一、稀土超導材料
當某種材料在低于某一溫度時,出現電阻為零的現象即超導現象,該溫度即是臨界溫度(Tc)。超導體是一種抗磁體,低于臨界溫度時,超導體排斥任何試圖施加于它的磁場,這就是所謂的邁斯納效應。在超導材料中添加稀土可以使臨界溫度Tc大大提高,一般可達70~90K,從而使超導材料在價廉易得的液氮中使用,這就大大地推動了超導材料的研制和應用的發展。
超導現象是1911年由一位荷蘭物理學家首先發現的,當水銀溫度降低到43K時,水銀便失去了電阻。隨后超導體的研究開發一直在進行,到1973年,科學家們制得一種鈮鍺合金,其臨界溫度是23.3K。1986年發現一些新的超導體,超導研究也因此取得了突破性進展,當時發現一種鑭鋇銅氧陶瓷,其臨界溫度為35K。1987年2月又發現YBa2Cu3O7-x高溫超導體的臨界溫度達90K以上,大大超過了氮的沸點(77K)。新型稀土高溫材料可以在液氮溫度下工作。
二、超導材料主要應用領域
1.基礎科學
利用超導裝置可以正確測量磁場強度,磁通量、電流、電壓、電磁能等許多物理量,而且這種儀器分辨能力極高,如超導量子干涉儀可以正確測量人的心磁、腦磁以及地磁。普通超導體的最大應用市場是在低溫物理研究領域,首先應用于探測器、焊接設備及粒子加速器。
2.電子工業
電子工業有可能是新型超導體的第一個銷售市場,在計算機上采用高溫超導材料有兩大優點:一是它減少了為冷卻約瑟夫森裝置所需的致冷;二是它通過回憶信號傳遞速度,改善了具有普通芯片的機器性能。在計算機中大規模應用高溫超導薄膜可以加快計算速度。其運算速度比硅器件快1000倍。
電路的時間常數取決于電路的電阻和電容。如果沒有電阻,時間常數減少到零,電路中的信號傳遞將會加速。在用半導體芯片的普通計算機里,可用加速元件開關速度的方法提高運行速度。電路可散布在芯片上,以保持冷卻,但這樣降低了運行速度。因為信號要走的距離長了,而約瑟夫森觸點的開關時間僅有10-12秒,幾乎沒有熱量產生。如果全部連線和電阻為零,則可大大減少熱與功率的損耗。
3.在發電和電力傳輸方面
在電力工程設施中,如發電機、電動機、變壓器、電力傳輸線及儲能系統中,由于線路有電阻,因此會有大量的電損耗并轉變為熱。由于超導體的電阻為零,YBa2Cu3O7陶瓷超導體的熱導率很低,所以,它們在這方面的應用潛力很大。英國的ICI高級材料研究所用YBa2Cu3O7線圈試制了一臺發電機,當線圈轉數為1500轉/分時,發電機可產生2.5V的電壓。目前超導體在電力設施中應用的主要問題是載流能力小,在超導體用于工業發電之前,仍需做大量的研究和試驗工作。
在超導磁儲能系統及電磁鐵中使用高溫超導線圈,會產生更強的磁場,因而會減少磁體的體積和重量,且不需鐵芯。超導磁儲能系統可以儲存非高峰期多余的電能,以便高峰期使用。
超導體在能源方面的其他潛在應用領域有磁流體發電、熱核發電及磁選機。磁選機除去煤礦中的硫,除去瓷土或礦石中的雜質。
4.超導磁懸浮列車
在列車車輪旁邊安裝小型超導磁體,在列車向前行駛時,超導磁體則向軌道產生強大的磁場,并和安裝在軌道兩旁的鋁環相互作用,產生一種向上浮力,消除車輪與鋼軌的摩擦力,起到加快車速的作用。高溫超導體在懸浮列車上應用的研究集中在日本。
超導在運載上的其他應用可能還有用作輪船動力的超導電機、電磁空間發射工具及飛機懸浮跑道。
5.其它
醫療中利用超導體介子發生器可以治療癌癥,利用超導磁體可以治療腦血管腫瘤。此外,軍事上利用超導可以擊毀導彈。
來源:中國稀土網站