關于超導的發展與應用

馬子席 馬崗崗 劉云鵬

摘要：這篇論文里我簡單介紹下與超導有關的概念，超導材料，超導的簡史，超導的研究現狀及對超導應用的前景展望

關鍵字：超導；超導體；超導現象；超導材料；超導技術；超導應用

1911年荷蘭萊頓大學的H·卡茂林·昂內斯在研究水銀低溫電阻時首先發現了超導現象。后來又陸續發現了一些金屬、合金和化合物在低溫時電阻也變為零，即具有超導現象。物質在超低溫下，失去電阻的性質稱為超導電性；相應的具有這種性質的物質就稱這超導體。超導材料具有的優異特性使它從被發現之日起，就向人類展示了誘人的應用前景。目前，超導材料已被應用于很多領域，本文擬就超導材料的分類、性質、應用、原理等方面展開論述，以幫助人們更好的認識超導材料。

超導材料是在低溫條件下能出現超導電性的物質。超導材料最獨特的性能是電能在輸送過程中幾乎不會損失。超導材料的發展經歷了從低溫到高溫的過程，經過無數科學家的努力，超導材料的研究已經取得了巨大的發展。近年來，隨著材料科學的發展，超導材料的性能不斷優化，實現超導的臨界溫度也越來越高。高溫超導材料的制備工藝也得到了長足的發展，一些制備高溫超導材料的材料陸續被科學家發現。現在，超導材料的研究主要集中在超導輸電線纜，超導變壓器等電力系統方面，還有，利用超導材料可以形成強磁場，是超導材料在磁懸浮列車的研究上有了用武之地，另外，超導材料在醫學，生物學領域也取得了很大的成就。超導材料的研究未來，超導材料的研究將會努力向實用化發展。一旦室溫超導體達到實用化、工業化，將對現代文明社會中的科學技術產生深刻的影響。

它分為元素超導體、合金和化合物超導體，有機高分子超導體三類。

低溫階段，在梅斯勒發現超導體的抗磁性之后（相繼有荷蘭物理學家埃倫弗斯特根據有關的超導 體在液氦中比熱不連續現象（提出熱力學中二級相變的概念）柯特和卡西米爾提出超導的二 流體模型）德國物理學家F·倫敦和H·倫敦兄弟提出超導電性的電動力學唯相理論（即倫敦方程）；度海森伯根據電子間的庫侖相互作用，提出了一種超導微觀理論，波爾提出了另一種微觀理論；前蘇聯物理學家阿布里科索夫提出第二類超導體的概念；巴丁/庫伯和施里費提出了BCS理論，賈埃弗發現超導體中的單電子隧道效應；約毖夫森提出了約毖夫森效應等等。1934—1985年，人們對超導體在理論上和實驗上都作了廣泛的研究，使超導物理學理論逐步發展，超導材料逐步應用于實際科學技術領域。由于人們在一定條件下認識水平的局限性以及其它一些原因，直到今天，超導物理學理論尚不完善，實際應用也不廣泛。在這一階段，人們研究的超導材料臨界轉變溫度較低，所以，在超導史上，這一時期屬于低溫超導階段。

高溫階段，目前，高溫超導材料指的是：釔系（92 K）、鉍系（110 K）、鉈系（125 K）和汞系（135 K）以及2001年1月發現的新型超導體二硼化鎂（39 K）。其中最有實用價值的是鉍系、釔系（YBCO）和二硼化鎂（MgB2）。氧化物高溫超導材料是以銅氧化物為組分的具有鈣鈦礦層狀結構的復雜物質，在正常態它們都是不良導體。同低溫超導體相比，高溫超導材料具有明顯的各向異性，在垂直和平行于銅氧結構層方向上的物理性質差別很大。高溫超導體屬于非理想的第II類超導體。且具有比低溫超導體更高的臨界磁場和臨界電流，因此是更接近于實用的超導材料。特別是在低溫下的性能比傳統超導體高得多。高溫超導材料已進入實用化的研究開發階段，氧化物復合超導材料的耐用（robustness） 和穩定性已引起材料科學家的廣泛重視。 由于高溫超導薄膜材料較早進入電子學器件的應用領域，很多學者做了薄膜材料與環境相關的穩定性和壽命研究工作。浸泡實驗是一種常用的方法：在不同試劑 （水、酒精和丙酮等）、不同氣氛（干氮、濕氮和流動氧等）中做周期循環和熱時效疲勞試驗。研究表明， 超導電性的退化主要來自于雜相 （第二相） 及時效過程中的析出相。美國西北大學的Mirkin建議把在其它材料中應用已十分廣泛的分子單層表面化學改性（又稱“自裝配，Self assembly”） 引入到高溫超導銅氧化合物中來。例如用有機物對YBCO表面進行分子單層表面改性，以此改善薄膜對環境的敏感性。高溫超導帶材以鉍鍶鈣銅氧（BSCCO/2223）系為第一代帶材，它以優良的可加工性而得到了廣泛的開發，并在超導強電應用領域占據重要位置。但鉍系材料的實用臨界電流密度 較低，并且在77 K的應用磁場也很低。相反，YBCO材料在77 K的超導電性遠優于BSCCO材料；然而它的可加工性卻極差，傳統的壓力加工和熱處理工藝難以做出超導性好的帶材。

超導現象早在1911年就為世人所知。目前我國關于超導技術的各項研發均已步入正軌，且進入產業化運作，現已普遍運營在電力行業、通信領域、軍事領域以及醫療領域等。

在我國關于超導的研發中，超導材料經營經歷了低溫到高溫的研發，第一代材料已經研究成熟，第二代材料由于其成本低更適用于產業化運作而被市場看好；超導產品品類逐漸增加，現已進行產業化運作的有超導電纜、超導限流器、超導濾波器、超導儲能等。雖然與國際尚有一定的差距，但部分領域的研發已經處于國際先進水平。

超導材料按其化學成分可分為元素材料、合金材料、化合物材料和超導陶瓷。①超導元素：在常壓下有28種元素具超導電性，其中鈮（Nb）的Tc最高，為9.26K。電工中實際應用的主要是鈮和鉛（Pb，Tc=7.201K），已用于制造超導交流電力電纜、高Q值諧振腔等。② 合金材料： 超導元素加入某些其他元素作合金成分， 可以使超導材料的全部性能提高。如最先應用的鈮鋯合金（Nb-75Zr），其Tc為10.8K，Hc為8.7特。繼后發展了鈮鈦合金，雖然Tc稍低了些，但Hc高得多，在給定磁場能承載更大電流。其性能是Nb-33Ti，Tc=9.3K，Hc=11.0特；Nb-60Ti，Tc=9.3K，Hc=12特（4.2K）。如今鈮鈦合金是用于7～8特磁場下的主要超導磁體材料。鈮鈦合金再加入鉭的三元合金，性能進一步提高，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超導化合物：超導元素與其他元素化合常有很好的超導性能。如已大量使用的Nb3Sn，其Tc=18.1K，Hc=24.5特。其他重要的超導化合物還有V3Ga，Tc=16.8K，Hc=24特；Nb3Al，Tc=18.8K，Hc=30特。④超導陶瓷：20世紀80年代初，米勒和貝德諾爾茨開始注意到某些氧化物陶瓷材料可能有超導電性，他們的小組對一些材料進行了試驗，于1986年在鑭-鋇-銅-氧化物中發現了Tc=35K的超導電性。1987年，中國、美國、日本等國科學家在鋇-釔-銅氧化物中發現Tc處于液氮溫區有超導電性，使超導陶瓷成為極有發展前景的超導材料。

結論 超導體得天獨厚的特性，使它可能在各種領域得到廣泛的應用。但由于早期的超導體存在于液氦極低溫度條件下，極大地限制了超導材料的應用。自1911年荷蘭科學家卡末林、昂尼斯發現“超導”現象至今，世界各國的科學家從未間斷過對“超導”的研究，特別是進入20世紀80年代以來，隨著1987年中國、日本和美國科學家采用金屬氧化物，將超導臨界溫度提高，使超導體前進了一大步，從而引起了一場前所未有的“超導大戰”。近年來，世界各國紛紛投入巨資加緊研究與開發，不斷推動超導技術產生新的飛躍。當日本宣布獲得了175K的超導材料后不久，美、中、俄、聯邦德國、丹麥等國也都相繼有了突破性的研究報告，有的甚至已看到了308K的超導跡象，即已達到常溫的轉變溫度。這表明，超導技術廣泛應用的時代即將來臨。

參考文獻：

【1】林良真.我國超導技術研究進展及展望[J].電工技術學報，2005年

【2】韓汝姍，高溫超導物理，北京大學出版社，1998年