(完整word版)高温超导材料的研究进展

高温超导材料的研究进展

程长飞20091410404

引言

2O世纪8O年代后期高温超导的发现，在全球掀起了一股“超导热”。经过2O多年的研究发展，我国高温超导技术在超导材料技术、超导强电技术和超导弱电技术三个方面取得了重大进展和突破。在众多领域中，超导技术的应用具有非常突出的优点和不可取代的作用。随着高温超导材料和低温制冷技术的迅速发展，使超导技术的应用步伐迅速加快。超导技术在电力、通信、高新技术装备和军事装备等方面的应用也十分令人向往，具有重要的战略意义。

根据第五届国际超导工业峰会预测，高温超导应用技术将在今后5～10年时间达到实用化水平，并将在2010年前后形成较大规模的产业。到2010年，全球超导产业的产值预计将达到260亿美元，到2020年将达到2 400亿美元以上。超导技术将是21世纪具有光明前景的高新技术

一、超导的基本概述和基本原理

1911年发现，但直到1957年，美国科学家巴丁、库珀和施里弗在《物理学评论》提出BCS理论，其微观机理才得到一个令人满意的解释。BCS理论把超导

，库珀对在晶格当中可以无损耗的运动，形成超导电流。在BCS理论提出的同时，博戈留波夫（Bogoliubov）也独立的提出了超导电性的

的博戈留波夫变换至今为人常用。

电子间的直接相互作用是相互排斥的库仑力。如果仅仅存在库仑

直接作用的话，电子不能形成配对。但电子间还存在以晶格振动

正是这种吸引作用导致了“库珀对”的产生。大致上，其机理如下：电

变，形成一个局域的高正电荷区。这个局域的高正电荷区会吸引自旋相反的电子，和原来的电子以一定的结合能相结合配对。在很低的温度下，这个结合能可能高于晶格原子振动的能量，这样，电子对将不会和晶格发生能量交换，也就没有电阻，形成所谓“超导”。

BCS理论而获得1972

BCS理论并无法成功的解释所谓第二

二、高温超导材料概述

对超导现象，BCS 理论给出了比较满意的解释。而在应用方面，超导现象具有很宽敞的应用空间，具有很高的应用价值。到了现代，

人们一直致力于对超导材料的研究。在1968

此时

人们提出疑问，临界温度一直

在十几 K 、二十几 K 。对于这

么低的临界温度超导材料的应 用价值何在？能否有更高的临

界温度？能否在常温下就有超导现象产生？ 1986 年 10

月，柏诺兹等人提出了他们在

Ba-La-Cu-O 系统中获得了 Tc

为 33K 左右的报道。同年 12 月 15 日，休斯顿大学报告了在处于压力下的 La-Ba-Cu-O 化合物体系中获得 40.2K 的超导转变。同年 12 月 26 日，中科院物理研究所宣布，他们成功地获得转变温度 48.6K 的超导材料。到 1987 年 2 月 16 日。朱经武的试验小组在 92K 处观察到了超导转变。同年 2 月 24 日，中科院物理研究所赵忠贤领导的研究集体宣布，液氮温区超导体起始转变温度在 100K 左右。这时期超导临界温度突破液氮沸点 77K 大关，对人类具有划时代的意义

三、高温超导材料发展简史

自1911年荷兰物理学家卡末林·昂内斯(H.K. Onnes)发现汞(Hg)的超导电性以来，被发现的超导体总数已超过5 000种，超导体的发现经历了从简单到复杂，即由一元系到二元系、以及多元系的过程。在1911～1932年间，以研究元素超导为主，除汞以外，又发现了Pb 、1990 1970 1950 1930 1910 40 80

100

Sn 、Nb 等众多的金属元素超导体。在1932～1953年间，则发现了许多具有超导电性的合金，以及NaCl 结构的过渡金属碳化合物和氮化物，临界转变温度(T c )得到了进一步提高。随后，在1953～1973年间，

发现了如T c >17 K 的Nb 3Sn 等超导体。其中，1973年Nb 3Ge 的发现，使

T c 的最高纪录上升到23.2 K 。但在1986年以前，超导材料的T c 都太低，

故被称为低温超导体。这种超导体一般需要在昂贵的液氦(4.2 K)环境中工作。由于液氦制冷的方法昂贵且不方便，故低温超导体的应用用长期得不到大规模发展。

1986年，瑞士科学家贝德诺兹(J.G . Bednorz)和米勒(K.A. Müller)制备出了T c 为35 K 的镧-钡-铜-氧(La-Ba-Cu-O)高温氧化物超导体，

从而引发了全球范围内研究HTS 材料的热潮。1987年，美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤等人相继发现钇-钡-铜-(Y-Ba-Cu-O)氧化物超导体，把T c 提高到90 K 以上，液氮的禁区(77 K)也奇迹般

地被突破了。1988年初，法国的米切尔(Michel)等人发现了第三类超导体：铋-锶-钙-铜-氧(Bi-Sr-Ca-Cu-O)氧化物超导体，T c 达到了110

K 。紧接着，美国Arkansas 州大学的盛正直和Hermann 又发现T c =125 K 的铊-钡-钙-铜-氧(Tl-Ba-Ca-Cu-O)氧化物超导体。此后，一直到1993年，Putilin 和Schilling 等人又发现了T c =135 K 的汞-钡-钙-铜-

氧(Hg-Ba-Ca-Cu-O)氧化物超导体，至今它还保持着最高的临界转变温度。

四、高温超导材料发展现状

高温超导材料从单一的稀土系发展到铋系、铊系，目前又出现了130k 的不含铜TI-Sr-V-o高温超导体，其材料的制备着眼于有实用意义的体材、线材、带材、薄膜。

高温超导材料的制备及其制备工艺的研究一直是重点研究课题。目前有二十多种方法都可以制备出能稳定的高温超导材料。制备体（块）、带（线）材和膜（薄膜、厚膜）材料的方法是不同的，但是可以相互通用。，例如，薄膜的Jc很高，可以用类似薄膜的生产方法制备超导带材。熔融织构法本事制备体材的方法，现在也可以用来制备线材。到目前为止，高温超导材料仍处于试验制备规模，只有少数几种方法发展到小批量生产规模。在市场上作为商品出售的有超导粉末，超导浆料和膏剂，还有高温超导薄膜。随着工艺的改进，生产成本也已经下降。特别是高温超导薄膜，在最近一年里售价降低了

1/2--2/3,随之薄膜器件的价格也降低了。超导材料的制备技术仍不成熟，还会出现一些新方法，而有些方法将被淘汰。

经过四年多的研究，高温超导材料性能指标已经有了很多的提高。很多方法制备的薄膜，Jc均可达到很高的水平。对陶瓷超导材料来说，线材的加工时一个难点，由于陶瓷质脆，目前多采用金属（以银为主）包裹管的方法，现在应经能够制备长达100多米的超导线。也有直接制成超导线圈的。铋系超导体组成的稳定，现在制的长线材多为铋系。许多超导专家都对铋系给予很大重视。最近，日本人是说他们发现，包银的铋系超导线在磁场增加时，Jc并没有下降，这以

结果是令人惊奇的，制的深入研究。

在世界范围内，高温超导研究结束了感情激动地时期，进入了较冷静理智时期。各国政府和民间都投入了大量的资金，组织专门队伍，确定目标，极大地促进了高温超导材料的研究，国家实验室和大厂家也投资进行高温超导研究的实用化进程。高温超导材料研究是一项长期的高投资研究项目，保证经费的稳定性和科研人员的稳定性与持续性是十分重要的，一些发达国家的研究经费也是逐年增加的。为了满足高温超导材料研究的需要，各国相继建立了高温超导中心和供高温超导研究的公共实验室。高温超导的相关技术也发展很快，已试制出自动合成装置，可同时制备多个超导样品。研制出可以承担繁重操作和有毒作业的机器人系统，确立了高温超导分析与检测技术系统以及与高温超导技术匹配的制冷系统。

随着科研工作的深入进行，发表的文献量也极具增加，并不限于物理学期刊，在一般工业技术、金属或冶金、化学及刮宫、陶瓷、电子学等报刊上也有相当数量的高温超导文献。根据对德温特专刊的统计，每周公布的高温超导专刊约30件，从内容来看，应用方面的各占10%。每年还举行多次国际会议，已经出版了躲过文字的高温超导会议文集和专著。

五、我国高温超导材料的发展

1 国内超导材料与薄膜技术

我国在铋系带材、钇系大面积双面薄膜、钇系新型涂层带材、钇系准

单畴块材和高温超导电缆等方面，其技术发展水平与国际水平相当或相近，某些方面甚至处于国际领先水平。目前，国内带材研究单位在核心的粉体技术方面，建立了粉体质量控制体系，保证了前驱粉体较好的重复性和稳定性；在带材的加工和热处理方面，解决了长带鼓泡和芯丝不均匀性问题，消除了长期困扰Bi(铋)系长带制备的障碍，所制备的带材的最高临界电流密度J．．>4．0 X 10 A／cm (』 =125 A)，200 m长带的临界电流密度J >3．0 X10 A／cm (临界电流』 =90 A)，这些成果都达到了目前国际先进水平。北京英纳超导技术公司和西北有色金属研究院先后建成了年产200 km的生产线，为我国超导技术应用的产业化提供了必要的材料基础。英纳超导公司300 m长带的临界电流大于100 A，达到国际先进水平。其产品在满足国内需求的同时，还出口到韩国、欧洲等地。近年来第二代高温超导带材的研究成为国内外超导研究的热点。我国在“863”计划的支持下，已初步实现了第二代带材的动态制备，数十厘米长的带材的超导临界电流达到40 A。在高温超导单畴块材方面，我国在材料制备工艺上有知识产权，与国际先进水平的差距较小。北京有色金属研究总院制成了直径5 cm，冻结场7 T(4．2 K)，磁悬浮力16 N／cm 的钇系块材，并实现了直径4 cm单畴材料的小批量生产。2000年12月国产的340余块钇系块材用于世界首辆载人高温超导磁悬浮实验车系统。同时，铋系带材、钇系准单畴块材及钇系新型涂层带材等是供高温超导电缆、限流器、变压器、磁储能系统、电机、核磁共振成像(MRI)磁体等技术应用和研究所需的材料。我国的钇系2英寸双面薄膜制备水平与国际水平相

当。中科院物理所、北京有色金属研究总院和电子科技大学等单位，分别实现了3英寸双面钇钡铜氧(YBCO，YBaCuO)薄膜的小批量制备。天津海泰超导司引进德国THEVA公司的多元反应共蒸合成法技术，生产出了直径3英寸以上的超导薄膜，最大直径可达8英寸。现在已具备2英寸、3英寸双面超导薄膜稳定的批量生产能力，超导薄膜各项性能指标均达到国内领先、国际先进水平。YBCO，YBaCuO薄膜的表面微波电阻尺达到1毫欧以下(10 GHz，77 K)，最小达400微欧，临界电流密度J >1 X 10。A／cm ，J 分布的不均匀性小于10％。综合指标[临界温度( )、临界电流密度(．， )、表面电阻(尺 )、薄膜厚度、表面形貌]，基本达到微波应用的要求。对于强电应用的超导薄膜限流器，这种薄膜的I—V特性基本能满足应用要求。而中科院物理所、南开大学的2英寸双面铊，Tl一2212薄膜，尺均达800微欧以下，最小达350微欧。．，达到1 x 10。A／cm ，不均匀分布小于10％。Tc>105 K，不均匀分布小于1％，而且产品稳定性好，技术指标达到国际上最好水平。国外高温超导薄膜和带材发展水平应引起国内超导研究人员的关注。如，德国THEVA公司采用该国PRIMA TEC GmbH公司多元反应共蒸镀膜设备，开发的HTS薄膜多元反应共蒸成膜技术，发展了传统的热蒸发制膜工艺，解决了超导薄膜需要在高温下(800℃左右)连续合成处理的关键问题，使成膜工艺参数处于严格受控状态，因而可以重复制备大面积均匀的HTS薄膜。薄膜技术性能高，符合产品研发的要求，成品率高，重复性好，可提供批量的优质HTS薄膜。该技术已为国际同行认可，产品和PRIMA TEC GmbH的设备已销往世界多个实验室。

值得一提的是，对于第二代高温超导带材的重要性，我国科技工作者对其认识较早。在离子束辅助沉积(IBAD)和扎制辅助双轴织构化(RABiTS)技术诞生不久，当时的国家超导研究和开发中心就部署了两种技术路线的攻关计划。北京有色金属研究总院(GRINM)、西北有色金属研究总院和北京工业大学负责RABiTS基带及其涂层技术；而中科院上海冶金所(现微系统所)和中科院物理所负责IBAD技术。2005年底，GRINM课题组在近十年的涂层导体研究经验基础上，建立了一套动态的DC磁控溅射系统，并在德国IFW Dresden的RABiTS镍基带上制备出10 m长高度织构的缓冲层(Y O ／YSZ／CeO )。上海大学蔡传兵等领导的课题组设计了涂层导体专用的PLD系统，并建立了国内首个动态的电路交换数据服务(CSD，circuit switched data)系统_2j。另外清华大学课题组、电子科技大学课题组、北京工业大学课题组等分别在化学涂层、双面溅射沉积和RABiTS基带方面做出了特色工作。总体上处于起步阶段，与国际水平差距较大。

2 国内超导弱电技术

“十五”期间，国家863计划设立“超导材料与技术专项”(简称超导专项)，重点支持超导应用技术的研究，充分体现了国家对“超导技术”这一战略性高技术的高度重视。

目前，国内已有清华大学、天津海泰超导公司、中科院物理所和南开大学多家单位在进行移动通信和高灵敏超导接收前端的研究。2001年10月清华大学研制成功我国第一台GSM1800移动通信用高温超导滤波器系统。2004年3月26日在国内首次将超导滤波器应用于中国

联通唐山分公司的码分多址移动通信基站，超导滤波器系统已连续运行两年多，实现了我国高温超导的第一次实际应用 j。2005年底，在以北京大钟寺为中心的繁华地区建成了我国第一个高温超导滤波器移动通信应用示范小区，使用了30路超导滤波器系统，覆盖十多万居民。

天津海泰超导公司是国内第一家从事高温超导滤波器产业化的企业，已经建成了国内第一条高温超导滤波器系统生产线，在超导滤波器设计、超导芯片精细加工、静态真空设计及获得、滤波器系统集成、滤波器并网运行和测试方面建立了多项自主知识产权的技术，在超导滤波器产业化工作上取得了多项阶段性成果 J。其超导滤波器产品也已在移动通信基站上进行了多次并网运行。

中科院物理所针对我国现有全球移动通信系统(GSM)、CDMA和即将布局的第三代(3G)移动通信基站开发了带宽从5—75 MHz的系列高温超导滤波器及相应工作于70 K低温环境的低噪声放大器。实测表明，该滤波器具有极小的插入损耗，极高的带边陡度和极深的带外抑制等特点。特别是在带内群时延起伏，功率承载能力等方面，均达到了我国时分同步的码分多址技术标准的要求，处于国际领先水平。使用高温超导滤波器可以大幅度地提高基站接收系统的抗干扰能力和接收灵敏度，改善通话质量，节约频带资源，扩大基站覆盖面积的目标。

“十五”期间，中电科技集团16所在高温超导器件、低温制冷机和低温封装技术研究方面取得了可喜的成果，完成了高温超导信道化

组件、高温超导微波线性调频滤波器、高温超导辐射探测器、高温超导软x射线探测器等项目。电子科大、中电16所、中电55所共同完成了高温超导高灵敏接收前端研究。电子科技大学完成了x波段高温超导高灵敏接收机前端系统各单元部件的优化设计及制作，并进行了小型化改进及制作，达到了设计要求；开始了对x波段高温超导高性能接收机前端系统进行一体化集成初样研制。在其他领域，清华大学已研制成功了特殊通信用的超导滤波器系统，该超导滤波器系统已完成了在通信基站的现场通信试验，使原基站的噪声系数大幅度改善，灵敏度大幅提高了5 dB。现场通信试验的结果表明，改用超导滤波器后，通话质量、通话成功的几率均大幅提高。

我国国防建设迫切需要超导滤波器技术，以提高通信设备和其他装备的灵敏度、选择性和抗干扰能力。清华大学最近在这方面有突破性的进展。

中科院物理所研制的应用于卫星微波接收机的高温超导滤波器，采用了独创的带通滤波器和可调带阻滤波器无损超导集成技术，取得了反射损耗好于一22．5 dB，且带外抑制优于一110 dB的优异性能。经国家权威部门认定，上述集成技术和综合指标“在国内外未见相同报道”。

该滤波器和工作于低温的放大器与小型机械制冷机组成子系统，并与卫星微波接收机联机进行了地面试验。试验结果表明：使用高温超导滤波器子系统可以极大地降低卫星接收机的噪声温度(高达73％)。与此同时，中科院物理所何豫生教授领导的研究小组，研制

的超导滤波器通过了航天飞行力学环境模拟试验。试验报告指出：“试验结果表明中科院物理所研制的高温超导滤波器能够经受航飞行件力学试验的检验。证明高温超导滤波器的材料、机械设计、加工和装配工艺均达到了航天飞行件力学性能要求。”目前我国的卫星和载人航天领域都在积极部署使用高温超导滤波器的微波接收机。

在高新技术研究方面，太赫兹(THz)波也是目前超导领域研究的前沿技术。在探测非金属武器、爆炸物、伪造物或赝品等安全应用方面，太赫兹波段具有明显的优点。这一波段的开发，在实际的军事安全技术应用中有重要的意义。国内著名专家研究电磁波在层状超导体中的传播规律，致力于以超导器件为核心技术的THz信号的高灵敏接收和成像技术、物质的太赫兹波频谱测量技术和宽带频谱测量等，在整体上形成了自己的研究特色，在这一领域中已经做了许多重要的工作¨。北京大学和中科院物理所已经制备出高温超导量子干涉器件，并且制备出测量心脏磁场的心磁仪的样机模型。北京大学和中科院物理所合作成功进行了利用高温超导SQUID对大地地磁分部的测量，获得了一些重要结果。

清华大学曹必松教授领导的研究小组，研制的超导滤波器系统已达到国际先进水平并处于国内领先水平。

2006年，在高温超导发现20年之际，日本有关领域在报纸上发表文章，总结高温超导的应用发展，其中首先提到美国在超导滤波器方面的应用成果，接着介绍了我国清华大学在超导滤波器方面的应用成果，然后提到日本准备将超导滤波器应用于移动通信。可见，国

外已承认我国在该技术领域的国际地位。在国外，超导滤波器从美国、欧洲、日本相关样机的出现到现在已经有八九年的历史，但在欧洲和日本一直没有出现商业性的示范运行。美国从1998年正式进入商业网以来，现在运营系统也只是徘徊在6 000套左右的水平。

最近，清华大学超导滤波器技术已吸纳社会资金，成立了超导滤波器公司，正在建设年产1 000台超导滤波器系统的生产线，推动超导滤波器的规模化商业应用，超导滤波器生产线即将建成投产。我国高温超导滤波器及其组件的发展相当快，并有望实现产业化发展。

3 国内超导强电技术

国内在超导强电应用技术研究方面也做了大量工作，取得一些科研成果。如西南交通大学王家素教授领导的研究小组研制的载人高温超导磁悬浮列车技术已处于国际先进水平，并已承载两万多人次，实质上已具有一定的商业价值，这开拓了在磁悬浮技术上实现超越发展的可能性。1999年中科院电工所研制成功我国第一台微型超导储能样机。2007年中科院电工所肖立业教授领导的研究小组，研制成功世界首台超导限流一储能系统，1 MJ／0．5 MVA超导限流一储能系统。该项目是超导电力中心本年度集中主要力量进行攻关的重点项目。1 MJ ／0．5 MVA超导限流一储能系统主要包括：高温超导磁体、低温及制冷系统、电力电子系统，以及在线监测系统等部件。所有部件的研制在2006年已经完成，近期1 MJ／0．5 MVA超导限流一储能系统将在北京市投入并网实验运行。在完成该系统并网试验运行前的各项调试和

检测后，将投入10．5 kV配电网上试验运行，这将是世界上第一套投入实际电网运行的高温超导限流一储能系统。目前，在中国科学院知识创新工程的支持下，正在开展2．5 MJ／1 MVA超导限流一储能系统的研究。

2001年4月，清华大学韩征和教授领导的北京英纳公司与云南电力集团合作，投资成立北京云电英纳超导电缆有限公司。计划在五年内投资1．5亿元人民币，推进高温超导电缆的产业化。2004年4月19日，世界第三个高温超导电缆项目，三相30 m35 kV／2 kA高温超导电缆在昆明普吉变电站并网试运行成功，其中，中电16所的万瑞冷电科技公司承担高温超导电缆制冷系统的研制。2004年7月10日，由北京云电英纳公司牵头研制的我国第一根高温超导电缆(33．5 m)在云南电力公司正式并网运行，使我国成为世界上第三个将高温超导电缆投入运营的国家¨。电缆并网运行一年多来，运行平稳，无大的故障发生。

2005年由中科院电工所与甘肃长通电缆科技股份有限公司、中科院理化所联合研究的国家“十五”计划中的“863”重大项目_ 75 m、10．5 kV／1．5 kA三相交流高温超导电缆顺利完成系统集成，已经通过了系统检测和调试，取得了一系列自主知识产权。它是目前世界上正在并网试验运行的高温超导电缆。75 m高温超导电缆主要由超导电缆芯、低温系统等许多关键技术，完全自主研制成功的三相交流高温超导电缆、三相高温超导限流器、三相高温超导变压器分别在甘肃省白银市、湖南省娄底市和新疆昌吉市投入并网实验运行，各个系统

通过了国家电力设备的标准实验，运行期间未发生任何自身故障。超导电力技术的研究开发，解决了一列关键技术问题，研制的相应的系统在国内处于领先地位，并达到国际先进水平。

超导磁体系统：国内一些研究单位为了配合研究实验工作的需要，研制了一些科学仪器用的超导磁体，如西南核物理研究院研究了4 mm 回旋管用超导磁体、振动样品磁强计超导磁体和超导材料电磁特性测试装置等。中国科学院电工所也研制成功4 mm回旋管用磁体系统并开展200兆周核磁共振谱仪的超导磁体的研制工作。在低温磁体技术、高温超导磁体技术方面也取得了一定成绩?。

20世纪90年代初，中科院科健公司研制成功核磁共振成像用的0．6 T超导磁体系统，并分别安装在无锡、北京和深圳等医院中使用。中科院等离子体物理所对原苏联库恰托夫研究所赠给的第一代超导托卡马克(Tokamak)装置T一7的铌钛(NbTi)超导线圈加以改造，在合肥建成我国第一个超导Tokamak装置HT一7。在此基础上，2005年建造成超导托卡马克EAST核聚变实验装置，其大半径为1．75 m，中心场3．5 T，是我国规模最大的低温超导装置?。也是我国自行设计制造的世界上第一个超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置(EAST)，于2006年9月28日完成首轮物理放电实验。实验中获得的电流超过200 kA，时间接近3 s的等离子体放电。属于亚洲第一、世界第三大科研装置，投资约3亿元人民币，使我国核聚变研究能力向前跨进一大步。

六、高温超导材料发展存在的问题与未来发展方向

高温超导体作为现在临街温度最高的一宗超导体，国内外科学家对其展开了大量的研究，但如何提高各项临界参数，尤其是提高临界温度，仍然是高温超导研究领域最大的难题，好在高温超导体可以在液氮温区实现超导，所以高温超导体已经具备了实际应用价值，硼化镁作为21世纪刚发现的一种新型高温超导材料，以其简单的结构和较高的临界温度引起了人们的广泛兴趣，并且有一定的应用前景，通过掺杂对硼化镁改性以提高其临界参数仍将是研究的热点。综上所述，虽然想在，超导热正在降温，但通过进一步系统的研究，并提出新的材料制备思路和进行作用机制的探讨，高温超导材料的研究前景仍然十分广阔，在未来的研发中，高温超导材料将广泛应用于从基础建设到医疗等各个领域，富有魅力的高温超导材料又将拉开序幕。

参考文献

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11.姚文新．我国超导技术现状与发展战略[J]．新材料产业，2004(1)：12—16

高温超导体及其研究近况

高温超导体及其研究近况 姓名:高卓班级:材料化学09-1 学号:200901130805 所谓超导,是指在一定温度、压力下,一些金属合金和化合物的电阻突然为零的性质.利用此次性质做成的材料称为超导材料. 超导材料按其化学组成可分为：元素超导体，合金超导体，化合物超导体。近年来，由于具有较高临界温度的氧化物超导体的出现，有人把临界温度Tc达到液氮温度（77K）以上的超导材料称为高温超导体，上述元素超导体，合金超导体，化合物超导体均属低温超导体。以下就高温超导体作一个简要介绍。 一材料特点 自1964年发现第一个超导体氧化物SrTiO3以来，至今已发现数十种氧化物超导体。这些氧化物超导体具有如下共同的特征：（1）超导温度相对而言比较高，但载流子浓度低；（2）临界温度Tc随组分成单调变化，且在某一组分时会过渡到绝缘态；（3）在Tc以上温度区，往往呈现类似半导体的电阻-温度关系；（４）Tc和其他超导参量对无需程度敏感。 高温超导体在结构和物性方面具有以下特征；(1)晶体结构具有很强的地维特点，三个晶格常数往往相差3-4倍；（2）输运系数（电导率、热导率等）具有明显的各向异性；（3）磁场穿透深度远大于相干长度，是第二类超导体；（4）载流子浓度低，且多为空穴型导电；（5）同位素效应不显著；（6）迈斯纳效应不完全；（7）隧道实验表明能隙存在，且为库柏型配对。氧化物超导体的这些特征，引起人们的兴趣和关注。 二发展趋势 目前,在高温超导研究领域中,各国科学家正着重进行三个方面的探索,一是继续提高Tc,争取获得室温超导体;二是寻找适合高温超导的微观机理;三是加紧进行高温超导材料与器件的研制,进一步提高材料的Jc和Tc,改善各种性能，降低成本，以适用实用化的要求。 三国内外发展现状 超导材料技术是21世纪具有战略意义的高新技术，极具发展潜力和市场前景。世界各主要国家政府纷纷制订相关计划和加大研发投资，推动基础研究和产业化发展，竞争十分激烈。 一、美国 美国能源部（DOE）早在1988年就创建了超导计划，该计划将高科技公司、国家实验室和大学结合起来，进行具有高度复杂性的高温超导技术的应用研发工作，并在此基础上于1993年底制定了超导伙伴计划（Superconductivity Partnership Initiative，SPI）。SPI是整个超导计划的一部分，目的是加速高温超导（High temperature superconductors，HTS）电力设备走进市场。DOE 在2001年9月24日宣布了新一轮的高温超导计划——SPI二期，投入总资金达1.17亿美元，支持高温超导商业化示范电缆、100MVA高温超导发电机、1000英尺、3相长距离高温超导输电电缆、高温超导变压器、高温超导核磁共振成像装置、超导飞轮储能装置、高温超导磁分离器等7个项目的研发。 2003年7月，DOE在公布的《‘Grid 2030’A National Vision for Electricity’s Second 100 Years》报告中，把高温超导技术列为美国电力网络未来30年中发展的关键技术之一。该计划制订了2010年、2020年和2030年美国在电力方

高温超导材料的发展及应用

高温超导材料的发展及应用 摘要：现代社会高度物质文明和材料科学进步密切有关，本文通过介绍超导及高温超导材料的相关知识阐述目前高温超导材料的发展和应用。 Abstract: the modern social highly material civilization Closely relates to the material's science progress, this paper is about the knowledge of superconducting and HTS materials,and it introduces High temperature superconducting materials 's development and application. 关键词：超导、高温超导材料、材料、技术。 Keywords: superconductivity, high temperature superconducting materials, materials, technology. 正文：日新月异的现代技术的发展需要很多新型材料的支持。自从第三次科技浪潮席卷全球以来，新型材料同信息、能源一起，被称为现代科技的三大支柱。新材料的诞生会带动相关产业和技术的迅速发展，甚至会催生新的产业和技术领域。 超导体由于其得天独厚的特性，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，因而需要探索新的高温超导材料。所谓高温超导材料是指具有高临界转变温度（Tc）的超导材料，目前高温超导材料主要有：钇系（92 K）、铋系（110K）、铊系（125K）和汞系（135K）以及2001年1月发现的新型超导体二硼化镁（39K）。其中最有实用前途的是铋系、钇系（YBCO）和二硼化镁（ Mg B）。氧化物高温超 2 导材料是以铜氧化物为组分的具有钙钦矿层状结构的复杂物质，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。 一、高温超导材料 1、高温超导线带材高温超导体在强电方面众多的潜在应用（如：磁体、电缆、限流器、电机等）都需要研究和开发高性能的长线带材（千米量级）。所以，人们先后在YBCO、BSCCO及 Mg B线材带化实 2

高温超导材料临界转变温度

实验 预习说明 1．附录不必看，因为示波器改用Kenwood CB4125A 型，它的使用指南见实验室说明资料。 2．测量B-H 曲线，用示波器直接测出R 1上的电压值u 1（3.11.1）式和电容上电压值u C （）式。 3．由于R 1、R 2和C 值不确定，仍需要用教材方法标定B 0、H 0，但是（3.11.7）、（）式中L x 、L y 分别用标 定时的电压u x 、u y 代替。u x 、u y 为电压的峰峰值。 选做实验 高温超导材料临界转变温度的测定 一．引言 1911年荷兰物理学家卡默林翁纳斯(Kamerling Onnes)首次发现了超导电性。这以后，科学家们在超导物理及材料探索两方面进行了大量的工作。二十世纪五十年代BCS 超导微观理论的提出，解决了超导微观机理的问题。二十世纪六十年代初，强磁场超导材料的研制成功和约瑟夫森效应的发现，使超导电技术在强场、超导电子学以及某些物理量的精密测量等实际应用中得到迅速发展。1986年瑞士物理学家缪勒(Karl Alex Muller)等人首先发现La-Ba-Cu-O 系氧化物材料中存在的高温超导电性，世界各界科学家在几个月的时间内相继取得重大突破，研制出临界温度高于90K 的 Y-Ba-Cu-O （也称YBCO ）系氧化物超导体。1988年初又研制出不含稀土元素的Bi 系和Tl 系氧化物超导体，后者的超导完全转变温度达125K 。超导研究领域的一系列最新进展，特别是大面积高温超导薄膜和临界电流密度高于105A/cm 2 Bi 系超导带材的成功制备，为超导技术在各方面的应用开辟了十分广阔的前景。测量超导体的基本性能是超导研究工作的重要环节，临界转变温度T C 的高低则是超导材料性能良好与否的重要判据，因此T C 的测量是超导研究工作者的必备手段。 二．实验目的 1．通过对氧化物超导材料的临界温度T C 两种方法的测定，加深理解超导体的两个基本特性； 2．了解低温技术在实验中的应用； 3．了解几种低温温度计的性能及Si 二极管温度计的校正方法； 4．了解一种确定液氮液面位置的方法。 三．实验原理 1．超导现象及临界参数 1）零电阻现象 我们知道，金属的电阻是由晶格上原子的热振动（声子）以及杂质原子对电子的散射造成的。在低温时，一般金属（非超导材料）总具有一定的电阻，如图1所示，其电阻率 与温度T 的关系可表示为： 50AT +=ρρ （1） 式中0是T ＝0K 时的电阻率，称剩余电阻率，它与金属的纯度和晶格的完整性有关，对于实际的金属，其内部总是存在杂质和缺陷，因此，即使使温度趋于绝对零度时，也总存在 0。 1911年，翁纳斯在极低温下研究降温过程中汞电阻的变化时，出乎意料地发现，温度在附近，汞的 电阻急剧下降好几千倍（后来有人估计此电阻率的下限为1023cm ，而迄今正常金属的最低电阻率 仅为1013cm ，即在这个转变温度以下，电阻为零（现有电子仪表无法量测到如此低的电阻），这就是零电阻现象，如图2所示。需要注意的是只有在直流情况下才有零电阻现象，而在交流情况下电阻不为零。 目前已知包括金属元素、合金和化合物约五千余种材料在一定温度下转变为具有超导电性。这种材料称为超导材料。发生超导转变的温度称为临界温度，以T C 表示。 图1 一般金属的电阻率温度关系 图2 汞的零电阻现象 T 0 105 电 阻 ︵ ︶ T (K)

高温超导材料的特性与表征

四川理工学院 材料物理性能 高温超导材料论文 【摘要】 在本实验中我们的主要目的是通过通过氧化物高温超导材料特性的测量和演示，加深理解超导体的两个基本特性，即零电阻完全导电性和完全抗磁性。我们还通过此实验对不同的温度计（铂电阻温度计和硅二极管温度计）进行比较。我们采用的是四引线测量法，利用低温恒温器和杜瓦容器测量了超导电性，绘制了超导样品的电阻温度曲线，验证了超导在高温冷却电阻突然降为零的电特性。我们也绘制了磁悬浮力与超导体-磁体间距的关系曲线，对其进行了分析。在进行磁悬浮的实验中我们验证了超导体的混合态效应和完全抗磁性。 关键词： 超导体零电阻温度完全磁效应磁场 一、引言： 1911年H.K.Onnes首次发现在4.2K水银的电阻突然消失的超导现象，此温度也被称为临界温度。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。

但这里所说的高温，其实仍然是远低于冰点0℃的，对一般人来说算是极低的温度。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。经过科学家们的努力，超导材料的磁电障碍已被跨越，下一个难关是突破温度障碍，即寻求高温超导材料1973年，发现超导合金――铌锗合金，其临界超导温度为23.2K，这一记录保持了近13年。此后，科学家们几乎每隔几天，就有新的研究成果出现。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。 高温超导体具有更高的超导转变温度（通常高于氮气液化的温度），有利于超导现象在工业界的广泛利用。高温超导体的发现迄今已有16年，而对其不同于常规超导体的许多特点及其微观机制的研究，却仍处于相当“初级”的阶段。这一点不仅反映在没有一个单一的理论能够完全描述和解释高温超导体的特性，更反映在缺乏统一的、在各个不同体系上普遍存在的“本征”实验现象。 本实验中，我们通过对氧化物超导材料特性的测量和演示，加深理解超导体的两个基本特性；了解金属和半导体的电阻随温度的变化及温差电动势；了解超导磁悬浮的原理；掌握液氮低温技术。 二、原理： 物理原理： 1.超导现象及临界参数 (1)零电阻现象 1911年，卡麦林·翁纳斯用液氮冷却水银线并通以几毫安电流，在测量其电压时发现，当温度稍低于液氮沸点时，水银电阻突然降为零，这就是零电阻现象或超导现象。具有此现象的物体称为超导体。只有在直流条件下才会存在超导现象，在交流下电阻不为零。 临界温度是指当电流，磁场及其他外部条件保持为零或不影响测量时，超导体呈现超导态的最高温度。我们用电阻法测定超导临界温度。 （2）MERSSNER效应 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，而且，不管加磁场的顺序如何，超导体内磁场总为零。这种现象称为抗磁性即MERSSNER效应。 3）超导体分类 超导体分为两类第1类超导体是随温度变化只分为超导态和正常态，第2类是在超导态和正常态中间部分还存在混合态。 纯金属材料的电阻特性 纯金属材料的电阻产生于晶体的电子被晶格本身和晶格中的缺陷的热振动所散射。ρ=ρL（T）+ρ R，其中ρL（T）表示晶格热振动对电子散射引起的电阻率，与温度有关。ρ r表示杂质和缺陷对电子的散射所引起的电阻率，不依赖与温度，与杂质和缺陷的密度成正比，称为剩余电阻率。 半导体材料电阻温度特性 ρi=1/nie(μe+μp) 本征半导体的电阻率ρi与载流子浓度ni及迁移率μ=μe+μp有关, 因ni随温度升高而成指数上升，迁移率μ随温度增高而下降较慢，故本证半导体电阻率随温度上升而电调下降。 实验仪器及其原理：

高温超导材料1.29

高温超导材料 高温超导材料，是具有高临界转变温度（Tc）能在液氮温度条件下工作的超导材料。因主要是氧化物材料，故又称高温氧化物超导材料。 1.结构 高温超导材料不但超导转变温度高，而且成分多是以铜为主要元素的多元金属氧化物，氧含量不确定，具有陶瓷性质。氧化物中的金属元素（如铜）可能存在多种化合价，化合物中的大多数金属元素在一定范围内可以全部或部分被其他金属元素所取代，但仍不失其超导电性。除此之外，高温超导材料具有明显的层状二维结构，超导性能具有很强的各向异性。 已发现的高温超导材料按成分分为含铜的和不含铜的。含铜超导材料有镧钡铜氧体系（Tc=35～40K）、钇钡铜氧体系（按钇含量不同，T发生复化。最低为20K ，高可超过90K）、铋锶钙铜氧体系（Tc=10～110K）、铊钡钙铜氧体系(Tc=125K）、铅锶钇铜氧体系（Tc约70K）。不含铜超导体主要是钡钾铋氧体系（Tc约30K）。已制备出的高温超导材料有单晶、多晶块材，金属复合材料和薄膜。高温超导材料的上临界磁场高，具有在液氦以上温区实现强电应用的潜力 2.特性 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。人们一直在探索高温超导体，从1911年到1986年，75年间从水银的4．2K提高到铌三锗的23．22K，才提高了19K。

1986年，高温超导体的研究取得了重大的突破。掀起了以研究金属氧化物陶瓷材料为对象，以寻找高临界温度超导体为目标的“超导热”。全世界有260多个实验小组参加了这场竞赛。 1986年1月，美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎世实验室科学家柏诺兹和缪勒首先发现钡镧铜氧化物是高温超导体，将超导温度提高到30K；紧接着，日本东京大学工学部又将超导温度提高到37K；12月30日，美国休斯敦大学宣布，美籍华裔科学家朱经武又将超导温度提高到40．2K。 2月15日美国报道朱经武、吴茂昆获得了98K超导体.2月20日,中国也宣布发现100K以上超导体.3月3日,日本宣布发现123K超导体.3月12日中国北京大学成功地用液氮进行超导磁悬浮实验.3月27日美国华裔科学家又发现在氧化物超导材料中有转变温度为240K的超导迹象.很快日本鹿儿岛大学工学部发现由镧、锶、铜、氧组成的陶瓷材料在14℃温度下存在超导迹象.高温超导体的巨大突破,以液态氮代替液态氦作超导制冷剂获得超导体,使超导技术走向大规模开发应用.氮是空气的主要成分,液氮制冷机的效率比液氦至少高10倍,所以液氮的价格实际仅相当于液氦的1／100.液氮制冷设备简单,因此,现有的高温超导体虽然还必须用液氮冷却,但却被认为是20世纪科学上最伟大的发现之一. 高温超导体通常是指在液氮温度（77 K）以上超导的材料。人们在超导体被发现的时候（1911年），就被其奇特的性质（即零电阻，反磁性，和量子隧道效应）所吸引。但在此后长达七十五年的时间内所有已发现的

高温超导材料

高温超导材料 樊世敏 摘要自从1911年发现超导材料以来，先后经历了简单金属、合金，再到复杂化合物，超导转变温度也逐渐提高，目前，已经提高到164K(高压状态下)。本文主要介绍高温超导材料中的其中三类：钇系(YBCO)、铋系 )，以及高温超导材料的应用。与目前主要应用领(BSCCO)和二硼化镁(MgB 2 域相结合，对高温超导材料的发展方向提出展望。 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经有将近百年的历史，前期超导材料的温度一直处于低温领域，发展缓慢。直到1986年，高温超导（HTS）材料的发现，才进一步激发了研究高温超导材料的热潮。经过20多年的发展，已经形成工艺成熟的第一代HTS带材--BSCCO带材，目前正在研发第二代HTS带材--YBCO涂层导体，近一步强化了HTS带材在强电领域中的应用。与此同时，HTS薄膜和HTS块材的制备工艺也在不断地发展和完善，前者己经在强电领域得到了很好的应用，后者则在弱电领域中得到应用，并且有着非常广阔的应用前景。 2 高温超导体的发现简史 20世纪初，荷兰莱顿实验室科学家卡默林昂尼斯（H K Onnes）等人的不断努力下，将氦气液化［1-7］，在随后的1911年，昂尼斯等人测量了金属汞的低温电阻，发现了超导电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。从1911到1932年间，以研究元素超导为主，除汞以

外，又发现了Pb 、Sn 、Nb 等众多的金属元素超导体；从1932到1953年间，则发现了许多具有超导电性的合金，以及NaCl 结构的过渡金属碳化合物和氮化物，临界转变温度（Tc ）得到了进一步提高；随后，在1953到1973年间，发现了Tc 大于17K 的Nb 3Sn 等超导体。直到1986年，美国国际商用机器 公司在瑞士苏黎世实验室的科学家柏诺兹（J. G. Bednorz ）和缪勒（K. üller）首先制备出了Tc 为35K 的镧-钡-铜-氧（La-Ba-Cu-O ）高温氧化物超导体，高温超导材料的研究才取得了重大突破［10,11］。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被发现，成为了高温超导材料研究领域中一个划时代的标志，它使得高温超导材料的研究不只是停留在理论阶段［12］。到目前为止，人们已经发现了几千种超导材料，典型的超导材料临界转 变温度与发现时 间如图1所示。 一百多年来， 人们对于超导材 料的研究一直充 满兴趣。在2011 年，人们在全国 各地举行 了各种活动纪念超导 现象发现100周年，用以探讨超导材料的研究现状和发展方向。随着新超导材料被不断发现，超导材料的临界转变温度也不断被提高，理论机制获图1 超导体Tc 提高的历史简图

(完整word版)高温超导材料的研究进展

高温超导材料的研究进展 程长飞20091410404 引言 2O世纪8O年代后期高温超导的发现，在全球掀起了一股“超导热”。经过2O多年的研究发展，我国高温超导技术在超导材料技术、超导强电技术和超导弱电技术三个方面取得了重大进展和突破。在众多领域中，超导技术的应用具有非常突出的优点和不可取代的作用。随着高温超导材料和低温制冷技术的迅速发展，使超导技术的应用步伐迅速加快。超导技术在电力、通信、高新技术装备和军事装备等方面的应用也十分令人向往，具有重要的战略意义。 根据第五届国际超导工业峰会预测，高温超导应用技术将在今后5～10年时间达到实用化水平，并将在2010年前后形成较大规模的产业。到2010年，全球超导产业的产值预计将达到260亿美元，到2020年将达到2 400亿美元以上。超导技术将是21世纪具有光明前景的高新技术 一、超导的基本概述和基本原理 1911年发现，但直到1957年，美国科学家巴丁、库珀和施里弗在《物理学评论》提出BCS理论，其微观机理才得到一个令人满意的解释。BCS理论把超导

，库珀对在晶格当中可以无损耗的运动，形成超导电流。在BCS理论提出的同时，博戈留波夫（Bogoliubov）也独立的提出了超导电性的 的博戈留波夫变换至今为人常用。 电子间的直接相互作用是相互排斥的库仑力。如果仅仅存在库仑 直接作用的话，电子不能形成配对。但电子间还存在以晶格振动 正是这种吸引作用导致了“库珀对”的产生。大致上，其机理如下：电 变，形成一个局域的高正电荷区。这个局域的高正电荷区会吸引自旋相反的电子，和原来的电子以一定的结合能相结合配对。在很低的温度下，这个结合能可能高于晶格原子振动的能量，这样，电子对将不会和晶格发生能量交换，也就没有电阻，形成所谓“超导”。 BCS理论而获得1972 BCS理论并无法成功的解释所谓第二 二、高温超导材料概述 对超导现象，BCS 理论给出了比较满意的解释。而在应用方面，超导现象具有很宽敞的应用空间，具有很高的应用价值。到了现代， 人们一直致力于对超导材料的研究。在1968 此时

高温超导材料论文 最新

高温超导材料研究 摘要：简要介绍了高温超导材料及其发展历史，对超导材料的发展现状和用途进行说明，对目前超导材料的主要研制方法进行了分析。 关键词：超导材料研究进展高温应用 一、高温超导材料的发展历史 高温超导材料一般是指临界温度在绝对温度77K以上、电阻接近零的超导材料，通常可以在廉价的液氮（77K）制冷环境中使用，主要分为两种：钇钡铜氧（YBCO）和铋锶钙铜氧(BSCCO)。钇钡铜氧一般用于制备超导薄膜，应用在电子、通信等领域；铋锶钙铜氧主要用于线材的制造。 1911年，荷兰莱顿大学的卡末林·昂尼斯意外地发现，将汞冷却到-268.98°C时，汞的电阻突然消失；后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，卡末林·昂尼斯称之为超导态，他也因此获得了1913年诺贝尔奖。 1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质，当金属处在超导状态时，这一超导体内的磁感应强度为零，却把原来存在于体内的磁场排挤出去。对单晶锡球进行实验发现：锡球过渡到超导状态时，锡球周围的磁场突然发生变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了，人们将这种现象称之为“迈斯纳效应”。 自卡麦林·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

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

超导材料应用与制备概况

超导材料制备与应用概述 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4.2K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

高温超导材料及应用

高温超导材料及应用 《物理学在高新技术材料中的应用》 主要内容 .超导体的基本知识 .超导研究的历史 .高温超导体的发现和特性 .铁基高温超导体新进展 .超导材料的应用 一、超导体的基本知识 1、超导体的零电阻特性 .电阻为零R=0 （Superconductor） TC：超导临界温 度，T

高温超导体YBCO的电阻-温度曲线 2. Meissner效应 Meissner效应(完全抗磁性, 理想抗磁性) 完全抗磁性是指磁场中的金属处于超导状态时，体内的磁感应强度为零的现象。这一现象是荷兰科学家迈斯纳发现的，因此又称为迈斯纳效应。他在实验中发现，放在磁场中的球形的锡在过渡到超导态的时候，锡球周围的磁场都突然发生了变化，磁力线似乎一下子被排斥到导体之外。进一步研究发现，原来超导体表面能够产生一个无损耗的抗磁超导电流，这一电流产生的磁场，恰巧抵消了超导体内部的磁场。 磁感应强度B=0(超导体内) Meissner 和Ochsenfeld 1933年发现 ----和理想导体不同 ----存在一临界磁场 H> HC 超导态到.正常态 7 完全抗磁性 球体 置于外磁场中的超导体会表现出完全抗磁性，即超导体内部磁感应强度恒为零的现象—称为“迈斯纳效应” Meissner 效应 由于Meissner效应，磁铁和超导体之间存在很强的排斥作用，----磁悬浮 右图：小磁体悬浮在超导体上。 3. 表征超导体的重要物理量 .超导临界温度：Tc ~ 165 K (5万大气压), record, Hg-1223 .临界磁场：Hc .穿透深度：. λ磁场在超导体表面穿透进入超导体的深度，~ 10 –100 nm

REBCO高温超导材料-中国科学院固体物理研究所

报告人：上海交通大学姚忻教授 报告题目：REBCO高温超导材料（单晶，块体和膜）生长 科学和技术研究 时间：2012年4月6日上午10：00 地点：固体所三号楼3楼会议室 姚忻教授简介 姚忻1993年7月在英国利物浦大学获博士学位。1993年8月至2001年12月在日本国际超导研究所任主任研究员。2002年1月任上海交通大学物理系长江计划特聘教授。 超导体晶体生长对高温超导从机理到应用的重大突破具有重要意义，REBa2Cu3O z (REBCO)氧化物的非一致熔融特性引起的低生长速度和多组元引起的原子间相互替代，是大尺寸、高质量REBCO晶体生长面临的最主要问题。姚忻教授在解决大尺寸REBCO晶体生长和化学组分控制这一复杂的高科技问题方面，取得了多项国际领先水平的成果：研制成世界最大YBCO，NdBCO超导体大单晶，研制了多种REBCO单一和混合系统单晶体和外延膜。其中包括: 95年在高氧气氛下研制出92K的YBCO超导大单晶； 97年在大气环境下研制出95 K 的NdBCO超导大晶体。获9项国际发明专利。两次在美国召开的国际超导会议上与研究小组成员一起获“最大超导体单晶体及高质量晶体奖”，作为主要研究者名列第一。 2002年在交大组建晶体生长实验室，研制成最大体积SmBCO超导晶体；氧气氛下生长获得95K SmBCO超导单晶的最好成绩；研制成大尺寸（2英寸）REBCO超导晶片；系统地研究了REBCO薄膜过热现象、影响因素、机理和应用；报道了液相外延生长的面外和面内取向的YBCO厚膜生长和机制。同时晶体生长领域扩展到相关系、微观生长机制和物理现象的探索；并通过提供优质和具有特色的超导晶体，开展了广泛的国内外合作研究。

(完整word版)高温超导材料的制备方法

高温超导材料的制备方法氧化物超导材料作为一种陶瓷体，用于制备陶瓷的各种方法亦适用于制备氧化物超导材料。制备方法有固相法、液相法和气相法三种。 2.1 固相法 固相法以氧化物、碳酸盐粉末为原料，经称量、混合、锻烧、粉碎、混合、加压成型、烧结、冷却等几道工序制备氧化物超导材料。也有人用晶体生长的方法制备出氧化物超导单晶。固相法作为经典的方法，被广泛地应用。陈绍楷等人对传统的固相法合成YBCO粉进行了改进，降低了烧结时间，细化了粉径。但粉末的混合易引进杂质，粉料颗粒大小在1xE-6m以上且均匀性较差，样品烧结温度高，且容易产生杂相。 2.2液相法 液相法即将所用原料混合为均匀的溶液，通过共沉淀、溶胶一凝胶、蒸发溶剂热解、吸附等方法制得粉料或吸附体，再通过固相反应制备超导材料。 (1)共沉淀法 共沉淀法利用在水中溶解的原料，经反应生成不溶性的氢氧化物、草酸盐、硅酸盐、柠檬酸盐等。再经加热分解制得高纯度超微粉料。此方法可以广泛用来合成超导材料。经沉淀、过滤、水洗、干燥、锻烧、成型、烧结、冷却等几道工序。共沉淀法有粉料颗粒细小、混合均匀、表面活性高、固相反应完全、样品烧结温度低、致密、性能稳定及重现性好等优点。但沉淀剂为Na2CO3, K2CO3时，容易带进杂质离子，有时还存在沉淀不完全等问题。 (2)溶胶一凝胶法 溶胶一凝胶法(Sol-Gel)是利用金属醇盐活性高、易水解、易纯化、能溶于普通有机溶剂等特点，通过在有机溶剂中的分子级水平的混合，经水解、缩聚反应形成溶胶，再进一步反应形成凝胶，在较低的温度下和较短时间内烧结成高纯度、高均匀的材料，并且很容易制备板材、薄膜和纤维。 溶胶一凝胶法所得的粉料比表面大、活性高、纯度高、均匀性好、材料烧结温度低(低50℃-150℃)，工艺简单。它在超导材料的制备方面有广阔的应用前景。 (3)蒸发溶剂热解法 此法利用可溶性盐或在酸作用下能完全溶解的化合物为原料，在水中混合为均匀的溶液，通过加热蒸发或喷雾干燥蒸发溶剂，然后通过热分解反应得到混合氧化物粉料，再通过固相反应制备氧化物超导材料。 2.3气相法 气相法用于制备超导薄膜，有物理气相淀积((PVD)和化学气相淀积(CVD)两种。 (1)PVD法 采用蒸发、溅射、分子束外延等各种PVD技术成功地获得了零电阻80-90K 的YBa-Cu-O超导薄膜和零电阻超过100K的Bi-Sr-Ca-Cu-O和Tl-Ba-Cu-O超导薄膜。例如:Y Ba-Cu-O超导薄膜的制备技术有采用Y, Ba, Cu三源分开的电子束蒸发，采用YBaCuO源的纳秒脉冲激光蒸发，采用Y,Ba,Cu三个独立靶的射频反应磁控溅射，采用YBaCuO超导材料靶的直流或射频磁控溅射等。但一方面，此法需要昂贵设备且带有高真空系统，不适于通常的大规模生产:另一方面，PVD 膜一般都要在850℃以上进行后续性处理才能获得高温超导电性。这种热处理不仅使得薄膜表面粗糙不平不利于制作器件，而且也限制了衬底材料的选择范围，不利用于微电子领域。探索低温(集成电路工艺要求450℃以下)淀积成膜是一个努力的方向。

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

高温超导材料及其应用前景

大科技2015年9月高温超导材料及其应用前景 张闽 （湖南师范大学附属中学410006） 一百多年前，人们神奇的发现了一种对后世产生非常积极影响的材料—— —超导材料。在这一百多年里，科学家们一直在研究和探索超导材料，取得了巨大的成绩。现如今，超导材料的使用在我们的生活工作中是极其广泛的。 1高温超导材料 高温超导体具有着零电阻、抗磁性的特性，和超导材料一样都具备着其结构上的特性特征，高温超导材料就是超导材料中的一个小类，现在已经发现28种元素以及一千多种合金及化合物可以作为超导材料，我们平时听到的铜氧化物超导体就是我们现在说的高温超导材料。一提到高温大家肯定都会想到几百度、几千度甚至更多，但高温超导材料可不是实际意义上的高温，这个高温是相对超导材料而言的，超导材料的所需温度接近于绝对零度，然而高温超导材料也只是比原来的超导材料所需温度稍稍高一些，当然了，高温超导材料的所需温度还是在零下200℃左右的，虽然看上去温度还是很低，但在人们研究的这些超导材料中已经算是高的了，所以将这种超导材料定义为高温超导材料，在1911年突然发现超导材料的时候，科学家神奇的发现这些材料都具有电阻等于零、排斥磁力线和量子隧道效应的特性，科学家深深地被其吸引，并不断研究，可是在后来几十年的研究的超导材料还是只有在23K的极低温度下才能实现超导，这让超导材料的使用受到了极大地阻碍。 2高温超导材料的应用 高温超导材有稀土系（90K）、有铋系（110K）、有铊系（125K）、还有汞系（135K）这四种，上文介绍高温超导材料又叫铜氧化物超导体是因为它们都含有铜和氧，在导体表面会有一层结晶结构，就是铜氧层，这层结晶就是超导层。 在我们的现实生活中，高温超导材料已经得到了实际的应用。钇钡铜氧高温超导材料通常被我们用于制备超导薄膜，在电子、通信等领域得到了极大的应用。通讯基站运用了这种材料后通讯质量明显提高，电磁干扰显著减少；铋锶钙铜氧高温超导材料在电力的运输上起到了高效的作用，通常用在导线上，自从使用了铋锶钙铜氧高温超导材料在电力能源方面得到了良好的传输效果，并且极大地减少了电力能源在运输过程中的损耗，在环保方面、能源保护方面、经济方面等诸多方面铋锶钙铜氧高温超导材料都体现出了其强大的作用和优点。高温超导材料还应用到电动机上，传统的电动机耗电多、体积大、噪声大等，但相同功率的超导电动机具有造价低廉、环保节能、性能稳定、体积小巧和单机容量大等特性；就损耗能源来讲，在经济方面超导电动机相比普通电动机每年要少10亿美元的运行费用。在军事上高温超导电机也发挥着巨大的作用，使安装了高温超导电机的军舰性能更加优化，高效快捷、运行稳定并且空间布置更加灵活，最重要的是高温超导电机可以高速静音运行，这达到了很好的军事隐蔽功能。高温超导材料制成的超导储能装置可以很好将电磁能储存起来，利用超导线圈可以将多余的电磁能进行蓄能，如果这时候需要电能了，那么就会将电能释放出来可供使用，并且超导材料性能稳定，所以工作起来十分的平稳。同样，在我们的生活中也是能看到超导的影子，比如我们的交通工具。随着时代的发展，生活的改进，人们对出行运输的要求更加苛刻，因此，磁悬浮列车诞生。在众多交通工具中，超导磁悬浮列车非常的显眼，超导磁悬浮列车通过磁能的运用具有很多的优点，运行速度更快、安全系数更高、产生的运行噪音更低，运行冷却费用更少，这都无不展现了高温超导材料的优势，虽然超导磁悬浮列车的应用尚不广泛，但随着社会的发展、科技的进步，超导磁悬浮会进入主导地位。 3高温超导材料的未来使命 目前，很多地方都是通过煤炭来进行发电，但是这个过程中煤的消耗十分庞大，地下能源在日益枯竭，自然生态环境也在逐渐恶化，煤炭也在慢慢减少，全球上下都在面临着一个严峻的问题，就是资源枯竭，那么煤炭的作用是十分重要的。为了保护自然能源，水就成为了缓解资源枯竭的一个措施，利用水能发电，代替煤炭，可以有效解决这一问题。如今的社会人们离不开电，事事需要电，人们的生活与电可谓是形影不离，如今发电的途径主要依然还是通过火力，其次还有一些像风力、太阳能等发电方式，可毕竟还是不能满足人们的生活需求，根据上文的介绍，将高温超导材料应用在这一领域中可以取得良好的成果，相信在不久的将来，高温超导材料必然可以得到普及性应用。 参考文献 [1]马平，戴远东，甘子钊，杨小牛，华军.超导量子干涉器先进军用电子装备中的基础元件[J].真空电子技术，2009（01）. [2]李明亚，张宇，张梦龙，韩征和.铋系高温超导材料中3321相生成机理[J].稀有金属材料与工程，2008（S4）. [3]翟光荣，汪永华.高温超导及其在电力工业中的应用[J].安徽建筑工业学院学报（自然科学版），2012（01）. 收稿日期：2015-9-15 摘要：高温超导材料给人们的生产和生活带来了极大的便捷，本文主要分析高温超导材料的应用与未来前景。关键词：高温超导材料；应用前景；分析 中图分类号：TM26文献标识码：A文章编号：1004-7344（2015）27-0266-01 266