一文了解超导陶瓷及其应用

超导陶瓷是指具有超导特性的功能陶瓷，其超导特性指在一定的临界温度（Tc）时，超导陶瓷进入超导态，电阻率趋向于零，且在磁场中其体内的磁感应强度也为零的特性。而且当外界环境在临界电流、临界磁场以下，超导陶瓷的电阻率恒为零，体内的磁感应强度也恒为零。由于超导陶瓷具有上述特性，在电力系统，交通运输等领域倍受青睐，从而逐渐被人们认识、开发和利用。

一、发展历程

图一 超导材料的发展历程

起初，超导材料只有在超低的临界温度下才能发挥超导特性。随着技术的进步，开发出来的超导体Tc已越来越高，能适用的环境温度也逐渐上升。目前，科学家们通过加压法发现同一材料在适当的加大压力下可以获取较高的临界温度。但是，还是未能制得在室温下就能发挥其超导特性的超导陶瓷材料。所以未来，如何获取更高Tc的超导陶瓷还是科学家们亟待突破的难题。

二、制作方法

超导陶瓷的制备与一般陶瓷制造工艺相似，其常用的制备方法有固相法、液相法、气相法，在工艺上预烧处理、成型方法以及烧结程度对超导陶瓷性能影响很大。

超导陶瓷中大部分为含稀土的陶瓷材料，包括Y-Ba-Cu-O系列和Ba2 YCu3O7- x系列。其中Y-Ba-Cu-O系的稀土超导陶瓷的制备方法比较成熟，通常采用固态反应法，具体操作如下图所示：

图二 Y-Ba-Cu-O系超导陶瓷的制备

三、应用

由于超导陶瓷具有许多优良特性，其应用极为广泛，它可以实现人们多少年来梦想的无能量损耗的远距离输电，建造高强度磁场，新型发电设备等。下面小编就给大家具体介绍一下它可以应用到哪些领域。

1、电力系统方面

①输配电

根据超导陶瓷的零电阻特性，可以无损耗地远距离的输送极大的电流和功率。

图三 电力输配

②超导线圈

超导陶瓷结合线圈制成超导储能线圈，用其制成的储能设备可以长期无损耗地储存能量，而且直接储存电磁能。

图四 高温超导线圈

③超导发电机

由于超导陶瓷的电阻为零，因而没有热损耗，可以制造大容量、高效率的超导发电机及磁流体发电机等。

2、交通运输方面

①超导磁悬浮列车

由于超导陶瓷的强抗磁性，可使磁悬浮列车靠磁力在铁轨上“漂浮”滑行，利用超导磁体与路基导体中的感应涡流之间的磁性排斥力把列车悬浮起来，具有速度高、运行平稳、无噪声、安全可靠等特点。

②超导电磁性推进器和空间推进系统

例如船舶电磁推进装置，其推进原理为：在船体内部安装一个超导磁体，于海水中产生强大磁场，同时在船体侧面放一电极，在海水中产生强大电流。在船尾后的海水中，磁力线和电流发生交互作用，使海水在后面对船体产生了强大的推动力。

图五 超导电磁推进的潜艇

3、矿冶方面

由于一切物质都具有抗磁性或顺磁性，因此可以利用超导体进行选矿和探矿等。

4、医药卫生方面

生物体大都具有抗磁性，少数是顺磁，还有极少数是强磁性，可利用超导体作废水处理，以除去细菌、病毒和重金属等毒物。比如医学上可把磁分离用于将红血球从血浆中分离出来。

5、环保方面

在环保方面可以利用超导体对造纸厂、石油化工等的废水进行净化处理。

图六 超导体在废水处理中的应用

6、高能核实验和热核聚变方面

①利用超导体的强磁场，使粒子加速以获得高能粒子，以及利用超导体制造探测粒子运动径迹的仪器。

②使用大体积高强度超导磁体，可以用于约束带电粒子的活动范围。比如受控核聚变研究产生的极端高温体就是用超导磁场约束在磁笼中。

7、电子工程方面

①利用超导体的特性，可以提高电子计算机的运算速度和缩小体积。

②还可以制成超导体的器件，如超导二极管，超导量子干涉器，超导场效应晶体管等。用Y-Ba-Cu-O系超导做成的天线和发射机，其灵敏度是同样尺寸的铜天线的十几倍。

四、总结

总而言之，超导陶瓷是一款性能优良，应用广泛的高新科技功能陶瓷，前景十分良好。因为超导陶瓷的使用条件比较局限，目前所发现的临界温度远远低于室温，如此低温环境需要大量的低温液体，特别是昂贵的液氦来维持，所以极大增加了超导的应用成本。而且只有在临界电流、临界磁场以下，超导陶瓷才能发挥其超导特性，所以，寻找高临界温度、高临界磁场和高临界电流密度的新超导陶瓷材料至关重要。随着更多超导陶瓷的发现，更多性能优良的新型高温超导陶瓷的研发，未来超导陶瓷将会趋向于商品化、市场化，价格也将会变得平民化。

参考资料：

1、稀土超导陶瓷[J].稀土

2、曲远方，徐廷献，王裕斌.氧化物高温超导陶瓷[J].电子元件与材料