材料物理性能第十三章超導(dǎo)材料(1)

1、1第十三章 超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料 w 某些物質(zhì)當(dāng)冷卻到臨界溫度以下時(shí)，同時(shí)產(chǎn)生零電阻率和排斥磁場的能力，這種現(xiàn)象被稱為超導(dǎo)電性，該類材料稱為超導(dǎo)體或超導(dǎo)材料。電力設(shè)備采用該類材料后，可以具有傳統(tǒng)設(shè)備根本無法達(dá)到的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)效益；有利于設(shè)備的小型化、輕量化及高效化；能抑制大電網(wǎng)的短路電流；可解決遠(yuǎn)距離、大容量輸電的穩(wěn)定性問題；能提高高密度輸電的可靠性等等。 2w 1911年LK.Onners發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)電性后，人們一直在努力尋找更高臨界溫度的超導(dǎo)體。1986年J.G.Bednorz和K.A.Mller發(fā)現(xiàn)了高溫氧化物超導(dǎo)體在35K下的超導(dǎo)現(xiàn)象，隨后在短短十年間臨界溫度提高到了160K，這個(gè)溫度是在豐富

2、而廉價(jià)的液氮的沸點(diǎn)(77K)以上，因而被稱為高溫超導(dǎo)，它使超導(dǎo)性的應(yīng)用變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，從此超導(dǎo)體在全世界范圍內(nèi)引起公眾、政府的極大關(guān)注。各國眾多科學(xué)工作者都參與了超導(dǎo)研究工作，人們期望著高溫超導(dǎo)體的發(fā)展與應(yīng)用最終會(huì)給社會(huì)帶來巨大的技術(shù)與變革。 3第一節(jié) 超導(dǎo)材料的基本特征及微觀結(jié)構(gòu) w 1.1 超導(dǎo)電體的基本物理性質(zhì)w 1.1.1 零電阻效應(yīng)w 當(dāng)溫度T下降至某一數(shù)值以下時(shí)，超導(dǎo)體的電阻突然變?yōu)榱?，這就稱為超導(dǎo)體的零 電阻效應(yīng)。電阻突然消失的溫度稱為超導(dǎo)體的臨界溫度Tc。圖131是汞在液氦溫度附近電阻的變化行為。 4w 對于溫度為T(TTc)的超導(dǎo)體，當(dāng)外加磁場超過某一數(shù)值Hc的時(shí)候，超導(dǎo)電性就被破

3、壞了，這個(gè)磁場強(qiáng)度稱為臨界磁場。在臨界溫度Tc，臨界磁場為零。w 實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在無外加電場時(shí)，超導(dǎo)體中如果通入足夠強(qiáng)的電流，超導(dǎo)電性也會(huì)遭到破壞，此時(shí)的電流稱為臨界電流Ic(T)。 5w 要使超導(dǎo)體處于超導(dǎo)狀態(tài)，必須將條件控制在三個(gè)臨界參數(shù)Tc、Hc、Ic之下，不滿足任何一個(gè)條件，超導(dǎo)狀態(tài)都會(huì)立即消失。其中Tc、Hc是材料的本征參數(shù)，只與材料的電子結(jié)構(gòu)有關(guān)，而Hc、Ic則彼此有關(guān)并依賴于溫度。圖132是三者的關(guān)系圖，臨界面以下為超導(dǎo)態(tài)，其余為常態(tài)。 61.1. 2 完全抗磁性w 1933年，德國科學(xué)家 W.Meissner 和R.Ochsenfeld 對錫單晶球超導(dǎo)體做磁場分布測量時(shí)發(fā)現(xiàn)在小磁場

4、中把金屬冷卻進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)時(shí)，超導(dǎo)體內(nèi)的磁通線幾乎一下子被排斥出去，保持體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度B等于零，即金屬在超導(dǎo)電狀態(tài)的磁化率為-1，如圖133所示。 7w 邁斯納效應(yīng)揭示了超導(dǎo)態(tài)是一個(gè)熱力學(xué)平衡狀態(tài)。從零電阻效應(yīng)無法推導(dǎo)出邁斯納效應(yīng)，同樣用邁斯納效應(yīng)也不能描述零電阻現(xiàn)象，二者是超導(dǎo)態(tài)的兩個(gè)獨(dú)立的基本屬性，一種材料只有同時(shí)具有零電阻和邁斯納效應(yīng)時(shí)才具有超導(dǎo)性。 81.2 傳統(tǒng)超導(dǎo)電體的超導(dǎo)電性理論 w 1.2.1 唯象理論w A 二流體模型超導(dǎo)體的熱力學(xué)模型w 在超導(dǎo)微觀理論建立之前，曾經(jīng)出現(xiàn)過各種唯象模型，唯象模型的概念比較容易接受，理論不太復(fù)雜，對于理解和聯(lián)系超導(dǎo)體的各種主要性質(zhì)有幫助。但由于它的

5、局限性，不能從根本上解決問題。由Gotter,C.J.和Casimir，H.B.G.提出的二流體模型的概念如下： 9w 1 金屬處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)公有化的自由電子分為兩部分：正常電子和超流電子。兩部分電子氣體占據(jù)同一體積，在空間上互相滲透，彼此獨(dú)立地運(yùn)動(dòng)。超流電子在晶格中無阻地流動(dòng)，它占電子總數(shù)的Ns/N, 兩種電子相對的數(shù)目是溫度的函數(shù)。w 2 正常電子的性質(zhì)與正常金屬自由基電子氣體相同，都受到振動(dòng)晶格的散射而產(chǎn)生電阻，因?yàn)樗鼈冏鲭s亂運(yùn)動(dòng)，對熵也有貢獻(xiàn)。 10w 3 超流電子處于一種凝聚狀態(tài)，即它們聚集在某個(gè)最低能量狀態(tài)，比正常狀態(tài)更加有序。，這種狀態(tài)的特點(diǎn)是電子不受晶格的散射，因?yàn)槭亲畹湍芰繝顟B(tài)

6、，所以超流子對熵沒有貢獻(xiàn)。w 4 超導(dǎo)態(tài)是一個(gè)有序化的狀態(tài)，轉(zhuǎn)入超導(dǎo)態(tài)時(shí)晶格沒有變化，所以這種有序化發(fā)生在電子氣體中。在Tc以上沒有有序化，也沒有凝聚；TTc時(shí)，開始發(fā)生凝聚，溫度越低，凝聚的超流電子數(shù)目越多，T0時(shí)，全部電子凝聚。 11w 按照上述理論，在Tc以下，電阻立即消失，因?yàn)槌髯拥倪\(yùn)動(dòng)是無阻尼的，金屬中存在的電流完全是超流子的運(yùn)動(dòng)造成的。出現(xiàn)超流子后，金屬內(nèi)就不能存在電場，正常電子不負(fù)載電流，所以沒有電阻效應(yīng)。該理論成功地解釋了超導(dǎo)體的零電阻現(xiàn)象以及許多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，同時(shí)也為倫敦方程提供了理論基礎(chǔ)。 12B 倫敦方程超導(dǎo)體的電磁理論 w 倫敦兄弟(F.London， H.London)

7、在二流體模型的基礎(chǔ)上，提出了超導(dǎo)電流與電磁場關(guān)系的方程，與Maxwell方程構(gòu)成了超導(dǎo)體的電動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)。兩個(gè)倫敦方程可以概括零電阻效應(yīng)和邁斯納效應(yīng)，并預(yù)言了超導(dǎo)體表面上的磁場穿透深度。w 此外還有Ginsberg-Landau 理論等對于在恒定磁場中的超導(dǎo)體行為給予了更適當(dāng)?shù)拿枋?。該理論也能預(yù)言邁斯納效應(yīng)，并且還可以反應(yīng)超導(dǎo)體宏觀效應(yīng)的一系列性質(zhì)。 131.2.2 傳統(tǒng)超導(dǎo)電體的微觀機(jī)制 w 20年代初，同位素效應(yīng)、超導(dǎo)能隙等發(fā)現(xiàn)取得了很大成功。w 同位素效應(yīng)是麥克斯韋和雷諾在1950年各自測量水銀的同位素的臨界轉(zhuǎn)變溫度時(shí)發(fā)現(xiàn)的。隨著水銀同位素質(zhì)量的增高，臨界溫度降低，同位素效應(yīng)把晶格與電子聯(lián)

8、系起來了。描述晶格振動(dòng)的能量子稱為聲子，同位素效應(yīng)解釋了電子聲子的相互作用與超導(dǎo)電性有著密切關(guān)系。 14w 20世紀(jì)50年代弗洛里希 (H.Frolich) 提出電子聲子相互作用是高溫下引起電阻的原因，而低溫下導(dǎo)致超導(dǎo)電性。隨后的超導(dǎo)能隙理論認(rèn)為T0K時(shí)，超導(dǎo)態(tài)的電子能譜與正常金屬不同，在費(fèi)米能級附近，存在一個(gè)能量間隙，這個(gè)間隙內(nèi)不能有電子存在，這個(gè)間隙稱為超導(dǎo)能隙(或2)。在絕對零度，能量處于能隙下邊緣以下的各態(tài)全被占據(jù)，而能隙以上的各態(tài)則全空，這就是超導(dǎo)基態(tài)。超導(dǎo)能隙的出現(xiàn)反應(yīng)了電子結(jié)構(gòu)在從正常態(tài)向超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變過程中發(fā)生了深刻的變化。 15w 庫柏電子對理論是現(xiàn)代超導(dǎo)理論的基礎(chǔ)，該理論認(rèn)為超

9、導(dǎo)態(tài)是由正則動(dòng)量為零的超導(dǎo)電子組成的，它是動(dòng)量空間的凝聚現(xiàn)象，要發(fā)生凝聚現(xiàn)象，必須有吸引的作用存在當(dāng)電子間存在這種凈吸引作用時(shí)，費(fèi)米面附近存在一個(gè)動(dòng)量大小相等而方向相反且自旋相反的兩電子束縛態(tài)，它的能量比兩個(gè)獨(dú)立的電子的總能量低，這種束縛態(tài)電子對稱為庫柏對。 16w 皮帕德(A.B.Pippard)的相干長度理論證明電子從正常區(qū)移動(dòng)到超導(dǎo)區(qū)時(shí)，其波函數(shù)不能從它的正常態(tài)值突然轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)的值，這種轉(zhuǎn)變只能發(fā)生在一個(gè)相干長度上，相干長度描述了配對電子之間的距離。 17w 1957年， J.Bardeen、 L.N.Cooper和 J.R.Schrieffer提出了BCS超導(dǎo)電性量子理論，也就是BC

10、S超導(dǎo)微觀理論。其主要內(nèi)容有：電子間的相互吸引作用形成的庫柏電子對會(huì)導(dǎo)致能隙的存在。元素或合金的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度與費(fèi)米面附近的電子能態(tài)密度和電子聲子相互作用能U有關(guān)。BCS理論可以得到磁通量子化的結(jié)論，它第一個(gè)成功地解釋了超導(dǎo)現(xiàn)象的微觀理論，也是目前唯一成功的超導(dǎo)微觀理論。 181.3 兩類超導(dǎo)電體的基本特征 w 超導(dǎo)態(tài)按其磁化特征可分為兩類：w (一) 第一類超導(dǎo)體w 除釩、鈮、鉭外的超導(dǎo)元素屬于第一類超導(dǎo)體，第一類超導(dǎo)體只有一個(gè)臨界磁場，其磁化曲線如圖134(a) 所示。在超導(dǎo)態(tài)，滿足M/H=1，具有邁斯納效應(yīng)。 19(二) 第二類超導(dǎo)體w 第二類超導(dǎo)體有兩個(gè)臨界磁場，即上臨界磁場Hc2和下臨

11、界磁場Hc1，如圖13-4(b)所示。當(dāng)外加磁場小于下臨界磁場Hc1時(shí)，第二類導(dǎo)體處于邁斯納狀態(tài)，磁通被完全排出體外，具有同第一類超導(dǎo)體一樣的行為。當(dāng)外加磁場增加至上臨界磁場Hc2和下臨界磁場Hc1之間時(shí)，第二類超導(dǎo)體處于混合態(tài)，也稱渦旋態(tài)。這時(shí)體內(nèi)有部分磁通穿過，體內(nèi)即有超導(dǎo)態(tài)部分，又有正常態(tài)部分。 20w 超導(dǎo)體分為第一類超導(dǎo)體和第二類超導(dǎo)體的關(guān)鍵在于超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)之間存在著界面能。第一類超導(dǎo)體的界面能為正值，超導(dǎo)態(tài)正常態(tài)界面的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致體系能量的上升，因此不存在超導(dǎo)態(tài)與正常態(tài)共存的混合態(tài)，這類超導(dǎo)體從超導(dǎo)態(tài)向正常態(tài)過渡時(shí)，不經(jīng)過混合態(tài)； 21w 而第二類超導(dǎo)體的界面能為負(fù)值，表明超導(dǎo)態(tài)正

12、常態(tài)界面的出現(xiàn)對降低體系的能量有利，體系中將出現(xiàn)混合態(tài)。超導(dǎo)體只有當(dāng)臨界溫度、臨界磁場、臨界電流較高時(shí)才有實(shí)用價(jià)值，第一類超導(dǎo)體的臨界磁場較低，因此應(yīng)用十分有限。第二類超導(dǎo)體的臨界磁場明顯地高于第一類超導(dǎo)體，目前有實(shí)用價(jià)值的超導(dǎo)體都是第二類超導(dǎo)體。 221.4 超導(dǎo)隧道效應(yīng) w 兩個(gè)空間區(qū)域被一個(gè)勢壘分隔開后，按照經(jīng)典力學(xué)的觀點(diǎn)，粒子只有在具備足夠的能量時(shí)方可越過勢壘，從一個(gè)空間進(jìn)入另一個(gè)空間。而量子力學(xué)則認(rèn)為一個(gè)能量不大的粒子也可能以一定的機(jī)率穿過勢壘，這就是“隧道效應(yīng)”。超導(dǎo)隧道效應(yīng)在超導(dǎo)技術(shù)中占有重要地位。超導(dǎo)體的隧道效應(yīng)主要有庫柏對成對電子的隧道效應(yīng)和庫柏對分裂為兩個(gè)準(zhǔn)粒子后，單電子的

13、隧道效應(yīng)。 23w 一正常金屬N和一個(gè)超導(dǎo)體S，中間為絕緣體I則形成了SIN結(jié)。如果I層足夠薄，在幾十至幾百納米之間，電子就有相當(dāng)大的幾率穿越I層。SIN隧道效應(yīng)的電子能帶示意圖見圖13- 5。當(dāng)沒有外加電壓的情況下，不產(chǎn)生隧道電流；當(dāng)S端加一個(gè)正電壓U時(shí)，在U/e時(shí)，隧道電流隨U的特性而增加，見圖136。SIS結(jié)的隧道效應(yīng)能帶分布及IU曲線見圖135和136。 24w 正常電子穿越勢壘，隧道電流是有電阻的，但如果絕緣介質(zhì)的厚度只有1納米時(shí)，則將會(huì)出現(xiàn)新的隧道現(xiàn)象，即庫柏電子對的隧道效應(yīng)，電子對穿越勢壘后仍保持著配對狀態(tài)。這就是約瑟夫隧道效應(yīng)。在不加任何外電場時(shí)，有直流電流通過結(jié)，這就是直流約

14、瑟夫效應(yīng)。 25w 當(dāng)外加一直流電壓時(shí)，結(jié)可以產(chǎn)生單粒子隧道效應(yīng)，結(jié)區(qū)將產(chǎn)生一個(gè)射頻電流，結(jié)將以同樣的頻率向外輻射電磁波，這就是交流約瑟夫效應(yīng)，即在結(jié)的兩端施加電壓能使得結(jié)產(chǎn)生交變電流和輻射電磁波；對節(jié)進(jìn)行微波輻照，則結(jié)的兩端將產(chǎn)生一定電壓的疊加。 26第二節(jié) 超導(dǎo)材料的分類 w 2.1 常規(guī)超導(dǎo)體w 相對于高溫超導(dǎo)體而言，元素、合金和化合物超導(dǎo)體的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度較低，超導(dǎo)機(jī)理可以用BCS理論進(jìn)行解釋，因此被稱為常規(guī)超導(dǎo)體。w 2.1.1 超導(dǎo)元素w 一些元素在常壓及高壓下具有超導(dǎo)電性能，另外一些元素經(jīng)特殊處理后，顯示出超導(dǎo)電性。周期表中的超導(dǎo)元素見圖137。 272.1.2 超導(dǎo)合金及超導(dǎo)化合

15、物 w 超導(dǎo)合金或化合物在技術(shù)上有重要價(jià)值，它們大多是第二類超導(dǎo)體，具有較高的臨界溫度和特別高的臨界磁場和臨界電流密度，超導(dǎo)合金具有塑性好，易于大量生產(chǎn)、成本低等優(yōu)點(diǎn)。w Nb-Ti合金是實(shí)用超導(dǎo)線材的主流，其Tc隨成分變化，Ti含量增加，強(qiáng)磁場的特性提高。Nb-Ti合金價(jià)格低廉，機(jī)械性能優(yōu)良，易于加工，但不宜制成扁線，因?yàn)镹b-Ti合金有顯著的各項(xiàng)異性。 28w Nb-Zr合金的延展性好，抗拉強(qiáng)度高，制作線圈工藝較簡單，具有良好的HJc特性，高磁場下仍能承受很大的超導(dǎo)臨界電流密度，但覆銅較困難，由于Nb-Ti合金發(fā)展較快，在應(yīng)用上Nb-Zr合金已逐漸被淘汰。w 三元合金的超導(dǎo)性能明顯優(yōu)于二元

16、合金，目前已商品化的三元合金材料有Nb-Zr-Ti，Nb-Ti-Ta， Nb-Ti-Hf等等。Nb-Zr-Ti合金的臨界溫度一般在10K附近，主要受合金成分、含氧量、加工度和熱處理等因素的影響。 29w 超導(dǎo)化合物的超導(dǎo)參數(shù)都較高，在強(qiáng)磁場中性能良好，但質(zhì)脆，不易加工，需采用特殊的加工方法。常見的有Nb3Sn系統(tǒng)；V3Ga化合物材料；Nb3(Al,Ge)化合物等等。w 表131是一些典型的合金及化合物的臨界溫度(最大值)。，具有超導(dǎo)電性的合金及化合物有很多，但能夠?qū)嶋H應(yīng)用的并不多。 302.2 高溫超導(dǎo)體 w 一些復(fù)雜的氧化物陶瓷具有高的臨界轉(zhuǎn)變溫度，其Tc超過了77K，可在液氮的溫度下工作，

17、稱為高溫超導(dǎo)體。首先開發(fā)的是釔系氧化物超導(dǎo)體，隨后是鉍系氧化物超導(dǎo)體和鉈系氧化物超導(dǎo)體。表132是高溫超導(dǎo)體的成分和超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。 312.3 其它類型的超導(dǎo)材料 w 2.3.1 非晶超導(dǎo)材料w 非晶態(tài)超導(dǎo)體的研究主要包括非晶態(tài)簡單金屬及其合金和非晶態(tài)過渡金屬及其合金。它們具有高度均勻性、高強(qiáng)度、耐磨、耐蝕等優(yōu)點(diǎn)。非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的長程無序性對其超導(dǎo)電性的影響很大，使有些物質(zhì)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc提高，這是由于非晶態(tài)超導(dǎo)體與晶態(tài)超導(dǎo)體的不同所引起的。非晶態(tài)過渡金屬及合金的性質(zhì)比簡單金屬更為復(fù)雜。 322.3.2 重費(fèi)米子超導(dǎo)體 w 重費(fèi)米子超導(dǎo)體是70年代末期發(fā)現(xiàn)的，它的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度只有0.7K。這類超

18、導(dǎo)體的低溫電子比熱系數(shù)非常大，是普通金屬的幾百甚至幾千倍。由此推斷這類超導(dǎo)體的電子有效質(zhì)量比自由電子(費(fèi)米子)的質(zhì)量重幾百甚至幾千倍，因此稱為重費(fèi)米子超導(dǎo)體。對重費(fèi)米子超導(dǎo)體的研究對于超導(dǎo)電機(jī)制研究有重大意義。 332.3.3 金屬間化合物(R-T-B-C)超導(dǎo)體 w 20世紀(jì)70年代，人們發(fā)現(xiàn)稀土過渡元素硼組成的金屬間化合物具有超導(dǎo)電性。這類超導(dǎo)體表現(xiàn)出鐵磁性與超導(dǎo)電性共存的復(fù)雜現(xiàn)象，又稱為磁性超導(dǎo)體。金屬間化合物(R-T-B-C)超導(dǎo)體中以鉛鉬硫(PbMo6S8)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度最高。后來又制備出YNi4B超導(dǎo)體和YNi2B2C超導(dǎo)體等等，四元素硼碳金屬間化合物的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到23K。 3

19、42.3.4 復(fù)合超導(dǎo)材料 w 許多超導(dǎo)體與良導(dǎo)體復(fù)合成復(fù)合超導(dǎo)材料后可以承載更大的電流減少退化效應(yīng)，增加超導(dǎo)的穩(wěn)定性，提高機(jī)械強(qiáng)度和超導(dǎo)性能。復(fù)合導(dǎo)體有超導(dǎo)電纜、復(fù)合線、復(fù)合帶、超導(dǎo)細(xì)線復(fù)合線等等，主要有超導(dǎo)材料以及良導(dǎo)體、填充料、絕緣層以及高強(qiáng)度材料包覆層和屏蔽層六部分組成。 352.3.5 有機(jī)超導(dǎo)體和堿金屬摻雜的C60超導(dǎo)體 w 有機(jī)超導(dǎo)體具有低維特性、低電子密度和異常的頻率關(guān)系，一些有機(jī)超導(dǎo)體陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，如(TMTSF)2PF6、(BEDT-TTF)2ReO4等等，有機(jī)超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)預(yù)示了一個(gè)新的超導(dǎo)電性研究領(lǐng)域的出現(xiàn)。w C60中摻入堿金屬時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)一些特定成分上可以形成富勒烯結(jié)構(gòu)

20、。通過與各種堿金屬原子的結(jié)合，AxC60的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度已經(jīng)提高到30K以上，超導(dǎo)溫度最高的RbCs2C60的臨界轉(zhuǎn)變溫度為33K。 36第三節(jié) 超導(dǎo)材料的應(yīng)用及發(fā)展 w 在高溫槽導(dǎo)體出現(xiàn)以前，使用在液氮溫度以下的低溫超導(dǎo)材料，經(jīng)過二十年研究與發(fā)展獲得了成功，以為代表的實(shí)用超導(dǎo)材料已實(shí)現(xiàn)了商品化，在核磁共振人體成像、超導(dǎo)磁提及大型加速器磁體等多個(gè)領(lǐng)域獲得了應(yīng)用。超導(dǎo)量子干涉儀作為超導(dǎo)體弱電應(yīng)用的典范，已在微弱電磁信號(hào)測量方面起到了重要作用。但是由于低溫超導(dǎo)體，必須在昂貴復(fù)雜的液氮系統(tǒng)中使用，因而嚴(yán)重地限制了低溫超導(dǎo)應(yīng)用的發(fā)展。 37w 高溫氧化物超導(dǎo)體的出現(xiàn)，突破了溫度障礙。把超導(dǎo)應(yīng)用的溫度從液

21、氮提高到液氮溫區(qū)。經(jīng)過十多年超導(dǎo)材料的研究，以在單晶、薄晶、體材料、線材和應(yīng)用等方面取得的重要發(fā)展。 38w 近年來發(fā)展起來的熔化工藝已把Y系超導(dǎo)塊材的Jc值提高到105A/cm2(77K，1T)。在線材方面，1994年以來千米長的Bi系帶材的Ji已超過104A/cm2(77K，0T)，用這類帶材繞制的磁體已產(chǎn)生了7T（20K）的磁場。制備出的高質(zhì)量高溫超導(dǎo)薄膜已達(dá)到了實(shí)用的要求，用它制成的高溫SQUID已達(dá)商品化。另外，在大電流引線、儲(chǔ)能、限流器、電纜和電極等方面的應(yīng)用也取得了很大的進(jìn)展。 393.1 低溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用 w 目前，廣泛使用的實(shí)用低溫超導(dǎo)材料,主要是NbTi合金和NbSn化合

22、物超導(dǎo)體，提高這類超導(dǎo)體的臨界電流密度一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。20世紀(jì)八十年代初，我國西北有色金屬研究院，采用多次時(shí)效熱處理和冷加工技術(shù)使NbTi/Cu多芯復(fù)合超導(dǎo)線的Jc提高到3.5105A/cm2(4.2K.5T)，創(chuàng)當(dāng)時(shí)國際最好水平。 40w 20世紀(jì)九十年代，人們在熱處理冷加工技術(shù)提高Jc的基礎(chǔ)上，采用引入人工釘扎中心的技術(shù)提高Jc，并取得了較大的進(jìn)展。此技術(shù)通過在NbTi、線中引入不同含量的Nb、N、NbTa、NbN及鐵磁性材料Ni、Fe等增強(qiáng)材料的磁通釘扎能力，提高Jc。 41w 如日本古河電氣公司通過引入島狀的Nb人工釘扎中心，使NbTi多芯線的Jc提高到4.3105A/cm2 (

23、4.2K.5T)。最近美國結(jié)構(gòu)超導(dǎo)體，其Jc達(dá)9.1105A/cm2 (4.2K.5T) 和3.8105A/cm2 (4.2K.7T)。此外，東京城市大學(xué)的研究表明，Nb人工釘扎中心使最好的釘扎中心之一，其釘扎力最強(qiáng)，塑性最好，特別適合于制作MRI有的NbTi多芯超導(dǎo)線。 42w 美國Supercon公司采用Nb片與Ti片相互擴(kuò)散法（非合金）制備NbTi/Cu多芯復(fù)合線，這種線材在4.2K，2T下的臨界電流密度明顯高于常規(guī)NbTi/Cu多芯線。而且GE公司已用這種線材作出了0.5T的MRI裝置。 43w 目前交流用NbTi/Cu+ CuNi多芯線的芯絲直徑可達(dá)到0.1m以下。而且采用CuSi合

24、金和CuNi合金作基體，可進(jìn)一步提高強(qiáng)度，減小交流損耗。對于Nb3Sn化合物超導(dǎo)體，近年來的研究主要集中在提高超導(dǎo)線的強(qiáng)度和韌性等方面。 44w 俄羅斯無機(jī)材料與科學(xué)研究所用直徑為300mm的多心坯料，采用青銅法制備出直徑為0.8mm的多芯Nb3Sn長線，其Jc值在4.2K，12T的強(qiáng)磁場中達(dá)5.5105A/cm2以上。與Nb3Sn同類的Nb3Al超導(dǎo)體的開發(fā)研究最近也取得較大進(jìn)展，日本金屬研究所制備出了直徑為0.74mm的Nb3Al超導(dǎo)線，其Tc達(dá)19.2K，在4.2K，25T強(qiáng)磁場中超過1.0104A/cm2。 45w 低溫超導(dǎo)材料在強(qiáng)電領(lǐng)域正進(jìn)行著廣泛的應(yīng)用，在科學(xué)研究裝置方面，歐洲核子

25、中心的大型質(zhì)子質(zhì)子對撞機(jī)計(jì)劃耗資37億美元，其實(shí)驗(yàn)環(huán)直徑27公里，環(huán)狀磁體計(jì)劃需NbTi線1200噸，估計(jì)2004年初運(yùn)行，2008年建成，能量達(dá)電子伏特。國際熱核工程反應(yīng)堆（簡稱ITER），將由日本、歐洲聯(lián)盟、美國和俄羅斯聯(lián)合研制，目前正處于工程設(shè)計(jì)中，其反應(yīng)堆直徑300米，將用1200噸Nb3Sn絞纜線和650噸NbTi絞纜線，目前已投資6.5億美元，計(jì)劃1998年開始建造，2008年初運(yùn)行，能量達(dá)1.5兆瓦，持續(xù)1000秒。 46w 日本在科技局資助下，到2002年將投資7.5億美元開展超導(dǎo)加速器的研制。我國國家科委今年已批準(zhǔn)中科院等離子所研制新一代托克馬克超導(dǎo)核聚變裝置，計(jì)劃中心磁場為

26、3.5T，裝置半徑1.70米，聚變反應(yīng)腔為0.4*0.8米，運(yùn)行電流將為10萬安培，計(jì)劃在2002年進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)（SMES）和超導(dǎo)能量管理系統(tǒng)方面美國已投資2500萬美元建成1800兆焦耳，0.5兆瓦小時(shí)的SMES/SEMS裝置，可供公共用電60秒。 47w 另外，西門子公司也建成了2兆小時(shí)/50兆瓦的儲(chǔ)能系統(tǒng)。日本超導(dǎo)中心也曾有建成480兆焦耳的儲(chǔ)能系統(tǒng)的報(bào)道。在磁懸浮列車應(yīng)用方面，日本的山梨線是目前世界上第一條真正全超導(dǎo)磁懸浮的實(shí)驗(yàn)列車線。山梨線原計(jì)劃全長42.8公里，現(xiàn)建成18公里，列車有三節(jié)車廂，車頭重30噸，中間車廂為20噸，磁懸浮高出軌道10厘米，計(jì)劃最高時(shí)速550公里

27、/小時(shí)。 48w 此實(shí)驗(yàn)已進(jìn)行了安全性、可靠性、環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)性和線路適合性方面的驗(yàn)證。美國新一輪的計(jì)劃正在佛羅里達(dá)論證中。在超導(dǎo)發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)方面，目前研制中的僅為100600兆伏安水平。其中，日本”SupperGM”200兆伏安發(fā)電機(jī)，已實(shí)驗(yàn)過其70兆伏安的裝置。目前，低溫超導(dǎo)材料在日常生活中應(yīng)用最廣泛的是醫(yī)用磁共振成像裝置（MRI），至今世界上已有約10，000臺(tái)磁共振成像儀在各大醫(yī)院使用，每年約有30億美元的市場。 493.2 高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用及進(jìn)展 w 從化學(xué)組份上高溫超導(dǎo)材料主要可分為LaSrCuO、YBaCuO、BiSrCaCuO、TiBaCaCuO和HgBaCaCuO等，針對

28、特定的應(yīng)用領(lǐng)域，高溫超導(dǎo)材料可被加工成薄膜、線材、塊材和厚膜等。 50w 超導(dǎo)電性的實(shí)際應(yīng)用從根本上取決于超導(dǎo)材料的性能。與實(shí)用低溫超導(dǎo)材料相比，高溫超導(dǎo)材料的最大優(yōu)勢在它可以應(yīng)用于液氮溫區(qū)。即于超導(dǎo)材料所具有的零電阻特性，完全抗磁性和隧道效應(yīng)，高溫超導(dǎo)材料可廣泛用于書但電纜、限流器、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、電子及通訊等方面。以下將概述近年來在高溫超導(dǎo)材料應(yīng)用研究方面取得的主要進(jìn)展。 51A. 高溫超導(dǎo)輸電電纜 w 輸電電纜由于在的磁場（0.1T）下運(yùn)行，因而被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)應(yīng)用最有希望的領(lǐng)域。高Tc超導(dǎo)電纜與低溫超導(dǎo)電纜和常規(guī)地下電相比具有明顯的優(yōu)越性，如體積小、輸電容量達(dá)、能量損耗小

29、等，從而可以替代目前使用的地下電纜。 52w 美國ASC已開發(fā)出30米長3KA的Bi2223導(dǎo)體，并計(jì)劃與電力研究所、LANL和ORNL等合作，在4年內(nèi)進(jìn)行三相11SKV，30m電纜的試驗(yàn)。日本的東京電力、住友電力、吉河電工等聯(lián)合開發(fā)輸電電纜，已制成50米長，3KA的電纜。 53w 1995年下，英國的BIDD及其意大利子公司等，IGC的線材，已制成1米長，在20KKA的電纜。1995年10月，美國能源部提出一項(xiàng)新的電纜計(jì)劃，由IGC提供線材，ORNL和ASC制備及測試一個(gè)1米長、2KA的交流電纜，美國能源部支持的50電纜已研制成功，可輸電三千三百安培。 54w 我國九五超導(dǎo)重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目，高溫

30、超導(dǎo)輸電電纜的研制，由西北院負(fù)責(zé)，電工所和北京有色院參加，在1998年7月完成1米長輸電電纜的制造，可通電1200A，預(yù)計(jì)年底完成6米長2000A的輸電電纜研制。 55B、磁體 w Bi2223/Ag復(fù)合長帶饒制線圈和磁體是目前研究的重點(diǎn)之一。Bi2223/Ag具有較高的臨界溫度，用這種材料饒制的磁體具有高的穩(wěn)定性和可靠性。因此，這種磁體能夠在廣闊的范圍內(nèi)得到應(yīng)用。 56w 美國ASC在94年報(bào)道了一個(gè)利用機(jī)械制冷機(jī)冷卻的高溫超導(dǎo)磁體。在27K零外場下能產(chǎn)生2.16T的磁場，隨后又報(bào)道了一個(gè)在4.2K下，產(chǎn)生3.4T磁場的磁體。最近住友電工報(bào)道了他們采用61芯Bi2223帶材，制備了一個(gè)內(nèi)徑為

31、80 m m，外徑為292 m m，總匝數(shù)為6503匝的磁體，在20K可產(chǎn)生7T的磁場，為目前高Tc高溫超導(dǎo)磁體插入NbTiNb3Sn組合磁體中，在4.2K產(chǎn)生了24T的磁場，已能滿足1GHZ核磁共振磁體的要求，這是目前世界上超導(dǎo)磁體在4.2K產(chǎn)生的最高磁場。 57w 在1997年的CEC/ICMC會(huì)議上，美國Los Alsmos國立實(shí)驗(yàn)室制造了一個(gè)用制冷機(jī)直接冷卻的高溫超導(dǎo)高梯度的磁分離系統(tǒng)。在100A的電流下產(chǎn)生1.6T的磁場。此外，美國研制的均極馬達(dá)功率達(dá)320hp(4.2K)和100 hp(77K)。預(yù)計(jì)五年內(nèi)馬達(dá)性能達(dá)到20，00030，000 hp(40K)是可能的。 58C、超導(dǎo)

32、故障限流器 w 由于局部電絕緣破壞，閃電擊中高架線，外部原因引起局部損壞等，致使流經(jīng)地線或兩導(dǎo)體之間的故障電流可超過正常電流的幾倍，可以在斷路器內(nèi)發(fā)生不可控制的電弧，損壞短路器和其他裝置或用戶設(shè)備。為此，電路上總配有限流器，保護(hù)電力系統(tǒng)免造故障電流損壞。 59w 對限流器的要求，一是動(dòng)作100%安全可靠，否則會(huì)導(dǎo)致巨大損失；二是一旦發(fā)生故障，必須在23秒時(shí)間內(nèi)將上升的電流限制到可以允許的水平；三是限制動(dòng)作不會(huì)引起高電壓；四是系統(tǒng)能在幾秒內(nèi)復(fù)原。由于超導(dǎo)體從超導(dǎo)抬到正常臺(tái)的點(diǎn)組裝便非常迅速，所以故障電流限制其非超導(dǎo)材料莫屬。 60w 高Tc限流器所用材料有兩種：一種是直徑為1米通過離心熔鑄法制成的Bi2212管，一種是Bi2223/ Ag線材。美國Lockheed Martin Corp、ASC、IGC等采用Bi系線圈，已做過240kV/2kA，2.4kV/2.2kA，15kV/1.6kA級樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)，正在進(jìn)行69 k