文档介绍：超导材料研究及应用进展
《科学新闻》2007 年 3 月第 1 期
图 1:超导体临界温度随年代的变化
图 2:75m 、 交流高温超导电缆
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。后来他又发现许多金属(例如铝、锡)和合金都具有与水银
相类似的特性:在低温下电阻为零(这一温度叫超导材料的临界温度),由于它的特殊导电性
能,昂尼斯称之为超导态。
总体来说,超导材料的发展经历了一个从简单到复杂,即由一元系到二元系、三元系
以至多元系的过程,如图 1 所示。在 1911~1932 年间,以研究元素超导体为主,除 Hg
外,又发现了 Pd、Sn、In、Ta、Nb、Ti 等众多的元素超导体。现在已知,在元素周期表
中有 50 多种元素具有超导电性。在 1932~1953 年间,则发现了许多具有超导电性的合
金、以及过渡金属碳化物和氮化物,临界转变温度(Tc)得到了进一步的提高。随后,在
1953~1973 年间,发现了一系列 A15 型(如 Nb3Sn,V3Ga,Nb3Ge)超导体,使 Tc
值上升到 。1986 年以后发现的多元系氧化物超导体使临界温度值在 10 年的时间里
提高到了 160K。
在高温超导体出现以前,使用在液氦温度下的低温超导材料经过二十余年研究与发展
获得了成功。以 NbTi、Nb3Sn 为代表的实用超导材料已实现了商品化,在核磁共振人体
成像、超导磁体及大型加速器磁体等多个领域获得了应用。但是,由于常规低温超导体的临
界温度太低,必须在昂贵复杂的液氦()系统中使用,因而严重限制了低温超导应用
的发展。
1986 年高温氧化物超导体的出现,突破了温度壁垒,把超导应用的温度从液氦提高到
了液氮温区。同液氦相比,液氮是一种非常经济的冷媒,并且具有较高的热容量,给工程应
用带来了极大的方便。另外,高温超导体都具有相当高的上临界场,能够用来产生 20 T 以
上的强磁场,这正好克服了常规低温超导材料的不足之处。正因为这些优点,吸引了大量的
科学工作者采用最先进的技术装备,对高临界温度超导机制、材料的物理特性、化学性质、
合成工艺及显微组织进行了广泛和深入的研究。
本文将着重介绍最近 10 年来在高温超导材料及其应用领域取得的重要进展。
高温超导材料进展
目前高温超导材料指的是: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(MgB2)。氧化物高温超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。
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