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隨著超導材料性能不斷提高和完善，科學家們正在積極開展高溫超導應用技術的研究，其中誕生了一個重要領域的研究應用——高溫超導磁懸浮列車技術。

 

作為革命性的技術創(chuàng)造，高溫超導磁懸浮列車技術在我國已有相關研究進展。就在13日，具有*自主知識產權的，世界首條高溫超導高速磁浮樣車及試驗線，在西南交通大學下線。這標志著高溫超導高速磁浮工程化研究從無到有的突破，具備了工程化試驗示范條件。

 

那么高溫超導如何幫助磁懸浮列車實現“奔跑”？在未來我國怎樣建成“超級高鐵”？對此，科技日報記者采訪了西南交通大學鄧自剛教授。

高溫超導磁懸浮技術讓列車實現靜止懸浮

“磁懸浮根據懸浮力的產生原理不同，主要分為電磁懸浮、電動懸浮和高溫超導磁懸浮。見的是電磁懸浮，它的基本原理就是‘電生磁’，即通電后產生懸浮。”鄧自剛說，此外電動懸浮，顧名思義就是“動生電”，即運動起來后產生懸浮。

關于電動懸浮，目前日本的低溫超導電動懸浮技術已相對成熟并正在建設商業(yè)運行線。在2015年，日本低溫超導磁懸浮列車創(chuàng)下了時速603公里的速度紀錄，之后商業(yè)應用的速度達到時速505公里。

日本低溫超導電動懸浮列車技術是利用車載低溫超導磁體與閉合“8”字形線圈的相對運動，在線圈中感應出渦流，渦流再產生感應磁場，感應磁場與磁體磁場互相作用產生電磁力，從而實現懸浮。

我國已成為世界高鐵大國，技術、裝備、建設和運營達到水平，部分處于水平。除了響當當的高鐵名片，在磁懸浮列車技術上，為保持優(yōu)勢地位，西南交通大學正在持續(xù)推進原創(chuàng)的高溫超導磁浮列車技術。

高溫超導磁懸浮技術，利用非理想第二類高溫超導體在混合態(tài)中的磁通釘扎特性，實現穩(wěn)定懸浮。因此，高溫超導磁懸浮也被稱為“高溫超導釘扎懸浮”。其懸浮原理為“感生電”，即置于永磁體上方的高溫超導體處于超導態(tài)時，隨工作位置處的磁場變化，超導體內部會產生感應電流。

與常規(guī)導體不同，高溫超導體的電阻近似為0。因此產生的感應電流會在超導體內一直循環(huán)下去，而感應電流產生的磁場與軌道磁場方向相反，將相互作用產生懸浮力。因“感生電”原理，車載懸浮系統(tǒng)和軌道都不需要供電。

此次下線的世界高溫超導高速磁浮工程化樣車重達12.5噸，但是它就像是一片漂浮于水面的葉子，僅用手就能輕松向前推動。為何如此神奇？答案就是：高溫超導磁懸浮技術使它實現了靜止懸浮。

 

“列車懸浮起來后，保持懸浮狀態(tài)，需要的是液氮，液氮使超導材料一直處于超導工作狀態(tài)。”鄧自剛說，空氣中78%都是氮氣，所以液氮成本較低，同時也節(jié)能環(huán)保。

他表示，除了能讓列車實現不通電懸浮、靜止懸浮，高溫超導磁懸浮技術還有一個更顯著的特點——列車前進方向的磁阻力幾乎為0。“在這些優(yōu)勢的加持下，高溫超導才能幫助磁懸浮列車實現‘奔跑’，甚至更適合未來交通的超高速應用。”

高溫超導材料具有磁通釘扎特性，能“捆綁”磁力線

據介紹，目前任何一種磁懸浮列車制式都能實現懸浮、導向、驅動這三項最重要的功能。鄧自剛解釋，導向也可以用“感生電”來解釋，更形象的解釋是高溫超導材料具有磁通釘扎特性，對磁力線有束縛作用，從而實現導向功能。

“由于超導體在軌道上方，磁力線將穿透超導體，但如果磁力線被釘扎在超導體里面，要想移動超導體，它就會產生一個回復力，阻礙車體的移動，所以說回復力會起到導向作用，使列車不會發(fā)生脫軌。”他說。

從驅動功能方面來說，磁懸浮列車都是依靠直線電機進行牽引，直線電機產生一個行波磁場，然后拉著列車不停地“奔跑”。直線電機與車體之間也沒有接觸，由車上永磁體組成的動子和線路上線圈組成的定子構成，兩者相互作用，產生牽引力或制動力。

當然，磁懸浮列車的底部裝有懸浮裝置，被稱為“杜瓦”。杜瓦里面有超導材料，可以把它理解為列車的“車輪”。因此，要讓列車懸浮，車載高溫超導材料、地面永磁軌道和液氮三要素。

“不同的磁懸浮技術采用的導體也有所不同，按照所采用的導體材料劃分為常導磁懸浮、高溫超導磁懸浮和低溫超導磁懸浮。常導磁懸浮使用的是常規(guī)導體材料，比如銅或鋁；高溫超導磁懸浮和低溫超導磁懸浮使用的是超導材料，其電阻近似為0。”鄧自剛介紹，此次高溫超導磁懸浮列車使用的是釔鋇銅氧高溫超導材料。

鄧自剛告訴記者，由于超導體的優(yōu)點是沒有電阻，可減少電流傳輸過程中的熱消耗，所以十分節(jié)能，它的導電能力是常規(guī)導體銅線的幾十倍以上。“因此在磁懸浮軌道交通系統(tǒng)中使用超導磁體不但可以產生更大的懸浮力、導向力和驅動力，而且更加節(jié)能、環(huán)保。”

此次成功下線的世界首條高溫超導高速磁浮樣車及試驗線，鄧自剛表示，結合西南交通大學此前建成的真空管道高溫超導磁浮車高速試驗臺，試驗速度可達400km/h，可開展高溫超導磁浮車動力學、氣動、振動、噪聲等方面的研究。

“高溫超導磁懸浮是理想的新型軌道交通技術，適用于多種速度域，尤其適合高速及超高速線路的運行。下一步將結合真空管道技術，開發(fā)陸地交通和航空交通速度空白的綜合交通系統(tǒng)，為遠期向時速1000千米以上速度值的突破奠定基礎。”鄧自剛表示。

未來室溫超導體對磁懸浮技術來說更加有應用價值

，超導是指某些材料在溫度降低到某一臨界值以下時，電阻突然消失的現象，而具備這種特性的材料稱為超導體。所謂“高溫超導體”，是指臨界溫度在40K（約零下233攝氏度）以上的超導體。

“除了磁懸浮外，超導材料在眾多領域也有相關研究應用。目前，低溫超導材料已實現商業(yè)化應用，主要用在醫(yī)學的核磁共振上。”鄧自剛介紹，超導技術被稱為21世紀電力工業(yè)的高技術儲備，可有效解決當前的能源、交通等問題，如今國內外正在研究應用于高壓線輸電的高溫超導電纜，應用于各種設備的超導電機等。

“超導電機重量輕、體積小，在風力發(fā)電機中具特別優(yōu)勢，所以將超導電機用于風力發(fā)電也是目前的研究熱點。同時，超導在所有與電相關的領域，比如信息、檢測、交通運輸、電力技術等都能廣泛應用，有著重要的研究和開發(fā)價值。”他說。

目前我國正在大力開展超導材料制備及其應用研究。而不斷探索更高臨界溫度的超導體，并加強與超導技術應用密切相關的低溫制冷技術和低溫系統(tǒng)的研究，是未來的大方向。

值得注意的是，科學家們正在研究在室溫下沒有電阻和磁場驅逐的超導材料，也就是室溫超導材料。在研究中，科學家在高達260萬個大氣壓的條件下，制作的碳硫氫化材料將此前的超導溫度紀錄提高到了約15攝氏度，在室溫下觀測到了超導現象。“我們現在是用低溫條件換取超導，目前發(fā)現的室溫超導體是用高壓條件換取超導，未來能在大氣環(huán)境下工作的室溫超導材料的發(fā)現，對磁懸浮列車技術更加有應用價值。”鄧自剛說。

來源：科技日報