第一篇：高溫超導材料論文 最新

高溫超導材料研究

摘要：簡要介紹了高溫超導材料及其發展歷史，對超導材料的發展現狀和用途進行說明，對目前超導材料的主要研制方法進行了分析。關鍵詞：超導材料 研究進展 高溫 應用

一、高溫超導材料的發展歷史

高溫超導材料一般是指臨界溫度在絕對溫度77K以上、電阻接近零的超導材料，通常可以在廉價的液氮（77K）制冷環境中使用，主要分為兩種：釔鋇銅氧（YBCO）和鉍鍶鈣銅氧(BSCCO)。釔鋇銅氧一般用于制備超導薄膜，應用在電子、通信等領域；鉍鍶鈣銅氧主要用于線材的制造。

1911年，荷蘭萊頓大學的卡末林·昂尼斯意外地發現，將汞冷卻到-268.98°C時，汞的電阻突然消失；后來他又發現許多金屬和合金都具有與上述汞相類似的低溫下失去電阻的特性，由于它的特殊導電性能，卡末林·昂尼斯稱之為超導態，他也因此獲得了1913年諾貝爾獎。

1933年，荷蘭的邁斯納和奧森菲爾德共同發現了超導體的另一個極為重要的性質，當金屬處在超導狀態時，這一超導體內的磁感應強度為零，卻把原來存在于體內的磁場排擠出去。對單晶錫球進行實驗發現：錫球過渡到超導狀態時，錫球周圍的磁場突然發生變化，磁力線似乎一下子被排斥到超導體之外去了，人們將這種現象稱之為“邁斯納效應”。

自卡麥林·昂尼斯發現汞在4.2K附近的超導電性以來，人們發現的新超導材料幾乎遍布整個元素周期表，從輕元素硼、鋰到過渡重金屬鈾系列等。超導材料的最初研究多集中在元素、合金、過渡金屬碳化物和氮化物等方面。至1973年，發現了一系列A15型超導體和三元系超導體，如Nb3Sn、V3Ga、Nb3Ge，其中Nb3Ge超導體的臨界轉變溫度(Tc)值達到23.2K。以上超導材料要用液氦做致冷劑才能呈現超導態，因而在應用上受到很大限制。1986年，德國科學家柏諾茲和瑞士科學家穆勒發現了新的金屬氧化物超導材料即鋇鑭銅氧化物(La-BaCuO)，其Tc為35K，第一次實現了液氮溫區的高溫超導。銅酸鹽高溫超導體的發現是超導材料研究上的一次重大突破，打開了混合金屬氧化物超導體的研究方向。1987年初，中、美科學家各自發現臨界溫度大于90K的YBacuO超導體，已高于液氮溫度(77K)，高溫超導材料研究獲得重大進展。后來法國的米切爾發現了第三類高溫超導體BisrCuO，再后來又有人將Ca摻人其中，得到Bis尤aCuO超導體，首次使氧化物超導體的零電阻溫度突破100K大關。1988年，美國的荷曼和盛正直等人又發現了T1系高溫超導體，將超導臨界溫度提高到當時公認的最高記錄125K。瑞士蘇黎世的希林等發現在HgBaCaCuO超導體中，臨界轉變溫度大約為133K，使高溫超導臨界溫度取得新的突破。

二、高溫超導體的發展現狀

目前，高溫超導材料指的是：釔系(92 K)、鉍系(110 K)、鉈系(125 K)和汞系(135 K)以及2001年1月發現的新型超導體二硼化鎂(39 K)。其中最有實用價值的是鉍系、釔系(YBCO)和二硼化鎂(MgB2)。氧化物高溫超導材料是以銅氧化物為組分的具有鈣鈦礦層狀結構的復雜物質，在正常態它們都是不良導體。同低溫超導體相比，高溫超導材料具有明顯的各向異性，在垂直和平行于銅氧結構層方向上的物理性質差別很大。高溫超導體屬于非理想的第II類超導體。且具有比低溫超導體更高的臨界磁場和臨界電流，因此是更接近于實用的超導材料。特別是在低溫下的性能比傳統超導體高得多。

高溫超導材料已進入實用化的研究開發階段，氧化物復合超導材料的耐用(robustness)和穩定性已引起材料科學家的廣泛重視。由于高溫超導薄膜材料較早進入電子學器件的應用領域，很多學者做了薄膜材料與環境相關的穩定性和壽命研究工作。浸泡實驗是一種常用的方法：在不同試劑(水、酒精和丙酮等)、不同氣氛(干氮、濕氮和流動氧等)中做周期循環和熱時效疲勞試驗。研究表明，超導電性的退化主要來自于雜相(第二相)及時效過程中的析出相。美國西北大學的Mirkin建議把在其它材料中應用已十分廣泛的分子單層表面化學改性(又稱“自裝配，Self assembly”)引入到高溫超導銅氧化合物中來。例如用有機物對YBCO表面進行分子單層表面改性，以此改善薄膜對環境的敏感性。

高溫超導帶材以鉍鍶鈣銅氧(BSCCO/2223)系為第一代帶材，它以優良的可加工性而得到了廣泛的開發，并在超導強電應用領域占據重要位置。但鉍系材料的實用臨界電流密度較低，并且在77 K的應用磁場也很低。相反，YBCO材料在77 K的超導電性遠優于BSCCO材料；然而它的可加工性卻極差，傳統的壓力加工和熱處理工藝難以做出超導性好的帶材。

近年來隨著材料科學工藝技術的發展，一種在軋制(rolling)金屬基帶上制造YBCO超導帶材的工藝受到極大重視，并被冠以“下一代”高溫超導帶材或“第二代”帶材。有兩種基本技術方案：(1)以美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL)為代表的一個方案，稱作軋制雙取向金屬基帶法(RABiTS)。會上Specht報告了基帶的退火織構穩定性分析，并在1m長的取向金屬基帶上用激光沉積YBCO外延膜。

歐洲以德國、丹麥等為代表，努力開展高溫超導材料工藝及應用研究。丹麥的NKT已批量制造鉍系超導帶材。長10m、2000 A的超導電力電纜正在研制中，下一步開發三相、50～100 m輸電電纜。西門子公司計劃到2003年制成20 MVA的超導變壓器。用于電子學方面探傷的RF-SQUID及衛星通訊用高溫超導濾波器也在試制之中。

三、高溫超導材料的制備工藝

為適應各種應用的要求，高溫超導材料主要有：膜材(薄膜、厚膜)、塊材、線材和帶材等類型。3.1 薄膜

高溫超導體薄膜是構成高溫超導電子器件的基礎，制備出優質的高溫超導薄膜是走向器件應用的關鍵。高溫超導薄膜的制備幾乎都是在單晶襯底(如SrTiO3、LaAlO3或MgO)上進行薄膜的氣相沉積或外延生長的。經過十年的研究，高溫超導薄膜的制備技術已趨于成熟，達到了實用化水平(Jc>106

Ac·m?2,T=77K)。目前，最常用、最有效的兩種鍍膜技術是：磁控濺射(MS)和脈沖激光沉積(PLD)。這兩種方法各有其獨到之處，磁控濺射法是適合于大面積沉積的最優生長法之一。脈沖激光沉積法能簡便地使薄膜的化學組成與靶的化學組成達到一致，并且能控制薄膜的厚度。3.2 厚膜

高溫超導體厚膜主要用于HTS磁屏蔽、微波諧振器、天線等。它與薄膜的區別不僅僅是膜的厚度，還有沉積方式上的不同。其主要不同點在以下三個方面：(1)通常，薄膜的沉積需要使用單晶襯底；(2)沉積出的薄膜相對于襯底的晶向而言具有一定的取向度；(3)一般薄膜的制造需要使用真空技術。獲得厚膜的方法有很多：如熱解噴涂和電泳沉積等，而最常用的技術是絲網印刷和刮漿法，這兩種方法在電子工業中得到了廣泛的應用。3.3 線材、帶材

超導材料在強電上的應用，要求高溫超導體必須被加工成包含有超導體和一種普通金屬的復合多絲線材或帶材。但陶瓷高溫超導體本身是很脆的，因此不能被拉制成細的線材。在眾多的超導陶瓷線材的制備方法中，鉍系陶瓷粉體銀套管軋制法(Ag PIT)是最成熟并且比較理想的方法。而壓制出鉍系帶材的臨界電流密度比通過滾軋技術制備出帶材的臨界電流密度要高得多。3.4 塊材

最初的氧化物超導體都是用固相法或化學法制得粉末，然后用機械壓塊和燒結等通常的粉末冶金工藝獲得塊材，制備方法比較簡單。但Tc達到了一定的高度，而載流能力Jc太低，則不能滿足應用的要求，因此必須要提高其臨界電流密度。經過多年的研究，采用定向凝固技術制備出的無大角度晶界的YBa2Cu3O7?x塊材，其Jc值可達105A·m?2(77 K)。

四、高溫超導材料的應用 綜合目前超導技術的發展情況，超導技術可以在以下行業得到應用和拓展：

4.1電力

超導技術與電力技術的結合將給電力行業的發、輸、配電帶來革命性的改變，電力行業是超導產業最重要的應用場所與市場。超導技術在電力中的應用主要包括：

4.1.1高溫超導電纜

現有電纜的擴容問題一直困擾著城市電力的發展。傳統的城市地下輸電電纜存在著通量小、損耗大、對土壤和地下水有熱污染及油污染、土建費用高等問題，城市電力擴容變得越來越困難。高溫超導電纜具有體積小、造價低、高節能、無污染等優點，具有巨大的經濟效益和環保效益，終將替代傳統電纜。

高溫超導電纜的大規模應用能夠極大地提高電力輸電系統的運行效率，降低運行成本。目前國際上高溫超導電纜的總體發展趨勢是研制大容量、低交流損耗、超長高溫超導電纜。據專家估計，高溫超導電纜最有可能率先實現實用化和商業化。

4.1.2超導電機：

電動機是最常用的電氣設備，但傳統電動機耗電量極大。美國工業界專家估計，1,000馬力以上的工業用電動機大約要消耗美國能源的25%。與常規電機相比，超導電機具有節能性好、體積小、單機容量大、造價及運營成本低、穩定性能好等優點，具有很好的經濟效益和環保效益。供給同樣的功率，超導電機的尺寸是常規電機的1/3，制造成本可降低40%，電流損耗可減少50%，運行成本可降低50%。美國能源部估計，高溫超導電動機的低損耗每年可減少數十億美元的運行費用。

在軍事上戰艦應用高溫超導電機，其艦船體積重量更小，空間布置更靈活，推進系統運行更加可靠，效率更高，控制更方便，調速性能更好，能大大提高隱蔽性，達到高速安靜運行，具有重要的軍事意義。

4.1.3超導變壓器：

常規變壓器有許多缺點，如負載損耗高、重量和尺寸大、過負載能力低、沒有限流能力、油污染及壽命短等。在美國，變壓器的總裝機容量約為總發電量的3-4倍，其電力系統的網損約為總發電量的7.34%，其中25%為變壓器損失。相比較而言，超導變壓器體積小、重量輕、電壓轉換能量效率高、火災環境事故機率低、無油污染等優點，在提高電力系統的可靠性和運行性能、降低成本、節約能源、保護環境等方面有著重要的現實意義。

4.1.4超導限流器：

限流器（FCL）是一種提高電網穩定性的電力設備。隨著社會的發展,對電網的質量要求越來越高，而傳統的限流器很難在短時間內對電網的脈沖電流起到限制作用。高溫超導限流器正好禰補了傳統限流器的缺點，其限流時間可小于百微秒級，能快速和有效地起到限流作用。超導限流器是利用超導體的超導態-常態轉變的物理特性來達到限流要求，它可同時集檢測、觸發和限流于一身，被認為是當前最好的而且也是唯一的行之有效的短路故障限流裝置。1989年以來，美國、德國、法國、瑞士和日本等都相繼開展了高溫超導限流器的研究。當前，國際上適應配電系統的高溫超導限流器的技術性能已經接近應用的水平，但大體上仍處在示范試驗階段。

4.1.5超導儲能裝置

超導儲能裝置是利用超導線圈將電磁能直接儲存起來，需要時再將電磁能返回電網或其他負載的一種電力設施。由于儲能線圈由超導線繞制且維持在超導態，線圈中所儲能幾乎無損耗地永久儲存下去直到需要釋放時為止。超導儲能裝置不僅可用于調節電力系統的峰谷或解決電網瞬間斷電對用電設備的影響，而且可用于降低或消除電網的低頻功率震蕩從而改善電網的電壓和頻率特性，同時還可用于無功和功率因數的調節以改善電力系統的穩定性。

4.2醫療

4.2.1核磁共振人體成像儀（MRI）：

MRI是通過探測人體各個器官在磁場下感應出的不同信號來診斷病變的一種設備。傳統的MRI采用常規磁體,磁場小,很難探測到初期的病變，同時，其主磁場處于封閉的磁體空洞內，掃描時需將受檢者置于與外界隔絕的狹小空間，易使人產生幽閉恐怖癥，大大影響了該設備的廣泛應用，低溫超導磁體因此被廣泛應用于MRI中。由于低溫超導的液氦溫度要求，其運行和維護費用很高。一些國家加快了高溫超導MRI的研究，1998年，Oxford磁體技術公司和西門子公司合作研制了一個用于人體MRI的高溫超導磁體。

4.3運輸

4.3.1磁懸浮列車：

隨著國民經濟的發展，社會對交通運輸的要求越來越高，高速列車應運而生。與現有的鐵路、公路、水路和航空四種傳統運輸方式相比，超導磁懸浮列車具有高速、安全、噪音低和占地小等優點，是未來理想的交通工具。

使用Bi系高溫超導線材的超導磁懸浮列車，懸浮間隙大，速度高，相對于低溫超導的磁懸浮列車而言，制冷費用低，制冷設備簡單。英納公司和清華大學應用超導研究中心合作開展高溫超導磁懸浮列車的研究，目前已取得較大突破，并且已經申請了高溫超導磁懸浮專利。4.4 IT行業 4.4.1超導計算機：

高速計算機要求集成電路芯片上的元件和連接線密集排列，但密集排列的電路在工作時會發生大量的熱，而散熱是超大規模集成電路面臨的難題。超導計算機中的超大規模集成電路，其元件間的互連線用接近零電阻和超微發熱的超導器件來制作，不存在散熱問題，同時計算機的運算速度大大提高。此外，科學家正研究用半導體和超導體來制造晶體管，甚至完全用超導體來制作晶體管。4.4.2超導開關：

超導開關可以分為電阻開關和電感開關。電阻開關是利用超導體以下性能：若改變磁場、電流和溫度三個參量的任一個，就可以使它從零電阻態轉變到有阻狀態。例如，用冷子管作開關，就是利用一個完全超導的控制元件所產生的磁場，通過使門元件發生超導---正常轉變來控制門元件的電阻而制成。這種開關的低電阻態為零，高電阻態典型的是毫歐姆數量級，所以，開關比是無限大。電感開關的原理是：不是像線圈、線等電路元件的電感，可用來將靠近它的超導體作正常態和超導態之間的轉變，或移動電路元件附近的超導表面，使它發生相同轉變，制成開關。由于超導體的特殊性能，超導開關的開關速度可達納秒。4.5超導磁分離裝置：

磁分離器在物質的提純、分離方面具有舉足輕重的作用。傳統的磁分離器由于很難產生高磁場，其應用受到了很大的限制。高溫超導線材具有比銅線高100倍的通流能力,用它制成的磁分離器很容易得到高磁場強度和高磁場梯度,解決了許多用傳統磁分離器分離不了物質的分離問題，并且能節約大量能源，與傳統磁分離器相比，節能效率提高90%。我國高嶺土儲量占世界的70%，高溫超導磁分離器的發展將給我國高嶺土工業帶來突破性發展。同時，高溫超導磁分離器能大大提高一次污水處理能力，將給環保工業帶來一場革命。

??綜合以上分析可以看出，超導線材作為一種新型材料，將廣泛應用于國民經濟、軍事技術、醫療衛生和各種高新技術產業的各個領域，其前景有可能如當年的晶體管取代電子管一樣，世界將勢必迎來一個嶄新的超導時代。高溫超導線材及其應用產品有著廣闊的市場前景。

五、目前超導材料研究面臨的問題

超導材料有著廣闊的應用前景，但要用超導材料來改進現有的科技工程又決非易事。科學家和工程師們所遇到的困難是如何使超導材料實用化，即提高臨界轉變溫度、臨界電流密度和改良其加工性能，制造出理想的超導材料。目前面臨的主要問題如下： 5.1提高臨界電流密度

目前，高溫超導材料的最突出的問題是在外加磁場下，臨界電流密度偏低。超導薄膜，一般是在弱磁場中工作，Jc值(～l06A／era)基本可滿足電子器件的要求。但體材和線(帶)材的Jc值還遠未達到實用化所要求的水平，特別是在有外加磁場時，Jc急劇下降。科學家對影響Jc的原因和解決辦法進行了大量研究。許多科學家都認為，影響Jc的主要原因是：(1)晶界間的弱連結；(2)晶粒中的磁力線運動.5.1.1弱連結

造成弱連結的原因及弱連結的性質尚不十分清楚。一般認為是由于生成的晶體結構不佳、在晶界處存在位錯、晶界處化學成份的改變及結晶的細微裂紋等原因使通道上的電流受阻。解決的方法是使結晶沿a—b導電層(CuO2層)的方向擇優生長，采用長時問退火、熔融織構法或定向凝固法等制備大平行板式結晶。這種排成直線的多晶消除了在電流方向上的弱連結，解決了各向異性的問題 5.1.2磁力線運動

增強磁通釘扎力可解決磁力線運動問題。一般來說，有效的磁通釘扎需要有足夠的釘扎中心,其尺寸要與超導相干長度相匹配。增強磁通釘扎力的方法有中子輻照、相分解、引入彌散相、化學摻雜等,其作用都是引入釘扎中心。實驗證明,中子或質子輻照后，Jc可提高幾十倍到近百倍實際上,很難把弱連接和磁通蠕動完壘割裂開來，對于超導實用化來說，都是迫切需要解決的問題。5.2 制備長線材

在實際應用中，超導線材占有很大比重，困此，制備性能滿足要求的高溫超導線(帶)材是重點研究課題之。

陶瓷超導物質的脆性是其固有的特性,但也不是不可克服的。現在常用辦法是將高溫超導粉末裝入有廷性的金屬套管中,然后進行多道次拉拔。一般可采用銅或銀包套,阻銀包套為最佳。因為高溫超導化合物對氧含最十分敏感，在氧氣氛下拉拔，氧氣要通過金屬包套滲透到高溫超導化合物內部。銀的透氣性較好,又有好的延展性,所現在多使用銀套管(或稱銀鞘琺)為了增加韌性,也可以往超導粉末中摻人一定量的金屬粉末(如銀粉)。有許多方法可制各線材,如溶膠一凝膠法、紡絲法、芯線滌布法、真空鍍膜法、濺射法、化學氣相沉積法等等。所有方法制得的線l材長度都達不到實用化的水平。

隨著長度的增加,高溫超導的Jc降低。同時應該看到,線材的長度不是孤立的問題，它與高溫超導材料的合成、加工、連接等多種因素密切相關。5.3 經濟效益

高溫超導材料研究剛剛起步，經濟效益尚未提到議事日程，而對于實用化來說，經濟效益是必須考慮的問題近兩年超導材料的制備成本已顯著下降，例如，釔系超導薄膜1989年的售價是1000~3000美元/片，現在降到350美元/片； 鉈系超導薄膜的價格從2950美元/cm 2下降到1000美元/cm2，隨之薄膜器件的價格也降低了。總的看來，高溫超導材料仍處于實驗室研究階段,生產技術很不成熟,目前技術改進的著眼點是提高性能指標，而對經濟效益的追求是更遠一些的目標。

六、參考文獻： 李華,胡國程,LI Hua,HU Guo-cheng.超導材料.湖南冶金,2000(5)2 馮瑞華,姜山.超導材料的發展與研究現狀.低溫與超導,2007,35(6)3 談國強.超導材料的發展狀況.佛山陶瓷，2005,5 4 超導材料的應用.內蒙古電大學刊,2004,2 5 石勇.超導材料的制備與特性研究綜述.山西煤炭管理干部學院學報，2006，19 6 楊公安,蒲永平，王瑾菲，莊永勇.超導材料研究進展及其應用.陶瓷，2009(7)7 嚴仲明,董亮，王豫.超導材料在電工領域的應用.電工材料,2007 8 宗曦華,張喜澤.超導材料在電力系統中的應用.電線電纜,2006(5)9 袁冠森.高溫超導材料的實用化的新進展.稀有金屬,1998,22(3)10 錢九紅，袁冠森.高溫超導材料制備工藝的進展.稀有金屬,1998年 22(2)11 李想.我國超導材料發展快步走向實用產業化.稀有金屬快報,2006，25(5)12 錢廷欣,周雅偉，趙曉鵬.新型超導材料的研究進展.材料導報,2006，20(2)13 李想.中國超導材料發展快步走向實用化.稀土信息,2006(5)

第二篇：超導材料論文

超導材料

摘要：簡要介紹了超導材料的發展歷史、現狀，對未來的超導材料的發展作了展望，并對目前超導材料的主要研制方法進行了分析。關鍵詞：超導體 研究進展 高溫 低溫 應用 一 前言

超導材料是在低溫條件下能出現超導電性的物質。超導材料最獨特的性能是電能在輸送過程中幾乎不會損失。超導材料的發展經歷了從低溫到高溫的過程，經過無數科學家的努力，超導材料的研究已經取得了巨大的發展。近年來，隨著材料科學的發展，超導材料的性能不斷優化，實現超導的臨界溫度也越來越高。高溫超導材料的制備工藝也得到了長足的發展，一些制備高溫超導材料的材料陸續被科學家發現。現在，超導材料的研究主要集中在超導輸電線纜，超導變壓器等電力系統方面，還有，利用超導材料可以形成強磁場，是超導材料在磁懸浮列車的研究上有了用武之地，另外，超導材料在醫學，生物學領域也取得了很大的成就。超導材料的研究未來，超導材料的研究將會努力向實用化發展。一旦室溫超導體達到實用化、工業化，將對現代文明社會中的科學技術產生深刻的影響。二 研究現狀

1.超導材料的探索與發展

探索新型超導材料在超導材料研究中始終起著關鍵的作用，同時也是一項高風險、高投入的研究工作。自1911年荷蘭物理學家卡麥林·昂尼斯發現汞在4.2K附近的超導電性以來，人們發現的新超導材料幾乎遍布整個元素周期表，從輕元素硼、鋰到過渡重金屬鈾系列等。超導材料的最初研究多集中在元素、合金、過渡金屬碳化物和氮化物等方面。至1973年，發現了一系列A15型超導體和三元系超導體，如Nb3Sn、V3Ga、Nb3Ge，其中Nb3Ge超導體的臨界轉變溫度(Tc)值達到23.2K。以上超導材料要用液氦做致冷劑才能呈現超導態，因而在應用上受到很大限制。1986年，德國科學家柏諾茲和瑞士科學家穆勒發現了新的金屬氧化物超導材料即鋇鑭銅氧化物(La-BaCuO)，其Tc為35K，第一次實現了液氮溫區的高溫超導。銅酸鹽高溫超導體的發現是超導材料研究上的一次重大突破，打開了混合金屬氧化物超導體的研究方向。1987年初，中、美科學家各自發現臨界溫度大于90K的YBacuO超導體，已高于液氮溫度(77K)，高溫超導材料研究獲得重大進展。后來法國的米切爾發現了第三類高溫超導體BisrCuO，再后來又有人將Ca摻人其中，得到Bis尤aCuO超導體，首次使氧化物超導體的零電阻溫度突破100K大關。1988年，美國的荷曼和盛正直等人又發現了T1系高溫超導體，將超導臨界溫度提高到當時公認的最高記錄125K。瑞士蘇黎世的希林等發現 在HgBaCaCuO超導體中，臨界轉變溫度大約為133K，使高溫超導臨界溫度取得新的突破。

2.超導材料的研究 2.1低溫超導階段

在梅斯勒發現超導體的抗磁性之后(相繼有荷蘭物理學家埃倫弗斯特根據有關的超導 體在液氦中比熱不連續現象(提出熱力學中二級相變的概念)柯特和卡西米爾提出超導的二 流體模型)德國物理學家F·倫敦和H·倫敦兄弟提出超導電性的電動力學唯相理論（即倫敦

方程）；度海森伯根據電子間的庫侖相互作用，提出了一種超導微觀理論，波爾提出了另一種微觀理論；前蘇聯物理學家阿布里科索夫提出第二類超導體的概念；巴丁/庫伯和施里費提出了BCS理論，賈埃弗發現超導體中的單電子隧道效應；約毖夫森提出了約毖夫森效應等等。1934—1985年，人們對超導體在理論上和實驗上都作了廣泛的研究，使超導物理學理論逐步發展，超導材料逐步應用于實際科學技術領域。由于人們在一定條件下認識水平的局限性以及其它一些原因，直到今天，超導物理學理論尚不完善，實際應用也不廣泛。在這一階段，人們研究的超導材料臨界轉變溫度較低，所以，在超導史上，這一時期屬于低溫超導階段。

2.2高溫超導階段

目前，高溫超導材料指的是：釔系(92 K)、鉍系(110 K)、鉈系(125 K)和汞系(135 K)以及2001年1月發現的新型超導體二硼化鎂(39 K)。其中最有實用價值的是鉍系、釔系(YBCO)和二硼化鎂(MgB2)。氧化物高溫超導材料是以銅氧化物為組分的具有鈣鈦礦層狀結構的復雜物質，在正常態它們都是不良導體。同低溫超導體相比，高溫超導材料具有明顯的各向異性，在垂直和平行于銅氧結構層方向上的物理性質差別很大。高溫超導體屬于非理想的第II類超導體。且具有比低溫超導體更高的臨界磁場和臨界電流，因此是更接近于實用的超導材料。特別是在低溫下的性能比傳統超導體高得多。

高溫超導材料已進入實用化的研究開發階段，氧化物復合超導材料的耐用(robustness)和穩定性已引起材料科學家的廣泛重視。由于高溫超導薄膜材料較早進入電子學器件的應用領域，很多學者做了薄膜材料與環境相關的穩定性和壽命研究工作。浸泡實驗是一種常用的方法：在不同試劑(水、酒精和丙酮等)、不同氣氛(干氮、濕氮和流動氧等)中做周期循環和熱時效疲勞試驗。研究表明，超導電性的退化主要來自于雜相(第二相)及時效過程中的析出相。美國西北大學的Mirkin建議把在其它材料中應用已十分廣泛的分子單層表面化學改性(又稱“自裝配，Self assembly”)引入到高溫超導銅氧化合物中來。例如用有機物對YBCO表面進行分子單層表面改性，以此改善薄膜對環境的敏感性。

高溫超導帶材以鉍鍶鈣銅氧(BSCCO/2223)系為第一代帶材，它以優良的可加工性而得到了廣泛的開發，并在超導強電應用領域占據重要位置。但鉍系材料的實用臨界電流密度 較低，并且在77 K的應用磁場也很低。相反，YBCO材料在77 K的超導電性遠優于BSCCO材料；然而它的可加工性卻極差，傳統的壓力加工和熱處理工藝難以做出超導性好的帶材。

近年來隨著材料科學工藝技術的發展，一種在軋制(rolling)金屬基帶上制造YBCO 超導帶材的工藝受到極大重視，并被冠以“下一代”高溫超導帶材或“第二代”帶材。有 兩種基本技術方案：(1)以美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL)為代表的一個方案，稱作軋制 雙取向金屬基帶法(RABiTS)。會上Specht報告了基帶的退火織構穩定性分析，并在1m長的取向金屬基帶上用激光沉積YBCO外延膜。

歐洲以德國、丹麥等為代表，努力開展高溫超導材料工藝及應用研究。丹麥的NKT已批量制造鉍系超導帶材。長10m、2000 A的超導電力電纜正在研制中，下一步開發三相、50～100 m輸電電纜。西門子公司計劃到2003年制成20 MVA的超導變壓器。用于電子學方面探傷的RF-SQUID及衛星通訊用高溫超導濾波器也在試制之中。

2.3 高溫超導材料的制備工藝

為適應各種應用的要求，高溫超導材料主要有：膜材(薄膜、厚膜)、塊材、線材和帶材等類型。其制備方法見表1。

2.3.1薄膜 表1 高溫超導材料主要制備方法及用途

高溫超導體薄膜是構成高溫超導電子器件的基礎，制備出優質的高溫超導薄膜是走向器件應用的關鍵。高溫超導薄膜的制備幾乎都是在單晶襯底(如SrTiO3、LaAl O3或MgO)上進行薄膜的氣相沉積或外延生長的。經過十年的研究，高溫超導薄膜的制備技術已趨于成熟，達到了實用化水平(Jc>106 Ac·m?2,T=77 K)。目前，最常用、最有效的兩種鍍膜技術是：磁控濺射(MS)和脈沖激光沉積(PLD)。這兩種方法各有其獨到之處，磁控濺射法是適合于大面積沉積的最優生長法之一。脈沖激光沉積法能簡便地使薄膜的化學組成與靶的化

學組成達到一致，并且能控制薄膜的厚度。2.3.2厚膜

高溫超導體厚膜主要用于HTS磁屏蔽、微波諧振器、天線等。它與薄膜的區別不僅僅是 膜的厚度，還有沉積方式上的不同。其主要不同點在以下三個方面：(1)通常，薄膜的沉積 需要使用單晶襯底；(2)沉積出的薄膜相對于襯底的晶向而言具有一定的取向度；(3)一般 薄膜的制造需要使用真空技術。獲得厚膜的方法有很多：如熱解噴涂和電泳沉積等，而最常用的技術是絲網印刷和刮漿法，這兩種方法在電子工業中得到了廣泛的應用。

2.3.3線材、帶材

超導材料在強電上的應用，要求高溫超導體必須被加工成包含有超導體和一種普通金屬的復合多絲線材或帶材。但陶瓷高溫超導體本身是很脆的，因此不能被拉制成細的線材。在眾多的超導陶瓷線材的制備方法中，鉍系陶瓷粉體銀套管軋制法(Ag PIT)是最成熟并且比較理想的方法。而壓制出鉍系帶材的臨界電流密度比通過滾軋技術制備出帶材的臨界電流密度要高得多。

2.3.4 塊材

最初的氧化物超導體都是用固相法或化學法制得粉末，然后用機械壓塊和燒結等通常的粉末冶金工藝獲得塊材，制備方法比較簡單。但Tc達到了一定的高度，而載流能力Jc太低，則不能滿足應用的要求，因此必須要提高其臨界電流密度。經過多年的研究，采用定 向凝固技術制備出的無大角度晶界的YBa2Cu3O7?x塊材，其Jc值可達105A·m?2(77 K)。

2.4超導材料在電力系統中的應用

隨著經濟建設的發展，電能需求迅速增加，電力系統的規模也越來越大，形成了聯合電力系統。目前我國最大的電力系統容量已超過了10000 Mw，最高輸電電壓為500 kV，大發電設備容量超過600Mw，發電量和裝機容量均已位居世界第二。全國己形成五個跨省電網，五個獨立省網和一個南方聯營電網，不久將建成以三峽電網為中心的全國性電力系統。

采用聯合電力系統有很多優點，如可以利用各地負荷的互補性減少系統總的裝機容量；合理利用資源，實現經濟運行；利于安裝大容量機組，提高勞動生產率；減少備用容量等等。然而并網聯合經營也帶來了一些問題，如電力系統結構變得復雜，運行難度增大。2003年8月14日美國東北部地區的大面積停電，對現代電力系統的安全運行提出了警示，必須采取有效措施保證電網安全和經濟運行。

美國能源部認為：超導電力技術是21世紀電力工業唯一的高技術儲備。根據國際超導科技界和相關產業部門的預測：10年以后，全球超導產業將達到260億美元。因此，超導技術被認為是2l世紀具有戰略意義的高新技術。在電力系統中采用超導技術可提高單機容量和增加電網的輸送容量、降低傳輸損耗、提高系統運行的穩定性和可靠性、改善電能質量、降低電網的占地面積和電網的造價及改造成本，并使超大規模電網的實現成為可能∽J。不 僅如此，通過大容量的超導輸電系統，可將排污的發電廠建在煤礦和油田附近，或將核電 站建在比較偏遠的地區，從而改善人類生存環境的質量。通過超導儲能，還可大大改善可 再生能源的電能質量，并使其與大電網有效地聯結。因此，加強對超導電纜、超導故障電流限制器、超導儲能器、超導變壓器、超導發電機和超導電動機等超導技術的研究，將會 極大地推動電力科技的發展，將電力科技的發展帶入一個嶄新的階段。目前，超導電纜、超導故障電流限制器、超導儲能器和超導變壓器已發展或接近到工程實用階段，超導發電 機和超導電動機的研制也取得了重大進展。

2.4.1超導輸電電纜

我國電力資源和負荷分布不均，因此長距離、低損耗的輸電技術顯得十分迫切。超導材料由于其零電阻特性以及比常規導體高得多的載流能力，可以輸送極大的電流和功率而沒有電功率損耗。超導輸電可以達到單回路輸送GVA級巨大容量的電力，在短距離、大容量、重負載的傳輸時，超導輸電具有更大的優勢。

低溫超導材料應用時需要液氮作為冷卻劑，液氦的價格很高，這就使低溫超導電纜喪失了工業化應用的可行性。若使用高溫超導材料作為導電線芯制造成超導電纜，就可以在液氮的冷卻下無電阻地傳送電能。高溫超導電纜的出現使超導技術在電力電纜方面的工業應用成為可能。

目前，市場上可以得到并可用來制造高溫超導電纜的材料主要是銀包套鉍系多芯高溫超導帶材，其臨界工程電流密度大于10 kA/cm2高溫超導電纜以其尺寸較小、損耗低、傳輸容量大的優勢，可用于地下電纜工程改造。以高溫超導電纜取代現有的常導電纜，可增加傳輸容量。高溫超導電纜另一重要應用場合是可在比常導電纜較低的運行電壓下將巨大的電能傳輸進入城市負荷中心。由于交流損耗的緣故，利用高溫超導材料制備直流電纜比 制備交流電纜更具優勢。利用超導技術，通過設計實用的直流傳輸電纜和有效的匹配系統，從而實現高效節能低壓大容量直流電力傳輸系統。

2.4.2超導變壓器

超導變壓器一般都采用與常規變壓器～樣的鐵芯結構，僅高、低壓繞組采用超導繞組。超導繞組置于非金屬低溫容器中，以減少渦流損耗。變壓器鐵芯一般仍處在室溫條件下，超導變壓器具有損耗低、體積小、效率高(可達99％以上)、極限單機容量大、長時過載能力強等優點。同時由于采用高阻值的基底材料，因此具有一定的限制故障電流作用。一般而言，超導變壓器的重量(鐵芯和導線)僅為常規變壓器的40％甚至更小，特別是當變壓器的容量超過300 MVA時，這種優越性將更為明顯。

早在20世紀60年代，就有人對超導變壓器進行了研究。但是，由于交流損耗過大雨被認為是不經濟的。隨著極細絲超導復合導體的出現，超導變壓器才成為有吸引力的應用項 目。高溫超導材料的出現，更是降低了超導變壓器的技術難度，由于超導受到的磁場強度 只有0．3～0．5 T，因此在變壓器中采用高溫超導材料是合適的；同時在液氮下的絕緣強度比液氦下的高，所以，將會使變壓器絕緣更簡化。三 結論與展望

前一段時間之所以會掀起世界性的超導熱，是因為超導的三大特點：零電阻、完全的抗磁性和隧道效應。這些特性帶來很大的實用價值’例如超導的零電阻’能使人們實現電力 的無損輸送等+如何使超導體的這三大特性實用化’以及實用化后將會出現的問題’都是目前超導科學工作者們所面臨的難題

3.1超導材料的可能應用

關于超導材料的應用，人們首先想到的是利用超導體的第一個特性—無電阻電流，假如能建立起一個全國性的電力網，由于無電阻，電力網中就無損耗，那么將節省10%—20%因輸送而造成的電力損耗；用超導體制成的集成電路，將大幅度提高集成電路的性能；不發熱，可以大大地縮小計算機的體積并大大加快運算速度。到目前為止，日本在超導材料的應用開發方面在世界上居領先地位，他們正在研制開發超導三極管、超導集成電路等。

利用超導的第二個性質，可以形成高磁場，高磁場在新興的科技領域中有著廣泛的應用，如日本正計劃建設磁浮列車以及用超導電磁來推動輪船等。另一個用途是儲能，美國計劃一項代號為SMES的儲能工程，這一工程研究了能在10s內釋放40—100MW的能量；儲能的另一個用途是均衡電力網，因為日夜間的電力需求不一。夜間，人們用電較少，則可以存儲起來，在白天需要時釋放出來。

超導材料還可用于醫學、生物學及測量系統等等，由于真正理想的超導體尚未問世，人們對超導材料在科學領域的應用只能作一些設想和簡單的試驗，一旦理想的超導材料問世，它的實際應用遠非今天所能設想的，它必將改變人類科學以致改變整個世界。

3.2超導研究所遇到的困難

超導材料有著廣闊的應用前景，但要用超導材料來改進現有的科技工程又決非易事。目前，科學家和工程師們所遇到的困難是如何使超導材料實用化，即提高臨界轉變溫度、臨界電流密度和改良其加工性能，制造出理想的超導材料。

3.3中國超導材料的發展

我國電力、通信、國防、醫療等方面的發展急需利用超導技術解決現有的關鍵技術問題。在電力工業方面，電能需求量日益增長，對供電質量和可靠性的要求越來越高，常規 電力技術已越來越不能滿足電力工業發展的需求。超導電力技術(如超導儲能、電纜、限流器、電機等)可以克服常規電力技術的缺陷，它的應用將帶來電力工業的重大變革。在國防

工業方面，由于超導技術不可代替的特殊性和優越性，將在掃雷艇、超導電機、電磁武器、傳感器、艦船用防彈及導航用高精度超導陀螺儀等領域被廣泛應用。

七五”以來，在國家“863”專項計劃和國家重點基礎研究計劃的支持下，我國超導企業堅持自主創新，在超導理論、材料及應用等方面取得了長足的進步，申請了數百項專利，同時在超導產業化與技術應用方面也實現了跨越式發展。自2000年以來，國內企業資本積極參與超導技術產業的發展，西部超導材料科技有限公司、北京中數威利超導技術有 限公司、北京云電英納超導電纜有限公司和天津海泰超導公司相繼成立。中國科學院電工研究所與5家電力設備制造企業和應用單位就超導限流器、電纜和變壓器等簽訂了技術開發合同，共同推進超導電力技術的產業化。

到2020年，超導產業對我國GDP的貢獻將達到200億美元，超導材料將在電力、醫療、交通、通訊和國防等領域得到廣泛應用。我國將形成較大規模并有較強國際競爭力的超導材料產業，占據國際超導市場的20％以上，材料制備達到國際先進水平。在這期間，我國低溫超導材料的產業化將在國際熱核聚變計劃實施和磁共振成像技術應用的牽引下得到快速發展。高溫超導材料將逐漸成為實用超導材料的主體，第二代實用高溫超導材料將形成規模產業。我國將建立相應的國家平臺或研究開發基地，進一步提升我國超導材料自主創新能力和國際科學創新競爭力。

西北有色金屬研究院經過40年的艱苦努力，在超導材料研究和產業化方面實現了第一個跨越式發展，換來了“十五”期間我國超導材料研發歷史上里程碑的成果，并且奠定了未來發展的基礎。在未來的5～15年，西北有色金屬研究院將繼續堅持自主創新，在我國建成具有國際一流水平的低溫超導材料生產基地，同時實現高溫超導材料技術的突破，實現 我國超導材料第二個跨越式發展。參考文獻： 李華，胡國程，LI Hua，HU Guo-cheng.超導材料.湖南冶金，2000，“"(5)2 馮瑞華，姜山.超導材料的發展與研究現狀.低溫與超導，2007，35(6)3 談國強。超導材料的發展狀況.佛山陶瓷，2005，5 4 超導材料的應用.內蒙古電大學刊，2004，2 5 石勇.超導材料的制備與特性研究綜述.山西煤炭管理干部學院學報，2006，19(2)6 楊公安，蒲永平，王瑾菲，莊永勇，韋繼鋒 超導材料研究進展及其應用.陶瓷，2009，”“(7)7 嚴仲明，董亮，王豫.超導材料在電工領域的應用.電工材料，2007，2 8 宗曦華，張喜澤.超導材料在電力系統中的應用.電線電纜，2006，”“(5)9 袁冠森.高溫超導材料的實用化的新進展.稀有金屬，1998，22(3)10 錢九紅，袁冠森.高溫超導材料制備工藝的進展.稀有金屬，1998年 22(2)11 李想.我國超導材料發展快步走向實用產業化.稀有金屬快報，2006，25(5)12 錢廷欣，周雅偉，趙曉鵬.新型超導材料的研究進展.材料導報，2006，20(2)13 李想.中國超導材料發展快步走向實用化.稀土信息，2006，”"(5)

第三篇：中國科學技術大學高溫超導物理研究新進展

中國科學技術大學高溫超導物理研究新進展

摘 要在中國科學技術大學（以下簡稱中國科大）建校50周年之際，文章作者對近年來中國科大在高溫超導物理方面的最新研究進展情況作一介紹，包括新型高溫超導材料探索研究和高溫超導機理實驗研究.在新型高溫超導材料探索研究方面，文章作者首次發現了除高溫超導銅基化合物以外第一個超導溫度突破麥克米蘭極限（39 K）的非銅基超導體――鐵基砷化物SmO1-xFxFeAs，該類材料的最高超導轉變溫度可達到55K；中國科大還成功地制備出大量高質量的超導化合物單晶，包括Nd2-xCexCuO4,NaxCoO2,CuxTiSe2等.在高溫超導機理實驗研究方面，中國科大系統地研究了SmO1-xFxFeAs體系的電輸運性質給出了該體系的電子相圖；發現了在電子型高溫超導體中存在反常的熱滯現象和電荷-自旋強烈耦合作用；在NaxCoO2體系中也開展了系列的工作，并且首次明確了電荷有序態中小自旋的磁結構問題；此外，還系統地研究了CuxTiSe2體系中電荷密度波與超導的相互關系.??

關鍵詞高溫超導,鐵基砷化物,自旋-電荷耦合,電荷有序,電荷密度波?おお?

High|Tc superconductivity research in the University of ??Science and Technology of China?お?

CHEN Xian|Hui?k??

(Hefei National Laboratory for Physical Sciences at Microscale and Department of Physics, University of ??Science and Technology of China, Hefei 230026, China)?お?

AbstractTo celebrate the 50th anniversary of the founding of the University of Science and Technology of China, a brief review is presented of recent research on high|Tc superconductivity there.The search for new high|Tc materials and experimental research on the mechanism of high|Tc superconductivity led to our discovery of the Fe|based arsenide superconductor――SmO1-xFxFeAs, which is the first non|copper|oxide superconductor with a transition temperature beyond the McMillan limit(39 K), while the highest transition temperature in this system can reach 55 K.A variety of superconducting single crystals including Nd2-xCexCuO4, NaxCoO2 and CuxTiSe2 have been successfully grown.To understand the mechanism of high|Tc superconductivity we have systematically studied the electronic transport of the SmO1-xFxFeAs system and proposed a corresponding electronic phase diagram.Abnormal thermal hysteresis and spin|charge coupling have been found in electron|type high|Tc superconductors.In the NaxCoO2 system the magnetic structure of the small magnetic moment in the charge ordered state has been clarified.The relationship between charge density waves and superconductivity in the CuxTiSe2 system has also been studied.??

Keywordshigh|Tc superconductivity, Fe|based arsenide, spin|charge coupling, charge ordering, charge density wave

引言??

上世紀80年代末，高溫超導銅氧化合物的發現引發了全球研究高溫超導的熱潮.至今，高溫超導的研究已經有22年的歷史，在20多年的廣泛研究中,人們積累了大量的實驗數據和理論方法.到目前為止，雖然已經有許多很好的理論模型，但是高溫超導機理問題仍然沒有完全解決，許多實驗的結果還存在爭議.??

銅氧化物的奇特物理源自于電子的強關聯效應，而且人們發現這種強關聯效應是普遍存在于物質之中的，尤其是在d電子和f電子化合物中最常見.高溫超導的研究也不再局限于認識高溫超導電性本身，而是要理解強關聯效應背后所有的物理現象以及如何建立研究強關聯體系的范式.因而強關聯體系中的超導現象也就成為高溫超導的研究范圍，并且吸引了人們極大的興趣.我們的工作的重點就是圍繞新的高溫超導材料以及強關聯超導材料開展的.??

這里我們將分為兩個方面來介紹我們的工作進展，即新型高溫超導材料探索和高溫超導機理實驗研究.?? 研究工作的進展情況??

2.1 新型高溫超導材料探索??

2.1.1 新高溫超導體的發現??

1986年，IBM研究實驗室的德國物理學家柏諾茲與瑞士物理學家繆勒在層狀銅氧化合物體系中發現了高于40K的臨界轉變溫度［1］，隨后該體系的臨界溫度不斷提高，最終達到了163K（高壓下）［2］.該發現掀起了全球范圍的超導研究熱潮并且對經典的“BCS”理論也提出了挑戰.德國物理學家柏諾茲與瑞士物理學家繆勒也因為他們的發現獲得了1987年的諾貝爾物理學獎.自從層狀銅氧化合物高溫超導體發現以來，人們一直都在致力于尋找更高臨界溫度的新超導體.然而到目前為止，臨界溫度高于40K的超導體只有銅氧化合物超導體.在非銅氧化合物超導體中，臨界溫度最高的就是39K的MgB2超導體［3］.但是該超導體的臨界溫度非常接近“BCS”理論所預言的理論值［4］.因此，尋找一個臨界溫度高于40K的非銅氧化合物超導體對于理解普適的高溫超導電性是非常重要的，尤其是高溫超導的機理到目前還沒有得到類似于“BCS”一樣完美的理論.在我們最近的研究中，我們在具有ZrCuSiAs結構的釤砷氧化物SmFeAsO1-xFx中發現了體超導電性［5］.我們的電阻率和磁化率測量表明，該體系的超導臨界溫度達到了43K.該材料是目前為止第一個臨界溫度超過40K的非銅氧化合物超導體.高于40K的臨界轉變溫度也有力地說明了該體系是一個非傳統的高溫超導體.該發現勢必會對我們認識高溫超導現象帶來新的契機.??

關于電荷有序NaxCoO2體系的磁結構一直以來都存在爭議，被大家普遍接受的磁結構有兩種:一種是由美國MIT實驗組提出的類似“stripe”的磁結構［52］，另一種是由日本實驗組提出的有大、小磁矩的磁結構［53］.通過研究磁場下角度依賴的磁阻，我們從實驗上給出了強有力的證據,證明了日本實驗組給出的磁結構更加合理［54］，從而解決了關于磁結構的爭論.并且我們還通過我們的結果首次確定了電荷有序NaxCoO2體系的小磁矩的磁結構.另外我們還在實驗中發現，在x=0.55時，體系的小磁矩會形成面內鐵磁性［55］.該實驗進一步證明了大、小磁矩磁結構的正確性，并且表明體系的小磁矩的磁結構是強烈依賴于Na的含量.基于以上兩個發現，我們又進一步證明了，在強場下，小磁矩會發生一個磁場誘導的自旋90度翻轉，并且同時伴隨有磁性的轉變［56］.至此，我們對該體系的磁結構有了一個完整的認識，并且給出了該體系在電荷有序附近的磁性相圖.在對磁結構認識的同時，我們還發現了該體系具有很強的自旋電荷耦合，這將有助于我們理解體系的超導電性.??

2.2.4 CuxTiSe2體系的研究??

過渡金屬二硫族化合物（TMD’s）具有非常豐富的物理現象.不同的化學組成和結構可以導致迥然不同的物理性質.例如，兩維體系的電荷密度波是首先在TMD’s中發現的［57］.電荷密度波態，1T結構的TaS2會在費米面打開一個能隙［58］，但在2H結構的TaS2中，能隙只是部分打開［59］，而在1T結構中的TiSe2中卻沒有任何能隙的打開［60］.非常有意思的是，超導電性總是在2H結構的TMD’s材料中和電荷密度波相互共存、相互競爭［61―63］，但在1T結構的化合物中，卻很少觀察到這種現象.最近，在1T結構的CuxTiSe2中發現的超導電性進一步豐富了TMD’s材料的物理內容［64］.在不摻雜的1T結構的TiSe2中，體系表現為CDW，并且這種材料中的CDW機制到目前還在爭論中.隨著銅原子的摻雜，CDW轉變溫度會迅速下降，這種情況類似于MxTiSe2’s(M=Fe,Mn,Ta,V和Nb)化合物［65―68］.與此同時，超導電性會在摻雜量為x=0.04出現，并在x=0.08達到最大值4.3K，然后轉變溫度開始下降，在x=0.10時下降為2.8K.令人驚奇的是，這樣一個相圖和高溫超導銅氧化物以及重費米子體系是非常的類似的［69］，所不同的是，在這里與超導相互競爭的是電荷序，而在高溫超導銅氧化物以及重費米子體系中是反鐵磁序.在1T-CuxTiSe2體系中存在這種普適的相圖是非常重要的，對它的研究將會給其他相關領域也帶來重要的幫助.基于以上考慮，我們系統地研究了CuxTiSe2（0.015≤x≤0.110）單晶的輸運性質、電子結構以及低溫熱導（x=??0.55）［70―72］.當x≤0.025，體系在低溫下會形成電荷密度波，并在面內和面外的電阻率隨溫度曲線都表現出一個寬峰行為.隨著Cu的摻雜，電荷密度波被完全壓制在x=0.55附近，隨后體系會出現超導電性且隨Cu摻雜而增強.體系的超導電性在x≥??0.08以后開始被壓制，在Cu0.11TiSe2樣品中，直到??1.8K都沒有發現超導電性.通過角分辨光電子譜的研究，發現1T-TiSe2母體具有半導體類型的能帶結構，并且發現，隨著Cu摻雜體系的化學勢顯著提高，從而導致電荷密度波的壓制以及超導電性的出現.我們還通過低溫熱導的測量確定了該體系的超導為單帶的s波超導.??

小結??

以上介紹了我們在高溫超導領域的最新進展.我們不但在高溫超導銅基化合物中取得了不錯的成績，在新超導體研究中也處于國際領先水平，尤其是在新的鐵基高溫超導體的研究方面.?オ?

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第四篇：選修課論文-材料科學概論-超導材料

超導材料

摘要：人類的發展是一個開發和運用新材料的過程，隨著上個世紀超導現象被發現以來超導現象一直為人所關注。關于超導材料的研究也是屢見不鮮，但是如何才能提高材料的臨界超導溫度，如何把超導材料產業化和生活化都是現在面臨的重大問題。在電力、通信、國防、醫療等方面的發展急需利用超導技術解決現有的關鍵技術問題；超導儲能、電纜、限流器、電機等超導電力技術，如果能應用將帶來電力工業的重大變革；在國防工業方面，由于超導技術不可代替的特殊性和優越性，將在掃雷艇、超導電機、電磁武器、傳感器、艦船用防彈及導航用高精度超導陀螺儀等領域被廣泛應用。所以提高臨界轉變溫度、臨界電流密度和改良其加工性能，制造出理想的更低價格的新一代超導材料就成為超導的發展趨勢。這就要求我們綜合考慮超導材料的組成成分、制備工藝以改善它的性能，逐步提高材料的臨界溫度，使材料更具有實用意義。

關鍵詞：材料科學 功能材料 超導材料 高溫超導

前言

一、材料與材料科學

材料是人類用來制造機器、構件、器件和其他產品的物質。但并不是所有物質都可稱為材料，如燃料和化工原料、工業化學品、食物和藥品等，一般都不算作材料。材料可按多種方法進行分類。按物理化學屬性分為金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料和復合材料。按用途分為電子材料、宇航材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。實際應用中又常分為結構材料和功能材料。結構材料是以力學性質為基礎，用以制造以受力為主的構件。結構材料也有物理性質或化學性質的要求，如光澤、熱導率、抗輻照能力、抗氧化、抗腐蝕能力等，根據材料用途不同，對性能的要求也不一樣。功能材料主要是利用物質的物理、化學性質或生物現象等對外界變化產生的不同反應而制成的一類材料。如半導體材料、超導材料、光電子材料、磁性材料等。材料是人類賴以生存和發展的物質基礎。20世紀70年代，人們把信息、材料和能源作為社會文明的支柱。80年代，隨著高技術群的興起，又把新材料與信息技術、生物技術并列作為新技術革命的重要標志。現代社會，材料已成為國民經濟建設、國防建設和人民生活的重要組成部分。

人類社會的發展歷程，是以材料為主要標志的。100萬年以前，原始人以石頭作為工具，稱舊石器時代。1萬年以前，人類對石器進行加工，使之成為器皿和精致的工具，從而進入新石器時代。新石器時代后期，出現了利用粘土燒制的陶器。人類在尋找石器過程中認識了礦石，并在燒陶生產中發展了冶銅術，開創了冶金技術。公元前5000年，人類進入青銅器時代。公元前1200年，人類開始使用鑄鐵，從而進入了鐵器時代。隨著技術的進步，又發展了鋼的制造技術。18世紀，鋼鐵工業的發展，成為產業革命的重要內容和物質基礎。19世紀中葉，現代平爐和轉爐煉鋼技術的出現，使人類真正進入了鋼鐵時代。與此同時，銅、鉛、鋅也大量得到應用，鋁、鎂、鈦等金屬相繼問世并得到應用。直到20世紀中葉，金屬材料在材料工業中一直占有主導地位。20世紀中葉以后，科學技術迅猛發展，作為發明之母和產業糧食的新材料又出現了劃時代的變化。首先是人工合成高分子材料問世，并得到廣泛應用。先后出現尼龍、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等塑料，以及維尼綸、合成橡膠、新型工程塑料、高分子合金和功能高分子材料等。僅半個世紀時間，高分子材料已與有上千年歷史的金屬材料并駕齊驅，并在年產量的體積上已超過了鋼，成為國民經濟、國防尖端科學和高科技領域不可缺少的材料。其次是陶瓷材料的發展。陶瓷是人類最早利用自然界所提供的原料制造而成的材料。50年代，合成化工原料和特殊制備工藝的發展使陶瓷材料產生了一個飛躍，出現了從傳統陶瓷向先進陶瓷的轉變，許多新型功能陶瓷形成了產業，滿足了電力、電子技術和航天技術的發展和需要。

材料科學是研究材料的組織結構、性質、生產流程和使用效能，以及它們之間相互關系的科學。材料科學是多學科交叉與結合的結晶，是一門與工程技術密不可分的應用科學，它的提出是在20世紀60年代。1957年，蘇聯人造地球衛星發射成功之后，美國政府及科技界為之震驚，并認識到先進材料對于高技術發展的重要性，于是在一些大學相繼成立了十余個材料科學研究中心，從此，材料科學這一名詞開始被人們廣泛地引用。現代材料科學技術的發展，促進了金屬、非金屬無機材料和高分子材料之間的密切聯系，從而出現了一個新的材料領域——復合材料。復合材料以一種材料為基體，另一種或幾種材料為增強體，可獲得比單一材料更優越的性能。復合材料作為高性能的結構材料和功能材料，不僅用于航空航天領域，而且在現代民用工業、能源技術和信息技術方面不斷擴大應用。

二、功能材料

功能材料是指那些具有優良的電學、磁學、光學、熱學、聲學、力學、化學、生物醫學功能，特殊的物理、化學、生物學效應，能完成功能相互轉化，主要用來制造各種功能元器件而被廣泛應用于各類高科技領域的高新技術材料。

功能材料是新材料領域的核心，是國民經濟、社會發展及國防建設的基礎和先導。它涉及信息技術、生物工程技術、能源技術、納米技術、環保技術、空間技術、計算機技術、海洋工程技術等現代高新技術及其產業。功能材料不僅對高新技術的發展起著重要的推動和支撐作用，還對我國相關傳統產業的改造和升級，實現跨越式發展起著重要的促進作用。

當前國際功能材料及其應用技術正面臨新的突破，諸如超導材料、微電子材料、光子材料、信息材料、能源轉換及儲能材料、生態環境材料、生物醫用材料及材料的分子、原子設計等正處于日新月異的發展之中，發展功能材料技術正在成為一些發達國家強化其經濟及軍事優勢的重要手段。

1、超導材料：以NbTi、Nb3Sn為代表的實用超導材料已實現了商品化，在核磁共振人體成像、超導磁體及大型加速器磁體等多個領域獲得了應用；SQUID作為超導體弱電應用的典范已在微弱電磁信號測量方面起到了重要作用，其靈敏度是其它任何非超導的裝置無法達到的。但是，由于常規低溫超導體的臨界溫度太低，必須在昂貴復雜的液氦(4.2K)系統中使用，因而嚴重地限制了低溫超導應用的發展。

高溫氧化物超導體的出現，突破了溫度壁壘，把超導應用溫度從液氦（4.2K）提高到液氮（77K）溫區。同液氦相比，液氮是一種非常經濟的冷媒，并且具有較高的熱容量，給工程應用帶來了極大的方便。另外，高溫超導體都具有相當高的上臨界場，能夠用來產生20T以上的強磁場，這正好克服了常規低溫超導材料的不足之處。正因為這些由本征特性Tc、Hc2所帶來的在經濟和技術上的巨大潛在能力，吸引了大量的科學工作者采用最先進的技術裝備，對高Tc超導機制、材料的物理特性、化學性質、合成工藝及顯微組織進行了廣泛和深入的研究。高溫氧化物超導體是非常復雜的多元體系，在研究過程中遇到了涉及多種領域的重要問題，這些領域包括凝聚態物理、晶體化學、工藝技術及微結構分析等。一些材料科學研究領域最新的技術和手段，如非晶技術、納米粉技術、磁光技術、隧道顯微技術及場離子顯微技術等都被用來研究高溫超導體，其中許多研究工作都涉及了材料科學的前沿問題。高溫超導材料的研究工作已在單晶、薄膜、體材料、線材和應用等方面取得了重要進展。

2、生物醫用材料：作為高技術重要組成部分的生物醫用材料已進入一個快速發展的新階段，其市場銷售額正以每年16%的速度遞增，預計20年內，生物醫用材料所占的份額將趕上藥物市場，成為一個支柱產業。生物活性陶瓷已成為醫用生物陶瓷的主要方向；生物降解高分子材料是醫用高分子材料的重要方向；醫用復合生物材料的研究重點是強韌化生物復合材料和功能性生物復合材料，帶有治療功能的HA生物復合材料的研究也十分活躍。

3、能源材料：太陽能電池材料是新能源材料研究開發的熱點，IBM公司研制的多層復合太陽能電池，轉換率高達40%。美國能源部在全部氫能研究經費中，大約有50%用于儲氫技術。固體氧化物燃料電池的研究十分活躍，關鍵是電池材料，如固體電解質薄膜和電池陰極材料，還有質子交換膜型燃料電池用的有機質子交換膜等，都是目前研究的熱點。

4、生態環境材料：生態環境材料是20世紀90年代在國際高技術新材料研究中形成的一個新領域，其研究開發在日、美、德等發達國家十分活躍，主要研究方向是：①直接面臨的與環境問題相關的材料技術，例如，生物可降解材料技術，CO 2 氣體的固化技術，SOx、NOx催化轉化技術、廢物的再資源化技術，環境污染修復技術，材料制備加工中的潔凈技術以及節省資源、節省能源的技術；②開發能使經濟可持續發展的環境協調性材料，如仿生材料、環境保護材料、氟里昂、石棉等有害物質的替代材料、綠色新材料等；③材料的環境協調性評價。

5、智能材料：智能材料是繼天然材料、合成高分子材料、人工設計材料之后的第四代材料，是現代高技術新材料發展的重要方向之一，將支撐未來高技術的發展，使傳統意義下的功能材料和結構材料之間的界線逐漸消失，實現結構功能化、功能多樣化。科學家預言，智能材料的研制和大規模應用將導致材料科學發展的重大革命。國外在智能材料的研發方面取得很多技術突破，如英國宇航公司在導線傳感器，用于測試飛機蒙皮上的應變與溫度情況；英國開發出一種快速反應形狀記憶合金，壽命期具有百萬次循環，且輸出功率高，以它作制動器時、反應時間，僅為10分鐘；在壓電材料、磁致伸縮材料、導電高分子材料、電流變液和磁流變液等智能材料驅動組件材料在航空上的應用取得大量創新成果。

目前世界各國功能材料的研究極為活躍，充滿了機遇和挑戰，新技術、新專利層出不窮。發達國家企圖通過知識產權的形式在特種功能材料領域形成技術壟斷，并試圖占領中國廣闊的市場，這種態勢已引起我國的高度重視。近年來，我國在新型稀土永磁、生物醫用、生態環境材料、催化材料與技術等領域加強了專利保護。但是，我們應該看到，我國目前功能材料的創新性研究不夠，申報的專利數，尤其是具有原創性的國際專利數與我國的地位遠不相稱。我國功能材料在系統集成方面也存在不足，有待改進和發展。

超導材料

一、超導材料的分類

超導材料按其化學成分可分為超導元素、超導合金、超導化合物和超導陶瓷。

1、超導元素：在常壓下有28種元素具超導電性，其中鈮（Nb）的Tc最高，為9.26K。電工中實際應用的主要是鈮和鉛(Pb，Tc=7.201K)，已用于制造超導交流電力電纜、高Q值諧振腔等。

2、超導合金：超導元素加入某些其他元素作合金成分，可以使超導材料的全部性能提高。如最先應用的鈮鋯合金(Nb-75Zr)，其Tc為10.8K，Hc為8.7特。繼后發展了鈮鈦合金，雖然Tc稍低了些，但Hc高得多，在給定磁場能承載更大電流。其性能是Nb-33Ti，Tc=9.3K，Hc＝11.0特；Nb-60Ti，Tc=9.3K，Hc=12特(4.2K)。目前鈮鈦合金是用于7～8特磁場下的主要超導磁體材料。鈮鈦合金再加入鉭的三元合金，性能進一步提高，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。

3、超導化合物：超導元素與其他元素化合常有很好的超導性能。如已大量使用的Nb3Sn，其Tc=18.1K，Hc=24.5特。其他重要的超導化合物還有V3Ga，Tc=16.8K，Hc=24特；Nb3Al，Tc=18.8K，Hc=30特。

4、超導陶瓷：20世紀80年代初，米勒和貝德諾爾茨開始注意到某些氧化物陶瓷材料可能有超導電性，他們的小組對一些材料進行了試驗，于1986年在鑭－鋇－銅－氧化物中發現了Tc=35K的超導電性。1987年，中國、美國、日本等國科學家在鋇－釔－銅氧化物中發現Tc處于液氮溫區有超導電性，使超導陶瓷成為極有發展前景的超導材料。

二、超導材料的性能

超導材料和常規導電材料的性能有很大的不同，主要有以下性能。

1、零電阻性：超導材料處于超導態時電阻為零，能夠無損耗地傳輸電能。如果用磁場在超導環中引發感生電流，這一電流可以毫不衰減地維持下去。這種“持續電流”已多次在實驗中觀察到。

2、完全抗磁性：超導材料處于超導態時，只要外加磁場不超過一定值，磁力線不能透入，超導材料內的磁場恒為零。

3、約瑟夫森效應：兩超導材料之間有一薄絕緣層（厚度約1nm）而形成低電阻連接時，會有電子對穿過絕緣層形成電流而絕緣層兩側沒有電壓，即絕緣層也成了超導體。當電流超過一定值后絕緣層兩側出現電壓U（也可加一電壓U），同時直流電流變成高頻交流電，并向外輻射電磁波。這些特性構成了超導材料在科學技術領域越來越引人注目的各類應用的依據。

4、同位素效應：超導體的臨界溫度Tc與其同位素質量M有關。M越大，Tc越低，這稱為同位素效應。例如，原子量為199.55的汞同位素，它的Tc是4.18K，而原子量為203.4的汞同位素，Tc為4.146K。

三、超導材料的制備

超導材料的制備方法很多，以前較為常用的有液相淬火法，離子轟擊法，氣相淬火法。化學氣相沉積法CVD，表面擴散法和固態擴散法（青銅法）等等，對于高溫超導陶瓷材料的制備而言，這些方法可以借鑒，但主要是 運用一些化學和物理技術和方法，這里更趨向于采用陶瓷工藝制備。首先必須明確的是，發展超導材料的關鍵在于有效地運用科學方法，控制工藝參數，以形成超導相而避免其他不利的物質或雜質生成，努力使超導材料的超導相含量增高，甚至是單一超導相，提高轉變溫度，力求達到液氮溫區或者干冰區，甚至追求室溫超導體的制備為最終目標。目前的工作重點在于提高臨界電流密度（Jc）和改善機械性質（KC和強度），這方面的研究剛起步。

1、固相合成法

原料是采用Tl2O3(純度為85%),BaO(純度為85%)或BaO2(純度80%),CaO（純度98%），CuO(純度99%)，按名義組成為TlBaCaCu2Oy ,TlBaCaCu3Oy ,TlBaCaCuOy ,Tl2BaCa3Cu2Oy配料，經充分研磨混勻，然后，將混合料在500Mpa在壓強下冷壓成型，將成型的圓片放置在鉑板或氧化鋁板上，在電阻爐內通空氣進行燒結，燒結溫度為740-860℃，燒結時間4-8h，以后隨爐冷卻，制備出高Tc（超導轉變臨界溫度）的樣品。在不同溫度下進行燒結，采用熱分析法進行觀測，發現在800℃以上，樣品已有嚴重的失重，加熱溫度再高，失重加劇。但另一方向，要充分反應以形成更高轉變溫度的超導相，又需較高的燒結溫度，因而只有合理控制工藝條件，采用快速升溫，使原料中易揮發的Tl2O3迅速達到熔化，并同其他組成發生固一液反應，快速生成較穩定的物相，這樣可大大減少在燒結過程TL的損失，獲得在Tc為120K的超導體陶瓷。

2、均勻溶膠一凝膠合成法

先將銅粉在熱硝酸中煮溶，再添加Y(NO3)3和BaCO3，因為溶液中PH值非常低，其中會形成少量的BaO,徐徐加入氫氧化銨，使溶液PH值超過7，BaO溶解，形成透明的綠蘭色溶液，然后再將聚丙稀酸添加進溶液，在高PH值的溶液中將會迅速形成螯合物，即具有聚合碳基單元的凝膠系統，將凝膠置于瓷坩堝中125℃干燥3h，400-480℃熔燒3h，再以5℃/mm升至煅燒，隨爐冷卻便形成單純合成材料。

3、熔鹽結構生長法

這是一種新型晶體生長法，其中工藝包括熔化1：2：3（Y2O2，BaO,CuO）氧化物，控制從液體狀冷卻，生成一塊樣品，在Tc77K時泰斯勒磁場強度中Jc7400A/cm2,該料長80-250um，橫截面225um，在晶體長軸方向有高導電性，其特點是比其他方法制備的123化合物的臨界電流密度高100倍，此法由美國貝爾實驗室提出，現在很受重視。

4、液態淬火氧化法

日本東北大學材料研究所用純金屬Yb,Ba,Ca須氬氣保護電融熔融并迅速淬火后，得到厚度為80um，直徑為30um的Yb,Ba,Cu3合金箔，然后再在800-900℃空氣中處理3小時，得到氧化物箔片，X射線衍射分析結果表明，淬火狀態的Ybi,Ba2,Cu3合金具有非品結構，高溫氧化后得到和YBa2Cu3O7相同的結構，分子為YbBa2Cu3O6-8,這是一個值得重視的方法。

5、套管拉絲法

將具有Yo4BaO0.6CnO3-y名義組成配比的混合粉未燒成熟粉，再填充到銅管或銀管中拉成直徑為1mm的成材，對該銅線材是先經腐蝕去銅后再進行最終熱處理，則試結果Tc=87K,77K零場下Jc=720A/cm2。用同樣工藝制備的塊狀樣品，其Jc為1.1×103A/cm 2,又將該銀線燒成φ2cm×2cm 的線圈直接在氧氣中進行最終熱處理，液氮中的電流度Jc=510A/cm2 ,Tc=70K.6、單晶生長技術

新超導化合物單晶樣品有多種生長方法。溶液生長和氣相傳輸生長法是制備從金屬間氧化物到有機物各類超導體的強有力工具。過去10年來這些技術在不斷發展,溶劑、輸運劑、可控溫度的范圍在不斷擴大。各類超導體的最新樣品可通過這些方法制備。溶液生長的優點就是其多功能性和生長速度,可制備出高純凈度和鑲嵌式樣品。但是,它并不能生產出固定中子散射實驗所需的立方厘米大小的樣品。

7、高質量薄膜技術

目前, 薄膜超導體技術包括活性分子束外延(MBE)、濺射、化學氣相沉積和脈沖激光沉積等。MBE尤其能制造出足以與單個晶體性能相媲美的外延超導薄膜。目前正在研制平衡方法可使多層膜原子層工程具有新功能。在晶格匹配的單晶襯底上生長的外延高溫超導薄膜,已經被廣泛應用于這些材料物理性質的基礎研究中。在許多實驗中薄膜的幾何性質擁有它的優勢,如可用光刻技術在薄膜上刻畫細微的特征;具備合成定制的多層結構或超晶格的潛能。

四、超導材料的應用

超導陶瓷材料的超導材料具有的優異特性使它從被發現之日起，就向人類展示了誘人的應用前景。但要實際應用超導材料又受到一系列因素的制約，這首先是它的臨界參量，其次還有材料制作的工藝等問題。到80年代，超導材料的應用主要有：①利用材料的超導電性可制作磁體，應用于電機、高能粒子加速器、磁懸浮運輸、受控熱核反應、儲能等；可制作電力電纜，用于大容量輸電（功率可達10000MVA）；可制作通信電纜和天線，其性能優于常規材料。②利用材料的完全抗磁性可制作無摩擦陀螺儀和軸承。③利用約瑟夫森效應可制作一系列精密測量儀表以及輻射探測器、微波發生器、邏輯元件等。

（一）強電應用

1、超導輸電：美國物理學家波恩特·特奧·馬梯阿斯指出:“電能的輸送是超導體最重要的應用之一。”發電站輸出電能常用鋁線和銅線。由于電阻的存在一部分電力在輸出過程中轉變為熱能而消失,存在著嚴重的損耗。而利用超導材料輸電,由于導線電阻消失,線路損耗也就降為零,用超導材料可制高效率大容量的動力電纜,并且可減少導體的需求量,節約大量有色金屬資源。目前, 高溫超導體(HTS)電力電纜的應用研究發展較快,極有可能首先廣泛運用于電力系統中。2000 年美國已在底特律市的變電站使用第一條大容量HTS 輸電電纜。我國第一根HTS 電纜模型已于1998 年底在中科院研制成功。

2、超導儲能：人類對電力網總輸出功率的要求是不平衡的。即使一天之內,也不均勻。利用超導體,可制成高效儲能設備。由于超導體可以達到非常高的能量密度,可以無損耗貯存巨大的電能。這種裝置把輸電網絡中用電低峰時多余的電力儲存起來,在用電高峰時釋放出來,解決用電不平衡的矛盾。美國已設計出一種大型超導儲能系統,可儲存5000 兆瓦小時的巨大電能,充放電功率為1000 兆瓦,轉換時間為幾分之一秒,效率達98 % ,它可直接與電力網相連接,根據電力供應和用電負荷情況從線圈內輸出,不必經過能量轉換過程。

3、變壓器：發展超導變壓器,可提高電力變壓器的性能。從經濟上看,超導材料的低阻抗特性有利于減小變壓器的總損耗,高電流密度可以提高電力系統的效率,采用超導變壓器將會大大節約能源,減少其運作費用;從絕緣運行壽命上看,超導變壓器的繞組和固體絕緣材料都運行于深度低溫下,不存在絕緣老化問題,即使在兩倍于額定功率下運行也不會影響運行壽命;從對電力系統的貢獻來看,正常工作時超導變壓器的內限很低,增大了電壓調節范圍,有利于提高電力系統的性能;從環保角度看,超導變壓器采用液氮進行冷卻,取代了常規變壓器所用的強迫油循環冷卻或空冷,降低了噪聲,避免了變壓器可能引起的火災危險和由于泄露造成的環境污染。

4、超導電機：在大型發電機或電動機中,一旦由超導體取代銅材則可望實現電阻損耗極小的大功率傳輸。在高強度磁場下,超導體的電流密度超過銅的電流密度,這表明超導電機單機輸出功率可以大大增加。在同樣的電機輸出功率下,電機重量可以大大下降。小型、輕量、輸出功率高、損耗小等超導電機的優點,不僅對于大規模電力工程是重要的,而且對于航海、航空的各種船舶、飛機特別理想。美國率先制成3000 馬力的超導電機,我國科學家在20 世紀80 年代末已經制成了超導發電機的模型實驗機。

5、超導故障限流器：由于電力系統容量的逐年增長,導致電路短路功率及故障短路電流的迅速增大。裝備短路限流器就能有效地限制短路電流,降低對電網內電器的要求。用超導材料制成的限流器有許多優點:(1)它的動作時間快,大約幾十微妙;(2)減少故障電流,可將故障電流限制在系統額定電流2 倍左右,比常規斷路器開斷電流小一個數量級;(3)它有低的額定損耗;(4)集檢測、轉換、限制于一身,可靠性高,它是一類“永久的超保險絲”;(5)結構簡單,體積小,價格便宜。

6、在核能開發中的應用：若想利用熱核反應來發電,電,首先必須解決大體積、高強度的磁場問題。產生這樣磁場的磁體能量極高,結構復雜,電磁和機械應力巨大,常規磁體無法承擔這一任務。只有通過超導磁體產生強大的磁場,將高溫等離子體約束住,并且達到一個所要求的密度,這樣才可以實現受控熱核反應。

7、超導懸浮列車：由于超導體具有完全抗磁性,在車廂底部裝備的超導線圈,路軌上沿途安放金屬環,就構成懸浮列車。當列車啟動時,由于金屬環切割磁力線,將產生與超導磁場方向相反的感生磁場。根據同性相斥原理,列車受到向上推力而懸浮。超導懸浮列車具有許多的優點:由于它是懸浮于軌道上行駛,導軌與機車間不存在任何實際接觸,沒有摩擦,時速可達幾百公里;磁懸浮列車可靠性大,維修簡便,成本低,能源消耗僅是汽車的一半、飛機的四分之一;噪聲小,時速達300 公里/ 小時,噪聲只有65 分貝;以電為動力,沿線不排放廢氣,無污染,是一種綠色的交通工具。

8、磁懸浮軸承：高速轉動的部位,由于受軸承摩擦的限制,轉速無法進一步提高。利用超導體的完全抗磁性可制成無摩擦懸浮軸承。磁懸浮軸承是采用磁場力將轉軸懸浮。由于它無接觸,因而避免了機械磨損,降低了能耗,減小了噪聲,進而具有免維護、高轉速、高精度和動力學特性好的優點。磁懸浮軸承可適用于高速離心機、飛輪儲能、航空陀螺儀等高速旋轉系統。

9、電子束磁透鏡：在通常的電子顯微鏡中,磁透鏡的線圈是用銅導線制成的,場強不大,磁場梯度也不高,且時間穩定性較差,使得分辨率難以進一步提高。運用超導磁透鏡后,以上缺點得到了克服。目前超導電子顯微鏡的分辨已達到3 埃,可以直接觀察晶格結構和遺傳物質的結構,已成為科學和生產部門強有力的工具。

（二）弱電應用

1、無損檢測：無損檢測是一種應用范圍很廣的探測技術,其工作方式有;超聲探測、X光探測及渦流檢測技術等。SQUID 無損檢測技術在此基礎上發展起來。SQUID 磁強計的磁場靈敏度已優于100ft ,完全可以用于無損檢測。由于SQUID 能在大的均勻場中探測到場的微小變化,增加了探測的深度,提高了分辨率,能對多層合金導體材料的內部缺陷和腐蝕進行探測和確定,這是其他探測手段所無法辦到的。工業上用于探測導體材料的缺陷、內部的腐蝕等,軍事上可能于水雷和水下潛艇等的探測。

2、超導微波器件在移動通信中的應用：移動通信業蓬勃發展的同時,也帶來了嚴重的信號干擾,頻率資源緊張,系統容量不足,數據傳輸速率受限制等諸多難題。高溫超導移動通信子系統在這一背景下應運而生,它由高溫超導濾波器、低噪聲前置放大器以及微型制冷機組成。高溫超導子系統給移動通信系統帶來的好處可以歸納為以下幾個方面:(1)提高了基站接收機的抗干擾的能力;(2)可以充分利用頻率資源,擴大基站能量;(3)減少了輸入信號的損耗,提高了基站系統的靈敏度,從而擴大了基站的覆蓋面積;(4)改善通話質量,提高數據傳輸速度;(5)超導基站子系統帶來了綠色的通信網絡。

3、超導探測器：用超導體檢測紅外輻射,設計制造各種樣式的高TC超導紅外探測器。與傳統的半導體探測比較,高TC 超導探測器在大于20微米的長波探測中將為優良的接受器件,填充了電磁波譜中遠紅外至毫來波段的空白。此外,它還具高集成密度、低功率、高成品率、低價格等優點。這一技術將在天文探測、光譜研究、遠紅外激光接收和軍事光學等領域有廣泛應用。

4、超導計算機：超導器件在計算機中運用,將具有許多明顯的優點:(1)器件的開關速度比現存半導體器件快2-3 個數量級,比普通半導體Si 集成電路,要快一千倍左右;(2)很低的功率。只有半導體器件的千分之一左右,散熱問題很易解決;(3)輸出電壓在毫伏數量級,而輸出電流大于控制線內的電流,具有一定增益,信號檢測方便。同時,體積更小,成本更低；另外,因超導抗磁效應,電路布線干擾完全消除,信號準確無畸變。當然,超導材料的用途還有很多,它的優點也十分突出,但是它必須工作在比TC 低的溫度,目前TC 為look ,這無疑限制了它的應用。隨著高溫超導材料的開發成功,必將引起能源、交通、工業、醫療、生物、電子和軍事等領域的重大變革。

五、國內超導技術的研究

經過20 多年的研究發展,我國高溫超導技術在超導材料技術、超導強電技術和超導弱電技術三個方面取得了重大進展和突破。在眾多領域中,超導技術的應用具有非常突出的優點和不可取代的作用。隨著高溫超導材料和低溫制冷技術的迅速發展,使超導技術的應用步伐迅速加快。超導技術在電力、通信、高新技術裝備和軍事裝備等方面的應用也十分令人向往,具有重要的戰略意義。

1、國內超導材料與薄膜技術

我國在鉍系帶材、釔系大面積雙面薄膜、釔系新型涂層帶材、釔系準單疇塊材和高溫超導電纜等方面,其技術發展水平與國際水平相當或相近,某些方面甚至處于國際領先水平。目前,國內帶材研究在核心粉體技術方面,建立了粉體質量控制體系,保證了前驅粉體較好的重復性和穩定性;在帶材加工和熱處理方面,解決了長帶鼓泡和芯絲不均勻性問題,消除了長期困擾鉍系長帶制備的障礙,所制備的帶材最高臨界電流密度Jc>4.0×104A/cm2(Ic=125A),200 m長帶的臨界電流密度Jc>3.0×104A/cm2(臨界電流Ic=90A),這些成果都達到了目前國際先進水平。北京英納超導技術公司和西北有色金屬研究院先后建成了年產200 km的生產線,為我國超導技術應用的產業化提供了必要的材料基礎。英納超導公司300 m長帶的臨界電流大于100 A,達到國際先進水平。其產品在滿足國內需求的同時,還出口到韓國、歐洲等地。

近年來第二代高溫超導帶材的研究成為國內外超導研究的熱點。我國在“863”計劃的支持下,已初步實現了第二代帶材的動態制備,數十厘米長的帶材的超導臨界電流達到40 A。在高溫超導單疇塊材方面,我國在材料制備工藝上有知識產權,與國際先進水平的差距較小。北京有色金屬研究總院制成了直徑5 cm,凍結場7 T(4.2 K),磁懸浮力16 N / cm2的釔系塊材,并實現了直徑4 cm單疇材料的小批量生產。2000 年12 月國產的340 余塊釔系塊材用于世界首輛載人高溫超導磁懸浮實驗車系統。同時,鉍系帶材、釔系準單疇塊材及釔系新型涂層帶材等是供高溫超導電纜、限流器、變壓器、磁儲能系統、電機、核磁共振成像(MR I)磁體等技術應用和研究所需的材料。

2、國內超導弱電技術

“十五”期間,國家863計劃設立“超導材料與技術專項”(簡稱超導專項),重點支持超導應用技術的研究,充分體現了國家對“超導技術”這一戰略性高技術的高度重視。目前,國內已有清華大學、天津海泰超導公司、中科院物理所和南開大學多家單位在進行移動通信和高靈敏超導接收前端的研究。2001年10月清華大學研制成功我國第一臺GSM1800移動通信用高溫超導濾波器系統。2004年3月26日在國內首次將超導濾波器應用于中國聯通唐山分公司的碼分多址移動通信基站,超導濾波器系統已連續運行兩年多,實現了我國高溫超導的第一次實際應用。

天津海泰超導公司是國內第一家從事高溫超導濾波器產業化的企業,已經建成了國內第一條高溫超導濾波器系統生產線,在超導濾波器設計、超導芯片精細加工、靜態真空設計及獲得、濾波器系統集成、濾波器并網運行和測試方面建立了多項自主知識產權的技術,在超導濾波器產業化工作上取得了多項階段性成果。其超導濾波器產品也已在移動通信基站上進行了多次并網運行。

我國國防建設迫切需要超導濾波器技術,以提高通信設備和其他裝備的靈敏度、選擇性和抗干擾能力。清華大學最近在這方面有突破性的進展。中科院物理所研制的應用于衛星微波接收機的高溫超導濾波器,采用了獨創的帶通濾波器和可調帶阻濾波器無損超導集成技術,取得了反射損耗好于-22.5 dB,且帶外抑制優于-110 dB 的優異性能。經國家權威部門認定,上述集成技術和綜合指標“在國內外未見相同報道”。該濾波器和工作于低溫的放大器與小型機械制冷機組成子系統,并與衛星微波接收機聯機進行了地面試驗。試驗結果表明:使用高溫超導濾波器子系統可以極大地降低衛星接收機的噪聲溫度(高達73%)。

在高新技術研究方面,太赫茲(THz)波也是目前超導領域研究的前沿技術。在探測非金屬武器、爆炸物、偽造物或贗品等安全應用方面,太赫茲波段具有明顯的優點。這一波段的開發,在實際的軍事安全技術應用中有重要的意義。國內著名專家研究電磁波在層狀超導體中的傳播規律,致力于以超導器件為核心技術的THz信號的高靈敏接收和成像技術、物質的太赫茲波頻譜測量技術和寬帶頻譜測量等,在整體上形成了自己的研究特色,在這一領域中已經做了許多重要的工作。北京大學和中科院物理所已經制備出高溫超導量子干涉器件,并且制備出測量心臟磁場的心磁儀的樣機模型。北京大學和中科院物理所合作成功進行了利用高溫超導SQU ID對大地地磁分部的測量,獲得了一些重要結果。清華大學曹必松教授領導的研究小組,研制的超導濾波器系統已達到國際先進水平并處于國內領先水平。

3、國內超導強電技術

國內在超導強電應用技術研究方面也做了大量工作,取得一些科研成果。如西南交通大學王家素教授領導的研究小組研制的載人高溫超導磁懸浮列車技術已處于國際先進水平,并已承載兩萬多人次,實質上已具有一定的商業價值,這開拓了在磁懸浮技術上實現超越發展的可能性。1999年中科院電工所研制成功我國第一臺微型超導儲能樣機。2007年中科院電工所肖立業教授領導的研究小組,研制成功世界首臺超導限流—儲能系統, 1MJ/0.5MVA超導限流—儲能系統。該項目是超導電力中心本集中主要力量進行攻關的重點項目。1MJ/0.5MVA超導限流—儲能系統主要包括:高溫超導磁體、低溫及制冷系統、電力電子系統,以及在線監測系統等部件。所有部件的研制在2006 年已經完成,近期1MJ /0.5MVA超導限流—儲能系統將在北京市投入并網實驗運行。在完成該系統并網試驗運行前的各項調試和檢測后,將投入10.5 kV配電網上試驗運行,這將是世界上第一套投入實際電網運行的高溫超導限流—儲能系統。目前,在中國科學院知識創新工程的支持下,正在開展2.5MJ/1MVA超導限流—儲能系統的研究。

2005年由中科院電工所與甘肅長通電纜科技股份有限公司、中科院理化所聯合研究的國家“十五”計劃中的“863”重大項目——75 m、10.5 kV /1.5 kA三相交流高溫超導電纜順利完成系統集成,已經通過了系統檢測和調試,取得了一系列自主知識產權。它是目前世界上正在并網試驗運行的高溫超導電纜。75 m高溫超導電纜主要由超導電纜芯、低溫系統等許多關鍵技術,完全自主研制成功的三相交流高溫超導電纜、三相高溫超導限流器、三相高溫超導變壓器分別在甘肅省白銀市、湖南省婁底市和新疆昌吉市投入并網實驗運行,各個系統通過了國家電力設備的標準實驗,運行期間未發生任何自身故障。超導電力技術的研究開發,解決了一系列關鍵技術問題,研制的相應的系統在國內處于領先地位,并達到國際先進水平。

4、我國超導技術研究取得的部分成果

2007年，中國地質調查局地質調查科研項目“ 高溫超導三分量磁測技術研究”成果日前通過專家評審。有關專家認為這是我國在高溫超導材料與技術的實際應用方面取得的重要突破, 取得了具有完全自主知識產權的創新性科研成果, 使我國在該領域走在了世界先進行列。中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所科研人員經過多年攻關, 不斷優化電子線路設計, 研制出了具有國際先進水平的實用化單分量高溫超導磁強計。在北京大學、吉林大學等單位已有多臺在使用, 用于弱磁測量領域效果明顯。實踐證明, 和現在采用的感應線圈探頭相比, 高溫超導磁強計的性能指標在靈敏度、帶寬、測量精度與效率等方面具有明顯的優越性。據介紹, 該成果可提高勘探深度達50%以上, 使瞬變電磁法的勘探深度達1200米, 有利于推動瞬變電磁法的應用與發展, 從而為危機礦山、深部隱伏大礦的尋找、礦體的準確定位提供高技術手段。

六、超導材料的發展歷程

1911年，荷蘭物理學家昂尼斯(1853～1926)發現，水銀的電阻率并不象預料的那樣隨溫度降低逐漸減小，而是當溫度降到4.15K附近時，水銀的電阻突然降到零。某些金屬、合金和化合物，在溫度降到絕對零度附近某一特定溫度時，它們的電阻率突然減小到無法測量的現象叫做超導現象，能夠發生超導現象的物質叫做超導體。超導體由正常態轉變為超導態的溫度稱為這種物質的轉變溫度(或臨界溫度)TC。現已發現大多數金屬元素以及數以千計的合金、化合物都在不同條件下顯示出超導性。

超導體得天獨厚的特性，使它可能在各種領域得到廣泛的應用。但由于早期的超導體存在于液氦極低溫度條件下，極大地限制了超導材料的應用。人們一直在探索高溫超導體，從1911年到1986年，75年間從水銀的4.2K提高到鈮三鍺的23.22K，才提高了19K。

1986年，高溫超導體的研究取得了重大的突破。掀起了以研究金屬氧化物陶瓷材料為對象，以尋找高臨界溫度超導體為目標的“超導熱”。全世界有260多個實驗小組參加了這場競賽。

1986年1月，美國國際商用機器公司設在瑞士蘇黎世實驗室科學家柏諾茲和繆勒首先發現鋇鑭銅氧化物是高溫超導體，將超導溫度提高到30K；緊接著，日本東京大學工學部又將超導溫度提高到37K；12月30日，美國休斯敦大學宣布，美籍華裔科學家朱經武又將超導溫度提高到40.2K。

1987年1月初，日本川崎國立分子研究所將超導溫度提高到43K；不久日本綜合電子研究所又將超導溫度提高到46K和53K。中國科學院物理研究所由趙忠賢、陳立泉領導的研究組，獲得了48．6K的鍶鑭銅氧系超導體，并看到這類物質有在70K發生轉變的跡象。2月15日美國報道朱經武、吳茂昆獲得了98K超導體。2月20日，中國也宣布發現100K以上超導體。3月3日，日本宣布發現123K超導體。3月12日中國北京大學成功地用液氮進行超導磁懸浮實驗。3月27日美國華裔科學家又發現在氧化物超導材料中有轉變溫度為240K的超導跡象。很快日本鹿兒島大學工學部發現由鑭、鍶、銅、氧組成的陶瓷材料在14℃溫度下存在超導跡象。高溫超導體的巨大突破，以液態氮代替液態氦作超導制冷劑獲得超導體，使超導技術走向大規模開發應用。氮是空氣的主要成分，液氮制冷機的效率比液氦至少高10倍，所以液氮的價格實際僅相當于液氦的1/100。液氮制冷設備簡單，因此，現有的高溫超導體雖然還必須用液氮冷卻，但卻被認為是20世紀科學上最偉大的發現之一。

隨著材料科學工藝技術的發展，近年來一種在軋制金屬基帶上制造釔鋇銅氧超導帶材的工藝被稱作“第二代”帶材。歐洲國家努力開展高溫超導材料工藝及應用研究。丹麥已批量制造鉍系超導帶材。2003年11月我國第一個10m、10.5kV/1.5kA 三相交流高溫超導電纜系統日前在中國科學院電工研究所研制成功，并于成功地進行了試驗運行。2011年5月信贏和公司團隊研發的世界最大功率的超導限流器剛成功。2011年9月25日，特拉維夫大學的研究小組開發出了一種超導體材料——藍寶石單晶體纖維，可用于高壓電纜輸電，輸電量是相同直徑銅線輸電量的40倍。研究人員稱這種超導材料將可能徹底改變電力輸送占空間、高損耗的狀況。

七、超導材料的發展前景

陶瓷高溫超導材料的發現和應用，將帶動著廣泛領域里許多有著重大竟義的應用前景，如約瑟夫遜效應器件，超導磁屏蔽，超導紅外傳感器等在近期內會得到應用。至于超導磁懸浮列車，超導電動機，超導儲能，以及超導電力傳輸等，將在本世紀和下世紀普遍實現。著名材料學家們表示了 樂觀的意見。其他人在不同的場合表示了這種看法，甚至更富于幻想或浪漫色彩。對于超導材料的研究，一定要給予高度的重視，應大力推進它的研究過程，高溫陶瓷超導材料的應用價值很大，它的科學研究，會導致一場新的電磁革命，可與一百多年前法拉第，奧斷陸和洛倫茲發起的電磁革命相比，它的開發就用，最終將導致一場高層次，大范圍的真正工業革命，對科技，能源，交通，醫療，電業，乃至人民生活，思想信息和經濟發展產生不可估量的巨大影響。

在電力、通信、國防、醫療等方面的發展急需利用超導技術解決現有的關鍵技術問題。超導儲能、電纜、限流器、電機等超導電力技術，如果能應用將帶來電力工業的重大變革。在國防工業方面，由于超導技術不可代替的特殊性和優越性，將在掃雷艇、超導電機、電磁武器、傳感器、艦船用防彈及導航用高精度超導陀螺儀等領域被廣泛應用。所以提高臨界轉變溫度、臨界電流密度和改良其加工性能，制造出理想的更低價格的新一代超導材料就成為超導的發展趨勢。2010年3月7日日本刷新有機超導材料臨界溫度世界紀錄。

從超導現象的發現到低溫超導，再到高溫超導至今已經剛好有100年的發展史了，超導技術具有廣闊的發展前景，同時發展高溫超導技術是21世紀國際高技術競爭中保持尖端優勢的關鍵所在，如果能讓高溫超導電纜的產業化、實用化，我國將在世界上占據舉足輕重的地位，世界也會因此踏入一個新的革命時代。盡管我國在高溫超導技術研究領域做出了巨大努力,但整體技術水平與國外相比仍有較大差距,特別是工程化應用方面的差距較大。我國應該借鑒國外經驗,合理組織研究力量,在超導技術應用研究上加大投入力度,對比較成熟的超導技術盡快投入工程化應用,加速我國超導技術研究與應用步伐,這對鞏固國防和促進國民經濟建設具有十分重要的戰略意義。然而攻克在這個領域的各種難關，就成為當代科學的一個個的目標。作為當代理工類大學生，我們應該時時關注當代科學技術的發展，為自己樹立一個更高的理想。

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第五篇：電力系統的超導技術的論文

電力系統的超導技術的論文

摘要：近年來高溫超導材料研究取得很大進展，它在電力領域的應用研究已受到廣泛關注，一些示范樣機也已經研制成功的投入示范性試驗，可以說超導技術是21世紀具有戰略經濟意義的高新技術。從目前電力的發展現狀來看，充分利用國內各種優勢資源開展超導電力技術的研究與開發，對于提高我國電力設備行業在國際市場上的競爭力及電力系統的技術經濟。

關鍵詞：電力系統、超導電性、超導電力裝置

我國處于發展時期，對電力技術的有力發展，會我國經濟的發展顯示著越來越重要的作用，但是隨著電力系統容量的增大、系統結構復雜化，電力系統巳突顯出了若干技術難題，如電力安全、高密度供電、高品質供電、高效率輸送電等。二目前這些問題的解決，越來越依賴于超導技術的應用。超導電力技術是受國內外廣泛關注的一項前瞻性技術，將其引入電力系統會為解決電力系統的固有技術難題提供一條新的技術途徑。因此，從電力系統建設、管理、運行及電力設備市場出發，我國均應大力加強超導電力技術的研究與發展，開發出性能先進、市場競爭力強、有自主知識產權的超導電力設備。

目前，超導電力技術已進入高速發展時期，有些超導技術產品已進入商品化階段，若干超導電力設備，如超導電纜、超導限流器、超導磁儲能系統等已在電力系統試運行。然而，由于電力系統的重要性、電力設備運行條件的復雜性，電力系統對于全面接受超導電力裝置的準備還不充分。首先，在電力設備性能鑒定方面，目前還沒有規范的

標準方法，也沒有一個能對超導電力裝置進行性能檢測的實驗基地，無法對超導電力裝置是否具備入網條件進行科學判斷。其次，超導電力裝置進入電力系統后對電力系統產生何種影響，其裝置如何和現有龐大的系統、復雜的控制相互協調沒有充分的研究。同時，在若干超導電力裝置的關鍵部件上仍需進一步提高技術性能及可靠性。基于此，國網武漢高壓研究院與華中科技大學對超導電力技術的發展現狀、關鍵課題、特別是超導電力裝置的性能檢測方法進行了基礎性研究，在此基礎上，籌備建設和發展超導電力技術檢測實驗室，為超導電力技術進入實際應用奠定基礎。

超導技術的進步逐步形成了超導電力這一新的概念。美國、日本、歐洲乃至韓國等經濟發達國家和地區均對超導電力技術給予了極大的關注，政府主導投入超導電力的研究工作，且有若干電力公司、電力設備制造廠家、甚至國防研究部門均開展了與超導電力相關的研究工作。已相繼研制成功了輸電電纜、限流器、磁儲能系統、變壓器、發電機和電動機等多種超導電力裝置的實驗樣機。我國也在“十五”期間開發了多種超導電力裝置。在Bi系高溫超導帶材走向商品化后，超導電力的研究開發重點已轉移到高溫超導。目前，高溫超導電纜、限流器、變壓器和電動機已進入示范試驗運行階段，高溫超導磁儲能系統也有相應的試樣樣機問世。同時小型低溫超導儲能系統的產品已出現。

超導電力技術是吵到技術與電工技術相結合而產生的一門新技術，超導電力技術主要研究開發各種電力裝置，以及含超導電力裝置 的電力系統的各種特性。超導電力裝置比起常規電力裝置來說有損耗小、體積小、重量輕、容量大特點，但超導電力裝置一旦失超，對電力系統所產生的影響也大于常規的電力裝置，因此超導電力裝置的監測和保護是超導電力裝置實用化過程的關鍵技術之一。

超導技術在電力系統的應用將帶來若干個直接的和間接的技術經濟效益，甚至引發技術性的革命。美國日本等國家對超導應用技術給予了很高的評價，美國能源部認為超導技術是21世紀電工行業的高科技，日本新能源開發機構認為超導技術是21世紀郭嘉間競爭的關鍵性高技術。國際超導界專家預測在5年~10年內超導技術將在電力工業中獲得廣泛的應用。

在我國，超導技術應用研究也已經進入起步階段。我們相信，隨著超導技術的發展和我國經濟實力的增加，超導電力應用技術的研究必將得到進一步的加強，在我國電力系統中應用超導技術的時代必將到來。