LOGO制冷与低温技术之制冷与低温技术之超导的应用超导的应用热能081班*第二小组制冷技术的发展史 v 人工制冷技术是从19世纪中也开始发展的。 v 1834年美国发明家波尔金斯Jacob Perkins）首次造出了 以乙醚在封闭循环中膨胀制冷的蒸汽压缩式制冷机 v 1844年美国人戈里(John Garre)用空气封闭循环造出了世 界上第一台制冷和空调用的空气制冷机。 v 1858年美国人尼斯取得了制冷库设计的第一个美国专利， 从此商用食品冷藏事业开始了发展。 v 1859年法国人卡列设计制造了第一台氨水吸收式制冷机。 v 1910年莱兰克发明了蒸汽喷射式制冷机。 v 1929年发现了具有无毒、不燃烧性质的氟利昂制冷剂后， 制冷技术发展得更快了。20世纪80年代制冷行业步入新的 历史阶段，同时，新的降温方法扩大了低温范围，并进入 了超低温领域，现在低温制冷温度已达到mK级。制冷与低温温区的划分制冷120K以上制冷的温 度4.2至120K之间制冷 的温度4.2K以下的按照目前制冷 学界多数人的 观点温低制冷超低温制 冷Why？由于研究对象和人们习惯不同，因而往往产生不同的划分制冷与低温技术的应用 资源开发及环境保护 -低温输电，超导电缆输电，磁流体发电，超导贮能，超导 发电机及电动机，受控热核反应，液化天然气及液氢燃料 生产、贮运等超导磁选矿，低温破碎，低温粉碎，资源勘探等 污水、重金属污染的磁分离，低温脱硫，废旧物资的低温 粉碎再利用，低温冻结干燥等火箭推进技术，辐射磁屏蔽，氢-氧燃料电池，宇航员及生 命呼吸气，空间环境模拟等能源空间技术宇宙通讯，移动通讯基站，超导高速计算机等超高灵敏度的检测器，红外探测器，标准计测器(电流、磁 场、电压等)，激光器等纯氧炼钢，金属冷处理，有色金属冶金保护气等电讯与电子计算机计量检测技术冶金超高真空，冷黑空间模拟，薄膜技术(真空镀膜)等真空技术-高能燃料(液氢，液氧)，重氢提取，稀有气体提取，氦资 源保护与利用，各种气体分离等超高速列车的超导磁悬浮装置，低温液化气体的贮运等水产品，畜产品，蔬菜，水果等快速冷冻贮存等化工交通运输食品-超导磁体，高速气体轴承，超导直线加速器等机械-低温治疗，低温贮存，心磁仪，脑磁仪，介子照射，超 导核磁成像仪，低温生物医学研究等He3的提取，反应堆材料低温辐射试验，低温吸附与液化 精馏法回收反应堆裂变气，重氢的低温精馏提取等高能物理加速器，氢气泡室，超导与超流理论，等离子体 物理，凝聚态物理，超低温的获得，自由基化学反应机理 等医疗卫生原子能利用基础理论研究良种牲畜精液低温贮存(人工繁殖)等畜牧业其中超导体的研究是是当今最热话题之一， 也是很有应用前景的研究方向。v 超导体可以有非常大的用途，这也是各国科学家努力研究 超导的重要原因。用超导体输送电能可以大大减少消耗， 用高温超导体材料加工的电缆，其载流能力是常用铜丝的 1200倍；利用超导体可以形成强大的磁场，可以用来制造 粒子加速器等，如用于磁悬浮列车，列车时速可达500千 米；利用超导体对温度非常敏感的性质可以制造灵敏的温 度探测器。超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能。 由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性， 因此只需消耗极少的电能，就可以获得10万高斯以上的稳 态强磁场。而用常规导体做磁体，要产生这么大的磁场， 需要消耗3.5兆瓦的电能及大量的冷却水，投资巨大。超 导磁体可用于制作交流超导发电机、磁流体发电机和超导 输电线路等。 超导的发现v1908年，荷兰物理学家卡末林昂内斯 ( Hei-ke Kamerlingh Onnes，18531926 ) 首次液化了氦气 。人们 第一次达到了当 时地球上的 最低 温度，大约 4.2 K 左右。 之前，人们已经知道，随着温度的降低， 金属的电阻也会越来越小。那么，随着温 度降到热力学温度零度附近时金属的电阻 会怎样变化呢？超导的发现v1911年，卡末林 昂内斯和他的学生一起 ，选择了当时最容易提纯的水银作为实验 材料，在液氦的温度下进行了认真的研究 。实验的结果使他们大吃一惊。当温度降 到 4.2 K 左右时，水银的电阻竟然突然地消 失了！经过反复检查后，卡末林昂内斯终 于证实了这是真实的情况。昂内斯因对物 质低温性质的研究和液氦的制备而获得 1913年度的诺贝尔物理学奖。将低温超导材料付诸实用的一个关键问 题就是将超导体冷却到它们的超导转变温度 以下，使之进入超导态，这就需要昂贵的液 核技术，这显然很难实用化和推广应用v用超导材料制造的电动机、发电机、变压器、热 开关、辐射检验器以及无接触转换开关、国防军 工仪器等已经投入使用。超导现象刺激着科学家 们的求知欲，但是由于超导转变温度太低，超导 的设备、仪器、元件还需要在液氦温区（4.2K） 内工作，於铌三锗合金(Nb3Ge)，其Tc为23.3 K （超导高低温材料分界点）v人们不得不以巨额投资设计和建造庞大的 液氦站，建立繁杂的辅助设备，把气态的 氦转变成液体氦，然后通过辅助设备送到 使用的装置上去。所以当超导材料的超导 转变温度还是在23.3K 的时候，科学家们的 美梦，只好冻结在漂渺的脑海之中。然而 ，要提高超导材料的超导转变温度，并不 是一件轻而易举的事。经过75年的漫长岁 月，超导材料的超导转变温度从4.2K 到 23.2K，仅提高了19K，这种缓慢的进展速 度，多么令人困扰！ v柏诺兹(Bednorz)和缪勒(Miiller)于1986年发现超 导转变温度在3O K温区的高温铜氧化物超导体， 为进一步发现在液氮温区值的高温超导体开辟了 道路。他们于1987年获诺贝尔奖。 v1986 年秋，中国科学院物理研究所的赵忠贤、陈 立泉等人在镧钡铜氧和镧锶铜氧化物体系中观察 到了在46.3K 和48.6K 下的超导转变，同时物理 研究所李林教授领导的研究小组，用溅射方法制 备出超导转变温度为2527K的镧锶钡氧超导薄 膜。中国的科学家，在高科技的国际竞争中已进 入角色。1993 年，美国得克萨斯超导研究中心的 美籍华人朱经武宣布，他制备出氧化汞、钡钙铜 的超导体超导转变温度为153K（零下120）， 这是目前的最高纪录 v 超导热持续升温，而且持续的时间在科学史上是最长的， 涉及的人数也是最多的，这是什么原因呢？正如高温超导 体一出现，世界的科学家们就断言：第四次工业革命即将 到来。因为高温超导体实现了在强电方面的应用，全球的 电力输送，从发电到供配电模式都将全部改变，若能做到 无损耗地输电，仅美国一个国家一年即可节省100 亿美元 。采用超导材料建设超导电子对撞机的电子贮存环，有可 能使达到40 万亿电子伏特的粒子发生对撞，对揭示神奇 的微观世界和物质结构元将有重大的贡献。超导在弱电应 用方面，如电子通讯、信息技术、精密仪表、核物理、医 学、军工、宇航的应用均有着广阔的前景。高温超导的超 导量子干涉仪已经诞生，为在上述领域中制备有关仪器打 下了基础。超导材料的成功应用。对电力工程、磁流体发 电、超导电子学、地球物理、国防科学、生物磁学、医学 等十几个学科都带来重大影响，高温超导材料在21 世纪 无疑会大放异彩。上海引进德国高速磁浮技术，修建了西起地铁 2 号线龙阳路站，冬至浦东国际机场一期航站楼， 长 31公里的运营线。2003年元月1日正式运营。设计 时速为 505 公里，运行 时速为 430 公里。为世界 首条磁浮列车商运线。超导磁流体发电机超导磁 流体发 电机以 C-A5飞 机运往 莫斯科应用于原子融合之超导科技8 T 阴阳超导磁 铁 高能量粒子超导加速器及碰撞器超导技术在军事上的应用v 超导储能装置在定向武器上的应用使定向武 器发生飞跃的发展.超导发电机,推进器在飞机上的 应用可大大提高飞机的生存能力,在航海中的应用, 可大大减小甚至没有噪音,推进速度快,可大大提高 舰艇的生存,作战能力,超导计算机应用于C3I指挥 系统,可使作战指挥能力迅速改善提高等等. 随着 超导技术的不断发展,高温氧化物超导材料和有机 物超导材料将不断问世,目前超导还只应用在科学 实验和高技术中,例如中国科学院合肥等离子体物 理研究所,采用超导技术建成托卡马克实验装置(磁 约束装置),放电300 ms,电流I=150 kA,使我国核聚 变研究能力向前跨进一大步.v全球超导热的浪潮，实际上是一场综合国力和科 学水平的竞争，形成了美、中、日三国三足鼎立 的格局。谁都不甘落后，新的研究，新的成果不 断涌现，尤其是在19871988 年间，几乎是每 三天都有高温超导研究的新突破。还有一些科学 家，如日本的科学家称曾发现锶钡钇铜氧超导体 系有零下60的超导转变，一些科技刊物多次报 导发现室温超导的现象，美国休斯顿大学的科学 家也声称在铒钡铜氧体系中发现有230K（零下 43）的超导转变现象，遗憾的是，这些结果无 法重复成功，超导研究的每个突破都牵动着无数 人的心，震撼着科技界、产业界，各国政府都为 超导研究鸣锣开道，美国原总统布什曾公开宣布 他要亲自过问超导研究，可见其重视程度。LOGO第二小组