超導材料:技術原理,主要產品,合金材料,化合物,科學研究,發展歷史,套用領域,研發

超導材料，是指具有在一定的低溫條件下呈現出電阻等於零以及排斥磁力線的性質的材料。現已發現有28種元素和幾千種合金和化合物可以成為超導體。

基本介紹

中文名：超導材料
外文名：superconducting material
特性：處於超導態時電阻為零
材料：28種元素和幾千種合金和化合物
特性1：抗磁性
特性2：同位素效應

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技術原理

零電阻

超導材料處於超導態時電阻為零，能夠無損耗地傳輸電能。如果用磁場在超導環中引發感應電流，這一電流可以毫不衰減地維持下去。這種“持續電流”已多次在實驗中觀察到。

抗磁性

超導材料處於超導態時，只要外加磁場不超過一定值，磁力線不能透入，超導材料內的磁場恆為零。

臨界溫度

外磁場為零時超導材料由正常態轉變為超導態(或相反)的溫度，以Tc表示。Tc值因材料不同而異。已測得超導材料的最低Tc是鎢，為0.012K。到1987年，臨界溫度最高值已提高到100K左右。

臨界磁場

使超導材料的超導態破壞而轉變到正常態所需的磁場強度，以Hc表示。Hc與溫度T 的關係為Hc=H0[1-(T/Tc)2]，式中H0為0K時的臨界磁場。

臨界電流和臨界電流密度

超導體的臨界溫度Tc與其同位素質量M有關。M越大，Tc越低，這稱為同位素效應。例如，原子量為199.55的汞同位素，它的Tc是4.18開，而原子量為203.4的汞同位素，Tc為4.146開。

通過超導材料的電流達到一定數值時也會使超導態破壞而轉變為正常態，以Ic表示。Ic一般隨溫度和外磁場的增加而減少。單位截面積所承載的Ic稱為臨界電流密度，以Jc表示。

超導材料的這些參量限定了套用材料的條件，因而尋找高參量的新型超導材料成了人們研究的重要課題。以Tc為例，從1911年荷蘭物理學家H.開默林－昂內斯發現超導電性(Hg，Tc=4.2K)起，直到1986年以前，人們發現的最高的 Tc才達到23.2K(Nb3Ge，1973)。1986年瑞士物理學家K.A.米勒和聯邦德國物理學家J.G.貝德諾爾茨發現了氧化物陶瓷材料的超導電性，從而將Tc提高到35K。之後僅一年時間，新材料的Tc已提高到100K左右。這種突破為超導材料的套用開闢了廣闊的前景，米勒和貝德諾爾茨也因此榮獲1987年諾貝爾物理學獎金。

主要產品

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。電工中實際套用的主要是鈮和鉛(Pb，Tc=7.201K)，已用於製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。如最先套用的鈮鋯合金(Nb-75Zr)，其Tc為10.8K，Hc為8.7特。繼後發展了鈮鈦合金，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)。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。

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。

例如：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，於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處於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。

科學研究

1.非常規超導體磁通動力學和超導機理

主要研究混合態區域的磁通線運動的機理，不可逆線性質、起因及其與磁場和溫度的關係，臨界電流密度與磁場和溫度的依賴關係及各向異性。超導機理研究側重於研究正常態在強磁場下的磁阻、霍爾效應、漲落效應、費米面的性質以及T<Tc時用強磁場破壞超導達到正常態時的輸運性質等。對有望表現出高溫超導電性的體系象有機超導體等以及在強電方面具有廣闊套用前景的低溫超導體等，也將開展其在強磁場下的性質研究。

2.強磁場下的低維凝聚態特性研究

低維性使得低維體系表現出三維體系所沒有的特性。低維不穩定性導致了多種有序相。強磁場是揭示低維凝聚態特性的有效手段。主要研究內容包括：有機鐵磁性的結構和來源；有機（包括富勒烯）超導體的機理和磁性；強磁場下二維電子氣中非線性元激發的特異屬性；低維磁性材料的相變和磁相互作用；有機導體在磁場中的輸運和載流子特性；磁場中的能帶結構和費米面特徵等。

3.強磁場下的半導體材料的光、電等特性

強磁場技術對半導體科學的發展愈益變得重要，因為在各種物理因素中，外磁場是唯一在保持晶體結構不變的情況下改變動量空間對稱性的物理因素，因而在半導體能帶結構研究以及元激發及其互作用研究中，磁場有著特別重要的作用。通過對強磁場下半導體材料的光、電等特性開展實驗研究，可進一步理解和把握半導體的光學、電學等物理性質，從而為製造具有各種功能的半導體器件並發展高科技作基礎性探索。

4.強磁場下極微細尺度中的物理問題

極微細尺度體系中出現許多常規材料不具備的新現象和奇異特性，這與這類材料的微結構特別是電子結構密切相關。強磁場為研究極微細尺度體系的電子態和輸運特性提供強有力的手段，不但能進一步揭示這類材料在常規條件下難以出現的奇異現象，而且為在更深層次下認識其物理特性提供豐富的科學信息。主要研究強磁場下極微細尺度金屬、半導體等的電子輸運、電子局域和關聯特性；量子尺寸效應、量子限域效應、小尺寸效應和表面、界面效應；以及極微細尺度氧化物、碳化物和氮化物的光學特性及能隙精細結構等。

5.強磁場化學

強磁場對化學反應電子自旋和核自旋的作用，可導致相應化學鍵的鬆弛，造成新鍵生成的有利條件，誘發一般條件下無法實現的物理化學變化，獲得原來無法製備的新材料和新化合物。強磁場化學是套用基礎性很強的新領域，有一系列理論課題和廣泛套用前景。貢獻。八十年代的一個概念上的重要進展是量子霍爾效應和分數量子霍耳效應的發現。這是在強磁場下研究二維電子氣的輸運現象時發現的（獲85年諾貝爾獎）。量子霍爾效應和分數量子霍爾效應的發現激起物理學家探索其起源的熱情，並在建立電阻的自然基準，精確測定基本物理常數e，h和精細結構常數(=e2/h(0c等套用方面，已顯示巨大意義。高溫超導電性機理的最終揭示在很大程度上也將依賴於人們在強磁場下對高溫超導體性能的探索。

熟悉物理學史的人都清楚，由固體物理學演化為凝聚態物理學，其重要標誌就在於其研究對象的日益擴大，從周期結構延伸到非周期結構，從三維晶體拓寬到低維和高維，乃至分數維體系。這些新對象展示了大量新的特性和物理現象，物理機理與傳統的也大不相同。這些新對象的產生以及對新效應、新現象的解釋使得凝聚態物理學得以不斷的豐富和發展。在此過程中，極端條件一直起著至關重要的作用，因為極端條件往往使得某些因素突出出來而同時抑制其它因素，從而使原本很複雜的過程變得較為簡單，有利於直接了解物理本質。

相對於其它極端條件，強磁場有其自身的特色。強磁場的作用是改變一個系統的物理狀態，即改變角動量（自旋）和帶電粒子的軌道運動，因此，也就改變了物理系統的狀態。正是在這點上，強磁場不同於物理學的其他一些比較昂貴的手段，如中子源和同步加速器，它們沒有改變所研究系統的物理狀態。磁場可以產生新的物理環境，並導致新的特性，而這種新的物理環境和新的物理特性在沒有磁場時是不存在的。低溫也能導致新的物理狀態，如超導電性和相變，但強磁場極不同於低溫，它比低溫更有效，這是因為磁場使帶電的和磁性粒子的遠動和能量量子化，並破壞時間反演對稱性，使它們具有更獨特的性質。

強磁場可以在保持晶體結構不變的情況下改變動量空間的對稱性，這對固體的能帶結構以及元激發及其互作用等研究是非常重要的。固體複雜的費米面結構正是利用強磁場使得電子和空穴在特定方向上的自由運動從而導致磁化和磁阻的振盪這一原理而得以證實的。固體中的費米面結構及特徵研究一直是凝聚態物理學領域中的前沿課題。當今凝聚態物理基礎研究的許多重大熱點都離不開強磁場這一極端條件，甚至很多是以強磁場下的研究作為基礎。如波色凝聚只發生在動量空間，要在實空間中觀察到此現象必需在非均勻的強磁場中才得以可能。又如高溫超導的機理問題、量子霍爾效應研究、納米材料和介觀物體中的物理問題、巨磁阻效應的物理起因、有機鐵磁性的結構和來源、有機（包括富勒烯〕超導體的機理和磁性、低維磁性材料的相變和磁相互作用、固體中的能帶結構和費米面特徵以及元激發及其互作用研究等等，強磁場下的研究工作將有助於對這些問題的正確認識和揭示，從而促進凝聚態物理學的進一步發展和完善。

帶電粒子象電子、離子等以及某些極性分子的運動在磁場特別是在強磁場中會產生根本性變化。因此，研究強磁場對化學反應過程、表面催化過程、材料特別是磁性材料的生成過程、生物效應以及液晶的生成過程等的影響，有可能取得新的發現，產生交叉學科的新課題。強磁場套用於材料科學為新的功能材料的開發另闢新徑，這方面的工作在國外備受重視，在國內也開始有所要求。高溫超導體也正是因為在未來的強電領域中蘊藏著不可估量的套用前景才引起科技界乃至各國政府的高度重視。因此，強磁場下的物理、化學等研究，無論是從基礎研究的角度還是從套用角度考慮都具有非常重要的科學和技術上的意義，通過這一研究，不僅有助於將當代的基礎性研究向更深層次開拓，而且還會對國民經濟的發展起著重要的推動作用。

發展歷史

1911年，荷蘭物理學家昂尼斯(1853～1926)發現，水銀的電阻率並不像預料的那樣隨溫度降低逐漸減小，而是當溫度降到4.15K附近時，水銀的電阻突然降到零。某些金屬、合金和化合物，在溫度降到絕對零度附近某一特定溫度時，它們的電阻率突然減小到無法測量的現象叫做超導現象，能夠發生超導現象的物質叫做超導體。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)TC。現已發現大多數金屬元素以及數以千計的合金、化合物都在不同條件下顯示出超導性。如鎢的轉變溫度為0.012K，鋅為0.75K，鋁為1.196K，鉛為7.193K。

超導體得天獨厚的特性，使它可能在各種領域得到廣泛的套用。但由於早期的超導體存在於液氦極低溫度條件下，極大地限制了超導材料的套用。人們一直在探索高溫超導體，從1911年到1986年，75年間從水銀的4．2K提高到鈮三鍺的23．22K，才提高了19K。

1986年，高溫超導體的研究取得了重大的突破。掀起了以研究金屬氧化物陶瓷材料為對象，以尋找高臨界溫度超導體為目標的“超導熱”。全世界有260多個實驗小組參加了這場競賽。

1986年1月，美國國際商用機器公司設在瑞士蘇黎世實驗室科學家柏諾茲和繆勒首先發現鋇鑭銅氧化物是高溫超導體，將超導溫度提高到30K；緊接著，日本東京大學工學部又將超導溫度提高到37K；美國休斯敦大學宣布，美籍華裔科學家朱經武又將超導溫度提高到40．2K。

1987年1月初，日本川崎國立分子研究所將超導溫度提高到43K；不久日本綜合電子研究所又將超導溫度提高到46K和53K。中國科學院物理研究所由趙忠賢、陳立泉領導的研究組，獲得了48．6K的鍶鑭銅氧系超導體，並看到這類物質有在70K發生轉變的跡象。2月15日美國報導朱經武、吳茂昆獲得了98K超導體。2月20日，中國也宣布發現100K以上超導體。3月3日，日本宣布發現123K超導體。3月12日中國北京大學成功地用液氮進行超導磁懸浮實驗。3月27日美國華裔科學家又發現在氧化物超導材料中有轉變溫度為240K的超導跡象。很快日本鹿兒島大學工學部發現由鑭、鍶、銅、氧組成的陶瓷材料在14℃溫度下存在超導跡象。高溫超導體的巨大突破，以液態氮代替液態氦作超導製冷劑獲得超導體，使超導技術走向大規模開發套用。氮是空氣的主要成分，液氮制冷機的效率比液氦至少高10倍，所以液氮的價格實際僅相當於液氦的1/100。液氮製冷設備簡單，因此，現有的高溫超導體雖然還必須用液氮冷卻，但卻被認為是20世紀科學上最偉大的發現之一。

套用領域

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套用前景。但要實際套用超導材料又受到一系列因素的制約，這首先是它的臨界參量，其次還有材料製作的工藝等問題（例如脆性的超導陶瓷如何製成柔細的線材就有一系列工藝問題）。到80年代，超導材料的套用主要有：①利用材料的超導電性可製作磁體，套用於電機、高能粒子加速器、磁懸浮運輸、受控熱核反應、儲能等；可製作電力電纜，用於大容量輸電（功率可達10000MVA）；可製作通信電纜和天線，其性能優於常規材料。②利用材料的完全抗磁性可製作無摩擦陀螺儀和軸承。③利用約瑟夫森效應可製作一系列精密測量儀表以及輻射探測器、微波發生器、邏輯元件等。利用約瑟夫森結作計算機的邏輯和存儲元件，其運算速度比高性能積體電路的快10～20倍，功耗只有四分之一。

研發產品

2014年3月28日，日本物質材料研究機構研究小組研究、合成了含有金和矽元素的新型超導化合物。

研究小組在1500度、6萬個大氣壓的高溫高壓條件下，使金和矽以及二矽化鍶等發生化學反應，生成了被稱為“SrAuSi3”的新型超導體，在1.6K絕對溫度下達到超導狀態。經理論計算分析，該新型超導體電子結構與原子序號較大的金元素相比，電子數有增加、電子磁性和自旋軌道耦合均較強，屬於BaNiSn3構造的化合物。該研究成果已在美國化學學會主編的《材料化學》上發表。

超導材料