超导材料特性与应用

功能材料概论—论超导材料特性与应用摘要：材料是一切技术发展的物质基础。在功能材料中，超导材料具有优越的物理、化学性质，目前已被广泛接受和认同，具有良好的发展前景。关键词：超导材料特性前景能源、信息和材料是现代文明的三大支柱，而材料又是一切技术发展的物质基础。其中功能材料是新材料领域的核心，是国民经济、社会发展及国防建设的基础和先导。功能材料是指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。功能材料不仅对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，还对我国相关传统产业的改造和升级，实现跨越式发展起着重要的促进作用。功能材料种类繁多，用途广泛，正在形成一个规模宏大的高技术产业群，有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。世界各国均十分重视功能材料的研发与应用，它已成为世界各国新材料研究发展的热点和重点，也是世界各国高技术发展中战略竞争的热点。一、 超导材料的发现1911年，荷兰物理学家翁奈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为超导体。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，超导材料已被广泛接受和认同，具有良好的发展前景。二、 超导材料的分类1、 超导元素在常压下有28种元素具超导电性，其中铌(Nb)的宜最高，为9.26K。电工中实际应用的主要是铌和铅23，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。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，性能将进一步提高。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年在镧一钡一铜一氧化物中发现了Tc=35K的超导电性。1987年，中国、美国、日本等国科学家在钡一钇一铜氧化物中发现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。三、 超导材料的参量1、 临界温度外磁场为零时超导材料由正常态转变为超导态(或相反)的温度，以Tc表示。Tc值因材料不同而异。已测得超导材料的最低Tc是钨，为0.012K。到1987年，临界温度最高值已提高到100K左右。2、 临界磁场使超导材料的超导态破坏而转变到正常态所需的磁场强度，以Hc表示。Hc与温度T的关系为Hc=H0[1-(T/Tc)2]，式中H0为0K时的临界磁场。3、 临界电流和临界电流密度通过超导材料的电流达到一定数值时也会使超导态破坏而转变为正常态，以Ic表示。Ic一般随温度和外磁场的增加而减少。单位截面积所承载的Ic称为临界电流密度，以Jc表示。超导材料的这些参量限定了应用材料的条件，因而寻找高参量的新型超导材料成了人们研究的重要课题。以Tc为例，从1911年荷兰物理学家H.开默林一昂内斯发现超导电性(Hg，Tc=4.2K)起，直到1986年以前，人们发现的最高的Tc才达到23.2K(Nb3Ge，1973)。1986年瑞士物理学家K.A.米勒和联邦德国物理学家J.G.贝德诺尔茨发现了氧化物陶瓷材料的超导电性，从而将Tc提高到35K。之后仅一年时间，新材料的Tc已提高到100K左右。这种突破为超导材料的应用开辟了广阔的前景，米勒和贝德诺尔茨也因此荣获1987年诺贝尔物理学奖。四、 超导材料的特性1、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。2、 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。1933年迈斯纳和奥尔德首次发现了超导体具有完全抗磁性的特点。把锡单晶球超导体在磁场（HMHc）中冷却，在达到临界温度Tc以下时，超导体内的磁通线一下子被排斥出去；或者先把超导体冷却至Tc以下，再通以磁场，这时磁通线也被排斥出去，即在超导状态下，超导体内磁感应强度B=0。这就是迈斯纳效应。3、 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。4、 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4.18开，而原子量为203.4的汞同位素，Tc为4.146开。五、 超导材料的机理当前在阐明超导机理的几种理论中，二流体模型是较有说服力的，较为流行的一种。二流体模型认为：超导体处于超导态时，传导电子分为两部分，一部分叫常导电子，另一部分叫超流电子，两种电子占据同一体积，彼此独立运动，在空间上互相渗透;常导电子的导电规律与常规导体一样，受晶格振动而散射，因而产生电阻，对热力学熵有贡献；超流电子处于某种凝聚状态，不受晶格振动而散射，对熵无贡献，其电阻为零，它在晶格中无阻地流动。这两种电子的相对数目与温度有关，T>Tc时，没有凝聚；T=Tc时，开始凝聚；T=0时，超流电子成分占100%。这就是二流体模型的理论观点。它很好的解释了超导体在超导状态时零电阻现象。六、 超导材料的应用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。到90年代，超导材料的应用主要有：①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；可制作通信电缆和天线，其性能优于常规材料。②利用材料的完全抗磁性可制作无摩擦陀螺仪和轴承。③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。七、超导材料的前景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