高温超导材料

1、高温超导材料樊世敏摘要自1911年发现超导材料以来，经历了简单的金属、合金、复杂的化合物，超导转变温度也逐渐上升，目前已上升到164K (高压状态)。 本文主要介绍了高温超导材料中钇系(YBCO )、铋系(BSCCO )、二硼化镁(MgB2 )和高温超导材料的应用。 结合目前的主要应用领域，展望高温超导材料的发展方向。关键词高温超导材料、超导特性、高温超导应用1引言超导材料的发现和发展已有近百年的历史，前期超导材料的温度一直处于低温区域，发展缓慢。 直到1986年，高温超导(HTS )材料的发现，进一步掀起了研究高温超导材料的热潮。 经过20多年的发展，已经形成了技术成熟的第一代HTS带-BS

2、CCO带，现在开发了第二代HTS带-YBCO涂层导体，最近加强了HTS带在强电场中的应用。 同时，HTS薄膜和HTS块的制造技术也不断发展和完善，前者在强电场中应用得很好，后者在弱电场中应用得很广，具有很广的应用前景。2发现高温超导体的简单历史20世纪初，荷兰雷顿研究所的科学家卡梅莱昂内斯等人不断地将氦气液化1-7，随后的1911年，昂内斯等人通过测量金属汞的低温阻力，发现了超导性这一特殊的物理现象。 引起了科学家对超导材料的研究热潮。 1911年至1932年，以研究元素超导为主，发现了除汞外，还有Pb、Sn、Nb等多种金属元素超导体，1932年至1953年，发现了很多具有超导电性的合金和Na

3、Cl结构的过渡金属碳化合物和氮化物，临界转变温度(Tc )更是到1986年为止，美国国际商用机器公司由瑞士苏黎世研究所的科学家巴诺(J. G. Bednorz )和穆勒(K. A.Mller )首先制造Tc为35K的镧钡铜氧(lab acuo )高温氧化物超导体，对高温超导材料的研究很大发现了临界转变温度超过90K的钇、钡、铜、氧等一系列高温氧化物超导体，成为高温超导材料研究领域的划时代标志，高温超导材料的研究不仅停留在理论阶段12。 迄今为止，发现了数千种超导材料，典型的超导材料的临界转变温度和发现时间如图1所示。图1超导体Tc提高的历史概略图一百几十年来，人们对超导材料的研究产生了兴趣。

4、2011年，人们在全国各地举行做了各种各样的活动纪念了超导探讨现象发现100周年，超导材料的研究现状和发展方向。 随着新超导材料的不断发现，超导材料的临界转变温度也不断上升，理论机理得到了更深的认识，大大促进了超导材料的实用化。3常用的高温超导材料目前，在高温超导材料中应用最广泛的是钇系(YBCO )、铋系(BSCCO )和二硼化镁(MgB2 )。3.1钇系高温超导材料(YBCO )钇系高温超导材料是目前发现的高温超导材料中最彻底的，YBCO的临界转变温度在92K左右可以显示出超导性，并且超导相的比例极高。 现在，可以从很多商业渠道获得优质的Y123粉末、薄膜和块状物。 超导性能优良的粉末、高

5、度致密的块材和薄膜的制造工艺和方法已经相当成熟，最常用的方法是粉末装管法(PIT)14和外延生长法。 虽然脉冲激光沉积法(PLD)15是众多沉积方法中应用最广泛的沉积方法，但PLD法要求严格，需要使用昂贵的大功率、高真空装置和工业用激光源，不适合大规模产业化生产。 目前，使用三氟乙酸盐(TFA )前体粉的金属有机沉积法(MOD )是较有前途的沉积方法之一，用TFA-MOD法16制备的YBCO涂层导体性能高、制造成本低，能满足商业应用的要求。3.2铋系高温超导材料(BSCCO )铋系高温超导材料主要有Bi2Sr2CuO6、Bi2Sr2CaCu2O8和Bi2Sr2Ca2Cu3O10三种。 这三种材

6、料的晶体结构与其他氧化物超导体具有共同的结构特征，即CuO4层。 该CuO4层被碱土金属离子(Sr、Ca )和Bi2O2层分离，形成了层状钙钛矿型结构的变化。 BSCCO粉末具有良好的烧结特性和超导性能，目前用于商品化生产。 铋系粉末的制备除了常用的固相反应法以外，还有共沉淀法、溶胶凝胶法、溶液高温自扩散燃烧法等，其中喷雾干燥法、喷雾热解法适合铋系粉末的批量生产17。3.3二硼化镁(MgB2)二硼化镁(MgB2 )在通常的超导体中临界温度最高，具有高临界电流密度。 其结晶结构属于六方晶系，是一种插层型化合物，硼层和镁层交替排列，其超导机理可以用BCS理论解释。 一般来说，构成氧化物高温超导材料

7、的化学元素昂贵，合成的超导材料脆性大，难以加工成线材，硼和镁便宜，容易制成线材。 一般使用PIT法 18，19 ，另外，电泳法20是制造高品质MgB2条的新方法。4高温超导材料的应用高温超导材料的应用通常分为强电应用和弱电应用两种。 强电的应用主要基于超导体的零电阻特性和完全的反磁性，以及部分超导体特有的高临界电流密度和高临界磁场。 弱电的应用主要基于磁通量量子化、能隙、隧道、约瑟夫森效应等。 HTS带材和块材主要用于电力系统等强电场，而HTS薄膜主要用于SQUID器件、微波器件等的开发，在弱电场具有较大的应用范围。 图2总结了基于HTS材料不同特性的应用分类。图2超导电性应用分类4.1 HT

8、S在强电场中的应用发现HTS材料后，因为其特殊的应用性能，从1990年代初就开始在强电应用方面进行探索研究。 早期的工作主要集中在HTS引线的制造、线圈磁铁技术、高压发生器、强电力故障限流器、磁分离装置、大电流引线、电力应用性能研究等方面。 目前HTS材料在电力、交通运输、生物医学、高能物理等方面取得了很大发展。4.1.1电力能源随着我国社会和经济的发展，电能需求量日益增加，电网容量越来越大，供电密度越来越高，电网向超大规模方向发展，对电力供给质量和电网稳定可靠性提出了更高的要求。 超导电力技术能解决常规电力技术无法克服的问题，有可能给电力工业领域带来巨大的变革。 表1总结了超导电力技术在电力

9、能源上的应用、特征、意义和发展现状。 表1可见，超导电力技术及其应用大幅度提高了电网的可靠性和稳定性，通过改善电网输电能力，降低网络损失，提高了我国电力工业的发展水平，为实现我国电力工业的长期发展战略提供了可靠的技术保障。 随着超导技术和融合工程的发展，我们有理由相信核聚变将在不久的将来成为无限清洁安全的新能源。表1 HTS电力技术的特征和发展现状应用。特征和意义发展现状。HTS电缆(1)损失小、体积小、重量轻、容量大(2)实现低电压、大电流、高密度输电(3)环境保护、节能有助于改善电网结构日本单相，500米，77kV/1kA美国三相，660米，138kV/2.4kA中国三相，75m，10.5

10、kV/7.5kA模型完成。研发阶段同时执行HTS限流器(1)正常时阻抗小，故障时显示大阻抗(2)集故障检测、转换和限制于一身(3)反应和恢复速度快，对电网没有负面作用美国桥型，15kW/20kA德国三相电阻型，10kV/10MVA中国改良桥型，10.5kV/1.5kA模型完成。试验运转模型完成。HTS变压器(1)体积小、重量轻、容量大、效率高(2)没有火灾的危险性、环境污染(3)限制短路电流韩国60MVA，154kV/23kV美国5/10MVA，24.9kV/4.2kV中国630kVA，10.5kV/400V模型完成。模型完成。同时执行超导磁储藏(1)利用电能和电磁能的相互转换储藏(2)效率高

11、、响应快、系统稳定性提高(3)调节负载高峰，存储紧急备用电力美国100MJ/100MW (低温超导)日本1.8GJ/100MW(HTS )日本560公里模型完成。研究开发阶段实验阶段HTS飞轮贮藏(1)利用电能和机械能的相互转换来实现能源(2)低损失、高速、高效率(3)用于电力高峰调整、电池制作、不间断电源日本15kW/2.24kWh美国2.25千瓦日本10MWh实验阶段模型完成。搜索阶段HTS电动机(1)体积小，重量轻，效率高(2)极限单体容量高，同步电抗小(3)用于舰船、浮游列车的推进、火箭发射美国同步，5MW德国同期，4MW美国同期，36.5MW千瓦模型完成。实验阶段研发阶段PS发动机(

12、1)体积小，重量轻，效率高，过载能力强(2)极限单体能量大，同步电抗小(3)提高电网稳定性，用于无功功率补偿美国同步，100MVA澳大利亚涡轮，2MW英国同期，100KVA模型完成。模型完成。模型完成。HTS电流导线(1)减少热泄漏，降低运行成本，提高稳定性(2)用于超导装置德国70kA，漏热0.2W/kA日本60kA，漏热0.1W/kA中国20kA，漏热0.25W/kA模型完成。应用阶段模型完成。超导磁流体发电(1)将热能直接转换成电能(2)效率高、污染少、启动快、单体容量大日本200毫升，效率20%-40%模型完成。超导控制热核聚变(1)通过控制融合反应得到融合能(2)不产生核废弃物和温室

13、气体，污染小(3)带来巨大无限的清洁能源中国超导托卡马克-HT-7中国全超导托卡马克-EAST韩国KSTAR托卡马克执行阶段除错阶段研发阶段4.1.2交通运输交通运输对社会的发展非常重要，是国民经济的大动脉，也可以解决各地区经济发展、物资交流和人才流动的大城市人口拥挤问题。 目前，虽然世界各国的交通运输事业迅速发展，但交通拥挤的情况仍然严重，铁路、航空、海运部门的动力还不够。 为了改善这种状况，加快列车和船的速度对人类社会有很大的影响。 PS在这方面有很大的价值。(1)HTS磁悬浮列车。 HTS在磁悬浮列车上的应用主要有利用HTS磁铁的列车悬浮和利用HTS直线电机的列车推进两个方面。 利用HT

14、S磁悬浮技术，中国于1997年制造出HTS磁悬浮模型车，此后，于2000年12月开发出世界上第一辆载人HTS磁悬浮实验车，使中国的HTS磁悬浮列车的研究处于世界领先水平。 日本在20世纪90年代将低温超导技术应用于线性同步电动机中，作为磁悬浮列车的驱动力大幅度提高了列车的运行速度，2003年12月制造出时速581 km/h的磁悬浮列车，打破了世界速度记录21。 HTS磁悬浮列车不仅快速、安全、噪音小，而且比常导和低温超导磁悬浮列车具有成本低、控制技术简单、速度更高的特点，所以未来HTS磁悬浮列车有更大的发展应用前景。(2)超导电磁推进船。 超导磁流体(MHD )推进船的推进原理是，电流通过海水

15、从正极流向负极，受到超导磁铁垂直磁场的洛伦兹力，使海水向后方移动，使船产生前方的推力。 该超导电磁推进船具有发动机和螺旋桨、结构简单、速度快、推进效率高、控制性能好、无污染、噪音小、成本低、容易维护等多种优点。 随着HTS磁铁技术的开发，超导磁铁产生的磁场超过20T，MHD推进船在运输和军事领域有很大的商业价值。同时，高温超导技术在一些水平或垂直运输装置、电动汽车、飞机上也得到了重要应用，并挖掘了HTS技术在交通运输中的应用潜力。4.1.3生物医学超导核磁共振成像装置。 核磁共振成像(NMRI )将核磁共振(NMR )原理与计算机断层扫描(CT )技术相结合，其全称是核磁共振计算机断层扫描(N

16、MR-CT )。 NMRI可以获得人体各种器官和组织任意断面的清晰图像，也可以获得各组织的化学结构。 利用NMRI可以诊断某早起病，监视医疗过程，检测人体化学生身体，研究经络系统的机制等。 该装置的核心部件是磁铁系统，磁铁系统中的主磁铁采用超导磁铁，不仅能产生比通常的磁铁更强的主磁场，而且稳定性好，均匀性高，能减少测量时间，使图像更鲜明，具有更多的功能。另外，利用超导铁磁体诱导磁导管在人体内部进行肿瘤手术治疗，无需进行深部外科切除、痛苦小等。 用超导磁铁产生的强磁场得到大量的磁化水，可以应用于农业和医疗，具有促进农作物的生长、新陈代谢和家畜的生长发育、提高生存率、预防疾病等优点，也可以应用于多种人类疾病的治疗。4.1.4高能物理目前，使用超导磁铁规模最大的是高能物理实验。 高能物理实验研究需要三种磁铁(1)探针磁体：鉴定和分析粒子的特性和相互作用，如气泡室磁体、光谱仪磁体、混合光谱仪磁体等(2)输送磁铁：为了选择、诱导、聚焦双极磁铁、四极磁铁等粒子束，设置在束流输送线上(3)加速器磁铁：用于光束、转弯、聚焦加速器的粒子。 在这些磁铁中如果采用通常的磁铁，不仅巨大、体积大、运行成本高，而且很难在广阔的空间中得到稳定的强磁场，所以必须考虑采用超导磁铁。(1)超导氢气泡室。 这是基本的粒子检测器，是在磁场中加入过热液体(液态氢)的容器。 带电的粒子进入过热的液体中时，把自己带有的