不久前，我國科學(xué)家在鐵基超導(dǎo)體統(tǒng)一相圖 研究 上取得進(jìn)展，人們對鐵基超導(dǎo)的物理特性認(rèn)識(shí)更進(jìn)一步。而在3年前，中科院物理所和中國科技大學(xué)的 研究 團(tuán)隊(duì)以在鐵基超導(dǎo) 研究 上的突破，獲得國家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，結(jié)束了該獎(jiǎng)項(xiàng)連續(xù)3年的空缺。超導(dǎo)為何如此重要？
如果采用超導(dǎo)輸電線，我國每年節(jié)省的電量相當(dāng)于數(shù)十個(gè)發(fā)電廠的發(fā)電量
把材料置于零下兩三百攝氏度的溫度下，將會(huì)怎樣？超導(dǎo)材料的表現(xiàn)是：電阻突然消失了。這可不是簡單的變化，零電阻的超導(dǎo)體被認(rèn)為有望給電力工業(yè)帶來革新。
日常生活中，電器、電線會(huì)發(fā)熱，是因?yàn)殡娏骱碗娖?、電線發(fā)生了“摩擦”，這種“摩擦”就是電阻的來源，電阻產(chǎn)生的熱量實(shí)際是電能浪費(fèi)。事實(shí)上，電在從發(fā)電廠“趕往”工廠、住宅、學(xué)校的路上，就已經(jīng)被輸電線的電阻消耗了不少。
專家介紹，因?yàn)殡娮铻榱悖瑢?dǎo)材料在傳輸電的過程中就沒有損耗。此外，采用超導(dǎo)輸電還能簡化變壓器、電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)等熱絕緣，并保證輸電的穩(wěn)定性，提高輸電的安全性。
有專家測算，目前采用銅或鋁導(dǎo)線的輸電損耗約為15%，我國每年的輸電損耗就達(dá)1000億度左右；如果采用超導(dǎo)輸電線，每年節(jié)省的電量相當(dāng)于數(shù)十個(gè)發(fā)電廠的發(fā)電量。
超導(dǎo)材料另一個(gè)特性是完全抗磁性，即超導(dǎo)體一旦進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，就如同練就了“金鐘罩、鐵布衫”一樣。這是因?yàn)槌瑢?dǎo)體在靠近磁場時(shí)會(huì)在其表面感應(yīng)出超導(dǎo)電流，這個(gè)超導(dǎo)電流會(huì)在超導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)與外磁場方向相反大小相等的磁場，外界磁場根本進(jìn)不去，兩種磁場相互抵消，從而體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零。
專家表示，無論是先置入外磁場中后降溫到超導(dǎo)態(tài)，還是先降溫到超導(dǎo)態(tài)再放入外磁場中，外磁場的磁力線都無法穿透到超導(dǎo)體內(nèi)部。超導(dǎo)磁體具有體積小、穩(wěn)定度高、耗能少等多種優(yōu)勢，因此臨床上采用的高分辨核磁共振成像技術(shù)，很多依靠的是超導(dǎo)磁體。
抗磁性還讓超導(dǎo)體能在交通領(lǐng)域大展身手。由于磁力線幾乎無法進(jìn)入超導(dǎo)體的體內(nèi)，將超導(dǎo)體置于普通磁體產(chǎn)生的磁場中時(shí)，會(huì)達(dá)到懸浮的效果，高速超導(dǎo)磁懸浮列車設(shè)想應(yīng)用的正是這一原理。超導(dǎo)磁懸浮列車將為人們提供更高速、穩(wěn)定和安全的軌道運(yùn)輸。
超導(dǎo)大規(guī)模應(yīng)用的難點(diǎn)是，缺乏適合應(yīng)用的、臨界溫度更高的超導(dǎo)體。1911年，荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯等人測量金屬汞的電阻時(shí)，驚奇地發(fā)現(xiàn)溫度降至極低后，汞的電阻突然消失。金屬汞也成為人類發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)超導(dǎo)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(dǎo)現(xiàn)象。這是一個(gè)極低的溫度，需要依靠昂貴的液氮來維持，推廣應(yīng)用幾乎不可能。因此，從超導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)第一天起，科學(xué)家一直在尋找有應(yīng)用價(jià)值的高溫超導(dǎo)體。
在鐵基高溫超導(dǎo)體基礎(chǔ) 研究 上，我國處于世界前列
超導(dǎo) 研究 在科學(xué)上的重要性及其巨大的應(yīng)用前景，吸引了許多科學(xué)家的目光。超導(dǎo) 研究 百年歷史上，有10人獲得諾貝爾獎(jiǎng)。
1968年，物理學(xué)家麥克米蘭根據(jù)傳統(tǒng)理論計(jì)算推斷，超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度一般不能超過40K（約零下233攝氏度），這個(gè)溫度也被稱為麥克米蘭極限溫度。
人類對超導(dǎo)的應(yīng)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(gè)問題，科學(xué)家們做了無數(shù)次嘗試。1986年，兩名歐洲科學(xué)家發(fā)現(xiàn)以銅為關(guān)鍵超導(dǎo)元素的銅氧化物超導(dǎo)體。銅基超導(dǎo)成為高溫超導(dǎo)家族中的一員，在很長一段時(shí)間內(nèi)成為科學(xué)家的主要 研究 方向。
我國科學(xué)家在銅基超導(dǎo) 研究 上也做出了重要貢獻(xiàn)。比如，1987年初，中科院物理所團(tuán)隊(duì)在鋇—釔—銅—氧中發(fā)現(xiàn)了臨界溫度93K（約零下180攝氏度）的液氮溫區(qū)超導(dǎo)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(qū)超導(dǎo)體的旋風(fēng)。
經(jīng)過科學(xué)家的努力，雖然銅基高溫超導(dǎo)材料的質(zhì)量和性能不斷提高，但它有兩個(gè)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(yuǎn)遠(yuǎn)不如金屬材料，加工工藝也嚴(yán)苛，在材料機(jī)械加工等方面存在巨大的困難；第二，它可以負(fù)載的最大電流相對較低，無法在一些需要高電流強(qiáng)磁場的領(lǐng)域應(yīng)用。
鐵元素作為典型的磁性元素，曾一度被認(rèn)為是探索高溫超導(dǎo)體的禁區(qū)。2008年3月，日本的一位科學(xué)家無意中發(fā)現(xiàn)了鐵基高溫超導(dǎo)材料。但由于日本科學(xué)家最早發(fā)現(xiàn)的鐵基超導(dǎo)樣品轉(zhuǎn)變溫度只有26K（約零下247攝氏度）——因?yàn)闆]有突破麥克米蘭極限溫度，還不能確定是鐵基高溫超導(dǎo)體。
隨后不久，我國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了臨界溫度超過40K的鐵基超導(dǎo)體，突破了麥克米蘭極限溫度，證明鐵基超導(dǎo)材料是繼銅氧化物超導(dǎo)體之后的新型高溫超導(dǎo)材料。其中，中國科學(xué)院院士趙忠賢領(lǐng)導(dǎo)的 研究 小組利用高壓合成技術(shù)高效地制備了一大批不同元素構(gòu)成的鐵基超導(dǎo)材料，轉(zhuǎn)變溫度很多達(dá)到50K（約零下223攝氏度）以上，并創(chuàng)造了55K（約零下218攝氏度）的鐵基超導(dǎo)體轉(zhuǎn)變溫度紀(jì)錄。
我國科學(xué)家還對鐵基超導(dǎo)體若干基本物理性質(zhì)進(jìn)行了深入 研究 ，確認(rèn)了它的非常規(guī)性。鐵基超導(dǎo)被確認(rèn)為新一類高溫超導(dǎo)體，引起了國際物理學(xué)界的極大關(guān)注，成為科學(xué)家 研究 的熱點(diǎn)。鐵基超導(dǎo)材料也因其在交通運(yùn)輸、醫(yī)學(xué)、國防等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，被《科學(xué)》雜志稱為是目前最具有發(fā)展前景的新型高溫超導(dǎo)體之一。
目前，我國科學(xué)家在鐵基高溫超導(dǎo)體基礎(chǔ) 研究 上處于世界前列。
我國已率先研制出首根百米量級(jí)鐵基超導(dǎo)長線
超導(dǎo)體要實(shí)現(xiàn)規(guī)?；纳虡I(yè)應(yīng)用，將實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，還少不了工程方面的工作。值得欣慰的是，自2008年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)鐵基超導(dǎo)體以來，我國在鐵基超導(dǎo)材料 研究 和制備上同樣做到了領(lǐng)跑。
研制鐵基超導(dǎo)線的技術(shù)難點(diǎn)是找到均勻、穩(wěn)定、可重復(fù)性的制備方法。2008年，中科院電工所 研究 員馬衍偉帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)采用粉末裝管法，率先制備出世界首根鐵基超導(dǎo)線帶材。雖然其后驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)其傳輸電流為零，說明這根線材沒有太大意義，但團(tuán)隊(duì)由此找到了制備鐵基超導(dǎo)線材的路徑。
2010年，馬衍偉團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)鐵基超導(dǎo)前驅(qū)粉先位燒結(jié)工藝，為線材載流性能顯著提升奠定了基礎(chǔ)；2011年， 研究 團(tuán)隊(duì)解決鐵基超導(dǎo)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(dá)到180安培，相應(yīng)臨界電流密度超過25000安培/平方厘米。
2012年，馬衍偉團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步優(yōu)化織構(gòu)化鐵基超導(dǎo)帶材的制備工藝，大幅度提高了超導(dǎo)電流，其臨界電流密度在10特斯拉的強(qiáng)磁場下達(dá)到17000安培，證明了鐵基超導(dǎo)材料在強(qiáng)電應(yīng)用上的巨大潛力。
米級(jí)的鐵基超導(dǎo)線性能不斷提高，但鐵基超導(dǎo)材料要走向大規(guī)模應(yīng)用，還要制備出高性能長線。
2015年，馬衍偉團(tuán)隊(duì)成功研制出國際上第一根10米量級(jí)的高性能122型鐵基超導(dǎo)長線，實(shí)現(xiàn)了鐵基超導(dǎo)線帶材制備的新突破。不過，要達(dá)到實(shí)用級(jí)別，10米量級(jí)的鐵基超導(dǎo)線還遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了規(guī)?；苽湫枨蟆?/p>
長線線材制備難點(diǎn)在哪里？“線帶材越長，均勻性越難控制，這對超導(dǎo)線制備中的各項(xiàng)工藝技術(shù)都提出了很高的要求。”馬衍偉說。
2016年9月，馬衍偉團(tuán)隊(duì)優(yōu)化了設(shè)計(jì)和加工方案，成功研制國際上首根100米量級(jí)鐵基超導(dǎo)長線。經(jīng)測試，該超導(dǎo)線載流性能表現(xiàn)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(yīng)用的價(jià)值。
目前，世界上其他國家的鐵基超導(dǎo)線制備仍處于米級(jí)水平。專家表示，百米量級(jí)鐵基超導(dǎo)線的成功研制，表明我國已率先掌握了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鐵基超導(dǎo)長線制備技術(shù)，鞏固了我國在鐵基超導(dǎo)相關(guān) 研究 上的領(lǐng)先地位，有利于我國占領(lǐng)新型超導(dǎo)材料及其應(yīng)用發(fā)展的制高點(diǎn)。
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