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            人民日報 2017-12-22——超導技術 超凡脫俗

              不久前,我國科學家在鐵基超導體統一相圖研究上取得進展,人們對鐵基超導的物理特性認識更進一步。而在3年前,中科院物理所和中國科技大學的研究團隊以在鐵基超導研究上的突破,獲得國家自然科學一等獎,結束了該獎項連續3年的空缺。超導為何如此重要?

              如果采用超導輸電線,我國每年節省的電量相當于數十個發電廠的發電量

              把材料置于零下兩三百攝氏度的溫度下,將會怎樣?超導材料的表現是:電阻突然消失了。這可不是簡單的變化,零電阻的超導體被認為有望給電力工業帶來革新。

              日常生活中,電器、電線會發熱,是因為電流和電器、電線發生了“摩擦”,這種“摩擦”就是電阻的來源,電阻產生的熱量實際是電能浪費。事實上,電在從發電廠“趕往”工廠、住宅、學校的路上,就已經被輸電線的電阻消耗了不少。

              專家介紹,因為電阻為零,超導材料在傳輸電的過程中就沒有損耗。此外,采用超導輸電還能簡化變壓器、電動機和發電機等熱絕緣,并保證輸電的穩定性,提高輸電的安全性。

              有專家測算,目前采用銅或鋁導線的輸電損耗約為15%,我國每年的輸電損耗就達1000億度左右;如果采用超導輸電線,每年節省的電量相當于數十個發電廠的發電量。

              超導材料另一個特性是完全抗磁性,即超導體一旦進入超導態,就如同練就了“金鐘罩、鐵布衫”一樣。這是因為超導體在靠近磁場時會在其表面感應出超導電流,這個超導電流會在超導體內部產生一個與外磁場方向相反大小相等的磁場,外界磁場根本進不去,兩種磁場相互抵消,從而體內的磁感應強度為零。

              專家表示,無論是先置入外磁場中后降溫到超導態,還是先降溫到超導態再放入外磁場中,外磁場的磁力線都無法穿透到超導體內部。超導磁體具有體積小、穩定度高、耗能少等多種優勢,因此臨床上采用的高分辨核磁共振成像技術,很多依靠的是超導磁體。

              抗磁性還讓超導體能在交通領域大展身手。由于磁力線幾乎無法進入超導體的體內,將超導體置于普通磁體產生的磁場中時,會達到懸浮的效果,高速超導磁懸浮列車設想應用的正是這一原理。超導磁懸浮列車將為人們提供更高速、穩定和安全的軌道運輸。

              超導大規模應用的難點是,缺乏適合應用的、臨界溫度更高的超導體。1911年,荷蘭物理學家昂內斯等人測量金屬汞的電阻時,驚奇地發現溫度降至極低后,汞的電阻突然消失。金屬汞也成為人類發現的第一個超導體。

              不過,汞要冷卻到4.2K(0K等于零下273攝氏度,4.2K約為零下269攝氏度)才有超導現象。這是一個極低的溫度,需要依靠昂貴的液氮來維持,推廣應用幾乎不可能。因此,從超導現象發現第一天起,科學家一直在尋找有應用價值的高溫超導體。

              在鐵基高溫超導體基礎研究上,我國處于世界前列

              超導研究在科學上的重要性及其巨大的應用前景,吸引了許多科學家的目光。超導研究百年歷史上,有10人獲得諾貝爾獎。

              1968年,物理學家麥克米蘭根據傳統理論計算推斷,超導體的轉變溫度一般不能超過40K(約零下233攝氏度),這個溫度也被稱為麥克米蘭極限溫度。

              人類對超導的應用是否只能被限制在40K以下?40K的極限溫度能否被突破?為了探索這個問題,科學家們做了無數次嘗試。1986年,兩名歐洲科學家發現以銅為關鍵超導元素的銅氧化物超導體。銅基超導成為高溫超導家族中的一員,在很長一段時間內成為科學家的主要研究方向。

              我國科學家在銅基超導研究上也做出了重要貢獻。比如,1987年初,中科院物理所團隊在鋇—釔—銅—氧中發現了臨界溫度93K(約零下180攝氏度)的液氮溫區超導體,并在世界上首次公布了元素組成,刮起了一陣研究液氮溫區超導體的旋風。

              經過科學家的努力,雖然銅基高溫超導材料的質量和性能不斷提高,但它有兩個致命的缺陷。第一,作為一種金屬陶瓷材料,它在柔韌性和延展性上遠遠不如金屬材料,加工工藝也嚴苛,在材料機械加工等方面存在巨大的困難;第二,它可以負載的最大電流相對較低,無法在一些需要高電流強磁場的領域應用。

              鐵元素作為典型的磁性元素,曾一度被認為是探索高溫超導體的禁區。2008年3月,日本的一位科學家無意中發現了鐵基高溫超導材料。但由于日本科學家最早發現的鐵基超導樣品轉變溫度只有26K(約零下247攝氏度)——因為沒有突破麥克米蘭極限溫度,還不能確定是鐵基高溫超導體。

              隨后不久,我國科學家發現了臨界溫度超過40K的鐵基超導體,突破了麥克米蘭極限溫度,證明鐵基超導材料是繼銅氧化物超導體之后的新型高溫超導材料。其中,中國科學院院士趙忠賢領導的研究小組利用高壓合成技術高效地制備了一大批不同元素構成的鐵基超導材料,轉變溫度很多達到50K(約零下223攝氏度)以上,并創造了55K(約零下218攝氏度)的鐵基超導體轉變溫度紀錄。

              我國科學家還對鐵基超導體若干基本物理性質進行了深入研究,確認了它的非常規性。鐵基超導被確認為新一類高溫超導體,引起了國際物理學界的極大關注,成為科學家研究的熱點。鐵基超導材料也因其在交通運輸、醫學、國防等領域有廣泛的應用前景,被《科學》雜志稱為是目前最具有發展前景的新型高溫超導體之一。

              目前,我國科學家在鐵基高溫超導體基礎研究上處于世界前列。

              我國已率先研制出首根百米量級鐵基超導長線

              超導體要實現規?;纳虡I應用,將實驗室的優勢轉化為產業優勢,還少不了工程方面的工作。值得欣慰的是,自2008年科學家發現鐵基超導體以來,我國在鐵基超導材料研究和制備上同樣做到了領跑。

              研制鐵基超導線的技術難點是找到均勻、穩定、可重復性的制備方法。2008年,中科院電工所研究員馬衍偉帶領團隊采用粉末裝管法,率先制備出世界首根鐵基超導線帶材。雖然其后驗證發現其傳輸電流為零,說明這根線材沒有太大意義,但團隊由此找到了制備鐵基超導線材的路徑。

              2010年,馬衍偉團隊首創鐵基超導前驅粉先位燒結工藝,為線材載流性能顯著提升奠定了基礎;2011年,研究團隊解決鐵基超導體的弱連接問題,提升了載流能力,并測得其臨界傳輸電流達到180安培,相應臨界電流密度超過25000安培/平方厘米。

              2012年,馬衍偉團隊進一步優化織構化鐵基超導帶材的制備工藝,大幅度提高了超導電流,其臨界電流密度在10特斯拉的強磁場下達到17000安培,證明了鐵基超導材料在強電應用上的巨大潛力。

              米級的鐵基超導線性能不斷提高,但鐵基超導材料要走向大規模應用,還要制備出高性能長線。

              2015年,馬衍偉團隊成功研制出國際上第一根10米量級的高性能122型鐵基超導長線,實現了鐵基超導線帶材制備的新突破。不過,要達到實用級別,10米量級的鐵基超導線還遠遠滿足不了規?;苽湫枨?。

              長線線材制備難點在哪里?“線帶材越長,均勻性越難控制,這對超導線制備中的各項工藝技術都提出了很高的要求?!瘪R衍偉說。

              2016年9月,馬衍偉團隊優化了設計和加工方案,成功研制國際上首根100米量級鐵基超導長線。經測試,該超導線載流性能表現良好,10特斯拉高磁場下的臨界電流密度超過12000安培/平方厘米,初步具備了應用的價值。

              目前,世界上其他國家的鐵基超導線制備仍處于米級水平。專家表示,百米量級鐵基超導線的成功研制,表明我國已率先掌握了具有自主知識產權的鐵基超導長線制備技術,鞏固了我國在鐵基超導相關研究上的領先地位,有利于我國占領新型超導材料及其應用發展的制高點。

             

            人民日報 2017-12-22——超導技術 超凡脫俗

             

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