（广州市第二中学，广东广州 510530）

0.引言

材料领域的许多研究成果可以在生产生活中掀起巨大的变革。根据焦耳定律，几乎所有的用电器都会在工作中产生一定的热量，造成一定的浪费。20世纪初，一些科学家在实验中偶然发现，一些材料会在环境温度低于某一温度（材料的临界温度）时失去电阻，这种性质被称为超导电性。超导材料还具有完全抗磁性，这是常规导体不能比拟的。可以说，超导材料集诸多优越的电学性质和磁学性质于一身，其应用前景十分诱人。

不过，多数超导材料的临界温度较低。20世纪80年代的物理学家发现了能够在高于30K的条件下表现出超导性和抗磁性的高温超导材料，这些材料的结构与传统的超导材料有一定的差异，它们的性质更稳定，可以耐受更高的磁场。深入分析高温超导材料的性质及其应用，可以为改进超导技术提供新思路。

1.高温超导材料的研究进展

“高温”是一个相对的术语，即使是最好的材料，在常温下也不会完全失去电阻。不过，在过去的几十年中，高温超导领域的研究者取得了许多重要进展。在2000年，一些研究人员通过空穴，实现了52K的临界温度；在2001年，科学家发现硼化镁具有超导性质。最近发现的钌－铜酸盐超导铁磁体，也有着许多独特的性质[1]。

不过，在发现高温超导材料的几十年后，我们仍然没有找到性能十分理想的高温超导材料。尽管超导领域的实验技术不断完善，已发表的论文近20万篇，但物理学家仍然不能从理论层面，解释材料具有高温超导性的原因。很多现有的理论存在着一些内在的矛盾，因此，对高温超导现象进行更加深入的研究，从而得到更有说服力的结论，是物理学家面临的重大挑战之一。

目前，科学家还不能完全理解高温超导体中的伪间隙，不能确定MgB2的超导性的产生机理。许多国家的科学家致力于研究在氧化铜高温超导体和MgB2中发现的丰富而复杂的涡旋行为。第二代涂层导体可以克服胶带和电线的某些缺点，具有十分广阔的前景[2]。利用这些导体，我们可以生产一些较为精密的设备，如SQUID和微波滤波器等。在不久的将来，超导体将在许多领域得到大规模应用。

2.高温超导材料的应用

目前，可以应用于生产生活中的高温超导材料都与氧化铜有关。不过，MgB2的性能也十分优良，可以用于制作高质量的带材和电线，其应用前景十分广阔。实际上，人们对高温氧化铜超导体寄予了很高的希望。这是因为，液氮温度下的制冷成本非常低。然而，我们对这种新型超导体的特性的理解还不够深入，而且这种新型超导体的性能也不够理想。科学家们希望找到一种室温超导体，从而降低制冷成本，并简化设备的构造。目前，科学家面临的最大问题是材料科学问题，很多 HTS具有各向异性，超导电流只能沿着CuO2平面流动，因此，很难确保成品器件中的所有晶粒的定向都是正确的。在晶界处聚集的杂质会对晶间电流产生一定的影响[3]。此外，一些陶瓷的机械性能非常不理想，它们非常脆并且难以成形。

2.1 强电方面的应用

2.1.1 超导磁体

超导磁体就是用超导导线制作的磁体。我们通常会使用外部电源为其供电，使其产生强磁场。这种工作方式使我们可以方便、快捷地对磁场进行调节，也提升了工作中的安全性，避免生产安全事故的发生。需要注意的是，目前我们现有的高温超导材料，在常温下并不具有超导特性。只有在低温下，超导线才可以无电阻运行。不过，在工业、科研及医疗领域，超导磁体已经得到了广泛的应用。

1973年，美国的劳特伯发表了世界上第一张核磁共振图像，当时的人们认识到，核磁共振技术可以运用于人体组织成像，从而为疾病的诊断提供依据。

磁共振成像(MRI)的原理非常简单。原子核在磁场作用下，会发生偏转。当撤去磁场时，它们又会恢复无序状态，它们的磁矩将经过一段时间，恢复为0。测量这段“恢复时间”，有助于我们了解组织的病变情况。

为保证磁场是均匀的，人们需要寻找性能更优越的、可以安全地在超高磁场中工作的超导材料。一些新型高温超导材料能够基本满足这些要求。在利用高温超导磁体的过程中，科学家也应不断改进设计，从而提升高温超导磁共振设备的性能。将主磁体设计为六线圈结构，可以大大提高磁场的均匀度，提升检测所获得图像的清晰度，使检测结果更加可靠[4]。此外，超导磁体还可以通过超导开关形成闭环电流，提高电流的稳定性。科学家应当致力于改进高温超导设备的设计，助力医学工程学及医学影像学的发展。

然而，磁共振成像的应用过程中，人们仍然面临着一系列的问题。首先，图像的分辨率还是不够高，不能满足部分疾病的临床诊断要求。其次，超导磁体在工作过程中还不够稳定，其提供的磁场也容易受到外界环境的干扰。再次，扫描时间较长，这对患者的配合度有一定要求。最后，当仪器出现故障时，可能会导致超导磁体的电阻升高，产生大量热量，使磁体的使用寿命大大缩短。此外，产生的热量可能会损害设备的其他部分，造成一定的经济损失。寻找性能更好的高温超导材料，可能是解决这些问题的最佳途径。

2.1.2 超导电缆

传统电缆的直径较大，结构较复杂，超导电缆的结构更简单，能量损耗更小。一些超导电缆已经在生产和生活中得到了广泛的应用。在哥本哈根和底特律的一些变电站，科学家利用液氮将电缆冷却至超导温度，这些电缆中传输的电流是同重量铜电缆的72倍[5]。尽管超导电缆的制造成本较高，但是其超强的载流能力，对提高城市的输电效率有着十分重要的意义。这些超导电缆还可以用作大型超导磁体系统的一部分，它们横截面很小，但载流量却远远大于铜的载流量，这大大降低了传输过程中的能量损失。不过，如何实现失超信号的检测，是一个十分重要的问题。在超导设备出现故障时及时实现失超保护，可以延长超导设备的寿命，避免安全事故的发生。因此，工程学家应当致力于设计可靠的失超检测与保护系统，从而更好地保护超导设备。

2.2 弱电方面的应用

弱电方面的应用主要体现在信息技术中，这些器件主要依赖于超导体的特殊性能，尤其是约瑟夫森量子隧道效应。YBCO（YBa2Cu3O7x）是用于此目的的最常用的超导体，因为它具有很高的临界温度（～92K），并且可以承载高电流密度。TBCCO（Tl2Ba2CaCu2Oy）（Tc≥100K）的应用也十分广泛，它们在微波通信中发挥着重要的作用。尽管这些材料的制备工艺仍很复杂，但它们的性能十分理想。科学家应当对这些材料的性质进行更深入的研究，从而不断改进制备方法，降低其制备成本[6]。

主要的小型HTS设备可分为超导量子干扰设备（SQUID）、微波滤波器及谐振器。此外，HTS还可以应用于NMR光谱仪中的低噪声感测线圈的制作，该线圈由螺旋形线圈和辐射探测器组成，超导材料的应用，将极大地提升线圈的性能。

通常来讲，SQUID器件包含带有一个或多个约瑟夫森结的超导体材料环。当流入SQUID的电流超过约瑟夫森结的临界电流时，环内会出现与通过环的磁通量成正比的电压。SQUID还可以用作磁通量及与磁通量相关的物理量的检测。超导磁力计的灵敏度比传统设备高几个数量级，并且可以检测极小的磁场。工程学家不断改进SQUID磁力计设备的设计从而提高其性能。SQUID可以用于生物磁场的探测。利用SQUID，我们可以得到脑磁图（MEG）和心磁图（MCG），从而评估人体的健康水平。地磁测量是SQUID的另一重要应用。我们可以利用SQUID，对大地磁场进行精确的测量，从而分析矿藏的主要成分及其分布。此外，在材料科学领域，科学家可以利用SQUID测试新材料的磁物理特性。在半导体行业，我们可以应用扫描SQUID显微镜来测试芯片封装的质量。

在电信领域，我们可以应用HTS制作小型设备，如微波滤波器等。在这些小型器件中，超导体可以用于制作微带，将超导体衬于金属腔体内部，将极大地提升设备的性能。与传统的滤波器相比，HTS滤波器对不同频率的波的选择性更好。在卫星通信中使用这些滤波器，可以大大减轻设备的重量，减小设备的体积。此外，这些滤波器的损耗和噪声系数也低于传统的滤波器，因此，设备的功耗将大大下降，传输容量也将大大提高。可以说，高温超导材料的应用，将在通信领域掀起一场变革。

3.结语

近年来，超导材料领域不断取得重大突破。目前，高温超导材料正从研究阶段向应用阶段转变。然而，我们目前还面临着一系列挑战。如果我们要在强电领域应用高温超导体，就需要解决一系列的材料科学问题。应用高温超导材料的设备必须能够承载更大的电流，在一些情况下，电流密度可能会超过远高于104A/cm2，这对设备的线路提出了很高的要求。此外，这些设备必须在极高强度的磁场中工作。传输电缆的磁场约0.2T，发电机则需要4T或更高的磁场。如何保证设备在高磁场中的正常工作，是一个十分重要的问题。如何改善脆性陶瓷超导材料的性能，是另一个十分重要的问题，科学家应当尝试提高脆性陶瓷超导材料的机械性能，使其在发生形变后仍保持超导状态。随着科技的发展，这些问题有望在几年内得到解决。因此，未来的10年，将是高温超导材料产业化的10年。超导技术将应用于许多领域，使生产更加高效，提升企业的经济效益。