[应用]超导材料论文

应用应用 超导材料论文超导材料论文 超导材料超导材料 一 超导材料的基本介绍1973年 人们发现了超导合金 铌锗合 金 其临界超导温度为23 2K 该记录保持了13年 1986年 设在瑞士苏黎世的美国IBM公司的研究中心报道了一种氧化 物 镧 钡 铜 氧 具有35K的高温超导性 打破了传统 氧化物 陶瓷是绝缘体 的观念 引起世界科学界的轰动 此后 科学家们争分夺秒地攻关 几乎每隔几天 就有新的研究成 果出现 1986年底 美国贝尔实验室研究的氧化物超导材料 其临界超导温 度达到40K 液氢的 温度壁垒 40K 被跨越 1987年2月 美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤相继在钇 钡 铜 氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上 液氮的禁区 77K 也奇迹般地被突破了 1987年底 铊 钡 钙 铜 氧系材料又把临界超导温度的记录提 高到125K 从1986 1987年的短短一年多的时间里 临界超导温度竟然提高了1 00K以上 这在材料发展史 乃至科技发展史上都堪称是一大奇迹 高温超导材料的不断问世 为超导材料从实验室走向应用铺平了道 路 二 超导材料的分类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 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 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 目前铌钛合金是用于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 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 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T c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 三 超导材料的制备超导材料的制备方法很多 以前较为常用的有 液相淬火法 离子轰击法 气相淬火法 化学气相沉积法CVD 表面扩散法和固态扩散法 青铜法 等等 对 于高温超导陶瓷材料的制备而言 这些方法可以借鉴 但主要是运 用一些化学和物理技术和方法 这里更趋向于采用陶瓷工艺制备 首先必须明确的是 发展超导材料的关键在于有效地运用科学方法 控制工艺参数 以形成超导相而避免其他不利的物质或杂质生成 努力使超导材料的超导相含量增高 甚至是单一超导相 提高转 变温度 力求达到液氮温区或者干冰区 甚至追求室温超导体的制 备为最终目标 目前的工作重点在于提高临界电流密度 Jc 和改善机械性质 KC 和强度 这方面的研究刚起步 下面介绍一些常见的合成方法 1 固相合成法 原料是采用32OTl 纯度为85 BaO 纯度为85 或2B aO 纯度80 CaO 纯度98 CuO 纯度99 按名义组成为yO TlBaCaCu2yO TlBaCaCu3 yTlBaCaCuO yO CuBaCa Tl322配料 经充分研磨混匀 然后 将混合料在500Mpa在压强下冷 压成型 将成型的圆片放置在铂板或氧化铝板上 在电阻炉内通空 气进行烧结 烧结温度为740 860 烧结时间4 8h 以后随炉冷却 制备出高Tc 超导转变临界温度 的样品 在不同温度下进行烧结 采用热分析法进行观测 发现在800 以上 样品已有严重的失重 加热温度再高 失重加剧 但另一方向 要充分反应以形成更高转变温度的超导相 又需较高 的烧结温度 因而只有合理控制工艺条件 采用快速升温 使原料 中易挥发的32OTl迅速达到熔化 并同其他组成发生固一液反应 快 速生成较稳定的物相 这样可大大减少在烧结过程TL的损失 获得 在Tc为120K的超导体陶瓷 2 均匀溶胶一凝胶合成法先将铜粉在热硝酸中煮溶 再添加33 NO Y和3BaCO 因为溶液中PH值非常低 其中会形成少量的BaO 徐徐加 入氢氧化铵 使溶液PH值超过7 BaO溶解 形成透明的绿兰色溶液 然后再将聚丙稀酸添加进溶液 在高PH值的溶液中将会迅速形成 螯合物 即具有聚合碳基单元的凝胶系统 将凝胶置于瓷坩埚中125 干燥3h 400 480 熔烧3h 再以5 mm升至煅烧 随炉冷却便形成单纯合成材料 3 熔盐结构生长法这是一种新型晶体生长法 其中工艺包括熔化 123 22OY BaO CuO 氧化物 控制从液体状冷却 生成一块样品 在Tc77K时泰斯勒磁场强度中Jc7400A 2cm 该料长80 250um 横截面225um 在晶体长轴方向有高导电性 其特点是比其 他方法制备的123化合物的临界电流密度高100倍 此法由美国贝尔 实验室提出 现在很受重视 4 液态淬火氧化法日本东北大学材料研究所用纯金属Yb Ba Ca须 氩气保护电融熔融并迅速淬火后 得到厚度为80um 直径为30um的Y b Ba Cu3合金箔 然后再在800 900 空气中处理3小时 得到氧化物箔片 X射线衍射分析结果表明 淬火状态的Ybi Ba2 Cu3合金具有非品结构 高温氧化后得到和73 21O CuBa Y相同的结构 分子为8632 O CuYbBa 这是一个值得重视的方法 5 套管拉丝法将具有y36 04 CnO BaOYo名义组成配比的混合粉未烧成熟粉 再填充到铜管或银管中拉 成直径为1mm的成材 对该铜线材是先经腐蚀去铜后再进行最终热处 理 则试结果Tc 87K 77K零场下Jc 720A 2cm 用同样工艺制备的块状样品 其Jc为1 1 103A cm2 又将该银线烧 成 2cm 2cm的线圈直接在氧气中进行最终热处理 液氮中的电流 度Jc 510A 2cm Tc 70K 四 超导材料的性能超导材料和常规导电材料的性能有很大的不同 主要有以下性能 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 完全抗磁性超导材料处于超导态时 只要外加磁场不超过一定值 磁力线不能透入 超导材料内的磁场恒为零 约瑟夫森效应两超导材料之间有一薄绝缘层 厚度约1nm 而形成 低电阻连接时 会有电子对穿过绝缘层形成电流 而绝缘层两侧没 有电压 即绝缘层也成了超导体 当电流超过一定值后 绝缘层两侧出现电压U 也可加一电压U 同时 直流电流变成高频交流电 并向外辐射电磁波 其频率为 其中h为普朗克常数 e为电子电荷 这些特性构成了超导材料在科学技术领域越来越引人注目的各类应 用的依据 五 超导材料的应用超导陶瓷材料的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 但要实际应用超导材料又受到一系列因素的制约 这首先是它的临 界参量 其次还有材料制作的工艺等问题 例如脆性的超导陶瓷如 何制成柔细的线材就有一系列工艺问题 到80年代 超导材料的应用主要有 利用材料的超导电性可制作磁 体 应用于电机 高能粒子加速器 磁悬浮运输 受控热核反应 储能等 可制作电力电缆 用于大容量输电 功率可达10000MVA 可制作通信电缆和天线 其性能优于常规材料 利用材料的完全抗磁性可制作无摩擦陀螺仪和轴承 利用约瑟夫森效应可制作一系列精密测量仪表以及辐射探测器 微波发生器 逻辑元件等 利用约瑟夫森结作计算机的逻辑和存储元件 其运算速度比高性能 集成电路的快10 20倍 功耗只有四分之一 六 超导材料的发展历程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 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 2K提高到铌三锗的23 22K 才提高了19K 1986年 高温超导体的研究取得了重大的突破 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 全世界有260多个实验小组参加了这场竞赛 1986年1月 美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎世实验室科学家柏 诺兹和缪勒首先发现钡镧铜氧化物是高温超导体 将超导温度提高 到30K 紧接着 日本东京大学工学部又将超导温度提高到37K 12 月30日 美国休斯敦大学宣布 美籍华裔科学家朱经武又将超导温 度提高到40 2K 1987年1月初 日本川崎国立分子研究所将超导温度提高到43K 不 久日本综合电子研究所又将超导温度提高到46K和53K 中国科学院物理研究所由赵忠贤 陈立泉领导的研究组 获得了48 6K的锶镧铜氧系超导体 并看到这类物质有在70K发生转变的迹象 2月15日美国报道朱经武 吴茂昆获得了98K超导体 2月20日 中国也宣布发现100K以上超导体 3月3日 日本宣布发现123K超导体 3月12日中国北京大学成功地用液氮进行超导磁悬浮实验 3月27日美国华裔科学家又发现在氧化物超导材料中有转变温度为24 0K的超导迹象 很快日本鹿儿岛大学工学部发现由镧 锶 铜 氧组成的陶瓷材料 在14 温度下存在超导迹象 高温超导体的巨大突破 以液态氮代替液态氦作超导制冷剂获得超 导体 使超导技术走向大规模开发应用 氮是空气的主要成分 液氮制冷机的效率比液氦至少高10倍 所以 液氮的价格实际仅相当于液氦的1 100 液氮制冷设备简单 因此 现有的高温超导体虽然还必须用液氮冷 却 但却被认为是20世纪科学上最伟大的发现之一 七 超导材料的发展前景陶瓷高温超导材料的发现和应用 将带动 着广泛领域里许多有着重大竟义的应用前景 如约瑟夫逊效应器件 超导磁屏蔽 超导红外传感器等在近期内会得到应用 至于超导磁悬浮列车 超导电动机 超导储能 以及超导电力传输 等 将在本世纪和下世纪普遍实现 著名材料学家们表示了乐观的意见 其他人在不同的场合表示了这种看法 甚至更富于幻想或浪漫