超导材料发展状况综述

1、材料科学与工程进展课程论文题目：超导材料发展状况综述学院：班级：学号：姓名:摘要2,55555555555555555555555555超导材料的特性5555555555555555555552超导材料发展史5555555555555555555554超导材料的制备5555555555555555555555超导材料的应用5555555555555555555557展望与建议555555555555555555555559新能源材料一一超导材料发展状况综述摘要随着人类社会的不断发展，人们对于自然能源的需求也与日俱增。然而自然资源是有限的，面对自然资源日渐紧缺、环境遭到破坏等状况的发生，在科学工

2、作者的努力下，各种各样的新能源材料相继面世。本文将从特性、发展史、制备、新用这几个方面，对众多新能源材料中的一种材料一一超导材料，做一个综述，以增进广大读者对超导材料的了解。关键词：超导材料、特性、发展史、制备、应用。超导材料的特性超导材料是指具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。超导材料具有以下特性：零电阻性超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。如果用磁场在超导环中引发感生电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。这种“持续电流”已多次在实验中观察到。超导现象是20世纪的重大发明之一。科学家发现某物

3、质在温度很低时，如铅在7.20K（-265.95摄氏度）以下，电阻就变成了零。采用“四引线电阻测量法”可测出超导体的RT特性曲线，如图所示。由阻<110度F超导材料的RT关系峥图中的R为电阻开始急剧减小时的电阻值，对应的温度称为起始转变温度Ts；当电阻减小到R/2时的温度称为中点温度Tm；当电阻减小至零时的温度为零电阻温度T0o由于超导体的转变温度还与外部环境条件有关，定义在外部环境条件（电流，磁场和应力等）维持在足够低的数值时，测得的超导转变温度称为超导临界温度。完全抗磁性1933年，迈斯纳（W.Meissne。发现：当置于磁场中的导体通过冷却过渡到超导态时，原来进入此导体中的磁力线会

4、一下子被完全排斥到超导体之外（见下图），超导体内磁感应强度变为零，这表明超导体是完全抗磁体，这个现象称为迈斯纳效应。锄<r>rc）制）实验表明，超导态可以被外磁场所破坏，在低于Tc的任一温度T下，当外加磁场强度H小于某一临界值He时，超导态可以保持；当H大于He时，超导态会被突然破坏而转变成正常态。临界磁场强度He,其值与材料组成和环境温度等有关。超导材料性能由临界温度Te和临界磁场He两个参数决定，高于临界值时是一般导体，低于此数值时成为超导体。约瑟夫森效应当在两块超导体之间存在一块极薄的绝缘层时，超导电子（对）能通过极薄的绝缘层，这种现象称为约瑟夫森（Josephson效应，相

5、应的装置称为约瑟夫森器件。如图所小。约瑟夫森效应示意图当通以低于临界电流值|0时，在绝缘薄层上的电压为零，但当电流|>|0时,会从超导态转变为正常态，出现电压降，呈现有阻态，这种器件具有显著的非线性电阻特性，可制成高灵敏度的磁敏感器件，应用在超高速计算机等场合。同位素效应超导体的临界温度Tc与其同位素质量M有关。M越大，Tc越低，这称为同位素效应。例如，原子量为199.55的汞同位素，它的Tc是4.18K,而原子量为203.4的汞同位素，Tc为4.146K。M与Tc有近似关系：1TcM2=常数超导材料发展史1911年，荷兰科学家海克卡末林昂内斯用液氮冷却汞，当温度下降到绝对温标4.2K时

6、水银的电阻完全消失，这种现象称为超导电性，此温度称为临界温度。根据临界温度的不同，超导材料可以被分为：高温超导材料和低温超导材料。但这里所说的“高温”，其实仍然是远低于冰点摄氏0c的，对一般人来说算是极低的温度。1933年，迈斯纳和奥克森菲尔德两位科学家发现，如果把超导体放在磁场中冷却，则在材料电阻消失的同时，磁感应线将从超导体中排出，不能通过超导体，这种现象称为抗磁性。经过科学家们的努力，超导材料的磁电障碍已被跨越，下一个难关是突破温度障碍，即寻求高温超导材料。1973年，发现超导合金一一犯错合金，其临界超导温度为23.2K,这一记录保持了近13年。1986年，设在瑞士苏黎世的美国旧M公司的

7、研究中心报道了一种氧化物（锢钢铜氧化物）具有35K的高温超导性。此后，科学家们几乎每隔几天，就有新的研究成果出现。1986年，美国贝尔实验室研究的超导材料，其临界超导温度达到40K,液氢的“温度壁垒”（40K）被跨越。1987年，亨茨维尔亚拉巴马大学的吴茂昆及其研究生（Ashburn和Torng）,与休斯顿大学的朱经武和他的学生共同发现了亿钢铜氧，这是首个超导温度在77K以上的材料，突破了液氮的“温度壁垒”(77K)。也因此引发了对新高温超导材料的研究热潮。随后，中国科学家赵忠贤以及美国华裔科学家朱经武相继在亿钢铜氧系材料上把临界超导温度提图到90K以上。1987年底，铠钢钙铜氧系材料又把临界

8、超导温度的记录提高到125K。从19861987年的短短一年多的时间里，临界超导温度提高了近100K。2001年，二硼化镁(MgB2)被发现其超导临界温度达到39K。此化合物的发现，打破了非铜氧化物超导体(non-cupratesuperconducto巾勺临界温度纪录。1990至2000年代,具ZrCuAsSi结构的稀土过渡金属氮磷族化合物(rare-earthtransition-metaloxypnictide,ReTmPnO)陆续被发现。但并未有人发现其中的超导现象。2008年，日本的HideoHosono团队发现在铁基氮磷族氧化物(iron-basedoxypnictide)中，将部

9、份氧以掺杂的方式用氟作部份取代，可使LaFeAsO1-xFx的临界温度达到26K,在加压后(4GPa)!至可达到43K。其后，中国的闻海虎团队，发现在以锹取代稀土元素之后，La1-xSrxFeAsO亦可达到临界温度25K。其后，中国的科学家陈仙辉、赵忠贤等人，发现将锢以其他稀土元素作取代，则可得到更高的临界温度；其中，SmFeAsO0.9F0.1四达55K。另外，将铁以钻取代(LaFe1-xCoxAsO),稀土元素以社取代(Gd1-xThxFeAsO),或是利用氧缺陷(LaFeAsO1-6)等方式，也都可以引发超导。此系统亦被简称为“1111系统”。此化合物的发现，非但再度打破了由MgB2保持

10、的非铜氧化物超导体(non-cupratesuperconductor)勺临界温度纪录，其含铁却有超导的特性也受人注目。同样在2008年，受到上述“1111系统”的启发，ThCr2Si2结构的碱土金属氮磷族化合物(ATm2Pn2)亦被发现，在将BaFe2As2中将碱土金属(IIA)以碱金属(IA)部分取代，亦可得到临界温度约30至40K的高温超导体，如Ba1-xKxFe2As2(38K)。此系统亦被简称为“122系统”。如同氧化物超导体，“1111'与“122”系统的超导来源也是由层状结构中的FeAs层贡献，借由不同价数的离子掺杂或是氧缺陷，可提升FeAs层载子的浓度，进而引发超导。超

11、导材料的制备控制和操纵有序结晶需要充分了解原子尺度的超导相性能。有序、高质量品体的超导转变温度较高，晶体质量往往强烈依赖于合成技术和条件。目前，常用作制备超导材料的技术主要有：单晶生长技术新超导化合物单晶样品有多种生长方法。溶液生长和气相传输生长法是制备从金属间氧化物到有机物各类超导体的强有力工具。溶液生长的优点就是其多功能性和生长速度，可制备出高纯净度和镶嵌式样品。但是，它并不能生产出固定中子散射实验所需的立方厘米大小的样品。浮动熔区法常用来制备大尺寸的样品，但局限于已知的材料。这种技术是近几年出现的一些超导氧化物单晶生长的主要技术。这种技术使La2-xSrxCuO4晶体生长得到改善，允许对

12、从未掺杂到高度掺杂各种情况下的细微结构和磁性性能进行细致研究。在T1Ba2Ca2Cu3O9+d和Bi2Sr2CaCu2O8中，有可能削弱无序的影响从而提高临界转变温度。最近汞基化合物在晶体生长尺寸上取得的进展，使晶体尺寸较先前的纪录高出了几个数量级。但应该指出的是即使是高Tc的化合物，利用溶液生长技术也可制备出高纯度的YBCO等单晶。高质量薄膜技术目前，薄膜超导体技术包括活性分子束外延（MBE）、溅射、化学气相沉积和脉冲激光沉积等。MBE能制造出足以与单个晶体性能相媲美的外延超导薄膜。在品格匹配的单晶衬底上生长的外延高温超导薄膜，已经被广泛应用于这些材料物理性质的基础研究中。在许多实验中薄膜的

13、几何性质拥有它的优势，如可用光刻技术在薄膜上刻画细微的特征；具备合成定制的多层结构或超晶格的潜能。在过去的20年里，多种高温超导薄膜生长技术快速发展。有些技术已经适用于其它超导体的制备。目前所使用主要方法有溅射和激光烧蚀（脉冲激光沉积）。类似分子束外延这种先进薄膜生长技术也已经发展得很好。臭氧或氧原子用来实现超高真空条件下的充分氧化。这使得生长的单晶薄膜的性能已接近乃至超过块状晶体。如LSCO单晶薄膜的T=51.5K,比块状晶体（Tc<40K）要高，外延应力是产生这种强化现象的部分原因。超导材料的应用1 .强电应用超导输电电缆我国电力资源和负荷分布不均，因此长距离、低损耗的输电技术显得十

14、分迫切。超导材料由于其零电阻特性以及比常规导体高得多的载流能力，可以输送极大的电流和功率而没有电功率损耗。超导输电可以达到单回路输送GVA级巨大容量的电力，在短距离、大容量、重负载的传输时，超导输电具有更大的优势。低温超导材料应用时需要液氮作为冷却剂，液氮的价格很高，这就使低温超导电缆丧失了工业化应用的可行性。若使用高温超导材料作为导电线芯制造成超导电缆，就可以在液氮的冷却下无电阻地传送电能。高温超导电缆的出现使超导技术在电力电缆方面的工业应用成为可能。目前，市场上可以得到并可用来制造高温超导电缆的材料主要是银包套钿系多芯高温超导带材，具临界工程电流密度大于10kA/cm2。高温超导电缆以其尺

15、寸较小、损耗低、传输容量大的优势，可用于地下电缆工程改造，以高温超导电缆取代现有的常导电缆，可增加传输容量。高温超导电缆另一重要应用场合是可在比常导电缆较低的运行电压下将巨大的电能传输进入城市负荷中心。由于交流损耗的缘故，利用高温超导材料制备直流电缆比制备交流电缆更具优势。利用超导技术，通过设计实用的直流传输电缆和有效的匹配系统，从而实现高效节能低压大容量直流电力输系统。超导变压器超导变压器一般都采用与常规变压器一样的铁芯结构，仅高、低压绕组采用超导绕组。超导绕组置于非金属低温容器中，以减少涡流损耗。变压器铁芯一般仍处在室温条件下。超导变压器具有损耗低、体积小，效率高（可达99%以上）、极限单

16、机容量大、长时过载能力强（可达到额定功率的2倍左右）等优点。同时由于采用高阻值的基底材料，因此具有一定的限制故障电流作用。一般而言，超导变压器的重量（铁芯和导线）仅为常规变压器的40%甚至更小，特别是当变压器的容量超过300MVA时，这种优越性将更为明显。超导储能人类对电力网总输出功率的要求是不平衡的。即使一天之内，也不均匀。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，可以无损耗贮存巨大的电能。这种装置把输电网络中用电低峰时多余的电力储存起来，在用电高峰时释放出来，解决用电不平衡的矛盾。美国已设计出一种大型超导储能系统，可储存5000兆瓦小时的巨大电能，充放电功率为10

17、00兆瓦，转换时间为几分之一秒，效率达98%,它可直接与电力网相连接，根据电力供应和用电负荷情况从线圈内输出，不必经过能量转换过程。超导电机在大型发电机或电动机中，一旦由超导体取代铜材则可望实现电阻损耗极小的大功率传输。在高强度磁场下，超导体的电流密度超过铜的电流密度，这表明超导电机单机输出功率可以大大增加。在同样的电机输出功率下，电机重量可以大大下降。美国率先制成3000马力的超导电机，我国科学家在20世纪80年代末已经制成了超导发电机的模型实验机。超导故障限流器超导故障电流限制器（简称SFCL）主要是利用超导体在一定条件下发生的超导态、正常态转变，快速而有效地限制电力系统中短路故障电流的一

18、种电力设备。该设想是在上世纪70年代提出的，到1983年法国阿尔斯通公司研制出交流金属系超导线后，各研究机构才开始着手开发SFCL产品。现已有中压级样品挂网运行，国外乐观估计可望在10年或更长的时间内开始投入市场。2 .弱电应用无损检测无损检测是一种应用范围很广的探测技术，具工作方式有；超声探测、X光探测及涡流检测技术等。SQUID无损检测技术在此基础上发展起来。SQUID磁强计的磁场灵敏度已优于100ft,完全可以用于无损检测。由于SQUID能在大的均匀场中探测到场的微小变化，增加了探测的深度，提高了分辨率，能对多层合金导体材料的内部缺陷和腐蚀进行探测和确定，这是其他探测手段所无法办到的。工业上用于探测导体材料的缺陷、内部的腐蚀等，军事上可能于水雷和水下潜艇等的探测。超导微波器件在移动通信中的应用移动通信业蓬勃发展的同时，也带来了严重的信号干扰，频率资源紧张，系统容量不足，数据传输速率受限制等诸多难题。高温超导移动通信子系统在这一背景下应运而生，它由高温超导滤波器、低噪声前置放大器以及微型制冷机组成。高温超导子系统给移动通信系统带来的好处可以归纳为以下几个方面：1.提高了基站接收机的抗干扰的能力；2.可以充分利用频率资源，扩大基站能量；3.