超导材料
超导材料范文第1篇
关键词：超导，超导材料，临界温度
超导是超导电性的简称，是指某些物体当温度下降至一定温度时，电阻突然趋近于零的现象。具有这种特性的材料称为超导材料.自超导发现至今，超导的研究和超导材料的研制已迅速发展，超导的临界温度已从开始的几开升至几十开甚至一百多开；而且超导材料的物质结构及性质已逐渐研究清楚。以液态氮温度下低温超导材料的研究与发展获得了成功，且已实现商品化，在医疗、电子输送、运输等方面获得应用；高温超导材料的发现，是最近几十年来物理学及材料科学领域中的重大突破之一，已引起全世界广泛关注，各国众多科学工作者参与超导的研究与发展工作，人们将很快会感受到它给社会带来的巨大变革。
1 超导材料的研究进展
1911年一个叫昂尼斯的荷兰物理学家做了一个试验，他把水银冷却到-40℃时，亮晶晶的液体水银像“结冰”一样变成了固体，然后，他把水银拉成细丝，并继续降低温度，同时测量不同温度下固体水银的电阻。当他把温度降到绝对温度4K（相当于－269℃）时，一个奇怪的现象出现了，即水银的电阻突然变成了零。这个奇怪现象不仅昂尼斯自己很感意外，而且轰动了物理学界，后来科学家把这个现象叫超导现象，把电阻等于零的材料叫超导材料。昂尼斯和许多科学家后来又发现了28种超导元素和8000多种超导化合物。但出现超导现象时的温度大都接近绝对零度，也就是-273℃的极低温，没有太大的实用可能性和经济价值。为了寻找可在比较高的温度下有超导现象的材料，世界上无数科学家为之奋斗了近60年，直到1973年，英美一些科学家才找到一种在23K（-25O℃）温度出现超导现象的铌-锗合金。此后这一纪录又保持了10多年。论文参考。在无数人为寻找在高温下有超导现象的材料时，幸运的贝特诺茨和缪勒在瑞士国际商用公司实验室工作时，终于发现一种镧铜钡氧陶瓷材料在43K（-230℃）的较高温度下出现了超导现象，前联邦德国人贝特诺茨和美国人缪勒立即成了在科学界引起轰动的新闻人物。为此，他们获得1987年的诺贝尔物理学奖。此后,美籍华人学者朱经武、中国物理学家赵忠贤领导的研究小组相继发现了在98K（-175℃）和78.5K（-194.5℃）有超导现象的超导材料。更令人振奋的是，美国和日本等科学家在1991年又发现了球状碳分子碳60在掺入钾、铯、钕等元素后，也有超导性。论文参考。有些科学家预测，球状分子碳60经过掺金属后，将来有可能在室温下出现超导现象，那时，超导材料就有可能像半导体材料一样，在世界引起一场工业革命和科技革命。
2超导材料的主要特性
2．1 零电阻效应
材料在一定温度以下，其电阻为零的现象称为材料的超导电现象。在一定温度下具有零电阻超导电现象的材料，称为超导体（Superconductor）。1911年荷兰著名低温物理学家昂纳斯（H.K.Onnes）发现在T＝4.1k下汞具有超导电性。采用“四引线电阻测量法”可测出超导体的R－T特性曲线，如图所示。
图中的为电阻开始急剧减小时的电阻值，对应的温度称为起始转变温度TS；当电阻减小到Rn/2时的温度称为中点温度TM；当电阻减小至零时的温度为零电阻温度T0。由于超导体的转变温度还与外部环境条件有关，定义在外部环境条件（电流，磁场和应力等）维持在足够低的数值时，测得的超导转变温度称为超导临界温度。
2．2 迈斯纳效应
1933年，迈斯纳（W.Meissner）发现：当置于磁场中的导体通过冷却过渡到超导态时，原来进入此导体中的磁力线会一下子被完全排斥到超导体之外（见下图），超导体内磁感应强度变为零，这表明超导体是完全抗磁体，这个现象称为迈斯纳效应。
迈斯纳效应示意图
实验表明，超导态可以被外磁场所破坏，在低于TC的任一温度T下，当外加磁场强度H小于某一临界值HC时，超导态可以保持；当H大于HC时，超导态会被突然破坏而转变成正常态。临界磁场强度HC，其值与材料组成和环境温度等有关。 超导材料性能由临界温度TC和临界磁场HC两个参数决定，高于临界值时是一般导体，低于此数值时成为超导体。
2 .3 同位素效应
超导体的临界温度TC与其同位素质量M有关。M越大，TC越低，这称为同位素效应。论文参考。例如，原子量为199.55的汞同位素，它的TC是4.18开，而原子量为203.4的汞同位素，TC为4.146开。M与TC有近似关系：
＝常数
2 .4 约瑟夫森效应
当在两块超导体之间存在一块极薄的绝缘层时，超导电子（对）能通过极薄的绝缘层，这种现象称为约瑟夫森（Josephson）效应，相应的装置称为约瑟夫森器件。如图所示。
当通以低于临界电流值I0时，在绝缘薄层上的电压为零，但当电流I>I0时，会从超导态转变为正常态，出现电压降，呈现有阻态，这种器件具有显著的非线性电阻特性，可制成高灵敏度的磁敏感器件，应用在超高速计算机等场合。
3 超导材料及应用
3 .1低温超导材料
具有低临界转变温度（Tc＜30K＝在液氦温度条件下工作的超导材料，分为金属、合金和化合物。具有实用价值的低温超导金属是Nb(铌)，Tc为9.3K已制成薄膜材料用于弱电领域。合金系低温超导材料是以Nb为基的二元或三元合金组成的β相固溶体，Tc在9K以上。低温超导材料已得到广泛应用。在强电磁场中，NbTi超导材料用作高能物理的加速器、探测器、等离子体磁约束、超导储能、超导电机及医用磁共振人体成像仪等；Nb3Sn超导材料除用于制作大量小型高磁场（710T）磁体外，还用于制作受控核聚变装置中数米口径的磁体；用Nb及NbN薄膜制成的低温仪器，已用于军事及医学领域检测极弱电磁信号。低温超导材料由于Tc低，必须在液氦温度下使用，运转费用昂贵，故其应用受到限制。
3.2 高温超导材料
具有高临界转变温度()在液氮温度条件下工作的超导材料,主要为多元系氧化物，高温氧化物超导体的出现，突破了温度壁垒，把超导应用的温度从液氦提高到了液氮（77K）温区。同液氦相比，液氮是一种非常经济的冷媒，并且具有较高的热容量，给工程应用带来了极大的方便。另外，高温超导体都具有相当高的上临界场（Hc2（4K）＞ 50T），能够用来产生20T以上的强磁场，这正好克服了常规低温超导材料的不足之处。高温超导材料用途非常广泛，大致可分三大类：大电流应用、电子学应用和抗磁性应用. 大电流应用
是由于超导材具有零电阻和完全的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就可以获得的稳定强磁场.可用于制交流超导发电机，利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场提高到5万～6万高斯并没有能量损失，且单机发电容量比常规发电机提高5～10倍达1兆瓦，而体积却减少1/2，整机重量减轻1/3发电效率提高50﹪；可用于磁流发电机，利用高温导电性气体作导体不，并高速通过5万～6万高斯强磁场而发电，而且这种发电机具有结构简单和高温导电性气体可重复利用的优点；可利用超导输电线路利用超导导线和变压器可以几乎无损耗地输送电能，椐统计，按目前情况，如果将铜或铝导改为超导体，光是在中国节省电能相当于新建数十个大型发电厂. 超导材料在这些方面的应用是最诱人的;电子学应用包包括超导计算机、超导天线、超导微波器件等; 抗磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等.目前，超导材料仍处于试验研究阶段。但人们相信，随着超导材料临界温度的提高和材料加工技术的发展，它将会在许多高科技领域获得重要应用。
4 结语
超导材料的研究是当今世界上一门新兴的科学技术由于超导材料能影响人类生存的许多重要领域，各国的材料科学家都在竞相探索它的结构，研究它的性能，以求率先找到具有高临界温度的超导材料。可以这样说，高温超导材料的突破，必将深刻地促进尖端科学技术的发展，从而加速人类文明的进程。含苞待放的超导之花，必将带来一个缤纷的世界。
[ 参 考 文 献]
[1] 马文蔚，苏惠惠等.物理学原理在工程中技术中的应用[M].北京:高等教育出版社,1992.
[2 ] 李斌 . 新科技启蒙[M]. 北京 :中国劳动社会保障出版社,2001.
超导材料范文第2篇
【关键词】超导；热膨胀；电子轨道；能量损失
1.背景介绍
超导现象的发现是二十世纪科学界的最伟大的发现之一。当材料的温度降到临界温度Tc以下时，它的电阻会变为零。零电阻现象的产生具有很大的实用意义，当材料达到超导态之后，它所传导的电流的能量损失变为零，如果远距离输电采用超导材料作为导线的话，可以采用较低的输电电压以避免高压输电所带来的安全隐患[1]。
目前超导材料的转变温度已经从金属汞的4.2K提高到了钇钡铜氧超导材料的液氮温度附近，但是对于实际应用来说，这个温度还是很低。对于超导现象的机理来说，目前被认可最多的是1957年由Bardeen，Cooper和Schrieffrer等提出的BCS理论[2]，该理论在一定程度上揭示了超导现象的产生机理，但是该理论也有较大的局限性，目前尚有许多关于超导材料的问题不能利用BCS理论来解释。
2.理论分析
与温度相关的材料的物理参数除了电阻之外，热膨胀系数也是一个常见的参数，当温度升高时，材料晶格内的点阵振动幅度增大，材料的体积增大。同时，由于点阵振动幅度的增大，载流子在电场的驱动下的运动受到更大程度的影响，所以材料的电阻增大。
按照以上理论推断，当温度达到0K时，晶格中点阵的振动完全停止，此时晶格振动对载流子传递的影响减弱为零，此时电阻的大小变为零。但是这与超导材料临界温度存在的现象并不一致，因为按照晶格振动影响载流子传递所产生电阻的理论，电阻应该会随着温度的下降而下降，直到温度降为0K时才降为0。但是材料的超导态是在温度降到低于临界温度之后突然达到的，所以说，材料超导的临界温度的达到并不能完全利用晶格振动对材料中电子传播的阻碍作用来解释。
3.结果与讨论
对于普通的金属材料来说，它内部的载流子是金属电子层外部自由电子所形成的电子气。相对来说，金属原子的最外层电子受到原子核的束缚最小，在电场存在的条件下容易被电场驱动。大量的外层电子在电场的驱动作用下附加了一个平行于电场的漂移运动，这样体现在宏观上是金属外层自由电子所形成的电子气整体上附加了一个漂移运动，这样电流产生[3]。我们对金属外层的单个自由电子进行分析可以发现，当电子在电场的作用下进行漂移运动时，总会出现电子在不同金属原子之间的传递。金属原子的最外层电子是金属核外电子中具有最高能量的，当单个电子在彻底离开一个金属原子核的束缚进入另外一个金属原子核的束缚范围内，需要吸收能量来脱离上一个金属原子，这些能量来源于电场能[4]。当这个电子进入到下一个金属原子核的束缚范围之内后，落入下一个金属原子的最外层电子轨道。此时这个电子所吸收的多余能量会释放出去，释放的能量会变为热能传递给晶格。这样消耗电场能转变为热能的过程是电阻的产生机理。如果按照晶格振动干扰电子传播的的理论，随着温度的升高，晶格之中点阵之间的距离减小，在电场的作用下，外层自由电子与晶格之中的点阵碰撞的几率会大大的减小，温度升高，电阻应该下降，但是这与实际情况相反。如果按照金属外层电子脱离外层轨道在原子间迁移的理论来解释温度与电阻的关系可以避免这一理论与事实不符的现象。
当温度足够低时，相邻的两个金属原子之间的距离减小，两个金属原子之间的外层轨道可能会无限接近以致重叠，此时在电场的作用下，最外层电子在两个金属原子之间迁移不存在电子吸收能量再释放能量的过程，没有能量损失，体现在宏观上是电阻为零。
一般来说，化合物比单质金属具有更高的临界温度，而对于具有较高的临界温度的高温超导体来说，它们一般是具有类似钙钛矿的化合物结构[5]。相对于金属离子来说，氧离子要小很多，并且在高温超导材料中，至少含有两种金属元素，这些金属元素可能存在于正八面体晶格的顶点或者正八面体晶格的中心，而氧离子处于晶面上[6]。这样的话，各原子的外层轨道得失电子的情况比较复杂，最外层电子的分布排列已经完全变化。氧离子的存在，填充了金属离子之间的间隙，这样的话，各离子最外层电子之间的能量差距变小，电子从一个金属原子到另外一个金属原子所需要的能量会减小。这样体现在宏观上，体系电阻变小。当温度足够低，各离子的最外层轨道相重合的时候，电子在离子之间迁移消耗的能量减为零，此时体现在宏观上电阻为零。
总结上文所述的理论，超导现象产生的原因是随着温度的下降，晶格的振动频率与幅度减小，同时金属原子之间的距离变小，原子的最外层参与导电的电子之间的最外层轨道重合，这样电子在两个原子之间迁移的能量损失为零。如图1所示，在临界温度以上时，在电场的作用下，A原子的最外层电子a从A原子迁移向B原子，电子a首先吸收电场能脱离原子A的束缚，而当电子a到达原子B时，由于电子a所具有的能量要大于B原子的最外层电子所具有的能量，电子a进入原子B的束缚范围，首先要释放出多余的能量，这些多余的能量会以热能的形式传递给点阵，这就是电阻的的产生。当温度下降到临界温度以下后，两个相邻的原子之间的距离下降，原子的最外层电子之间的间隙变为零，此时在电场的作用下，电子在两个原子之间的迁移不存在能量的吸收与释放，此时电场能的损失为零，体现在宏观上为零电阻态。
按照以上的理论，导体内的相邻的原子参与导电的外层电子之间的距离越小，则该导体的电阻越小。这一理论可以利用某些元素的在常压下难以获得超导态，而在高压的状态下可以获得超导态来解释[7]。当施加在材料上的压力足够大，相邻的原子之间的距离被压缩，这样的话，某些即使降低到很低的温度下依然不能得到超导态的材料才能够转变为超导态。
一般来说单质导体的临界转换温度不会太高，具有较高临界温度的超导体一定是化合物。这些化合物需要有如下的性质，在一定的温度下，参与导电的两个原子的最外层导电电子的轨道应该是重合的。已知氢负离子由于其核外电子数是核电荷数的两倍，具有比较大的半径[8]，如果有合适的化合物中具有氢正离子，氢离子可能成为两个相邻的参与导电的原子的外层电子之间的“桥梁”，使得两个相邻的外层电子轨道之间没有间隙，电子能够在不消耗能量的条件下从一个原子迁移向另外一个原子，这样就能够得到较高的临界温度。
超导材料的应用在集成电路方面的应用潜力是巨大的。随着集成电路产业的不断发展，单一的微电子器件的线宽已经变得越来越小。目前集成电路器件之间的互联一般采用金属铝或者金属铜，由于器件做的越来越小，单位面积内的器件密度也变得越来越大，金属互联的密度也变得越来越大，这样密集的金属互联具有极大的电阻，会产生大量的热量，限制器件的工作频率。如果采用超导材料的话，它的工作性能将大大的提高，线宽可以进一步的减小。■
【参考文献】
[1]裕恒.超导物理[M].中国科学技术大学出版社，2009.
[2]Bardeen J et al.Theory of superconductivity[J].Physical Review，1957，108（5）： 1175.
[3]王海东等.金属中的热质运动―电子气的热质状态方程[J].工程热物理学报，2010 （5）：817-820.
[4]王贵昌等.主族金属元素电子脱出功的计算[J].金属学报，2000，36（8）：790-792.
[5]Tarascon J M，et al.3d-metal doping of the high-temperature superconducting perovskites La-Sr-Cu-Oand Y-Ba-Cu-O[J].Physical Review B， 1987，36（16）： 8393.
[6]康振晋等.钙钛矿结构类型的功能材料的结构单元和结构演变[J].化学通报，2000，4：23-26.
超导材料范文第3篇
北京英纳超导技术有限公司成立于2000年9月,是我国首家专业从事高温超导材料及其应用产品开发、生产和销售的高新技术企业。英纳超导公司致力于在中国实现高温超导线材的产业化,推动我国高温超导线材及其应用产业的发展和创新。公司韩征和董事长在“建设中关村国家自主创新示范区动员大会”上获得“中关村二十年特出贡献个人”荣誉称号。
早在2001年7月,英纳超导和云南电力集团有限公司直属的云电控股(集团)有限公司合资成立了北京云电英纳超导电缆有限公司,致力于高温超导电缆的研发和产业化。其主持研制的三相30m、2kA/35kV高温超导电缆已在云南并网运行,它的运行使我国成为继美国、丹麦之后的第三个将超导电缆投入电网试运行的国家。标志着我国高温超导电力应用已跻身世界前列,开始进入实用阶段。
紧接着,2001年12月,铋系高温超导线材生产线投产的新闻被评为“2001年中国十大科技新闻”。它已申请14项高温超导线材产业化生产及高温超导应用领域核心专利,线材产品综合水平在世界上居第三位。目前,英纳超导产品已销往韩国、美国、欧洲等国家和地区。
高温超导线材在超导领域的地位,很像芯片或晶片在IT业中的地位,很基础,也很关键。目前,世界上从事铋系高温超导线材生产的公司只有五家,除英纳公司外,他们分别是美国超导(AMSC)、日本驻友、德国欧洲先进超导公司(EAS)及德国Trithor公司。而英纳公司生产的高温超导线材产品的综合性能位于世界前三名。
何为超导线材
1911年,荷兰科学家Onnes发现,在液氦(4.2K)低温条件下水银的电阻突降为零。这种在低温条件下物质电阻突然消失的现象被称为超导现象,转变温度称为临界温度(Tc)。低温超导材料的临界温度是绝对温度十几K以下,需要在液氦中工作。由于液氦及其制冷费用昂贵,低温超导材料的应用受到了很大的限制。目前商品化的低温超导线材主要有NbTi,Nb3Sn,主要用于核磁共振成像仪、加速器磁体等方面,全世界的市场有十多亿美元。高温超导材料一般是指临界温度在绝对温度77K以上、电阻接近零的超导材料,通常可以在廉价的液氮(77K)制冷环境中使用,主要分为两种:钇钡铜氧(YBCO)和铋锶钙铜氧(BSCCO)。钇钡铜氧一般用于制备超导薄膜,应用在电子、通信等领域;铋锶钙铜氧主要用于线材的制造。
1986年高温超导材料被发现后,全世界投入数十亿美元的科研经费进行高温超导材料的产业化研究。经过一大批优秀科学家十多年的努力工作,在钇钡铜氧、铋锶钙铜氧等几种高温超导材料中,1997年首先实现了铋系高温超导线材产业化。这也是目前唯一产业化的高温超导材料。高温超导线材具有损耗低、通电能力强(是相同截面积普通铜导线的100倍以上)等特点,其在应用领域的研究发展迅速。
超导线材的应用
超导材料与传统铜、铝等金属材料相比,由于具有零电阻、高通流能力的特性,用其制造的电力设备具有体积小、重量轻、效率高、环保等优点,在能源、电力、交通方面具有重要的应用前景,是推动节能减排与新能源技术发展的最有效途径之一,可在二十一世纪引起电力工业的技术革命。以下是高温超导技术应用的一些例子。高温超导输电电缆。与相同直径的常规电缆相比,高温超导电缆的输电能力要大3-5倍,并且不需要通风冷却的通道,因此占用空间小,开挖铺设的工作量少。英纳超导公司等单位已于2004年研制成了3相、35千伏、2千安、33.5米高温超导电缆并在云南昆明普吉电站实现了并网运行。这组电缆至今还在运行中,是目前世界上并网运行时间最长的高温超导电缆。 高温超导风力发电机。一个特定的风场的发电潜能是一定的,风力发电机的功率越大,其发电效率(发挥风场潜力)就越大。当前,英纳超导公司参与的100千瓦高温超导电动机已研制成功,1兆瓦高温超导电动机的项目也正在进行中。高温超导限流器。高温超导限流器可以起到提高了电网的安全性,同时也可提高电网的效率。英纳超导电缆技术等单位于2007年研制成了35千伏、1200安培饱和铁芯式高温超导限流器并在云南昆明普吉电站实现了并网运行。此外,高温超导技术在冶炼工业、磁悬浮列车、高温超导磁场储能器、高温超导调相器、高温超导磁粒选矿机等都可起到很好的应用。
超导产品迎来曙光
根据世界银行预测,2020年全球超导产业产值将达2440亿美元以上,正如半导体带来的资讯时代,以及由光纤带来的传讯时代,高温超导材料将从根本上改变人类的用电方式,给电力、能源、交通以及其它与电磁有关的科技业带来革命性的发展。
专家认为,2007年以后超导产业将进入高速增长期。今年5月10日,日本住友电气宣布将在大阪的工厂大规模生产铋系高温超导线材。为了抓住超导产业发展的巨大商机,英纳公司计划融资1亿人民币,进行超导线材和超导应用产品的研发和推广。
超导材料范文第4篇
中日超导技术在线材上的应用比较
日本是首个宣布获得175K的超导材料的国家，之后不久，美国、中国、俄罗斯、德国及丹麦等国也相继有了突破性的研究报告，有的甚至发现了308K的超导迹象，该温度已达到常温的转变温度。目前，日本有着100多家研究所在研究新超导材料，其中20%以上是企业的研究所。一些公司已经用陶瓷系列超导材料制成线材。日本许多研究机构和企业也纷纷行动起来。研究热潮甚至影响了国际稀土市场，制作超导材料的一等稀土元素在国际市场上空前紧俏，一场超导技术在各个领域应用的激烈竞争正在各国展开。我国是稀土资源丰富的国家之一，成矿条件优越，甚至可以说是得天独厚，探明的储藏量位居世界之首，在发展超导线材应用上占有一定优势。几乎所有的电动机械（从尖端军事机械到普通家用电器）都离不开稀土元素制成的磁材料。然而，近年来随着中国大量出口稀土，中国已经成为世界最大的稀土生产、出口国，满足了世界30%的稀土资源需求。据报道称，中国大量且廉价出售稀土使得日本等国趁机收购并储存了足量稀土，数量够用几十年。业内人士甚至估计说，日本储存的稀土资源甚至已够用四五十年。因此，中国在加强管理稀土资源出口的同时，应积极利用稀土资源为我国的超导材料发展和工业上应用做出贡献。超导材料具有极其优越的物理特性：一是零电阻效应，二是约瑟夫逊效应，三是迈斯纳效应。特别是在军事领域的应用，专家预计会更为广泛。采用超导材料，可使许多重要的军用装备如舰艇，飞机，装甲车，导弹，聚能武器等的性能得到大幅度的改善。1992年，世界第一艘超导舰船在日本研制成功，时速高达180km，如果超导船应用化，就可导致整个海运发生重大变化[3]。目前，世界上高温超导材料形成了YBCO、BSCCO、TBCCO、HBCCO等四类，其转变温度分别是95K、110K、125K和135K。日本住友公司SEI是世界上首先提出发展BSCCO导线的公司之一，并用试验证实了高温超导材料在许多方面比低温超导材料更具优越性和稳定性。这影响到其他国家也纷纷以发展高温超导应用研究为主要方向。2001-2003年，中国着力提高高温超导线材技术，并生产出世界首条年产能力两百公里的铋系高温超导线材，其各项指标均位于世界首列，这也标志着中国高温超导线材产业化水平迈进世界先进行列，对增强我国国防装备现代化水平具有里程碑式的意义。而在2000年以前，铋系高温超导线材工业化及实用化技术仅被美国、日本、德国等少数国家掌握。
中日超导技术在能源电力系统上的应用比较
在我国“八五”、“九五”规划中就有这么一条：“发展我国超导科学技术，促进我国超导产业形成”，在高科技发展日新月异的津贴，这项计划具有重要意义。我国提出了分两步走的战略目标：第一步是实现高温超导实用化的战略目标，即在超导磁体和超导电子学上争取早日形成生产力。第二步是逼近高温超导体实用化的战略目标，积极地为实现这些战略目标而创造条件。可以预见，以高温超导、磁流体发电的新技术将以空前的广度和深度影响现有的工业局面和人们的日常生活。我国未来超导技术的发展重点之一在于发展安全可靠的高效超导电力系统：包括超导储能系统、超导限流器、超导电缆、超导变压器、超导电机和基于超导技术和现代电力电子技术与控制技术而产生的灵活功率变换和调节技术，基于超导电力技术对传统电网进行改造的相关技术的研究开发。1965年，中国科学院物理研究所与武汉船用电力推进装置研究所合作设计研制出一台20kW超导电机，其转子线圈采用了我国宝鸡有色金属加工研究所研制的单芯NbTi超导线绕制。这是我国研制的第一个超导磁体[2]。尽管超导发电技术的优点很多，例如效率高，占用空间小等，但由于其建设周期大，技术难关多，投资大，使得许多本感兴趣发展该技术的国家逐渐放弃了对其的前沿开发计划。仅日本表示出坚定决心，并通过自身强大的经济与技术实力，经过十几年的倾心研究，终于取得成果，将两台70MW级的超导发电机并入700kV的输电系统，测试运行显示此次并网成功创造了超导发电机单机容量最大、效率最高和连续运行时间长的世界记录。超导电缆具有零电阻特性，几乎可无损耗地输送电能。使用高温超导电缆比使用常规电线的总成本要低15%，它从本质上克服及解决了常规电缆线的缺点、问题，如输电过程中的损耗大，容量小，环保效果差，建设成本高等。2004年3月，云南昆明普吉变电站完成三相交流33.5m/35kV/2kA。超导电缆系统的现场安装及挂网试运行成功标志着继美国、丹麦之后，我国成为世界上第三个将超导电缆投入电网运行的国家。
作者：邵虹 成欢 单位：武汉船用电力推进装置研究所
超导材料范文第5篇
关键词：STP；保温板；节能；新材料
Abstract: in this paper, through introducing the theory of STP thin insulation board, analysis of the advantages of its own as a new material, combined with its in wuhu first people's hospital (new) engineering application, this paper expounds the STP thin insulation board of broad prospects.
Key words: the STP; Insulation board; Energy saving; The new material
中图分类号：S210.4文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
一、STP超薄保温板研发背景
加快建设节约型社会，是由我国基本国情决定的。人口众多、资源相对不足、环境承载能力较弱，是中国的基本国情。今后一个时期，人口还要增长，人均资源占有量少的矛盾将更加突出。能源短缺是我国经济社会发展的“软肋”，淡水和耕地紧缺是中华民族的心腹之患。这种基本国情，决定了建筑节能在我国还是一项艰巨而又重要的工作,也是事关可持续发展的重大问题。各种建筑节能材料也如雨后春笋般涌现，STP超薄绝热板的研制正是顺应了这种趋势。
二、STP超薄保温板功能原理
STP超薄绝热板是由真空绝热芯材、无机板和双面粘结复合的无机板。其中，真空绝热芯材以无机纤维材料作为绝热芯材，采用高阻隔型薄膜对绝热芯材和吸气剂（长期保持真空）进行包裹，并采用专业设备通过抽真空形成负压，降低芯材的导热系数，提高保温效果。
STP超薄绝热板外墙外保温系统是一种全新的、不燃的，与建筑物同寿命的新型外墙薄抹灰保温系统，由粘结砂浆、STP超薄绝热板、网格布、抗裂砂浆等组成的外墙外保温系统。
STP超薄绝热板解决了常规保温材料易渗、吸水、超厚的弊病。适用新建、扩建民用及公用建筑外墙与屋面的保温工程，尤其使用于既有建筑的节能改造工程。
众所周知，热量的传递方式主要有三种，即热对流、热传导和热辐射。传统的保温材料只能从一种形式上对热量的传递过程产生抑制作用，例如传统的建筑保温材料像挤塑板、聚苯板等主要是通过减少热传导的方式来减少热量的传递，像真空玻璃主要是通过减少热对流的方式来减少热量的传递，像隔热涂料则是通过利用光折射的原理来减少光辐射热从而达到隔热效果的一种原理，而STP板是将真空原理和光折射原理进行有机的结合，对热传递的三种方式都有一定的抑制：
首先，构成STP板的高阻气薄膜是由铝箔和其他几种高分子薄膜复合而成，而铝箔可以反射70%～90%的辐射热；由于构成STP板芯料的主要原材料是无机硅类空心微珠，这种空心微珠也可以对太阳光辐射进行二次反射，而且这样材料本身也是一种良好的保温材料，材料本身的导热系数在0.03W/(m·K)～0.04W/(m·K)之间。
图二次反射减少热辐射作用原理
空气可以传导热量，因而可以在垂直方向将整个产品形成热传导通道，因此应改变原有产品的传热通道模式，对芯材进行抽真空，通过在产品内部形成真空度，降低产品内部空气量，从而破坏原有的热传导通道形成不间断传导，大大降低了产品的导热系数。
另外，由于将留在绝热空间里的气体清除掉，提高了内部真空度，从而隔绝了空气对流引起的热传递，也使其导热系数大大降低；根据计算将导热系数维持在低于0.008W/m·K时既保证了产品的高性能又降低了成本，并有利于建筑应用。
三、STP超薄保温板特点分析
STP超薄绝热板作为一种新型节能保温材料与传统材料相比有诸多特点：
1、保温效果优异，施工厚度薄。保温效果相当于常规聚苯板的5倍，挤塑板的4倍，聚氨酯的2.8倍，安徽大部分地区的建筑一般用1.5厘米厚就能达到65%的节能要求，可以大大提高建筑物容积率，增大建筑实际使用面积。以100㎡建筑面积为例，在容积率不变的情况下，使用STP保温板可增加2-3㎡使用面积。STP板尤其适用于北方等保温要求高的地区。
不同保温材料其导热系数对比表
名称 STP超薄绝热板 聚氨酯（PU） 挤塑板（XPS） 聚苯板（EPS） 胶粉聚苯颗粒保温砂浆
导热系数w/(m·K) 0.008 0.024 0.030 0.041 0.08
2、单位质量轻，上墙后每平方米的重量大约5公斤，而且板材本身较薄，抗震、抗风压能力高。施工中，和建筑物墙体结合强度高，不容易出现空鼓，脱落等现象，安全性高。
3、防火等级高，目前市面上普通的保温材料防火等级均为B级，而真空绝热板得防火等级为A级，完全不燃。
4、无毒、绿色环保，使用寿命长，后期维护费用低。普通的外墙材料产品使用寿命为10-15年，无法和建筑物同寿命，而真空绝热板的产品寿命为60年，可以做到和建筑物同寿命。同时由于该产品主要原料为无机矿物质，而传统保温多为有机材料系石油分解产品，生产1吨聚苯板大约需2砘石油，因此每使用万平米超薄真空绝热保温板节约石油40砘；传统产品使用寿命一般为20年，20年后会产生大量的白色污染，每1万m2会增加20吨白色污染。
四、工程实例分析
芜湖市第一人民医院（新区）工程原设计为硬质聚氨酯泡沫塑料保温层贴外墙面砖，保温层燃烧性能为B2级。根据公安部消防局下发通知：关于从严执行《民用建筑外保温系统及外墙装饰防火暂行规定》（公通字[2009]46号）第二条规定，民用建筑外保温材料采用燃烧性能为A级的材料。故芜湖市第一人民医院(新区)外保温材料需重新选择：
1、玻化微珠防火保温砂浆外墙保温系统
玻化微珠防火保温砂浆燃烧性能为A级，导热系数在0.065~0.07W/(m.K)，用于医院外墙外保温时厚度较厚，保温层厚度在90~95mm左右，屋面保温层厚度约150mm 左右，保温层太厚无法贴面砖。如外墙采用墙内外双侧粉玻化微珠防火保温砂浆的保温做法，保温层总厚度不变，墙外一侧玻化微珠防火保温砂浆层的厚度仍在50~60 mm, 仍无法贴面砖，饰面材料需改为外墙涂料类材料(如仿石涂料、真石漆等)，或软贴面材料（如软陶贴面，但材料价格较高）；且墙内一侧的玻化微珠防火保温砂浆层会增加内粉刷厚度，减少建筑的使用面积，同时玻化微珠防火保温砂浆层较厚将增加施工难度，需增加相应的施工措施，增加工程造价。
2、STP超薄绝热板外墙外保温系统
STP超薄绝热板外墙外保温系统导热系数较小，燃烧性能为A级，用于医院外墙外保温时厚度较小，保温层厚度约7~10mm 左右，屋面保温层厚度约15mm 左右。
3、岩棉板外墙保温系统
岩棉板燃烧性能为A级，导热系数在0.045~0.048W/(m.K)，用于医院外墙外保温时厚度在70~80mm左右。使用岩棉板外保温时，饰面材料不能使用面砖，饰面材料只能使用外墙涂料类材料，或软贴面材料；同时岩棉板价格较高，合格的生产厂商较少，将增加工程造价。
4、干挂石材幕墙加燃烧性能为A级保温材料外墙保温系统
如采用干挂石材幕墙外饰面，保温材料选择范围将有所放宽，除以上的保温材料外还可选用玻璃棉毡、岩棉毡等其它A级保温材料。但干挂石材幕墙和保温材料都将增加工程造价，且医院立面外观有所改变。
通过对上述外保温材料反复比较，最终确定使用STP超薄绝热板作为该工程的节能材料。
五、STP超薄绝热板主要技术指标：
STP超薄绝热板的性能应符合表1的要求
表1STP超薄绝热板主要性能指标
不同厚度的STP超薄绝热板的单位面积质量应符合表2的要求
表2STP超薄绝热板单位面积质量技术指标
STP超薄绝热板薄抹灰外墙外保温系统的性能指标应符合表3的要求
表3STP超薄绝热板薄抹灰外墙保温系统的主要性能指标
六、STP超薄保温板经济效益分析
目前我国每年建成的房屋面积高达16亿～20亿平方米，另外中国既有建筑400多亿平方米，按照我国既有建筑改造计划，约有130亿平方米需要改造。仅按照我国每年新增20亿平米保温计算，年均墙体保温市场预计为1600亿元。采用STP超薄绝热板给社会带来巨大的效益：
a、满足建筑工程护结构节能65％的要求，从而节约大量能源、资源消耗；包括用于社会主义新农村建设，亦能减轻农村这一领域对资源消耗的压力；
b、热阻值大，导热系数极低，保温效果是传统保温材料的5-7倍；大大降低了建筑外墙保温层的厚度，从面提高了建筑外保温层的安全性；
c、单位面积的重量很轻，可以直接粘贴，施工方便、大大缩短了工期、节约了成本；
d、保温材料主要是无机保温材料，防火不燃，安全环保。
七、结语：
在不断增大的总能耗之中，建筑能耗约占总能耗的30%，建筑节能问题引起了越来越多国家的重视。而建筑材料作为我国国民经济的支柱产业之一，经过建国后五十余年的发展，现已成为国民经济中的重要组成部分。开发研制及应用节能材料是建筑节能的根本途径，也是促进我国建筑业持续健康发展的根本保证。STP超薄绝热板作为新型材料，利用其自身的种种优点，势必在未来的建筑市场上大放光彩。
参考文献：
