科技部 - 科技大观园::: 回首页． 网站地图． 科国司． 科技部． English． 行动版． 会员登入 / 加入会员 进阶搜寻 ::: 首页 ＞文章 ＞精选专题 ＞材料科技：超导材料 列印 下载 字级【小】 字级【中】 字级【大】 材料科技：超导材料 陈引干 | 成功大学材料科学及工程学系 高温超导体和磁铁间的磁悬挂现象 高温超导体和磁铁间的磁悬挂现象 什麽是超导 如同大家所知，材料可以依导电性分为导体、半导体和绝缘体，那「超导」材料不就是指导电性超越导体的材料，它真的存在吗？当许多人听到这个玩意儿时，一定都会抱着疑问的态度思考着，真的有这种近乎在没有电阻下流通电流的材料吗？ 当然有！荷兰莱登大学的欧尼斯（Heike Kamerlingh-Onnes）教授团队首先在1911年发现，水银的电阻在4.2K时（约为摄氏零下269度，摄氏0度=273.15K）突然降低至近乎零（当时受限於量测装置的精准度，电阻值在十万分之一欧姆以下就无法量测）。 当时欧尼斯教授团队的每个人对这结果都感到讶异，也抱持着怀疑的态度。经过反覆的实验，并详实地检查仪器没有损坏，确认数据资料无误後，终於发表了这令人振奋的结果，并取名为「超导性」，而具有超导性的材料就称为「超导体」。欧尼斯教授在1913年因这项成果获得诺贝尔物理奖。 超导体的特性 超导体在超导状态时主要会呈现以下两个特性：电阻为零–即电流在超导体内部流动时，不会有损耗而能一直流通，成为永久的电流；完全反磁现象—若外加磁场在超导体上，超导体会排除磁场，使磁力线完全不能通过，这个现象是在1933年由科学家麦斯纳发现的，又称为麦斯纳效应（Meissner effect, 或译迈斯纳效应），正因为这现象，超导体才可以做为磁（悬）浮的应用。 然而超导体要表现出以上两种超导特性，必须有三个限制条件。一般最为人熟知的限制是「超导临界温度」，这是指当超导体降至某个温度以下才会呈现超导性，这个温度就是超导体的临界温度。换句话说，超导体的超导现象只有在温度低於临界温度时才会出现，温度高於临界温度时则转变成电阻不为零的状态。除了温度是超导体的限制因素外，磁场和电流的变化同样会造成超导材料是否具有超导性的限制因素。而温度、电流和磁场三项因素中，又以温度的限制对超导性的影响最大。 超导体的发展与分类 自从1911年欧尼斯发现水银具有超导性之後，接着许多元素如铅（Pb）、锡（Sn）、钽（Ta）、钛（Ti）、铌（Nb）、铝（Al）、钒（V）等也陆续发现具有超导性质，但这些材料的超导临界温度太低，像具有最高临界温度的铌元素也仅仅只有9.2K（约摄氏零下263.8度）。直到1930年代，德国人发现了氮化物、碳化物之类能在十几K时就变成超导体，这是史上第一次发现化合物也能呈现超导性。 接着科学家致力於提升超导临界温度，使得超导体能有实际的应用价值。1953年，芝加哥大学发现新材料钒化矽（V3Si），使超导临界温度提升至17.5K（约摄氏零下255.5度）。接着科学家马帝尔斯（B. T. Matthias）合成铌化锡（Nb3Sn），更把温度提升至18K。尔後经过十余年的努力，超导临界温度最多也只能提升至23K（约摄氏零下250度）左右。 这时超导体的研究看似已陷入泥沼，前景并不被当时的科学家所看好，主要是因为按照这种发展趋势，需要至少200年，超导体的临界温度才能提升至77K（约摄氏零下196度），即液态氮的沸点温度。但到1987年，发现氧化物陶瓷材料具有超导特性，一举把超导温度提升至77K以上，这革命性的发现才重新引起科学家投入研究超导体的热潮。 早在1930年代就开启了氧化物陶瓷材料的超导性研究，如氧化钕（NdO）、三氧化钨（WO3）等都具有超导性，但这象徵着很不寻常的事情，因为氧化物一般而言是绝缘体，即不是导体，怎麽可能是超导体。直到1960～1970年代，科学家在金属和金属化合物的超导性研究遇见瓶颈後，才开始把目光投射到氧化物陶瓷材料的研究，如1960年发现具有超导性的氧化物钛酸锶（SrTiO3-x），但临界温度大多低於30K（摄氏零下243度）。 1986年，瑞士两位IBM苏黎世实验室的科学家米勒（Alex Muller）和班道兹（Georg Bednorz）发现了镧－钡－铜－氧（La-Ba-Cu-O）的氧化物在温度36K（约摄氏零下237度）时具有超导性。1987年，朱经武和吴茂昆二位院士所领导的研究团队发现了临界温度90K（摄氏零下183度）以上的钇－钡－铜－氧的氧化物（Y-Ba-Cu-O），才开启了科学史上的新页！而这时距欧尼斯发现超导现象已过了四分之三个世纪。 以实用的角度来看，这项发现非常重要，因为临界温度90K高於液态氮的沸点（77K），代表可以用液态氮来冷却钇－钡－铜－氧的氧化物超导体，使它达到超导态。且空气中约80％是氮气，因此液态氮的取得容易且便宜（一公升液态氮约25元，比市售的矿泉水和饮料都便宜）。 1987年後，逐渐发现了更多的钡－铜－氧化物的超导材料，目前在常压下具有最高的超导临界温度134K（约摄氏零下139度）的超导体是HgBa2Ca2Cu3O8。如果在很高的压力下（约2万大气压），则临界温度可高达164K（约摄氏零下73度），是世界最高的纪录。这一系列钡－铜－氧化物的超导体称为「高温超导体」，以与先前的「低温超导体」有所区隔。由於这类的超导体同时具有陶瓷特性和超导现象，因此又称为「超导陶瓷」。 近年来更有其他化合物，如在2001年发现的二硼化镁（MgB2），在39K（约摄氏零下234度）时具有超导性，打破了非铜氧化物超导体的临界温度纪录。而且这个超导材料价格低廉且加工容易，可以应用在检测微弱电磁信号，如探矿、医疗检测和军事仪器上。 此外，利用外加电场方式可以使本来绝缘的碳六十（C60）碳簇分子在温度120K（约摄氏零下153度）时具有超导性，这种方法也可以让许多不导电的陶瓷材料具有超导性。 在2008年时，日本的科学家细野秀雄（Hideo Hosono）团队发现铁基氮磷族氧化物中部分的氧以掺杂方式用氟来取代，可以使镧铁砷氟氧（LaFeAsO1-xFx）的超导临界温度达26K（约摄氏零下247度）。如果以稀土元素钐取代镧而形成钐铁砷氟氧（SmFeAs[O0.9F0.1]），则超导临界温度可升高至55K（约摄氏零下218度）。 同年，中研院吴茂昆院士发现了另一种铁基化合物硒化铁（FeSe）在10K（约摄氏零下263度）具有超导性，同时如果以碲（Te）取代部分硒，则临界温度可以提升至15K（约摄氏零下258度）。由於硒化铁系统成分和制程较简易，并且毒性较低，不像前述发现的镧铁砷氟氧或钐铁砷氟氧含有有毒的砷，而有较高的环境和生物相容性，因此在应用前景上占有优势。这类含有铁的化合物却有超导特性的确受人注目，主要是因为铁是一般大众所知的顺磁材料。 超导体应用 超导材料可依临界温度的高低分成「低温超导体」和「高温超导体」，它们的制程和超导特性有相当的差异。也可依形态把超导材料分成「线材」和「块材」，各自衍生的应用也有所不同。线材主要是利用超导零电阻现象传输电流和产生超高磁场。在块材方面，主要是以高温超导体为主。 最为一般大众所知的就是超导体和磁铁之间的磁（悬）浮现象，即磁铁不仅可以凭空浮在超导体之上，也可以完全没有接触地悬挂在超导体之下，犹如悬浮在半空中。吴茂昆院士曾戏称这是「姜太公钓鱼，离水三尺」效应。这种稳定的磁浮和磁悬挂现象是自然界所仅见的，会造成这些现象，除了高温超导体所具有的反磁效应外，更是因具有独特的钉扎磁场效应所导致的。 超导线材的应用 低温超导体大多是金属和金属合金，主要代表的材料是铌钛（NbTi）和三铌锡（Nb3Sn）合金，因具有延性，所以容易制备成线材来传输电流，或绕成线圈产生超高磁场。一般铜线的安全载流量是5～8 A/mm2，利用低温超导材料所制成的铌钛线材，承载电流可高达约500 A/mm2，是一般铜导线的100倍。但因临界温度太低，常需要在液态氦（He）下使用，而液态氦的成本高且制备不易，因此近年来高温超导体也发展制备成线材以便在较高温度下使用。 然而，大多数具有陶瓷特性（即延展性不佳）的高温超导体是如何制成线材的呢？主要的方法是把高温超导体以薄膜的形式制备在具有延性的金属或金属合金上，而形成高温超导线材。第一代的高温超导线材，如铋锶钙铜氧（Bi-Sr-Ca-Cu-O, BSCCO）高温超导线材，承载电流可达100 A/mm2，是一般导线承载量的20倍，但这种线材在高磁场下使用容易失效。 近来更发展出第二代高温超导线，如钇钡铜氧（Y-Ba-Cu-O, YBCO）高温超导线材，它的载流量可达到10,000 A/mm2，是一般铜导线的1,000倍或低温超导线材的20倍，并可在高磁场下使用。 目前要把超导线材应用在长途的电力传输上仍然有技术上的难度，但陆续有许多国家把超导电缆投入电网运作。例如美国在纽约州安装了世界第一条商用电网的超导电缆，并在2008年4月通电，这系统能够发送高达574兆瓦的电力供30万家庭用电。 除了美国之外，丹麦、日本和中国也相继把超导电缆投入电网运行。中国更在甘肃省白银市架设世界首座超导变电站，站内包含许多利用超导技术制成的超导电力装置，如高温超导限流器、高温超导储能系统、高温超导变压器、高温超导电缆等。 超导磁浮列车 目前已接近实用化的磁浮列车，都是利用传统的主动式磁浮系统，主要有两种类型的磁浮列车。一种是以德国为代表的常导电磁浮，利用电磁铁所产生的磁场并使用磁铁间吸引力，使得列车能磁浮在轨道上运行。但受限於电磁铁能产生的磁场强度，悬浮在轨道的气隙仅有约10 mm，运行速度每小时可达400～500公里。 另一种则以日本为代表的超导磁浮列车，利用低温超导线材缠绕成线圈所制成的大磁场低温超导磁铁为磁场源，再利用磁铁间的吸引、排斥力使得列车可以磁浮在轨道上运行。因为低温超导磁铁产生的磁场是电磁铁的3～5倍，使得磁浮的气隙约为100 mm，大概是使用电磁铁磁浮气隙的10倍。因为有比较大的气隙，使得列车在运行时较安全，如遇到转弯时，不易和轨道发生摩擦，速度最快可达每小时581公里。 目前中国大陆西安交通大学制作出世界首辆载人的高温超导磁浮实验车，德国和日本相关研发机构也十分重视这成果。由此显见超导磁浮系统对交通运输方面的改良，有着很大的发展潜力。 笔者的研究团队为了推广科学教育所举办的「高中生超导磁浮创意竞赛」活动，研发了高温超导磁浮列车模型。把内置有高温超导体制成的单晶粒块材的模型车保持在液态氮的冷却条件下，磁浮於利用钕铁硼（NdFeB）强力永久磁铁排列而成的椭圆形轨道上。模型车可以保持固定的磁浮距离，以及无接触、无摩擦的磁浮特性，因此超导磁浮列车模型可以完全无接触地磁浮在空气中。 此外，在模型车上加装一遥控风扇，就可控制磁浮轨道车的速度和行进方向。这辆模型车目前正放置在高雄的国立科学工艺博物馆展出。 为配合国科会科学周活动，笔者的研究团队也自制超导磁浮莫比乌斯带（Mobius Stripe）。它是只有一面的连续曲面，可用一条矩形纸带扭转180度，然後把端点连接起来构成。利用莫比乌斯带制成磁铁轨道模型，配合高温超导磁浮原理，可设计出一兼具教育和应用价值的超导磁浮轨道。 此外，为推广新兴科技知识，笔者特别制作「高温超导体」的教学短片，於 Youtube（http://youtube.com/watch?v=Z4XEQVnIFmQ）公布後广受全球佳评，至今已有近百万人次点阅。 超导在风力发电机上的应用 人类利用风力发电的起源甚早，19世纪末丹麦的科学家保罗（Poul La Cour）就建造了世界第一台风力发电机，随着近年来石油危机和地球暖化的效应，风力发电逐渐受到重视且持续成长。不过在全球的风力发电中，超过98％来自陆域式的风力发电机，仅有不到2％来自所谓的「离岸式的风力发电」。 简单地说，离岸式的风力发电是把风力发电机装置在海上，利用较陆地上大20％的海上风力，可以有比陆地式的平均多出40％的电力产能，但因为装置成本是陆地式的1.5至2倍，至今还无法普及。在风力发电系统中，以发电机占的成本最高，约为总成本的50％，「超导发电机」的出现正可以解决离岸风力发电机所面临的安装成本过高的困境。 利用超导磁线圈所制的超导发电机，可把磁场强度提高至5～7特斯拉（Tesla），使得发电效率可以较传统的发电机提高50％。而且，由於超导线圈会产生强磁场，可以减少了发电机中铁的使用，因此减轻了发电机的重量和体积，约为传统发电机的三分之一。超导发电机更具有噪音小、易维护、操作灵活等优点，因此在海上安装发电机时，利用超导发电机会远较传统发电机安装方便，又能提高发电效率，在成本上更加具有优势。 超导磁铁的其他应用 利用超导体制成的大磁场超导磁铁除了上述应用外，更可以应用在目前常见的医疗设施中，如利用低温超导线材制成的核磁共振（nuclear magnetic resonance, NMR）和延伸出的核磁共振扫描造影（magnetic resonance image, MRI）。 在2008年，超导磁铁更应用在位於瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机，做为国际高能物理学研究用。这大型对撞机於2010年3月20日首度成功进行粒子撞击实验，并创造了高达7 TeV的庞大能量。 超导体的远景 目前至少已有5个以上的团体因为超导体的相关现象、理论、材料等研究突破而获得诺贝尔奖。 因为超导体材料对於未来电力传输、高效率马达、发电机、医疗诊断设备、微波通讯、高速电脑、磁浮列车、能量储蓄转换等产业具有革命性的影响，各工业先进国家莫不以制成优异性能的超导体材料为研究发展目标，以期在未来的超导体材料应用工业中占有领先的地位。而且，高温超导体的发展历史不过十多年，未来的发展仍有相当大的空间。一些专家甚至认为超导体未来可以产生媲美半导体和雷射科技对电子和资讯产业的影响，许多新的应用也会逐步实现。 日期：2013/6/7 高温超导体和磁铁间的磁浮现象 高温超导体和磁铁... 日本超导磁浮车上浮及前进原理（图片来源：维基百科） 日本超导磁浮车上... 本单元学术名称：工程技术 > 金属及陶瓷材料 标签：超导材料、迈斯纳效应、临界温度、磁浮列车、风力发电、高温超导、离岸风力 10,145 浏览人次 来源：《科学发展》2013年6月，486期，40 ~ 46页 分享至facebook 分享至plurk 分享至twitter 转寄 上一则：上一则：材料科技：热...返回列表页下一则：材料科技：环...下一则： 您可能也会喜欢以下的文章或影片： 荷兰「还地於河」的经验–柱上屋 民生工程新面貌：... 结晶矽太阳能电池 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