超导体材料应用前景

2024-04-12

超导体材料应用前景（精选6篇）

篇1：超导体材料应用前景

超导材料在电力系统中的应用前景展望

摘要：

超导的发现是20世纪物理学的一项伟大成果。文章主要阐述了超导现象，超导材料的研究和发展以及在电力系统方面的应用优势和进展，并做了前景展望。

关键词：

超导材料；超导电缆；超导发电机；超导电动机。Abstract:

The discovery of superconductivity is a great achievement of 20th century in physics.The article mainly describes the phenomenon of superconductivity, the research and development of the superconducting materials as well as in Electric Power System strengths and progress, and outlook.Keywords: superconducting material;superconducting cable;superconducting generators;superconducting electrical motor.超导的诞生和发展

1911年，荷兰科学家卡麦林·昂尼斯用液氦冷却汞，当温度下降到4.2K（﹣268.95℃）时，汞的电阻变为零，这种现象被称为超导现象，电阻为零时的温度称为临界温度。为了证实超导体的电阻为零，科学家将一个铅制圆环放入温度低于7.2K（﹣265.95℃）的空间，利用电磁感应在铅制圆环内激发起感应电流。结果发现，环内电流能持续下去，从1954年3月16日始，到1956年9月5日止，在两年半的时间内的电流一直没有衰减，这说明圆环内的电能没有损失，这就是著名的昂尼斯持久电流实验。这一实验极大的激发了科学家们的研究热情，国际上也对超导技术在电力方面的应用给予了极大的关注，开展了一系列可行性论证和一定规模的研究，但由于技术上和经济上的原因，这方面的应用研究都没能实现预期的目标。随着不断的实验，超导合金的出现使超导材料的临界温度也不断提高。

1986年瑞士缪勒和柏诺兹发现了一种成分为钡、镧、铜、氧的陶瓷性金属氧化物（La-Ba-Cu-O系氧化物）具有高于30K（﹣243.15℃）的约为35K的超导性。由于陶瓷性金属氧化物通常是绝缘物质，因此这个发现的意义非常重大，缪勒和柏诺兹因此而荣获了1987诺贝尔物理学奖。此后，新的研究成果如雨后春笋般大量出现，出现了研究和发现的高潮。到了1987年底，临界温度达到125K（﹣148.15℃），短短一年多的时间临界温度几乎提高了100K。

从此超导材料的研究方向朝向高温超导材料发展，当然，高温是相对于低温而言，即使是高温，依然远低于冰点。所以在实际应用中超导材料需要制冷等操作，大大提高了成本，也使得超导材料不能大量应用。

超导材料在电力系统的应用

美国物理学家波恩特•特奥•马梯阿斯指出：“电能的输送是超导体最重要的应用之一。”发电站输出电能常用铝线和铜线。由于电阻的存在一部分电力在输出过程中转变为热能而消失，存在着严重的损耗。而利用超导材料输电，由于导线电阻消失，线路损耗也就降为零，用超导材料可制高效率大容量的动力电缆，并且可减少导体的需求量，节约大量有色金属资源。

由于超导材料有零电阻的性质，所以科学家想到把其应用到电力系统中，这样可以大大减少电能的热损耗，节约很大一部分电能。据统计，目前的铜或铝导线输电，约有15%的电能损耗在输电线路上，单单是在中国，每年的电力损失即达1000多亿度。若改为超导电缆输电，节省的电能相当于新建数十个大型发电厂。

在电力领域，利用超导线圈磁体还可以将发电机的磁场强度提高到5万～6万高斯，并且几乎没有能量损失，这种发电机便是交流超导发电机。超导发电机的单机发电容量比常规发电机提高5～10倍，达1万兆瓦，而体积却减少1/2，整机重量减轻1/3，发电效率提高50%。超导发电机的另一个突出特点是有利于改善系统的稳定性。一般来说，发电机的电抗越小，系统就越稳定。超导发电机的电抗大约只有普通发电机的l／4左右，因此在系统电抗相对较小时，系统的稳定极限增加了约4倍。

另外，在2012年4月12日，中国船舶重工集团公司第七一二研究所研制的兆瓦级高温超导电机实现满负载稳定运行，标志着我国首台兆瓦级高温超导电机研制成功。该电机具有完全自主知识产权，达到世界先进水平，对我国超导电机的战略发展具有里程碑意义。今后，该所将着力进行大容量高温超导电机的实用化研究，预计到2020年前进入工程研制，逐步将高温超导电机技术推广运用到电气传动和发电领域，实现该领域的新变革。

超导材料的前景展望

综上所述，在电力系统中采用超导技术可增加电网的输送容量、降低电能损耗、提高电力系统运行的可靠性和稳定性、有利于保护环境．具有广阔的应用前景。现在超导电缆，超导发电机和超导电动机的研制都取得了重大进展，超导技术在电力系统中大规模应用的想法正在不断成为现实。我国的电力科技发展必须紧跟世界电力科技发展的步伐，要加强对超导电缆，超导发电机和超导电动机等可改善电网运行参数、有利于系统稳定且结构相对简单的超导电力设备的研制开发工作，争取在超导材料的研究开发、超导设备的结构设计、降低成本、经济运行等方面取得突破。

参考文献：

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篇2：超导体材料应用前景

摘要：新型超导材料一直是人类追求的目标。本文主要从超导材料的性质，制备，应用等方面探索超导材料科学的发展概况。随着高温超导材料制备方法的不断成熟，超导材料将越来越多的应用于尖端技术中去，超导材料的应用将给电工技术带来质的飞跃，因此，超导材料技术有着重大的应用发展潜力，可解决未来能源，交通，医疗和国防事业中的重要问题。

关键词：超导材料强电应用弱电应用超导制备 1.引言

1911年荷兰科学家onnes发现纯水银在4.2K附近电阻突然消失，接着发现其他一些金属也有这样的现象，随着人们在Pb和其它材料中也发现这种性质：在满足临界条件（临界温度Tc，临界电流Ic，临界磁场Hc）时物质的电阻突然消失，这种现象称为超导电性的零电阻现象。只是直流电情况下才有零电阻现象，这一现象的发现开拓了一个崭新的物理领域。

超导材料具有1）零电阻性2）完全抗磁效应3）Josephson效应。这些性质的研究与应用使得超导材料的性能不断优化，实现超导临界温度也越来越高。一旦室温超导达到实用化、工业化，将对现代科学技术产生深远的影响。

2.超导材料主要制备技术

控制和操纵有序结晶需要充分了解原子尺度的超导相性能。有序、高质量晶体的超导转变温度较高 ,晶体质量往往强烈依赖于合成技术和条件。目前，常用作制备超导材料的技术主要有： 2.1.1单晶生长技术

新超导化合物单晶样品有多种生长方法。溶液生长和气相传输生长法是制备从金属间氧化物到有机物各类超导体的强有力工具。溶液生长的优点就是其多功能性和生长速度 ,可制备出高纯净度和镶嵌式样品。但是 ,它并不能生产出固定中子散射实验所需的立方厘米大小的样品。浮动熔区法常用来制备大尺寸的样品 ,但局限于已知的材料。这种技术是近几年出现的一些超导氧化物单晶生长的主要技术。这种技术使La2-xSr xCuO4晶体生长得到改善 ,允许对从未掺杂到高度掺杂各种情况下的细微结构和磁性性能进行细致研究。在T1Ba 2Ca2Cu3O9+d 和Bi2Sr2CaCu2O8中 ,有可能削弱无序的影响从而提高临界转变温度。最近汞基化合物在晶体生长尺寸上取得的进展 ,使晶体尺寸较先前的纪录高出了几个数量级。但应该指出的是即使是高 Tc的化合物 ,利用溶液生长技术也可制备出高纯度的YBCO等单晶。

2.1.2高质量薄膜技术

目前 ,薄膜超导体技术包括活性分子束外延(MBE)、溅射、化学气相沉积和脉冲激光沉积等。MBE能制造出足以与单个晶体性能相媲美的外延超导薄膜。在晶格匹配的单晶衬底上生长的外延高温超导薄膜 ,已经被广泛应用于这些材料物理性质的基础研究中。在许多实验中薄膜的几何性质拥有它的优势 ,如可用光刻技术在薄膜上刻画细微的特征;具备合成定制的多层结构或超晶格的潜能。

在过去的 20年里 ,多种高温超导薄膜生长技术快速发展。有些技术已经适用于其它超导体的制备。目前所使用主要方法有溅射和激光烧蚀（脉冲激光沉积）。类似分子束外延这种先进薄膜生长技术也已经发展得很好。臭氧或氧原子用来实现超高真空条件下的充分氧化。这使得生长的单晶薄膜的性能已接近乃至超过块状晶体。如 LSCO单晶薄膜的 T =51.5 K,比块状晶体（Tc <40 K）要高 ,外延应力是产生这种强化现象的部分原因。

3.超导材料制备的新探索

发现新型超导体最直接的方法是研究相空间并实施一系列系统探索来发现新的化合物 ,可通过鉴别成分空间中有希望的区域和快速检测该区域尽可能多的化合物的方法来实现。通过这样的研究,在 20世纪50到 60年代产出了很多金属间超导体 ,这些超导体还需要在三相或更高相空间中再继续研究。此外 ,继续寻找异常形态的超导材料也是很重要的。3.1先进合成与掺杂技术

3.1.1极端条件下的合成技术

经验上讲 ,超导性常常表现得和结构上的相转变联系紧密;事实上 ,有许多超导体是亚稳态 ,需要在高温高压下合成。此外 ,合成新化合物所需的许多元素具有非常高的挥发性活性和难熔性如 Li、B、C、Mg、P、S、Se、Te ,而且要在非常特殊的环境下才能成功合成。大尺寸单晶生长技术 ,特别是用于固定中子散射实验的关键材料的合成技术应进一步发展。

3.1.2合成与表征组合技术

对新型超导化合物的系统性组合探索可基于薄膜沉积技术。一种方法是利用掩膜技术制备微小均质区域。利用连续相涂敷法(Continuousphase spread method)以及使用多种源或靶材在衬底上形成不同的薄膜成分。磁场调制光谱(Magnetic Field Modulated Spectroscopy),MFMS ,是一种非常敏感而快速的超导检测技术 ,可用于高产量的表征方法。合成与表征组合技术需要进一步完善,以在更大范围内应用来寻求具有理想性能的新型超导体。3.1.3原子层工程、人造超晶格技术

薄膜沉积技术的迅速发展为化学和材料科学突破体相平衡的限制提供了机遇。拓展相界、获得新亚稳态和微结构、创造多层结构、施加大的面内应力以及获得不同排列体系间的平滑界面都因此成为可能。单晶多层结构使材料具有不同的界面性能 ,不会受到污染物的干扰。在界面处各种电荷移动和自旋态的相互影响会产生新电子结构。与界面原子层工程一样 ,改变相邻绝缘体的组成和结构 ,为利用外延应力和稳定性来调整界面结构的超导性提供了多种可能。3.1.4场效应掺杂和光掺杂技术

化学掺杂是在铜酸盐等化合物超导体中实现金属和超导态所必需的 ,但它的缺点是会同时产生无序状态。这种无序状态不仅使人难以区分内在和外在特性 ,而且实际上还削弱了超导性能。此外 ,在多数情况下化学掺杂量是不可调的 ,每种组成都需要一个单独的样品。场效应掺杂和光掺杂通过外加强电场或强光照射引入电荷载体 ,从而避免了这些弊端。使用这两种掺杂 ,可连续地调节单个样品的掺杂量而不会诱发化学无序状态。这一方法在从配合物中寻找新的超导体方面有很大的潜力。3.2 纳米尺度超导材料

新型超导体的设计和研究面临挑战是难以控制的化学合成工艺参数。最有希望发展的就是可控制的纳米新型高温超导材料。开发新的纳米尺度的高温超导体 ,可增进机械稳定性、耐化学腐蚀性等。虽然这些性能已单独得到证明 ,但把它们全部合成至单一的材料器件或系统中仍是一个巨大的挑战。在高温超导材料中 ,很多基本长度尺寸是处于纳米量级的(如单晶畴)大小、相干长度等 ,因此关于纳米尺寸结构的实验性研究对帮助人们了解微观机制具有相当的重要性。3.3 超导材料制备相关问题

块体样品、单晶方面的关键性公开问题包括:提高各种有机超导、重费密子超导等非常规超导体样品的纯度;了解和消除样品的依赖性;了解和控制缺陷、杂质及无序对样品的影响;改进各类材料的 Jc、Hc2和 Tc以及大尺寸单晶生长问题。要处理好这些问题 ,要改进现有的晶体生长技术并创造新的技术。新的助熔剂、输运剂以及新的温度、温度梯度、成核控制方法将提高人们对样品的大小、品质和可重复性的控制能力。对于各类超导薄膜 ,最基本的问题是衬底表面的制备以及对薄膜生长的影响 ,对这些问题的深入了解将使薄膜沉积条件具有更好的可重复性 ,对薄膜的合成控制更加优良。随着越来越多的超导化合物被引入薄膜材料的范畴 ,人们需要进一步改进薄膜的合成和表征技术。在薄膜的成核、生长和界面方面 ,应实现原子级的控制 ,最终目标是在如绝缘-超导这种多层异质结构中制造出洁净的界面。4.超导材料的应用

4.1强电应用 4.1.1 超导输电电缆

我国电力资源和负荷分布不均,因此长距离、低损耗的输电技术显得十分迫切。超导材料由于其零电阻特性以及比常规导体高得多的载流能力,可以输送极大的电流和功率而没有电功率损耗。超导输电可以达到单回路输送GVA级巨大容量的电力,在短距离、大容量、重负载的传输时,超导输电具有更大的优势。低温超导材料应用时需要液氦作为冷却剂,液氦的价格很高,这就使低温超导电缆丧失了工业化应用的可行性。若使用高温超导材料作为导电线芯制造成超导电缆,就可以在液氮的冷却下无电阻地传送电能。高温超导电缆的出现使超导技术在电力电缆方面的工业应用成为可能。目前,市场上可以得到并可用来制造高温超导电缆的材料主要是银包套铋系多芯高温超导带材,其临界工程电流密度大于10kA/cm2。高温超导电缆以其尺寸较小、损耗低、传输容量大的优势,可用于地下电缆工程改造,以高温超导电缆取代现有的常导电缆,可增加传输容量。高温超导电缆另一重要应用场合是可在比常导电缆较低的运行电压下将巨大的电能传输进入城市负荷中心。由于交流损耗的缘故,利用高温超导材料制备直流电缆比制备交流电缆更具优势。利用超导技术,通过设计实用的直流传输电缆和有效的匹配系统,从而实现高效节能低压大容量直流电力输系统。

图1 CD高温超导电缆示意图

美国是最早发展高温超导电缆技术的国家。1999年底,美国outhwire公司、橡树岭国家试验室、美国能源部和IGC公司联合开发研制了长度为30m、三相、12.5kV/1.26kA的冷绝缘高温超导电缆,并于2000年在电网试运行,向高温超导技术实用化迈出了坚实的一步。目前,世界上报道的能制备百米量级长度的超导电缆仅有日本和美国。在欧洲如法国、瑞典的电力公司有十米量级的超导电缆计划。

4.1.2超导变压器

超导变压器一般都采用与常规变压器一样的铁芯结构,仅高、低压绕组采用超导绕组。超导绕组置于非金属低温容器中,以减少涡流损耗。变压器铁芯一般仍处在室温条件下。超导变压器具有损耗低、体积小,效率高(可达99%以上)、极限单机容量大、长时过载能力强(可达到额定功率的2倍左右)等优点。同时由于采用高阻值的基底材料,因此具有一定的限制故障电流作用。一般而言,超导变压器的重量(铁芯和导线)仅为常规变压器的40%甚至更小,特别是当变压器的容量超过300MVA时,这种优越性将更为明显。图2为美国Waukesha公司在1997年就研制了1MVA的超导变压器结构示意图。

图 2超导变压器结构示意图 4.1.3超导储能

人类对电力网总输出功率的要求是不平衡的。即使一天之内 ,也不均匀。利用超导体 ,可制成高效储能设备。由于超导体可以达到非常高的能量密度 ,可以无损耗贮存巨大的电能。这种装置把输电网络中用电低峰时多余的电力储存起来 ,在用电高峰时释放出来 ,解决用电不平衡的矛盾。美国已设计出一种大型超导储能系统 ,可储存5000 兆瓦小时的巨大电能 ,充放电功率为 1000 兆瓦 ,转换时间为几分之一秒 ,效率达 98 %,它可直接与电力网相连接 ,根据电力供应和用电负荷情况从线圈内输出 ,不必经过能量转换过程。

图3 超导储能器一次系统简图

4.1.4超导电机

在大型发电机或电动机中 ,一旦由超导体取代铜材则可望实现电阻损耗极小的大功率传输。在高强度磁场下 ,超导体的电流密度超过铜的电流密度 ,这表明超导电机单机输出功率可以大大增加。在同样的电机输出功率下 ,电机重量可以大大下降。美国率先制成 3000 马力的超导电机 ,我国科学家在20 世纪 80 年代末已经制成了超导发电机的模型实验机。

图4 两种发电机尺寸的比较

4.1.5超导故障限流器

超导故障电流限制器(简称SFCL)主要是利用超导体在一定条件下发生的超导态/正常态转变,快速而有效地限制电力系统中短路故障电流的一种电力设备。该设想是在上世纪70年代提出的,到1983年法国阿尔斯通公司研制出交流金属系超导线后,各研究机构才开始着手开发SFCL产品。现已有中压级样品挂网运行,国外乐观估计可望在10年或更长的时间内开始投入市场。

图5感应屏蔽型超导故障电流限制器原理图

用超导材料制成的限流器有许多优点:1）它的动作时间快,大约几十微妙;2）减少故障电流，可将故障电流限制在系统额定电流两倍左右,比常规断路器开断电流小一个数量级;3）低的额定损耗;4）可靠性高 ,它是一类“永久的超保险丝”;5）结构简单 ,价格低廉。4.2弱电应用

4.2.1无损检测

无损检测是一种应用范围很广的探测技术 ,其工作方式有;超声探测、X光探测及涡流检测技术等。SQUID 无损检测技术在此基础上

发展起来。SQUID 磁强计的磁场灵敏度已优于100ft ,完全可以用于无损检测。由于 SQUID 能在大的均匀场中探测到场的微小变化 ,增加了探测的深度 ,提高了分辨率 ,能对多层合金导体材料的内部缺陷和腐蚀进行探测和确定 ,这是其他探测手段所无法办到的。工业上用于探测导体材料的缺陷、内部的腐蚀等 ,军事上可能于水雷和水下潜艇等的探测。4.2.2超导微波器件在移动通信中的应用

移动通信业蓬勃发展的同时 ,也带来了严重的信号干扰 ,频率资源紧张 ,系统容量不足 ,数据传输速率受限制等诸多难题。高温超导移动通信子系统在这一背景下应运而生 ,它由高温超导滤波器、低噪声前置放大器以及微型制冷机组成。高温超导子系统给移动通信系统带来的好处可以归纳为以下几个方面: 1）提高了基站接收机的抗干扰的能力;2）可以充分利用频率资源 ,扩大基站能量;3）减少了输入信号的损耗 ,提高了基站系统的灵敏度 ,从而扩大了基站的覆盖面积;4）改善通话质量 ,提高数据传输速度;5）超导基站子系统带来了绿色的通信网络。

4.2.3超导探测器

用超导体检测红外辐射 ,已设计制造了各种样式的高 TC超导红外探测器。与传统的半导体探测比较 ,高 TC超导探测器在大于 20微米的长波探测中将为优良的接受器件 ,填充了电磁波谱中远红外至毫来波段的空白。此外 ,它还具高集成密度、低功率、高成品率、低价格等优点。这一技术将在天文探测、光谱研究、远红外激光接收和军事光学等领域有广泛应用。4.2.4超导计算机

超导器件在计算机中运用 ,将具有许多明显的优点: 1）器件的开关速度快;2）低功率;3）输出电压在毫伏数量级 ,而输出电流大于控制线内的电流 ,信号检测方便。同时 ,体积更小 ,成本更低;另外,信号准确无畸变。

5.超导磁体

由于能无电损耗地提供大体积的稳定强磁场 ,超导磁体成为低温超导应用的主要方向 ,经过四十年的持续努力 ,按照实际需求设计、研制、建造 15 万高斯以内 ,不同磁场形态与各种体积的低温超导磁体技术已经成熟 ,有关导线与磁体的产业已经形成。低温超导磁体应用的一个重大障碍在于要创造与维持液氦温度（118～412K）的工作环境 ,需要有相应的低温制冷装备与运行维护工作。图6 制冷装备相对投资与运行温度的关系曲线

高临界温度超导体的出现使人们看到了提高运行温度的可能性 ,从而激发了发展高临界温度超导磁体的积极性。发展高临界温度超导磁体的主要问题在于迄今已能生产的铋系实用导线的强磁场下的性能在高运行温度下还难于与低温超导线相比及价格高 ,图 7示出了铋系实用导线在不同温度与磁场下的临界电流性能曲线 , 77K、0 T 时临界电流密度I ≈50kA/cm2。由图6可见 ,在 77K时 ,最高仅能产生10-1 特斯拉的超导磁场 ,当要求磁场高于 1 特斯拉时 ,运行温度需低于20～50K,从图 6所示制冷装备投资看仍有着重要意义 ,前述的超导同步电机激磁绕组就属于此范围。值得注意的还有 ,若运行温度仍保持在4.2K,Bi-2223 导线在近40T强场下仍能保持约100kA/cm2 的临界电流密度 ,从而可用于产生更高的超导强磁场。

图7 Bi-2223实用导线的临界电流性能(B∥带面)5.1 超导悬浮列车

由于超导体具有完全抗磁性，在车厢底部装备的超导线圈，路轨上沿途安放金属环，就构成悬浮列车。当列车启动时，由于金属环切割磁力线，将产生与超导磁场方向相反的感生磁场。根据同性相斥原理，列车受到向上推力而悬浮。超导悬浮列车具有许多的优点：由于它是悬浮于轨道上行驶，导轨与机车间不存在任何实际接触，没有摩擦，时速可达几百公里；磁悬浮列车可靠性大，维修简便，成本低，能源消耗仅是汽车的一半、飞机的四分之一；噪声小，时速达300公里/小时，噪声只有65分贝；以电为动力，沿线不排放废气，无污染，是一种绿色环保的交通工具。

图8 日本研制的磁浮列车用高温超导磁体系统

5.2磁悬浮轴承

高速转动的部位 ,由于摩擦的限制 ,转速无法进一步提高。利用超导体的完全抗磁性可制成悬浮轴承。磁悬浮轴承是采用磁场力将转轴悬浮。由于无接触 ,因而避免了机械磨损 ,降低了能耗 ,减小了噪声 ,具有免维护、高转速、高精度和动力学特性好的优点。磁悬浮轴承可适用于高速离心机、飞轮储能、航空陀螺仪等高速旋转系统。5.3电子束磁透镜

在通常的电子显微镜中 ,磁透镜的线圈是用铜导线制成的 ,场强不大 ,磁场梯度也不高 ,且时间稳定性较差 ,使得分辨率难以进一步提高。运用超导磁透镜后 ,以上缺点得到了克服目前超导电子显微镜的分辨已达到 3 埃 ,可以直接观察晶格结构和遗传物质的结构 ,已成为科学和生产部门强有力的工具。6展望与建议

自从超导材料制备技术不断成熟并逐步产业化生产以来 ,近十年来高临界温度超导应用得到了良好的发展 ,在超导电缆、超导限流器与超导变压器等电力应用方面 ,研制成功多台样机，人类在 21 世纪前期将迅速进入超导应用的新时代。从超导材料的发展历程来看，新的更高转变温度材料的发现及室温超导的实现都有可能。单晶生长及薄膜制造工艺技术也会取得重大突破，但超导材料的基础研究还面临一些挑战。目前超导材料正从研究阶段向产业化发展阶段。随着高温超导材料的开发成功，超导材料将越来越多地应用于尖端技术中，因此超导材料技术有着重大的应用发展潜力，可解决未来能源、交通、医疗和国防事业中的重要问题。

参考资料：

篇3：高温超导技术应用和前景展望

1高温超导体的发现历程

自1911年荷兰物理学家卡末林· 昂内斯 (H.K.Onnes) 发现恭 (Hg) 的超导电性以来, 随着越来越多的超导体被发现并带入人类的视野, 经历了从简单到复杂、由一元系到二元系、以及多元系的过程。随后在1958年至1986年间, 也就是高温氧化物U-Ba-Cu-0被发现之前, 人类对超导应用技术准备性的探索阶段, 许多国家加大实验室规模上, 大力尝试了超导的应用。随后, 在1953至1973年间, 发现了如Tc>17的Nb3Sn等超导体。而苏黎世科学家J.G.Bendnorz等人在1986年发现的镧银铜复合氧化物达到30K, 突破了传统的BCS理论引起了世界范围的巨大反响。1987年, 美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤等人相继发现忆-钡-铜G-氧的氧化物超导体, 把Tc提高到90K以上, 同时液氮的禁区也奇迹般地被突破了77K。直到1993年, Putilin和Schilling等人又发现了的汞-钡-钙-铜氧的氧化物超导体, 至今它们还保持着最高的临界转变温度。

2高温超导体材料 (HTS) 的特性

下图为低温下典型超导体的不可逆线, 由图可以看出, 尽管Bi系带材容易制造, 但由于其固有的低不可逆场, 限制了它在温度77K和高磁场条件下的应用。而Ti和Hg属于复合材料, 尽管有相对较高的Tc以及有比Bi系材料高的不可逆场, 但由于存在弱连接问题, 它们Jc仍很低, 加之其本身有毒, 制备难度也随之加大。所以科学家们得出结论, 高温超导体材料 (HTS) 具有超导电性和抗磁性两个重要特性。要让超导体得到现实的应用, 首先要有容易找到的超导材料。即主要研究方向就是寻找能在较高温度下存在的超导体材料, 简言之, 就是将高温超导材料HTS (超导转变温度T>77K) 。Bi系超导线材是目前率先能够产业化生产的高温超导线材, 其导电性能超过相同横截面积铜导线的一百倍以上。我们由上图也易得出这一结论, 因此, 使用Bi系线材制备的超导电缆、超导变压器、超导电机、超导储能系统, 超导限流器等具有常规产品无法比拟的优点。近年来, 世界各国纷纷投人巨资加紧研发, 以此不断推动超导技术发展。

3高温超导体材料 (HTS) 的应用

3.1高温超导体材料 (HTS) 在磁悬浮技术上的应用

高温超导磁悬浮支撑的储能飞轮是一种新型的转子支撑系统, 与传统的机械轴承支撑的飞轮相比, 在控制精度和使用寿命等方面具有明显的优势。采用高温超导磁悬浮储能飞轮轮毂结构, 优化其设计方法, 以此提高储能密度。主要是采用建立轮毂结构模型, 引入拓扑结构优化、材料优选与形状优化等方法对其进行改进。最后结果表明, 在满足强度、极转动惯量、一阶弹性共振频率、形状、几何尺寸以及控制系统等多学科约束条件下, 轮毂的储能密度比设计方案提高了7.6 %。该优化方法不仅提高了转子的设计效率, 对飞轮的高速储能也有重要意义。

3.2高温超导体材料 (HTS) 在电力技术上的应用

(1) 节能减排, 例如节省输配电过程中的电阻损耗、降低高能耗工业设备的电损耗等;

(2) 解决可再生能源接入电网和远距离输送问题, 例如通过高温超导限流器、储能器来解决可再生能源接入电网所引起的波动和不稳定问题, 用高温超导电缆来解决超长距离输电问题。

4高温超导体材料 (HTS) 的前景与展望

目前从高温超导体的应用研究现状来看, HTS磁悬浮储能飞轮、HTS电缆、HTS电机和故障限流器可能会是HTS电力应用的最主要市场, 这些技术具有强有力的市场推动力和号召力, 但商品化需要高性能第二代导体支撑。HTS技术作为未来技术, 还需要规范化的风险分析以及周密的咨询评估, 其中的关键是降低成本, 设法找到材料、制冷和绝缘三者之间的最佳契合点。

参考文献

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篇4：半导体行业的经济发展与前景展望

关键词：半导体行业；经济发展；产品指标

当今世界，半导体产业的发展越来越为重要与突出，半导体产业在现今工业领域又主要可归纳为两种模式：集成元器件制造模式与垂直分工模式。其中，尽管半导体制造业的规模性经济发展造成了垂直分工的存在，集成元器件制造（即IDM）却仍处于行业领先地位。其主要原因是IDM企业的特定优势，例如企业内部整合、企业先进技术、企业规模化经营所带来的利润优势等。而垂直分工模式又可分为以下几类：无线技术（Fabless）、代加工（Foundry）、封装及测试（Package & Testing ）以及互联网技术（IP）。

半导体产业的发展与GDP相关性越来越高，随着半导体产业的日渐成熟完善，及增长的速度必然放缓，而想要催使其增长速度加快，则越来越依赖下游电子产品对其的需求带动。

那么我们该如何来评价半导体工业的发展呢？一般有以下三个方面：

首先，订单与销售额之比即Booking/Billing。这里的Booking代表着未来需求，Billing则是已完成业绩。因此也可认为这个指标代表着前景与完成之比。那么不难看出，此指标结果大干1时，行业发展处于健康及理想的状态；而指标结果小于0.8时，基本可看作行业发展已近饱和。其实除了半导体行业，这个比值也可适用于多个行业领域，因为过去与未来之比无论在哪个行业中，都可认为是评价行业健康状态的一个重要指标。过去的二十年里，前五年半导体年平均增长速度约在15%，而后面的十五年里，平均增长速度却只有5%-6%左右。据半导体行业的主要发展地美国的相关数据得知，当前Booking/Billing之比已达0.84左右，这是一个重要的信号，它告诉我们，此工业的发展当前已处在于相对危险之地。

其次，一个重要的指标称作Inventory。可以说，半导体行业的库存，代表着工业的信心度。在过去的几十年里，库存过高一直是影响半导体发展的重要因素。过高的库存将直接影响客户对后续产品的需求以及对市场的信心。当前的市场上，半导体行业可承受的临界库存大约是40亿美金等值货物。而超过了此等值则可视为严重影响行业前景与发展。

再者，半导体芯片的平均市场价格ASP也是评价行业是否健康发展的重要指标。曾经的市场价格波动主要在SD存储器上。而存储器价格下降之快速以及落差之大，在过去的十年里一直在市场预料之外。曾经在2007年初到2007年底这短短一年里即下降了80%以上！半导体行业的巨头如Samsung三星和SK海力士，都曾经是存储器价格突降的受害者。

最后，半导体行业的健康发展，当然也离不开全球经济一体化发展的大环境。特别是对全球经济发展有着至关重要影响的美国经济的发展。众所周知，美国作为全球消费大国，如果民众消费信心下降，对于一体化的全球消费信心必将带来巨大影响。民众消费指数的落差，进而也必将影响半导体工业。

综上所述，我们可以得知半导体行业想要发展，必然离不开以下几方面：

一、价格上需要有一定承受力。价格下降已然成为半导体行业自然淘汰赛的重要一环，经受不住价格落差的企业必将逐步退出行业市场。

二、市场上依赖于消费型电子产品。消费型电子产品，因其周期短风险大，已经成为竞争激烈的半导体行业存活以及向前发展的主动力。

三、技术上取决于新型材料。当前的全球半导体行业，经过了几十年的发展已经拥有了相对成熟的材料来源以及芯片技术.因此，只有不断的发现新材料更好的利用将晶体管原理加以利用，才能发掘出一片新的天空。

四、更高的集成度及更低的能耗。其中最为突出的一个代表就是各种便携式信息装置对存储器特性需求的日益多元化。全球半导体行业巨头包括Samsung/IBM/SK等都看好此市场前景，纷纷推陈出新，市场上出现了一系列相关产品，比如手机。

手机在当今用户市场中，已经取代了普通电脑成为了高精密存储器的技术驱动，并且将在未来几年主导存储器市场的发展。手机的存储器容量正在迅速增长。用户市场需求也已从语音终端逐步转向多功能电话、智能电话及移动媒体，相对应的对于更大的代码空间及文件系统的需求也正在成几何倍的增长。

与此同时，为响应及满足市场对此的需求，以下四种产品的竞争毫无意外的已趋白热化：dram存储器用来保存易失数据； Nor flash用于代码存储； Nand flash提高速率；以及微型硬盘广泛用于多功能电话。

因此，当前全球半导体行业的发展可以认为是-中性，当行业拐点出现时将带来具大的投资机会及收益回报。半导体行业有望复苏，而复苏的起源地则很可能会是在中国。

由于中国电子信息产业的高速增长，中国半导体行业的市场地位也日益重要，越来越多的半导体厂商在中国开拓市场以及加大投资已经证明了这一点。因此，如何提供及时快捷的服务以及性价比相对较高的产品，关系到中国的半导体相关企业能否在激烈的市场竞争占稳脚跟甚至健康发展。我们有理由相信，将会有更多的半导体厂商将着眼中国市场，通过本土化的企业改革以及与一部分拥有先进制造技术与广阔销售渠道的本土厂商合作，增加投资力度，提高技术水平，加快供货速率，抢占先机并蓬勃发展。

众所周知，2008年的一场金融危机对全球半导体行业的影响是巨大的，对中国当然也不例外。但中国的GDP高速发展以及金融恢复前期中国政府的大力投资、制造业在全球范围内向亚洲市场的转移以及巨大的中国市场的吸引力，依然使我国的半导体市场在全球范围内占据了较早恢复以及较快发展的优势。在行业处于低谷时，企业应当密切关注北美Booking/Billing值，一旦市场趋于稳定甚至出现拐点之时，企业业绩必将出现大幅反弹甚至稳定增长。

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不过这并不表示中国的半导体行业发展就没有弱点。我国半导体集成电路产业起步晚，并且随着东南亚的廉价劳动力渐渐超过中国，未来10年以相对低端代工为主的大陆制造业前途其实不能算很乐观。同时，我国的半导体行业依然大量依靠欧美等先进企业的相关技术，本土制造业创新能力较弱，核心人才技术缺失，与欧美等国际先进水平相比仍有较大相距。前面我们讲到，半导体行业的垂直分工包括Fabless/Foundry/Package/IP，这几方面的核心推动力说到底都是技术的创新发展，以及相对的低成本。

值得庆幸的是，国家相关领导人也已经意识到了这些。2014年以来，国家先后出台了《国家集成电路产业发展推进纲要》，并成立了千亿元规模的国家集成电路产业投资基金，通过中央的巨大投资来带动地方政府的跟随投资，从而将我国的半导体行业发展推到一个前所未有的新高度。截止目前，各级政府的投资额累计已超过5000亿元，中国报告大厅发布的半导体行业市场调查分析报告指出，2015年我国的集成电路产业规模已突破了1万亿元！

在2014之前，中国半导体行业牢牢把握“国家导向，市场投入”，国家导向是通过专利等政策引导科研和市场；二是市场投入则是通过增值税和所得税减免等手段，鼓励市场投入。2014年中国大陆的芯片产业已经成为全球第二。这说明国家的方针政策已经取得了重大阶段性成果。

而现在，新的政策着眼点将逐步转换为“国家投入，市场导向”。对于有自主创新能力的半导体企业，国家将继续保持宽松的创业大环境，同时通过各相关部门的通力合作，以反垄断、关税等手段来侧面支持并拉动其发展；对于对成本因素较敏感的封装制造企业，国家鼓励注资、托管等方式来转移企业的自身压力，通过资本市场的杠杆效应来做调节；对于已经跻身行业先进领域的企业，国家鼓励以市场换技术的全球化合资合作来提高投资效率。

与此同时，在近年来全球各国经济不断力争复苏的努力作用下，整个行业的景气性有了明显提升，如需求越来越广泛几近爆发式增长的移动互联网、云计算以及工业互联网经济，就将是半导体行业发展的重要前景与竞争领域。既然半导体行业与全球GDP增长密不可分，那么全球经济逐步复苏，就必将带动半导体的行业稳定发展与增长。中国半导体行业在面临这个前所未有的发展机遇之时，也必须牢牢跟紧国家大数据战略措施，重塑产业格局，力争参与到全球市场格局的制定，甚至在未来，成为行业领头羊。

篇5：超导体材料应用前景

多年来，该团队在SiC、GaAs、GaN等晶体和外延材料领域取得了丰硕成果。系统开展了SiC晶体生长设备、晶体生长和加工技术研究，成功生长出2-4英寸高质量晶体，在国内率先实现SiC晶体的产业化，成功打破了国外垄断。采用湿法腐蚀和宽窄阱耦合技术生长出低位错密度外延材料，部分消除极化效应，大幅提升LED内量子效率。

先后承担国家“973”、“863”、科技支撑和02专项等项目数十项；发表SCI论文300余篇，申请国家发明专利50余项（已授权20余项）；将多项科研成果产业化，实现了良好社会经济效益。

国家天文台郭守敬望远镜(LAMOST)团队主要先进事迹

该团队在建设国家重大科学工程LAMOST的十多年中，全体人员勇于创新、锲而不舍、团结协作、精益求精，全面优质地完成了工程建设任务。建成了目前国际上光谱获取率最高、口径最大的大视场望远镜，得到了国际天文界的高度评价，使我国大视场多目标光纤光谱的观测设备处于国际领先地位，并使我国望远镜研制技术实现了跨越式发展，显著提升了我国在该领域的自主创新能力。2009年6月LAMOST项目圆满地通过了国家竣工验收。

LAMOST项目的关键技术之一“大口径主动光学实验望远镜装臵”获得2006国家科学技术进步二等奖。

声学所声学智能制导实验室主要先进事迹

从事水声学、信息与信号处理研究已有40余年。实验室自2000年开始承担了国家某重大科研项目的研制，该项目是我院近年来第一个担负总技术责任单位的国家重点国防工程项目。经过十年的努力，2010年6月项目圆满完成了考核验收试验。更为可贵的是，在仅两个半月的时间内完成了10余次出海试验，创造了行业内考核项目最复杂、考核时间最短、试验零安全事故、产品准备零责任事故、所有技术指标满足或超过研制要求的成绩。项目组坚持走自主创新的道路，突破了30余项全新技术，产品主要性能指标达到世界同类产品的领先水平, 大幅提升了我国相关水下技术领域的自主创新水平，引领带动了相关行业的技术发展，后续直接产值将超过60亿元。

化学所中国科学院光化学重点实验室主要先进事迹

在有机及高分子光物理与光化学、光功能材料与光电化学、光催化及环境光化学和生物光化学的基础研究和应用基础研究中取得一系列重要成果。

近五年承担的重大项目包括、国家“973”项目1项、课题3项；国家重大科学研究计划项目1项；国家自然科学基金委“创新研究群体”1项、杰出青年基金1项、重点项目8项、重大国际合作2项；创新团队国际合作伙伴计划1项、中科院“百人计划”3项。

获得国家自然科学二等奖2项，北京市科技进步一等奖1项；中科院院长奖学金特别奖3项。近五年发表论文403篇，其中在JACS, Angew.Chem.Int.Ed.等最重要杂志上发表论文38篇；授权专利26项。

心理所青海玉树地震科技救灾心理援助工作队

主要先进事迹

履行创新为民的使命,在当地政府的支持下,迅速成立了震后心理援助玉树和西宁工作站,为心理援助工作提供了组织保障。

深入灾区，积极开展心理援助服务。开展20余场团体培训，培植本土心理援助力量5200余人次；为215户受灾群众和112 2 户伤残人员提供面对面心理辅导，重点救助住院伤病员700余名和异地复学儿童500余名，极大缓解了震后创伤及异地复学不适的心理问题；协助当地政府制定心理援助三年规划，为持续规范开展援助奠定基础。发挥科学思想库作用，向党和国家上报6份灾后心理援助和社会稳定有关的政策建议，2份被中办采用。发挥了心理学国家队的引领作用，受到青海省政府和社会的好评和高度认可。

电子所航天微波遥感系统部主要先进事迹

出色完成了多项国家重点型号工程任务，在我国航天星载微波遥感对地观测载荷研制领域确立了主导和引领地位，切实发挥了“火车头”的作用。成功研制出我国多型首套航空机载合成孔径雷达系统装备，在汶川抗震救灾飞行中发挥了重要作用，2008年被授予“创新为民、科技救灾”光荣称号。

科研成果获得多项国家和院（部）级奖励：包括国家科技进步一等奖两项，中国科学院杰出成就奖一项，国防科技进步特等奖一项、一等奖两项、二等奖、三等奖各一项，发表论文数百篇。

大连化物所甲醇制烯烃国家工程实验室主要先进事迹

完成新一代甲醇制烯烃（DMTO-II）技术工业性试验并通过鉴定。实现世界首套甲醇制烯烃（DMTO）工业装臵开车成功并取得突破性进展。

完成“渣油制烯烃催化剂研制”、中国科学院“天然气、油田气综合利用”等重大项目；完成“催化组合化学”知识创新重要方向项目和“天然气制烯烃”国家“973”计划基础研究课题。目前承担中科院知识创新重要方向项目2项。获省部级以上奖励4项，市级奖励2项。经过鉴定的科技成果4项，发表科技论文192篇，申请发明专利。为国民经济发展、产业结构调整升级、促进我国煤化工事业的发展做出更大的贡献。上海硅酸盐所钠硫电池研究团队主要先进事迹

近年来钠硫电池研究团队研制成功从核心材料、单体电池到电池模块和储能系统以及核心装备的钠硫储能电池的成套技术。研制成功大容量单体电池，建成2兆瓦单体电池的中试线，实现了电池的小批量制备。100千瓦/800千瓦时储能系统在上海世博会期间成功实现并网运行并对外展示，现已进入产业化推进阶段，项目取得核心专利20余项。承担了科技部支撑计划、上海市科委重大、中科院方向性项目以及上海电力公司的多个项目。大容量钠硫储能电池研制成功被两院院士评选为2009年中国十大科技进展新闻。

钠硫电池的突破使我国成为继日本之后第二个掌握钠硫电池核心技术的国家。

武汉植物园植物资源可持续利用中心主要先进事迹

该中心遵循„Resources-Research-Resolution‟的3R 模式，开展果树、药用、能源、微藻、草坪、观赏、水生等特色资源植物种质评价、基因发掘、新品种选育等研究，取得了具有特色的基础与应用研究成果，为国家生物产业和社会经济可持续发展做出了重要贡献。

主持美国NSF-Gates项目、国家自然基金重点项目、国家„973‟与„863‟项目等40余项。在Mol Biol Evol和Plant Physiol等著名SCI刊物发表学术论文近百篇，取得10余项发明专利，获得多项院教学奖，产生社会经济效益近5亿元。

成都山地所中国科学院山地灾害与地表过程重点实验

室主要先进事迹

5年来先后承担了西部重要干线的道路泥石流减灾项目50余项，保护干线公路铁路15条，保障了山区干线公路的安全和 4 畅通。高效完成西部大开发的重大工程项目“西气东输”选线设计和建设过程中的地质灾害防治工作并获好评。在汶川地震和舟曲特大泥石流发生后，先后有200余人次赴灾区，为国家部委和地方提供专家咨询和编写减灾技术资料。2008年和2010年，美国《Science》杂志对实验室科技工作给予5次专访和专题报道。

研究成果先后荣获四川省科技进步一等奖、国家科技进步二等奖，减灾效益超过40亿元。发表论文200余篇，撰写咨询报告9份，其中5份得到了国家领导人批示。

西安光机所高功率半导体激光器封装与表征研究室

主要先进事迹

研究室成立于2007年10月，自主研发高功率半导体激光器技术，在热管理、无铟化技术、低smile技术、光谱控制和功率扩展等方面取得重要成果，承担并高质量完成了多项重要科研项目。2008年实现了高占空比（8%）下百千瓦准连续超大功率半导体激光器系统；2009年制备两款世界首创的新器件及产品；2010年研制成功500瓦双量子阱大功率器件。发表论文10多篇，申请各项专利37项，其中授权11项，2项PCT专利。2009年获陕西省科学技术奖一等奖。

目前，该实验室建立了产学研基地，积极推进科技成果转化，以该基地为平台建成5条生产线，实现产值逾4000万元，催生出战略性新兴产业并得到蓬勃发展，为地方经济社会发展做出了贡献。

近代物理所ECR离子源室主要先进事迹

从1991年开始，自主研制成功多台不同频率，不同结构的ECR离子源，使我国在这一领域处于目前国际领先水平。在世界上首次研制成功具有原创结构的超导高电荷态ECR离子源SECRAL，产生了高电荷态离子束流强度的许多世界记录，是目前世界上性能最好的高电荷态ECR离子源之一；研制成功国际上磁场最高、性能最好的全永磁高电荷态ECR离子源LAPECR2。

曾获得“中科院科技进步一等奖”、“国家科技进步二等奖”和国际离子源领域最高奖项“明亮奖”等多种奖励；自2005年以来，该室发表SCI/EI论文33篇。各类ECR离子源的成功研制和投入运行，使兰州重离子加速器及各类综合平台的束流强度和整体性能大幅提高，为我国开展核物理和原子物理等研究提供了前所未有的实验条件。

新疆生地所塔里木沙漠公路生态工程研究团队

主要先进事迹

为了防治塔里木沙漠公路的风沙危害，该团队在茫茫沙漠中二十余年如一日，用他们的知识和汗水谱写他们的沙漠人生。先后承担了国家“973”、攻关、自治区攻关等重要科研项目，解决了一系列理论和技术难题，在塔克拉玛干沙漠腹地建成了一条436公里的绿色走廊。不仅为塔里木油气资源的勘探开发和新疆的经济发展做出了重大贡献，而且进一步巩固了中国在该领域研究的领先地位。“绿色走廊穿越塔克拉玛干沙漠”被两院院士评选为2006年中国十大科技进展新闻，“塔里木沙漠公路防护林生态工程”被评为2008国家十大环境友好工程、获国家科技进步二等奖，目前其研究成果已经在新疆、非洲及中亚得到推广应用。

科学出版社科学出版中心主要先进事迹

该中心是科学出版社的核心出版单位，在科研成果归纳整理、传播转移、交流转化等方面做出了突出贡献。

中心出版了《中国科学院研究生教学丛书》、《当代杰出青年科学文库》、《纯粹数学与应用数学专著丛书》、《中国植物志》等大批代表中国科技发展最高水平的精品力作，获得中国图书政府奖2种，国家图书奖6种，中国图书奖一等奖7种，全国优秀科技图书奖一等奖30多种，国家自然科学奖8种，国家科技进步奖6种，入选国家十一五重点图书出版规划项目27种。

中心年出版图书品种近700多种，产值近1.2亿元。生命科学、资源环境等类图书均居全国市场份额第一位，是专著、基础理论、基本资料出版的第一品牌。

成都信息技术有限公司办公自动化事业部主要先进事迹

该团队早在1977年就开始大型会议自动化设备的研发，该会议选举系统已成为党中央和全国人大指定的为党和国家重大会议提供服务的设备之一。三十多年来，该团队已先后为党和国家从十二大至十七大、六届至十一届全国人大、政协等历次重大会议提供选举服务，都取得了圆满成功，得到党和国家领导人的一致肯定和参会代表的高度评价。2007年10月22日，胡锦涛总书记在十七届一中全会结束后专门打电话给中办领导，表示对会议选举工作十分满意，并说：“没想到电子选举系统这么快，这么准确，这么先进，请向工作人员表示祝贺！”