關鍵詞：超導技術 高溫超導材料 MgB2 釔鋇銅氧復合物 YBCO
壹、超導技術的產生與發展
超導技術作為節能的壹項新技術及其所具備的環保特性將成為二十壹世紀的核心技術。它的發展經歷了三個階段：
1、第壹階段是人們對於超導電性的基本認識、探索以及BCS理論的問世。
1911年，Onnes發現Hg的電阻在4.15K時突降到當時的儀器精度已無法測出的程度，即Hg在壹確定的臨界溫度Tc＝4.15K以下將喪失其電阻。隨後，人們在Pb及其它材料中也發現這種特性：在滿足臨界條件(臨界溫度Tc、臨界電流Ic、I臨界磁場Hc)時物質的電阻突然消失，即為超導電性的零電阻現象。超導體的另壹個基本特性是完全抗磁性。也就是說超導體在處於超導狀態時，可以完全排除磁力線的進入。[2]這個現象是邁斯納（Meissner）和奧克森費爾德（Oschenfeld）在1933年發現的，所以稱做邁斯納效應。這就是超導體的兩個基本特性。1954年貝爾實驗室的B．T．Matthias研究組發現了Nb3Sn合金超導材料，使60年代出現了超導的黎明期，但是它需要在很低的溫度下（液氦中）才顯現超導性。
2、第二階段從1958到1986年高溫氧化物U—Ba—Cu—0被發現之前，這是人類對超導應用技術準備性的探索階段，於實驗室規模上許多國家大力嘗試了超導的應用； 1961年J．J.E.Kunzler用過量錫的銀、錫混合粉末充填到銀管中加工成線材，經熱處理後在4.2K，8.8T下Ic達1.5×105A/cm2。此後很長壹段時間Tc=23.3K的Nb3Ge被看作是極限值了。
3、第三階段是1986年發現高溫銅氧化物，揭開了人類對超導技術開發的序幕。蘇黎世科學家J.G.Bendnorz等人在1986年發現的鑭銀銅復合氧化物達到30K，突破了傳統的BCS理論引起了世界範圍的巨大反響。[3]人們又開始尋找更高臨界溫度的超導材料。隨後1987年美國休斯敦大學的朱經武等發現釔鋇銅氧復合氧化物（YBCO）超導臨界溫度（Tc=93K）超過液氮溫度（b.p=77K），引起了世界轟動；因為以前實際應用的超導體大多是使用液氦作為冷卻劑，液氦的價格很高，這就阻礙了超導技術的應用。而液氮很廉價且容易得到（是氧氣制備的副產物）。[4]1988年又有超導轉變溫度分別為110K和125K的鉍-鍶-鈣-銅-氧和鉈-鋇-鈣-銅-氧超導體被發現。1993年，人們發現了超導臨界轉變溫度為133K的汞-鋇-鈣-銅-氧。
二、超導高溫銅氧化物（YBCO）和二硼化鎂（MgB2）的制備與性能
1、現在高溫銅氧化物已經是目前研究較多的超導材料，在研究其超導性的同時人們對超導體的制備和加工進行了詳細的研究。國外內的研究表明要制得高性能的YBCO，就必須先制備YBCO 納米粉末獲得100 nm左右的超細粉, 這將大大提高YBCO 材料的分散度和均勻性, 從本質上提高YBCO 材料的性能。[4]
YBCO 粉末的制備方法有Sol—Gel 、化學熱解法。將Y2O3 (99. 99 %) , BaCO3 (99. 9 %) , CuO(99. 9 %)等混合在輔料的參與下燒結成型使金屬達到離子級混合, 燃燒後的氧化物形成均勻的單相，生成顆粒均勻的粉末。這種方法重復性好, 是目前比較簡單又有效的制備YBCO 納米粉技術，然後將納米粉末壓制成型即可得初步的超導體。但YBCO有其自身的缺點：構成氧化物高溫超導體的化學元素昂貴，合成的超導材料脆性大，難以加工成線材，使其應用受到極大的局限。
2、應運而生的另壹種新型的高溫超導材料是二硼化鎂。[5]2001年日本青山學院(Aoyama Gakuin) 秋光純教授(Jun Akimitsu) 在日本仙臺召開的“過渡金屬氧化物”學術會議上宣布發現了MgB2的高溫超導性能,其臨界溫度Tc = 39 K, 從而轟動了整個超導材料界和凝聚態物理界，又掀起了研究簡單化合物超導特性的熱潮。它是壹種簡單的二元化合物，屬六方晶系、AlB2 型簡單六方結構。秋光純教授就是將純度為99.19 %的鎂粉與純度為99 %的無定形硼粉按1∶2的比例混合，壓制成小球後在高壓氮氣中加熱反應得到MgB2。也可以利用鈦和硼的燃燒反應熱引發鎂(b.p.650℃)與硼(b.p.2080℃)的燃燒合成反應，在真空中於極短時間內生成MgB2，從而最大程度地抑制了鎂的氧化和蒸發，使得MgB2超導材料的生成過程簡易化。鎂與硼的組成比大致穩定化，並可望提高該材料的超導性能，利用這種方法生產MgB2超導材料的耗時短，可望進壹步降低成本。[6]
MgB2是迄今發現的臨界溫度最高的簡單、穩定的金屬化合物超導材料,也是壹種更有希望實用化的超導材料。對二硼化鎂超導體性質的研究進展非常迅速，對二硼化鎂超導體機理的認識也不斷深化。
理論計算表明，在二硼化鎂中有不只壹個能帶跨越費米面，而且電聲耦合所造成的費米面失穩完全可能在兩個能帶的費米面處產生能隙，這壹點是二硼化鎂超導體與傳統超導體非常不同之處。首先，MgB2超導體在20 K左右的溫度和在8萬倍於地球磁場的情況下可以承載很大的超導電流而且能耗極低。其次，二硼化鎂材料的價格很低，而且遠比陶瓷特性的氧化物高溫超導體容易加工成型。還有二硼化鎂基超導材料的最大特征是：易合成，易加工，具有較好的應用前景。與氧化物高溫超導體不同，二硼化鎂基超導材料容易制成薄膜或線材。
三、超導體的應用
以上簡要介紹了兩種重要的超導材料——YBCO和MgB2[7]的制備方法和性能。它們在很多領域已經有了應用，如用超導材料做成磁性極強的超導磁鐵、超導體產生的磁場來研究生物體內的結構及用於對人的各種復雜疾病的治療等。在實用方面，美、日、中等國都不遺余力地開展這方面研究並取得明顯成效，現已進入實用化的應用開發研究階段。
1、超導磁鐵磁性的應用[8]
超導磁懸浮列車是超導技術應用最為成功的例子。和常導型磁懸浮列車比較，低溫超導型磁懸浮列車有許多優點，其壹，超導體可以流過很大的電流，超導磁體的磁場要比常規電磁體的強；其二，超導體幾乎沒有電阻，損耗極小。壹次通入電流用以勵磁之後，即可去掉電源，只需維持其低溫工作環境以保證它不失超。從長期使用的角度來看，超導磁體的能耗小、成本低，是壹種理想的磁體。超導磁體由於其零電阻的特性，在處於超導狀態時幾乎不產生熱，因此在不失超的情況下，通過超導磁體的電流可以很大而又不產生能量消耗，實現強磁場低能耗的要求；其三，重量輕，體積小、汙染小、爬坡能力強。
超導磁鐵另壹重要應用是在核聚變反應堆" 磁封閉體"。[9]核聚變反應時，內部溫度高達1億～2億℃，沒有任何常規材料可以包容這些物質。而超導體產生的強磁場可以作為"磁封閉體"，將熱核反應堆中的超高溫等離子體包圍、約束起來，然後慢慢釋放，從而使受控核聚變能源成為本世紀前景廣闊的新能源。
2、超導計算機[10]
用超導隧道效應制成的約瑟夫遜器件進行各種高精密儀器的制作成為可能。目前的計算機大多采用半導體技術，矽集成電路技術起了很大的作用，如英特爾和AMD的處理器采用高純矽。但要想繼續提高計算機的性能和計算速度，能量消耗是壹個限制因素，若在矽集成電路中提高計算速度，必然造成芯片的發熱，這些熱量會對半導體材料產生不良影響。[10]
超導隧道結（又稱約瑟夫遜器件）可以解決這壹矛盾。在超導體中，表達有零電壓和非零電壓兩種狀態只需要10-10 秒，這樣可使計算機運算速度提高壹個數量級以上。這樣超導計算機在無阻不發熱的情況下高效率運行，其運行速度可達到每秒幾十億次。其次它的輸出電壓高，這意味著它輸出的信號強，這壹點可以獲得更加穩定、更加清晰的圖象與數據，使目前使用的電腦在圖象質量、清晰度及穩定性方面相形見絀。還有超導計算機功率損耗小，估計壹次快速開關期間消耗的能量小於10-13 焦耳，這樣使計算機內部幾乎不發熱，這壹點對提高計算機的穩定性和延長計算機芯的壽命都非常重要。可以想象在本世紀，誰先研制出超導技術計算機，誰將主宰計算機行業乃至世界經濟。
3、超導在軍事領域的應用
用超導高溫銅氧化物做成的超導磁場計可分辨10-14 -10-15 特斯拉如此微弱的磁場。它的測量精度比其它普通電磁儀器高3- 4個數量級，因此它可以測量極弱的磁場及磁場的微小的變化，可以用它來測量地雷和水雷，使測量的準確性大大提高。另外，我們在水雷上可安裝超導磁強計作為追蹤器。軍事上把這種水雷稱為超導磁性水雷，它的命中率將遠遠高於其它水雷。在國防上也可以用超導磁強計來探測沿海的各種船只，特別是潛艇的動向，當潛艇靠近海岸時，破壞了地磁分布，這時超導磁強計可立即顯示磁場的變化，這個反潛方法比其它方法準確得多，壹是測量精度高，二是這種方法是被動的 ，它能發現潛艇而潛艇不能發現它。
現在美、英等國已將性能優越的超導電機作為艦船電力推動的理想動力設備，分別投入了大量的精力進行開發研究，成功進行了2200KW和1000KW超導單機直流電推進系統的實船試驗，同時進行了30MW和50MW的大容量超導單機在大型驅逐艦和破冰船上詳細設計。超導體應用於艦船，最大的優點是大幅度提高功率密度減小電機重量，減小動力設備所占空間可以用來多放置其他戰鬥設備，提高戰鬥的機動性和能力。[11]另外超導電機發出的電壓不含諧波，不會被其他船只或潛艇發覺。
超導材料在其他方面還有很廣泛的應用，如超導儲能磁體的開發與應用、帶有超導磁體的同步加速器、超導核磁***振層析成像儀等。
四、總結
2001年世界銀行的國際超導工業峰會上預測，到2020年世界超導產品的銷售總額將達2440億美元。超導材料如果能夠進壹步在常溫實現突破，那麽它所帶來的影響不亞於另壹場工業革命。[12]無機化學現在面臨的壹個任務就是尋求常溫超導體，在常溫下實現超導。有理由相信在未來的幾十年裏，超導材料不僅是解決能源危機的重要手段，使可控核聚變成為新的幹凈的能源同時極大地減少原來因導體的電阻而損失的電能。[13]同時超導材料是新型技術、新興學科產生和發展的平臺。可以說，超導體將會深刻地影響和改變我們生活。
參考文獻：
[1]、超導材料實用化50年的回顧 稀有金屬快報 2003年，1： 10
[2]、任清褒，朱維好超導電性及其應用的研究現狀和前景 JOUBNAIJ 0F IJISHUI TEACHEBS COIJIJEGE 2002年10月 Oct．2002（8）： 30
[3]、繆蕊平1 , 齊秀貞1 , 趙勇2 Journal of Fuzhou University(Natural Science) Vol. 33 No. 1 Feb. 2005 ： 94-99
[4]、朱文詳 中級無機 高等教育出版社 2004 265-268
[5]、黃勇 劉心宇 曾中明 MgB2基超導材料研究進展 2002，25（1）： 31-36
[6]、王淑芳 周嶽亮 朱亞斌 劉震 張芹 陳正豪 呂惠賓 楊國板 化學氣相沈積制備MgB2超導薄膜 低溫物理學報 2003，25增刊： 230-233
[7]、王梅，徐誌傑，蘇希玉 硼化鎂超導體的摻雜性質 曲阜師大學報 2003， 26（2）：52-54
[8]、汪京榮 吳曉祖 周廉 高溫超導磁懸浮與飛輪儲能 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. ：226-233
[9]、比爾·李 超導技術及其應用 新科技啟蒙 2005
[10]、高 溫 超 導 雲電英納超導電纜網 2004
[11]、唐紹棟 高溫超導交流同步電動機 船電技術 2004， 1： 4-9
[12]、白杉 2l世紀電力最重要的節能樹料 能源通訊 2002，2：10
[13]、 吳歐 2003諾貝爾物理學得主 ——無阻之流 南方網綜合