超导材料及其应用 08级应用物理 主讲人：李海东

· 超导简史 · 超导材料 · 超导应用

一、超导简史 1908年，荷兰物理学家昂内斯首次成功地把称为“永久气体”的氦液化，因而获得4.2K 的低温源，为超导准备了条件，三年后即1911年，在测试纯金属电阻率的低温特性时，他又发现，汞的直流电阻在4.2K时突然消失，多次精密测量表明，汞柱两端压降为零，他认为这时汞进入了一种以零阻值为特征的新物态，并称为“超导态”。物质在超低温下失去电阻的 性质称为超导电性，具有这种性质的物质称为超导体，超导体在电阻消失以前的状态称为常导状态，电阻消失以后的状态称为超导状态。 这种特性称为超导材料的零电阻性。

汞在液氦附近电阻变化行为

自1911年以后，又发现了23种纯金属也具有超导性。包 括水银在内，24种纯金属超导材料的临界温度范围为0. 1～9. 13K，最高温度9 自1911年以后，又发现了23种纯金属也具有超导性。包 括水银在内，24种纯金属超导材料的临界温度范围为0.1～9.13K，最高温度9.13K的是铌元素。 1952年，发现了临界温度为17K的硅化钒，不久又发现了临界温度为18K的铌锡合金，这在当时是最高的临界温度，以后又陆续发现了若干铌系列合金超导体。 1973 年，科学家发现了铌锗合金，其临界温度为23.2K，该纪录保持了13年。 1986 年，IBM公司的研究人员米勒和贝德诺尔茨发现了一种铜氧化物具有35K 的高温超导性，突破了传统“氧化物陶瓷是绝缘体”的观念，更重要的是改变了从金属和合金中寻找超导材料的传统思路 。

1986 年底，美国贝尔实验室研究的氧化物超导材料，其临界超导温度达到40K，液氢的“温度壁垒”被跨越。 1987年，中国科学家赵忠贤在钇-钡-铜-氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上，液氮的禁区（77K）也被突破了，这使超导转变温度高于液氮的气化温度 ，使资源丰富、价格低廉的液氮作为超导体工作的冷却剂成为可能。人们将这类铜基氧化物超导体叫做高温超导体。为了与这类新发现的高温超导体相区别，人们把在此以前发现的超导体称为低温超导体。 1987年底，铊-钡-钙-铜-氧系材料又把临界超导温度的纪录提高到125K。 1993年，人们发现了超导临界转变温度为133K的汞-钡-钙-铜-氧系材料。

二 超导材料 2.1钇系高温超导体 钇系高温超导体是当前已知的四类高温超导体中研究得最透彻的一种。目前已能从多种商业渠道获得优质的Y123粉、块材和薄膜。制备超导性能优异的粉末$高度致密块材或薄膜的方法和工艺条件已相当成熟。YBCO大约在92K显示出超导电性，并且超导相的比例极高。Y123薄膜的磁通钉扎性能甚佳。

2.2 铋系高温超导体(BSCCO) 这是仅次于钇系研究得颇为透彻的高温超导体。1988年初日本人用便宜的Bi2O3 代替稀土，用锶、钙代替钡在BSCCO系中发现了新的高温超导相。此后,美、日都宣布发现了Tc=110Ｋ的超导体，经研究BSCCO共有Bi2Sr2CaCu2O8(Bi2212) 和(Bi，Pb)2Sr2Ca2Cu3O10(Bi2223) 两个高温超导相,前者的Tc约80Ｋ,后者为110Ｋ。BSCCO 粉具有极好的烧结特性和超导性能，目前已商品化生产用于制造和开发铋系线材。

2.3 铊系高温超导体(TBCCO) 铊系高温超导体是继钇系、铋系之后于1988年发现的第三种高温超导体。目前已合成出Tl 1212、Tl 1223、Tl 2212 和Tl 2223 四种超导相的粉末。近年来对TBCCO的研究表明,用它们有望获得高Tc 的薄膜、多晶、厚膜和带材。 2.4其它超导体 如汞系、镧系、Nb3Sn系及其它。

NbTi超导棒材 NbTi/Cu多芯复合线 NbTi/Cu多芯复合线

钇钡铜氧化物（ YBa2Cu3O7-x ) 超导体

二硼化镁超导材料 ---Robert F. Serverce.Science,295,786(2002).

三 超导应用 1、超导电力设备 电力设备是超导技术应用的一个重要领域，主要利用超导体可以无电阻传输大电流的特点。目前世界各国开发的主要超导电力设备包括超导电缆、超导限流器、超导变压器、超导电机和超导储能装置等。 1.1 超导电缆 超导电缆的发展经历了直流低温超导电缆、交流低温超导电缆和交流高温超导电缆等几个发展过程,目前交流高温超导电缆已经成为超导电缆研究的重点。超导电缆是利用超导材料零电阻特性的新一代电力输电电缆。与常规电缆相比，超导电缆具有损耗低、容量大、材料省、无污染等优势。超导电缆的广泛应用，将降低输电损耗，改进和提高电网的稳定性和安全性，节省土地资源，保护生态环境。

1.2 超导电机 超导电机包括发电机和电动机。由于采用了超导绕组，与常规电机相比，能够承载更大的电流从而产生更强的磁场，所以在与常规电机功率相同的情况下，其体积和重量可以减小到常规电机的1/5 左右。 超导发电机，拥有两万千瓦的功率

超导悬浮列车 　 由于超导体具有完全抗磁性,在车厢底部装备的超导线圈,路轨上沿途安放金属环,就构成悬浮列车。当列车启动时,由于金属环切 割磁力线,将产生与超导磁场方向相反的感生磁场。根据同性相斥原理,列车受到向上推力而悬浮。超导悬浮列车具有许多的优点:由于它是悬浮于轨道上行驶,导轨与机车间不存在任何实际接触,没有摩擦,时速可达几百公里；磁悬浮列车可靠性大,维修简便,成本低,能源消耗仅是汽车的一半、飞机的四分之一；噪声小,时速达300 公里/ 小时,噪声只有65 分贝;以电为动力,沿线不排放废气,无污染,是一种绿色的交通工具。

超导变压器 使用超导绕组制成的超导变压器可以大大地减小变压器的体积和重量，并杜绝了传统变压器可能造成的油污染。由于超导绕组具有较低的损耗，所以运行时也可减少能量损失。 超导储能装置 超导储能装置是利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其它负载的一种电力设施。由于储能线圈由超导线绕制且维持在超导态，线圈中所储存的能量几乎可以无损耗地永久储存下去直到需要释放时为止。超导储能装置不仅可用于调节电力系统的峰谷或解决电网瞬间断电对用电设备的影响，而且可用于降低甚至消除电网的低频功率振荡从而改善电网的电压和频率特性，同时还可用于无功和功率因数的调节以改善电力系统的稳定性。

超导在加速器上的应用 不仅在过去的几十年不断有以超导磁体为核心技术的超导加速器在建造, 未来的加速器方案中仍将主要采用超导技术方案, 超导技术在大型粒子加速器建造中的核心地位仍没有动摇。迄今为止液氦冷却的铌及其合金仍是最好的选择, 但是基于铌合金的超导磁体和基于高纯铌的超导腔性能都已逼近其极限水平, 因此, 人们对于高温超导材料以及最新发现的MgB2 超导体应用于粒 子加速器寄以厚望。超导在加速器中应用主要体现在两个方面, 一是提供强磁场B的超导磁体，二是提供加速场强E的超导谐振腔。前者应用于回旋加速器中, 用于约束粒子于回旋的轨道中,后者用于给粒子提供加速场强。

谢谢