超导材料的原理与应用

材料学院

有机化学08级02班

李飞

摘  要

超导是金属或合金在较低温度下电阻变为零的性质。超导材料是当代材料科学领域一个十分活跃的重要前沿，其发展将推动功能材料科学的深入发展。高温超导材料经过近 20年的研发，已经初步进入了大规模实际应用和产业化。随着超导材料临界温度的提高和材料加工技术的发展，它将会在许多高科技领域获得重要应用。

关键词：超导 超导材料 临界温度 进展

Abstract

    Superconducting metal or alloy in the nature of the lower temperature resistance reaches zero.Superconducting material is a very active and important contemporary materials science frontiers, which will promote the in-depth development of functional materials science.After nearly 20 years of research and development of high temperature superconducting materials, has been initially entered the practical application of large-scale and industrialization.With the critical temperature of superconducting material to improve and the development of materials processing technology, it will be important in many high-tech areas.

Key words: Superconducting，Superconducting materials，Critical temperature，Progress

1.超导材料的概念

      超导是超导电性的简称，是指某些物体当温度下降至一定温度时，电阻突然趋近于零的现象。具有这种特性的材料称为超导材料。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。超导体另外一个性质是宏观的量子现象。这两个特点，就是超导体最基本的性质。自超导发现至今，超导的研究和超导材料的研制已迅速发展，超导的临界温度已从开始的几开升至几十开甚至一百多开；而且超导材料的物质结构及性质已逐渐研究清楚。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。高温超导材料的发现，是最近几十年来物理学及材料科学领域中的重大突破之一，已引起全世界的广泛关注。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。

2. 超导材料的发展史

 1911年，荷兰物理学家昂尼斯(1853～1926)发现，水银的电阻率并不象预料的那样随温度降低逐渐减小，而是当温度降到4.15K附近时，水银的电阻突然降到零。超导体由正常态转变为超导态的温度称为这种物质的转变温度(或临界温度)TC。1986年，高温超导体的研究取得了重大的突破。掀起了以研究金属氧化物陶瓷材料为对象，以寻找高临界温度超导体为目标的“超导热”。全世界有260多个实验小组参加了这场竞赛。1986年1月，美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎世实验室科学家柏诺兹和缪勒首先发现钡镧铜氧化物是高温超导体，将超导温度提高到30K；紧接着，日本东京大学工学部又将超导温度提高12月30日，美国休斯敦大学宣布，美籍华裔科学家朱经武又将超导温度提高。1987年1月初，日本川崎国立分子研究所将超导温度提高到43K；不久日本综合电子研究所又将超导温度提高到46K和53K。现已发现大多数金属元素以及数以千计的合金、化合物都在不同条件下显示出超导性。如钨的转变温度为0.012K，锌为0.75K，铝为1.196K，铅为7.193K。

3. 超导材料的分类

（1）超导元素：

在常压下有28种元素具超导电性，其中铌（Nb）的Tc最高，为9.26K。电工中实际应用的主要是铌和铅(Pb，Tc=7.201K)，已用于制造超导交流电力电缆、高Q值谐振腔等。

 如图3-1所示：

                     图3-1 超导材料元素表

（2）合金材料：

    超导元素加入某些其他元素作合金成分， 可以使超导材料的全部性能提高。如最先应用的铌锆合金(Nb-75Zr)，其Tc为10.8K，Hc为8.7特。继后发展了铌钛合金，虽然Tc稍低了些，但Hc高得多，在给定磁场能承载更大电流。其性能是Nb-33Ti，Tc=9.3K，Hc＝11.0特；Nb-60Ti，Tc  超导材料性质研究=9.3K，Hc=12特(4.2K)。目前铌钛合金是用于7～8特磁场下的主要超导磁体材料。铌钛合金再加入钽的三元合金，性能进一步提高，Nb-60Ti-4Ta的性能是，Tc＝9.9K，Hc=12.4特（4.2K）；Nb-70Ti-5Ta的性能是，Tc=9.8K，Hc=12.8特。

（3）超导陶瓷：

20世纪80年代初，米勒和贝德诺尔茨开始注意到某些氧化物陶瓷材料可能有超导电性，他们的小组对一些材料进行了试验，于1986年在镧－钡－铜－氧化物中发现了Tc=35K的超导电性。1987年，中国、美国、日本等国科学家在钡－钇－铜氧化物中发现Tc处于液氮温区有超导电性，使超导陶瓷成为极有发展前景的超导材料。

4.超导材料的性质

   （1）零电阻性：

 超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。如果用磁场在超导环中引发感生电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。这种“持续电流”已多次在实验中观察到。例如：科学家发现铅在7.20K（-265.95摄氏度）以下，电阻就变成了零。

 （2）完全抗磁性：

超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零。

 （3）约瑟夫森效应：

两超导材料之间有一薄绝缘层（厚度约1nm）而形成低电阻连接时，会有电子对穿过绝缘层形成电流，而绝缘层两侧没有电压，即绝缘层也成了超导体。当电流超过一定值后，绝缘层两侧出现电压U（也可加一电压U），同时，直流电流变成高频交流电，并向外辐射电磁波，其频率为，其中h为普朗克常数，e为电子电荷。这些特性构成了超导材料在科学技术领域越来越引人注目的各类应用的依据。如图4-1所示：

图4-1  衍射图

（4）同位素效应：

超导体的临界温度Tc与其同位素质量M有关。M越大，Tc越低，这称为同位素效应。例如，原子量为199.55的汞同位素，它的Tc是4.18开，而原子量为203.4的汞同位素，Tc为4.146开。

5.超导材料的基本参数

（1）临界温度：

外磁场为零时超导材料由正常态转变为超导态(或相反)的温度，以Tc表示。Tc值因材料不同而异。已测得超导材料的最低Tc是钨，为0.012K。到1987年，临界温度最高值已提高到100K左右。

（2）临界磁场：

使超导材料的超导态破坏而转变到正常态所需的磁场强度，以Hc表示。Hc与温度T 的关系为Hc=H0[1-(T/Tc)2]，式中H0为0K时的临界磁场。

  （3）临界电流和临界电流密度：

通过超导材料的电流达到一定数值时也会使超导态破态而转变为正常态，以Ic表示。Ic一般随温度和外磁场的增加而减少。单位截面积所承载的Ic称为临界电流密度，以Jc表示。

6.超导材料的研究

（1）非常规超导体磁通动力学和超导机理：

   主要研究混合态区域的磁通线运动的机理，不可逆线性质、起因及其与磁场和温度的关系，临界电流密度与磁场和温度的依赖关系及各向异性。超导机理研究侧重于研究正常态在强磁场下的磁阻、霍尔效应、涨落效应、费米面的性质以及T（2）强磁场下的低维凝聚态特性研究：

    低维性使得低维体系表现出三维体系所没有的特性。低维不稳定性导致了多种有序相。强磁场是揭示低维凝聚态特性的有效手段。主要研究内容包括：有机铁磁性的结构和来源  可用作超导材料的金属在周期表上的分布；有机（包括富勒烯）超导体的机理和磁性；强磁场下二维电子气中非线性元激发的特异属性；低维磁性材料的相变和磁相互作用；有机导体在磁场中的输运和载流子特性；磁场中的能带结构和费米面特征等。

（3）强磁场下的半导体材料的光、电等特性：

强磁场技术对半导体科学的发展愈益变得重要，因为在各种物理因素中，外磁场是唯一在保持晶体结构不变的情况下改变动量空间对称性的物理因素，因而在半导体能带结构研究以及元激发及其互作用研究中，磁场有着特别重要的作用。通过对强磁场下半导体材料的光、电等特性开展实验研究，可进一步理解和把握半导体的光学、电学等物理性质，从而为制造具有各种功能的半导体器件并发展高科技作基础性探索。

（4）强磁场下极微细尺度中的物理问题：

极微细尺度体系中出现许多常规材料不具备的新现象和奇异特性，这与这类材料的微结构特别是电子结构密切相关。强磁场为研究极微细尺度体系的电子态和输运特性提供强有力的手段，不但能进一步揭示这类材料在常规条件下难以出现的奇异现象，而且为在更深层次下认识其物理特性提供丰富的科学信息。主要研究强磁场下极微细尺度金属、半导体等的电子输运、电子局域和关联特性；量子尺寸效应、量子限域效应、小尺寸效应和表面、界面效应；以及极微细尺度氧化物、碳化物和氮化物的光学特性及能隙精细结构等。

（5）强磁场化学：

强磁场对化学反应电子自旋和核自旋的作用，可导致相应化学键的松弛，造成新键生成的有利条件，诱发一般条件下无法实现的物理化学变化，获得原来无法制备的新材料和新化合物。强磁场化学是应用基础性很强的新领域，有一系列理论课题和广泛应用前景。近期可开展水和有机溶剂的磁化及机理研究以及强磁场诱发新化学反应研究等。

7.超导材料的应用

   近年来随着超导材料的发展，超导技术已经在各行各业得到了广泛的应用，主要在电力系统方面的应用较为广泛。

（1）超导发电机：

   在电力领域，利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强度提高到5 万～6 万高斯，并且几乎没有能量损失，这种发电机便是交流超导发电机。超导发电机的单机发电容量比常规发电机提高5 ～10倍，达1 万兆瓦，而体积却减少1/2 ，整机重量减轻1/3 ，发电效率提高50％。

（2）超导输电线路：

超导材料还可以用于制作超导电线和超导变压器，从而把电力几乎无损耗地输送给用户。据统计，目前的铜或铝导线输电，约有15% 的电能损耗在输电线路上，光是在中国，每年的电力损失即达1000多亿度

（3）超导变压器：

超导变压器一般都采用与常规变压器～样的铁芯结构，仅高、低压绕组采用超导绕组。超导绕组置于非金属低温容器中，以减少涡流损耗。变压器铁芯一般仍处在室温条件下，超导变压器具有损耗低、体积小、效率高(可达99％以上)、极限单机容量大、长时过载能力强等优点。同时由于采用高阻值的基底材料，因此具有一定的故障电流作用。一般而言，超导变压器的重量(铁芯和导线)仅为常规变压器的40％甚至更小，特别是当变压器的容量超过300 MVA时，这种优越性将更为明显。

（4）超导磁悬浮列车：利用超导材料的抗磁性，将超导材料放在一块永久磁体的上方，由于磁体的磁力线不能穿过超导体，磁体和超导体之间会产生排斥力，使超导体悬浮在磁体上方。利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车。

（5）超导计算机：

高速计算机要求集成电路芯片上的元件和连接线密集排列，但密集排列的电路在工作时会发生大量的热，而散热是超大规模集成电路面临的难题。超导计算机中的超大规模集成电路，其元件间的互连线用接近零电阻和超微发热的超导器件来制作，不存在散热问题，同时计算机的运算速度大大提高。此外，科学家正研究用半导体和超导体来制造晶体管，甚至完全用超导体来制作晶体管。

8.超导材料的制备工艺（以高温超导材料为例）

   为适应各种应用的要求，高温超导材料主要有：膜材(薄膜、 厚膜)、块材、线材和带材等类型。其制备方法见表1。

表1　高温超导材料主要制备方法及用途

高温超导体薄膜是构成高温超导电子器件的基础，制备出优质的高温超导薄膜是走向器件应用的关键。高温超导薄膜的制备几乎都是在单晶衬底(如SrTiO 、LaAl O 或MgO)上进行薄膜的气相沉积或外延生长的。经过十年的研究，高温超导薄膜的制备技术已趋于成熟，达到了实用化水平(Jc>106 Ac•m ,T=77 K)。目前，最常用、最有效的两种镀膜技术是：磁控溅射(MS)和脉冲激光沉积 (PLD)。这两种方法各有其独到之处，磁控溅射法是适合于大面积沉积的最优生长法之一。脉冲激光沉积法能简便地使薄膜的化学组成与靶的化学组成达到一致，并且能控制薄膜的厚度。

9.超导材料的展望

   超导的三大特点：零电阻、完全的抗磁性和隧道效应。这些特性带来很大的实用价值’例如超导的零电阻’能使人们实现电力的无损输送等+如何使超导体的这三大特性实用化’以及实用化后将会出现的问题’都是目前超导科学工作者们所面临的难题

  （1）超导材料的可能应用：

利用超导的第二个性质，可以形成高磁场，高磁场在新兴的科技领域中有着广泛的应用，如日本正计划建设磁浮列车以及用超导电磁来推动轮船等。另一个用途是储能，美国计划一项代号为SMES的储能工程，这一工程研究了能在10s内释放40—100MW的能量；储能的另一个用途是均衡电力网，因为日夜间的电力需求不一。夜间，人们用电较少，则可以存储起来，在白天需要时释放出来。

超导材料还可用于医学、生物学及测量系统等等，由于真正理想的超导体尚未问世，人们对超导材料在科学领域的应用只能作一些设想和简单的试验，一旦理想的超导材料问世，它的实际应用远非今天所能设想的，它必将改变人类科学以致改变整个世界。

  （2）超导研究所遇到的困难：

   超导材料有着广阔的应用前景，但要用超导材料来改进现有的科技工程又决非易事。目前，科学家和工程师们所遇到的困难是如何使超导材料实用化，即提高临界转变温度、临界电流密度和改良其加工性能，制造出理想的超导材料。

  （3）中国超导材料的发展：

我国电力、通信、国防、医疗等方面的发展急需利用超导技术解决现有的关键技术问题。在电力工业方面，电能需求量日益增长，对供电质量和可靠性的要求越来越高，常规电力技术已越来越不能满足电力工业发展的需求。超导电力技术(如超导储能、电缆、限流器、电机等)可以克服常规电力技术的缺陷，它的应用将带来电力工业的重大变革。在国防工业方面，由于超导技术不可代替的特殊性和优越性，将在扫雷艇、超导电机、电磁武器、传感器、舰船用防弹及导航用高精度超导陀螺仪等领域被广泛应用。

西北有色金属研究院经过40年的艰苦努力，在超导材料研究和产业化方面实现了第一个跨越式发展，换来了“十五”期间我国超导材料研发历史上里程碑的成果，并且奠定了未来发展的基础。在未来的5～15年，西北有色金属研究院将继续坚持自主创新，在我国建成具有国际一流水平的低温超导材料生产基地，同时实现高温超导材料技术的突破，实现我国超导材料第二个跨越式发展。

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