低溫超導材料（low temperature superconducting material）
具有低臨界轉變溫度（Tc<30K），在液氦溫度條件下工作的超導材料。分為金屬、合金和化合物。具有實用價值的低溫超導金屬是Nb( 鈮 )，Tc 為9.3K已製成薄膜材料用於弱電領域。合金系低溫超導材料是以Nb為基的二元或三元合金組成的β相固溶體，Tc 在 9K 以上。最早研究的是NbZr合金，在此基礎上又出現了 NbTi合金 。NbTi 合金的超導電性和加工性能均優於 NbZr 合金 ，其使用已占低溫超導合金的95% 左右 。NbTi 合金可用一般難熔金屬的加工方法加工成合金，再用多芯複合加工法加工成以銅（或鋁）為基體的多芯複合超導線，最後用冶金方法使其最終合金由β單相轉變為具有強釘扎中心的兩相（α+β）合金，以滿足使用要求。化合物低溫超導材料有NbN (Tc=16K)、Nb3Sn ( Tc=18.1K) 和 V3Ga（Tc=16.8K）。NbN多以薄膜形式使用 ，由於其穩定性好 ，已製成實用的弱電元器件 。Nb3Sn是脆性化合物 ，它和V3Ga可以純銅或青銅合金為基體材料，採用固態擴散法製備 。為了提高 Nb3Sn（V3Ga）的超導性能和改善其工藝性能，有時加入一些合金元素，如Ti、Mg等。
基本介紹
- 中文名：低溫超導材料
- 分類：金屬、合金和化合物
原理,歷史,套用,
原理
低溫超導材料已得到廣泛套用。在強電磁場中，NbTi超導材料用作高能物理的加速器、探測器、電漿磁約束、超導儲能、超導電機及醫用磁共振人體成像儀等；Nb3Sn 超導材料除用於製作大量小型高磁場（710T）磁體外，還用於製作受控核聚變裝置中數米口徑的磁體；用Nb及NbN薄膜製成的低溫儀器，已用於軍事及醫學領域檢測極弱電磁信號。低溫超導材料由於Tc低，必須在液氦溫度下使用，運轉費用昂貴，故其套用受到限制。超導技術超導技術的主體是超導材料。簡而言之，超導材料就是沒有電阻、或電阻極小的導電材料。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：近年來，隨看材料科學的發展，超導材料的性能不斷最佳化，實現超導的臨界溫度越來越高。
歷史
20世紀末，科學家合成了在室溫下具有超導性能的複合材料，室溫超導材料的研製成功使超導的實際套用成為可能。超導是指某些物體當溫度下降至一定溫度時，電阻突然趨近於零的現象。具有這種特性的材料稱為超導材料。超導體由正常態轉變為超導態的溫度稱為這種物質的轉變溫度(或臨界溫度) 因為這個溫度很低,在絕對零度附近.因而目前為止,套用不是很廣泛.但是科學家在研究高溫超導,如果研究成功,用這種材料導電時不損耗電能,不產生熱量.可以節約能源! 1911年荷蘭物理學家Onnes發現汞（水銀）在4.2k附近電阻突然下降為零，他把這種零電阻現象稱為超導電性。圖5-13示出了汞的電阻隨溫度變化的關係。汞的電阻突然消失時的溫度稱為轉變溫度或臨界溫度，常用Tc表示。在一定溫度下具有超導電性的物體稱為超導體。金屬汞是超導體。進一步研究發現元素周期表中共有26種金屬具有超導電性，它們的轉變溫度Tc列於表5-6。從表中可以看到，單個金屬的超導轉變溫度都很低，沒有套用價值。因此，人們逐漸轉向研究金屬合金的超導電性。表5-7列出一些超導合金的轉變溫度，其中Nb3Ge的轉變溫度為23.2K，這在70年代算是最高轉變溫度超導體了。當超導體顯示導材料都是在極低溫下才能進入超導態，假如沒有低溫技術發展作為後盾，就發現不了超導電性，無法構想超導材料。這裡又一次看到材料發展與科學技術互相促進的關係。低溫超導材料要用液氦做致冷劑才能呈現超導態，因此在套用上受到很大的限制。人們迫切希望找到高溫超導體，在徘徊了幾十年後，終於在1986年有了突破。瑞士Bednorz和Müller發現他們研製的La-Ba-CuO混合金屬氧化物具有超導電性，轉變溫度為35K。這是超導材料研究上的一次重大突破，打開了混合金屬氧化物超導體的研究方向。接著中、美科學家發現Y-Ba-CuO混合金屬氧化物在90K具有超導電性，這類超導氧化物的轉變溫度已高於液氮溫度（77K），高溫超導材料研究獲得重大進展。一連串激動人心的發現在世界上掀起了“超導熱”。目前新的超導氧化物系列不斷湧現，如Bi-Ca-CuO，Tl-Ba-Ca-CuO等，它們的超導轉變溫度超過了120K。高溫超導體的研究方興未艾，人們殷切地期待著室溫超導材料的出現。人們發現C60與鹼金屬作用能形成AxC60(A代表鉀、銣、銫等)，它們都是超導體，超導轉變溫度列於表5-8。從表中數據看到，大多數AxC60超導體的轉變溫度比金屬合金超導體高。金屬氧化物超導體是無機超導體，它們都是層狀結構，屬二維超導。而AxC60則是有機超導體，它們是球狀結構，屬三維超導。因此AxC60這類超導體是很有發展前途的超導材料。
套用
超導研究引起各國的重視，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。
下面簡單介紹超導體的一些套用：
（1）用超導材料輸電發電站通過漫長的輸電線向用戶送電。由於電線存在電阻，使電流通過輸電線時電能被消耗一部分，如果用超導材料做成超導電纜用於輸電，那么在輸電線路上的損耗將降為零。
（2）超導發電機製造大容量發電機，關鍵部件是線圈和磁體。由於導線存在電阻，造成線圈嚴重發熱，如何使線圈冷卻成為難題。如果用超導材料製造超導發電機，線圈是由無電阻的超導材料繞制的，根本不會發熱，冷卻難題迎刃而解，而且功率損失可減少50%。
（3）磁力懸浮高速列車要使列車速度達到500km·h-1，普通列車是絕對辦不到的。如果把超導磁體裝在列車內，在地面軌道上敷設鋁環，利用它們之間發生相對運動，使鋁環中產生感應電流，從而產生磁排斥作用，把列車托起離地面約10cm，使列車能懸浮在地面上而高速前進。可控熱核聚變核聚變時能釋放出大量的能量。為了使核聚變反應持續不斷，必須在108℃下將等離子約束起來，這就需要一個強大的磁場，而超導磁體能產生約束等離子所需要的磁場。人類只有掌握了超導技術，才有可能把可控熱核聚變變為現實，為人類提供無窮的能源。
