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中科院研制全超导磁体打破垄断 全球知名超导材料企业中国过半

中科院研制全超导磁体打破垄断 全球知名超导材料企业中国过半 贤集网企业技术服务平台
2019-12-11
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导读:中国科学院电工研究所王秋良团队成功研制出中心磁场高达32.35特斯拉(T)的全超导磁体。该磁体采用了自主研发

中国科学院电工研究所王秋良团队成功研制出中心磁场高达32.35特斯拉(T)的全超导磁体。该磁体采用了自主研发的高温内插磁体技术,打破了2017年12月由美国国家强磁场实验室创造的32.0特斯拉超导磁体的世界纪录,标志着我国高场内插磁体技术已经达到世界领先水平,研究成果将服务于世界一流水平的综合极端条件实验装置用户。

(一)超导材料的发现

1911年,荷兰物理学家Kamerlingh Onnes首次发现超导现象,目前科学家已发现28种元素和数千种合金及化合物可作为超导体。在近百年的发展史中,超导材料实现了高温到低温的过程,临界温度也越来越低。

2008年至今,随着材料科学工艺技术的发展,以美国,德国丹麦等为代材。长10m、2000A 的超导电力电缆正在研制中,下一步开发三相、50—— 100m输电电缆。西门子公司计划到2003年制成20 MVA 的超导变压器。用于电子学方面探伤的RF-SQUID及卫星通讯用高温超导滤波器也在试制之中。

发达国家的材料专家普遍认为超导材料是市场上最热门的商品之一。究其原因,是因为超导材料不仅是理想的战略替代材料,而且生产成本可大幅度降低,从而实用价值大大提高。

近年来,我国在基础研究、科技创新、成果转化等领域飞速发展,国际学术地位和影响力日益提升,其中在超导领域的研究目前在国际上处于先进行列。

(二)超导材料的性质

零电阻性

处于超导态时电阻为零,可无损耗地传输电能。

完全抗磁性

1933年迈斯纳和奥尔德首次发现了超导体具有完全抗磁性的特点。把锡单晶球超导体在磁场(H≤Hc)中冷却,在达到临界温度Tc以下时,超导体内的磁通线一下子被排斥出去;或者先把超导体冷却至Tc以下,再通以磁场,这时磁通线也被排斥出动;即在超导状态下,超导体内磁感应强度B=0. 这就是迈斯纳效应。

目前Tc最高的超导材料是1993 年发现的Hg-Ba-Ca-Cu-O体系,常压下Tc为134 K,高压下可达到164 K。

约瑟夫森效应

两超导材料之间有一薄绝缘层(厚度约1nm)而形成低电阻连接时,会有电子对穿过绝缘层形成电流,而绝缘层两侧没有电压,即绝缘层也成了超导体。

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。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。

(三)超导材料的常见合成方法

1、固相合成法

2、均匀溶胶—凝胶合成法

3、熔盐结构生长法

4、悬浮挤拉法

5、液态淬火氧化法

6、套管拉丝法

图1 各类超导体的发现时间

(四)几类重要的超导材料

1、氧化物高温超导材料

钇系高温超导体( YBCO)

铋系高温超导体(BSCCO)

铊系高温超导体(TBCCO)

2、低温超导材料

NbTi

NbTi 合金的Tc为9.7 K,其临界场Hc2可达12 T,可用来制造磁场达9 T(4 K)或11 T(1.8 K)的超导磁体。目前NbTi 超导材料主要应用于制造核磁共振成像系统(MRI)、实验室用超导磁体、磁悬浮列车等,其中MRI 每年消耗的NbTi 超导线约为2500 吨左右。

Nb3Sn

Nb3Sn 是一种具有A15 晶体结构的铌锡金属间化合物,其超导转变温度为18 K,在4.2 K 时的上临界磁场可达25 T,4.2 K/10 T磁场下能承载的临界电流密度约为5×105A/cm2,因此,Nb3Sn主要用于制作10 —23 T的超导磁体。

3、二硼化镁线带材

二硼化镁(MgB2)超导体,其超导临界转变温度高达39 K。其实早在20 世纪50年代MgB2就已经投入商用,MgB2超导体创造了金属间化合物超导材料临界温度的新记录。

化学掺杂对于提高MgB2超导体磁场下的磁通钉扎能力是一种便捷和有效的方法,目前公认最有效的掺杂物质为纳米SiC 和纳米C(或含C 的化合物),其中纳米SiC 掺杂这一先驱性工作是由澳大利亚S. X. Dou 研究组报道的。

4、铁基超导线带材

铁基超导体是日本Hosono 在2008 年发现的新型超导材料,其最高Tc 达55 K,是继1986年发现铜氧化物超导体之后的第二个高温超导体系。目前所发现的铁基超导体研究较多的主要有以下4 个体系:1111 体系( 如SmOFeAsF,NdOFeAsF 等),122 体系(如BaKFeAs,SrKFeAs等),111 体系(如LiFeAs)以及11 体系(如FeSe 和FeSeTe)。


表2 铁基超导体、铜基超导体和MgB2的特性参数

(五)超导材料的应用

超导电缆、超导计算机、超导电机、超导储能装置、超导滤波器

超导磁悬浮列车、受控热核反应、电磁推进装置、核磁共振成像

(六)超导材料知名企业

一、住友电气工业株式会社

日本研究超导的权威住友电气公司迄今已实施了近600项有关超导技术的专利。这家公司预计,到2000年,世界超导材料市场规模可达36亿美元。该公司使用铋系陶瓷超导材料制成的超导线材,在液氮温度(零下196摄氏度)下使线材截面1平方厘米的最大电流(临界电流密度)提高到11000安培。




二、日本藤仓商事株式会社

藤仓全称株式会社藤仓,创立于1885年,经营范围是综合性线缆。作为综合性线缆制造厂家,在不断积极地进行新技术开发。




三、美国超导体公司

美国超导公司(AMSC)是国际领先的能源技术公司,在可替代能源、提供电网并网解决方案及风机设计方面位于世界领先水平。



四、古河电气

古河电气成立于1884年,山田电缆所建立。在超导技术、超高压送电技术、半导体领域研究水平居世界领先。




五、江苏永鼎股份

经江苏省体改委批准,由永鼎集团公司联合上海市内电话发展总公司、上海贝尔电话设备制造有限公司作为发起人,采取定向募集方式设立的股份有限公司。

创建于1978年,经历了三十多年的艰苦创业和商海搏击,现已发展成为集实业、投资、国内外贸易为一体的综合性大型企业。



力鼎公司以新一代高温超导材料的规模化制备生产为目标,由国际一流的行业专家领衔,整合了国内顶尖的超导技术团队,包括中科院电工研究所、纳米研究所、自动化研究所等涉及超导技术的骨干研发力量,致力将其发展成为国内新一代高温超导材料的生产应用型企业。

六、西部超导材料

西部超导公司集西北有色金属研究院超导所40余年研究成果,是国内技术先进、规模化的以超导材料和稀有金属材料深加工为主导的高新技术企业。标志着我国低温超导材料实现产业化,使中国成为继美国之后,世界上第二个在该领域实现大规模产业化的国家。

是我国高端钛合金棒丝材、锻坯主要研发生产基地之一;是目前我国低温超导线材商业化生产领先企业,具备铌钛锭棒、超导线材、超导磁体的全流程生产能力;也是我国高性能高温合金材料重点研发生产企业之一。


七、法尔胜泓昇集团

法尔胜泓昇集团有限公司(简称法尔胜泓昇集团)是一家从事以金属制品为主,产业涉及光通信、精工装备、金融服务、资产管理、物流贸易的多元化企业集团,是国家技术创新示范企业,长期位列中国企业500强、中国民营企业500强。

目前拥有全球前列的输送带用钢丝绳、桥梁缆索、预应力钢绞线生产能力,行业前列的精细钢丝绳、轮胎用钢帘线(合资)、切割钢丝(合资)生产基地,国内前列的不锈钢制品生产基地,法尔胜光通信是中国光纤光缆行业十大影响力企业之一。



八、沃尔核材

成立于1998年6月,拥有20多年的热缩材料研发和生产经验。

深圳市沃尔核材:国家重点支持发展的高新技术企业,专业从事高分子核辐射改性新材料及系列电子、电力新产品和新设备的研发、制造和销售。



九、特变电工

特变电工已发展成为世界输变电行业的排头兵企业,我国多晶硅新材料研制及大型铝电子出口基地。在新材料产业方面,公司延伸和扩展了“高纯铝——电子铝箔——电极箔”高附加值电子新材料产业链,现已成为中国电子铝箔和高纯铝电子新材料产业独具特色的龙头企业,全球最大的高纯铝、电子铝箔研发和生产企业之一。


十、北京英纳超导

北京英纳超导技术公司: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。



超导材料的应用不仅能提高工作效率,在现在这个能源越来越紧缺的时代,超导材料也必然能使资源得到大大节约,减少大量的污染。超导材料不仅是过去、现在的研究热点,也是将来的研究热点。随着超导体研究发生的日新月异的变化,超导材料必将深刻影响科学发展和人们的生活。


【声明】内容源于网络
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