关于超导的发展与应用

马子席 马岗岗 刘云鹏

摘要：这篇论文里我简单介绍下与超导有关的概念，超导材料，超导的简史，超导的研究现状及对超导应用的前景展望

关键字：超导；超导体；超导现象；超导材料；超导技术；超导应用

1911年荷兰莱顿大学的H·卡茂林·昂内斯在研究水银低温电阻时首先发现了超导现象。后来又陆续发现了一些金属、合金和化合物在低温时电阻也变为零，即具有超导现象。物质在超低温下，失去电阻的性质称为超导电性；相应的具有这种性质的物质就称这超导体。超导材料具有的优异特性使它从被发现之日起，就向人类展示了诱人的应用前景。目前，超导材料已被应用于很多领域，本文拟就超导材料的分类、性质、应用、原理等方面展开论述，以帮助人们更好的认识超导材料。

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。超导材料的发展经历了从低温到高温的过程，经过无数科学家的努力，超导材料的研究已经取得了巨大的发展。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。高温超导材料的制备工艺也得到了长足的发展，一些制备高温超导材料的材料陆续被科学家发现。现在，超导材料的研究主要集中在超导输电线缆，超导变压器等电力系统方面，还有，利用超导材料可以形成强磁场，是超导材料在磁悬浮列车的研究上有了用武之地，另外，超导材料在医学，生物学领域也取得了很大的成就。超导材料的研究未来，超导材料的研究将会努力向实用化发展。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。

它分为元素超导体、合金和化合物超导体，有机高分子超导体三类。

低温阶段，在梅斯勒发现超导体的抗磁性之后（相继有荷兰物理学家埃伦弗斯特根据有关的超导 体在液氦中比热不连续现象（提出热力学中二级相变的概念）柯特和卡西米尔提出超导的二 流体模型）德国物理学家F·伦敦和H·伦敦兄弟提出超导电性的电动力学唯相理论（即伦敦方程）；度海森伯根据电子间的库仑相互作用，提出了一种超导微观理论，波尔提出了另一种微观理论；前苏联物理学家阿布里科索夫提出第二类超导体的概念；巴丁/库伯和施里费提出了BCS理论，贾埃弗发现超导体中的单电子隧道效应；约毖夫森提出了约毖夫森效应等等。1934—1985年，人们对超导体在理论上和实验上都作了广泛的研究，使超导物理学理论逐步发展，超导材料逐步应用于实际科学技术领域。由于人们在一定条件下认识水平的局限性以及其它一些原因，直到今天，超导物理学理论尚不完善，实际应用也不广泛。在这一阶段，人们研究的超导材料临界转变温度较低，所以，在超导史上，这一时期属于低温超导阶段。

高温阶段，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）。其中最有實用价值的是铋系、钇系（YBCO）和二硼化镁（MgB2）。氧化物高温超导材料是以铜氧化物为组分的具有钙钛矿层状结构的复杂物质，在正常态它们都是不良导体。同低温超导体相比，高温超导材料具有明显的各向异性，在垂直和平行于铜氧结构层方向上的物理性质差别很大。高温超导体属于非理想的第II类超导体。且具有比低温超导体更高的临界磁场和临界电流，因此是更接近于实用的超导材料。特别是在低温下的性能比传统超导体高得多。高温超导材料已进入实用化的研究开发阶段，氧化物复合超导材料的耐用（robustness） 和稳定性已引起材料科学家的广泛重视。 由于高温超导薄膜材料较早进入电子学器件的应用领域，很多学者做了薄膜材料与环境相关的稳定性和寿命研究工作。浸泡实验是一种常用的方法：在不同试剂 （水、酒精和丙酮等）、不同气氛（干氮、湿氮和流动氧等）中做周期循环和热时效疲劳试验。研究表明， 超导电性的退化主要来自于杂相 （第二相） 及时效过程中的析出相。美国西北大学的Mirkin建议把在其它材料中应用已十分广泛的分子单层表面化学改性（又称“自装配，Self assembly”） 引入到高温超导铜氧化合物中来。例如用有机物对YBCO表面进行分子单层表面改性，以此改善薄膜对环境的敏感性。高温超导带材以铋锶钙铜氧（BSCCO/2223）系为第一代带材，它以优良的可加工性而得到了广泛的开发，并在超导强电应用领域占据重要位置。但铋系材料的实用临界电流密度 较低，并且在77 K的应用磁场也很低。相反，YBCO材料在77 K的超导电性远优于BSCCO材料；然而它的可加工性却极差，传统的压力加工和热处理工艺难以做出超导性好的带材。

超导现象早在1911年就为世人所知。目前我国关于超导技术的各项研发均已步入正轨，且进入产业化运作，现已普遍运营在电力行业、通信领域、军事领域以及医疗领域等。

在我国关于超导的研发中，超导材料经营经历了低温到高温的研发，第一代材料已经研究成熟，第二代材料由于其成本低更适用于产业化运作而被市场看好；超导产品品类逐渐增加，现已进行产业化运作的有超导电缆、超导限流器、超导滤波器、超导储能等。虽然与国际尚有一定的差距，但部分领域的研发已经处于国际先进水平。

超导材料按其化学成分可分为元素材料、合金材料、化合物材料和超导陶瓷。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。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=9.3K，Hc=12特（4.2K）。如今铌钛合金是用于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超导化合物：超导元素与其他元素化合常有很好的超导性能。如已大量使用的Nb3Sn，其Tc=18.1K，Hc=24.5特。其他重要的超导化合物还有V3Ga，Tc=16.8K，Hc=24特；Nb3Al，Tc=18.8K，Hc=30特。④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。

结论 超导体得天独厚的特性，使它可能在各种领域得到广泛的应用。但由于早期的超导体存在于液氦极低温度条件下，极大地限制了超导材料的应用。自1911年荷兰科学家卡末林、昂尼斯发现“超导”现象至今，世界各国的科学家从未间断过对“超导”的研究，特别是进入20世纪80年代以来，随着1987年中国、日本和美国科学家采用金属氧化物，将超导临界温度提高，使超导体前进了一大步，从而引起了一场前所未有的“超导大战”。近年来，世界各国纷纷投入巨资加紧研究与开发，不断推动超导技术产生新的飞跃。当日本宣布获得了175K的超导材料后不久，美、中、俄、联邦德国、丹麦等国也都相继有了突破性的研究报告，有的甚至已看到了308K的超导迹象，即已达到常温的转变温度。这表明，超导技术广泛应用的时代即将来临。

参考文献：

【1】林良真.我国超导技术研究进展及展望[J].电工技术学报，2005年

【2】韩汝姗，高温超导物理，北京大学出版社，1998年