| 单词 | 高温超导陶瓷 |
| 释义 | 【高温超导陶瓷】 拼译：high-temperature superconducting ceramics 在一定条件下其电阻值可以达到零的物质称为超导体，由于超导体具有实质上可视为零的电阻及具有完全抗磁性，故它在理论研究及实际应用上都具有很大的价值。但自从1911年发现超导现象以来，直至1986年间，这些超导体几乎都是某些金属或合金，其从正常状态转变为超导状态的温度(Tc)极低，都不高过23．2K必须工作在液氦的条件之下，称为低温超导体。由于液氦下的工作条件复杂、价格昂贵，故使低温超导体的应用受到很大的局限。自1987年以来发现Tc接近100K的超导陶瓷，故称为高温超导体或高温超导陶瓷。高温超导陶瓷可工作于液氮的条件之下，这种条件的获得与维持，以及所花费的价格远比使用液氦时低，故高温超导陶瓷的出现具有划时代的意义，不论在对超导体的理论研究与实际应用上，都大大地跨上了一个新台阶，一旦转入实用化，将给整个产业界，乃至于全社会都带来巨大的影响。 1964年发现了陶瓷超导体SrTiO3，但其临界温度Tc只有0．3K，所以未引起重视。70年代，又出现了Li1+xTiz－xO4和BaPb1－xBiO3陶瓷超导体，它们的临界温度都在13～14K以内，比当时具有最高Tc合金Nb3Ge(23．2K)要低得多。1986年初，J．G．，Bednorz等发现Ba-La-Cu-O体系陶瓷超导体(30K)，导致了超导研究的突破，从而开创了超导研究和应用的新纪元。1987年，美、中、日等国对Ba系超导材料给以高度重视。2月，美国朱经武等发现了临界温度约90K的超导材料，2月下旬，中国赵忠贤等和日本的Hikami等也独立地发现了这种材料，赵忠贤等最先公布这种材料是Y-Ba-Cu-O化合物，突破了液氮温区的超导材料的发现，引起了世界范围的对高温超导电性研究的热潮。在中国也很快有近50个研究单位投入了高温超导体的研究。中国对高温超导陶瓷的一些基本特性做出了有意义的贡献。对超导体的物相、结构、相变、含氧量、迈斯纳效应、持续电流效应、量子干涉现象、比热、热电、Raman光谱、电子能谱等方面进行了细致的研究，并采取掺杂替代方法，探索了多种稀土类高温超导陶瓷。1987年底，日本发现了Bi-Sr-Ca-Cu-O系列的高温超导陶瓷，1988年初，美国发现了Tl-Ba-Ca-Cu-O系列的高温超导陶瓷材料。不久，中国也获得单相的［2212］与［2223］结构的、零电阻温度125～130K的Tl-Ba-Ca-Cu-O系列材料和［2212］结构的Bi-Sr-Ca-Cu-O系列的材料，并通过掺Pb和Sb，使得Bi系超导陶瓷的零电阻温度提高到132K。通过掺Sn，使得Y系超导陶瓷Tc由原来的94K提高至98K，到1992年止，这两个系列都是中国最高记录。为达到高温超导体的实用化，必须努力提高这些材料的临界电流密度。目前，一般认为在氧化物超导陶瓷中超导电流的限制是来自颗粒间的弱超导连接。为了克服这种限制，中国主要进行了3个方面的工作：(1)深入研究弱连接的超导颗粒体系在电磁性质上的反映，揭示限制电流密度的物理本质。这主要是在陶瓷材料的超导转变特性，磁通钉扎效应的观察，磁场下某些不可逆的弛豫现象方面的研究。(2)对陶瓷材料中晶界和粒界的析出物组成、结构和形态进行观察与分析，结合工艺技术进行了探索。(3)改进工艺和发展新工艺。在改进工艺方面，从粉体的制备、粉体特性分析、烧结过程的优化处理过程及定向织构等作了大量工作。目前中国已能制备出液氮温度下临界电流密度超过104A／cm2的超瓷超导材料，已制备出直径小到0．2mm，临界电流密度103A／cm2的超导细线，能制备出基本满足SQUID器件应用所需的超导磁屏蔽筒。在发展新的工艺技术方面，国内外对熔融织构生长法做了系统的探索，制备出了高性能的晶粒取向超导陶瓷。在弱电应用方面发展最快，这主要依赖于高质量的超导薄膜制备。中国应用了各种技术制备超导薄膜，包括电子束分层蒸发、电子束多组份蒸发、直流磁控溅射、射频磁控溅射、离子束溅射等，目前，已得到零电阻温度85～90K、液氮温度下临界电流密度Jc为105A／cm2的YBCO薄膜。在制备出高性能薄膜的基础上，进行了SQUID器件和其它高温超导电子器件的研制。自从1986年底氧化物陶瓷超导材料被发现后，全世界范围内掀起了一股超导研究的热潮。从1986年底到1987年3月中旬，超导研究的竞争的焦点主要是“超导转变温度Tc”；但到3月下旬以后，就有一大批研究者开始转向高温超导在应用方面可行性的研究。以后就逐步形成了“高Tc技术”和“应用研究”的两极分化局面。然而，在获得制取92K左右Y系超导材料的成熟工艺，以及Bi系和T1系125K超导体发现以后，如果液氮温度下超导体能得到应用，也将会对工业、技术的各个领域乃至人们的生活产生不可估量的影响。因此，可以认为，寻求更高Tc的新的超导材料的工作将是更艰巨和长期的工作，估计发展更高Tc的新的超导材料后，又会再现那种狂热的局面。但是，由于氧化物陶瓷超导体的发现，突破了BCS理论的关于超导机制的原有禁锢，新的超导机制预言超导转变温度可达到300K以上(甚至700K)，更令人兴奋的是目前许多的实验均已确认存在常温超导体的种种迹象。这一切都将会激励大批的科学家进行更高Tc的新材料的探索，美国的9位重要的理论物理学家也预言，在今后5年内室温超导体将问世。就目前发现的高温超导体，虽然Tc已达到了人们期望的初步高度，但距离其实用化的程度还相差甚远，这主要表现在以下几个方面：(1)新材料的稳定性差，可靠性差；(2)临界电流密度太低；(3)新材料的韧性和强度远达不到实际应用的要求。以上几方面都是目前新材料本身所需要解决的难题。提高材料以上几个方面的性能将会成为今后一段时间的主要研究目标之一，这是因为这类新的陶瓷高温超导材料组成、结构不稳定，容易受外界湿度、气氛等条件的影响而蜕化。关于稳定性的问题，主要有利于在材料的制造技术上进一步的研究予以解决。目前，超导技术应用所面临的最严重的困难还主要是临界电流密度Jc，Y系体材料上所获得的最高Jc值是7．5×104A／cm2(C．W．Chu，etal)。一般实验室所制得材料的Y系块体材料的Jc只不过102～103数量级，Bi或Tl系材料的Jc就更低了，而超导体要达到实用化水平，Jc应达到105A／cm2的数量级以上。目前的研究表明，影响Jc的因素主要有3个方面：第一，陶瓷晶粒取向织构；第二，超导颗粒之间的弱连接现象；第三是钉扎问题。看来，晶粒的织构化是解决低Jc的一个有效方法，但是，传统陶瓷技术上的一些取向织构的方法用在超导陶瓷上都不很成熟。最近，美国阿贡国家实验室发现用中子辐照形成点缺陷钉扎中心也有利Jc的提高。另外，元素的掺杂(如Sn4+)也可以相应地提高Jc。总之，如何提高Jc是材料实用化的关键，也将是目前和以后研究的热点。高温超导体的发现，首先在物理学方面引起了广泛的关注，但产业界的反应却较之迟后了一些。不过，高温超导材料蕴藏着将来引起社会变革的可能性，因此，超导技术逐渐地开始受到产业界的重视。高温超导体的应用可分为强电应用和弱电应用。目前强电方面的应用还存在着两个主要的障碍，一是Jc，二是可加工性。对于材料的可加工性，K．A．Muller博士预言，这些问题将在近几年内得到解决。至于弱电方面的应用，主要是应用于电子技术，现在已经确认，在氧化物超导体上存在能隙、Josephson效应和量子干涉效应等电子技术所需要的基本效应。但要把它做成电子器件并不容易，在很大程度上取决于材料本身，要实现器件化必须采用薄膜技术和微细加工技术。近年来，薄膜技术发展很快，如SQUID器件、Josephson结器件、混频器和储存器等，但还远不能转为工业生产。可以断定，超导在电子技术中的这些应用将会首先造福于人类。高温超导基础研究的重点是探索其超导机制，在证实氧化物高温超导体不属于单一的电－声相互作用机制后，曾出现过许多超导理论模型，如Anderson的RVB模型、自旋涨落模型等，但这些模型均无法对高温超导电现象作出令人满意的解释。高Tc超导电性，既不可能完全用费米子，又不能完全用玻色子解释，因此，最近人们提出一个新的元激发，叫分数子，它是介于费米子和玻色子之间的一种新的态，弄清分数子的特性很可能有利于揭开高Tc超导电性的秘密。总之，超导基础研究应同应用研究并驾齐驱，这样有利超导技术的进步。【参考文献】：1 Bednorz J G，Muller K A．Z．Phys．1986，B64∶1892 赵忠贤，陈立泉．科学通报，1987，32∶1773 Wu M K，et al．Phys．Rev．Lett．，1987，58∶9084 Chu C W，et al．Phys．Rev．Lett．，1987，54∶4055 Sata T，et al．J．Am．Ceram．Soc．，1991，74(6)∶14456 Halloran J W，et al．J．Am．Ceram，Soc．，1992，75(4)∶9037 Chen Y L，Stevens R．J．Am．Ceram．Sor．，1992，75(5)∶11428 Wang H S，Eissler D，et al．J．Cryst．Gtrowth，1993，26(4)∶565(华中理工大学李标荣教授撰) |
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