“超导材料”的概念、定义、翻译、参考文献-科学参考

单词

超导材料

释义

【超导材料】

拼译：superconducting materials

以铌钛合金和铌三锡金属化合物为代表的强电应用材料，在液氦温度(4．2K)下能通过无阻的大电流，用它来绕制8T至15T的高场磁体，已在固体物理、高能物理、选矿、污水处理等领域得到应用，并在电机、输电、磁悬浮列车、电力储能、受控热核反应等方面开始了应用研究。以铌、铅和锡为代表的弱电应用材料做成约瑟夫逊隧道结，在电子学中也逐步得到应用。最近发现的高温超导材料由于它可在液氮温度(77K)下运行，这将大大降低致冷费用并易于推广。

自从1911年荷兰翁纳斯(Onnes)发现水银在4．2K附近电阻突然下降到零的现象以后，逐渐发现一批金属在临界温度Tc以下都出现此现象。翁纳斯称它为超导电性，并把这类金属称作超导体，已发现元素周期表中有27种元素是超导的，Tc最高的为铌(9．15K)，最低为钨(0．01K)。后来还发现有近万种合金和化合物都是超导体。在20世纪20年代前后，人们就想绕制无损耗的高场磁体，但随之发现，超导体除了有温度限制(Tc以下)外，还存在一个临界磁场Hc和临界电流Ic，而当时发现的超导材料Hc和临界电流密度Jc都很低，无法应用。在30年代迈斯纳(Meissner)又发现超导体的另一个重要特性，称为迈斯纳效应：当一个磁场加到超导体上时，不管是在T＜Tc时加或是在T＞Tc时加、然后降温，超导体内磁通总为零。这是与零电阻现象又有联系，但又独立的另一个重要性质。在此以后的40年代和50年代，主要研究方向放在超导机理方面，提出了若干唯象理论和1957年的微观理论(BCS理论)。BCS理论是由巴丁(Bardeen)、库柏(Cooper)和施瑞弗(Schrieffer)3人共同完成的。在此期间另一个重要进展是苏联科学家朗道(Landau)、金兹堡(Ginzburg)、阿布里科索夫(Abrikosov)、高尔科夫(Gorkov)的贡献，称为GLAG理论。他们根据超导体在磁场中的行为把超导体分为两类：第I类超导体和第Ⅱ类超导体。第Ⅱ类超导体有两个临界磁场H_C1和H_c2，当H＜H_c1超导体处在迈斯纳态，H＞H_c2为正常态，而H_c1＜H＜H_c2为混合态。在混合态中，磁场以量子化的磁通线穿透进超导体，但电阻仍为零。如果材料内部存在缺陷，它们将成为阻止磁通线运动的钉扎中心，形成磁通梯度，因而能传输很大的体电流。强电应用的材料就属于此类非理想的第Ⅱ类超导体。

从60年代开始，超导材料的研究和它的应用研究发生了重大的转折。1961年孔茨勒(Kunzler)制备出临界磁场很高的材料铌三锡(Nb₃Sn)，它的Tc=18K，Hc₂(T=4．2K)=22T，并且相继又发现实用性能好的V₃Ga、铌－钛合金，铌－锆合金。在其后的几年中又找到了提高这些材料的Jc的方法。这些材料经强冷加工和适当的热处理，在材料中产生位错、脱溶相、晶粒间界等，使Jc大大提高，但是用这些材料来绕制超导磁体时发现在远低于材料的临界电流值以下就破坏了，这称为超导磁体的不稳定性。造成不稳定性的原因是超导体内磁通线的运动所致，即所谓磁通跳跃。在线圈励磁过程中，磁通跳跃产生的热量可导致局部的超导破坏，假如冷却条件不充分，那么电流通过正常态区域产生的焦耳热可能导致整个线圈破坏超导。克服不稳定性的办法可以通过在材料表面敷以高纯铜、铝等导体材料来解决，并且对于不同的应用，发展了多种稳定化技术。其重要的进展是把超导材料细丝化，做成多股细丝复合超导材料。到60年代中后期，用作强电应用的超导材料走向市场。它们以NbTi和Nb₃Sn为代表。NbTi合金有良好的机械加工性能，易于大量生产，成本较低，目前世界上生产的超导材料中有90%是NbTi合金材料，它的Tc=9．5K，Hc₂(4．2K)=12T，一般用它来产生9T以下的磁场。Nb₃Sn超导线材采用扩散法、化学气相沉积法和多芯青铜法等制备。Nb₃Sn很脆，加工性能差，价格高，但它的Hc₂高，所以一般用它来绕制10T～15T的磁体。如果要产生更高的磁场，可用钒三镓(V₃Ga)化合物超导线材，用它可绕制15T～18T的磁场。V₃Ga的Tc=15K，Hc₂(4．2K)=22T，但它在高磁场下的Jc比Nb₃Sn要高。

中国的超导材料研制和生产从70年代初开始，现在生产的NbTi和Nb₃Sn线材都已商品化，其性能指标达到国际上同类产品的水平，并用它们绕制了不少超导磁体。

在强电材料获得重大进展的同时，弱电材料的发展和应用也进入了一个新阶段。1962年约瑟夫逊(Josephson)从理论上发现，如果两块超导体中间被一层1～3nm的绝缘层隔开，在两块超导体之间无电位差时，能通过一个直流电流；当两块超导体之间存在直流电位差时，允许通过一个频率为f的交流电流。一年后理论预言被实验所证实。前者被称为直流约瑟夫逊效应，后者称为交流约瑟夫逊效应。此效应在所谓“超导结”中观察到。超导结又称约瑟夫逊结。典型的材料可用Pb-PbOx-Pb来做，Pb是超导体，PbOx是非超导体。早期制作的结重复性和可靠性较差，不能作为器件使用，到70年代中后期制作工艺不断改进，成功地制作了Nb-NbOx-Pb隧道结，Pb-In、Pb-In-Au合金结，使重复性和可靠性大大提高，从而为实际应用开辟了一个广阔的前景。利用约瑟夫逊结可以制成测量微弱磁场的超导磁强计，分辨率达到10^－15T。磁强计的核心部分是超导量子干涉器。现在器件可以做得很好，用它做成的磁强计已广泛用于测量弱磁、地质探矿、测量人体的心磁图、脑磁图，以及用于军事。利用超导结的交流约瑟夫逊效应，可作成精度达10^－6量级的电压基准，1973年用它取代了基准化学电池的国际比对。另外在毫米波、亚毫米波段的检测器、混频器及变频器的应用也做了广泛的研究。

超导材料的应用由于临界温度低，要用液氦冷却，因而限制了它的的推广。从70年代起人们就开始寻找能在液氮温度下使用的超导体，但进展不大。直到1986年4月瑞士科学家贝特诺兹(Bednorz)和缪勒(Muller)发现了La-Ba-Cu氧化物超导体，Tc超过30K，1987年2月美国的朱经武等和中国的赵忠贤等制备出Tc=90K的Y-Ba-Cu氧化物超导体。为超导材料的进展开创了一个新纪元。其后，Michel等又发现了Tc=110K的Bi-SrCa-Cu氧化物超导体和盛正直等发现了Tc=125K的Tl-Ba-CaCu氧化物超导体，临界温度在液氮温度以上的3种材料：Y系、Bi系和T1系氧化物在应用上受到格外的重视。人们把金属、合金和金属化合物超导体称为常规超导体，而把氧化物陶瓷超导体称为高温超导体。高温超导体的临界磁场都很高，关键是要有高的临界电流密度。开始做的多晶材料Jc一般只有10²A／cm²，与应用差得太远。最近，用熔融炽构等生长法制成择优取向的样品，使Jc达到10⁴A／cm²。用高温超导体制成的单晶薄膜材料和单晶能达到10⁶A／cm²的电流密度。这种陶瓷样品给线材的制备带来很大困难，但目前也能做出线材来，不过水平还很低，Jc只有10³A／cm²。

超导体材料在今后的研究热点，主要是研究已发现的Y系、Bi系和T1系氧化物超导材料的基本性能，制备工艺，解决Jc低的问题，使其达到在液氮温度下强电应用的要求；寻找新的更高Jc的超导体；发展薄膜工艺制备出性能优良的超导结，用于弱电方面的应用。人们预计，弱电应用可能在5～10年之内会有大的进展；液氦温度下使用的常规超导材料也将得到重视，重点在于提高高场下的Jc值，降低交流损耗，设计和制备用于不同用途的线材和带材；弱电应用的常规超导体制备的超导结使其达到实用阶段，尤其是在计算机上的应用。

【参考文献】：

1 Gorter C J．Reviews of Modern Physics，1964，36∶3

2 Bednorg J G，Müller Z．Phys．B，1986，64∶189

3 Ginsberg D M．Physical Properties of High Temperature superconductors I，Singapore：World Scientific，1989，1～39

4 Ginsberg D M．Physical Properties of High Temperature Superconductors Ⅱ，Singapore：World Scientific，1990，1～13

(中国科技大学曹烈兆教授撰)

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