超导材料的研究进展

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题目：超导材料的研究进展

2010 - 2011 第 2 学期 功能材料学 姓名： 冯秀清 学号： 20080403B004 专业： 材料科学与工程 任课老师： 吴进怡

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超导材料的研究进展

冯秀清

（材料与化工学院材料科学与工程）

摘要：本文从概念、分类、研究进展、应用、发展趋势等方面对超导材料特别是高温超导材料进行了综述。 关键词：超导；高温超导体；进展

0 引言

随着社会的进步，工业的发展，人们对能源的需求量越来越大。但是，像石油、煤等能源储备有限且不可再生。故而，如何在有限能源的条件下使社会健康稳步地发展，亦即如何做到可持续发展成了当今人们亟需解决的问题。

电力工业，是发展进步所不可或缺的。然而，常规电力设备和电力系统存在着一些自身的缺陷，阻碍了电力工业的发展。分析如下[1]：

(1)随着电网容量的增加和规模的不断扩大，电力系统的短路容量越来越大。不加限制的短路电流对电气设备和正常的工业生产带来很大的危害，还可能导致电力系统的崩溃。

(2)由于电力系统的“快速电能存取”这一环节非常薄弱，电力系统在运行和管理过程中的灵活性和有效性受到极大限制。

(3)常规电力系统的效率受到铜、铝等基本导电材料的限制，要进一步提高难度很大。

(4)常规电气设备占地面积大，而人口密集的大中城市正是负荷中心。

(5)可再生能源如太阳能发电、风力发电和潮汐能发电的能量密度低，且易受气候条件的影响。

(6)现有电力系统存在多电压等级和交直流输电共存的局面，电网经历了从局部小电网到区域大电网的发展过程，因此出现设备老化、超载严重、事故增多、供电能力不足、线路损耗率高和电压质量低等多方面的问题。

对于这些问题的解决方法，超导材料表现出了巨大的潜力。

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长期以来，如何找到一种完全没有电阻，能消除电能损耗的导电材料，一直是物理学家和材料科学工作者梦寐以求的愿望[2]。1911年，荷兰物理学家卡麦林·昂尼斯首次意外地发现了超导现象：将水银冷却到接近绝对零度时，其电阻突然消失[3]。这一现象的发现为解决电路损耗带来了福音。从此，对于超导材料的研究如火如荼。

下面，本文将从超导材料的概念、分类、研究进展、应用、发展趋势等方面对超导材料进行介绍。

1 超导材料的概念

1.1 何谓超导

超导是超导电性的简称。是一种材料，如某种金属、合金或化合物在一定的温度以下，电子可以无阻地流动，电阻变为零的性质[4]。超导是一种宏观量子现象，它在微观上表现为费米面附近的电子配对，同时建立长程位相相干进而发生凝聚；在宏观上超导态有两个基本特征：即临界温度以下的零电阻率现象和完全抗磁性(迈斯纳效应)[5]。

1.2 何谓超导材料

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[6]。而作为超导材料，它具有如下特性[7]：

（1)超导电性。即对于某一种材料，如某种金属、合金或化合物在一定的温度以下，电子可以无阻地流动，电阻变为零的性质。如前所述，超导电性是1911年由荷兰科学家昂尼斯发现的。

（2)抗磁性。1 933年德国科学家迈斯纳发现超导体具有高抗磁性， 使磁力线不能透入，人们称之为迈斯纳效应。

（3)约瑟夫效应或超导隧道效应。1962年，英国科学家约瑟夫从理论上预言：如果在两块超导体之间置一绝缘层(厚度约10埃)，绝缘层将会成为—个“弱”超导体，超导电流可在其中通过，形成隧道超导电流。约瑟夫的预言随后为实验所证实。

自20世纪60年代，超导材料的实用化就成为世界范围内的研究热点。超导材料有3个临界参数：临界温度(Tc)、临界磁场(Hc)和临界电流密度(Jc)，即超导材料必须在一定条件下才能保持超导态，具有高临界参数的超导材料才具有实用化价值[8]。

2 超导材料的分类

超导材料分为低温超导材料和高温超导材料。下面我们从低温超导材料和高温超导材料的概念、性质等方面对它们进行简单的介绍。

2.1 低温超导材料

何谓低温超导材料？低温超导材料是具有低临界转变温度(Tc<3OK=在液氦温度条件下工作)的超导材料，分为金属、合金和化合物。具有实用价值的低温超导金属是Nb(铌)，Tc

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为9.3K已制成薄膜材料用于弱电领域。合金系低温超导材料是以Nb为基的二元或三元合金组成的β相固溶体，Tc在9K以上[9]。低温超导材料一般都需在昂贵的液氦环境下工作,由于液氦制冷的方法昂贵且不方便，故低温超导体的应用长期得不到大规模的发展[10]。

2.2 高温超导材料

由于高温超导体的诱人使用前景，人们一直在探索高温超导体。从1911年到1986年，75年间从水银的4.2 K提高到铌三锗的23.22 K，才提高了19K。

1986年，高温超导体的研究取得了重大的突破。科学家们发现了一类新的氧化物陶瓷超导材料,其超导转变温度要比传统超导材料高数十度,可在液氮温度(-196℃)区间工作[11]。这一发现，大大降低了超导体制冷的成本，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”。

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)[12]。其中最有实用价值的是铋系、钇系(YBCO)和二硼化镁(MgB2)。

高温超导体材料(HTS)具有超导电性和抗磁性两个重要特性。要让超导体得到现实的应用，首先要有容易找到的超导材料。即主要研究方向就是寻找能在较高温度下存在的超导体材料，简言之，就是将高温超导材料HTS(超导转变温度T>77K)的超导转变温度提高[13]。 3 超导材料的研究进展

对于这部分内容，我们主要介绍实用化高温超导材料的研究进展。由于出现超导现象时的温度大都接近绝对零度，没有太大的实用可能性和经济价值。为了寻找可在比较高的温度下有超导现象的材料，世界上无数科学家在为之奋斗、努力着。

1986年，Bednorz和Muller发现了达到38 K的La-Ba—Cu-O超导体，标志着氧化物高温超导材料研究的开始。20世纪90年代，分别达到92 K的Y-Ba-Cu-O和110 K的Bi—sr-Ca—Cu—O氧化物超导体被发现，国际上实用化高温超导材料的研发热潮也随之引发。2001年为39 K的MgB2超导材料的发现进一步丰富了实用化超导材料体系。2008年发现具有实用化潜力的Fe基超导材料更成为了高温超导材料研究的新热点[8]。

根据第五届国际超导工业峰会预测，高温超导应用技术将在今后5～10年时间达到实用化水平，并将在2010年前后形成较大规模的产业。到2010年，全球超导产业的产值预计将达到260亿美元，到2020年将达到2 400亿美元以上。超导技术将是21世纪具有光明前景的高新技术[15]。

实用化超导材料是超导技术发展的基础，对于当今实用化超导材料的发展概况简介如下。

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3.1 YBCO涂层导体

涂层导体是将YBCO薄膜沉积在带有阻隔层的柔性金属基带上的可实用化高温超导材料

[14]。YBCO超导体具有强的本征钉扎特性，涂层导 …… 此处隐藏：4767字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……