超导材料含义

超导材料又称为超导体,是在某一温度下电阻为零的导体.而超导材料不仅具有零电阻的特性,还可以完全抗磁性.因此超导材料在传输过程中几乎没有能量耗损,还能在每平方厘米上承载更强的电流.

超导材料发展历史

1911年,Heike Kamer-Onnes在温度4.2K(-268.97℃)时用液氮冷却汞时发现汞的电阻为零,发现了超导电性规律.

1973年科学家发现了保持了近十三年记录、超导转变温度为32.4K(-249.92℃)的超导合金---铌锗合金.

1896年IBM公司的柏诺兹(J.Bednorz)和缪勒(K.Muller)独辟蹊径,在一般认为导电性不好的陶瓷材料中去探索超导电性,结果他们在La-Ba-Cu-O体系中首次发现了可能存在超导电性,其Tc(临界转变温度)高达35K.这一发现引发了世界范围高温超导研究热潮.

1987年,美国休斯顿大学的朱经武、吴茂昆研究组和中国科学院物理研究所的赵忠贤研究团队分别独立发现了YBa2Cu3O6+体系存在90K以上的Tc.超导研究首次成功突破了液氮温区(液氮的沸点为77K),使得超导的大规模研究和应用成为可能.1994年,朱经武研究组在高压条件下把Hg2Ba2Ca2Cu3O10体系的Tc提高到了164K,这一最高Tc记录一直保持至今.2006年,日本的细野秀雄(H.Hosono)发现LaFeAsO1-xFx中存在26K的超导电性,开创了铁基超导的先河.之后在国际上引发了以铁基超导研究领衔的高温超导研究的第二波热潮.

超导材料种类

1、超导元素

在常压下有28种元素具有超导电性,其中铌(Nb)的Tc最高,为9.26K.电工中实际应用的主要是铌和铅(Pb,Tc=7.201K),已用于制造超导交流电力电缆、高Q值谐振腔等.

2、合金材料

超导元素加入某些其他元素作合金成分, 可以使超导材料的全部性能提高.如最先应用的铌锆合金(Nb-75Zr),其Tc为10.8K,Hc为8.7特.继发展了铌钛合金,虽然Tc稍低了些,但Hc高得多,在给定磁场能承载更大电流.其性能是Nb-33Ti,Tc=9.3K,Hc=11.0特;Nb-60Ti,Tc=9.3K,Hc=12特(4.2K).三元合金,性能进一步提高,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、超导化合物

超导元素与其他元素化合常有很好的超导性能.如已大量使用的Nb3Sn,其Tc=18.1K,Hc=24.5特.其他重要的超导化合物还有V3Ga,Tc=16.8K,Hc=24特;Nb3Al,Tc=18.8K,Hc=30特.

4、超导陶瓷

20世纪80年代初,米勒和贝德诺尔茨开始注意到某些氧化物陶瓷材料可能有超导电性,他们的小组对一些材料进行了试验,于1986年在镧-钡-铜-氧化物中发现了Tc=35K的超导电性.1987年,中国、美国、日本等国科学家在钡-钇-铜氧化物中发现Tc处于液氮温区有超导电性,使超导陶瓷成为极有发展前景的超导材料.

超导材料的应用

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.到80年代,超导材料的应用主要有:①利用材料的超导电性可制作磁体,应用于电机、高能粒子加速器、磁悬浮运输、受控热核反应、储能等;可制作电力电缆,用于大容量输电(功率可达10000MVA);可制作通信电缆和天线,其性能优于常规材料.②利用材料的完全抗磁性可制作无摩擦陀螺仪和轴承.③利用约瑟夫森效应可制作一系列精密测量仪表以及辐射探测器、微波发生器、逻辑元件等.