第一篇：超導(dǎo)材料在能源上的應(yīng)用

超導(dǎo)材料在電力系統(tǒng)和熱核聚變上的應(yīng)用

姓名：成雙良

班級(jí)：復(fù)材1402

學(xué)號(hào)：1105140212

摘要：超導(dǎo)技術(shù)是21世紀(jì)具有重大經(jīng)濟(jì)和戰(zhàn)略意義的高新技術(shù)，在國民經(jīng)濟(jì)諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，在能源方面尤其是電力系統(tǒng)以及熱核聚變實(shí)驗(yàn)之中尤為突出。實(shí)用化超導(dǎo)材料是超導(dǎo)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。目前，國際上發(fā)現(xiàn)的實(shí)用化超導(dǎo)材料主要有有低溫超導(dǎo)線材、鉍系高溫超導(dǎo)帶材、YBCO涂層導(dǎo)體。文章首先介紹了超導(dǎo)材料的發(fā)展基礎(chǔ)，重點(diǎn)綜述了上述幾種實(shí)用化超導(dǎo)材料制備及加工、性能和應(yīng)用方面的最新研究進(jìn)展，并對(duì)相關(guān)領(lǐng)域存在的問題及今后的發(fā)展作出展望。

關(guān)鍵詞：超導(dǎo)材料，電力系統(tǒng)，熱核聚變，NbTi，Nb3Sn，鉍系高溫超導(dǎo)帶材，YBCO涂層導(dǎo)體

Application of Superconducting Materials in Power System and Thermonuclear

Fusion

Abstract:Superconducting technology is a high-tech with significant economic and strategic significance in the 21st century.It has wide application prospect in many fields of national economy, especially in energy, especially power system and thermonuclear fusion experiment.Performance improvementin practical superconducting materials is the foundation of application development.The overall picture of superconductors is diverse and developing rapidly.Currently, practical superconducting materials comprise mainly Nb-based low-temperature wires, bismuth-strontium-calcium copper oxide high-temperature superconducting tapes and yttrium barium copper oxide coated conductors.A review is presented here of the fabrication issues, key properties and recentdevelopments of these materials, with an assessment of the challenges and prospects for fixture applications.Keywords: superconducting Materials, power system, thermonuclear fusion, NbTi，Nb3Sn, BSCCO tapes, YBCO coated conductors

1.前言

自從 1911 年荷蘭物理學(xué)家 Kamerling Onnes 發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象以來，超導(dǎo)材料的發(fā)展經(jīng)過了一個(gè)從簡單金屬到復(fù)雜化合物，即由一元系到二元系、三元系直至多元系及高分子體系的過程。在上世紀(jì) 80 代末發(fā)現(xiàn)銅氧化物超導(dǎo)體之后，在新世紀(jì)之初又有兩類比較接近實(shí)用的超導(dǎo)材料被發(fā)現(xiàn)，即 MgB2和 Fe 基超導(dǎo)體，新型超導(dǎo)體可謂層出不窮。然而，由于各自不同的本征特性、低溫條件、合成技術(shù)及其環(huán)境污染等因素，各類超導(dǎo)體的實(shí)用化水平相差很大，有的基本失去實(shí)用性，僅能適于基礎(chǔ)研究。本文主要對(duì)超導(dǎo)材料進(jìn)行概述性介紹并以目前已處在應(yīng)用中或處于商業(yè)化前期的NbTi，Nb3Sn，鉍系高溫超導(dǎo)帶材，釔系高溫超導(dǎo)帶材為例介紹超導(dǎo)材料在電力系統(tǒng)和熱核聚變方面的應(yīng)用。

2.超導(dǎo)材料的發(fā)展概況

超導(dǎo)體在超導(dǎo)狀態(tài)下具有零電阻、抗磁性和電子隧道效應(yīng)等奇特的物理性質(zhì)[1]。利用超導(dǎo)體的這些特性可以傳輸大電流、獲得強(qiáng)磁場、實(shí)現(xiàn)磁懸浮、檢測微弱磁場信號(hào)等，因此超導(dǎo)材料廣泛應(yīng)用于電力、電子、軍事、醫(yī)療、交通運(yùn)輸、高能物理等許多領(lǐng)域。

目前，超導(dǎo)材料已發(fā)現(xiàn)上千種，包括單質(zhì)、合金和化合物。從 1911 年第 1 次發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象到 1985 年，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度最高為鈮三鍺的 23 K，這些超導(dǎo)材料工作在液氦環(huán)境，一般稱為低溫超導(dǎo)材料。1986 年，Bednorz和 Muller 發(fā)現(xiàn)了Tc達(dá)到 30 K 的La-Ba-Cu-O 超導(dǎo)體，標(biāo)志著高溫超導(dǎo)研究的開始。緊接著發(fā)現(xiàn)了 TC超過液氮溫度(77 K)的Y-Ba-Cu-O(YBCO，Tc= 92 K)、Bi-Sr-Ca-Cu-O(Bi2223，Tc= 110K)，Ti-Ba-Cu-O(Ti2223，Tc=127 K)和 Hg-Ba-Ca-Cu-O(Hg1223，Tc= 134 K)等系列氧化物高溫超導(dǎo)材料，它們可以工作在廉價(jià)的液氮環(huán)境，這類材料被稱為高溫超導(dǎo)材料。1990 年以前，實(shí)用化超導(dǎo)材料的研究主要集中在低溫超導(dǎo)材料。目前，低溫超導(dǎo)材料已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，實(shí)用化超導(dǎo)材料研究主要集中在銅氧化物的高溫超導(dǎo)材料。

雖然近年 來 各 類 新 型 超 導(dǎo) 材 料 層 出 不 窮，包 括2000 年發(fā)現(xiàn)的二元化合物 MgB2和 2008 年發(fā)現(xiàn)的 FeAs超導(dǎo)材料。然而從實(shí)用的角度特別是就電力能源系統(tǒng)的強(qiáng)電應(yīng)用而言，只有 Bi、Y 系材料才有市場價(jià)值。Fe、Ti和 Hg 系由于含有環(huán)境危害元素和特殊的制備工藝，失去了作為一種實(shí)用超導(dǎo)材料的廣泛性和普適性。

上世紀(jì) 90 年代末，隨著第 1 代 Bi 系超導(dǎo)材料的制備技術(shù)取得重大突破，高溫超導(dǎo)線材很快形成產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)能力，極大地促進(jìn)了超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，如高溫超導(dǎo)電纜、高溫超導(dǎo)限流器、高溫超導(dǎo)變壓器、高溫超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)等已經(jīng)進(jìn)入示范運(yùn)行階段。超導(dǎo)電力技術(shù)的應(yīng)用可望提升電力工業(yè)的發(fā)展水平和促進(jìn)電力業(yè)的重大變革。因此，世界主要發(fā)達(dá)國家均把超導(dǎo)電力技術(shù)視為具有經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略意義的高新技術(shù)。美國能源部認(rèn)為超導(dǎo)電力技術(shù)將是 21 世紀(jì)電力工業(yè)唯一的高技術(shù)儲(chǔ)備，發(fā)展高溫超導(dǎo)電力技術(shù)是檢驗(yàn)美國將科學(xué)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為應(yīng)用技術(shù)能力的重大實(shí)踐，而日本新能源開發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)則認(rèn)為發(fā)展高溫超導(dǎo)電力技術(shù)是在 21 世紀(jì)的高技術(shù)競爭中保持尖端優(yōu)勢的關(guān)鍵所在。可見，超導(dǎo)技術(shù)越來越成為1 種不可替代的具有經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略意義和巨大發(fā)展?jié)摿Φ母咝录夹g(shù)。

高溫超導(dǎo)材料可廣泛應(yīng)用于電力、電子、醫(yī)療、國防軍事、交通運(yùn)輸、高能物理等領(lǐng)域，大致可分為兩大類: 大電流應(yīng)用(強(qiáng)電應(yīng)用)、電子學(xué)應(yīng)用(弱電應(yīng)用)。超導(dǎo)技術(shù)越來越成為 1 種不可替代的具有經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略意義和巨大發(fā)展?jié)摿Φ母咝录夹g(shù)，將會(huì)對(duì)國民經(jīng)濟(jì)和人類社會(huì)的發(fā)展產(chǎn)生巨大推動(dòng)作用。特別值得指出的是: 高溫超導(dǎo)線帶材可制備成各類器件，包括超導(dǎo)儲(chǔ)能、變壓器、電纜、限流器等等廣泛用于先進(jìn)電網(wǎng)之中。正如光纖的發(fā)明催生嶄新的信息時(shí)代，高溫超導(dǎo)線帶材也將帶來電力工業(yè)史上劃時(shí)代的革命。

目前，世界范圍內(nèi)能源供應(yīng)越來越緊張，而電能有大量浪費(fèi)在傳輸線上。僅美國每年在輸電線上的損失就高達(dá) 400 億美元。而如果使用高溫超導(dǎo)線材，不僅可避免這些損失，還可以節(jié)約大量的金屬材料。因?yàn)橥瑯又睆降母邷爻瑢?dǎo)材料的導(dǎo)體能力高于普通銅導(dǎo)線的 100 倍以上。高溫超導(dǎo)線材制成的超導(dǎo)器件具有損耗低、體積小、重量輕和效率高等特點(diǎn)。另外，建設(shè)超導(dǎo)智能電網(wǎng)是解決常規(guī)電纜遠(yuǎn)距離輸電時(shí)對(duì)超高壓電纜及技術(shù)依賴的唯一途徑。例如，從內(nèi)蒙到上海通過傳統(tǒng)輸電方式至少需要 500 kV 的電壓，而通過超導(dǎo)電纜僅僅需要 220 V即可輸送。隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展，人們對(duì)電能的需求量日益增長，電力系統(tǒng)的容量越來越大，電網(wǎng)將不得不向超大規(guī)模方向發(fā)展，同時(shí)人們對(duì)電能質(zhì)量和安全的要求也越來越高，急需進(jìn)行電力工業(yè)的革新改造。

同時(shí)，超導(dǎo)材料不僅僅在電力系統(tǒng)方面有著劃時(shí)代的意義，在開發(fā)另一種夢幻般的新能源，即可控核聚變方面也有著不可替代的作用,即用作核聚變反應(yīng)堆“磁封閉體”：核聚變反應(yīng)時(shí)，內(nèi)部溫度高達(dá)1億～2億攝氏度，沒有任何常規(guī)材料可以包容這些物質(zhì)。而超導(dǎo)體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場可以作為“磁封閉體”，將熱核反應(yīng)堆中的超高溫等離子體包圍、約束起來，然后慢慢釋放，從而使受控核聚變能源成為21世紀(jì)前景廣闊的新能源。

為了提高超導(dǎo)導(dǎo)體的冷卻效率，自上世紀(jì) 60年代起人們開始發(fā)展內(nèi)冷導(dǎo)體 － ICC(InternalCooledConductor)，將超導(dǎo)線或銅線纏繞在封閉的中心冷卻管周圍獲取冷量。1975 年，Hoenig、Iwasa 等人在 ICC 的基礎(chǔ)上，發(fā)展出 CICC(Cable－ in － Conduit － Conductor)。由于 CICC 中冷卻劑(主要是液氦)以流體形式直接與電纜接觸，濕表面大，因此較 ICC 換熱效率更高。此外，由于外部鎧甲為內(nèi)部電纜提供了支撐，提高了其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，可承受高電磁載荷。因此，CICC 是目前國際上公認(rèn)的受控?zé)岷司圩冄b置中的大型超導(dǎo)磁體線圈的首選導(dǎo)體，已廣泛應(yīng)用在加速器、聚變堆等大科學(xué)裝置中，如正在建造中國際合作 ITER裝置、CERN 的 LHC 裝置、德國馬普的 W7 － X 裝置等[2]。目前主要使用的是NbTi和Nb3Sn材料。

盡管目前已有數(shù)千種超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)，但具有實(shí)用價(jià)值的僅以下幾種:已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)的NbTi,Nb3Sn，銅氧化物BSCCO(Bi2223,Bi2212)和MgB2，處于商業(yè)化前期的YBCO涂層導(dǎo)體，以及處于實(shí)驗(yàn)室階段的2008年剛發(fā)現(xiàn)的鐵基超導(dǎo)材料?？梢哉f，只有低溫超導(dǎo)材料實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模應(yīng)用，當(dāng)前，NbTi和Nb3Sn占超導(dǎo)材料市場的90%，而BSCCO和MgB2處于應(yīng)用示范階段，YBCO涂層導(dǎo)體批量制備尚未實(shí)現(xiàn)，鐵基超導(dǎo)線帶材還處于研發(fā)階段。

3.低溫超導(dǎo)材料

3.1 NbTi

1961年，美國Hulm等人首先報(bào)道了NbTi超導(dǎo)合金[3]，其很快就在1968被完全產(chǎn)業(yè)化并迅速獲得廣泛應(yīng)用，這主要是由于這種合金具有良好的加工塑性和很高的強(qiáng)度及優(yōu)異的超導(dǎo)性能。還有很重要的一點(diǎn)是這種合金的原材料及制造成本遠(yuǎn)低于其他超導(dǎo)材料。

我們知道，NbTi合金的Tc為9.7 K，其臨界場H可達(dá)12T，可用來制造磁場達(dá)9 T(4 K)或11 T(1.8 K)的超導(dǎo)磁體。NbTi線可用一般難熔金屬的熔煉方法加工成合金，再用多芯復(fù)合加工法加工成以銅(或鋁)為基體的多芯復(fù)合超導(dǎo)線，最后用時(shí)效熱處理及冷加工工藝使其最終合金由β單相轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袕?qiáng)釘扎中心的兩相(α+β)合金，以滿足使用要求?，F(xiàn)在的多芯復(fù)合NbTi線材的每根截面上排列數(shù)百芯乃至數(shù)萬芯NbTi絲，典型產(chǎn)品截面結(jié)構(gòu)見圖1(a)。不同公司工藝流程稍有變化。目前NbTi超導(dǎo)材料主要應(yīng)用于制造核磁共振成像系統(tǒng)(MRI)、實(shí)驗(yàn)室用超導(dǎo)磁體、磁懸浮列車等，其中MRI每年消耗的NbTi超導(dǎo)線約為2500噸左右。因此，NbTi超導(dǎo)材料因其易加工、低成本和耐用，已成為最成功的實(shí)用化、商業(yè)化的超導(dǎo)材料。有理由相信，NbTi超導(dǎo)體在今后一段相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)將繼續(xù)得到廣泛應(yīng)用。3.2 Nb3Sn

產(chǎn)生較高磁場的Nb3Sn材料是由貝爾實(shí)驗(yàn)室Matthias于1954年發(fā)現(xiàn)的[4]，但因?yàn)槠浯嘈源?、硬度高，因而直?970年代初才實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。Nb3Sn是一種具有A15晶體結(jié)構(gòu)的鈮錫金屬間化合物，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為18K，在4.2 K時(shí)的上臨界磁場可達(dá)25 T, 4.2K/l0T磁場下能承載的臨界電流密度約為5×10^5 A/cm2，因此，Nb3Sn主要用于制作10-23 T的超導(dǎo)磁體。Nb3Sn材料因其脆性不能按照NbTi線同樣的工藝制備，歷史上先后嘗試過多種制造方法，如氣相沉積法、青銅法、擴(kuò)散法、內(nèi)錫法以及粉末裝管法等。雖然各有優(yōu)缺點(diǎn)，加工工藝均較復(fù)雜，產(chǎn)品的力學(xué)性能差。實(shí)際上，青銅法一直是各種商品化Nb3Sn實(shí)用材料的主要制造工藝。

Nb3Sn導(dǎo)體主要應(yīng)用于核磁共振儀，磁約束核聚變以及高能物理的高場磁體領(lǐng)域，如2011年Bruker公司已采用Nb3Sn開發(fā)了23.5 T,1 GHz的NMR系統(tǒng)。除Nb3Sn以外，比較著名的A15化合物中還有Nb3Al，其T和H比Nb3Sn要高，分別達(dá)19.1 K和32.4 T。Nb3A1是當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)[5]，主要由于它具有優(yōu)異的應(yīng)變特性，但是這種材料的加工窗口更窄，制備更為困難。目前日本國立材料科學(xué)研究所((NIMS)對(duì)該材料的研究工作較為突出，已能制備高性能長線，并實(shí)驗(yàn)繞制了高場內(nèi)插線圈。

NbTi和Nb3Sn是目前應(yīng)用最為廣泛的兩種超導(dǎo)材料。至今，用NbTi合金線材繞制一個(gè)8T的超導(dǎo)磁體，用Nb3Sn線材繞制一個(gè)15 T的超導(dǎo)磁體已經(jīng)不存在任何的技術(shù)問題。這些導(dǎo)線的主要生產(chǎn)廠家是美國牛津超導(dǎo)((OST)公司、歐洲先進(jìn)超導(dǎo)公司((EAS)、日本古河公司以及英國Luvata公司、中國西部超導(dǎo)公司等。值得一提的是，我國西部超導(dǎo)公司近年來承擔(dān)了國際ITER計(jì)劃的69% NbTi超導(dǎo)線材和7%Nb3Sn超導(dǎo)線材任務(wù)。通過參與ITER計(jì)劃，大大提升了我國低溫超導(dǎo)導(dǎo)線研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化能力，成為ITER項(xiàng)目超導(dǎo)線的重要供貨商。

圖 1 實(shí)用化超導(dǎo)導(dǎo)線的界面結(jié)構(gòu) 高溫超導(dǎo)材料

4.1 鉍系高溫超導(dǎo)帶材

1988年，日本NIMS的Maeda發(fā)現(xiàn)了臨界溫度達(dá)110 K的秘系（BiSrCaCuO)氧化物超導(dǎo)體[6]，后經(jīng)證實(shí)他們得到的是Bi2212和Bi2223的混合物，Bi2223的Tc為110 K，而Bi2212的Tc是90 K。鉍系超導(dǎo)相是一種陶瓷結(jié)構(gòu)，無法直接加工成帶材。通常采用粉末裝管法（PIT)，即將脆性的超導(dǎo)粉包裹在金屬套管里制備成導(dǎo)線。Bi2223帶材工藝流程一般是先將原料粉末裝入銀管，通過拉拔軋制，然后退火熱處理，見圖2。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，利用這種方法，可以開發(fā)出長度為千米級(jí)的秘系多芯超導(dǎo)線材，且技術(shù)已經(jīng)比較成熟，已達(dá)到商業(yè)化生產(chǎn)水平（被稱為第一代高溫超導(dǎo)帶材)。目前工業(yè)化生產(chǎn)的Bi2223超導(dǎo)長線的臨界電流（截面積為1 mm2的超導(dǎo)導(dǎo)線在77 K溫度和0T條件下)一般在100 A以上，最好的能達(dá)到200 A。

圖 2采用粉末套管法制備Ｂi２２２３帶材的工藝流程

具備Bi2223長線批量化生產(chǎn)能力的廠家主要有美國超導(dǎo)體公司、德國布魯克公司、日本住友公司、北京英納公司等（前2家公司已停產(chǎn))。目前Bi2223導(dǎo)線已基本滿足實(shí)用要求，并且已在超導(dǎo)輸電電纜、磁體、發(fā)電機(jī)、變壓器、限流器等多個(gè)項(xiàng)目中獲得示范應(yīng)用，特別是中國科學(xué)院電工研究所成功研制了世界首座超導(dǎo)變電站并進(jìn)行了并網(wǎng)試驗(yàn)。真正接人電網(wǎng)進(jìn)行商業(yè)運(yùn)行的1 km長三相Bi2223超導(dǎo)電纜安裝在德國小城Essen,其電壓為10 kV，總功率為40 MVA。自從2014年10月正式替代原來一根110 kV的銅電纜以來，已安全運(yùn)行了近1年。

然而Bi2223超導(dǎo)體具有較強(qiáng)的各向異性，在液氮溫區(qū)的不可逆場較低（<0.5 T)，在較小的磁場下，其臨界電流會(huì)顯著降低，不適合用于強(qiáng)磁場場合。因此，在液氮溫區(qū)，Bi2223超導(dǎo)體主要面向“超導(dǎo)電纜”應(yīng)用。

4.2 釔系高溫超導(dǎo)帶材

臨界溫度達(dá)93 K的釔系（YBaCuO,縮寫為YBCO)超導(dǎo)體是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的Tc超過77 K的高溫超導(dǎo)體[7]。和Bi2223相比，YBCO的各向異性γH較弱，約為5-7左右，同時(shí)在77 K時(shí)具有很高的不可逆場，高達(dá)7T，也就是說，釔系可以在77 K強(qiáng)磁場下承載較大的臨界電流，是真正的液氮溫區(qū)下強(qiáng)電應(yīng)用的超導(dǎo)材料。由于YBCO帶材在強(qiáng)磁場下具有更為優(yōu)異的性能，近年來，它已成為超導(dǎo)材料的研究熱點(diǎn)，研究重點(diǎn)是降低成本和提高性能。但是釔系超導(dǎo)體晶粒間結(jié)合較弱，難以用傳統(tǒng)的PIT工藝制備帶材，其成材通常建立在薄膜外延生長技術(shù)上，稱為第二代高溫超導(dǎo)帶材（也稱為涂層導(dǎo)體)。

第二代高溫超導(dǎo)帶材主要是由金屬基帶、多層隔離層、YBCO超導(dǎo)層、保護(hù)層等組成。金屬基帶一般為Ni或者Ni合金（如哈氏合金)，甚至不銹鋼，其厚度為50-100 μm，其上沉積總厚度小于1μm的幾層隔離層，隨后外延生長1-4 μm的YBCO超導(dǎo)層，最后覆蓋幾個(gè)μm的保護(hù)層，典型結(jié)構(gòu)見圖1。這樣的工藝結(jié)構(gòu)主要是為了得到具有雙軸織構(gòu)特性的YBCO超導(dǎo)層，從而最大程度地避免材料中的大角度晶界，消除超導(dǎo)相之間的弱連接，獲得大的傳輸電流?？棙?gòu)化基帶的制備工藝路線主要有3種: 軋制輔助雙軸織構(gòu)基帶技術(shù)（RABiTS)、離子束輔助沉積技術(shù)（IBAD)、傾斜襯底技術(shù)（ISD)。隔離層一般采用磁控濺射或脈沖激光沉積獲得，除了具有阻擋原子擴(kuò)散的作用外，還具有將織構(gòu)傳遞給超導(dǎo)層的作用。超導(dǎo)層的幾種主流沉積方法有: 脈沖激光沉積(PLD）、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、金屬有機(jī)沉積(MOD)以及電子束共蒸發(fā)（CE)技術(shù)等。采用上述工藝獲得的YBCO薄膜臨界電流密度JC一般在106-107 A/cm2，之間（77 K,0 T)。目前YBCO薄膜的研究重點(diǎn)是:一個(gè)是引入人工釘扎中心，進(jìn)一步提高磁場下的JC;另一個(gè)是通過增加YBCO薄膜的厚度來提高涂層導(dǎo)體的臨界電流。

自1999年第一根100 m長YBCO帶材被制備出來以后，第二代高溫超導(dǎo)帶材的研發(fā)單位已逐步發(fā)展成為以企業(yè)公司為主，主要的研發(fā)單位為:美國Superpower公司，日本Fujikura和SWCC公司，美國AMSC公司，德國THEWA公司以及韓國SuNAM公司等。其中美國Superpower公司是世界上第一家制備出千米級(jí)(1065 m, 2009年)的YBCO帶材廠商，目前仍然保持著長度方面的世界紀(jì)錄。該公司生產(chǎn)的首根1065 m長YBCO帶材的最小電流是282 A/cm，整根帶材的負(fù)載電流(電流ICx長度L)超過300000 A·m。值得一提的是，韓國通過設(shè)立“應(yīng)用超導(dǎo)技術(shù)發(fā)展先進(jìn)能源系統(tǒng)”的10年計(jì)劃(即DAPAS計(jì)劃)，經(jīng)過有效組織、整合，采用合適的技術(shù)路線，近年來獲得了突破性的進(jìn)展，于2012年成功研制出1000 m長的YBCO帶材，其負(fù)載電流達(dá)到422 A×1000 m = 422000 A·m。近幾年來，我國進(jìn)行YBCO帶材產(chǎn)業(yè)化研發(fā)的主要單位有上海超導(dǎo)科技公司、蘇州新材料研究所以及上海上創(chuàng)超導(dǎo)公司等。

YBCO帶材的緩沖層及超導(dǎo)層，多采用真空沉積法制備，復(fù)雜的薄膜制備工藝不僅導(dǎo)致其成材率較低，而且價(jià)格至今也遠(yuǎn)高于第一代Bi2223導(dǎo)線。因此，今后面臨的挑戰(zhàn)是進(jìn)一步優(yōu)化制造工藝，提高電流性能，降低成本，這樣才有望獲得規(guī)?；碾娏?yīng)用。

5.小結(jié)

如文中所述，實(shí)用化超導(dǎo)材料NbTi, Nb3Sn, Bi2223均是采用拉拔、擠壓或軋制等機(jī)械加工工藝獲得超導(dǎo)線帶材，該方法制造成本低廉，易于規(guī)?；苽洌鳼BCO導(dǎo)體必須采用多層鍍膜的方法，需要人們付出更多的努力，才能獲得真正意義上的低成本、高性能YBCO帶材。

以NbTi, Nb3Sn為代表的低溫超導(dǎo)體已實(shí)現(xiàn)了商品化，其制備工藝及性能發(fā)展已完全成熟，并得到廣泛的應(yīng)用，尤其是在全球醫(yī)療和科學(xué)儀器方面，如用于醫(yī)學(xué)診斷的核磁共振成像儀和用于譜線分析的核磁共振儀以及高能物理實(shí)驗(yàn)用的磁體。其中在高能物理實(shí)驗(yàn)中更是有可能在不久的將來實(shí)現(xiàn)可控核聚變，人類將獲得永不枯竭的能源。

我們相信，隨著實(shí)用化超導(dǎo)材料的進(jìn)一步提高和技術(shù)的成熟，人類的社會(huì)將在能源，通訊以及更多的方面出現(xiàn)劃時(shí)代的變革。

參考文獻(xiàn)

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第二篇：超導(dǎo)材料應(yīng)用與制備概況

超導(dǎo)材料制備與應(yīng)用概述

摘要：新型超導(dǎo)材料一直是人類追求的目標(biāo)。本文主要從超導(dǎo)材料的性質(zhì)，制備，應(yīng)用等方面探索超導(dǎo)材料科學(xué)的發(fā)展概況。隨著高溫超導(dǎo)材料制備方法的不斷成熟，超導(dǎo)材料將越來越多的應(yīng)用于尖端技術(shù)中去，超導(dǎo)材料的應(yīng)用將給電工技術(shù)帶來質(zhì)的飛躍，因此，超導(dǎo)材料技術(shù)有著重大的應(yīng)用發(fā)展?jié)摿?，可解決未來能源，交通，醫(yī)療和國防事業(yè)中的重要問題。

關(guān)鍵詞：超導(dǎo)材料 強(qiáng)電應(yīng)用 弱電應(yīng)用 超導(dǎo)制備 1.引言

1911年荷蘭科學(xué)家onnes發(fā)現(xiàn)純水銀在4.2K附近電阻突然消失，接著發(fā)現(xiàn)其他一些金屬也有這樣的現(xiàn)象，隨著人們?cè)赑b和其它材料中也發(fā)現(xiàn)這種性質(zhì)：在滿足臨界條件（臨界溫度Tc，臨界電流Ic，臨界磁場Hc）時(shí)物質(zhì)的電阻突然消失，這種現(xiàn)象稱為超導(dǎo)電性的零電阻現(xiàn)象。只是直流電情況下才有零電阻現(xiàn)象，這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)開拓了一個(gè)嶄新的物理領(lǐng)域。

超導(dǎo)材料具有1）零電阻性2）完全抗磁效應(yīng)3）Josephson效應(yīng)。這些性質(zhì)的研究與應(yīng)用使得超導(dǎo)材料的性能不斷優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)臨界溫度也越來越高。一旦室溫超導(dǎo)達(dá)到實(shí)用化、工業(yè)化，將對(duì)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

2.超導(dǎo)材料主要制備技術(shù)

控制和操縱有序結(jié)晶需要充分了解原子尺度的超導(dǎo)相性能。有序、高質(zhì)量晶體的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度較高 ,晶體質(zhì)量往往強(qiáng)烈依賴于合成技術(shù)和條件。目前，常用作制備超導(dǎo)材料的技術(shù)主要有： 2.1.1單晶生長技術(shù)

新超導(dǎo)化合物單晶樣品有多種生長方法。溶液生長和氣相傳輸生長法是制備從金屬間氧化物到有機(jī)物各類超導(dǎo)體的強(qiáng)有力工具。溶液生長的優(yōu)點(diǎn)就是其多功能性和生長速度 ,可制備出高純凈度和鑲嵌式樣品。但是 ,它并不能生產(chǎn)出固定中子散射實(shí)驗(yàn)所需的立方厘米大小的樣品。浮動(dòng)熔區(qū)法常用來制備大尺寸的樣品 ,但局限于已知的材料。這種技術(shù)是近幾年出現(xiàn)的一些超導(dǎo)氧化物單晶生長的主要技術(shù)。這種技術(shù)使La2-xSr xCuO4晶體生長得到改善 ,允許對(duì)從未摻雜到高度摻雜各種情況下的細(xì)微結(jié)構(gòu)和磁性性能進(jìn)行細(xì)致研究。在T1Ba 2Ca2Cu3O9+d 和Bi2Sr2CaCu2O8中 ,有可能削弱無序的影響從而提高臨界轉(zhuǎn)變溫度。最近汞基化合物在晶體生長尺寸上取得的進(jìn)展 ,使晶體尺寸較先前的紀(jì)錄高出了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。但應(yīng)該指出的是即使是高 Tc的化合物 ,利用溶液生長技術(shù)也可制備出高純度的YBCO等單晶。

2.1.2高質(zhì)量薄膜技術(shù)

目前 ,薄膜超導(dǎo)體技術(shù)包括活性分子束外延(MBE)、濺射、化學(xué)氣相沉積和脈沖激光沉積等。MBE能制造出足以與單個(gè)晶體性能相媲美的外延超導(dǎo)薄膜。在晶格匹配的單晶襯底上生長的外延高溫超導(dǎo)薄膜 ,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于這些材料物理性質(zhì)的基礎(chǔ)研究中。在許多實(shí)驗(yàn)中薄膜的幾何性質(zhì)擁有它的優(yōu)勢 ,如可用光刻技術(shù)在薄膜上刻畫細(xì)微的特征;具備合成定制的多層結(jié)構(gòu)或超晶格的潛能。

在過去的 20年里 ,多種高溫超導(dǎo)薄膜生長技術(shù)快速發(fā)展。有些技術(shù)已經(jīng)適用于其它超導(dǎo)體的制備。目前所使用主要方法有濺射和激光燒蝕（脈沖激光沉積）。類似分子束外延這種先進(jìn)薄膜生長技術(shù)也已經(jīng)發(fā)展得很好。臭氧或氧原子用來實(shí)現(xiàn)超高真空條件下的充分氧化。這使得生長的單晶薄膜的性能已接近乃至超過塊狀晶體。如 LSCO單晶薄膜的 T =51.5 K,比塊狀晶體（Tc <40 K）要高 ,外延應(yīng)力是產(chǎn)生這種強(qiáng)化現(xiàn)象的部分原因。

3.超導(dǎo)材料制備的新探索

發(fā)現(xiàn)新型超導(dǎo)體最直接的方法是研究相空間并實(shí)施一系列系統(tǒng)探索來發(fā)現(xiàn)新的化合物 ,可通過鑒別成分空間中有希望的區(qū)域和快速檢測該區(qū)域盡可能多的化合物的方法來實(shí)現(xiàn)。通過這樣的研究,在 20世紀(jì)50到 60年代產(chǎn)出了很多金屬間超導(dǎo)體 ,這些超導(dǎo)體還需要在三相或更高相空間中再繼續(xù)研究。此外 ,繼續(xù)尋找異常形態(tài)的超導(dǎo)材料也是很重要的。3.1先進(jìn)合成與摻雜技術(shù)

3.1.1極端條件下的合成技術(shù)

經(jīng)驗(yàn)上講 ,超導(dǎo)性常常表現(xiàn)得和結(jié)構(gòu)上的相轉(zhuǎn)變聯(lián)系緊密;事實(shí)上 ,有許多超導(dǎo)體是亞穩(wěn)態(tài) ,需要在高溫高壓下合成。此外 ,合成新化合物所需的許多元素具有非常高的揮發(fā)性活性和難熔性 如 Li、B、C、Mg、P、S、Se、Te ,而且要在非常特殊的環(huán)境下才能成功合成。大尺寸單晶生長技術(shù) ,特別是用于固定中子散射實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵材料的合成技術(shù)應(yīng)進(jìn)一步發(fā)展。

3.1.2合成與表征組合技術(shù)

對(duì)新型超導(dǎo)化合物的系統(tǒng)性組合探索可基于薄膜沉積技術(shù)。一種方法是利用掩膜技術(shù)制備微小均質(zhì)區(qū)域。利用連續(xù)相涂敷法(Continuousphase spread method)以及使用多種源或靶材在襯底上形成不同的薄膜成分。磁場調(diào)制光譜(Magnetic Field Modulated Spectroscopy),MFMS ,是一種非常敏感而快速的超導(dǎo)檢測技術(shù) ,可用于高產(chǎn)量的表征方法。合成與表征組合技術(shù)需要進(jìn)一步完善,以在更大范圍內(nèi)應(yīng)用來尋求具有理想性能的新型超導(dǎo)體。3.1.3原子層工程、人造超晶格技術(shù)

薄膜沉積技術(shù)的迅速發(fā)展為化學(xué)和材料科學(xué)突破體相平衡的限制提供了機(jī)遇。拓展相界、獲得新亞穩(wěn)態(tài)和微結(jié)構(gòu)、創(chuàng)造多層結(jié)構(gòu)、施加大的面內(nèi)應(yīng)力以及獲得不同排列體系間的平滑界面都因此成為可能。單晶多層結(jié)構(gòu)使材料具有不同的界面性能 ,不會(huì)受到污染物的干擾。在界面處各種電荷移動(dòng)和自旋態(tài)的相互影響會(huì)產(chǎn)生新電子結(jié)構(gòu)。與界面原子層工程一樣 ,改變相鄰絕緣體的組成和結(jié)構(gòu) ,為利用外延應(yīng)力和穩(wěn)定性來調(diào)整界面結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)性提供了多種可能。3.1.4場效應(yīng)摻雜和光摻雜技術(shù)

化學(xué)摻雜是在銅酸鹽等化合物超導(dǎo)體中實(shí)現(xiàn)金屬和超導(dǎo)態(tài)所必需的 ,但它的缺點(diǎn)是會(huì)同時(shí)產(chǎn)生無序狀態(tài)。這種無序狀態(tài)不僅使人難以區(qū)分內(nèi)在和外在特性 ,而且實(shí)際上還削弱了超導(dǎo)性能。此外 ,在多數(shù)情況下化學(xué)摻雜量是不可調(diào)的 ,每種組成都需要一個(gè)單獨(dú)的樣品。場效應(yīng)摻雜和光摻雜通過外加強(qiáng)電場或強(qiáng)光照射引入電荷載體 ,從而避免了這些弊端。使用這兩種摻雜 ,可連續(xù)地調(diào)節(jié)單個(gè)樣品的摻雜量而不會(huì)誘發(fā)化學(xué)無序狀態(tài)。這一方法在從配合物中尋找新的超導(dǎo)體方面有很大的潛力。3.2 納米尺度超導(dǎo)材料

新型超導(dǎo)體的設(shè)計(jì)和研究面臨挑戰(zhàn)是難以控制的化學(xué)合成工藝參數(shù)。最有希望發(fā)展的就是可控制的納米新型高溫超導(dǎo)材料。開發(fā)新的納米尺度的高溫超導(dǎo)體 ,可增進(jìn)機(jī)械穩(wěn)定性、耐化學(xué)腐蝕性等。雖然這些性能已單獨(dú)得到證明 ,但把它們?nèi)亢铣芍羻我坏牟牧掀骷蛳到y(tǒng)中仍是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。在高溫超導(dǎo)材料中 ,很多基本長度尺寸是處于納米量級(jí)的(如單晶疇)大小、相干長度等 ,因此關(guān)于納米尺寸結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)性研究對(duì)幫助人們了解微觀機(jī)制具有相當(dāng)?shù)闹匾浴?.3 超導(dǎo)材料制備相關(guān)問題

塊體樣品、單晶方面的關(guān)鍵性公開問題包括:提高各種有機(jī)超導(dǎo)、重費(fèi)密子超導(dǎo)等非常規(guī)超導(dǎo)體樣品的純度;了解和消除樣品的依賴性;了解和控制缺陷、雜質(zhì)及無序?qū)悠返挠绊?改進(jìn)各類材料的 Jc、Hc2和 Tc以及大尺寸單晶生長問題。要處理好這些問題 ,要改進(jìn)現(xiàn)有的晶體生長技術(shù)并創(chuàng)造新的技術(shù)。新的助熔劑、輸運(yùn)劑以及新的溫度、溫度梯度、成核控制方法將提高人們對(duì)樣品的大小、品質(zhì)和可重復(fù)性的控制能力。對(duì)于各類超導(dǎo)薄膜 ,最基本的問題是襯底表面的制備以及對(duì)薄膜生長的影響 ,對(duì)這些問題的深入了解將使薄膜沉積條件具有更好的可重復(fù)性 ,對(duì)薄膜的合成控制更加優(yōu)良。隨著越來越多的超導(dǎo)化合物被引入薄膜材料的范疇 ,人們需要進(jìn)一步改進(jìn)薄膜的合成和表征技術(shù)。在薄膜的成核、生長和界面方面 ,應(yīng)實(shí)現(xiàn)原子級(jí)的控制 ,最終目標(biāo)是在如絕緣-超導(dǎo)這種多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)中制造出潔凈的界面。4.超導(dǎo)材料的應(yīng)用

4.1強(qiáng)電應(yīng)用 4.1.1 超導(dǎo)輸電電纜

我國電力資源和負(fù)荷分布不均,因此長距離、低損耗的輸電技術(shù)顯得十分迫切。超導(dǎo)材料由于其零電阻特性以及比常規(guī)導(dǎo)體高得多的載流能力,可以輸送極大的電流和功率而沒有電功率損耗。超導(dǎo)輸電可以達(dá)到單回路輸送GVA級(jí)巨大容量的電力,在短距離、大容量、重負(fù)載的傳輸時(shí),超導(dǎo)輸電具有更大的優(yōu)勢。低溫超導(dǎo)材料應(yīng)用時(shí)需要液氦作為冷卻劑,液氦的價(jià)格很高,這就使低溫超導(dǎo)電纜喪失了工業(yè)化應(yīng)用的可行性。若使用高溫超導(dǎo)材料作為導(dǎo)電線芯制造成超導(dǎo)電纜,就可以在液氮的冷卻下無電阻地傳送電能。高溫超導(dǎo)電纜的出現(xiàn)使超導(dǎo)技術(shù)在電力電纜方面的工業(yè)應(yīng)用成為可能。目前,市場上可以得到并可用來制造高溫超導(dǎo)電纜的材料主要是銀包套鉍系多芯高溫超導(dǎo)帶材,其臨界工程電流密度大于10kA/cm2。高溫超導(dǎo)電纜以其尺寸較小、損耗低、傳輸容量大的優(yōu)勢,可用于地下電纜工程改造,以高溫超導(dǎo)電纜取代現(xiàn)有的常導(dǎo)電纜,可增加傳輸容量。高溫超導(dǎo)電纜另一重要應(yīng)用場合是可在比常導(dǎo)電纜較低的運(yùn)行電壓下將巨大的電能傳輸進(jìn)入城市負(fù)荷中心。由于交流損耗的緣故,利用高溫超導(dǎo)材料制備直流電纜比制備交流電纜更具優(yōu)勢。利用超導(dǎo)技術(shù),通過設(shè)計(jì)實(shí)用的直流傳輸電纜和有效的匹配系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能低壓大容量直流電力輸系統(tǒng)。

圖1 CD高溫超導(dǎo)電纜示意圖

美國是最早發(fā)展高溫超導(dǎo)電纜技術(shù)的國家。1999年底,美國outhwire公司、橡樹嶺國家試驗(yàn)室、美國能源部和IGC公司聯(lián)合開發(fā)研制了長度為30m、三相、12.5kV/1.26kA的冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜,并于2000年在電網(wǎng)試運(yùn)行,向高溫超導(dǎo)技術(shù)實(shí)用化邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。目前,世界上報(bào)道的能制備百米量級(jí)長度的超導(dǎo)電纜僅有日本和美國。在歐洲如法國、瑞典的電力公司有十米量級(jí)的超導(dǎo)電纜計(jì)劃。

4.1.2超導(dǎo)變壓器

超導(dǎo)變壓器一般都采用與常規(guī)變壓器一樣的鐵芯結(jié)構(gòu),僅高、低壓繞組采用超導(dǎo)繞組。超導(dǎo)繞組置于非金屬低溫容器中,以減少渦流損耗。變壓器鐵芯一般仍處在室溫條件下。超導(dǎo)變壓器具有損耗低、體積小,效率高(可達(dá)99%以上)、極限單機(jī)容量大、長時(shí)過載能力強(qiáng)(可達(dá)到額定功率的2倍左右)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)由于采用高阻值的基底材料,因此具有一定的限制故障電流作用。一般而言,超導(dǎo)變壓器的重量(鐵芯和導(dǎo)線)僅為常規(guī)變壓器的40%甚至更小,特別是當(dāng)變壓器的容量超過300MVA時(shí),這種優(yōu)越性將更為明顯。圖2為美國Waukesha公司在1997年就研制了1MVA的超導(dǎo)變壓器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖 2超導(dǎo)變壓器結(jié)構(gòu)示意圖 4.1.3超導(dǎo)儲(chǔ)能

人類對(duì)電力網(wǎng)總輸出功率的要求是不平衡的。即使一天之內(nèi) ,也不均勻。利用超導(dǎo)體 ,可制成高效儲(chǔ)能設(shè)備。由于超導(dǎo)體可以達(dá)到非常高的能量密度 ,可以無損耗貯存巨大的電能。這種裝置把輸電網(wǎng)絡(luò)中用電低峰時(shí)多余的電力儲(chǔ)存起來 ,在用電高峰時(shí)釋放出來 ,解決用電不平衡的矛盾。美國已設(shè)計(jì)出一種大型超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng) ,可儲(chǔ)存5000 兆瓦小時(shí)的巨大電能 ,充放電功率為 1000 兆瓦 ,轉(zhuǎn)換時(shí)間為幾分之一秒 ,效率達(dá) 98 %,它可直接與電力網(wǎng)相連接 ,根據(jù)電力供應(yīng)和用電負(fù)荷情況從線圈內(nèi)輸出 ,不必經(jīng)過能量轉(zhuǎn)換過程。

圖3 超導(dǎo)儲(chǔ)能器一次系統(tǒng)簡圖

4.1.4超導(dǎo)電機(jī)

在大型發(fā)電機(jī)或電動(dòng)機(jī)中 ,一旦由超導(dǎo)體取代銅材則可望實(shí)現(xiàn)電阻損耗極小的大功率傳輸。在高強(qiáng)度磁場下 ,超導(dǎo)體的電流密度超過銅的電流密度 ,這表明超導(dǎo)電機(jī)單機(jī)輸出功率可以大大增加。在同樣的電機(jī)輸出功率下 ,電機(jī)重量可以大大下降。美國率先制成 3000 馬力的超導(dǎo)電機(jī) ,我國科學(xué)家在20 世紀(jì) 80 年代末已經(jīng)制成了超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的模型實(shí)驗(yàn)機(jī)。

圖4 兩種發(fā)電機(jī)尺寸的比較

4.1.5超導(dǎo)故障限流器

超導(dǎo)故障電流限制器(簡稱SFCL)主要是利用超導(dǎo)體在一定條件下發(fā)生的超導(dǎo)態(tài)/正常態(tài)轉(zhuǎn)變,快速而有效地限制電力系統(tǒng)中短路故障電流的一種電力設(shè)備。該設(shè)想是在上世紀(jì)70年代提出的,到1983年法國阿爾斯通公司研制出交流金屬系超導(dǎo)線后,各研究機(jī)構(gòu)才開始著手開發(fā)SFCL產(chǎn)品?，F(xiàn)已有中壓級(jí)樣品掛網(wǎng)運(yùn)行,國外樂觀估計(jì)可望在10年或更長的時(shí)間內(nèi)開始投入市場。

圖5感應(yīng)屏蔽型超導(dǎo)故障電流限制器原理圖

用超導(dǎo)材料制成的限流器有許多優(yōu)點(diǎn):1）它的動(dòng)作時(shí)間快,大約幾十微妙;2）減少故障電流，可將故障電流限制在系統(tǒng)額定電流兩倍左右,比常規(guī)斷路器開斷電流小一個(gè)數(shù)量級(jí);3）低的額定損耗;4）可靠性高 ,它是一類“永久的超保險(xiǎn)絲”;5）結(jié)構(gòu)簡單 ,價(jià)格低廉。4.2弱電應(yīng)用

4.2.1無損檢測

無損檢測是一種應(yīng)用范圍很廣的探測技術(shù) ,其工作方式有;超聲探測、X光探測及渦流檢測技術(shù)等。SQUID 無損檢測技術(shù)在此基礎(chǔ)上

發(fā)展起來。SQUID 磁強(qiáng)計(jì)的磁場靈敏度已優(yōu)于100ft ,完全可以用于無損檢測。由于 SQUID 能在大的均勻場中探測到場的微小變化 ,增加了探測的深度 ,提高了分辨率 ,能對(duì)多層合金導(dǎo)體材料的內(nèi)部缺陷和腐蝕進(jìn)行探測和確定 ,這是其他探測手段所無法辦到的。工業(yè)上用于探測導(dǎo)體材料的缺陷、內(nèi)部的腐蝕等 ,軍事上可能于水雷和水下潛艇等的探測。4.2.2超導(dǎo)微波器件在移動(dòng)通信中的應(yīng)用

移動(dòng)通信業(yè)蓬勃發(fā)展的同時(shí) ,也帶來了嚴(yán)重的信號(hào)干擾 ,頻率資源緊張 ,系統(tǒng)容量不足 ,數(shù)據(jù)傳輸速率受限制等諸多難題。高溫超導(dǎo)移動(dòng)通信子系統(tǒng)在這一背景下應(yīng)運(yùn)而生 ,它由高溫超導(dǎo)濾波器、低噪聲前置放大器以及微型制冷機(jī)組成。高溫超導(dǎo)子系統(tǒng)給移動(dòng)通信系統(tǒng)帶來的好處可以歸納為以下幾個(gè)方面: 1）提高了基站接收機(jī)的抗干擾的能力;2）可以充分利用頻率資源 ,擴(kuò)大基站能量;3）減少了輸入信號(hào)的損耗 ,提高了基站系統(tǒng)的靈敏度 ,從而擴(kuò)大了基站的覆蓋面積;4）改善通話質(zhì)量 ,提高數(shù)據(jù)傳輸速度;5）超導(dǎo)基站子系統(tǒng)帶來了綠色的通信網(wǎng)絡(luò)。

4.2.3超導(dǎo)探測器

用超導(dǎo)體檢測紅外輻射 ,已設(shè)計(jì)制造了各種樣式的高 TC超導(dǎo)紅外探測器。與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體探測比較 ,高 TC超導(dǎo)探測器在大于 20微米的長波探測中將為優(yōu)良的接受器件 ,填充了電磁波譜中遠(yuǎn)紅外至毫來波段的空白。此外 ,它還具高集成密度、低功率、高成品率、低價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)。這一技術(shù)將在天文探測、光譜研究、遠(yuǎn)紅外激光接收和軍事光學(xué)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。4.2.4超導(dǎo)計(jì)算機(jī)

超導(dǎo)器件在計(jì)算機(jī)中運(yùn)用 ,將具有許多明顯的優(yōu)點(diǎn): 1）器件的開關(guān)速度快;2）低功率;3）輸出電壓在毫伏數(shù)量級(jí) ,而輸出電流大于控制線內(nèi)的電流 ,信號(hào)檢測方便。同時(shí) ,體積更小 ,成本更低;另外,信號(hào)準(zhǔn)確無畸變。

5.超導(dǎo)磁體

由于能無電損耗地提供大體積的穩(wěn)定強(qiáng)磁場 ,超導(dǎo)磁體成為低溫超導(dǎo)應(yīng)用的主要方向 ,經(jīng)過四十年的持續(xù)努力 ,按照實(shí)際需求設(shè)計(jì)、研制、建造 15 萬高斯以內(nèi) ,不同磁場形態(tài)與各種體積的低溫超導(dǎo)磁體技術(shù)已經(jīng)成熟 ,有關(guān)導(dǎo)線與磁體的產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成。低溫超導(dǎo)磁體應(yīng)用的一個(gè)重大障礙在于要?jiǎng)?chuàng)造與維持液氦溫度（118～412K）的工作環(huán)境 ,需要有相應(yīng)的低溫制冷裝備與運(yùn)行維護(hù)工作。圖6 制冷裝備相對(duì)投資與運(yùn)行溫度的關(guān)系曲線

高臨界溫度超導(dǎo)體的出現(xiàn)使人們看到了提高運(yùn)行溫度的可能性 ,從而激發(fā)了發(fā)展高臨界溫度超導(dǎo)磁體的積極性。發(fā)展高臨界溫度超導(dǎo)磁體的主要問題在于迄今已能生產(chǎn)的鉍系實(shí)用導(dǎo)線的強(qiáng)磁場下的性能在高運(yùn)行溫度下還難于與低溫超導(dǎo)線相比及價(jià)格高 ,圖 7示出了鉍系實(shí)用導(dǎo)線在不同溫度與磁場下的臨界電流 性 能 曲 線 , 77K、0 T 時(shí)臨界電流密度I ≈50kA/cm2。由圖6可見 ,在 77K時(shí) ,最高僅能產(chǎn)生10-1 特斯拉的超導(dǎo)磁場 ,當(dāng)要求磁場高于 1 特斯拉時(shí) ,運(yùn)行溫度需低于20～50K,從圖 6所示制冷裝備投資看仍有著重要意義 ,前述的超導(dǎo)同步電機(jī)激磁繞組就屬于此范圍。值得注意的還有 ,若運(yùn)行溫度仍保持在4.2K,Bi-2223 導(dǎo)線在近40T強(qiáng)場下仍能保持約100kA/cm2 的臨界電流密度 ,從而可用于產(chǎn)生更高的超導(dǎo)強(qiáng)磁場。

圖7 Bi-2223實(shí)用導(dǎo)線的臨界電流性能(B∥帶面)5.1 超導(dǎo)懸浮列車

由于超導(dǎo)體具有完全抗磁性，在車廂底部裝備的超導(dǎo)線圈，路軌上沿途安放金屬環(huán)，就構(gòu)成懸浮列車。當(dāng)列車啟動(dòng)時(shí)，由于金屬環(huán)切割磁力線，將產(chǎn)生與超導(dǎo)磁場方向相反的感生磁場。根據(jù)同性相斥原理，列車受到向上推力而懸浮。超導(dǎo)懸浮列車具有許多的優(yōu)點(diǎn)：由于它是懸浮于軌道上行駛，導(dǎo)軌與機(jī)車間不存在任何實(shí)際接觸，沒有摩擦，時(shí)速可達(dá)幾百公里；磁懸浮列車可靠性大，維修簡便，成本低，能源消耗僅是汽車的一半、飛機(jī)的四分之一；噪聲小，時(shí)速達(dá)300公里/小時(shí)，噪聲只有65分貝；以電為動(dòng)力，沿線不排放廢氣，無污染，是一種綠色環(huán)保的交通工具。

圖8 日本研制的磁浮列車用高溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)

5.2磁懸浮軸承

高速轉(zhuǎn)動(dòng)的部位 ,由于摩擦的限制 ,轉(zhuǎn)速無法進(jìn)一步提高。利用超導(dǎo)體的完全抗磁性可制成懸浮軸承。磁懸浮軸承是采用磁場力將轉(zhuǎn)軸懸浮。由于無接觸 ,因而避免了機(jī)械磨損 ,降低了能耗 ,減小了噪聲 ,具有免維護(hù)、高轉(zhuǎn)速、高精度和動(dòng)力學(xué)特性好的優(yōu)點(diǎn)。磁懸浮軸承可適用于高速離心機(jī)、飛輪儲(chǔ)能、航空陀螺儀等高速旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)。5.3電子束磁透鏡

在通常的電子顯微鏡中 ,磁透鏡的線圈是用銅導(dǎo)線制成的 ,場強(qiáng)不大 ,磁場梯度也不高 ,且時(shí)間穩(wěn)定性較差 ,使得分辨率難以進(jìn)一步提高。運(yùn)用超導(dǎo)磁透鏡后 ,以上缺點(diǎn)得到了克服目前超導(dǎo)電子顯微鏡的分辨已達(dá)到 3 埃 ,可以直接觀察晶格結(jié)構(gòu)和遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu) ,已成為科學(xué)和生產(chǎn)部門強(qiáng)有力的工具。6展望與建議

自從超導(dǎo)材料制備技術(shù)不斷成熟并逐步產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)以來 ,近十年來高臨界溫度超導(dǎo)應(yīng)用得到了良好的發(fā)展 ,在超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)限流器與超導(dǎo)變壓器等電力應(yīng)用方面 ,研制成功多臺(tái)樣機(jī)，人類在 21 世紀(jì)前期將迅速進(jìn)入超導(dǎo)應(yīng)用的新時(shí)代。從超導(dǎo)材料的發(fā)展歷程來看，新的更高轉(zhuǎn)變溫度材料的發(fā)現(xiàn)及室溫超導(dǎo)的實(shí)現(xiàn)都有可能。單晶生長及薄膜制造工藝技術(shù)也會(huì)取得重大突破，但超導(dǎo)材料的基礎(chǔ)研究還面臨一些挑戰(zhàn)。目前超導(dǎo)材料正從研究階段向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展階段。隨著高溫超導(dǎo)材料的開發(fā)成功，超導(dǎo)材料將越來越多地應(yīng)用于尖端技術(shù)中，因此超導(dǎo)材料技術(shù)有著重大的應(yīng)用發(fā)展?jié)摿Γ山鉀Q未來能源、交通、醫(yī)療和國防事業(yè)中的重要問題。

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第三篇：超導(dǎo)材料在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景展望

超導(dǎo)材料在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景展望

摘要：

超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)是20世紀(jì)物理學(xué)的一項(xiàng)偉大成果。文章主要闡述了超導(dǎo)現(xiàn)象，超導(dǎo)材料的研究和發(fā)展以及在電力系統(tǒng)方面的應(yīng)用優(yōu)勢和進(jìn)展，并做了前景展望。

關(guān)鍵詞：

超導(dǎo)材料；超導(dǎo)電纜；超導(dǎo)發(fā)電機(jī)；超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)。Abstract:

The discovery of superconductivity is a great achievement of 20th century in physics.The article mainly describes the phenomenon of superconductivity, the research and development of the superconducting materials as well as in Electric Power System strengths and progress, and outlook.Keywords: superconducting material;superconducting cable;superconducting generators;superconducting electrical motor.超導(dǎo)的誕生和發(fā)展

1911年，荷蘭科學(xué)家卡麥林·昂尼斯用液氦冷卻汞，當(dāng)溫度下降到4.2K（﹣268.95℃）時(shí)，汞的電阻變?yōu)榱?，這種現(xiàn)象被稱為超導(dǎo)現(xiàn)象，電阻為零時(shí)的溫度稱為臨界溫度。為了證實(shí)超導(dǎo)體的電阻為零，科學(xué)家將一個(gè)鉛制圓環(huán)放入溫度低于7.2K（﹣265.95℃）的空間，利用電磁感應(yīng)在鉛制圓環(huán)內(nèi)激發(fā)起感應(yīng)電流。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，環(huán)內(nèi)電流能持續(xù)下去，從1954年3月16日始，到1956年9月5日止，在兩年半的時(shí)間內(nèi)的電流一直沒有衰減，這說明圓環(huán)內(nèi)的電能沒有損失，這就是著名的昂尼斯持久電流實(shí)驗(yàn)。這一實(shí)驗(yàn)極大的激發(fā)了科學(xué)家們的研究熱情，國際上也對(duì)超導(dǎo)技術(shù)在電力方面的應(yīng)用給予了極大的關(guān)注，開展了一系列可行性論證和一定規(guī)模的研究，但由于技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的原因，這方面的應(yīng)用研究都沒能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)。隨著不斷的實(shí)驗(yàn)，超導(dǎo)合金的出現(xiàn)使超導(dǎo)材料的臨界溫度也不斷提高。

1986年瑞士繆勒和柏諾茲發(fā)現(xiàn)了一種成分為鋇、鑭、銅、氧的陶瓷性金屬氧化物（La-Ba-Cu-O系氧化物）具有高于30K（﹣243.15℃）的約為35K的超導(dǎo)性。由于陶瓷性金屬氧化物通常是絕緣物質(zhì)，因此這個(gè)發(fā)現(xiàn)的意義非常重大，繆勒和柏諾茲因此而榮獲了1987諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。此后，新的研究成果如雨后春筍般大量出現(xiàn)，出現(xiàn)了研究和發(fā)現(xiàn)的高潮。到了1987年底，臨界溫度達(dá)到125K（﹣148.15℃），短短一年多的時(shí)間臨界溫度幾乎提高了100K。

從此超導(dǎo)材料的研究方向朝向高溫超導(dǎo)材料發(fā)展，當(dāng)然，高溫是相對(duì)于低溫而言，即使是高溫，依然遠(yuǎn)低于冰點(diǎn)。所以在實(shí)際應(yīng)用中超導(dǎo)材料需要制冷等操作，大大提高了成本，也使得超導(dǎo)材料不能大量應(yīng)用。

超導(dǎo)材料在電力系統(tǒng)的應(yīng)用

美國物理學(xué)家波恩特?特奧?馬梯阿斯指出：“電能的輸送是超導(dǎo)體最重要的應(yīng)用之一?！卑l(fā)電站輸出電能常用鋁線和銅線。由于電阻的存在一部分電力在輸出過程中轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏В嬖谥鴩?yán)重的損耗。而利用超導(dǎo)材料輸電，由于導(dǎo)線電阻消失，線路損耗也就降為零，用超導(dǎo)材料可制高效率大容量的動(dòng)力電纜，并且可減少導(dǎo)體的需求量，節(jié)約大量有色金屬資源。

由于超導(dǎo)材料有零電阻的性質(zhì)，所以科學(xué)家想到把其應(yīng)用到電力系統(tǒng)中，這樣可以大大減少電能的熱損耗，節(jié)約很大一部分電能。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前的銅或鋁導(dǎo)線輸電，約有15%的電能損耗在輸電線路上，單單是在中國，每年的電力損失即達(dá)1000多億度。若改為超導(dǎo)電纜輸電，節(jié)省的電能相當(dāng)于新建數(shù)十個(gè)大型發(fā)電廠。

在電力領(lǐng)域，利用超導(dǎo)線圈磁體還可以將發(fā)電機(jī)的磁場強(qiáng)度提高到5萬～6萬高斯，并且?guī)缀鯖]有能量損失，這種發(fā)電機(jī)便是交流超導(dǎo)發(fā)電機(jī)。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)1萬兆瓦，而體積卻減少1/2，整機(jī)重量減輕1/3，發(fā)電效率提高50%。超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的另一個(gè)突出特點(diǎn)是有利于改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。一般來說，發(fā)電機(jī)的電抗越小，系統(tǒng)就越穩(wěn)定。超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的電抗大約只有普通發(fā)電機(jī)的l／4左右，因此在系統(tǒng)電抗相對(duì)較小時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)定極限增加了約4倍。

另外，在2012年4月12日，中國船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所研制的兆瓦級(jí)高溫超導(dǎo)電機(jī)實(shí)現(xiàn)滿負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行，標(biāo)志著我國首臺(tái)兆瓦級(jí)高溫超導(dǎo)電機(jī)研制成功。該電機(jī)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，達(dá)到世界先進(jìn)水平，對(duì)我國超導(dǎo)電機(jī)的戰(zhàn)略發(fā)展具有里程碑意義。今后，該所將著力進(jìn)行大容量高溫超導(dǎo)電機(jī)的實(shí)用化研究，預(yù)計(jì)到2020年前進(jìn)入工程研制，逐步將高溫超導(dǎo)電機(jī)技術(shù)推廣運(yùn)用到電氣傳動(dòng)和發(fā)電領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)該領(lǐng)域的新變革。

超導(dǎo)材料的前景展望

綜上所述，在電力系統(tǒng)中采用超導(dǎo)技術(shù)可增加電網(wǎng)的輸送容量、降低電能損耗、提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性、有利于保護(hù)環(huán)境．具有廣闊的應(yīng)用前景?，F(xiàn)在超導(dǎo)電纜，超導(dǎo)發(fā)電機(jī)和超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)的研制都取得了重大進(jìn)展，超導(dǎo)技術(shù)在電力系統(tǒng)中大規(guī)模應(yīng)用的想法正在不斷成為現(xiàn)實(shí)。我國的電力科技發(fā)展必須緊跟世界電力科技發(fā)展的步伐，要加強(qiáng)對(duì)超導(dǎo)電纜，超導(dǎo)發(fā)電機(jī)和超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)等可改善電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)、有利于系統(tǒng)穩(wěn)定且結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單的超導(dǎo)電力設(shè)備的研制開發(fā)工作，爭取在超導(dǎo)材料的研究開發(fā)、超導(dǎo)設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、降低成本、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等方面取得突破。

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第四篇：相態(tài)變化及超導(dǎo)在生活中的應(yīng)用

相態(tài)變化及超導(dǎo)在生活中的應(yīng)用

相態(tài)也就是物質(zhì)的狀態(tài)（或簡稱相，也叫物態(tài)）

物質(zhì)在一定溫度、壓強(qiáng)下所處的相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。物質(zhì)聚集狀態(tài)的簡稱，也稱聚集態(tài)。氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)是物質(zhì)三態(tài)，相應(yīng)的物質(zhì)分別稱為氣體、液體、固體。它們是以分子或原子為基元的3種聚集狀態(tài)。水汽、水、冰是常見的同一物質(zhì)的三態(tài)；氧、氫、氦等在常溫下是氣態(tài)，只在極低溫度下才是液態(tài)或固態(tài)；金、鎢等在常溫下是固態(tài)，只在極高溫度下才是液態(tài)或氣態(tài)，固態(tài)物質(zhì)的分子或原子只能圍繞各自的平衡位置微小振動(dòng)，固體有一定的形狀、大小；液態(tài)物質(zhì)的分子或原子沒有固定的平衡位置，但還不能分散遠(yuǎn)離，液體有一定體積，形狀隨容器而定，易流動(dòng)，不易壓縮；氣態(tài)物質(zhì)的分子或原子作無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，無平衡位置，也不能維持在一定距離，氣體沒有固定的體積和形狀，自發(fā)地充滿容器，易流動(dòng)，易壓縮。

除上述三態(tài)外，在極高溫下電離的氣體成為由離子和電子組成的等離子體，稱為物質(zhì)第四態(tài)。這是宇宙中普遍存在的物質(zhì)聚集狀態(tài)。在超高壓、超高溫下原子結(jié)構(gòu)被破壞，原子外圍的電子被擠壓到原子核范圍，這種狀態(tài)稱為超固態(tài)，亦稱物質(zhì)第五態(tài)。

人們把處 于超導(dǎo)狀態(tài)的導(dǎo)體稱之為“超導(dǎo)體”。超導(dǎo)體的直流電阻率在一定的低溫下突然消失，被稱作零電阻效應(yīng)。導(dǎo)體沒有了電阻，電流流經(jīng)超導(dǎo)體時(shí)就不發(fā)生熱損耗，電流可以毫無阻力地在導(dǎo)線中形成強(qiáng)大的電流，從而產(chǎn)生超強(qiáng)磁場。

超導(dǎo)是指某些物質(zhì)在一定溫度條件下（一般為較低溫度）電阻降為零的性質(zhì)。1911年荷蘭物理學(xué)家H·卡末林·昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)汞在溫度降至4.2K附近時(shí)突然進(jìn)入一種新狀態(tài)，其電阻小到實(shí)際上測不出來，他把汞的這一新狀態(tài)稱為超導(dǎo)態(tài)。以后又發(fā)現(xiàn)許多其他金屬也具有超導(dǎo)電性。低于某一溫度出現(xiàn)超導(dǎo)電性的物質(zhì)稱為超導(dǎo)體。

1933年，荷蘭的邁斯納和奧森菲爾德共同發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的另一個(gè)極為重要的性質(zhì)——當(dāng)金屬處在超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，這一超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，卻把原來存在于體內(nèi)的磁場排擠出去。對(duì)單晶錫球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：錫球過渡到超導(dǎo)態(tài)時(shí)，錫球周圍的磁場突然發(fā)生變化，磁力線似乎一下子被排斥到超導(dǎo)體之外去了，人們將這種現(xiàn)象稱之為“邁斯納效應(yīng)”。

后來人們還做過這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)：在一個(gè)淺平的錫盤中，放入一個(gè)體積很小但磁性很強(qiáng)的永久磁體，然后把溫度降低，使錫盤出現(xiàn)超導(dǎo)性，這時(shí)可以看到，小磁鐵竟然離開錫盤表面，慢慢地飄起，懸浮不動(dòng)。

邁斯納效應(yīng)有著重要的意義，它可以用來判別物質(zhì)是否具有超導(dǎo)性。為了使超導(dǎo)材料有實(shí)用性，人們開始了探索高溫超導(dǎo)的歷程，從1911年至1986年，超導(dǎo)溫度由水銀的4.2K提高到23.22K（0K=-273.15℃；K開爾文溫標(biāo)，起點(diǎn)為絕對(duì)零度）。1986年1月發(fā)現(xiàn)鋇鑭銅氧化物超導(dǎo)溫度是30K，12月30日，又將這一紀(jì)錄刷新為40.2K，1987年1月升至4 3K，不久又升至46K和53K，2月15日發(fā)現(xiàn)了98K超導(dǎo)體。高溫超導(dǎo)體取得了巨大突破，使超導(dǎo)技術(shù)走向大規(guī)模應(yīng)用。

超導(dǎo)材料和超導(dǎo)技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景。超導(dǎo)現(xiàn)象中的邁斯納效應(yīng)使人們可以用此原理制造超導(dǎo)列車和超導(dǎo)船，由于這些交通工具將在懸浮無摩擦狀態(tài)下運(yùn)行，這將大大提高它們的速度和安靜性，并有效減少機(jī)械磨損。利用超導(dǎo)懸浮可制造無磨損軸承，將軸承轉(zhuǎn)速提高到每分鐘10萬轉(zhuǎn)以上。超導(dǎo)列車已于70年代成功地進(jìn)行了載人可行性試驗(yàn)，1987年開始，日本開始試運(yùn)行，但經(jīng)常出現(xiàn)失效現(xiàn)象，出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能是由于高速行駛產(chǎn)生的顛簸造成的。超導(dǎo)船已于1992年1月27日下水試航，目前尚未進(jìn)入實(shí)用化階段。利用超導(dǎo)材料制造交通工具在技術(shù)上還存在一定的障礙，但它勢必會(huì)引發(fā)交通工具革命的一次浪潮。

超導(dǎo)材料的零電阻特性可以用來輸電和制造大型磁體。超高壓輸電會(huì)有很大的損耗，而利用超導(dǎo)體則可最大限度地降低損耗，但由于臨界溫度較高的超導(dǎo)體還未進(jìn)入實(shí)用階段，從而限制了超導(dǎo)輸電的采用。隨著技術(shù)的發(fā)展，新超導(dǎo)材料的不斷涌現(xiàn)，超導(dǎo)輸電的希望能在不久的將來得以實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)有的高溫超導(dǎo)體還處于必須用液態(tài)氮來冷卻的狀態(tài)，但它仍舊被認(rèn)為是20世紀(jì)最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。

世紀(jì)70年代，世界材料科學(xué)中出現(xiàn)了一種具有“記憶”形狀功能的合金。記憶合金是一種頗為特別的金屬條，它極易被彎曲，我們把它放進(jìn)盛著熱水的玻璃缸內(nèi)，金屬條向前沖去；將它放入冷水里，金屬條則恢復(fù)了原狀。在盛著涼水的玻璃缸里，拉長一個(gè)彈簧，把彈簧放入熱水中時(shí)，彈簧又自動(dòng)的收攏了。涼水中彈簧恢復(fù)了它的原狀，而在熱水中，則會(huì)收縮，彈簧可以無限次數(shù)的被拉伸和收縮，收縮再拉開。這些都由一種有記憶力的智能金屬做成的，它的微觀結(jié)構(gòu)有兩種相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，在高溫下這種合金可以被變成任何你想要的形狀，在較低的溫度下合金可以被拉伸，但若對(duì)它重新加熱，它會(huì)記起它原來的形狀，而變回去。[1]這種材料就叫做記憶金屬（memory metal）。它主要是鎳鈦合金材料。例如，一根螺旋狀高溫合金，經(jīng)過高溫退火后，它的形狀處于螺旋狀態(tài)。在室溫下，即使用很大力氣把它強(qiáng)行拉直，但只要把它加熱到一定的“變態(tài)溫度”時(shí)，這根合金仿佛記起了什么似的，立即恢復(fù)到它原來的螺旋形態(tài)。這是怎么回事？難道合金也具有人類那樣的記憶力？

原來不是那么回事！這只是利用某些合金在固態(tài)時(shí)其晶體結(jié)構(gòu)隨溫度發(fā)生變化的規(guī)律而已。例如，鎳-鈦合金在40℃以上和40℃以下的晶體結(jié)構(gòu)是不同的，但溫度在40℃上下變化時(shí)，合金就會(huì)收縮或膨脹，使得它的形態(tài)發(fā)生變化。這里，40℃就是鎳-鈦記憶合金的“變態(tài)溫度”。各種合金都有自己的變態(tài)溫度。上述那種高溫合金的變態(tài)溫度很高。在高溫時(shí)它被做成螺旋狀而處于穩(wěn)定狀態(tài)。在室溫下強(qiáng)行把它拉直時(shí)，它卻處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此，只要把它加熱到變態(tài)溫度，它就立即恢復(fù)到原來處于穩(wěn)定狀態(tài)的螺旋形狀了。

工業(yè)應(yīng)用

（1）利用單程形狀記憶效應(yīng)的單向形狀恢復(fù)。如管接頭、天線、套環(huán)等。（2）外因性雙向記憶恢復(fù)。即利用單程形狀記憶效應(yīng)并借助外力隨溫度升降做反復(fù)動(dòng)作，如熱敏元件、機(jī)器人、接線柱等。

（3）內(nèi)因性雙向記憶恢復(fù)。即利用雙程記憶效應(yīng)隨溫度升降做反復(fù)動(dòng)作，如熱機(jī)、熱敏元件等。但這類應(yīng)用記憶衰減快、可靠性差，不常用。（4）超彈性的應(yīng)用。如彈簧、接線柱、眼鏡架等。

以記憶合金制成的彈簧為例，把這種彈簧放在熱水中，彈簧的長度立即伸長，再放到冷水中，它會(huì)立即恢復(fù)原狀。利用形狀記憶合金彈簧可以控制浴室水管的水溫，在熱水溫度過高時(shí)通過“記憶”功能，調(diào)節(jié)或關(guān)閉供水管道，避免燙傷。也可以制作成消防報(bào)警裝置及電器設(shè)備的保安裝置。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí),記憶合金制成的彈簧發(fā)生形變，啟動(dòng)消防報(bào)警裝置，達(dá)到報(bào)警的目的。還可以把用記憶合金制成的彈簧放在暖氣的閥門內(nèi)，用以保持暖房的溫度，當(dāng)溫度過低或過高時(shí)，自動(dòng)開啟或關(guān)閉暖氣的閥門。

作為一類新興的功能材料，記憶合金的很多新用途正不斷被開發(fā)，例如用記憶合金制作的眼鏡架，如果不小心被碰彎曲了，只要將其放在熱水中加熱，就可以恢復(fù)原狀。不久的將來，汽車的外殼也可以用記憶合金制作。如果不小心碰癟了，只要用電吹風(fēng)加加溫就可恢復(fù)原狀，既省錢又省力，很是方便。管道結(jié)合和自動(dòng)化控制方面。記憶合金已用于管道結(jié)合和自動(dòng)化控制方面，用記憶合金制成套管可以代替焊接，方法是在低溫時(shí)將管端內(nèi)全擴(kuò)大約 4%，裝配時(shí)套接一起，一經(jīng)加熱，套管收縮 恢復(fù)原形，形成緊密的接合。美國海軍飛機(jī)的液壓系統(tǒng)使用了10萬個(gè)這種接頭，多年來從未發(fā)生漏油和破損。船艦和海底油田管道損壞，用記憶合金配件修復(fù)起來，十分方便。在一些施工不便的部位，用記憶合金制成銷釘，裝入孔內(nèi)加熱，其尾端自動(dòng)分開卷曲，形成單面裝配件。熱機(jī)械和恒溫自動(dòng)控制

記憶合金特別適合于熱機(jī)械和恒溫自動(dòng)控制，已制成室溫自動(dòng)開閉臂，能在陽光照耀的白天打開通風(fēng)窗，晚間室溫下降時(shí)自動(dòng)關(guān)閉。記憶合金熱機(jī)的設(shè)計(jì)方案也不少，它們都能在具有低溫差的兩種介質(zhì)間工作，從而為利用工業(yè)冷卻水、核反應(yīng)堆余熱、海洋溫差和太陽能開辟了新途徑?，F(xiàn)在普遍存在的問題是效率不高，只有 4%～6%，有待于進(jìn)一步改進(jìn)。

醫(yī)療上的應(yīng)用記憶合金在臨床醫(yī)療領(lǐng)域內(nèi)有著廣泛的應(yīng)用，例如人造骨骼、傷骨固定加壓器、牙科正畸器、各類腔內(nèi)支架、栓塞器、心臟修補(bǔ)器、血栓過濾器、介入導(dǎo)絲和手術(shù)縫合線等等，記憶合金在現(xiàn)代醫(yī)療中正扮演著不可替代的角色。TiNi合金的生物相容性很好，利用其形狀記憶效應(yīng)和超彈性的醫(yī)學(xué)實(shí)例相當(dāng)多。如血栓過濾器、脊柱矯形棒、牙齒矯形絲、腦動(dòng)脈瘤夾、接骨板、髓內(nèi)針、人工關(guān)節(jié)、避孕器、心臟修補(bǔ)元件、人造腎臟用微型泵等。

例如接骨用的骨板，不但能將兩段斷骨固定，而且在恢復(fù)原形狀的過程中產(chǎn)生壓縮力，迫使斷骨接合在一起。齒科用的矯齒絲，結(jié)扎腦動(dòng)脈瘤和輸精管的長夾，脊柱矯直用的支板等，都是在植入人體內(nèi)后靠體溫的作用啟動(dòng)，血栓濾器也是一種記憶合金新產(chǎn)品。被拉直的濾器植入靜脈后，會(huì)逐漸恢復(fù)成網(wǎng)狀，從而阻止 95%的凝血塊流向心臟和肺部。

人工心臟是一種結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的臟器，用記憶合金制成的肌纖維與彈性體薄膜心室相配合，可以模仿心室收縮運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)在泵送水已取得成功。由于記憶合金是一種“有生命的合金”，利用它在一定溫度下形狀的變化，就可以設(shè)計(jì)出形形色色的自控器件，它的用途正在不斷擴(kuò)大。航天技術(shù)

記憶合金最令人鼓舞的應(yīng)用是在中。1969年7月20日，“阿波羅”11號(hào)登月艙在月球著陸，實(shí)現(xiàn)了人類第一次登月旅行的夢想。宇航員登月后，在月球上放置了一個(gè)半球形的直徑數(shù)米大的天線，用以向地球發(fā)送和接受信息。數(shù)米大的天線裝在小小的登月艙里送上了太空。天線就是用當(dāng)時(shí)剛剛發(fā)明不久的記憶合金制成的。用極薄的記憶合金材料先在正常情況下按預(yù)定要求做好，然后降低溫度把它壓成一團(tuán)，裝進(jìn)登月艙帶上天去。放到月面上以后，在陽光照射下溫度升高，當(dāng)達(dá)到轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，天線又“記”起了自己的本來面貌，變成一個(gè)巨大的半球形。高科技應(yīng)用展望

20世紀(jì)是機(jī)電學(xué)的時(shí)代。傳感——集成電路——驅(qū)動(dòng)是最典型的機(jī)械電子控制系統(tǒng)，但復(fù)雜而龐大。形狀記憶材料兼有傳感和驅(qū)動(dòng)的雙重功能，可以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的微型化和智能化，如全息機(jī)器人、毫米級(jí)超微型機(jī)械手等。21世紀(jì)將成為材料電子學(xué)的時(shí)代。形狀記憶合金的機(jī)器人的動(dòng)作除溫度外不受任何環(huán)境條件的影響，可望在反應(yīng)堆、加速器、太空實(shí)驗(yàn)室等高技術(shù)領(lǐng)域大顯身手。

第五篇：ERP系統(tǒng)在能源企業(yè)中的應(yīng)用

ERP系統(tǒng)在能源企業(yè)中的應(yīng)用

發(fā)表時(shí)間：2010-6-5 佟巍 郭莉莉 來源：萬方數(shù)據(jù)

關(guān)鍵字：ERP 生產(chǎn)流程 效益分析 企業(yè)管理

本文介紹了企業(yè)資源規(guī)劃的基本概念并分析了ERP在幾家大型能源公司上的應(yīng)用，論述了企業(yè)在實(shí)施ERP的過程中需要注意的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，為企業(yè)成功實(shí)施ERP系統(tǒng)給出了建議，最后分析了ERP能夠在經(jīng)營指標(biāo)、產(chǎn)品營銷、資金管理以及人力資源等方面給企業(yè)帶來的效益。

ERP(Enterprise Resource Planning)，即企業(yè)資源規(guī)劃，它是一種基于先進(jìn)的企業(yè)管理理念、高度集成化的信息系統(tǒng)，是“一套將財(cái)務(wù)、分銷、制造和其它業(yè)務(wù)功能合理集成的應(yīng)用軟件系統(tǒng)”，也是幫助企業(yè)提高管理水平的新型企業(yè)管理模式。它是企業(yè)經(jīng)營管理活動(dòng)中的物流、信息流，資金流、工作流加以集成和綜合。成功實(shí)施ERP可以優(yōu)化企業(yè)的業(yè)務(wù)流程，改善管理信息系統(tǒng)，提升企業(yè)的決策支持能力，給企業(yè)帶來廣泛的效益。ERP系統(tǒng)在國際大型能源公司的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 英國石油公司(BP)

BP是世界上最大的能源公司之一，向顧客提供運(yùn)輸燃料、光熱能源、油品零售服務(wù)以及與人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)的各種石化產(chǎn)品。BP從2000年開始實(shí)施ERP系統(tǒng)，采用SAP解決方案。包括財(cái)務(wù)會(huì)計(jì)(FI)、管理會(huì)計(jì)(CO)、銷售與分銷(SD)，物料管理(MM)、流程行業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃(PP)，工廠與設(shè)備維護(hù)(PM)、人力資源(HR)。IBM公司和埃森哲公司為其提供ERP系統(tǒng)實(shí)施服務(wù)。2003年以前，采取分散式構(gòu)架。2003年初開始整合其全球ERP系統(tǒng)，為期18個(gè)月，現(xiàn)已全部完成。BP的ERP系統(tǒng)上線后，實(shí)現(xiàn)了跨行業(yè)和跨地區(qū)工作流程標(biāo)準(zhǔn)化；提升了總體管理水平；減少了庫存；加快了財(cái)務(wù)月結(jié)速度，提高了工作效率。

1.2 殼牌公司(Shell)

英荷(英國、荷蘭聯(lián)營)皇家殼牌集團(tuán)，簡稱殼牌公司，其組建始于1907年英國殼牌運(yùn)輸和貿(mào)易有限公司與荷蘭皇家石油公司股權(quán)的合并。殼牌從1999年開始實(shí)施ERP系統(tǒng)，其早期基本采取分散式系統(tǒng)架構(gòu)，僅SAP系統(tǒng)就達(dá)60多套，現(xiàn)在考慮進(jìn)一步規(guī)范和新業(yè)務(wù)流程和降低IT運(yùn)行成本，將IT系統(tǒng)變成集中式的架構(gòu)。目前，以殼牌石油主要業(yè)務(wù)殼牌化工為例，因?yàn)槭褂肊RP系統(tǒng)為核心的信息化系統(tǒng)，殼牌化工一年節(jié)省的費(fèi)用在1億美元以上。

1.3 中石化

2001年初，中國石化通過ERP總體規(guī)劃，提出“國際水平、中國國情、石化特色”的建設(shè)思路。核心思想是借助ERP系統(tǒng)的實(shí)施，使企業(yè)在管理理念、管理能力和管理水平等方面逐步向國際水準(zhǔn)看齊。它采取了分散式系統(tǒng)架構(gòu)。埃森哲公司和石化盈科公司為其提供ERP系統(tǒng)實(shí)施服務(wù)。通過ERP項(xiàng)目的實(shí)施，效益開始顯現(xiàn)，其中用戶最深刻的感受是通過ERP的實(shí)施促進(jìn)了管理體耕和機(jī)制的改革、管理的提升及流程的改進(jìn)，形成了高效運(yùn)作的企業(yè)組織。構(gòu)建ERP系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

2.1 強(qiáng)化ERP的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作

數(shù)據(jù)對(duì)ERP的重要性不言而喻，因此搜集數(shù)據(jù)要靠合理的方法和步驟來進(jìn)行。首先要明確各類編碼的規(guī)范。如物料代碼、供應(yīng)商代碼、客戶代碼等。有了規(guī)范的編碼方法，才能盡可能的最大限度地保證了編碼的唯一性。準(zhǔn)確性。其次設(shè)計(jì)和準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)準(zhǔn)備表，在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備表上要安排如部門、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備人、審核人、錄入人、校對(duì)人、完成日期等用于實(shí)施控制的項(xiàng)目。最后，為了確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確及時(shí)，必須責(zé)成專人整錄入、檢查，并做好備份。

2.2 強(qiáng)化企業(yè)流程優(yōu)化和再造

為了讓ERP系統(tǒng)能夠更順利的實(shí)施，就要調(diào)整企業(yè)管理上存在的不合理的工藝流程和物流過程。在實(shí)施中我們可以先確定企業(yè)所需要的運(yùn)作模式即流程。將流程進(jìn)行分析，確定關(guān)鍵流程。與ERP要求差距較大的流程要進(jìn)行流程再造。最后將經(jīng)過梳理的企業(yè)流程進(jìn)行信息化，企業(yè)在這一環(huán)節(jié)需要做到各級(jí)部門和業(yè)務(wù)人員全面配合實(shí)施，結(jié)果既要符合ERP的要求，又要符合業(yè)務(wù)操作的實(shí)際情況，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程的優(yōu)化與再造。

2.3 強(qiáng)化員工培訓(xùn)，盡快融入ERP文化

ERP不但是一種技術(shù)手段，更是一種現(xiàn)代管理思想的綜合。為了能夠讓ERP更好的實(shí)施，減小風(fēng)險(xiǎn)，就應(yīng)該對(duì)企業(yè)員工進(jìn)行培訓(xùn)。培訓(xùn)的內(nèi)容不應(yīng)該只限干流程、技術(shù)和技巧層面，而應(yīng)該將培育團(tuán)隊(duì)合作精神和態(tài)度養(yǎng)成作為重點(diǎn)內(nèi)容。將ERP的理念融入到員工的心里。不但要在培訓(xùn)中將本企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營理念灌輸給員工，也要把ERP提供商的理念也融入進(jìn)來，使員工盡快接納ERP特有的文化，保證系統(tǒng)順利上線實(shí)施。成功實(shí)施ERP的效益分析

ERP通過對(duì)企業(yè)擁有的資源進(jìn)行綜合平衡和優(yōu)化管理，并協(xié)調(diào)企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營各個(gè)環(huán)節(jié)，以市場為導(dǎo)向開展企業(yè)的各項(xiàng)業(yè)務(wù)活動(dòng)，提高企業(yè)競爭能力。從而能夠?yàn)槠髽I(yè)贏得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

(1)ERP能夠使企業(yè)決策者快速便捷地獲得各種關(guān)鍵指標(biāo)數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)和分析信息，對(duì)企業(yè)的運(yùn)行情況有更清晰、完整、準(zhǔn)確和快速的了解。并且在企業(yè)需要重大決策時(shí)，可以通過ERP系統(tǒng)分析有關(guān)歷史數(shù)據(jù)，分析趨勢和變化，為科學(xué)決策提供依據(jù)。

(2)ERP系統(tǒng)能夠?qū)ζ髽I(yè)各類原輔料、產(chǎn)品進(jìn)行成本核算，將各項(xiàng)生產(chǎn)消耗進(jìn)行合理分?jǐn)?，做到企業(yè)精細(xì)化管理。并且通過對(duì)企業(yè)的資金預(yù)算及執(zhí)行情況進(jìn)行精細(xì)規(guī)劃來提高企業(yè)運(yùn)營資金，降低資金運(yùn)營成本。

(3)通過ERP系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)查詢可用庫存、客戶信用和產(chǎn)品價(jià)格，為銷售人員提供全方位信息。并且能夠結(jié)合銷售運(yùn)營計(jì)劃、生產(chǎn)能力和產(chǎn)品庫存，自動(dòng)產(chǎn)生最優(yōu)的生產(chǎn)計(jì)劃，提高企業(yè)競爭力。

(4)通過ERP的在人力資源上的應(yīng)用，能夠建立全員信息庫，提高人工成本核算的精確性、合理性。在ERP實(shí)施的過程中，優(yōu)化了企業(yè)流程，剔除了企業(yè)在生產(chǎn)經(jīng)營上的一些弊端，為企業(yè)培養(yǎng)了一批既了解企業(yè)綜合業(yè)務(wù)管理又具有現(xiàn)代化管理理念、既懂業(yè)務(wù)又懂技術(shù)的復(fù)合性人才，為企業(yè)轉(zhuǎn)型和深化改革積蓄了人才力量。結(jié) 語

ERP系統(tǒng)的實(shí)施和應(yīng)用是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，涉及到企業(yè)的組織機(jī)構(gòu)，管理體制、工作方式等一系列重大問題角色，是現(xiàn)代企業(yè)的客觀需要和必然趨勢。但ERP的運(yùn)用，既不能生搬硬套先進(jìn)的做法，也不能牽強(qiáng)附會(huì)不合適宜地追求完善。只有認(rèn)真分析ERP實(shí)施過程中存在的問題，采取有針對(duì)性的策略，才能提高ERP實(shí)施的效率，真促進(jìn)企業(yè)管理水平的提升。

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