超导材料的性能及应用综述班级：10粉体（2）班学号：1003012003 姓名：徐明明摘要：回顾了超导现象的发现及发展，综述了超导电性的微观机理，超导物理学研究的历史和主要成果，介绍了超导电性的几种突出的应用，并指出目前对于超导电性的认识在理论、实验、研究上都是初步的 ,还需要进行更多的和更深入全面的研究。

关键词:超导电性；超导应用；BCS理论；应用一、超导现象的发现及发展1908 年, 荷兰莱登实验室在卡茂林- 昂尼斯的指导下, 用液氢预冷的节流效应首次实现了氦气的液化，从而使实验温度可低到4~1K 的极低温区, 并开始在这样的低温区测量各种纯金属的电阻率。

1911 年,卡茂林- 昂尼斯[1] 发现Hg 的电阻在4. 2K 时突降到当时的仪器精度已无法测出的程度, 即Hg 在一确定的临界温度T c= 4. 15K 以下将丧失其电阻,这是人们第一次看到的超导电性。

昂尼斯也凭这一发现获得了1913 年的诺贝尔物理学奖。

后来的实验证明，电阻突变温度与汞的纯度无关，只是汞越纯，突变越尖锐。

随后,人们在Pb及其它材料中也发现这种特性:在满足临界条件(临界温度 Tc、临界电流 Ic、临界磁场 Hc)时物质的电阻突然消失,这种现象称为超导电性的零电阻现象。

应该指出,只是在直流电情况下才有零电阻现象。

从此，诞生了一门新兴的学科——超导。

一直到20世纪50年代,超导只是作为探索自然界存在的现象和规律在研究,1957年Bardeen、Cooper和Schrieffer[2]提出了著名的BCS理论,揭示了漫长时期不清楚的超导起因。

1961年Kunzler将Nb3Sn制成高场磁体,开辟了超导在强电中的应用,特别是 1962 年Josephson效应的出现,将超导应用推广到一个崭新的领域。

到20世纪70年代超导在电力工业和微弱信号检测应用方面的进展显示了它无比的优越性,但由于临界温度低,必须使用液氦,这就极大地限制了它的优越性。

从20世纪70年代起人们就将注意力转向寻找高温超导体上,在周期表上排列、组合成各种二元、三元合金或化合物,但进展一直不大,人们又去找四元化合物,仍无成效,1973年找到的最高临界温度是23.2K的Nb3Ge薄膜。

直到1986年4月当瑞士苏黎世的 IBM研究室的学者Bednorz和 Muller[3]报道了La- Ba- Cu- O体系的超导转变温度为36K时,人们是多么的激动,从而在世界范围内掀起了研究、探索高温超导材料的热潮。

最引人注目的突破性进展是几个系列高温超导氧化物的相继问世。

1987年初,美国的朱经武等[3]和中科院物理所的赵忠贤等[4]分别独立地发现了Tc超过90K的 Y-Ba- Cu- O超导体,这是第一个液氮温区超导体,实现了Tc超出液氮沸点的重要突破。

1988 年又发现了更高 Tc的两个系列超导氧化物:110K的Bi- Sr- Ca- Cu- O[5]和125K的 Tl- Ba- Ca- Cu- O[6]系统,随后,Hg- Ba- Ca-Cu- O[8]等高温超导材料相继问世,。

1993年12月法国国家科研中心宣布也是在HgBaCaCuO体系中(估计是1234或1245结构)出现了 - 43℃～ - 3℃的超导现象,如果这一结果得到其他实验室的独立证实,那将是一种非常接近室温超导的材料。

2000 年,Schoen等人[7]报道采用在场效应晶体管结构下通过栅极诱导的空穴掺杂使 C60的空穴密度显著增大,从而在很宽的空穴密度范围内观察到超导电性。

2001 年 1 月,Nagamatsu等人[8]报道发现了一种新的超导材料 MgB2。

它是简单的二元金属化合物, Tc=39K左右。

在非铜氧化物和没有C60基的超导材料中,其 Tc已相当高,并且制作方法简单,因此在全世界范围内掀起了对其基础性质和实际应用进行研究的极大兴趣。

二、超导电性的本质自1911年发现超导电性开始，人们一直在努力探索产生超导电性本质。

大量实验表明,超导电性是由于电子气的行为发生了某种深刻变化引起的,特点是无阻地运动,电子气处在这种高度有序的状态意味着电子之间的相互作用是吸引的。

1957 年, Bardeen、Cooper 和Schrieffer三人提出了一种完整的超导微观理论,简称为BCS理论。

BCS理论是第一个成功的微观理论,它很好地解释了大多数金属元素的超导电性的起因及其重要性质,由它预言的结果与实验很好地符合。

BCS理论认为:超导体中的传导电流的超导电子是结合成对的,叫Cooper对。

Cooper对不能互相独立地运动,而只能以关联的形式作集体运动。

当某一电子对受到扰动,就要涉及到这个电子对所在空间范围内的所有其它电子对。

这个范围内的所有 Cooper对,在动量上彼此关联成为有序的集体,因此超导电子对在运动时,就不像其它正常电子那样,被晶体缺陷和振动散射产生电阻,从而呈现零电阻现象。

同时还能抗拒外来磁场的进入而导致Meissner效应。

BCS 理论可以解释常规超导体中的超导持续电流、迈斯纳效应和比热容的反常变化等一系列超导现象, 习惯上人们又将常规超导体称为BCS 超导体。

三、超导电性的应用1、超导磁场净化用超导强磁场除去水中的重金属，悬浮物和某些微生物，从而使被污染的河流和湖泊得到净化。

为了使瓷器更洁白漂亮，也可用超导体制成高梯度强磁场除去高岭上土中的金属磁性杂质。

2、超导技术在军事上主要体现在:①超导计算机:超导计算机应用于C3I 指挥系统,可使作战指挥能力迅速改善提高;②超导探测器:利用超导器件对磁场和电磁辐射进行测量,灵敏度非常高,可用于探测地雷、潜艇,还可制成十分敏感的磁性水雷。

超导红外毫米波探测器不仅灵敏度高,而且频带宽,探测范围可覆盖整个电磁频谱,填补现有探测器不能探测亚毫米波段信号的空白。

利用超导器件制造的大型红外焦平面阵列探测器,可以探测隐身武器,将大大提高军事侦察能力。

③大功率发动机:这种发动机具有能量大、损耗小、重量轻、体积小等优点,可用作飞机、舰艇等的动力装置。

④超导储能系统:利用超导材料的高载流和零电阻特性,可制成体积小、重量轻、容量大的储能系统,用作粒子束武器、自由电子激光器、电磁炮的能源。

⑤超导磁流体推进系统,为水面舰艇和潜艇提供动力。

3、超导电子器件利用超导隧道效应可制成各种电子器件和电路。

特别是在精密测量，电压标准监视，微波和远红外应用以及超导电子计算机的逻辑存贮电路方面，超导器件将产生巨大的影响。

目前在电子学技术中，利用超导的高频讯号特性可作为微波通讯中的混频器件。

在电子计算机中，由于超导电子器件的超灵敏度，超高精度，超快速和低功耗。

能使电子计算机运算速度比现在的速度提高几十倍，而且功耗大大降低，体积也大大减少。

又如超导量子干涉器件(简称SQUID)是一种高灵敏度的传感器。

用它可以测出人心脏或人脑中所发出的磁讯号。

在军事方面，它可以探测出潜艇在海底时引起的地磁变化。

4、抗磁性应用超导材料的另一重要特征是具有完全的抗磁性。

若把超导材料放在一块永久磁体之上,由于磁体的磁力不能穿过超导体,磁体和超导体之间就会产生斥力,使超导体悬浮在磁体上方。

超导磁悬浮列车利用超导磁石使车体上浮,通过周期性地变换磁极方向而获得推进动力。

日本于1977 年制成了ML500 型超导磁浮列车的实验车,1979 年12 月达到了每小时517 公里的高速度,证明了用磁悬浮方式高速行驶的可能性。

1987 年3 月,日本完成了超导体磁悬浮列车的原型车,其外形呈流线形,车重17 吨,可载44 人,最高时速为420 千米。

车上装备的超导体电磁铁所产生的电磁力与地面槽形导轨上的线圈所产生的电磁力互相排斥,从而使车体上浮。

槽形导轨两侧的线圈与车上电磁铁之间相互作用,从而产生牵引力使车体一边悬浮一边前进。

我国从70年代开始进行磁悬浮列车的研制,首台小型磁悬浮原理样车在1989 年春“浮”起来了。

1995 年5 月,我国第一台载人磁悬浮列车在轨道上空平稳地运行起来。

这台磁悬浮列车长3. 36 米,宽3 米,轨距2 米,可乘坐20 人,设计时速500 千米。

1996 年7 月,国防科技大学紧跟世界磁悬浮列车技术的最新进展,成功地进行了各电磁铁运动解耦的独立转向架模块的试验。

目前,美国正在研制地下真空磁悬浮超音速列车。

这种神奇的“行星列车”设计最高时速为2. 25 万千米,是音速的20 多倍。

它横穿美国大陆只需21 分钟,而喷气式客机则需5 小时。

高超导在运载上的其他应用可能还有用作轮船动力的超导电机、电磁空间发射工具及飞机悬浮跑道等。

利用超导体产生的巨大磁场,还可应用于受控制热核反应。

核聚变反应时,内部温度高达1 亿～2 亿℃,没有任何常规材料可以包容这些物质。

而超导体产生的强磁场可以作为“磁封闭体”,将热核反应堆中的超高温等离子体包围、约束起来,然后慢慢释放,从而使受控核聚变能源成为21 世纪前景广阔的新能源。

四、总结及展望超导材料是不仅是过去，现在的研究热点，也必将是将来的研究热点。

对于超导材料的结构，组成的研究，有助于找到具有比较高的临界温度Jc的超导材料，对于不同超导材料性能的研究，有利于研究出更适合人们使用的器件。

超导材料在将来必将深刻影响科学发展和人们的生活，各种各样超导电器件的应用，必将使得人们的生活得以改善。

超导材料的应用不仅能提高工作效率，在现在这个能源越来越紧缺的时代，超导材料也必然能使我们的资源得到大大节约，继而也将减少大量的污染。

参考文献[1] 王金星.超导磁体[M].北京:原子能出版社, 1985.[2] 张裕恒．超导物理[M[．合肥：中国科学技术大学出版社，1997：44—45．[3] 张礼，《近代物理学进展》，北京清华大学出版社，1997[4] 赵忠贤,等. [J ] .科学通报,1987 ,661[5] 冯端等．金属物理学(第四卷)：超导电性和磁性EM3．北京：科学出版社，1998：26—62．[6] 周午纵，梁维耀等．高温超导基础研究[M3．上海：上海科学技术出版社，1999：467--471．[7] 周午纵，梁维耀等．高温超导基础研究[M3．上海：上海科学技术出版社，1999：467--471．[8] 张其瑞．高温超导电性[M3．杭州：浙江大学出版社，1992。