今後,隨著低溫甚至常溫下超導物質的發現,超導材料的應用必將成為可以給人類社會的持續發展注入無限生機的高新科學技術。特別是它在電性方麵的廣泛應用其意義幾乎可以與電的發明相媲美。由於超導體可載荷大電流並產生強磁場和零電阻的特性,因此,超導材料可用來製大功率超導發電機、超導電動機、超導電纜、超導加速器、超導貯能器、超導磁流體發電機、超導磁懸浮列車、超導核磁共振診斷儀等。下麵我們來介紹其中幾例:(1)超導磁流體發電機現代發電機是依靠渦輪機的轉動帶動金屬線圈在磁鐵中不停地工作產生電流的,其發電過程是物質能量的多次轉換,化學能→熱能→動能→電能,能量損耗巨大。而磁流體發電省去了渦輪機,把摻入金屬鹽的礦物燃料進行燃燒,達到2600℃的高溫,此時燃料汽化,汽化的燃料攜帶導電的種子以極高的速度從超導磁體的高強磁場的兩極通過,由於電磁感應從而產生電流。這個過程的發電效率約為40%,從裝置中排出的氣體仍有1000℃的高溫,使之與水進行熱交換,產生的水蒸氣又能驅動渦輪機發電,使總的發電效率再提高15%~20%。現在,俄羅斯、美國和日本都已興建或正在興建磁流體發電廠,這種發電技術將會使人類步入一個高效或低汙染的能源利用的新時代。
(2)超導磁懸浮列車現在普通火車的速度大約為200km/h,根據科學計算,最高速度不會超過350km/h。要想進一步提速,就必須把輪子和鐵軌的摩擦力減得更小,最好把輪子拿掉。那麼能不能把火車輪子拿掉,使火車也騰空起來呢?超導技術能給我們這種幫助,科學家們將超導線圈裝上了火車,通過少量的電能後產生了相當強的磁場。隨著火車的開動,軌道上就產生了另一個磁場,兩個磁場互相排斥,結果使火車浮在軌道上方幾厘米處,在電動機的拖動下,火車飛速前進,速度可達550km/h,人們把這種火車叫超導磁懸浮列車。日本在這方麵的研究已遙遙領先,於1979年就製成了試驗車。20世紀90年代初,又有人提出,要是超導磁懸浮列車在真空的地下鐵道裏行駛,那麼,它的速度可達到2000km/h以上,如果能研製成功,則火車的速度可和飛機比高低。
(3)超導核磁共振診斷儀核磁共振儀是一種能精密地捕捉人體內氫原子的細微變化,可對癌症等進行超精密攝影的裝置,它是一種可以淩駕於CT之上的新技術。超導核磁共振成像的原理是:把人體置於強磁場中使人體內的水中的氫原子核定向排列,再用電磁波照射氫核使氫核獲得能量處於共振狀態,然後斷開電磁波,這時氫核將放出能量恢複到原狀態。由於癌細胞所含水中的氫核的恢複時間比正常細胞中的氫核要長,因此,將上述恢複過程用計算機處理,就能可靠地查出癌症。為了準確捕捉這個過程非常微弱的磁場變化,必須要有超強的磁力,過去用常規的電磁鐵產生的磁場,雖也能初步滿足診斷的需要,但不是很準確。而用超導磁體則氫核的共振現象會更強,得到的圖像就更清晰,診斷結果也就更準確。我國自行設計的超導核磁共振儀已經在深圳的安科公司正式投入生產,且其質量已領先於世界先進水平。
非晶態金屬
我們知道地球上的資源是有限的,人類麵臨資源枯竭的威脅,因此,延長材料的使用壽命,提高材料的性能是材料科學家長期鑽研的課題。1960年美國科學家杜維茨首先發現,某液態金屬合金以薄帶或細絲的形式以每秒100℃的冷卻速度急速冷卻時,由於冷卻速度過快,使金屬原子來不及整齊排列成晶體,結果得到一種非晶態的無定形固體,人們稱它為非晶態金屬或金屬玻璃。非晶態金屬具有許多優異的性能,用途相當廣泛。
(1)耐化學腐蝕。提起耐腐蝕的材料,大家就會想起不鏽鋼,而大多數非晶態金屬的耐腐蝕性能比最好的不鏽鋼還要高100多倍。要是其中含有一定量的鉻和磷,它的抗腐蝕能力就更強。因此非晶態金屬可作為刀具、電極、表麵保持等材料。
(2)強韌兼備。非晶態金屬的強度比一般晶態金屬都高,能高達4000N/mm2,超過了超高硬度工具鋼,並且非晶態金屬具有很高的韌性,其金屬絲即使彎曲到接近180°也不會斷裂破損。因此,可用非晶態金屬作為一些結構加強材料,如製作高強度控製電纜、橡膠輪胎的增強帶和高強火箭殼件等。
(3)高電阻、低溫度係數。非晶態金屬在室溫下的電阻率較高,一般比晶態金屬高2~3倍,而且電阻率溫度係數比晶態金屬小。因此,非晶態金屬可作高電阻、精密電阻材料。
(4)軟磁性。非晶態金屬具有良好的軟磁性,即在外磁場作用下易磁化,當外磁場消失後,磁性很快消失。並且磁阻很小,隻有常用磁材料矽鋼片的1/10~1/3。因此,用非晶態金屬代替電器設備中的矽鋼片,可以大大減小電器設備中鐵心發熱所造成的電能損耗。