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1、超导电材料的性能和应用综述吴舒(材料物理092)摘要：超导电材料的性能，简单的叙述了目前研究现状和高温超导、低温超导材料在强电、弱电方面的应用及相应的研制出来的比较有代表性的产品及成果，最 后阐述了超导体材料作为现在的研究热点，对未来人们的生活可能产生的影响。关键词：超导电材料临界温度高温超导1引言超导电材料的研究是当今世界上一门新兴的热门科学技术。许多科学界都致力 于超导电材料的研究和探索，超导电材料的应用，正在一步步改善人们的生活条件 及生活水平，无论是在能源、交通、工业、医疗、生物、电子和军事等方面，超导 电材料都扮演着越来越重要的角色，影响着人类生存的许多重要领域，本文简单的 总结了一
2、下超导电材料的部分性能及一些部分超导电材料及技术在目前的应用和 对人们现在生活产生的影响。2超导电材料的部分性能及部分材料的研究现状1911年,荷兰莱顿(Leiden)大学的昂纳斯(Onnes)当温度降到4.2K时,汞的 电阻率突然降至于零，之久意味这电流在物质中可以无限畅通。后来人们将这种电 阻为零的现象极爱做超导现象，凡是具有超导现象的物质叫做超导体或者是超导材 料。超导一共有三个临界值，分别是：临界磁场、临界温度(T c)、临界密度，只 有在不超过这三大临界值的状态下，超导现象才会发生。从1911到1986年的75年中,发现的超导体均在纯金属或者是一些金属间化合物中，如Nb、NbN、Nb
3、3Sn和V3S i 等。尽管其中有少量的氧化物，但它们的临界温度都比较低o 1986年，K. A. Muller 及其学生T. G. Bednorz报导了Lal. 85BaO. 15CuO4的Tc温度为35 K,开创了探究 高温超导材料的新时代，实现(液氮温区)高温超导体的大量研究。之后氧化物的 Tc温度不断被刷新，1988年，中华国科学院发现了超导临界温度为120K的钛钥钙铜 氧化物，而后又发现HgBa2Ca2Cu308. 3 ( 1223)在环境压力下T c温度为134 K,在 34 GPa压力下为164 K。200年H本学者神原等大象LaFePO超导体的Tc为4K,有开创 铁系超导体的新
4、时代。对LaFeAsO系中一离子半径较小的Sin代替La时得到的SmFeAsO 的Tc温度为55K,这是继铜氧化物高温超导体后引起的世界瞩目的铁系行高温超导 体【1】。前不久，德国斯图加特的马普固体研究所专家利用睡到扫描显微镜研究 锡纳米粒子证实，金属粒子的电阻损耗与粒子的大小有关，当金属粒子呈纳米状态 是，材料获得的超导性能的温度将会大幅提高。在足够小的情况下，通过量子效应 可增强技术粒子超导性能的60%。2001年初，FI本科学家Akimitsu等人发现了一种具有38K临界转变温度的新型超 导材料MgB2,他的转变温度是到1005年简单金属间化合物中最高的。由于MgB2 的磁通钉扎性比较查
5、，限制了其广泛应用。在掺入杂质后，MgB2的性能有所改变， 如掺入金属单质粒子，如Ti、zr、Hf、Ta、In和Sn后，MgB2的临界电流密度有所提 高，但是超导转变温度没有改变。用Ag、Ni、Ta作为掺杂物时MgB 2的临界电流密 度没有明显改变，并且掺入Cu后，临界电流密度还有所降低，并且不桶的杂质对MgB2 的影响程度还不相同，综上，在一定的条件下，部分金属粒子作为掺杂物起到了改 善MgB2的超导电性的作用，但是影响各不相同。随着研究的不断深入,研究发现IP- 金属单质、化合物及氧化物颗粒掺杂能在更高的磁场条件下影响MgB2的超导性能，后来人们渐渐吧注意力集中在SiC、SiN4、Si、Y
6、203等这些纳微米级颗粒最MgB2进 行掺杂的研究。这些粒子的中队MgB2的Jc值改变最明显的是SiC纳米粒子。目前世 界上许多国家的实验室都在致力于提高MgB2超导电性能的研究工作，结果研究表明 通过掺杂大大改善了其超导电性能。MgB2超导体许多优越的特性和用于检测文弱电 信号的超导量子干涉器的成功制备，使其在大地探矿、以医疗仪器、军事方面的应 用变成了可能。3超导材料的应用物质超导电性的基本特征是完全导电性和完全抗磁性。而非常规超导体的超导 电性是指不能用常规的电子-声子相互作用给予完满结识的超导体，已发现的有重 费米超导体、有机超导体、高温（氧化物）超导体3类。在研究超导体成为热点时,
7、实用超导材料的应用性能也在慢慢进行开发。低温超导材料主要用于建立强磁场的 超导体有NbTi、Nb3Sn和V3Ga；作为薄膜材料广泛应用于弱电领域有NbN。在强电 强磁场中NbTi超导磁体用于高能物理加速器、探测等离子体磁约超导储点磁悬电 磁推进和核磁共振人体成像仪，运用在多处大型超导粒子加速器中。Nb3Sn超导体 已商品化用于小型高场（）二10T）磁体，数米孔径的磁体在LCT及托马斯-15中运 行，超导薄膜NbN制作低温量子干涉（SQUTD）器件以用于医学和弱电场信号检测 中。而高温超导材料从背景的需求出发。具有高而稳定的临界转变温度Tc,高的临 界磁场强度He5T,尽可能的临界电流密度Jc,
8、好的加工性，可制成块、片、薄 膜等，有一定强度和韧性等。高温超导体在美国、欧洲、日本的应用项目主要包括: 输电电缆、变压器、故障电流限制器（FCL）、大气流引线、点机、飞轮储能和磁悬 浮列车等。随着高温超导材料等实用化应用水平的不断提高，期应用范围讲更加广阔。在电子学领域笔迷用于制备微波和毫米波器件、量子干涉器件、红外探测器、高频信 号源、告诉信号处理器、连接电路等，以便用于航空探潜、红外探测、微波接收、 时间延迟相控阵天线等。在强点方面用带、线、块材料制备水单、发电、运输机军 用推进器、用于无磁制冷、可变温微型制冷、精密测控温度等。超导器件以其损耗小、噪声低、体积小、重量轻可获得优异的性能，
9、例如谐振器的 高品质因素；滤波器的低插损；量子干涉器(squid)的低噪声和高灵敏度等。尤 其是在微薄领域器件种类多，性能要求高(高灵敏度、低噪音、体积小)的高灵敏 度通信和电子检测的应用方面，更显得重要。超导谐振器具有极高的品质因数Q值, 来源于超导传输线具有极低的传输损耗。利用高质量的蓝宝石介质圆波导两端一超 导哦莫做反射边界条件构成一个谐振器(HTS-Sapphire-HTS结构)其品质因素Q值 与相同结构的常规介质加载铜谐振器高7倍。滤波器的发展趋向于超窄带1%,大功 率(10W),最大限度缩小体积和减轻重量。超导滤波器比常规的铜膜滤波器体积、 重量分别小17倍和10倍，此外还就有低插
10、损，同样信号的输出信号比要告6倍。 信号通过幅频改变极小，信号失真也极小。在基片(0.127mm)上制成超导微带线 或者是共面线构成延迟线，优点是差损低、重量轻、色散弱，延迟量在想微秒级努 力,在材料结构TBCO/LaA 103(0. 125mm)的基片上构成的超导延迟线，延迟量课达到 44ns,差损为16 dB,工作温度为77K。量子干涉器是构成高灵敏度磁强计的重要 器件，可制成直流或交流量子干涉器，而量子干涉器惨用于制作A/D变换器。采用 高温度超导窄带电阻滤波器可以进行窄带大深度隔波，抑制强脉冲、大功率连续波 干扰信号，保护接收机不漏失信号。性能在X-Ku频率波段，隔波宽度0, 1%0,
11、5%, 不饱和输入功率35dB (3W)时，灵敏度常规接收机高15dB、20 dB或者更高。弱电制成的超导电子器件比半导体器件也有一些边角显著的优势，如：具有高速度（开关时间在US内）；低能耗是硅器件的千分之一，宽频响应（远红外至亚 亳米波、X射线、核辐射菊科响应）；低噪音（低半导体器件几个数量级）；具有较 高的灵敏度和分辨率。强电制成的超导磁体重量减轻，速度提高，噪音降低，可用 于磁推进、磁屏蔽、点击、磁流体发点，潜艇磁推进机。制造超导加速器期体积小、 可移动、课用英语制造自由电子激光器、中性粒子束武器，双质子同步加速器等。制造电磁炮的储能高达108J/M3的单级电机能源。就超导电材料的应用
12、，下面举部分比较有代表性的粒子进行阐述。美国物理学家伯恩特指出，电能的输送是超导日最重要的应用之一。利用超导 体材料书店，由于电阻小时，线路损耗为零，用超导材料科制成高效率大容量的动 力电缆，并且减少导体的需求量，节约大量有色金属资源。目前，高温超导体（HTS） 电力电缆的应用研究发展较快，机油可能首先广泛运用于电力系统中。超导电乙焕炭黑DENKA BLACK是由日本denka公司生产，广泛用于干电池，锂电池 级各类到点塑料、香蕉中。有（50%）压缩状和粒状两种现货供应，该种材料具有 高纯度、搞结构、易分散、导电性好、高吸液性、不吸水（不用烘干）、导热性好 （散热性）等特点，主要用于制作干电池
13、，可用于所有类型的干电池，短路电流高, 高容量，寿命长等特点；用作制作锂电池，具有纯度高（金属铁含量低，安全性好）、 导电性好，比表面积小（易分散）等特点；用于IC,主要用于封装、防静电材料、 防爆盒等。超导悬浮列车，在前面说过，超导体具有完全抗磁性，在车厢底部装备的超导 线圈，路轨上沿途安防金属环，就构成悬浮列车。根据同性相斥的原理，列车受到 向上的推力而悬浮。超导悬浮列车具有许多优点：由于悬浮行驶，所以轨道与机车 见不存在任何实际接触，没有摩擦，这速度很快，也可以节约很多的能源，悬浮列车的可靠性大，维修简便，成本比较低，噪音小，以电为动力，没有废弃排放，无 污染，是一种绿色的交通工具。发展
14、超导变压器可提高店里变压器的性能，从经济上看，超导材料的低阻抗特 性有利于减小变压器的总损耗，高电流密度可以提高电力系统的侠侣，可以节约能 源，从绝缘运行寿命上看，超导变压器的绕组和固体绝缘体都运行于深度低温下，不存在绝缘老化问题。口本也在进行有关于铁道车辆主变压器超导电化的可行性研 究。以质量轻为主要目的的铁道车辆用高温抄到底单主变压器中，将卷得尽可能密 的线圈配置在强磁场中，该线圈结构应不同于遗忘试制的电力高温超导电变压器的线圈。因此，铁道车辆用主变压器的高温超导电绕组将模拟初级线圈制成单根做成圆筒线圈的“多层圈，实验证明,多层圈”与“密圈”的电流-电压特性、电流特性、交流损失等特性都达到
15、了规定的要求。用超导体检测红外线辐射，已设计制造了各种样式的高Tc超导红外探测器。与 传统的半导体探测器相比较，高Tc超导探测器在大雨20微米的长波探测中将为优 良的接受器件，填充课电磁波谱中远红外至毫米波段的空白。此外，他还具有高集 成密度、低功率、高成品率、低价格等优点。这一技术将在天文探测、光谱研究、 远红外籍贯接受和军事光学的那个领域有广泛应用。真空超导供暖技术是目前世界公认的超导传热和高效换热技术，目前已制成应用型 真空超导电暖器，它具有加温速度快，热度均匀，达到一定温度后，可自动断电， 温度降低后又可自动接通电源，使用很方便，这种电暖器不需要大的用电量，开创 了国内电暖技术的新纪元
16、。这种电暖器只要将超导液充入封闭的真空管中，加温 35C以上，超导液就自动被激化，以声速的速度传递热能，数分钟就可以达到200C 左右。与水暖相比，真空超导供暖器具有起动温度低，传热速度快，节省能源，烧 停随意等显著优点。人类对电力网总输出功率的要求是不平衡的。利用超导体，可制成高效储能设 备。由于超导体可以达到非常高的能量密度，可以无损耗储存巨大的电能。这种装 置把书店网络中用电低峰是多余的电力储存起来，在用电高峰是四方出来，解决用 电不平衡的矛盾。2011年5月24日，中国电科院电工与新材料研究所（超导电电 力研究所）历时两年时间自主研究的周温超导储能系统在国家电网仿真中心电力系 统动态模拟实验室成功实现了并网功率补偿。该高温超导储能系统是我国首个应用 第一代秘系和第二代包根铜氧混合超导体构造的千焦容量高温超导储能系统。4总结及展望超导电材料是不仅是过去，现在的研究热点，也必将是将来的研究热点。对
