超导材料研究现状及其应用

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1、超导材料研究现状及其应用超导材料研究现状及其应用摘摘 要要：本文主要介绍了超导现象，超导的应用及我国超导研究现状。关键词关键词：超导现象 超导的应用 超导研究现状材料是人类赖以生存和发展的物质基础，某一种新材料的问世及其应用， 往往会引起人类社会的重大变革因此使用什么样的材料制造工具往往成为人类 文明发达程度的一个重要标志。人们把人类历史分为石器、青铜器和铁器时代。 在群居洞穴的猿人旧石器时代，通过简单加工获得石器帮助人类狩猎护身和生 存，随着对石器加工制作水平的提高 ，出现了原始手工业如制陶和纺织，人们 称之为新石器时代。青铜时代大约源于 4000-5000 年前。青铜是铜锡铝等元素 组成的

2、合金，与纯铜相比，青铜熔点低，硬度高，比石器易制作且耐用。青铜 器大大促进了农业和手工业的出现。铁器时代则被认为是始于 2000 多年前，春 秋战国时代，由铁制作的农具、手工工具及各种兵器，得以广泛应用，大大促 进了当时社会的发展。钢铁、水泥等材料的出现和广泛应用，人类社会开始从 农业和手工业社会进入了工业社会。本世纪半导体硅、高集成芯片的出现和广 泛应用，则把人类由工业社会推向信息和知识经济社会。 超导现象超导现象 1911 年，荷兰物理学家昂尼斯发现，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.为了 证实这一现象，他用磁铁在水

3、银环路中感应出电流，经过长达一年多的观察发 现，只要水银环路保持在 4.15K 的低温，环路中的电流就不会有能测量到的衰 减，电流不断地沿着环路转起来，就像不知疲倦的一匹马一样.当温度降到某一 温度时，金属的电阻变为零的现象叫超导现象，能够发生超导现象的物质，叫 做超导体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.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.而且超导临界温度的纪录不断地被打破，例如，1975 年，有人发现 铌三锗的超导临

4、界温度为 23.2K.1986 年，又有人发现钡镧铜氧化物的超导临界 温度为 30K，这个现象引起了科学家对氧化物高温超导陶瓷的高度重视.1986 年 12 月，中国科学院的赵忠贤研究组获得了起始转变温度为 48.6K 的锶镧铜氧 化物.1987 年 2 月，美籍华裔科学家、美国休斯敦大学的朱经武教授获得了起 始转变温度为 90K 的高温超导陶瓷.1987 年 3 月，中国科学院公布了起始转变 温度为 93K 的 8 种钡钇铜氧化物.1988 年，中国科 学院发现了超导临界温度为 120K 的钛钡钙铜氧化 物.这些成就显示了我国高温超导材料的研究已经 名列世界前茅 超导超导应用应用 寻找工业应

5、用永远是推动研究的推动力。从应用 角度看，初期的超导材料很容易被外界磁场所抑Fig.4, Hc2 vs Tc 17制。实际应用困难较多。被称为 I 型超导材料。能在强磁场下保留其超导特性 的材料，被称为 II 型超导材料，或称硬超导材料。这些材料不像 I 型超导材料 那样临界温度转变很突然，而是有一个过度区。 在此区内，Tc 值随外加磁场 的加大而下降，故有两个临界磁场值， Hc1 和 Hc2. 1。 II 型超导由于 Hc2 值较大，其应用领域十分广阔。 如 NbTi, Nb3Sn 已形成了数十亿欧元的市场分 额，作成超导线圈，制成电磁铁，用于 MRI 或高能物理所用粒子加速器。这些 都是常

6、规线圈无法达成的。虽然 II 型超导应用潜力很大，但深度冷冻则需要相 应的资金，装备和能量。特别是大型设备所需投入很大。在成本上的竞争力还 嫌不足。因此许多大型电力系统的设备或部件，尽管作了很多精心设计，都还 停留在试运行或示范阶段. 随着冷冻技术的发展和小型化2，许多微型超导电 路结合了微型冷冻装置的开发，却已领先进入了市场，如 SQUID 在医疗器械， 计算机芯片制造方面的应用等。高温超导滤波器正在向手机渗透。 超导主要有下列应用： 1超导电力系统 自从高温超导问世以后，在电力系统中的应用研究，在全球各地都是热门课题。 由于超导材料会给直流电带来零电阻，对于交流电带来接近零电阻。采用超导

7、材料将会显著提高电力设备的效率并显著减小设备体积和重量。还会显著减少 燃烧对自然环境，如臭氧层的破坏。然而要把超导材料投入实际应用，还须解 决许多问题。二十年来，科研人员投入了大量辛勤劳动，许多电力设备已经过 精心研究设计，参见以下图例。2超导线材和电缆 在美国能源部的组织和资助下，首先在美国橡树岭研究所建造了5米长的高温超 导电缆的示范装置。在此基础上又在Southwire 公司的Carrollton工厂建造了 30米长的高温超导电缆， 用以供电，现已运行了2200小时以上。并于2002年经 过验收。这是世界上第一条高温超导电缆3。美国超导体公司，American Superconducto

8、r Corporation, 已将各种规格的超导电缆列入了它的产品规格 清单当前用于制造高温超导线材和电缆的材料主要是BSCCO和YBCO.。两者都不能直 接拉成线材。首先纳入批量生产的是BSCCO，制造方法是先将BSCCO氧化物填充 在银套管内，然后经过压延和拉伸制成线材， 简称PIT（Powder in tube）工 艺。YBCO则采用了有机金属化学气相沉积的方法制成带状薄膜，同样可以制成 各种线圈。由于YBCO的临界电流远远超过BSCCO，故BSCCO常被称为第一代超导 线材，而YBCO则被称为第二代超导线材。4. 3超导磁共振成像仪 超导磁共振仪是超导材料首先得到商业化的重要领域。 但

9、大都采用低温超导。 香港大学今年五月份宣布已用高温超导薄膜低损耗高频接受线圈，来改进磁共 振成像仪的成像质量。只是成像视野较小。建议用更简单的方法来设计制造高 温超导线圈。即用银合金套管的Bi(2-x)PbxSr2Ca2Cu3O10, (Bi-2223), 高温超 导带。已采用5寸单层螺旋管获得了手腕的成像。获得的成像清晰度比6寸YBCO 线圈在77 K所得成像清晰度更高5. 4. 磁悬浮列车 建于上海浦东的磁悬浮列车自 2002 年底通车以后，已有三年。所用磁悬浮力即 来自钇钡铜氧高温超导体和钕铁硼磁钢6。 5.超导量子干涉器件 SQUID SQUID 是 Superconducting Q

10、uantum Interference Devices 的缩写。通过两 个超导体和两个约瑟夫逊接所组成的闭合 环路便是 dc-SQUID 的核心电路。见示意 图如右。若施加一定的偏流，则外加磁场， 电压 V 与偏流，三者之间，密切相关，从 而可以测量微弱磁场。由于此种测量的灵 敏度很高，此种装置可用来检测人体不同部位的微弱磁场。 如心脑所产生的磁 场。根据这一原理，还可以制成多种不同的测量仪器并已商业化。如在结构复 杂的计算机芯片中和飞机部件中进行无损探伤等。7 6.超导滤波器 在蜂窝基站收发信台（- ）中,使用高温超导 （ ）技 术,将可使蜂窝基站的许多性能参数同时得到改善,如灵敏度、抗干扰

11、能力、覆 盖面积、容量等。高温超导滤波器的主要特 点是滤波功能接近理想矩 形滤波器。 因此能基本消 除干扰，提高信号质量。 也同时能在同一频宽内安 置更多用户。理想滤波器 与常规滤波器的特性对比 见左图8。我国超导研究现状我国超导研究现状 我国在铋系带材、铊系和钇系大面积双面薄膜、钇系准单畴块材以及钇系 新型涂层带材等方面与国际水平相当或相近，在前驱粉制备、线（带）材加工 工艺和热处理等方面具有独立的技术和知识产权。 在铋系高温超导带材方面，北京英纳超导技术公司和西北有色金属研究 院先后建成年产 200km 的生产线，为我国超导应用技术产业化提供了必要的材 料基础。300m 长带的临界电流接近

12、 90A，达到国际先进水平，在满足国内需求 的同时，产品还出口到韩国、欧洲等国家和地区。 在大面积双面高温超导薄膜方面，中科院物理所和北京有色金属研究总 院分别实现了 2 英寸钇系薄膜的小批量制备，表面微波电阻降低到 1m；而中 科院物理所课题组（南开大学）的铊系薄膜表面微波电阻达到 0.8m 以下，而 且产品稳定性好，技术指标达到国际上的最好水平，基本满足超导弱电应用的 要求。 在高温超导单畴块材方面，我国在材料制备工艺上有知识产权，与国际 先进水平的差距较小。制成直径 5cm、冻结场 7T（4.2K） 、磁悬浮力 16Ncm2 的钇系块材；北京有色金属研究总院实现了直径 4cm 单畴材料的

13、小批量生产， 2000 年 12 月利用自产的 340 余块钇系块材制备出了世界首辆载人高温超导磁 悬浮实验车。 在低温超导材料方面，我国在熔炼加工和热处理上拥有自主知识产权。 西北有色金属研究院熔炼的 NbTi 合金杂质含量低，综合性能高，成本低于国际 同类水平，并且创造了国际最高 Jc 纪录。 超导强电应用技术 高温超导电缆、限流器、变压器、磁储能系统、电动机、MRI 磁体等应用 技术的研发均已启动。相关企业和投资界已经积极参与超导电力技术的产业化， 一些研发型公司已经建立起来。 完成 4m 单相 35kV2kA 和 10m 三相 10.5kV1.5kA 高温超导电缆系统， 并将进行并网试

14、验。 小型超导限流器（400V25A） 、超导变压器（400V16V26kVA） 、超导 储能系统（50kJ20kW）的试验样机均已研究成功。超导弱电应用技术 研制成功适合我国通信系统的 GSM1800、GSM900 和 CDMA 移动通信用高温 超导滤波器系统，技术指标处于国际先进水平。 完成了 X 波段高温超导高性能接收机前端系统各单元部件的优化设计及 制作，并开始对 X 波段高温超导高性能接收机前端系统进行一体化集成初样研制。 开展了高温超导 SQUID 在心磁测量、无损检测和大地电磁测量等方面的 应用研究。800MHz rf SQUID 系统，其探头采用独创的超导薄膜梳齿谐振器， 具有

15、自主知识产权，高频（1500MHz）性能明显优于国外产品，系统灵敏度达到 国际水平（53fTHz1/2） ，其工艺技术已适用于小规模的产品化。在应用研究 方面，用高温超导 SQUID 在磁屏蔽室或远郊安静环境下成功地进行了多例（近 百人）和多点位（胸前 36 点）的人体心磁测量。经过数据处理后有很好的信噪 比，具备了研制开发医用 SQUID 心磁图仪的能力。我们期望着通过科研人员和个有关业界的通力合作，坚持不懈的努力，高温 超导必将改变全球的能源，环保和生活各个方面的现状，创造一个全新的世界。参考文献 1， 物理新闻和动态 34 卷（2005 年）1 期，75 页，高温超导机理研究的新进展 2

16、，同济大学学报（自然科学版）第 33 卷 7 期， 2005 年 7 月，869-874 页，高温超导的物理进展3, IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL.14, NO.4, DECEMBER 2004, 2037-2046, Superconductivity: An Emerging Power-Dense Energy Efficient Technology 4，Cryogenics, 45 (2005), 3-10，Roads for HTS power applications to go to the real world, cost issues and technical issues. 5， Journal of Electronic Packaging 2004