超导材料研究现状及其应用.doc

超导材料研究现状及其应用摘 要：本文主要介绍了超导现象，超导的应用及我国超导研究现状。关键词：超导现象 超导的应用 超导研究现状材料是人类赖以生存和发展的物质基础，某一种新材料的问世及其应用，往往会引起人类社会的重大变革因此使用什么样的材料制造工具往往成为人类文明发达程度的一个重要标志。人们把人类历史分为石器、青铜器和铁器时代。在群居洞穴的猿人旧石器时代，通过简单加工获得石器帮助人类狩猎护身和生存，随着对石器加工制作水平的提高 ，出现了原始手工业如制陶和纺织，人们称之为新石器时代。青铜时代大约源于4000-5000年前。青铜是铜锡铝等元素组成的合金，与纯铜相比，青铜熔点低，硬度高，比石器易制作且耐用。青铜器大大促进了农业和手工业的出现。铁器时代则被认为是始于2000多年前，春秋战国时代，由铁制作的农具、手工工具及各种兵器，得以广泛应用，大大促进了当时社会的发展。钢铁、水泥等材料的出现和广泛应用，人类社会开始从农业和手工业社会进入了工业社会。本世纪半导体硅、高集成芯片的出现和广泛应用，则把人类由工业社会推向信息和知识经济社会。超导现象1911年，荷兰物理学家昂尼斯发现，水银的电阻率并不象预料的那样随温度降低逐渐减小，而是当温度降到4.15K附近时，水银的电阻突然降到零.为了证实这一现象，他用磁铁在水银环路中感应出电流，经过长达一年多的观察发现，只要水银环路保持在4.15K的低温，环路中的电流就不会有能测量到的衰减，电流不断地沿着环路转起来，就像不知疲倦的一匹马一样.当温度降到某一温度时，金属的电阻变为零的现象叫超导现象，能够发生超导现象的物质，叫做超导体超导体由正常态转变为超导态的温度称为这种物质的转变温度(或临界温度) TC.现已发现大多数金属元素以及数以千计的合金、化合物都在不同条件下显示出超导性.如钨的转变温度为0.012K，锌为0.75K，铝为1.196K，铅为7.193K.而且超导临界温度的纪录不断地被打破，例如，1975年，有人发现铌三锗的超导临界温度为23.2K.1986年，又有人发现钡镧铜氧化物的超导临界温度为30K，这个现象引起了科学家对氧化物高温超导陶瓷的高度重视.1986年12月，中国科学院的赵忠贤研究组获得了起始转变温度为48.6K的锶镧铜氧化物.1987年2月，美籍华裔科学家、美国休斯敦大学的朱经武教授获得了起始转变温度为90K的高温超导陶瓷.1987年3月，中国科学院公布了起始转变温度为93K的8种钡钇铜氧化物.1988年，中国科学院发现了超导临界温度为120K的钛钡钙铜氧化物.这些成就显示了我国高温超导材料的研究已经名列世界前茅超导Fig.4, Hc2 vs Tc 17应用寻找工业应用永远是推动研究的推动力。从应用角度看，初期的超导材料很容易被外界磁场所抑制。实际应用困难较多。被称为I型超导材料。能在强磁场下保留其超导特性的材料，被称为II型超导材料，或称硬超导材料。这些材料不像I型超导材料那样临界温度转变很突然，而是有一个过度区。 在此区内，Tc值随外加磁场的加大而下降，故有两个临界磁场值， Hc1和Hc2. 1。 II型超导由于Hc2值较大，其应用领域十分广阔。 如NbTi, Nb3Sn已形成了数十亿欧元的市场分额，作成超导线圈，制成电磁铁，用于MRI或高能物理所用粒子加速器。这些都是常规线圈无法达成的。虽然II型超导应用潜力很大，但深度冷冻则需要相应的资金，装备和能量。特别是大型设备所需投入很大。在成本上的竞争力还嫌不足。因此许多大型电力系统的设备或部件，尽管作了很多精心设计，都还停留在试运行或示范阶段. 随着冷冻技术的发展和小型化2，许多微型超导电路结合了微型冷冻装置的开发，却已领先进入了市场，如SQUID在医疗器械，计算机芯片制造方面的应用等。高温超导滤波器正在向手机渗透。超导主要有下列应用：1超导电力系统自从高温超导问世以后，在电力系统中的应用研究，在全球各地都是热门课题。由于超导材料会给直流电带来零电阻，对于交流电带来接近零电阻。采用超导材料将会显著提高电力设备的效率并显著减小设备体积和重量。还会显著减少燃烧对自然环境，如臭氧层的破坏。然而要把超导材料投入实际应用，还须解决许多问题。二十年来，科研人员投入了大量辛勤劳动，许多电力设备已经过精心研究设计，参见以下图例。2超导线材和电缆在美国能源部的组织和资助下，首先在美国橡树岭研究所建造了5米长的高温超导电缆的示范装置。在此基础上又在Southwire 公司的Carrollton工厂建造了30米长的高温超导电缆， 用以供电，现已运行了2200小时以上。并于2002年经过验收。这是世界上第一条高温超导电缆3。美国超导体公司，American Superconductor Corporation, 已将各种规格的超导电缆列入了它的产品规格清单当前用于制造高温超导线材和电缆的材料主要是BSCCO和YBCO.。两者都不能直接拉成线材。首先纳入批量生产的是BSCCO，制造方法是先将BSCCO氧化物填充在银套管内，然后经过压延和拉伸制成线材， 简称PIT（Powder in tube）工艺。YBCO则采用了有机金属化学气相沉积的方法制成带状薄膜，同样可以制成各种线圈。由于YBCO的临界电流远远超过BSCCO，故BSCCO常被称为第一代超导线材，而YBCO则被称为第二代超导线材。4.3超导磁共振成像仪超导磁共振仪是超导材料首先得到商业化的重要领域。 但大都采用低温超导。香港大学今年五月份宣布已用高温超导薄膜低损耗高频接受线圈，来改进磁共振成像仪的成像质量。只是成像视野较小。建议用更简单的方法来设计制造高温超导线圈。即用银合金套管的Bi(2-x)PbxSr2Ca2Cu3O10, (Bi-2223), 高温超导带。已采用5寸单层螺旋管获得了手腕的成像。获得的成像清晰度比6寸YBCO线圈在77 K所得成像清晰度更高5.4. 磁悬浮列车建于上海浦东的磁悬浮列车自2002年底通车以后，已有三年。所用磁悬浮力即来自钇钡铜氧高温超导体和钕铁硼磁钢6。5.超导量子干涉器件SQUIDSQUID是Superconducting Quantum Interference Devices的缩写。通过两个超导体和两个约瑟夫逊接所组成的闭合环路便是dc-SQUID的核心电路。见示意图如右。若施加一定的偏流，则外加磁场，电压V与偏流，三者之间，密切相关，从而可以测量微弱磁场。由于此种测量的灵敏度很高，此种装置可用来检测人体不同部位的微弱磁场。 如心脑所产生的磁场。根据这一原理，还可以制成多种不同的测量仪器并已商业化。如在结构复杂的计算机芯片中和飞机部件中进行无损探伤等。76.超导滤波器在蜂窝基站收发信台（-）中,使用高温超导（ ）技术,将可使蜂窝基站的许多性能参数同时得到改善,如灵敏度、抗干扰能力、覆盖面积、容量等。高温超导滤波器的主要特点是滤波功能接近理想矩形滤波器。 因此能基本消除干扰，提高信号质量。也同时能在同一频宽内安置更多用户。理想滤波器与常规滤波器的特性对比见左图8。我国超导研究现状我国在铋系带材、铊系和钇系大面积双面薄膜、钇系准单畴块材以及钇系新型涂层带材等方面与国际水平相当或相近，在前驱粉制备、线（带）材加工工艺和热处理等方面具有独立的技术和知识产权。在铋系高温超导带材方面，北京英纳超导技术公司和西北有色金属研究院先后建成年产200km的生产线，为我国超导应用技术产业化提供了必要的材料基础。300m长带的临界电流接近90A，达到国际先进水平，在满足国内需求的同时，产品还出口到韩国、欧洲等国家和地区。在大面积双面高温超导薄膜方面，中科院物理所和北京有色金属研究总院分别实现了2英寸钇系薄膜的小批量制备，表面微波电阻降低到1m；而中科院物理所课题组（南开大学）的铊系薄膜表面微波电阻达到0.8m以下，而且产品稳定性好，技术指标达到国际上的最好水平，基本满足超导弱电应用的要求。 在高温超导单畴块材方面，我国在材料制备工艺上有知识产权，与国际先进水平的差距较小。制成直径5cm、冻结场7T（4.2K）、磁悬浮力16Ncm2的钇系块材；北京有色金属研究总院实现了直径4cm单畴材料的小批量生产，2000年12月利用自产的340余块钇系块材制备出了世界首辆载人高温超导磁悬浮实验车。在低温超导材料方面，我国在熔炼加工和热处理上拥有自主知识产权。西北有色金属研究院熔炼的NbTi合金杂质含量低，综合性能高，成本低于国际同类水平，并且创造了国际最高Jc纪录。超导强电应用技术高温超导电缆、限流器、变压器、磁储能系统、电动机、MRI磁体等应用技术的研发均已启动。相关企业和投资界已经积极参与超导电力技术的产业化，一些研发型公司已经建立起来。完成4m单相35kV2kA和10m三相10.5kV1.5kA高温超导电缆系统，并将进行并网试验。小型超导限流器（400V25A）、超导变压器（400V16V26kVA）、超导储能系统（50kJ20kW）的试验样机均已研究成功。超导弱电应用技术研制成功适合我国通信系统的GSM1800、GSM900和CDMA移动通信用高温超导滤波器系统，技术指标处于国际先进水平。完成了X波段高温超导高性能接收机前端系统各单元部件的优化设计及制作，并开始对X波段高温超导高性能接收机前端系统进行一体化集成初样研制。开展了高温超导SQUID在心磁测量、无损检测和大地电磁测量等方面的应用研究。800MHzrfSQUID系统，其探头采用独创的超导薄膜梳齿谐振器，具有自主知识产权，高频（1500MHz）性能明显优于国外产品，系统灵敏度达到国际水平（53fTHz1/2），其工艺技术已适用于小规模的产品化。在应用研究方面，用高温超导SQUID在磁屏蔽室或远郊安静环境下成功地进行了多例（近百人）和多点位（胸前36点）的人体心磁测量。经过数据处理后有很好的信噪比，具备了研制开发医用SQUID心磁图仪的能力。 我们期望着通过科研人员和个有关业界的通力合作，坚持不懈的努力，高温超导必将改变全球的能源，环保和生活各个方面的现状，创造一个全新的世界。参考文献1， 物理新闻和动态34卷（2005年）1期，75页，高温超导机理研究的新进展 2，同济大学学报（自然科学版）第33卷7期， 2005年7月，869-874页，高温超导的物理进展3, IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL.14, NO.4, DECEMBER 2004, 2037-2046, Superconductivity: An Emerging Power-Dense Energy Efficient Technology4，Cryogenics, 45 (2005), 3-10，Roads for HTS power applications to go to the real world, cost issues and technical issues.5， Journal of Electronic Packaging 2004 DECEMBER 2004, Vol. 126 / 491, The Challenges of Electronic Cooling: Past, Current and Future6，IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL. 12, NO. 1, MARCH 2002, Highli