超导材料及其应用

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1、 超 导 材 料 超 导 应 用 汞 在 液 氦 附 近 电 阻 变 化 行 为 自 1911年 以 后 ， 又 发 现 了 23种 纯 金 属 也 具 有 超 导 性 。 包 括 水 银 在 内 ， 24种 纯 金 属 超 导 材 料 的 临 界 温 度 范 围 为0.1 9.13K， 最 高 温 度 9.13K的 是 铌 元 素 。 1952年 ， 发 现 了 临 界 温 度 为 17K的 硅 化 钒 ， 不 久 又 发 现了 临 界 温 度 为 18K的 铌 锡 合 金 ， 这 在 当 时 是 最 高 的 临 界 温度 ， 以 后 又 陆 续 发 现 了 若 干 铌 系 列 合 金 超

2、导 体 。 1973 年 ， 科 学 家 发 现 了 铌 锗 合 金 ， 其 临 界 温 度 为 23.2K，该 纪 录 保 持 了 13年 。 1986 年 ， IBM公 司 的 研 究 人 员 米 勒 和 贝 德 诺 尔 茨 发 现 了 一种 铜 氧 化 物 具 有 35K 的 高 温 超 导 性 ， 突 破 了 传 统 “ 氧 化 物陶 瓷 是 绝 缘 体 ” 的 观 念 ， 更 重 要 的 是 改 变 了 从 金 属 和 合 金中 寻 找 超 导 材 料 的 传 统 思 路 。 1986 年 底 ， 美 国 贝 尔 实 验 室 研 究 的 氧 化 物 超 导 材 料 ， 其 临界 超

3、导 温 度 达 到 40K， 液 氢 的 “ 温 度 壁 垒 ” 被 跨 越 。1987年 ， 中 国 科 学 家 赵 忠 贤 在 钇 -钡 -铜 -氧 系 材 料 上 把 临 界超 导 温 度 提 高 到 90K以 上 ， 液 氮 的 禁 区 （ 77K） 也 被 突 破 了 ，这 使 超 导 转 变 温 度 高 于 液 氮 的 气 化 温 度 ， 使 资 源 丰 富 、 价格 低 廉 的 液 氮 作 为 超 导 体 工 作 的 冷 却 剂 成 为 可 能 。 人 们 将这 类 铜 基 氧 化 物 超 导 体 叫 做 高 温 超 导 体 。 为 了 与 这 类 新 发现 的 高 温 超 导

4、体 相 区 别 ， 人 们 把 在 此 以 前 发 现 的 超 导 体 称为 低 温 超 导 体 。1987年 底 ， 铊 -钡 -钙 -铜 -氧 系 材 料 又 把 临 界 超 导 温 度 的 纪 录提 高 到 125K。1993年 ， 人 们 发 现 了 超 导 临 界 转 变 温 度 为 133K的 汞 -钡 -钙 -铜 -氧 系 材 料 。 2.2 铋 系 高 温 超 导 体 (BSCCO) 这 是 仅 次 于 钇 系 研 究 得 颇 为 透 彻 的 高 温 超导 体 。 1988年 初 日 本 人 用 便 宜 的 Bi2O3 代 替稀 土 ， 用 锶 、 钙 代 替 钡 在 BSCC

5、O系 中 发 现 了新 的 高 温 超 导 相 。 此 后 ,美 、 日 都 宣 布 发 现 了Tc=110 的 超 导 体 ， 经 研 究 BSCCO共 有Bi2Sr2CaCu2O8(Bi2212) 和 (Bi，Pb)2Sr2Ca2Cu3O10(Bi2223) 两 个 高 温 超 导相 ,前 者 的 Tc约 80 ,后 者 为 110 。 BSCCO 粉 具 有 极 好 的 烧 结 特 性 和 超 导 性 能 ， 目 前 已商 品 化 生 产 用 于 制 造 和 开 发 铋 系 线 材 。 2.3 铊 系 高 温 超 导 体 (TBCCO) 铊 系 高 温 超 导 体 是 继 钇 系 、 铋

6、 系 之 后 于1988年 发 现 的 第 三 种 高 温 超 导 体 。 目 前 已 合成 出 Tl 1212、 Tl 1223、 Tl 2212 和 Tl 2223 四 种 超 导 相 的 粉 末 。 近 年 来 对 TBCCO的 研究 表 明 ,用 它 们 有 望 获 得 高 Tc 的 薄 膜 、 多 晶 、厚 膜 和 带 材 。2.4其 它 超 导 体 如 汞 系 、 镧 系 、 Nb3Sn系 及 其 它 。 NbTi超 导 棒 材 NbTi/Cu多 芯 复 合 线NbTi/Cu多 芯 复 合 线 钇钡铜氧化物（ YBa2Cu3O 7-x ) 超导体 -Robert F. Server

7、ce.Science,295,786(2002). 二硼化镁超导材料 超 导 发 电 机 ， 拥 有 两 万 千 瓦 的 功 率1.2 超 导 电 机 超 导 电 机 包 括 发 电机 和 电 动 机 。 由 于 采 用了 超 导 绕 组 ， 与 常 规 电机 相 比 ， 能 够 承 载 更 大的 电 流 从 而 产 生 更 强 的磁 场 ， 所 以 在 与 常 规 电机 功 率 相 同 的 情 况 下 ，其 体 积 和 重 量 可 以 减 小到 常 规 电 机 的 1/5 左 右 。 超 导 悬 浮 列 车 由 于 超 导 体具 有 完 全 抗 磁 性 ,在 车 厢 底 部 装 备的 超 导

8、 线 圈 ,路 轨上 沿 途 安 放 金 属环 ,就 构 成 悬 浮 列车 。 当 列 车 启 动时 ,由 于 金 属 环 切割 磁 力 线 ,将 产 生 与 超 导 磁 场 方 向 相 反 的 感 生 磁 场 。 根 据 同 性 相斥 原 理 ,列 车 受 到 向 上 推 力 而 悬 浮 。 超 导 悬 浮 列 车 具 有 许 多 的 优点 :由 于 它 是 悬 浮 于 轨 道 上 行 驶 ,导 轨 与 机 车 间 不 存 在 任 何 实 际 接触 ,没 有 摩 擦 ,时 速 可 达 几 百 公 里 ； 磁 悬 浮 列 车 可 靠 性 大 ,维 修 简 便 ,成 本 低 ,能 源 消 耗 仅

9、 是 汽 车 的 一 半 、 飞 机 的 四 分 之 一 ； 噪 声 小 ,时速 达 300 公 里 / 小 时 ,噪 声 只 有 65 分 贝 ;以 电 为 动 力 ,沿 线 不 排 放 废 气 ,无 污 染 ,是 一 种 绿 色 的 交 通 工 具 。 超 导 变 压 器 使 用 超 导 绕 组 制 成 的 超 导 变 压 器 可 以 大 大 地 减 小 变 压 器 的体 积 和 重 量 ， 并 杜 绝 了 传 统 变 压 器 可 能 造 成 的 油 污 染 。 由 于 超导 绕 组 具 有 较 低 的 损 耗 ， 所 以 运 行 时 也 可 减 少 能 量 损 失 。 超 导 储 能 装

10、 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 它 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 存 的 能 量几 乎 可 以 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 甚 至 消 除

11、电 网 的 低 频 功 率 振荡 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 。 超 导 在 加 速 器 上 的 应 用不 仅 在 过 去 的 几 十 年 不 断 有 以 超 导磁 体 为 核 心 技 术 的 超 导 加 速 器 在 建造 , 未 来 的 加 速 器 方 案 中 仍 将 主 要采 用 超 导 技 术 方 案 , 超 导 技 术 在 大型 粒 子 加 速 器 建 造 中 的 核 心 地 位 仍没 有 动 摇 。 迄 今 为 止 液 氦 冷 却 的 铌及 其 合

12、 金 仍 是 最 好 的 选 择 , 但 是 基于 铌 合 金 的 超 导 磁 体 和 基 于 高 纯 铌的 超 导 腔 性 能 都 已 逼 近 其 极 限 水 平 , 因 此 , 人 们 对 于 高 温 超 导 材 料 以 及最 新 发 现 的 MgB2 超 导 体 应 用 于 粒子 加 速 器 寄 以 厚 望 。 超 导 在 加 速 器 中 应 用 主 要 体 现 在 两 个 方 面 , 一 是 提 供 强 磁 场 B的 超 导 磁 体 ， 二 是 提 供 加 速 场 强 E的 超 导 谐 振腔 。 前 者 应 用 于 回 旋 加 速 器 中 , 用 于 约 束 粒 子 于 回 旋 的 轨 道 中 ,后 者 用 于 给 粒 子 提 供 加 速 场 强 。