超导材料的发展及应用

专论与综述

超导材料的发展及应用

王醒东，张立永，孔梅梅

（富通集团有限公司，浙江

富阳311400）

摘要：超导材料与技术是具有潜在商业价值和应用前景的高新技术产业之一，在过去几十年里被广泛研究。本文概述超导

RBCO、MgB2和有机超导材料材料的研究意义，并在国内外研究文献的基础上论述了几种典型的超导材料。其中详细介绍了BSCCO、

等，并对超导材料的潜在应用进行了介绍，最后展望了其发展方向。

关键词：超导；BSCCO；RBCO；MgB2；有机超导材料；应用

DevelopmentandApplicationofSuperconductingMaterials

WANGXing－dong，ZHANGLi－yong，KONGMei－mei

（FutongGroupCo．，Ltd．，ZhejiangFuyang311440，China）

Abstract：Superconductingmaterialsandthetechnologywereoneofthehigh－newtechniquewithpotentialcommer-cialvalueandpromisingapplications．Inthepastfewyears，itwasusedwidely．Basedontheliteratureathomeanda-broad，severaltypicalsuperconductivitymaterialswereintroduced，especiallyBSCCO，RBCO，MgB2andorganicsuper-conductivematerialindetails．Theapplication，prospectandtendencywerealsosummarized．

Keywords：superconductivity；BSCCO；RBCO；MgB2；organicsuperconductor；application

材料是人类进步和文明的标志，是社会发展的里程碑，对生产力的发展起到了巨大的推动作用。纵观历史上每一次重大技术的发现和发展，往往可以看到新材料的身影，尤其是新型功能材料。新型功能材料指的是对社会进步和国民经济的发展具有

且具有特殊物理或化学性能如光、电、磁等特性正面推进作用，

的新材料，超导材料就是一种具有特殊性能的新型功能材料。自1911年发现超导现象以来，已发现了5000多种超导材料，目前这一数量还在增长。超导材料有三个基本特性：（1）零电阻性。超导材料处于超导态时电阻为零，如电路处于通路状态，则电流可以永久的持续下去；（2）抗磁性，也称为迈斯纳效应。超导材料处于超导态时，会将体内的磁通量全部排除体外；（3）宏

可在绝缘层观量子效应。当两种超导材料被薄绝缘层隔开时，

中观察到电流，若在薄绝缘层两端加上电压，电流会停止且产生高频振荡。利用超导材料的三个基本特性，已经先后研发出了

电流故障限流器、超导电机、超导量子干涉仪超导电缆、

［1－4］

（SQUID）和磁悬浮列车等产品。部分产品目前已经商业化或已示范运营。超导材料包括低温超导材料（LowTemperature

LTS）和高温超导材料（HighTemperatureSuper-Superconductivity，conductivity，HTS），目前研究热点主要是HTS材料。

本文在国内外研究文献的基础上，总结了几种典型的超导材料并论述了各自特点，对超导材料的应用进行了介绍，并对发展方向进行展望。

典型的铜基氧化物超导材料主要有：和薄膜三类，

1．1．1铋系高温超导材料（Bi－HTS）

也称为一代高温超导材料，分子式BinSr2Cam－1CumO2m+n+2，简写成BSCCO。自20世纪80年代高温超导材料被发现以来，

Bi－HTS带材已经产业化。Bi－HTS材料是经过数十年的努力，

典型的陶瓷材料，脆性大，延展性差，所以机械加工困难，在加工过程中容易产生裂纹和气泡。目前工业上主要采用粉末套管［5］

OPIT，图1）生产Bi－HTS带材，主要法（OxidePowderInTube，

工艺步骤是将配比一定的前驱体粉末装入金属套管内，经过拉拔、轧制等机械加工手段成型，最后经过一系列热处理即可得到Bi系超导带材。用此方法制备的Bi系超导带材虽然可以基本

但带材中仍然存在着较多的孔洞、裂纹。满足实际工程的需要，

［6］

为了进一步提高带材的性能，科研人员研发了过压热处理技术（Controlled－Over－PressureSintering，COPS），该法采用恒定的高

可以有效的消除带材中的空隙，孔压流通气氛对带材进行热处理，

隙率仅有1%～5%，而采用普通热处理的带材孔隙率最多达到30%。目前国内外生产Bi－HTS的研究开发现状见表1

。

1

1．1

几种典型的超导材料

铜基氧化物超导材料

图1OPIT的工艺流程

Fig．1TheprocessdiagramofOPIT

铜基氧化物超导材料，顾名思义，就是分子式中含有铜和氧

材料的超导特性主要是由分子结元素的超导材料。研究表明，

构中的CuO2层决定的。超导材料的使用形式主要有块材、带材

表1国内外Bi系超导带材研发现状

ThedomesticandforeignR＆DstatusofBi－based

superconductingtapes

临界电流工程电流密度

/A/（A/mm2，77K，0T）＞115＞100＞60＞60

＞120＞100＞70＞60＞70＞70

基材

状况

Table1

研究单位或

生产厂家美国超导公司日本住友电器公司德国真空冶炼公司澳大利亚超导公司

银合金和批量生产，银合金钢带销售银镁合金银合金银合金银合金银合金

批量生产，

自用批量生产，销售批量生产，自用小量生产销售/自用批量生产，销售

Fig．2

图2Y－123涂层导体结构示意图

TheschematicdiagramofY－123coatedconductor

表2YBCO涂层导体各层材料及作用

Table2TheroleandmaterialofeachlayerforYBCO

coatedconductor

名称基带缓冲层超导层稳定化和保护层

材料

镍钨基带（Ni－5%W）CeO2，YSZ，MgO，SrTiO3等

Y－123银和铜

作用

模板，提供机械强度

防扩散，防止层与层之间反应，起传递织构作用

导电

起稳定，保护作用

中国

西北有色

90～100

金属研究院北京英纳超导公司

100

Bi－HTS带材在30K以下具有较好的高场性能，可以用来建造30K以下使用的高场磁体。但目前Bi－HTS带材产业化的难点和关键在于提高长带材的均匀性和降低成本（Bi－HTS带材使用银作为基带）。

1．1．2稀土系高温超导材料（Re－HTS）

也称为二代高温超导材料或涂层导体（coatedconductor），分

常简写为RBCO，分子式中的Re子式为ReBa2Cam－1CunO2m+n+2，

La，Pr，Nd，Sm，Eu，Ho等稀土元素，元素包括Y，目前研发重点主

Y－123超也称为Y－123。与Bi系超导材料相比，要是YBCO，

受磁场的影响小，不以银等贵金属作为导材料临界电流密度高，

［7］

基带，成本低，具有可用于建造70K以上的高场磁体等优势。目前，不管是科研院所还是生产Bi系超导带材的厂家都在积极开展二代YBCO材料，尤其是YBCO带材的研究。YBCO带材或

见图2，包括基带、缓冲层、超导层、稳定薄膜通常具有多层结构，

化层和保护层，各层的材料及作用见表2

。

日本YBCO材料的研究目前处于世界领先水平，而我国虽

从20世纪90年代初期就开始了YBCO带材的研究，也取得了一定的成果，但总体上而言，基础很薄弱，与国外技术水平仍有很大的差距。我们应当学习国外经验，增加研究投入，培养研究队伍，减少与国外的差距。

1．1．3汞系和铊系超导材料（Hg－HTS/Tl－HTS）

X可用Hg或Tl元素代分子式为XnBa2Cam－1CumO2m+n+2，

替。Hg－HTS和Tl－HTS因为较高的临界转变温度而受到重视，最高临界转变温度分别达到135K和133K，但由于Hg和Tl有剧毒 …… 此处隐藏：7563字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……