超导材料及应用

超导材料

摘要：简要介绍了超导材料的发展历史、现状，对未来的超导材料的发展作了展望，并对目前超导材料的主要研制方法进行了分析。

关键词：超导体研究进展高温低温应用

一前言

超导材料是在低温条件下能出现超导电性的物质。超导材料最独特的性能是电能在输送过程中几乎不会损失。超导材料的发展经历了从低温到高温的过程，经过无数科学家的努力，超导材料的研究已经取得了巨大的发展。近年来，随着材料科学的发展，超导材料的性能不断优化，实现超导的临界温度也越来越高。高温超导材料的制备工艺也得到了长足的发展，一些制备高温超导材料的材料陆续被科学家发现。现在，超导材料的研究主要集中在超导输电线缆，超导变压器等电力系统方面，还有，利用超导材料可以形成强磁场，是超导材料在磁悬浮列车的研究上有了用武之地，另外，超导材料在医学，生物学领域也取得了很大的成就。超导材料的研究未来，超导材料的研究将会努力向实用化发展。一旦室温超导体达到实用化、工业化，将对现代文明社会中的科学技术产生深刻的影响。

二研究现状

1.超导材料的探索与发展

探索新型超导材料在超导材料研究中始终起着关键的作用，同时也是一项高风险、高投入的研究工作。自1911年荷兰物理学家卡麦林·昂尼斯发现汞在4.2K附近的超导电性以来，人们发现的新超导材料几乎遍布整个元素周期表，从轻元素硼、锂到过渡重金属铀系列等。超导材料的最初研究多集中在元素、合金、过渡金属碳化物和氮化物等方面。至1973

年，发现了一系列A

15型超导体和三元系超导体，如Nb

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Sn、V

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Ga、Nb

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Ge，其中Nb

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Ge超导

体的临界转变温度(T c)值达到23.2K。以上超导材料要用液氦做致冷剂才能呈现超导态，因而在应用上受到很大限制。1986年，德国科学家柏诺兹和瑞士科学家穆勒发现了新的金属氧化物超导材料即钡镧铜氧化物(La-BaCuO)，其T c为35K，第一次实现了液氮温区的高温超导。铜酸盐高温超导体的发现是超导材料研究上的一次重大突破，打开了混合金属氧化物超导体的研究方向。1987年初，中、美科学家各自发现临界温度大于90K的YBacuO超导体，已高于液氮温度(77K)，高温超导材料研究获得重大进展。后来法国的米切尔发现了第三类高温超导体BisrCuO，再后来又有人将Ca掺人其中，得到Bis尤aCuO超导体，首次使氧化物超导体的零电阻温度突破100K大关。1988年，美国的荷曼和盛正直等人又发现了T

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系高温超导体，将超导临界温度提高到当时公认的最高记录125K。瑞士苏黎世的希林等发现在HgBaCaCuO超导体中，临界转变温度大约为133K，使高温超导临界温度取得新的突破。

2.超导材料的研究

2.1低温超导阶段

在梅斯勒发现超导体的抗磁性之后(相继有荷兰物理学家埃伦弗斯特根据有关的超导体在液氦中比热不连续现象(提出热力学中二级相变的概念)柯特和卡西米尔提出超导的二流体模型)德国物理学家F·伦敦和H·伦敦兄弟提出超导电性的电动力学唯相理论（即伦敦

方程）；度海森伯根据电子间的库仑相互作用，提出了一种超导微观理论，波尔提出了另一种微观理论；前苏联物理学家阿布里科索夫提出第二类超导体的概念；巴丁/库伯和施里费提出了BCS理论，贾埃弗发现超导体中的单电子隧道效应；约毖夫森提出了约毖夫森效应等等。1934—1985年，人们对超导体在理论上和实验上都作了广泛的研究，使超导物理学理论逐步发展，超导材料逐步应用于实际科学技术领域。由于人们在一定条件下认识水平的局限性以及其它一些原因，直到今天，超导物理学理论尚不完善，实际应用也不广泛。在这一阶段，人们研究的超导材料临界转变温度较低，所以，在超导史上，这一时期属于低温超导阶段。

2.2高温超导阶段

目前，高温超导材料指的是：钇系(92 K)、铋系(110 K)、铊系(125 K)和汞系(135 K)以及2001年1月发现的新型超导体二硼化镁(39 K)。其中最有实用价值的是铋系、钇系(YBCO) )。氧化物高温超导材料是以铜氧化物为组分的具有钙钛矿层状结构的复和二硼化镁(MgB

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杂物质，在正常态它们都是不良导体。同低温超导体相比，高温超导材料具有明显的各向异性，在垂直和平行于铜氧结构层方向上的物理性质差别很大。高温超导体属于非理想的第II类超导体。且具有比低温超导体更高的临界磁场和临界电流，因此是更接近于实用的超导材料。特别是在低温下的性能比传统超导体高得多。

高温超导材料已进入实用化的研究开发阶段，氧化物复合超导材料的耐用(robustness) 和稳定性已引起材料科学家的广泛重视。由于高温超导薄膜材料较早进入电子学器件的应用领域，很多学者做了薄膜材料与环境相关的稳定性和寿命研究工作。浸泡实验是一种常用的方法：在不同试剂 (水、酒精和丙酮等)、不同气氛(干氮、湿氮和流动氧等)中做周期循环和热时效疲劳试验。研究表明，超导电性的退化主要来自于杂相 (第二相) 及时效过程中的析出相。美国西北大学的Mirkin建议把在其它材料中应用已十分广泛的分子单层表面化学改性(又称“自装配，Self assembly”) 引入到高温超导铜氧化合物中来。例如用有机物对YBCO表面进行分子单层表面改性，以此改善薄膜对环境的敏感性。

高温超导带材以铋锶钙铜氧(BSCCO/2223)系为第一代带材，它以优良的可加工性而得到了广泛的开发，并在超导强电应用领域占据重要位置。但铋系材料的实用临界电流密度较低，并且在77 K的应用磁场也很低。相反，YBCO材料在77 K的超导电性远优于BSCCO材料；然而它的可加工性却极差，传统的压力加工和热处理工艺难以做出超导性好的带材。

近年来随着材料科学工艺技术的发展，一种在轧制 (rolling) 金属基带上制造YBCO 超导带材的工艺受到极大重视，并被冠以“下一代”高温超导带材或“第二代”带材。有两种基本技术方案：(1) 以美国橡树岭国家实验室 (ORNL) 为代表的一个方案，称作轧制双取向金属基带法 (RABiTS)。会上Specht报告了基带的退火织构稳定性分析，并在1m长的取向金属基带上用激光沉积YBCO外延膜。

欧洲以德国、丹麦等为代表，努力开展高温超导材料工艺及应用研究。丹麦的NKT已批量制造铋系超导带材。长10m、2000 A的超导电力电缆正在研制中，下一步开发三相、50～100 m输电电缆。西门子公司计划到2003年制成20 MVA的超导变压器。用于电子学方面探伤的RF-SQUID及卫星通讯用高温超导滤波器也在试制之中。