(dǎo)體表面的屏蔽電流在超導(dǎo)體外產(chǎn)生的磁場(chǎng)與永磁體磁場(chǎng)之間的排斥力。利用超導(dǎo)體與永磁體之間的這種排斥行為，可以實(shí)現(xiàn)無接觸、無摩擦的轉(zhuǎn)動(dòng) （如超導(dǎo)磁懸浮軸承、超導(dǎo)儲(chǔ)能飛輪等）或無接觸的懸浮輸運(yùn) （如超導(dǎo)磁懸浮列車）。磁懸浮沒有摩擦力，不存在摩擦損耗，磁懸浮系統(tǒng)無需潤滑劑，能夠大幅度降低設(shè)備損耗和能量消耗，提高設(shè)備使用效率，延長設(shè)備使用壽命，是目前工業(yè)、工程和懸浮列車設(shè)計(jì)研發(fā)中常見的懸浮模式。

圖17-8 超導(dǎo)磁懸浮與聲懸浮

圖17-9 德、日磁懸浮列車系統(tǒng)

磁懸浮列車有德國所采用的常導(dǎo)型 （EMS）和日本所采用的超導(dǎo)型 （EDS）兩種，在德、日、美、中國都有商業(yè)化的磁懸浮運(yùn)行線路。其中常導(dǎo)型磁懸浮列車優(yōu)點(diǎn)是靜止時(shí)能實(shí)現(xiàn)懸浮，不足是不穩(wěn)定，需要反饋系統(tǒng)控制，軌道要求高。超導(dǎo)型（EDS）磁懸浮列車優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行，懸浮間隙大，缺點(diǎn)是靜止時(shí)需機(jī)械輪軌支撐，且無閉環(huán)控制，斥力受外磁場(chǎng)影響明顯，車體易顛簸，車體內(nèi)磁場(chǎng)對(duì)人體危害較大。此外還有混合磁懸浮系統(tǒng)。但這些磁懸浮系統(tǒng)造價(jià)都很昂貴，上海磁懸浮線路總長約30千米，實(shí)際投資為100億元人民幣，即每千米至少需要3億元人民幣，短期內(nèi)難以推廣應(yīng)用。2003年日本磁懸浮創(chuàng)造了最大時(shí)速581km/h的世界紀(jì)錄，2015年又創(chuàng)下590km/h的新紀(jì)錄，是下一代的交通工具。

圖17-10 磁懸浮軸承

高溫超導(dǎo)材料在混合態(tài)時(shí)具有獨(dú)特的磁通釘扎和自穩(wěn)定磁懸浮特性，不需任何能量輸入，存在能實(shí)現(xiàn)懸浮的連續(xù)穩(wěn)定區(qū)間。這種懸浮系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮的條件也比較簡(jiǎn)單，作為懸浮交通與有軌交通具有同樣的安全性能，更適合于工程領(lǐng)域應(yīng)用。我國西南交通大學(xué)2000年采用國產(chǎn)YBa Cu O高溫超導(dǎo)體塊材，懸浮總重量為635千克，在長15.5米的釹鐵硼永磁導(dǎo)軌上自動(dòng)運(yùn)行。

高溫超導(dǎo)材料潛在的巨大需求促進(jìn)了超導(dǎo)材料研究和應(yīng)用開發(fā)的快速發(fā)展，并成為全球廣泛關(guān)注的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。超導(dǎo)行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈中，上游為礦產(chǎn)資源，如釔、鋇、鉍、鍶等金屬，中游是超導(dǎo)材料，如YBCO和BSCCO薄膜、線材和器件等，下游是超導(dǎo)應(yīng)用產(chǎn)品，如超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)濾波器、超導(dǎo)儲(chǔ)能、超導(dǎo)發(fā)電機(jī)和超導(dǎo)變壓器等。其潛在市場(chǎng)規(guī)模達(dá)2000億元，超導(dǎo)材料占比約30%～40%，目前超導(dǎo)材料約占超導(dǎo)設(shè)備成本的40%～50%。當(dāng)然，超導(dǎo)的大規(guī)模應(yīng)用面臨著成本高、設(shè)備復(fù)雜等問題。

圖17-11 日本超導(dǎo)磁懸浮試驗(yàn)列車

圖17-12 中國西南交通大學(xué)超導(dǎo)磁懸浮列車

科學(xué)家們堅(jiān)信，超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用和普及將會(huì)在世界能源領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用，超導(dǎo)材料的普及將是一場(chǎng)材料大革命，超導(dǎo)材料也將逐漸深入到千家萬戶，其意義不會(huì)亞于其他科技革命。許多國家已將發(fā)展超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)上升到戰(zhàn)略高度，中、俄、美、德、日等12個(gè)國家都有高溫超導(dǎo)的研發(fā)項(xiàng)目，我們有理由相信，就像在高溫超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)過程中所表現(xiàn)的那樣，稀土仍將會(huì)有驚人的表現(xiàn)。