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超导材料的发展前景
超导材料，是指具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。下面是有关于超导材料的发展前景，欢迎阅读。
我国超导研发再获突破 诸多领域应用前景广阔
近日中科院电工所成功研制出全球首根100米量级铁基超导长线。这是铁基超导材料从实验室研究走向产业化进程的关键一步，标志着我国在铁基超导材料技术领域的研发走在了世界最前沿。目前，美、日、欧等国家的铁基超导线制备还处于米级水平。
据上海证券报9月8日消息，铁基超导材料在工业、医学、国防等诸多领域具有广阔的应用前景，被认为是最具发展前景的新型高温超导体之一。目前高温超导材料正从研究阶段向应用发展阶段转变。数据显示，去年全球超导技术市场规模达到18亿美元，预计到2022年市场规模将增至58亿美元，年均复合增速将达12.8%。其中，商业、医疗保健和电力等工业领域的需求提升是促进市场快速增长的主要原因。
铁基超导材料是继铜基超导材料之后发现的一类新的高温超导材料，这是高温超导研究领域的一个“重大进展”。据了解，铁基超导体由于其上临界磁场最大可超过100特斯拉，并且在高磁场下仍能保持超导无损传输和高载流密度的特性，使其迅速成为国际超导领域争相竞逐的研究热点。
公开资料显示，2013年度国家自然科学一等奖，即为“40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质的研究”。该项研究成果首次突破麦克米兰极限温度，确定铁基超导体为新一类高温超导体，为未来潜在的应用提供了新的材料体系。
另外，去年国务院发布了《中国制造2025》，要求加快研发新材料制备关键技术和装备，突破产业化制备瓶颈。做好超导材料、纳米材料、石墨烯、生物基材料等战略前沿材料提前布局和研制，加快基础材料升级换代。突破大功率电力电子器件、高温超导材料等关键元器件和材料的制造及应用技术，形成产业化能力。
从产品类型来看，超导分为低温超导和高温超导。其中，低温超导应用范围最广泛。随着技术的不断改进，高温超导需求将不断增加。从应用领域来看，磁共振成像将成为应用需求最多的一个领域。另外，电子电气将成为超导技术需求增速最快的领域。
超导材料的发现及应用前景
这一切曾经都是梦想：列车悬浮在空中高速行驶，快得让人无暇欣赏窗外的景致;小小一台掌上电脑可与任何大型超级电脑相媲美。如今这些都正在变成现实，而这些梦想的实现都应归功于神奇的超导技术。超导究竟是什么?它的神奇之处又在哪里?
仅在中国，每年电力系统的损耗就达1000多亿度，因而寻找超导材料就成为科学家们急需解决的问题之一。
托卡马克是一种供科学研究用的反应堆，它可以产生出核聚变必需的极高的温度，如果利用超导材料，它不仅可以产生超强的电磁场，而且还可以产生高能粒子束。
磁悬浮列车是利用超导材料的抗磁性(磁悬浮效应)生产的。
1911年荷兰物理学家开麦林·昂内斯在实验中，偶然发现了水银具有了超导电性。
众多科学家非常关注昂内斯教授的这一伟大发现，自1911年起，许多人都开始研究超导体。经历了几十年的努力，人们发现了具有超导性能的上千种金属、合金和化合物，它们的临界温度都非常低，只有在极低的温度下它们才具有超导电性。
1986年，年轻的物理学家贝特诺茨和缪勒在瑞士国际商用公司实验室工作，他们从奇妙的超导现象中获得启示，发现了一种镧铜钡氧陶瓷氧化物材料在比绝对零度高43℃的较高温度下，即43K时会出现超导现象。
此后，我国物理学家赵忠贤、美籍华人科学家朱经武，相继于1987年发现了钇钡铜氧系高温超导材料。不久，又发现了铋锶钙氧铜超导合金和铊钡钙铜氧合金，这种合金在110K和120K出现超导现象，使超导温度更接近于室温。接着，我国科学家又发现了一种高温超导的材料，这种超导材料在132K时电阻为零。
现在，科学家们正致力于使超导临界温度达到240K(干冰温度)和300K(室温)。他们已经注意到这样一种现象，即利用氟、氮、碳部分代氧，或把钪、锶和某些金属元素加在钆钡铜氧化物中，这样就有可能制出室温超导体。科学家们对这一想法充满信心，认为一定能很快实现它。
超导材料有几个特点，首先，超导材料没有电阻，它输送电流时，不会造成电力损耗，用它可以制作出体积很小的发电机，送出的电流却很大。
除了没有电阻外，超导材料还有一个重要特性，就是完全抗磁性，也叫做迈斯纳效应。这种完全抗磁性是指这样一种情形，即把一个超导体放在一块永久磁铁上，由于这个超导体具有了抗磁性，磁铁的磁力线不能穿过超导体，结果就会在磁铁和超导体之间产生排斥力，这种排斥力使超导体悬浮在磁铁的上方。
科学家们对超导材料的发展前景充满了信心，他们推测，如果利用超导材料的这两个特性制成各种输电、发电、储能设备，将会大大节约能源和提高效率。
国际上正在开发转子磁场线圈和定子电枢线圈均使用超导线材的发电机，这种发电机叫全超导发电。同时也在研究使用高温超导线材的发电机，这种发电机叫做高温超导发电机。这两种发电机作为新型超导发电机，仍处在研制开发阶段。此外，科学家们还在进行实验，研究用超导材料制作的，能把电能几乎无损耗地高效能地输送给用户的超导电线和超导变压器。同时，对核聚变发电，超导体也将产生重大影响。核聚变会产生能量，且产生的能量相当大。
超导材料在上述强电应用领域的用途极其广泛，其在弱电应用和抗磁性应用领域的应用也很充分。磁悬浮列车是利用超导材料的抗磁性(磁悬浮效应)生产的。它现在已进入实质性的运营阶段。超导材料将会引起人类陆地交通的变革。此外，超导磁体在许多科学仪器中也得到了运用，如粒子加速器。它是使如质子等带电粒子增加速度，获得高能的仪器。
超导技术使过去很难实现的10万高斯的强磁场在现在变得实现起来相当容易。强大的超导磁体可以使观察分子、原子行为的高分辨率电子显微镜轻松制成。采用超导磁体的核磁共振、人体扫描技术在医学诊断中的重要作用日益凸显。总之，凡是需要强大均匀磁场之处，超导磁体都能成功地完成任务。
现在一门实用性很强的学科——超导电子学正在迅速发展。它的发展必将给电子工业带来革命性的冲击。
超导材料的发展史
1911年，荷兰科学家海克·卡末林·昂内斯用液氦冷却汞，当温度下降到绝对温标4.2K时水银的电阻完全消失，这种现象称为超导电性，此温度称为临界温度。根据临界温度的不同，超导材料可以被分为：高温超导材料和低温超导材料。但这里所说的「高温」，其实仍然是远低於冰点摄氏0℃的，对一般人来说算是极低的温度。
1933年，迈斯纳和奥克森菲尔德两位科学家发现，如果把超导体放在磁场中冷却，则在材料电阻消失的同时，磁感应线将从超导体中排出，不能通过超导体，这种现象称为抗磁性。
经过科学家们的努力，超导材料的磁电障碍已被跨越，下一个难关是突破温度障碍，即寻求高温超导材料。
1973年，发现超导合金――铌锗合金，其临界超导温度为23.2K，这一记录保持了近13年。
1986年，设在瑞士苏黎世的美国IBM公司的研究中心报道了一种氧化物（镧钡铜氧化物）具有35K的高温超导性。此后，科学家们几乎每隔几天，就有新的研究成果出现。
1986年，美国贝尔实验室研究的超导材料，其临界超导温度达到40K，液氢的“温度壁垒”（40K）被跨越。
1987年，中国科学家赵忠贤以及美国华裔科学家朱经武相继在钇－钡－铜－氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上，液氮的“温度壁垒”（77K）也被突破了。1987年底，铊－钡－钙－铜－氧系材料又把临界超导温度的记录提高到125K。从1986－1987年的短短一年多的时间里，临界超导温度提高了近100K。
2001年，二硼化镁（MgB2）被发现其超导临界温度达到39K [1]。此化合物的发现，打破了非铜氧化物超导体（non-cuprate superconductor）的临界温度纪录。
1990至2000年代，具ZrCuAsSi结构的稀土过渡金属氮磷族化合物（rare-earth transition-metal oxypnictide, ReTmPnO）陆续被发现[2] [3]。但并未有人发现其中的超导现象。
2008年，日本的Hideo Hosono团队发现在铁基氮磷族氧化物（iron-based oxypnictide中，将部份氧以掺杂的方式用氟作部份取代，可使LaFeAsO1-xFx的临界温度达到26K[4]，在加压後（4 GPa）甚至可达到43K[5]。其後，中国的闻海虎团队，发现在以锶取代稀土元素之後，La1-xSrxFeAsO亦可达到临界温度25K[6]。其後，中国的科学家陈仙辉、赵忠贤等人，发现将镧以其他稀土元素作取代，则可得到更高的临界温度；其中，SmFeAs[O0.9F0.1]可达55K[7] [8]。另外，将铁以钴取代（LaFe1-xCoxAsO），稀土元素以钍取代（Gd1-xThxFeAsO），或是利用氧缺陷（LaFeAsO1-δ）等方式，也都可以引发超导[9] [10] [11]。
此系统亦被简称为「1111系统」。此化合物的发现，非但再度打破了由MgB2保持的非铜氧化物超导体（non-cuprate superconductor）的临界温度纪录，其含铁却有超导的特性也受人注目。
同样在2008年，受到上述「1111系统」的启发，ThCr2Si2结构的硷土金属氮磷族化合物（ATm2Pn2）亦被发现，在将BaFe2As2中将硷土金属（IIA）以硷金属（IA）部分取代，亦可得到临界温度约30至40K的高温超导体，如Ba1-xKxFe2As2（38 K） [12]。此系统亦被简称为「122系统」。如同氧化物超导体，「1111」与「122」系统的超导来源也是由层状结构中的FeAs层贡献，藉由不同价数的离子掺杂或是氧缺陷，可提升FeAs层载子的浓度，进而引发超导。
超导材料的分类
超导材料按其化学成分可分为元素材料、合金材料、化合物材料和超导陶瓷。
1.超导元素：在常压下有28种元素具超导电性，其中铌（Nb）的Tc最高，为9.26K。电工中实际应用的主要是铌和铅（Pb，Tc=7.201K），已用于制造超导交流电力电缆、高Q值谐振腔等。
2.合金材料：超导元素加入某些其他元素作合金成分， 可以使超导材料的全部性能提高。如最先应用的铌锆合金（Nb-75Zr），其Tc为10.8K，Hc为8.7特。继后发展了铌钛合金，虽然Tc稍低了些，但Hc高得多，在给定磁场能承载更大电流。其性能是Nb-33Ti，Tc=9.3K，Hc＝11.0特；Nb-60Ti，Tc=9.3K，Hc=12特（4.2K）。目前铌钛合金是用于7～8特磁场下的主要超导磁体材料。铌钛合金再加入钽的三元合金，性能进一步提高，Nb-60Ti-4Ta的性能是，Tc＝9.9K，Hc=12.4特（4.2K）；Nb-70Ti-5Ta的性能是，Tc=9.8K，Hc=12.8特。
3.超导化合物：超导元素与其他元素化合常有很好的超导性能。如已大量使用的Nb3Sn，其Tc=18.1K，Hc=24.5特。其他重要的超导化合物还有V3Ga，Tc=16.8K，Hc=24特；Nb3Al，Tc=18.8K，Hc=30特。④超导陶瓷：20世纪80年代初，米勒和贝德诺尔茨开始注意到某些氧化物陶瓷材料可能有超导电性，他们的小组对一些材料进行了试验，于1986年在镧－钡－铜－氧化物中发现了Tc=35K的超导电性。1987年，中国、美国、日本等国科学家在钡－钇－铜氧化物中发现Tc处于液氮温区有超导电性，使超导陶瓷成为极有发展前景的超导材料。
超导材料的特性
1.零电阻性：超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。如果用磁场在超导环中引发感生电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。这种“持续电流”已多次在实验中观察到。
2.完全抗磁性：超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零。
3.约瑟夫森效应：两超导材料之间有一薄绝缘层（厚度约1nm）而形成低电阻连接时，会有电子对穿过绝缘层形成电流，而绝缘层两侧没有电压，即绝缘层也成了超导体。当电流超过一定值后，绝缘层两侧出现电压U（也可加一电压U），同时，直流电流变成高频交流电，并向外辐射电磁波，其频率为，其中h为普朗克常数，e为电子电荷。这些特性构成了超导材料在科学技术领域越来越引人注目的各类应用的依据。
超导材料的用途
超导材料可用于制作交流超导发电机、磁流体发电机和超导输电线路等。目前超导量子干涉仪（SQUID）已经产业化。 另外，作为低温超导材料的主要代表NbTi合金和Nb3Sn，在商业领域主要应用于医学领域的MRI（核磁共振成像仪）。作为科学研究领域，已经应用于欧洲的大型项目LHC项目，帮助人类寻求宇宙的起源等科学问题。
超导材料的应用
1、利用材料的超导电性可制作磁体，应用于电机、高能粒子加速器、磁悬浮运输、受控热核反应、储能等；可制作电力电缆，用于大容量输电（功率可达10000MVA）；可制作通信电缆和天线，其性能优于常规材料。还可用在太阳能电池中，如便携音箱锂电池。
2、利用材料的完全抗磁性可制作无摩擦陀螺仪和轴承。
3、利用约瑟夫森效应可制作一系列精密测量仪表以及辐射探测器、微波发生器、逻辑元件等。利用约瑟夫森结作计算机的逻辑和存储元件，其运算速度比高性能集成电路的快10～20倍，功耗只有四分之一。
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