（上海交通大学附属中学，上海 200439）
0.引言
科学家在研究中发现，将某些固体冷却到一定温度以下时，它们的电阻会完全消失，这类材料被称为超导材料，该温度被称为转变温度，不同材料的转变温度存在一定的差异，但是多数材料的转变温度是低于20K的（-253℃）。除温度外，磁场也会对超导材料的性质产生一定的影响。超过某个临界值的强磁场会导致超导体恢复到正常状态（即非超导状态）。即使该材料所处环境的温度已经远低于其转变温度，它也无法表现出超导性。
超导材料在许多领域都有着广泛的应用，它可以减小设备在通电过程中产生的热量，节约能源，减小设备的体积，提高设备工作时的稳定性。在医用磁成像设备、磁储能系统、电动机、发电机、变压器、计算机部件以及精密磁场测量仪中，超导材料都发挥着重要的作用。近年来，许多工程学家致力于提升用超导材料制成的机械的运行速度、能量利用效率、灵敏度。他们对不同种类的超导材料的性质进行了深入的研究，以期为改进现有超导设备、研发新型超导设备提供新思路[1]。
1.超导材料的发现
1911年，荷兰物理学家Heike Kamerlingh Onnes发现了超导现象。由于他在低温研究领域的卓越贡献，Onnes于1913年被授予诺贝尔物理学奖。Onnes发现，将汞冷却至低于约4K（-269℃）的温度时，其电阻会突然消失。此外，不断增大通过超导材料的电流或对超导材料施加足够强的磁场，都可以促使超导材料返回正常（即非超导）状态。Onnes对绝对零度有着较深的研究，他认为，绝对零度（0K）是所有物质失去无序状态的温度，在接近绝对零度时，材料中的电子可能处于一种较为有序的状态，在定向移动的过程中，电子受到的阻碍大大降低，因此，导体的电阻显著减小[2]。
2.超导材料的研究进展
数百种天然材料会在低温下变成超导体。有27种元素的单质（均为金属）在低温和低压（1个大气压）的条件下具有超导性。这些超导材料包括一些众所周知的金属，如铝、锡、铅和汞，以及一些不太常见的金属如Rh、La。此外，还有一些金属材料和非金属材料是低温和高压下的超导体，其中比较常用的材料有铀、铈、硅和硒。铋和其他元素虽然不能在常规的条件下形成具有超导性的晶体，但是可以通过在高温高压的条件下制备铋，使其具备超导性。研究表明，这种具有特殊结构的铋在极低的温度下也是稳定的。在研究铬、锰、铁、钴或镍等磁性元素时，科学家发现，它们并不能表现出超导性。
大多数已知的超导体是合金或化合物。即使组成化合物的元素不具有超导性，它们形成的化合物也可能有超导性。比如，二氟化银（Ag2F）和碳钾化合物（C8K）都是有超导性的。如果向某些半导体化合物（如碲化锡，SnTe）中适当地掺杂一些特定的杂质，它们就会在低温下变成超导体。
1986年，人们在研究中发现，某些铜氧化物和铜酸盐具有更高的转变温度Tc。这些物质可以在较高的温度下表现出超导性。这些高Tc化合物的特性在某些方面与1986年前已知的超导体（经典超导体）的特性有一定的差异。此外，在20世纪80年代末，科学家还发现了一些含碳的超导体（通常会掺杂其他原子），其中的碳原子位于球形或类球形晶体的表面上。这些在上世纪八十年代被发现的化合物被人们称为富勒烯。它们也具有比经典超导体更高的转变温度。不过，人们尚不清楚这些化合物的超导原理是否与铜酸盐高温超导体的超导原理是相似的。在对这些材料的结构以及超导原理进行了深入研究后，研究人员细化了超导体材料的分类标准[3]。
3.超导材料的应用
在1987年5月11日《时代周刊》的封面故事中，超导材料被誉为“可以改变我们世界的重大突破”，人们对与超导材料相关的各种技术的应用是十分有信心的。实际上，从1911年开始，人们就尝试在各种场景中应用超导技术。今天，超导磁体、传动电缆、电动机、发电机、能量存储设备、磁悬浮列车等大功率设备的工作，几乎离不开超导材料了。此外，在弱电领域，人们开发了各种超导传感器，它们在多种场景中有着广泛的应用。
3.1 具有应用价值的超导材料的主要性质
在发现了多种具有超导性的材料之后，科学家花费了相当多的时间来寻找可以用作电源的超导材料。这种材料必须具有相当高的Tc，并且必须能够在高磁场（高临界磁场Hc）环境中承载高电流（高临界电流密度jc）。1954年，一些科学家发现，含金属的化合物Nb3Sn具有以上特征，一些其他的化合物（如NbTi）也具有类似的性质，它们的应用比其他经典超导体更广泛。到目前为止，这些含Nb的材料仍然是超导技术中最常用的材料。应用这些材料，人们可以制备功率较高的超导磁体，这种超导磁体能够产生所需的高磁场。在用于医学诊断的磁共振成像（MRI）扫描仪、用于核聚变的托卡马克中，超导磁体都发挥着十分重要的作用[4]。
铜酸盐HTS的发现，显著地扩大了超导材料的应用范围。原则上，人们有可能在比常规超导设备的工作温度高得多的工作温度下操作超导设备，即在高于液氮的沸点（77K）的温度环境下应用超导技术。液氮比液氦（沸点4K）便宜得多，且人们更容易从自然界中获得氮气。但是，对于用于电力工程的超导线材而言，高转变温度Tc不是人们关注的唯一参数。线材必须具有高电流密度jc并能够承受高磁场（即具有高临界磁场Hc）。铜酸盐高温超导体是所谓的II型超导体，其特征在于，它具有两个临界磁场：较低的临界磁场Hc1和较高的临界磁场Hc2。在电力系统中应用超导材料时，人们主要关注Hc2。在理想情况下，高温超导材料（HTS）的所有参数都高于低温超导材料（LTS）的参数。不过，铜酸盐HTS还存在一些其他缺点，在较高的温度下，它的性质并不稳定。这在一定程度上限制了其应用。
除铜酸盐高温超导体外，在1986年后，人们还发现了其他实用的超导材料，如Tc为39K（-234°C）的二硼化镁MgB2，以及一系列高Tc的铁基化合物，这些化合物被科学家称为Pnictides，它们的Tc可以达到56K（-221°C）。
3.2 超导材料的生产应用
在下文中，笔者将重点介绍铜酸盐HTS的应用。与LTS相比，它们的最大优势显然是高超导转变温度Tc。这意味着人们可以在应用超导材料的过程中大幅降低冷却成本，这是大规模应用超导技术的关键。此外，理想的超导材料应当具有良好的延展性，从而被制成长而坚固的柔性电缆以及性质稳定的高质量薄膜，后者可以被用于制作低功率电子设备和传感器[5]。
高温超导材料是结构非常复杂的材料，它通常由多种具有多个相的元素组成。多数高温超导材料是非常脆的陶瓷，人们很难高效地在制备的过程中对材料进行优化，使其满足各个方面的要求。此外，铜酸盐高温超导材料是具有短的相干长度ξ的层状超导体。超导电流主要在铜-氧平面中流动。因此，临界参数jc、Hc和相干长度ξ具有各向异性。为了在高功率体系中获得足够高的电流密度，导线中的晶粒必须在长达数百米范围内完全位于同一条直线上，这是一个很难解决的材料科学问题。不过，经过数十年的研究，HTS材料的研发解决了这一难题。
3.2.1 商用电力设备
HTS材料通常被应用于商用电力设备中。人们通常将性能较为理想的HTS材料制成长而柔软的高质量HTS电线和电缆。大功率传输电缆、高场超导磁体、电动机、发电机、同步电容器、变压器和故障电流限制器等设备中，都有HTS的身影。此类电线和电缆是由世界各地的多家公司开发的，并且可以在市场上买到。
2014年，全球最长的HTS电缆被整合到德国埃森的电网中，该电网已投入实际运行。该系统由一公里长的10kV（2300A）HTS电缆组成、一个接头和一个故障限流器组成，该系统需要由液氮冷却体系进行冷却，才能正常地工作。它可以高效地连接埃森市中心的两个变电站。工程技术人员建设这一系统的初衷是用中压电缆 （10kV）代替高压电缆（110kV），从而减少对变压器和其他笨重设备的需求，节省变电站的空间。应用特别高效的和节省空间的超导电缆传输的电力是传统电缆的5倍，且在传输过程中几乎没有损耗。在对这个新颖的电网系统进行现场测试时，研究人员进行了多项实验，这些实验的结果能够为规划未来城市的能源供应系统提供新思路。此外，这个新系统还包含一个基于HTS技术的故障电流限制器，该电流限制器能够承受较大的故障电流。它的基本工作原理是：当电路中的电流超过临界电流时，超导体会变成普通的导体，它的电阻会显著增加，因此，该限流器可以阻止过大的电流通过系统。目前，世界上已经有多家公司开发了各种类型的故障电流限制器，并已在市场上出售这些限制器[6]。
3.2.2 高效储能设备
高温超导材料也可以用于制作高效储能设备。这种设备可以被大致分为两种。第一种是超导磁能存储（SMES）装置。它基本上是由超导线圈组成的，电能能够以无摩擦的超电流形式存储在线圈中。应用HTS材料制成的SMES通常具有非常紧凑的结构，其重量较小，储能效率较高。第二种是飞轮能量存储（FES）装置。向这类装置输入能量时，转子（飞轮）会被加速至极高的速度，并且系统中的能量逐渐升高。当从系统中提取能量时，根据能量守恒定律，飞轮的转速会降低。高速旋转（转速20000rpm～50000rpm）的飞轮一般悬挂于基于HTS技术的无摩擦磁性轴承上，它在旋转时不会与轴承发生摩擦[7]。
4.结语
在低温环境下，超导材料具有良好的电导性和抗磁性，其在电力工程、信息工程、通信工程等领域有着广泛的应用。各个国家和地区的科学家应当致力于研发临界温度更高的超导材料，提高材料的机械性能，降低超导技术的应用成本。
