第七章 新型材料（1）（1 / 3）

第七章新型材料（1）

人类文明的足迹，实际上就是一部活生生的材料发展史。早期人类的生活基本上是依赖大自然的恩赐，后来发明了制陶术，认识了矿石，学会了冶炼金属，出现了青铜器和铁器……人类的生活才逐步有了改善。历史上的石器时代、青铜器时代和铁器时代，就是以材料作为划分时代的依据和人类文明进步的标志。

社会发展到了科学技术高度发达的今天，新材料已成为发展高新技术、实现物质文明和精神文明的物质基础。现在人们已可坐在家里，通过“信息高速公路”了解世界的风云，“游览”各国的博物馆、图书馆，共享全球范围的信息资源。然而，如果没有由玻璃拉制成像头发丝那样细的光纤材料，建造“信息高速公路”就成为一句空话；没有耐烧性的高温、高强度结构材料，人类就难于登上月球，航天飞机也不可能往返于地球与太空之间；没有电子材料的工业化生产，就不可能有当前的电子计算机技术和微电子技术……任何先进技术都离不开材料、设计和制造。也就是说，材料对时代文明和技术进步起着决定性的作用。

一、超导材料

超导现象

当某些金属导体置于接近绝对零度（—273.16℃）的超低温环境中时，其电阻会消失为零。科学家把这种现象叫做“超导”现象，而具有超导性质的物质称为“超导体”或“超导材料”。目前已发现的超导体有汞、铅、袒、铌、锌等30多种纯金属和上万种合金及化合物。它们在用“无电阻”的魔力创造出一个个惊人的奇迹。

利用零电阻的超导体制成的“超导发电机”，其发电效率可高达98%（一般发电机发出的电约有10%被自身消耗了）。

用超导体制成的“超导储能器”，能把电力网多余的电储存起来，需用时再放出来，其充电和放电效率可高达95%左右，是其他储能装置无可比拟的。

以超导体制成的“冷子管”，灵敏度非常高，可用来测量遥远星体射来的微弱的光、然而它消耗的电能却少得出奇，100万个冷子管仅耗电半瓦。

超导发电机

1973年，美国就试制成功世界第一台5000千瓦的超导发电机，其重量只有普通发电机的1/10，而成本仅是后者的一半左右。到了80年代，美国已制成功率达30万千瓦的超导发电机。普通发电机的发电能力超过100万千瓦就很难提高了，而超导发电机在100万千瓦的基础上再扩大20倍也是完全可行的。

超导储能器

超导储能器主要由巨型超导电缆回路组成。在夜间用电低谷时期，可将过剩的电能储入超导储能器中；白天用电高峰时，再将电能馈入电网。美国已设计了500万度的大规模超导储能装置，采用铌钛超导合金回路，液氦冷却。它的环形回路直径达1500米，埋在地下。这种超导储能器的能量损耗很少，因而其充电和放电效率达90%~95%。这是其他类型储能装置所达不到的。

超导储能器是以电能和电磁能的直接转换来储能和放能的，因而其效率非常高。用超导磁体制作的超导线圈，能使电流在其闭合回路中无损耗地持续流动不息，储存的能量可持久地保存下去；而一旦需要，又能随时释放出来，使用非常方便。

超导列车

超导磁悬浮列车利用设在路面上的超导线圈与列车的超导线圈磁场间的排斥力，使列车在启动前悬浮起，距离轨面几厘米，此后便一直腾空飞驰，完全消除了有轮列车车轮与轨道的摩擦阻力，从而使列车的速度大幅度提高。

目前，世界上最快的普通火车的时速仅200多千米，由于车轮与导轨之间的摩擦阻力的影响，速度很难再提高了。而超导列车的时速可达550千米，赶上了普通飞机的速度。它的载重量却是客机无法相比的。如果进一步减小超导列车行驶时所受的阻力，甚至可在没有空气阻力的真空隧道里运行，其时速可提高到惊人的1600千米，完全可与现代喷气式客机媲美。

超导高速计算机

随着电子计算机向高速化发展，要求电子元件和电路密集排列，但密集排列的电路工作时会发出大量的热，影响计算机的正常工作和使用寿命，这是计算机硬件发展中的一个难题。使人们转忧为喜的是，现在的元件之间的连接电路可以用无电阻、不发热的超导电路取代，从而使所面临的难题迎刃而解。

另一方面，利用超导材料制成的超导器件，可作为电子计算机的逻辑电路或存储器，具有运算速度特别快的特点。

超导器件的另一个特点是，只有电流超过某一临界值时，超导器件才会产生电压降；而在临界电流内，超导器件就是零电阻，无电压。利用这种无电压状态和有电压状态的高速变化，可分别对应于二进制数中的“0”和“1”的逻辑动作，从而可用作电子计算机中理想的超高速开关器件，并由这种超导开关器件和超导存储器等进而组成新型高速计算机，即超导高速计算机。它的运算速度比普通计算机高几十倍。

超导电磁推进船

超导电磁推进船的船体内部装设有超导磁体，在船体外部的海水中形成磁力线。与此同时，由船上的电极向海水通电。这样，海水中的电流与磁力线相交产生排斥力，而将海水压向船体后方，从而产生推进力，将船推动前进。

与普通船相比，电磁推进船的行驶速度快，效率高。由于它没有电动机和螺旋桨之类的转动部分，不仅噪音和振动都很微小，而且不需要采取海水密封装置等。这对于大吨位运输船、深水航行船，特别是海军舰艇来说尤为重要，有着广阔的实用前景。

超导核磁共振仪

超导核磁共振仪是一种新型的医疗诊断器械。用核磁共振仪检查时，将人体放进一个长圆筒形的超导磁场里。在磁场的作用下，人体各部位组织的氢原子核（因为人体内有75%的成分是水，而其余的蛋白质和脂肪也都含有氢原子）就会发生共振信号。不同的组织器官及其病变的磁共振信号是不同的，通过计算机再成像，就可获得人体任意断面的清晰图像。

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