论文-超导材料

超导材料 摘要：超导是金属或合金在较低温度下电阻变为零的性质。超导材料是当代材料科学领域一个十分活跃的重要前沿，其发展将推动功能材料科学的深入发展。高温超导材料经过近 20年的研发，已经初步进入了大规模实际应用和产业化。随着超导材料临界温度的提高和材料加工技术的发展，它将会在许多高科技领域获得重要应用。 关键词：超导 超导材料 临界温度 进展 超导是超导电性的简称，是指某些物体当温度下降至一定温度时，电阻突然趋近于零的现象。具有这种特性的材料称为超导材料。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。超导体另外一个性质是宏观的量子现象。这两个特点，就是超导体最基本的性质。自超导发现至今，超导的研究和超导材料的研制已迅速发展，超导的临界温度已从开始的几开升至几十开甚至一百多开；而且超导材料的物质结构及性质已逐渐研究清楚。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。高温超导材料的发现，是最近几十年来物理学及材料科学领域中的重大突破之一，已引起全世界的广泛关注。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。 超导材料技术是21世纪具有战略意义的高新技术，极具发展潜力和市场前景。世界各主要国家政府纷纷制订相关和加大研发投资，推动基础研究和产业化发展，竞争十分激烈。探索新型超导材料在超导材料研究中始终起着关键的作用，同时也是一项高风险、高投入的研究工作。自1911年荷兰物理学家卡麦林·昂尼斯发现汞在4.2K附近的超导电性以来，人们发现的新超导材料几乎遍布整个元素周期，从轻元素硼、锂到过渡重金属铀系列等。 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。随着研究的深入，人们已经看到了一个现象：良导体的金属材料随着环境温度降低，电阻是逐渐减小的。1911年，荷兰科学家卡茂林昂纳斯发现汞在4.2K时的零电阻。随后，人们在多种材料中也发现这种特性：在满足临界条件(临界温度T、临界电流 J、临界磁场H)时物质的电阻突然消失，这种现象称为超导电性的零电阻现象。这是1933年迈斯纳和奥赫森·费耳德同时发现的，同时还发现了迈斯纳效应。零电阻效应和迈斯纳效应是超导态两个独立的基本性质。 一般来说，超导材料的临界值越高，超导体的使用价值越大。从20世纪70年代起，人们就将注意力转向寻找高温超导体。具有高临界转变温度(TC>77K)在液氮温度条件下工作的超导材料，主要为多元系氧化物，高温氧化物超导体的出现，突破了温度壁垒，把超导应用的温度从液氦提高到了液氮（77K）温区。1973年找到的临界温度最高的材料是Tc值为23.2K的Nb3Ge薄膜，到1985年这个一直不变。1986年瑞士IBM实验室科学家缪勒和柏诺兹发现了转变温度为36K的La- Ba- Cu- O超导体，揭开了高温超导发展的帷幕。铜酸盐高温超导体的发现是超导材料研究上的一次重大突破，打开了混合金属氧化物超导体的研究方向。1987年2月，美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤把Y- Ba- Cu- O系材料临界超导温度提高到90K以上，液氮的禁区（77K）奇迹般地被突破了。1987年底，T1-Ba-Ca-Cu-O系材料又把临界超导温度的记录提高到125K。从1986​—1987年短短一年多的时间里，临界超导温度竟然提高了100 K以上，使超导的应用和发展迈上了一个新台阶。最新的报道中是以水银掺杂得到Hg2Ba2Ca2 Cu3O10-x，在常压下其临界温度已达134K。总之，超导材料的发展经历了一个从简单到复杂，即由一元系到二元系、三元系以至多元系的过程，铜酸盐高温超导体的发现在科技领域有着巨大的影响。 高温超导材料用途非常广泛，大致可分三大类：大电流应用、电子学应用和抗磁性应用。大电流应用是由于超导材具有零电阻和完全的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就可以获得的稳定强磁场。超导体的基本特性之一是当它处于超导态时具有理想的导电性，同时由于其载流能力远远强于常规导体，因此，利用超导体可以传输大电流和产生强磁场，并且没有电阻热损耗。电工设备的基本特点是大电流、强磁场和高电压，因此在电工设备中使用超导材料可以减少电气损耗、提高效率、缩小体积、减轻重量、降低成本，还可以提高装置的极限容量。显然，超导材料的应用给电工技术带来了质的飞跃，许多过去无法实现的电工设备由于采用超导技术而成为现实，或即将成为现实。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。据统计，按目前情况，如果将铜或铝导改为超导体，光是在中国节省电能相当于新建数十个大型发电厂。超导材料在这些方面的应用是最诱人的。 除了高温超导材料，纳米尺度的超导材料也是近年来科学家积极探索的方向。新型超导体的和研究面临挑战是难以控制的化学合成参数，最有希望发展的就是可控制的纳米新型高温超导材料。开发新的纳米尺度的高温超导体，可增进机械稳定性、耐化学腐蚀性等。虽然这些性能已单独得到证明，但把它们全部合成至单一的材料、器件或系统中仍是一个巨大的挑战。在高温超导材料中，很多基本长度尺寸是处于纳米量级的（如单晶畴大小、相干长度等），因此关于纳米尺寸结构的实验性研究对帮助人们了解微观机制具有相当的重要性。 超导材料技术的发展趋势是不断探求更高温度的超导体，实现高温超导材料产业化技术，使超导材料技术应用更加广泛。高温超导材料经过近 20年的研发，已经初步进入了大规模实际应用和产业化。目前超导材料正从研究阶段向应用发展阶段转变，且有可能进入产业化发展阶段。高温超导体作为现在临界温度最高的一种超导体，国内外科学家对其展开了大量的研究。但如何提高各项临界参数，尤其是提高临界温度，仍然是高温超导研究领域最大的难题。好在高温超导体可以在液氮温区实现超导，所以高温超导体已具备了实际应用的价值。超导材料正越来越多地应用于尖端技术中，如超导磁悬浮列车、超导计算机、超导电机与超导电力输送、火箭磁悬浮发射、超导磁选矿技术、超导量子干涉仪等。因此超导材料技术有着重大的应用发展潜力，可解决未来能源、交通、医疗和国防事业中的重要问题。 超导材料的研究是当今世界上一门新兴的科学技术。由于超导材料能影响人类生存的许多重要领域，各国的材料科学家都在竞相探索它的结构，研究它的性能，以求率先找到具有高临界温度的超导材料。可以这样说，高温超导材料的突破，必将深刻地促进尖端科学技术的发展，从而加速人类文明的进程。虽然目前超导材料仍处于试验研究阶段，但人们相信，随着超导材料临界温度的提高和材料加工技术的发展，它将会在许多高科技领域获得重要应用。 参考文献： [1]. 窦华.超导材料的应用.内蒙古电大学刊, 2004(2) [2]. 马衍伟.超导材料研究及应用进展.科学新闻, 2007(5)