超导材料论文

1、超导材料摘要：简要介绍了超导材料的发展史、现状，展望了未来超导材料的发展，分析了当前超导材料的主要发展方法。关键词：超导体研究进展冷热应用一篇序言超导材料是低温下可能发生超导的物质。超导材料最独特的性能是电能在传递过程中很少丢失。超导材料的开发是在低温下进行的，在众多科学家的努力下，超导材料的研究已经取得了很大的进展。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。高温超导材料的制造工艺也有了很大的发展，制造高温超导材料的一些材料正被科学家陆续发现。目前超导材料研究主要集中在超导输电线、超导变压器等电功率系统方面，利用超导材料可以形成强磁场，超导材料是用于磁悬

2、浮列车研究的土地。另外，超导材料在医学、生物学领域也取得了巨大的成果。超导材料研究也将在未来努力发展到实用化。室温超导体达到实用化、产业化，将对现代文明社会的科学技术产生深远的影响。二、研究现状1.超导材料的探索与发展探索新的超导材料总是在超导材料研究中发挥关键作用，同时也是一项风险高、投资多的研究工作。自1911年荷兰物理学家卡梅尔林恩尼斯发现水银在4.2K附近的超导性以来，迄今发现的新超导材料几乎遍及整个元素周期表，从轻质硼、锂到过渡重金属铀系列。超导材料的早期研究大部分集中在元素、合金、过渡金属碳化物、氮化物等。到1973年，发现了NbSn、VGa、NbGe等一系列a型超导体和三元超导体

3、，其中NbGe超导体的临界转变温度(t)值达到23.2K。上述超导材料要用液氦制作制冷剂才能显示超导状态，应用受到很大限制。1986年，德国科学家伯努斯和瑞士科学家穆勒发现了一种新的金属氧化物超导材料，钡镧铜氧化物(La-BaCuO)，其t为35K，首次实现了液氮温度区的高温超导。铜酸盐高温超导体的发现是超导材料研究中的一大突破，打开了混合金属氧化物超导体的研究方向。1987年初，中国和美国的科学家们发现，临界温度大于90K的YBacuO超导体高于液氮温度(77K)，高温超导材料研究取得了很大进展。法国米切尔发现了第三种高温超导体BisrCuO，后来掺入Ca的人得到了Bis，aCuO超导体，第

4、一次氧化物超导体的零电阻温度突破了100K线。1988年，美国霍尔曼和莫里清廉等公司发现了超导体t，将超导体临界温度提高到了当时公认的最高记录125K。瑞士苏黎世的希林等发现在HgBaCaCuO超导体中，临界转变温度约为133K，高温超导临界温度取得了新的突破。超导材料的研究2.1低温超导阶段梅斯发现超导体的自容性后(荷兰物理学家艾伦布斯根据相关的超导液态氦的比热不连续现象(热力学中提出了二次相变的概念)，库特和卡西米尔给出了超导的2流体模型)德国物理学家f伦敦和h伦敦兄弟提出了超导的电动力学相位理论(即伦敦)方程式)；学位海森伯根据电子之间的库仑相互作用提出了超导体微理论，玻尔提出了另一种微

5、理论。前苏联物理学家阿布里科索普提出了超导体的第二类概念。巴丁/库珀和斯里费提出了在超导体中发现单个电子隧道效应的BCS理论；Joseph sen提出了josepon效应等。1934-1985年，超导体在理论上和实验上得到了广泛的研究，逐步发展超导体物理理论，并将超导体材料逐步应用于实际科学技术领域。因为人们知道在特定条件下水平的限制和一些其他原因，直到今天超导物理理论还不完善，在实用上也不广泛。在这个阶段，人们研究的超导材料的临界转变温度很低，因此在超导史上，这个时期属于低温超导阶段。2.2高温超导阶段现在的高温超导材料是指钇(92 K)、铋(110 K)、铊(125 K)和汞(135 K)

6、，以及2001年1月发现的新超导体二氧化镁(39 K)。其中最实用的是铋系、钇系(YBCO)和二氧化镁(MgB)。氧化物高温超导材料是以氧化铜为成分的钙钛矿层状结构复杂的物质，在正常状态下是不良导体。高温超导材料与低温超导体相比具有明显的各向异性，垂直和氧气结构层方向的物理特性大不相同。高温超导体属于郑智薰理想的超导体II。具有比低温超导体更高的临界磁场和临界电流，是更接近实用的超导材料。特别是在低温下，性能比传统超导体高得多。高温超导材料进入了实用化研究开发阶段，氧化物复合超导材料的耐久性和稳定性引起了材料科学家的广泛关注。高温超导薄膜材料早期进入了电子设备的应用领域，因此很多学者对薄膜材料

7、的环境相关稳定性和寿命进行了研究。浸泡实验是在不同试剂(水、酒精和丙酮等)、不同气氛(干氮、湿氮和流动氧等)下进行循环循环循环和热老化疲劳试验的常用方法。研究表明，超导性退化主要来自杂相(第二相)和时效中的析出相。美国西北大学的Mirkin建议将广泛应用于其他材料的分子单层表面化学修饰(也称为“自组装”)引入高温超导铜氧化合物。例如，用有机物质对YBCO表面进行分子单层表面改性，以提高薄膜对环境的敏感度。高温超导带材是铋锶钙铜氧(BSCCO/2223)，作为第一代带材，以优良的可加工性被广泛开发，在超导高功率应用中占有重要地位。但是铋材料的实用临界电流密度低，磁场在77 K的应用也低。相反，Y

8、BCO材料的超导性比BSCCO材料好得多。但是其加工性较差，现有的压力加工和热处理工艺很难制作超导性好的带材。近年来，随着材料科学技术的发展，YBCO在轧制金属基带中制造超导带材工艺受到高度重视，被命名为“下一代”高温超导带材或“第二代”带材。ITZY两个基本技术方案：(1)代表美国橡胶树岭国家实验室(ORNL)的计划，该实验室名为罗琳双向金属基带方法(RABiTS)。在会上，Specht报告了基带退火组织稳定性分析，并将YBCO外延薄膜用激光沉积在1米长的取向金属基带上。欧洲以德国、丹麦等为代表，致力于高温超导材料技术及应用研究。丹麦的NKT批量制造铋超导带材。正在开发长度为10米，2000

9、 A的超导电源线，下一步是开发3相，50-100米的输电电缆。西门子计划在2003年之前制造20 MVA的超导变压器。用于电子工程学探测的RF-SQUID和卫星通信的高温超导滤波器也在试制中。2.3高温超导材料的制备高温超导材料主要适用于薄膜(薄膜、厚膜)、砌块、电线和带材等多种应用领域。准备方法见表1。2.3.1薄膜表1高温超导材料的主要制造方法和用途高温超导体薄膜是构成高温超导体电子器件的基础，制造优质高温超导体是器件应用的关键。高温超导薄膜的制备几乎都是在单晶基板(如SrTiO、LaAl O或MgO)上的薄膜的气相沉积或外延生长。经过10年的研究，高温超导薄膜的制造技术已经成熟，达到了实

10、用化水平(Jc106 Acm，T=77 K)。目前最普遍有效的两种涂层技术是磁控溅射(MS)和脉冲激光沉积(PLD)。这两种方法各有其独特之处，磁控溅射是适合大面积沉积的最佳生长方法之一。脉冲激光沉积法可以很容易地制造出胶片的化学成分和目标学习配置一致，可以控制胶片的厚度。2.3.2厚膜高温超导体厚膜主要用于HTS磁屏蔽、微波谐振腔、天线等。与胶片不同的是薄膜厚度和沉积方法的差异。主要差异包括：(1)通常沉积薄膜必须使用单晶基板。(2)沉积薄膜对基板的晶体方向有一定的取向度；(3)一般薄膜制造需要真空技术。获得厚膜的方法有多种，如热分解喷雾和电泳沉积，最常用的技术作为丝网印刷和刮擦方法在电子工

11、业中得到广泛应用。2.3.3导线，条带超导体在超导体中的应用，包含超导体和一种普通金属的复合多线导线或需要加工成条状的高温超导体的要求。但是陶瓷高温超导体本身就很脆，不能用细电线拉。铋系陶瓷粉末银套管轧制方法(Ag PIT)是许多超导陶瓷线制备方法中最成熟、最理想的方法。抑制铋条带的临界电流密度比通过滚动技术制造条带的临界电流密度高得多。2.3.4块早期氧化物超导体都是用高想象法或化学法制造粉末，然后利用机械压力或烧结等常规粉末冶金工艺获得块状物。制造方法比较简单。但是，如果t达到一定高度，而载流量j过低，则无法满足应用的要求，因此需要提高相应的临界电流密度。经过多年研究后采用YBaCuO块的

12、j值可以达到10Am (77 K)，没有用凝固技术制造的大角度晶系。2.4超导材料在电力系统中的应用随着经济建设的发展，电能需求急剧增加，电力系统的规模也越来越大，形成了联合电力系统。目前我国的最大电力系统容量超过10000兆瓦，最大输电电压为500千瓦，大型发电设备容量超过600兆瓦，发电功率和安装容量居世界第二位。全国已形成5个地区间的电网。5个独立的地方网和1个南方联合网不久将建立以三峡网为中心的全国电力系统。采用集成电源系统有很多优点，包括利用全球负载的互补性减少系统总安装容量。合理利用资源实现经济运行。有助于安装大容量设备，提高劳动生产率。减少备用容量等。但是并网联合运行引起了电功率

13、系统结构复杂、运行困难等几个问题。2003年年八月14日美国东北部地区大规模停电警告现代电力系统安全运行，必须采取有效措施确保电网安全和经济运行。美国能源部认为，超导电力技术是21世纪电力产业唯一的高科技储备国。据国际超导科技界和相关产业部门预测，10年后，全球超导产业将达到260亿美元。因此，超导技术被认为是2l世纪战略尖端技术。在电力系统中引入超导体技术，可以提高单机容量，增加电网的承载能力，减少传输损失，提高系统运行的稳定性和可靠性，提高电能质量。减少网格占用空间和网格成本和转换成本，实现超大规模网格但是通过大量超导输电系统，可以在煤矿和油田附近建设排出污水的发电站，也可以建设原子能建立

14、在比较偏僻的地区，改善人类生活环境的质量。超导储能可以大大改善。有效地将可再生能源的电能质量与大电网联系起来。因此，对超导电缆、超导故障电流限制器、超导储能器、超导变压器、超导发电机、超导电动机等超导技术的研究将得到加强大力推进电力科学技术的发展，使电力科学技术的发展进入新的局面。目前超导电缆、超导故障电流限制器、超导能源存储单元和超导变压器已达到工程实用阶段或接近超导机械和超导电机的发展也取得了重大进展。2.4.1超导传输电缆我国电力资源和负荷不均，迫切需要远距离、低损耗输电技术。超导材料由于零电阻特性和比传统导体高得多的载流量，可以在不损失电力的情况下传送巨大的电流和电力。超导输电在短距离

15、、大容量、中部下传输时具有更大的优点，能够达到单回路传输GVA级巨大容量的电力。应用低温超导材料时需要液氮作为冷却剂，液氦的价格高，使低温超导电缆失去了产业化应用的可行性。如果用高温超导材料作为导电核心制造超导电缆，在液氮的冷却下，电能可以无电阻地传输。高温超导电缆的出现使电力电缆领域的超导技术产业应用成为可能。目前市面上可获得的、可用于制造高温超导电缆的材料主要是银包铋系多核高温超导带、临界工程电流密度大于10 kA/cm的高温超导电缆，具有体积小、损耗小、传输容量大的优点，可用于地下电缆工程改造。用高温超导电缆代替现有的相感应电缆会增加传输容量。高温超导电缆的另一个重要应用案例是将巨大的电

16、力从低于感应电缆的工作电压传输到城市负荷中心。由于交流损耗，使用高温超导材料准备直流电缆比准备交流电缆更有利。利用超导技术设计了实用的直流输电电缆和有效的匹配系统，实现了高能效的低压大容量直流电力传输系统。2.4.2超导变压器超导变压器通常采用现有变压器等铁芯结构，只有高低压绕组采用超导绕组。超导绕组在非金属低温容器中，以减少涡流损耗。变压器核心通常处于室温状态，超导变压器具有损耗小、体积小、效率高(99%以上)、极限独立容量大、长时间过载能力强的优点。此外，由于使用了高电阻基板材料，因此具有一定的限制缺陷电流效果。一般来说，超导变压器的重量(核心和电线)只有现有变压器的40%以下，尤其是变压

17、器的容量超过300 MVA时，其优越性更为明显。早在20世纪60年代就有人研究过超导变压器。但是由于交流的损失，大雨被认为是非经济的。超导变压器是非常精细的超导复合导体的出现，才成为一个有吸引力的应用脖子。高温超导材料的出现是因为超导的磁场强度减少了超导变压器的技术困难因为只有0.3 0.5 t，所以在变压器中使用高温超导材料是适当的；液氮下的绝缘强度高于液氦下的绝缘强度，可以进一步简化变压器绝缘。三个结论和展望不久前，全球超导开始了，原因是超导的三个特征：零电阻、完全磁电阻和隧道效应。像超导体的零电阻这样的特性使人们能够实现电力“无损运输等超导体的这三个特性实用化的方法”和“实用化后将出现的问题”是当前超导科学家的难题3.1超导材料的可能应用关于超导体材料的应用，人们首先想到的是利用超导体的第一个特性，即无线