超导材料及应用

超导材料

摘要：简要介绍了超导材料的发展历史、现状，对未来的超导材料的发展作了展望，并对目前超导材料的主要研制方法进行了分析。

关键词：超导体研究进展高温低温应用

一前言

超导材料是在低温条件下能出现超导电性的物质。超导材料最独特的性能是电能在输送过程中几乎不会损失。超导材料的发展经历了从低温到高温的过程，经过无数科学家的努力，超导材料的研究已经取得了巨大的发展。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。高温超导材料的制备工艺也得到了长足的发展，一些制备高温超导材料的材料陆续被科学家发现。现在，超导材料的研究主要集中在超导输电线缆，超导变压器等电力系统方面，还有，利用超导材料可以形成强磁场，是超导材料在磁悬浮列车的研究上有了用武之地，另外，超导材料在医学，生物学领域也取得了很大的成就。超导材料的研究未来，超导材料的研究将会努力向实用化发展。一旦室温超导体达到实用化、工业化，将对现代文明社会中的科学技术产生深刻的影响。

二研究现状

1.超导材料的探索与发展

探索新型超导材料在超导材料研究中始终起着关键的作用，同时也是一项高风险、高投入的研究工作。自1911年荷兰物理学家卡麦林·昂尼斯发现汞在4.2K附近的超导电性以来，人们发现的新超导材料几乎遍布整个元素周期表，从轻元素硼、锂到过渡重金属铀系列等。超导材料的最初研究多集中在元素、合金、过渡金属碳化物和氮化物等方面。至1973

年，发现了一系列A

15型超导体和三元系超导体，如Nb

3

Sn、V

3

Ga、Nb

3

Ge，其中Nb

3

Ge超导

体的临界转变温度(T c)值达到23.2K。以上超导材料要用液氦做致冷剂才能呈现超导态，因而在应用上受到很大限制。1986年，德国科学家柏诺兹和瑞士科学家穆勒发现了新的金属氧化物超导材料即钡镧铜氧化物(La-BaCuO)，其T c为35K，第一次实现了液氮温区的高温超导。铜酸盐高温超导体的发现是超导材料研究上的一次重大突破，打开了混合金属氧化物超导体的研究方向。1987年初，中、美科学家各自发现临界温度大于90K的YBacuO超导体，已高于液氮温度(77K)，高温超导材料研究获得重大进展。后来法国的米切尔发现了第三类高温超导体BisrCuO，再后来又有人将Ca掺人其中，得到Bis尤aCuO超导体，首次使氧化物超导体的零电阻温度突破100K大关。1988年，美国的荷曼和盛正直等人又发现了T

1

系高温超导体，将超导临界温度提高到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，临界转变温度大约为133K，使高温超导临界温度取得新的突破。

2.超导材料的研究

2.1低温超导阶段

在梅斯勒发现超导体的抗磁性之后(相继有荷兰物理学家埃伦弗斯特根据有关的超导体在液氦中比热不连续现象(提出热力学中二级相变的概念)柯特和卡西米尔提出超导的二流体模型)德国物理学家F·伦敦和H·伦敦兄弟提出超导电性的电动力学唯相理论（即伦敦

方程）；度海森伯根据电子间的库仑相互作用，提出了一种超导微观理论，波尔提出了另一种微观理论；前苏联物理学家阿布里科索夫提出第二类超导体的概念；巴丁/库伯和施里费提出了BCS理论，贾埃弗发现超导体中的单电子隧道效应；约毖夫森提出了约毖夫森效应等等。1934—1985年，人们对超导体在理论上和实验上都作了广泛的研究，使超导物理学理论逐步发展，超导材料逐步应用于实际科学技术领域。由于人们在一定条件下认识水平的局限性以及其它一些原因，直到今天，超导物理学理论尚不完善，实际应用也不广泛。在这一阶段，人们研究的超导材料临界转变温度较低，所以，在超导史上，这一时期属于低温超导阶段。

2.2高温超导阶段

目前，高温超导材料指的是：钇系(92 K)、铋系(110 K)、铊系(125 K)和汞系(135 K)以及2001年1月发现的新型超导体二硼化镁(39 K)。其中最有实用价值的是铋系、钇系(YBCO) )。氧化物高温超导材料是以铜氧化物为组分的具有钙钛矿层状结构的复和二硼化镁(MgB

2

杂物质，在正常态它们都是不良导体。同低温超导体相比，高温超导材料具有明显的各向异性，在垂直和平行于铜氧结构层方向上的物理性质差别很大。高温超导体属于非理想的第II类超导体。且具有比低温超导体更高的临界磁场和临界电流，因此是更接近于实用的超导材料。特别是在低温下的性能比传统超导体高得多。

高温超导材料已进入实用化的研究开发阶段，氧化物复合超导材料的耐用(robustness) 和稳定性已引起材料科学家的广泛重视。由于高温超导薄膜材料较早进入电子学器件的应用领域，很多学者做了薄膜材料与环境相关的稳定性和寿命研究工作。浸泡实验是一种常用的方法：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)中做周期循环和热时效疲劳试验。研究表明，超导电性的退化主要来自于杂相 (第二相) 及时效过程中的析出相。美国西北大学的Mirkin建议把在其它材料中应用已十分广泛的分子单层表面化学改性(又称“自装配，Self assembly”) 引入到高温超导铜氧化合物中来。例如用有机物对YBCO表面进行分子单层表面改性，以此改善薄膜对环境的敏感性。

高温超导带材以铋锶钙铜氧(BSCCO/2223)系为第一代带材，它以优良的可加工性而得到了广泛的开发，并在超导强电应用领域占据重要位置。但铋系材料的实用临界电流密度较低，并且在77 K的应用磁场也很低。相反，YBCO材料在77 K的超导电性远优于BSCCO材料；然而它的可加工性却极差，传统的压力加工和热处理工艺难以做出超导性好的带材。

近年来随着材料科学工艺技术的发展，一种在轧制 (rolling) 金属基带上制造YBCO 超导带材的工艺受到极大重视，并被冠以“下一代”高温超导带材或“第二代”带材。有两种基本技术方案：(1) 以美国橡树岭国家实验室 (ORNL) 为代表的一个方案，称作轧制双取向金属基带法 (RABiTS)。会上Specht报告了基带的退火织构稳定性分析，并在1m长的取向金属基带上用激光沉积YBCO外延膜。

欧洲以德国、丹麦等为代表，努力开展高温超导材料工艺及应用研究。丹麦的NKT已批量制造铋系超导带材。长10m、2000 A的超导电力电缆正在研制中，下一步开发三相、50～100 m输电电缆。西门子公司计划到2003年制成20 MVA的超导变压器。用于电子学方面探伤的RF-SQUID及卫星通讯用高温超导滤波器也在试制之中。

2.3 高温超导材料的制备工艺

为适应各种应用的要求，高温超导材料主要有：膜材(薄膜、 厚膜)、块材、线材和带材等类型。其制备方法见表1。

2.3.1薄膜 表1 高温超导材料主要制备方法及用途

高温超导体薄膜是构成高温

超导电子器件的基础，制备出优质

的高温超导薄膜是走向器件应用的

关键。高温超导薄膜的制备几乎都

是在单晶衬底(如SrTiO 3、LaAl O 3

或MgO)上进行薄膜的气相沉积或外

延生长的。经过十年的研究，高温

超导薄膜的制备技术已趋于成熟，达到了实用化水平(Jc>106 Ac ·m 2-,T=77 K)。目前，最常用、最有效的两种镀膜技术是：磁控溅射(MS)和脉冲激光沉积 (PLD)。这两种方法各有其独到之处，磁控溅射法是适合于大面积沉积的最优生长法之一。脉冲激光沉积法能简便地使薄膜的化学组成与靶的化

学组成达到一致，并且能控制薄膜的厚度。

2.3.2厚膜

高温超导体厚膜主要用于HTS 磁屏蔽、微波谐振器、天线等。它与薄膜的区别不仅仅是 膜的厚度，还有沉积方式上的不同。其主要不同点在以下三个方面：(1)通常，薄膜的沉积 需要使用单晶衬底；(2)沉积出的薄膜相对于衬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术。获得厚膜的方法有很多：如热解喷涂和电泳沉积等，而最常用的技术是丝网印刷和刮浆法，这两种方法在电子工业中得到了广泛的应用。

2.3.3线材、带材

超导材料在强电上的应用，要求高温超导体必须被加工成包含有超导体和一种普通金属的复合多丝线材或带材。但陶瓷高温超导体本身是很脆的，因此不能被拉制成细的线材。在众多的超导陶瓷线材的制备方法中，铋系陶瓷粉体银套管轧制法(Ag PIT)是最成熟并且比较理想的方法。而压制出铋系带材的临界电流密度比通过滚轧技术制备出带材的临界电流密度要高得多。

2.3.4 块材

最初的氧化物超导体都是用固相法或化学法制得粉末，然后用机械压块和烧结等通常的粉末冶金工艺获得块材，制备方法比较简单。但T c 达到了一定的高度，而载流能力J c 太低，则不能满足应用的要求， 因此必须要提高其临界电流密度。经过多年的研究，采用定 向凝固技术制备出的无大角度晶界的YBa 2Cu 3O x -7块材，其J c 值可达105A ·m 2- (77 K)。

2.4超导材料在电力系统中的应用

随着经济建设的发展，电能需求迅速增加，电力系统的规模也越来越大，形成了联合电力系统。目前我国最大的电力系统容量已超过了10000 Mw ，最高输电电压为500 kV ，大发电设备容量超过600Mw ，发电量和装机容量均已位居世界第二。全国己形成五个跨省电网，

五个独立省网和一个南方联营电网，不久将建成以三峡电网为中心的全国性电力系统。

采用联合电力系统有很多优点，如可以利用各地负荷的互补性减少系统总的装机容量；合理利用资源，实现经济运行；利于安装大容量机组，提高劳动生产率；减少备用容量等等。然而并网联合经营也带来了一些问题，如电力系统结构变得复杂，运行难度增大。2003年8月14日美国东北部地区的大面积停电，对现代电力系统的安全运行提出了警示，必须采取有效措施保证电网安全和经济运行。

美国能源部认为：超导电力技术是21世纪电力工业唯一的高技术储备。根据国际超导科技界和相关产业部门的预测：10年以后，全球超导产业将达到260亿美元。因此，超导技术被认为是2l世纪具有战略意义的高新技术。在电力系统中采用超导技术可提高单机容量和增加电网的输送容量、降低传输损耗、提高系统运行的稳定性和可靠性、改善电能质量、降低电网的占地面积和电网的造价及改造成本，并使超大规模电网的实现成为可能∽J。不仅如此，通过大容量的超导输电系统，可将排污的发电厂建在煤矿和油田附近，或将核电站建在比较偏远的地区，从而改善人类生存环境的质量。通过超导储能，还可大大改善可再生能源的电能质量，并使其与大电网有效地联结。因此，加强对超导电缆、超导故障电流限制器、超导储能器、超导变压器、超导发电机和超导电动机等超导技术的研究，将会极大地推动电力科技的发展，将电力科技的发展带入一个崭新的阶段。目前，超导电缆、超导故障电流限制器、超导储能器和超导变压器已发展或接近到工程实用阶段，超导发电机和超导电动机的研制也取得了重大进展。

2.4.1超导输电电缆

我国电力资源和负荷分布不均，因此长距离、低损耗的输电技术显得十分迫切。超导材料由于其零电阻特性以及比常规导体高得多的载流能力，可以输送极大的电流和功率而没有电功率损耗。超导输电可以达到单回路输送GVA级巨大容量的电力，在短距离、大容量、重负载的传输时，超导输电具有更大的优势。

低温超导材料应用时需要液氮作为冷却剂，液氦的价格很高，这就使低温超导电缆丧失了工业化应用的可行性。若使用高温超导材料作为导电线芯制造成超导电缆，就可以在液氮的冷却下无电阻地传送电能。高温超导电缆的出现使超导技术在电力电缆方面的工业应用成为可能。

目前，市场上可以得到并可用来制造高温超导电缆的材料主要是银包套铋系多芯高温超导带材，其临界工程电流密度大于10 kA/cm2高温超导电缆以其尺寸较小、损耗低、传输容量大的优势，可用于地下电缆工程改造。以高温超导电缆取代现有的常导电缆，可增加传输容量。高温超导电缆另一重要应用场合是可在比常导电缆较低的运行电压下将巨大的电能传输进入城市负荷中心。由于交流损耗的缘故，利用高温超导材料制备直流电缆比制备交流电缆更具优势。利用超导技术，通过设计实用的直流传输电缆和有效的匹配系统，从而实现高效节能低压大容量直流电力传输系统。

2.4.2超导变压器

超导变压器一般都采用与常规变压器～样的铁芯结构，仅高、低压绕组采用超导绕组。超导绕组置于非金属低温容器中，以减少涡流损耗。变压器铁芯一般仍处在室温条件下，

超导变压器具有损耗低、体积小、效率高(可达99％以上)、极限单机容量大、长时过载能力强等优点。同时由于采用高阻值的基底材料，因此具有一定的限制故障电流作用。一般而言，超导变压器的重量(铁芯和导线)仅为常规变压器的40％甚至更小，特别是当变压器的容量超过300 MVA时，这种优越性将更为明显。

早在20世纪60年代，就有人对超导变压器进行了研究。但是，由于交流损耗过大雨被认为是不经济的。随着极细丝超导复合导体的出现，超导变压器才成为有吸引力的应用项目。高温超导材料的出现，更是降低了超导变压器的技术难度，由于超导受到的磁场强度只有0．3～0．5 T，因此在变压器中采用高温超导材料是合适的；同时在液氮下的绝缘强度比液氦下的高，所以，将会使变压器绝缘更简化。

三结论与展望

前一段时间之所以会掀起世界性的超导热，是因为超导的三大特点：零电阻、完全的抗磁性和隧道效应。这些特性带来很大的实用价值’例如超导的零电阻’能使人们实现电力的无损输送等+如何使超导体的这三大特性实用化’以及实用化后将会出现的问题’都是目前超导科学工作者们所面临的难题

3.1超导材料的可能应用

关于超导材料的应用，人们首先想到的是利用超导体的第一个特性—无电阻电流，假如能建立起一个全国性的电力网，由于无电阻，电力网中就无损耗，那么将节省10%—20%因输送而造成的电力损耗；用超导体制成的集成电路，将大幅度提高集成电路的性能；不发热，可以大大地缩小计算机的体积并大大加快运算速度。到目前为止，日本在超导材料的应用开发方面在世界上居领先地位，他们正在研制开发超导三极管、超导集成电路等。

利用超导的第二个性质，可以形成高磁场，高磁场在新兴的科技领域中有着广泛的应用，如日本正计划建设磁浮列车以及用超导电磁来推动轮船等。另一个用途是储能，美国计划一项代号为SMES的储能工程，这一工程研究了能在10s内释放40—100MW的能量；储能的另一个用途是均衡电力网，因为日夜间的电力需求不一。夜间，人们用电较少，则可以存储起来，在白天需要时释放出来。

超导材料还可用于医学、生物学及测量系统等等，由于真正理想的超导体尚未问世，人们对超导材料在科学领域的应用只能作一些设想和简单的试验，一旦理想的超导材料问世，它的实际应用远非今天所能设想的，它必将改变人类科学以致改变整个世界。

3.2超导研究所遇到的困难

超导材料有着广阔的应用前景，但要用超导材料来改进现有的科技工程又决非易事。目前，科学家和工程师们所遇到的困难是如何使超导材料实用化，即提高临界转变温度、临界电流密度和改良其加工性能，制造出理想的超导材料。

3.3中国超导材料的发展

我国电力、通信、国防、医疗等方面的发展急需利用超导技术解决现有的关键技术问题。在电力工业方面，电能需求量日益增长，对供电质量和可靠性的要求越来越高，常规电力技术已越来越不能满足电力工业发展的需求。超导电力技术(如超导储能、电缆、限流器、电机等)可以克服常规电力技术的缺陷，它的应用将带来电力工业的重大变革。在国防

工业方面，由于超导技术不可代替的特殊性和优越性，将在扫雷艇、超导电机、电磁武器、传感器、舰船用防弹及导航用高精度超导陀螺仪等领域被广泛应用。

七五”以来，在国家“863”专项计划和国家重点基础研究计划的支持下，我国超导企业坚持自主创新，在超导理论、材料及应用等方面取得了长足的进步，申请了数百项专利，同时在超导产业化与技术应用方面也实现了跨越式发展。自2000年以来，国内企业资本积极参与超导技术产业的发展，西部超导材料科技有限公司、北京中数威利超导技术有

限公司、北京云电英纳超导电缆有限公司和天津海泰超导公司相继成立。中国科学院电工研究所与5家电力设备制造企业和应用单位就超导限流器、电缆和变压器等签订了技术开发合同，共同推进超导电力技术的产业化。

到2020年，超导产业对我国GDP的贡献将达到200亿美元，超导材料将在电力、医疗、交通、通讯和国防等领域得到广泛应用。我国将形成较大规模并有较强国际竞争力的超导材料产业，占据国际超导市场的20％以上，材料制备达到国际先进水平。在这期间，我国低温超导材料的产业化将在国际热核聚变计划实施和磁共振成像技术应用的牵引下得到快速发展。高温超导材料将逐渐成为实用超导材料的主体，第二代实用高温超导材料将形成规模产业。我国将建立相应的国家平台或研究开发基地，进一步提升我国超导材料自主创新能力和国际科学创新竞争力。

西北有色金属研究院经过40年的艰苦努力，在超导材料研究和产业化方面实现了第一个跨越式发展，换来了“十五”期间我国超导材料研发历史上里程碑的成果，并且奠定了未来发展的基础。在未来的5～15年，西北有色金属研究院将继续坚持自主创新，在我国建成具有国际一流水平的低温超导材料生产基地，同时实现高温超导材料技术的突破，实现我国超导材料第二个跨越式发展。

3.超导的分类

目前已查明在常压下具有超导电性的元素金属有32种，而在高压下或制成薄膜状时具有超导电性的元素金属有14种。

超导体方可以分为两类：第一类超导体和第二类超导体。第I类超导体主要包括一些在常温下具有良好导电性的纯金属，如铝、锌、镓、镉、锡、铟等，该类超导体的溶点较低、质地较软，亦被称作"软超导体"。其特征是由正常态过渡到超导态时没有中间态，并且具有完全抗磁性。第I类超导体由于其临界电流密度和临界磁场较低，因而没有很好的实用价值。除金属元素钒、锝和铌外，第II类超导体主要包括金属化合物及其合金。第II 类超导体根据其是否具有磁通钉扎中心而分为理想第II类超导体和非理想第II类超导体。

理想第II类超导体的晶体结构比较完整，不存在磁通钉扎中心，并且当磁通线均匀排列时，在磁通线周围的涡旋电流将彼此抵消，其体内无电流通过，从而不具有高临界电流密度。非理想第II类超导体的晶体结构存在缺陷，并且存在磁通钉扎中心，其体内的磁通线排列不均匀，体内各处的涡旋电流不能完全抵消，出现体内电流，从而具有高临界电流密度。在实际上，真正适合于实际应用的超导材料是非理想第II类超导体。

4.超导的应用

超导现象自从20世纪初被发现以来，就以其独特的魅力持续不断的吸引着广大科学家的关注，这不仅因为它能完美地展示物理学的一些重要规律，更重要的是它具有很多应用

领域可以开拓，超导技术可广泛应用于能源、信息、医疗、交通、国防、科学研究及国防军工等重大工程方面。美国能源部认为高温超导电力技术是21世纪电力工业唯一的高技术储备，是检验美国将科学转化为应用技术的能力的重大实践。专家认为21世纪的超导技术会如同20世纪的半导体技术一样具有重要意义。

综合目前超导技术的发展情况，超导技术可以在以下行业得到应用和拓展：

4.1电力

超导技术与电力技术的结合将给电力行业的发、输、配电带来革命性的改变，电力行业是超导产业最重要的应用场所与市场。超导技术在电力中的应用主要包括：

高温超导电缆

现有电缆的扩容问题一直困扰着城市电力的发展。传统的城市地下输电电缆存在着通量小、损耗大、对土壤和地下水有热污染及油污染、土建费用高等问题，城市电力扩容变得越来越困难。高温超导电缆具有体积小、造价低、高节能、无污染等优点，具有巨大的经济效益和环保效益，终将替代传统电缆。高温超导电缆的大规模应用能够极大地提高电力输电系统的运行效率，降低运行成本。目前国际上高温超导电缆的总体发展趋势是研制大容量、低交流损耗、超长高温超导电缆。据专家估计，高温超导电缆最有可能率先实现实用化和商业化。

超导电机：

电动机是最常用的电气设备，但传统电动机耗电量极大。美国工业界专家估计，1,000马力以上的工业用电动机大约要消耗美国能源的25%。与常规电机相比，超导电机具有节能性好、体积小、单机容量大、造价及运营成本低、稳定性能好等优点，具有很好的经济效益和环保效益。供给同样的功率，超导电机的尺寸是常规电机的1/3，制造成本可降低40%，电流损耗可减少50%，运行成本可降低50%。美国能源部估计，高温超导电动机的低损耗每年可减少数十亿美元的运行费用。

在军事上战舰应用高温超导电机，其舰船体积重量更小，空间布置更灵活，推进系统

运行更加可靠，效率更高，控制更方便，调速性能更好，能大大提高隐蔽性，达到高速安静运行，具有重要的军事意义。

高温超导风力发电机是5兆瓦以上风力发电系统的唯一选择，目前已成为高温超导电力应用设备产业化应用的优先发展产品。

超导变压器：

常规变压器有许多缺点，如负载损耗高、重量和尺寸大、过负载能力低、没有限流能力、油污染及寿命短等。在美国，变压器的总装机容量约为总发电量的3-4倍，其电力系统的网损约为总发电量的7.34%，其中25%为变压器损失。相比较而言，超导变压器体积小、重量轻、电压转换能量效率高、火灾环境事故机率低、无油污染等优点，在提高电力系统的可靠性和运行性能、降低成本、节约能源、保护环境等方面有着重要的现实意义。超导限流器：

限流器（FCL）是一种提高电网稳定性的电力设备。随着社会的发展,对电网的质量要求越来越高，而传统的限流器很难在短时间内对电网的脉冲电流起到限制作用。高温超导限流器正好祢补了传统限流器的缺点，其限流时间可小于百微秒级，能快速和有效地起到限流作用。超导限流器是利用超导体的超导态-常态转变的物理特性来达到限流要求，它可同时集检测、触发和限流于一身，被认为是当前最好的而且也是唯一的行之有效的短路故障限流装置。1989年以来，美国、德国、法国、瑞士和日本等都相继开展了高温超导限流器的研究。当前，国际上适应配电系统的高温超导限流器的技术性能已经接近应用的水平，但大体上仍处在示范试验阶段。

超导储能装置

超导储能装置是利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其他负载的一种电力设施。由于储能线圈由超导线绕制且维持在超导态，线圈中所储能几乎无损耗地永久储存下去直到需要释放时为止。超导储能装置不仅可用于调节电力系统的峰谷或解决电网瞬间断电对用电设备的影响，而且可用于降低或消除电网的低频功率震荡从而改善电网的电压和频率特性，同时还可用于无功和功率因数的调节以改善电力系统的

稳定性。

4.2医疗

核磁共振人体成像仪（MRI）：

MRI是通过探测人体各个器官在磁场下感应出的不同信号来诊断病变的一种设备。传统的MRI采用常规磁体,磁场小,很难探测到初期的病变，同时，其主磁场处于封闭的磁体空洞内，扫描时需将受检者置于与外界隔绝的狭小空间，易使人产生幽闭恐怖症，大大影响了该设备的广泛应用，低温超导磁体因此被广泛应用于MRI中。由于低温超导的液氦温度要求，其运行和维护费用很高。一些国家加快了高温超导MRI的研究，1998年，Oxford磁体技术公司和西门子公司合作研制了一个用于人体MRI的高温超导磁体。

4.3运输

磁悬浮列车：

随着国民经济的发展，社会对交通运输的要求越来越高，高速列车应运而生。与现有的铁路、公路、水路和航空四种传统运输方式相比，超导磁悬浮列车具有高速、安全、噪音低和占地小等优点，是未来理想的交通工具。

使用Bi系高温超导线材的超导磁悬浮列车，悬浮间隙大，速度高，相对于低温超导的磁悬浮列车而言，制冷费用低，制冷设备简单。英纳公司和清华大学应用超导研究中心合作开展高温超导磁悬浮列车的研究，目前已取得较大突破，并且已经申请了高温超导磁悬浮专利。

4.4军工

高精度电磁测量装置、磁性雷、探测器、电磁干扰武器、粒子束武器、反导弹、反卫星武器、舰艇、潜艇驱动系统。

4.5航天

卫星定位定向的旋转姿态定位仪，低损耗轴承装置。如果宇宙飞船中的电动马达线圈能使用超导材料，将会减小马达的体积等等。

4.6电子

超导电子干涉器（SQUID）、频带滤波器、超导数字电路、超导混频器、超导粒子探测器等。

4.7高能物理

高能加速器、受控热核装置等。

4.8 IT产业

超导计算机、超导芯片、超导开关等。

4.9其他

超导磁分离装置：

磁分离器在物质的提纯、分离方面具有举足轻重的作用。传统的磁分离器由于很难产生高磁场，其应用受到了很大的限制。高温超导线材具有比铜线高100倍的通流能力,用它制成的磁分离器很容易得到高磁场强度和高磁场梯度,解决了许多用传统磁分离器分离不了物质的分离问题，并且能节约大量能源，与传统磁分离器相比，节能效率提高90%。我国高岭土储量占世界的70%，高温超导磁分离器的发展将给我国高岭土工业带来突破性发展。同时，高温超导磁分离器能大大提高一次污水处理能力，将给环保工业带来一场革命。超导的前景

超导材料的研究是当今世界上一门新兴的科学技术。由于超导材料能影响人类生存的许多重要领域，各国的材料科学家都在竞相探索它的结构，研究它的性能，以求率先找到具有高临界温度的超导材料。可以这样说，高温超导材料的突破，必将深刻地促进尖端科学技术的发展，从而加速人类文明的进程。虽然目前超导材料仍处于试验研究阶段，但人们相信，随着超导材料临界温度的提高和材料加工技术的发展，它将会在许多高科技领域获得重要应用。

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13 李想.中国超导材料发展快步走向实用化.稀土信息，2006，""(5)

超导材料的发展

超导材料的发展 摘要：超导材料的发现为人类诸多梦想的实现提供了可能，新型超导材料一直是人类追求的目标。该文主要从超导材料的探索与发现、制备技术、研究面临的挑战等几个方面来探讨超导材料的发展与研究现状。 关键词：超导材料高温超导 引言：超导材料是在低温条件下能出现超导电性的物质。超导材料最独特的性能是电能在输送过程中几乎不会损失。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。正如半导体带来了资讯时代、光纤带来了传讯时代，高温超导材料将从根本上改变人类的用电方式，给电力、能源、交通以及其它与电磁有关的科技业带来革命性的发展。 1.超导材料的探索与发展 探索新型超导材料在超导材料研究中始终起着关键的作用，同时也是一项高风险、高投人的研究工作。自191 1年荷兰物理学家卡麦林·昂尼斯发现汞在4．2K 附近的超导电性以来，人们发现的新超导材料几乎遍布整个元素周期表，从轻元素硼、锂到过渡重金属铀系列等。超导材料的最初研究多集中在元素、合金、过渡金属碳化物和氮化物等方面。至1973年，发现了一系列A15型超导体和三元系超导体，如Nb3Sn、V3Ga、Nb3Ge，其中Nb3Ge超导体的临界转变温度(T c)值达到23．2K。以上超导材料要用液氦做致冷剂才能呈现超导态，因而在应用上受到很大限制。 1986年，德国科学家柏诺兹和瑞士科学家穆勒发现了新的金属氧化物超导材料即钡镧铜氧化物(La—BaCuO)，其T c为35K，第一次实现了液氮温区的高温超导。铜酸盐高温超导体的发现是超导材料研究上的一次重大突破，打开了混合金属氧化物超导体的研究方向。l987年初，中、美科学家各自发现临界温度大于90K的YBaCuO超导体，已高于液氮温度(77K)，高温超导材料研究获得重大进展。后来法国的米切尔发现了第三类高温超导体BiSrCuO，再后来又有人将Ca掺人其中，得到BiSrCaCuO超导体，首次使氧化物超导体的零电阻温度突破100K大关。

超导的研究现状及其发展前景

题目：超导的研究现状及其发展前景 作者单位：陕西师范大学物理学与信息技术学院物理学一班 作者姓名：杜瑞，程琳，党晓菲，闫甜，王福琼，刘洁，刘园，郭丽丽 学号：40606043，40606042，40606044，40606045，40606046，40606047，40606048，40606049 指导教师：郭芳侠 交论文时间：20007-11-28

超导的研究现状及其发展前景 （陕西师范大学物理学一班第七组 710062） 摘要：本文简单介绍了一些与超导相关的概念，超导材料，超导的简史，超导的研究现状及对超导应用的前景展望。 关键字：超导，超导体，超导现象，超导材料，临界参量，研究现状，前景 Superconductivity research present situation and prospects for development （Shaanxi normal university physics one class Seventh group 710062） Abstract: This article simply introduced some and the superconductivity correlation concept, the superconductivity material, the superconductivity brief history, the superconductivity research present situation and to the superconductivity application prospect forecast.

超导材料基础知识介绍

超导材料基础知识介绍 超导材料具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。 特性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。 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。 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。 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。 基本临界参量有以下 3个基本临界参量。 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态而转变为正常态，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－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年诺贝尔物理学奖金。 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

超导材料的现状及发展趋势分析

超导材料的现状及发展方向自1911年荷兰莱顿实验室的卡末林·昂纳斯首次在4．2K时发现水银零电阻现 象即超导现象以来。人们相继在超导 材料方面取得很多突破，后来在梅斯 勒发现超导体的抗磁性之后， 1934 —1985年后超导物理学理论逐步发 展，超导材料逐步应用于实际科学技 术领域。但由于种种原因，至今超导 物理学理论也不够完善。在这一阶段 人们研究的超导材料临界转变温度 较低。 后来进入高温超导研究阶段，高温超导材料指的是：钇系(92 K)、铋系(110 K)、铊系(125 K)和汞系(135 K)以及2001年1月发现的新型超导体二硼化镁(39 K)。高温超导体属于非理想的第II类超导体。临界磁场和临界电流且比低温超导体更高。同时已对高温超导材料进研究开发，氧化物复合超导材料具有耐用和稳定性好的特点。通过研究浸泡实验表明，超导电性的退化主要来自于杂相及时效过程中的析出相。为了改善薄膜对环境的敏感性，美国西北大学的Mirkin建议把分子单层表面化学改性引入到高温超导铜氧化合物中。 以铋锶钙铜氧系为第一代高温超导带材，它的可加工性优良，在超导强电应用领域占据重要位置。但铋系材料的实用临界电流密度较低，并且在77 K的应用磁场也很低。然而钇钡铜氧化物材料在77 K的超导电性比铋锶钙铜氧材料好的多；但它的可加工性极差，故要做出超导性好的带材通过传统的压力加工和热处理工艺就很难。 随着材料科学工艺技术的发展，近年来一种在轧制金属基带上制造钇钡铜氧超导带材的工艺被称作“第二代”带材。欧洲国家努力开展高温超导材料工艺及应用研究。丹麦已批量制造铋系超导带材。2003年11月我国第一个10m、 10.5kV/1.5kA 三相交流高温超导电缆系统日前在中国科学院电工研究所研制成功，并于成功地进行了试验运行。2011年5月信赢和公司团队研发的世界最大功率的超导限流器刚成功。2011年9月25日，特拉维夫大学的研究小组开发出了一种超导体材料——蓝宝石单晶体纤维，可用于高压电缆输电，输电量是相同直径铜线输电量的40倍。研究人员称这种超导材料将有可能彻底改变电力输送占空间、高损耗的状况。 高温超导材料主要有：膜材(薄膜、厚膜)、块材、线材和带材等类型。薄膜最常用、最有效的两种镀膜技术是：磁控溅射和脉冲激光沉积。还有金属有机

超导材料的未来应用前景

超导材料——当代科学的明珠 超导材料的未来应用前景 超导是超导电性的简称。是一种材料，如某种金属、合金或化合物在温度下降至某一临界温度时，其电阻完全消失，这种现象称为超导电性，具有这种现象的材料称为超导材料。超导体的另外一个特征是：当电阻消失时，磁感应线将不能通过超导体，这种现象称为抗磁性。 超导材料的用途非常广阔，大致可分为三类：大电流应用（强电应用）、电子学应用（弱电应用）和抗磁性应用。大电流应用即超导发电、输电和储能；电子学应用包括超导计算机、超导天线、超导微波器件等；抗磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。 超导体的巨大前景 ●超导材料不可思议 那么，为什么世界各国对“超导”技术的研究与开发如此重视呢？这主要是因为超导材料具有极其优越的物理特性：一是零电阻效应，二是约瑟夫逊效应，三是迈斯纳效应。超导体这些突出特性的重大意义，不亚于半导体的发现。甚至有专家预言，超导体的应用将导致一场新技术革命，特别是在军事领域的应用，将引起一系列巨大变革。 ●军事应用前景广阔 超导体在军事领域的应用将十分广泛。采用超导体材料，可使许多重要的军用装备，如C4I系统、聚能武器、舰艇、飞机、坦克、装甲车辆、导弹等武器的性能得到大幅度的改善。 超导飞机设计制造大功率、小体积的发动机，对提高飞机的作战性能至关重要。目前，飞机所采用的均是磁流体发电，但利用普通磁体，很难使磁场强度高于15高斯，而如果利用超导磁体就能产生数万至几十万高斯的磁场，从而大大提高磁体发电的输出功率。所以，超导技术的突破，为大容量、小型化磁流体发电机的研制成功提供了条件，这种超导发电机正在加速走向实用化。目前，有些国家已在研制几百至一千兆瓦的体积小、重量轻的超导发电机，预计机载大功率超导发电机将成为超导技术在军事上率先得到应用的重点项目。 超导舰船20世纪70年代以来，美、苏、英、日等国积极开展超导技术在海军舰船方面应用的研究，并不断取得成效。美国试制了7500马力的超导驱动系统；英国研制了650马力的超导电磁力推进装置；日本制成了世界上第一艘超导船。超导舰船由于取消了传统的螺旋桨推动部件，因而具有结构简单、维修方便、推力大、航速高、无震动、无噪声、无污染、造价低等诸多优点。潜艇应用超导推进系统后，能有效地消除噪音、降低红外辐射，从而不易被敌方发现，大大提高了舰船的快速机动能力和突防能力。

超导材料的性能与应用综述

超导材料的性能及应用综述 班级：10粉体（2）班学号：1003012003 姓名：徐明明 摘要：回顾了超导现象的发现及发展，综述了超导电性的微观机理，超导物理学研究的历史和主要成果，介绍了超导电性的几种突出的应用，并指出目前对于超导电性的认识在理论、实验、研究上都是初步的 ,还需要进行更多的和更深入全面的研究。 关键词:超导电性；超导应用；BCS理论；应用 一、超导现象的发现及发展 1908 年, 荷兰莱登实验室在卡茂林- 昂尼斯的指导下, 用液氢预冷的节流效应首次实现了氦气的液化，从而使实验温度可低到4~1K 的极低温区, 并开始在这样的低温区测量各种纯金属的电阻率。1911 年,卡茂林- 昂尼斯[1] 发现Hg 的电阻在4. 2K 时突降到当时的仪器精度已无法测出的程度, 即Hg 在一确定的临界温度T c= 4. 15K 以下将丧失其电阻,这是人们第一次看到的超导电性。昂尼斯也凭这一发现获得了1913 年的诺贝尔物理学奖。后来的实验证明，电阻突变温度与汞的纯度无关，只是汞越纯，突变越尖锐。随后,人们在Pb及其它材料中也发现这种特性:在满足临界条件(临界温度 Tc、临界电流 Ic、临界磁场 Hc)时物质的电阻突然消失,这种现象称为超导电性的零电阻现象。应该指出,只是在直流电情况下才有零电阻现象。从此，诞生了一门新兴的学科——超导。 一直到20世纪50年代,超导只是作为探索自然界存在的现象和规律在研究,1957年Bardeen、Cooper和Schrieffer[2]提出了著名的BCS理论,揭示了漫长时期不清楚的超导起因。1961年Kunzler将Nb3Sn制成高场磁体,开辟了超导在强电中的应用,特别是 1962 年Josephson效应的出现,将超导应用推广到一个崭新的领域。到20世纪70年代超导在电力工业和微弱信号检测应用方面的进展显示了它无比的优越性,但由于临界温度低,必须使用液氦,这就极大地限制了它的优越性。从20世纪70年代起人们就将注意力转向寻找高温超导体上,在周期表

超导材料研究现状及其应用

超导材料研究现状及其应用 [摘要]：本文主要介绍了超导现象，超导的应用及我国超导研究现状。 [关键词]：超导现象超导的应用超导研究现状 材料是人类赖以生存和发展的物质基础，某一种新材料的问世及其应用，往往会引起人类社会的重大变革因此使用什么样的材料制造工具往往成为人类文明发达程度的一个重要标志。人们把人类历史分为石器、青铜器和铁器时代。在群居洞穴的猿人旧石器时代，通过简单加工获得石器帮助人类狩猎护身和生存，随着对石器加工制作水平的提高，出现了原始手工业如制陶和纺织，人们称之为新石器时代。青铜时代大约源于4000-5000年前。青铜是铜锡铝等元素组成的合金，与纯铜相比，青铜熔点低，硬度高，比石器易制作且耐用。青铜器大大促进了农业和手工业的出现。铁器时代则被认为是始于2000多年前，春秋战国时代，由铁制作的农具、手工工具及各种兵器，得以广泛应用，大大促进了当时社会的发展。钢铁、水泥等材料的出现和广泛应用，人类社会开始从农业和手工业社会进入了工业社会。本世纪半导体硅、高集成芯片的出现和广泛应用，则把人类由工业社会推向信息和知识经济社会。 超导现象 1911年，荷兰物理学家昂尼斯发现，水银的电阻率并不象预料的那样随温度降低逐渐减小，而是当温度降到4.15K附近时，水银的电阻突然降到零.为了证实这一现象，他用磁铁在水银环路中感应出电流，经过长达一年多的观察发现，只要水银环路保持在4.15K的低温，环路中的电流就不会有能测量到的衰减，电流不断地沿着环路转起来，就像不知疲倦的一匹马一样.当温度降到某一温度时，金属的电阻变为零的现象叫超导现象，能够发生超导现象的物质，叫做超导体．超导体由正常态转变为超导态的温度称为这种物质的转变温度(或临界温度) T C.现已发现大多数金属元素以及数以千计的合金、化合物都在不同条件下显示出超导性.如钨的转变温度为0.012K，锌为0.75K，铝为1.196K，铅为7.193K.而且超导临界温度的纪录不断地被打破，例如，1975年，有人发现铌三锗的超导临界温度为23.2K.1986年，又有人发现钡镧铜氧化物的超导临界温度为30K，这个现象引起了科学家对氧化物高温超导陶瓷的高度重视.1986年12月，中国科学院的赵忠贤研究组获得了起始转变温度为48.6K的锶镧铜氧化物.1987年2月，美籍华裔科学家、美国休斯敦大学的朱经武教授获得了起始转变温度为90K的高温超导陶瓷.1987年3月，中国科学院公布了起始转变温度为93K的8种钡钇铜氧化物.1988年，中国科学院发现了超导临界温度 为120K的钛钡钙铜氧化物.这些成就显示了我国高 温超导材料的研究已经名列世界前茅 超导应用 寻找工业应用永远是推动研究的推动力。从应用角 度看，初期的超导材料很容易被外界磁场所抑制。 实际应用困难较多。被称为I型超导材料。能在强 Fig.4, Hc2 vs Tc [17]

超导体的发展史

超导体的发展史 1911年： 1911年，荷兰科学家卡末林—昂内斯（Heike Kamerlingh-Onnes）用液氦冷却汞，当温度下降到4.2K（﹣268.95℃）时，水银的电阻完全消失，这种现象称为超导电性，此温度称为临界温度。根据临界温度的不同，超导材料可以被分为：高温超导材料和低温超导材料。 1933年： 1933年，迈斯纳和奥克森菲尔德两位科学家发现，如果把超导体放在磁场中冷却，则在材料电阻消失的同时，磁感应线将从超导体中排出，不能通过超导体，这种现象称为抗磁性。 1973年： 1973年，发现超导合金――铌锗合金，其临界超导温度为23.2K（﹣249.95℃），这一记录保持了近13年。 1986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（镧钡铜氧化物）具有35K（﹣240.15℃）的高温超导性。此后，科学家们几乎每隔几天，就有新的研究成果出现。1986年，美国贝尔实验室研究的超导材料，其临界超导温度达到40K（﹣235.15℃）液氢的“温度壁垒”（40K）被跨越。 1987年： 1987年，美国华裔科学家朱经武以及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（﹣185.15℃）以上，液氮的“温度壁垒”（77K）也被突破了。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（﹣150.15℃）。从1986－1987年的短短一年多的时间里，临界超导温度提高了近100K。 来自德国、法国和俄罗斯的科学家利用中子散射技术，在高温超导体的一个成员单铜氧层Tl2Ba2CuO6+δ中观察到了所谓的磁共振模式，进一步证实了这种模式在高温超导体中存在的一般性。该发现有助于对铜氧化物超导体机制的研究。 1988年：

超导材料应用与制备概况

摘要：新型超导材料一直是人类追求的目标。本文主要从超导材料的性质，制 备，应用等方面探索超导材料科学的发展概况。随着高温超导材料制备方法的不断成熟，超导材料将越来越多的应用于尖端技术中去，超导材料的应用将给电工技术带来质的飞跃，因此，超导材料技术有着重大的应用发展潜力，可解决未来能源，交通，医疗和国防事业中的重要问题。 关键词：超导材料强电应用弱电应用超导制备 1. 引言 1911年荷兰科学家onnes发现纯水银在附近电阻突然消失，接着发现其他一些金属也有这样的现象，随着人们在Pb和其它材料中也发现这种性质：在满足临界条件（临界温度Tc，临界电流Ic，临界磁场Hc）时物质的电阻突然消失，这种现象称为超导电性的零电阻现象。只是直流电情况下才有零电阻现象，这一现象的发现开拓了一个崭新的物理领域。 超导材料具有1）零电阻性2）完全抗磁效应3）Josephson效应。这些性质的研究与应用使得超导材料的性能不断优化，实现超导临界温度也越来越高。一旦室温超导达到实用化、工业化，将对现代科学技术产生深远的影响。 2. 超导材料主要制备技术 控制和操纵有序结晶需要充分了解原子尺度的超导相性能。有序、高质量晶体的超导转变温度较高 ,晶体质量往往强烈依赖于合成技术和条件。目前，常用作制备超导材料的技术主要有： 2.1.1单晶生长技术 新超导化合物单晶样品有多种生长方法。溶液生长和气相传输生长法是制备从金属间氧化物到有机物各类超导体的强有力工具。溶液生长的优点就是其多功能性和生长速度 ,可制备出高纯净度和镶嵌式样品。但是 ,它并不能生产出固定中子散射实验所需的立方厘米大小的样品。浮动熔区法常用来制备大尺寸的样品 ,但局限于已知的材料。这种技术是近几年出现的一些超导氧化物单晶生长的 主要技术。这种技术使La 2 - x Sr x CuO 4 晶体生长得到改善 ,允许对从未掺杂到高度 掺杂各种情况下的细微结构和磁性性能进行细致研究。在T 1Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 9+d 和 Bi 2Sr 2 CaCu 2 O 8 中 ,有可能削弱无序的影响从而提高临界转变温度。最近汞基化合 物在晶体生长尺寸上取得的进展 ,使晶体尺寸较先前的纪录高出了几个数量级。但应该指出的是即使是高 Tc的化合物 ,利用溶液生长技术也可制备出高纯度的YBCO等单晶。 2.1.2高质量薄膜技术 目前 ,薄膜超导体技术包括活性分子束外延(MBE ) 、溅射、化学气相沉积和脉冲激光沉积等。MBE能制造出足以与单个晶体性能相媲美的外延超导薄膜。在晶格匹配的单晶衬底上生长的外延高温超导薄膜 ,已经被广泛应用于这些材料物理性质的基础研究中。在许多实验中薄膜的几何性质拥有它的优势 ,如可用光刻技术在薄膜上刻画细微的特征;具备合成定制的多层结构或超晶格的潜能。 在过去的 20年里 ,多种高温超导薄膜生长技术快速发展。有些技术已经适用于其它超导体的制备。目前所使用主要方法有溅射和激光烧蚀（脉冲激光沉积）。类似分子束外延这种先进薄膜生长技术也已经发展得很好。臭氧或氧原

超导材料论文

超导材料的研究进展 陈志义 2011326690110 应用物理11（1）班 摘要：超导是金属或合金在较低温度下电阻变为零的性质。超导材料是当代材料科学领域一个十分活跃的重要前沿，其发展将推动功能材料科学的深入发展。高温超导材料经过近 20年的研发，已经初步进入了大规模实际应用和产业化。随着超导材料临界温度的提高和材料加工技术的发展，它将会在许多高科技领域获得重要应用。 关键词：超导高温超导体进展超导超导材料临界温度进展 引言：随着社会的进步，工业的发展，人们对能源的需求量越来越大。但是，像石油、煤等能源储备有限且不可再生。故而，如何在有限能源的条件下使社会健康稳步地发展，亦即如何做到可持续发展成了当今人们亟需解决的问题。对于这些问题的解决方法，超导材料表现出了巨大的潜力。长期以来，如何找到一种完全没有电阻，能消除电能损耗的导电材料，一直是物理学家和材料科学工作者梦寐以求的愿望。1911年，荷兰物理学家卡麦林·昂尼斯首次意外地发现了超导现象：将水银冷却到接近绝对零度时，其电阻突然消失。这一现象的发现为解决电路损耗带来了福音。从此，对于超导材料的研究如火如荼。 一、超导材料的概念 超导材料是在低温条件下能出现超导电性的物质。超导材料最独特的性能是电能在输送过程中几乎不会损失。超导材料的发展经历了从低温到高温的过程，经过无数科学家的努力，超导材料的研究已经取得了巨大的发展。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。高温超导材料的制备工艺也得到了长足的发展，一些制备高温超导材料的材料陆续被科学家发现。现在，超导材料的研究主要集中在超导输电线缆，超导变压器等电力系统方面，还有，利用超导材料可以形成强磁场，是超导材料在磁悬浮列车的研究上有了用武之地，另外，超导材料在医学，生物学领域也取得了很大的成就。超导材料的研究未来，超导材料的研究将会努力向实用化发展。一旦室温超导体达到实用化、工业化，将对现代文明社会中的科学技术产生深刻的影响。 二、超导材料的分类 超导材料分为低温超导材料和高温超导材料。 1、低温超导材料 何谓低温超导材料？低温超导材料是具有低临界转变温度(T c<3OK=在液氦温度条件下工作)的超导材料，分为金属、合金和化合物。具有实用价值的低温超导金属是Nb(铌)，T c 为9.3K已制成薄膜材料用于弱电领域。合金系低温超导材料是以Nb为基的二元或三元合金组成的β相固溶体，T c在9K以上。低温超导材料一般都需在昂贵的液氦环境下工作,由于液氦制冷的方法昂贵且不方便，故低温超导体的应用长期得不到大规模的发展。低温超导材料的应用分为：强电应用，主要包括超导在强磁场中的应用和大电流输送；弱电应用，主要包括超导电性在微电子学和精密测量等方面的应用。 2、高温超导材料 高温超导体材料(HTS)具有超导电性和抗磁性两个重要特性。要让超导体得到现实的应用，首先要有容易找到的超导材料。即主要研究方向就是寻找能在较高温度下存在的超导体材料。高温超导材料用途非常广泛，大致可分三大类：大电流应用、电子学应用和抗磁性应用。大电流应用是由于超导材具有零电阻和完全的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就可以获得的稳定强磁场。超导体的基本特性之一是当它处于超导态时具有理想的导电性，同时由于其载流能力远远强于常规导体，因此，利用超导体可以传输大电流和产生强磁场，并且没有电阻热损耗。电工设备的基本特点是大电流、强磁场和高电压，因此在电工设备中使用超导材料可以减少电气损耗、提高效率、缩小体积、减轻重量、降低成本，还可以提高装置

超导材料发展状况综述

材料科学与工程进展课程论文 题目：超导材料发展状况综述 学院： 班级： 学号： 姓名：

目录 摘要 (2) 超导材料的特性 (2) 超导材料发展史 (4) 超导材料的制备 (5) 超导材料的应用 (7) 展望与建议 (9)

新能源材料——超导材料发展状况综述 摘要 随着人类社会的不断发展，人们对于自然能源的需求也与日俱增。然而自然资源是有限的，面对自然资源日渐紧缺、环境遭到破坏等状况的发生，在科学工作者的努力下，各种各样的新能源材料相继面世。本文将从特性、发展史、制备、应用这几个方面，对众多新能源材料中的一种材料——超导材料，做一个综述，以增进广大读者对超导材料的了解。 关键词：超导材料、特性、发展史、制备、应用。 超导材料的特性 超导材料是指具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。超导材料具有以下特性： 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。 采用“四引线电阻测量法”可测出超导体的R－T特性曲线，如图所示。

图中的R n为电阻开始急剧减小时的电阻值，对应的温度称为起始转变温度T S；当电阻减小到R n/2时的温度称为中点温度T M；当电阻减小至零时的温度为零电阻温度T0。由于超导体的转变温度还与外部环境条件有关，定义在外部环境条件（电流，磁场和应力等）维持在足够低的数值时，测得的超导转变温度称为超导临界温度。 完全抗磁性 1933年，迈斯纳（W.Meissner）发现：当置于磁场中的导体通过冷却过渡到超导态时，原来进入此导体中的磁力线会一下子被完全排斥到超导体之外（见下图），超导体内磁感应强度变为零，这表明超导体是完全抗磁体，这个现象称为迈斯纳效应。 实验表明，超导态可以被外磁场所破坏，在低于T C的任一温度T下，当外加磁场强度H小于某一临界值H C时，超导态可以保持；当H大于H C时，超导态会被突然破坏而转变成正常态。临界磁场强度H C，其值与材料组成和环境温度等有关。超导材料性能由临界温度T C和临界磁场H C两个参数决定，高于临界值时是一般导体，低于此数值时成为超导体。 约瑟夫森效应 当在两块超导体之间存在一块极薄的绝缘层时，超导电子（对）能通过极薄的绝缘层，这种现象称为约瑟夫森（Josephson）效应，相应的装置称为约瑟夫森器件。如图所示。

超导材料的特性及应用

浅谈超导材料的超导特性及应用 摘要：作为一种新型材料，超导材料越来越广泛地应用到各个领域，人类对超导电性及其应用将越来越重视。超导材料的应用有着巨大的潜力和发展前景，这是不容置疑的。超导的实用前景似乎既近既远，近者，在人类的生活中已得到了超导电技术带来的好处，如医用的核磁共振成像的超导磁体；同时，在电子器件上的应用，近几年将会在市场上出现。远者，人们会看到例如在微波通讯、计算机器件、储能及平衡电网方面的应用。在总结超导电性的同时，本文将就超导材料的应用作简要的介绍。 关键字：超导、特性、应用、前景 1、超导材料的超导特性 导体在温度下降到某一值时，电阻会突然消失，即零电阻，这一现象称为“超导现象”，将具有超导性的物质，称为超导体，超导体如钛、锌、铊、铅、汞等，在超导状态，当温度降至温度（超导转变温度）时，皆显现出某些共同特征。1.1电阻为零。一个超导体环移去电源之后，还能保持原有的电流。有人做过实 验，发现超导环中的电流持续了二年半而无显著衰减。 1.2完全抗磁性。这一现象是1933年德国物理学家迈斯纳等人在实验中发现的， 只要超导材料的温度低于临界温度而进入超导态以后，该超导材料便把磁力线排斥体外，因此其体内的磁感应强度总是零。这种现象称为“迈斯纳效应”。 2、超导材料的应用 2.1 超导应用的巨大潜力 超导态是物质的一种独特的状态，它的新奇特性，立刻使人想到要将它们应用到技术上。超导体的零电阻效应显示其具有无损耗输运电流的性质。工业、国防、科研上用的大功率发电机、电动机如能实现超导化，将大大降低能耗并使其小型化。利用超导隧道效应，人们可以制造出世界上最灵敏的电磁信号的探测元件和用于高速运行的计算机元件。用这种探测器制造的超导量子干涉磁强计可以测量地球磁场几十亿分之一的变化，也能测量人的脑磁图和心磁图。超导体用于微波器件可以大大改善卫星通讯的质量。 因此，超导体显示了巨大的应用潜力。 2.2 超导材料在强电方面的应用

超导材料未来应用的前景

超导材料的未来应用前景 超导是超导电性的简称。是一种材料，如某种金属、合金或化合物在温度下降至某一临界温度时，其电阻完全消失，这种现象称为超导电性，具有这种现象的材料称为超导材料。超导体的另外一个特征是：当电阻消失时，磁感应线将不能通过超导体，这种现象称为抗磁性。 超导材料的用途非常广阔，大致可分为三类：大电流应用（强电应用）、电子学应用（弱电应用）和抗磁性应用。大电流应用即超导发电、输电和储能；电子学应用包括超导计算机、超导天线、超导微波器件等；抗磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。 超导体的巨大前景 ●超导材料不可思议 那么，为什么世界各国对“超导”技术的研究与开发如此重视呢？这主要是因为超导材料具有极其优越的物理特性：一是零电阻效应，二是约瑟夫逊效应，三是迈斯纳效应。超导体这些突出特性的重大意义，不亚于半导体的发现。甚至有专家预言，超导体的应用将导致一场新技术革命，特别是在军事领域的应用，将引起一系列巨大变革。 ●军事应用前景广阔 超导体在军事领域的应用将十分广泛。采用超导体材料，可使许多重要的军用装备，如C4I系统、聚能武器、舰艇、飞机、坦克、装甲车辆、导弹等武器的性能得到大幅度的改善。 超导飞机设计制造大功率、小体积的发动机，对提高飞机的作战性能至关重要。目前，飞机所采用的均是磁流体发电，但利用普通磁体，很难使磁场强度高于15高斯，而如果利用超导磁体就能产生数万至几十万高斯的磁场，从而大大提高磁体发电的输出功率。所以，超导技术的突破，为大容量、小型化磁流体发电机的研制成功提供了条件，这种超导发电机正在加速走向实用化。目前，有些国家已在研制几百至一千兆瓦的体积小、重量轻的超导发电机，预计机载大功率超导发电机将成为超导技术在军事上率先得到应用的重点项目。 超导舰船20世纪70年代以来，美、苏、英、日等国积极开展超导技术在海军舰船方面应用的研究，并不断取得成效。美国试制了7500马力的超导驱动系统；英国研制了650马力的超导电磁力推进装置；日本制成了世界上第一艘超导船。超导舰船由于取消了传统的螺旋桨推动部件，因而具有结构简单、维修方便、推力大、航速高、无震动、无噪声、无污染、造价低等诸多优点。潜艇应用超导推进系统后，能有效地消除噪音、降低红外辐射，从而不易被敌方发现，大大提高了舰船的快速机动能力和突防能力。 超导聚能武器聚能武器是把能量汇聚成极细的能束，沿着精确的方向，以接近或等于光速的速度发射出去，对目标进行杀伤。但目前在研制这些武器上几乎都遇到了能源问题。即如何在瞬间向聚能武器提供大量的能源，如激光武器，特别是大功率的战略激光武器耗能巨大，它要求在瞬间提供数十亿至数百亿焦耳的能量，而目前的储能装置储存的能量却非常有限，且体大笨重。而超导技术的发展，

超导体论文

超导体的电磁性质及其应用 院别：物理与电子工程学院 专业：09级物理学 姓名：王雪梅 完成日期：2014 年6 月3 日 摘要：具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料称为超导材料。从1911年荷兰物理学家翁奈首先发现超导现象以来，现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。超导材料具有优越的物理性质和优越的性能，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；分类；性质；应用；原理；展望 1、引言 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这超导体。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，超导材料已被应用于很多领域，本文拟就超导材料的分类、性质、应用、原理等方面展开论述，以帮助人们更好的认识超导材料。 2、分类 元素超导体、合金和化合物超导体，有机高分子超导体三类。 3、性质 3.1零电阻性 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。 超导体的零电阻现象与常导体零电阻在实质上截然不同。常导体的零电阻是指在理想的金属晶体中，由于电子运动畅通无阻，因此没有电阻；而超导体零电阻是指当温度降至某一数值Tc或以下时，其电阻突然变为零。 3.2完全抗磁性 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(H≦Hc)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动；如图所示。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。 3.3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。 3.4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

超导技术及其发展历程

超导技术 超导技术的主体是超导材料。简而言之，超导材料就是没有电阻、或电阻极小的导电材料。超导材料最独特的性能是电能在输送过程中几乎不会损失。 1911年荷兰物理学家Onnes发现汞(水银)在4.2k附近电阻突然下降为零，他把这种零电阻现象称为超导电性。 海克·卡末林·昂内斯 海克·卡末林·昂内斯（Heike Onnes，1853年9月21日－1926年2月21日），荷兰物理学家，超导现象的发现者，低温物理学的奠基人。1853年出生于荷兰的格罗宁根，1894年创建了莱顿大学低温物理实验室，建立了大型液化气工厂，1904年液化了氧气，两年后又液化了氢气，并在1908年7月10日首次液化了氦气，以-269 °C(4K)刷新了人造低温的新纪录。1911年由于对物质在低温状态下性质的研究以及液化氦气，昂内斯被授予诺贝尔物理学奖。1923年，昂内斯退休，1926年在莱顿逝世。为纪念他，莱顿大学物理实验室1932年被命名为“卡末林·昂内斯实验室”。 汞的电阻突然消失时的温度称为转变温度或临界温度，常用Tc表示。在一定温度下具有超导电性的物体称为超导体。金属汞是超导体。进一步研究发现元素周期表中共有26种金属具有超导电性，它们的转变温度Tc列于表5-6。从表中可以看到，单个金属的超导转变温度都很低，没有应用价值。因此，人们逐渐转向研究金属合金的超导电性。表5-7列出一些超导合金的转变温度，其中Nb3Ge 的转变温度为23.2K，这在70年代算是最高转变温度超导体了。当超导体显示导材料都是在极低温下才能进入超导态，假如没有低温技术发展作为后盾，就发现不了超导电性，无法设想超导材料。这里又一次看到材料发展与科学技术互相促进的关系。低温超导材料要用液氦做致冷剂才能呈现超导态，因此在应用上受到很大的限制。 人们迫切希望找到高温超导体，在徘徊了几十年后，终于在1986年有了突破。（1）瑞士Bednorz和Müller发现他们研制的La-Ba-CuO混合金属氧化物具有超导电性，转变温度为35K。这是超导材料研究上的一次重大突破，打开了混合金

超导材料及应用

超导材料 摘要：简要介绍了超导材料的发展历史、现状，对未来的超导材料的发展作了展望，并对目前超导材料的主要研制方法进行了分析。 关键词：超导体研究进展高温低温应用 一前言 超导材料是在低温条件下能出现超导电性的物质。超导材料最独特的性能是电能在输送过程中几乎不会损失。超导材料的发展经历了从低温到高温的过程，经过无数科学家的努力，超导材料的研究已经取得了巨大的发展。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。高温超导材料的制备工艺也得到了长足的发展，一些制备高温超导材料的材料陆续被科学家发现。现在，超导材料的研究主要集中在超导输电线缆，超导变压器等电力系统方面，还有，利用超导材料可以形成强磁场，是超导材料在磁悬浮列车的研究上有了用武之地，另外，超导材料在医学，生物学领域也取得了很大的成就。超导材料的研究未来，超导材料的研究将会努力向实用化发展。一旦室温超导体达到实用化、工业化，将对现代文明社会中的科学技术产生深刻的影响。 二研究现状 1.超导材料的探索与发展 探索新型超导材料在超导材料研究中始终起着关键的作用，同时也是一项高风险、高投入的研究工作。自1911年荷兰物理学家卡麦林·昂尼斯发现汞在4.2K附近的超导电性以来，人们发现的新超导材料几乎遍布整个元素周期表，从轻元素硼、锂到过渡重金属铀系列等。超导材料的最初研究多集中在元素、合金、过渡金属碳化物和氮化物等方面。至1973 年，发现了一系列A 15型超导体和三元系超导体，如Nb 3 Sn、V 3 Ga、Nb 3 Ge，其中Nb 3 Ge超导 体的临界转变温度(T c)值达到23.2K。以上超导材料要用液氦做致冷剂才能呈现超导态，因而在应用上受到很大限制。1986年，德国科学家柏诺兹和瑞士科学家穆勒发现了新的金属氧化物超导材料即钡镧铜氧化物(La-BaCuO)，其T c为35K，第一次实现了液氮温区的高温超导。铜酸盐高温超导体的发现是超导材料研究上的一次重大突破，打开了混合金属氧化物超导体的研究方向。1987年初，中、美科学家各自发现临界温度大于90K的YBacuO超导体，已高于液氮温度(77K)，高温超导材料研究获得重大进展。后来法国的米切尔发现了第三类高温超导体BisrCuO，再后来又有人将Ca掺人其中，得到Bis尤aCuO超导体，首次使氧化物超导体的零电阻温度突破100K大关。1988年，美国的荷曼和盛正直等人又发现了T 1 系高温超导体，将超导临界温度提高到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，临界转变温度大约为133K，使高温超导临界温度取得新的突破。 2.超导材料的研究 2.1低温超导阶段 在梅斯勒发现超导体的抗磁性之后(相继有荷兰物理学家埃伦弗斯特根据有关的超导体在液氦中比热不连续现象(提出热力学中二级相变的概念)柯特和卡西米尔提出超导的二流体模型)德国物理学家F·伦敦和H·伦敦兄弟提出超导电性的电动力学唯相理论（即伦敦

超导材料及其应用现状与发展前景培训讲学

超导材料及其应用现状与发展前景

超导材料及其应用现状与发展前景 作者：肖立业刘向宏王秋良马衍伟古宏伟 来源：《中国工业和信息化》2018年第08期 超导体不仅在临界温度下具有零电阻特性，而且在一定的条件下具有常规导体完全不具备的电磁特性，因而在电气与电子工程领域具有广泛的应用价值。我国在超导材料及其应用领域总体上处于国际先进行列，基本掌握了各种实用化超导材料的制备技术，在多个应用方面也取得了良好的发展。我国超导材料及其应用领域将不断探索更高临界温度的超导体，提升超导材料及其应用技术的发展水平。 1911年，荷兰莱登实验室的卡麦林·昂尼斯在测量低温下金属的电导率时发现，当温度下降到4.2K时，汞的电阻完全消失（如图1所示），他把具有这种现象的导体称为超导体。经过近50年的研究，科学家們陆续发现，超导体不仅在一定温度（也称为临界温度，简称Tc）之下具有零电阻特性，而且在一定的条件下具有高密度载流能力、完全抗磁性（迈斯纳效应）、约瑟夫森效应等常规导体完全不具备的电磁特性，因而在电气与电子工程领域具有广泛的应用价值（见表1）。根据应用的具体需求，工程师们可以将超导体制备成各种超导材料，如超导线材、超导带材、超导薄膜、复合超导体等。 经历了100多年的研究，人们已经发现了多达数万种超导体。按照超导体的临界温度，可以将超导体分为低温超导体和高温超导体，临界温度低于25K～30K超导体为低温超导体，临界温度高于25K～30K超导体为高温超导体。目前，基于低温超导材料的应用装置一般工作在液氦温度（4.2K及以下），基于高温超导材料的应用装置一般工作在液氢温度（约20K）至液氮温度（约77K）之间。探索出更高临界温度乃至室温的超导体是人类不断追求的梦想。 超导材料的发展现状与前景 尽管人们已经发现了数万种超导体，但真正具有实用价值的超导体并不多。目前得到应用的低温超导体主要包括NbTi、Nb3Sn、Nb3Al等，具有实用价值的高温超导体主要包括铋系（BSCCO，Tc约90K-110K，也称为第一代高温超导材料，主要包括BSCCO-2212和BSCCO-2223两种，也简称Bi-2212或Bi-2223）、钇系（Tc约90K，YBCO或ReBCO，也称为第二代高温超导材料）。进入21世纪以来，MgB2（Tc为39K）和铁基超导体（Tc最高为55K）相继被发现，成为两种新的具有实际应用潜力的超导体。 低温超导材料发展现状与前景 超导材料主要包括NbTi、Nb3Sn、Nb3Al等。自上世纪60年代以来，其制备技术与工艺已经相当成熟，并推动了如加速器磁体、核聚变工程用超导磁体、核磁共振（MRI和NMR）磁体、通用超导磁体等的发展，并由此形成了具有一定规模的超导产业。目前，美国、欧盟和日本等国家和地区已经有一大批的企业可以生产各种面向不同应用需求的低温超导材料。2006年，我国加入了国际热核聚变实验堆（ITER）计划，从而使我国低温超导材料的发展迎来了前所未有的机遇。作为国内极少的低温超导线材产业化公司，西部超导材料科技有限公司承担了174吨NbTi超导线和35吨Nb3Sn超导线的生产任务，通过自主开发，掌握了成套技术和工艺，并于2017年全部交付预订的产品，得到了国际同行的高度评价，总体上达到了国际先进水平。ITER项目极大推动了我国低温超导材料的发展，也为我国自主开发MRI、加速器和核聚变磁体提供了超导材料供应的保障。

超导材料的应用与前景展望

超导材料的应用与前景展望 摘要：超导是超导电性的简称，是指某些物体当温度下降至一定温度时，电阻突然趋近于零的现象。具有这种特性的材料称为超导材料。自从超导发现至今，超导的研究和超导材料的研制已迅速发展，超导材料的物质结构及性质已逐渐研究清楚，其具有优越的物理性质和优越的性能，目前已被广泛的接受和认同，超导材料也得到了广泛的应用，特别是高温超导材料的广泛应用将会给社会带来的巨大变革。 关键字：超导材料；临界参量；超导应用 Application and Prospect of superconducting materials Abstract: Superconducting superconductivity for short, refers to some object when the temperature drops to a certain temperature, resistance suddenly approaches zero phenomenon. With the characteristics of the material called superconducting materials. Since the superconducting found so far, the research and development of superconducting superconducting materials has developed rapidly, the material structure and properties of superconducting materials has been studied clearly, which has physical properties superior and superior performance, has been widely accepted and recognized, superconducting materials have been widely used, especially the great change widely used high temperature superconducting materials will bring to the society. Key words:Superconductor;Critical parameter;Superconducting application 1 引言 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。后来许多科学家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。超导现象是20世纪的重大探索发现之一。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这超导体。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。有专家预言，超导体的应用将导致一场新技术革命，尤其是高温超导材料的发现，是最近几十年来物理学及材料科学领域中的重大突破之一，已引起全世界广泛关注，各国众多科学工作者参与超导的研究与发展工作，人们将会很快感受到它给社会带来的巨大变革。目前，超导材料已被应用于很多领域，本文拟就超导材料的性质、临界参量、分类、应用及前景展望等几个方面展开论述，以帮助人们更好的认识超导材料。