高温超导材料应用将为节能开辟美好前景

高温超导研究的接力棒越来越接近终点

任何良导体，在常温下它的电阻都不是等于零的，因此当金属导线通过大电流时，都会产生欧姆热。通常高压输电线损失就要达到 8％左右，而且由于导线发生欧姆热，就限制了电机的功率。人类利用导体在温度相当低的时候，如在-269℃的液氦温度时，它的电阻几乎降到零，要是能将温度降在

-273℃绝对温度时，可以说所有金属的电阻都等于零，这时就会出现许多奇妙的超导现象。那时，大电流通过导线时，就会通行无阻，而没有任何发热损失，这是求之不得的。

人类最早于 1911 年在水银上观察到超导现象，从那时起，发现了 6000 多种的元素、合金和化合物有超导性。四年前，科学家研究发现，在液氮温度时（77K）发生超导的陶瓷材料，这改变了过去认为只有金属才有导电性的旧观念。后来又发现了钇钡铜氧化合物，超导转变温度高达 93K；铊钡钙铜氧化物，转变温度为 125K。我国的高温超导研究已经步入世界先进行列。

新的高温超导体不像它们的前身那样是有韧性的合金，而是易碎的陶瓷，是用金属氧化物的混合物制成的，因而使用起来比较困难。

多数金属很容易被拉成丝，可是高温超导体却不能。用力拉，它们就断。解决这问题的途径之一是将高温超导体弄成粉末，然后把它填充在一个银管里。银是良好的导热体，所以超导体任何一部分开始变热都能容易地把它的热量散逸到周围的液氮中。而且电不会从超导体渗漏入银里，因为电总是走电阻最小的电路。

世界各地的公司都在研究制造这种粉末导线的方法，处在如何使最大的电流量流过最细的电缆竞争中。

然而，日本、美国的研究人员在研制粉末导线方面并未取得十分理想的结果，而是找到了一种比较独创的方法，是诱使金属氧化物蒸气冷凝在准备好的表面上，从而形成超导体薄膜。劳伦斯-伯克利实验室的里克·拉索和保罗·伯达尔已使用这项技术在金属带上生长精确地排列成行的晶体。他们一开始铺一层锆氧化物晶体，在它们上面吹一种离子风，使它们都面向同一方向。然后，他们使超导体（由钡、钇和铜制成的）沉积。密集排列的锆氧化物晶体迫使超导体有序地结晶。目前，这种蒸气沉积带只有几厘米长，它们的用途看起来局限于小装置。但是拉索博士和伯利尔博士制造的带子能负巨大的电流：每平方厘米高达 66 万安培。

日本还在超导技术开发上取得了以下新成就：

①东北大学的渡边助教与住友重机公司共同开发出不用液氮冷却的超导磁铁，有关指标达到世界最佳水平。该项电磁铁以 Nb3Sn 超导体做线圈，置于真空中用氦气做介质的冷冻机进行冷却，用临界温度较高的铋系氧化物超导体做导线，可通过 500A 的电流，同时临界温度还可在 10～30K 间进行控制， 均属世界首例。

过去的超导电磁铁，以 Nb3Ti 超导体做线圈，只有浸在 4K 的液氦中冷却

才能达超导状态，同时氧化物超导体亦需浸在液氦中冷却，这样既造成宝贵的液氦很快蒸发损失，而且通过大电流时，氧化物超导体的性能亦随之劣化， 从而难以实用化。过去亦曾有过不用液氦冷却的电磁铁，但均未达到如此良好的指标。

②日立公司接受新能源产业技术综合机构的委托，按照通产省工业技术院制订的月光计划中大型节能项目“超导电力应用技术开发”计划的安排， 开发成功交流用超导电线，其电流损失达到了世界最低水平。

电线以加锰的铜镍合金为母材，超导电线使用液氦冷却下的 Nb3Ti 合金。在直径 0.2 毫米的断面上，中间为铜，由 54 个超导线六角块以环状均匀

分布为一圈，外部为加锰的铜镍合金，而每个六角块又由 85 支直径 0.1 微米

的 Nb3Ti 超导细丝组成。经以 50Hz 的交流电做试验时，交流电损失仅为 3.3 千瓦/米 2，而小于 25 千瓦/米 2，即为超导的作用。电流密度高达 1200 安/ 毫米 2，为铜线最大允许电流的 12 倍。

美国洛斯阿拉莫斯国家实验室研制成功可通过大电流的带状高温超导体可应用于许多重要领域。

对这种带状超导体的检验结果表明，在外磁场为 2 特斯拉、温度为 2K 条件下，一段较短的带状高温超导体的临界电流密度为 9300 安培/厘米 2。

目前，该实验室已研制成长度为 39 米的带状高温超导体。制作方法是： 先将高温超导粉末装进一个银制的管子里；然后将管子拉长、弄平、加热； 最后将管子及管内的粉末一起熔成一条带子。研究者指出，银管可使超导体柔性大增，即使将超导体弄弯也不会破裂。

该实验室的研究人员用一段 1.5 米长的带状高温超导体，制成了一个电

磁线圈，它可产生 200 高斯的磁场。

目前，研究人员正在改善这种带状超导体的超导特性。他们发现，当冲压带子时，会产生一纵向断裂；将这种纵向断裂的带子卷起来时，会产生一横向断裂。他们还发现，经过冲压的带状高温超导体，也能运载大电流，其最大电流密度为 4500 安培/厘米 2。但这种方法不适于较长的带状高温超导体。

纳入原月光计划中的超导发电机等重大应用研究计划包括以下内容：

①以日本青山学院大学理工学部的秋田教授为首的研究组发现了含硼的新超导材料，它在 35K 时电阻明显下降，到 30K 时电阻呈零，同时还出现超导材料特有的近纳斯效应。目前国际上发现含硼的超导材料还是首例，秋田教授拟进一步深入研究以发现临界温度较高的含硼超导材料，以便于实用化。新物质是由碳酸锶、氧化铜和硼酸按一定配比混合后加压制成直径 15 毫米×3 毫米的试样，在空气中以 750℃经 24 小时烧结，再在加上少量二氧化碳的氧气中以 900℃进行 20 小时热处理后而成。过去亦曾发现过一些含碳酸的超导材料，但像这次不加入氧化硼即不出现超导现象的还是首次，故秋田教授希望借此打开发现超导材料的新途径。

②超导工学研究所和东京大学物性研究所发现 149K 时出现超导现象的新物质，比过去公开发表的 130K 提高了 19K，这样对实用化将非常有利。因为在液氮和液化天然气等廉价原料的冷却条件下即可达超导现象，则超导磁浮列车和超导贮电等重大应用工程都可以较便宜地实现。新物质是在氧化铜中加入汞、钯和钙而形成的。在此之前，瑞士联邦大学奥托教授曾发表文章谈发现临界温度为 134K 的汞系超导材料，这次的成分基本相同，只是把这些混合物施以 8.5 万大气压的压力后便发现临界温度提高到 149K。

③承担月光计划中超导发电机大型节能研究开发项目的超导电机设备、材料技术研究组宣布，原定 1995 年完成该项目的计划将延迟至 1998 年完成。现在制造中的7 万千瓦发电机将延期到1996 年在大阪关西电力火电厂内试运

行，相应的 20 万千瓦样机的设计工作亦顺延。延期的理由主要是机芯用铌钛超导电线的三种绕线工作进度后延，加上电机回转部分用非磁高强度构件的精密加工亦比原来预料的复杂，只好从实际出发适当延迟。

日立研究所开发成功了高温超导（在液氮温度下实现超导）线材的加工方法，即在条带状的基材上生成超导体层的新方法。已利用此法制成长 1 米的铊系线材。只要将条带状基材加长，高温超导线材亦可相应加长。过去高温超导体虽可在价廉的液氮条件下应用，但由于加工为线材困难，迄今仍难以实用，这次是应用技术上的突破。

日立研究所是按新月光计划的要求进行的，该法为先将铊系超导材料成分的钯、钙、铜的粉末加热成等离子状态，然后使之后积于宽 5 毫米、厚 0.1 毫米的银带上，接着暴露于铊的气氛中，这时铊和基材积层上的原子作用形成 0.1 毫米厚的超导结晶。对于这些散乱的结晶，采用辊压后使结晶取向改善。为提高结晶质量，再度暴露于铊气中，使铊渗入结晶之间，并再度辊压。

日立研究所已按此法试制成 1 米长超导线材，在液氮温度下，1 平方厘米断面可通 3900 安的电流，为铜线极限的 10 倍以上。在实验室以 3 厘米短线试验时，1 平方厘米可通过 2 万安电流。现正改进工艺和装备以试制出更长的线材，这从理论上讲是完全可能的。特别是超导性能好的铊系线材的加工方法的突破，将推动高温超导材料的广泛应用。目前的方法略加改进，便可制出磁浮列车电磁铁线圈用的高温超导线材，从而可大幅度降低造价。

高温超导技术应用前景广阔

高温超导输电线路可大大节约电能一般的铜线高架远距离输电，输电线路电能损失达 5％～15％。就美国太平洋煤气电力公司而言，一年线路电能损失达 2 亿美元，如果用高温超导线路远距离输电，则可以避免电能的损耗。届时，我国西南丰富的水能资源即可全部开发出来，通过高温超导输电线路， 输送到东南沿海经济发达地区，解决这些地区的缺电问题。

超导线圈的应用前景美好美国俄亥俄州克利夫兰一家电器公司生产了一种装有超导线圈的工作电机。超导线圈是美国超导体公司在一种新型高温陶瓷超导体的基础上制成的，必须将它冷却到接近-200℃。因为超导线圈中的超导线材导电时不会由于电阻而损失能量，所以这种新型电机用 0.5 安培电

流就能产生 25 瓦功率。

美国埃默森公司使用陶瓷工艺系统公司提供的超导导线，研制成功一种高转矩分数马力直流超导电动机。在 77K 下，这种导线的电流密度高达 10 万安培。这种能握在手心里的电动机是埃默森公司根据与国防高研局

（DARPA）以 550 万美元合同研制出来的。这种电动机的体积虽小，但转矩很大，用手无法使其停止转动。这种电动机的设计方法非常新颖，该公司希望在合同期满后公布其性能参数。

这两家公司还计划研制同这种电机大小相似的 50 马力电动机，目标是制造体积小、重量轻、转矩大的超导电动机。现今这种电动机的体积与汽车相同，过于笨重。它们要研制出能握在手中的 50 马力的超导电动机的主要困难是在于难以制造出性能均一的超导导线。

该公司生产的导线采用的是钇钡铜氧陶瓷超导体，这种超导体基本性能优良，可适合于许多方面应用。在生产工艺上，该公司用纤维丝纺法取代粉末管或挤压法。

超导线圈应用可使受控核聚变的研究步伐大大跨前一步，使受控核聚变

的经济性大为提高，实用化的日期大大提前。

常温超导技术的应用它可使超导电机、超导电缆、超导粒子加速器、超导电磁船等新产品投放市场，成为畅销的节能产品。应用超导材料的电子计算机，电算速度大大加快，即可制成超高速电子计算机。

世界上第一艘在海上进行航行试验的日本超导电磁驱动船“大和 1 号” 引起美国、法国等军事专家们的关注。本次试验中已获成功的驱动系统如果同电池等组合起来，那就可以用到潜水艇上。这种潜水艇将无任何声响，用超声波探测仪根本无法捕捉它的行踪。推进这项开发的 SOF 财团否认这种系统转用于军事的可能性，对海外出现的出乎预料的反响感到困惑，但驻日公使馆人员频繁访问工厂等，表明国外非常认真地看待这个问题，因为这还牵涉到对美防卫合作等问题，所以，日本独自开发的超尖端技术今后有可能产生出人意料的复杂事态。

由 SOF 设计、三菱重工业公司神户造船厂等负责建造的这艘旨在高速行驶的运输船花费了 7 年时间，用了约 55 亿日元的开发费用，全长 30 米，宽

10 米，重 280 吨。该船行进时看上去好像是航天飞机掠过海面行进。

1992 年 6 月中旬在神户首次进行的试验中，速度仅达到每小时约 10 公里，但从设计原理来说，时速达 180 公里也并非梦想。SOF 超导电磁驱动船开发部部长竹泽节雄说：“如果实现设计的速度，那将给海运带来巨大变革。”但是外国军事方面的有关人士关心的不是速度，而是驱动时根本无声

响。过去那样以螺旋桨驱动时，必然要在海中产生被称为“空洞”的泡沫， 而当这些泡沫破碎时总要发出声音。潜艇在水下辨认对方潜艇时就是利用对方的空洞声，这是现存潜艇的一个弱点。

因为电磁驱动可以防止出现空洞，所以据说美、欧、前苏联等国的海军从 60 年代起就一直在研究电磁驱动。SOF 财团因为使用的是超导磁石，所以把外国抛在后面，实现了先行试验。

据 SOF 人士说，迄今美国、法国、瑞典驻日使馆的科技负责人为参观“大和 1 号”而访问了神户。此外，挪威、加拿大使馆的有关人员也到在东京的SOF 总部询问过有关“大和 1 号”驱动系统的情况。

“大和 1 号”用柴油发电机发电供给用于驱动的电流，所以有轻度噪音。

超导工学研究所第 4 研究室主任盐原融说：“如果用燃料电池或原子能电池等供应驱动电流，那就可以达到完全无声的目的。”

作为船舶的驱动系统，最高速度 10 公里左右太慢了。据说要把速度提高

到时速 160 公里，则需要输出功率为数万千瓦的电源。另外，在试验中，因线圈温度上升等反复出现过超导状态消失的熄火现象，稳定性还有问题。SOF 方面的多数有关人士也认为：“到 21 世纪中叶能实用化也就不错了。”

但是，技术专家中有人认为：“如果是潜艇，平时可以用普通的驱动系统，一旦需要可以使用电磁驱动。”一家大造船公司技术干部说：“从这个意义上来说，即使时速到 10 海里以下也有足够的利用价值。”