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高温超导材料的发展和应用现状_吴兴超
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目的。高温超导材料的应用通常分为两大类: 强 电应用和弱电应用。 超导强电应用主要是基于 超导体的零电阻特性和完全抗磁性, 以及非理想 第二类超导体所特有的高临界电流密度和高临 界磁场。超导弱电应用主要是基于磁通量子化, 能隙、 隧道和约瑟夫森效应等。 高温超导带材和 块材主要在电力系统等强电领域中获得应用, 而 高温超导薄膜主要用于研制超导量子干涉器件、 微波器件等, 在弱电领域具有极大的应用空间。 3. 1 高温超导材料在强电领域中的应用现状 高温超导材料发现后, 由于其特殊的应用性
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高温超导材料应用现状
任何材料和技术的发展都以其应用为最终
系 ( YBCO) 、 铋系( BSCCO) 和二硼化镁( MgB2 ) 。 2. 1 钇系高温超导体( YBCO) 钇系高温超导体是当前已知的高温超导体 YBCO 大约在 92K 显示 中研究得最透彻的一种, 出超导电性, 并且超导相的比例极高。 目前已能 从多种商业渠道获得优质的 Y123 粉末、 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, 最常用的 方法是粉末装管法 ( PIT )
吴兴超等:高温超导材料的发展和应用现状
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用研究。早期的工作主要集中在高温超导导线 制备、 线圈磁体技术、 高压发生器、 电力故障限流 器、 磁性分离装置、 大电流引线、 电力应用性能研 。 究等 目前高温超导材料已经在电力能源、 交通 运输、 生物医学、 高能物理等方面取得了很大的 发展。 ( 1 ) 电力能源方面, 用作高温超导电缆、 高温 超导变压器, 试验运行的高温超导限流器, 以及 正在试验阶段或研制阶段的超导磁储能、 高温超 导飞轮储能、 高温超导电动机、 高温超导发电机、 高温超导电流引线等。 高温超导电缆具有损耗小、 体积小、 重量轻、 容量大, 实现低电压大电流输电, 环保、 节能, 有 助于改善电网结构等优点, 且近年来我国线缆制 , 15% —20% 的速度技术的应用可使生物医疗的水平大大提高 。 另外, 高能物理实验研究中广泛用作探测器 磁体、 输运磁体和加速磁体; 超导技术在军事领 域广泛用做超导扫雷具、 电磁炮和超导激光武器 等 , 如超导扫雷具有重量轻, 体积小, 机动 性强, 可进行大步进拖曳扫雷, 磁场强, 能耗低, 能消除死区, 剩磁小, 目标信号特征弱, 系统安 全, 可靠性高等优点。而超导武器设备在国防上 又有着极其重要的战略意义。 环视当前国际形 势, 有理由相信, 超导技术在军事领域的研究将 更受重视。 3. 2 高温超导材料在弱电领域中的应用现状 高温超导材料超导在弱电、 弱磁领域中的应 用也是多方面的, 其中主要是在电子学和通讯上 的应用。 ( 1 ) 超导电子学方面, 用于制造地震预报、 空 间和军事等领域的超导量子干涉器件 ( SQUID ) 、 电感 器、 超 导 计 算 机 等。 如 南 开 大 学 周 铁 戈 基于本征约瑟夫森效应, 提出并制作了一 种新型的高温超导材料电感器, 这种新型电感器 等 不依赖于传统的电磁感应原理, 具有直流电阻为 零、 尺寸小和可调谐等优点, 在电子电路, 尤其在 超导电子电路方面有着巨大的应用价值 。 ( 2 ) 通讯方面, 制造用于蜂窝电话基站、 移动 通信等领域的高温超导滤波器和用于通信、 导航 等领域的高温超导微带天线等。 如超导滤波器 具有信噪比高、 带边陡峭、 选择性好和抗十扰能 力强等优点, 且导滤波器的市场巨大, 截止 2011 3G 网络覆盖全国所有地级以上城市及大部 年, 3G 基 分县城、 乡镇、 主要高速公路和风景区等, 站超过 40 万个, 未来在 3G 网络建设同时还要进 行 4G 网络建 设以及网络优化升级, 若有 20% 的新建基站 应用超导滤波器, 加上原有基站优化, 将会产生
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7 ] , ( Kamerlingh Onnes) 将氦气液化[1, 发现汞在液
氦中( 4. 2 K) 的零电阻特性, 引起了低温研究、 超 导机制理论研究、 超导材料的研究以及超导技术 应用 研 究 等 各 个 方 面 的 研 究 热 潮。 在 1911 — 1932 年间, 以研究元素超导为主, 除汞以外, 又发 Sn、 Nb 等 众 多 的 金 属 元 素 超 导 体; 在 现了 Pb、 1932 —1953 年间, 则发现了许多具有超导电性的 合金, 以及 NaCl 结构的过渡金属碳化合物和氮 化物, 临界转变温度 ( T c ) 得到了进一步提高; 随 发 现 了 T c > 17 K 的 后, 在 1953 —1973 年 间, 1973 年 Nb3 Ge 的发现, Nb3 Sn 等超导体, 使 其中, T c 的 最 高 纪 录 上 升 到 23. 2K[8—9]。 直 到 1986 年, 美国国际商用机器公司在瑞士苏黎世实验室 的科学 家 柏 诺 兹 ( J. G. Bednorz ) 和 缪 勒 ( K. A. Müller) 首先制备出了 T c 为 35 K 的镧钡铜氧 ( LaBaCuO) 高温氧化物超导体, 随后高温超 [10 —12 ] 。 临界转变 导体的研究取得了重大的突破 温度超过 90 K 的钇钡铜氧等一系列超导体被 发现, 而这也成为了超导材料研究中一个划时代
和外延生长法。 此
外, 虽然在众多沉积方法中脉冲激光沉积法 ( PLD)[18]是应用最广泛的一种沉积方法, 但由 于 PLD 法要使用昂贵的大功率、 高真空装置以及 工业用 激 光 源, 而 不 太 适 合 大 规 模 产 业 化。 目
能, 从 20 世纪 90 年代初就开始了强电方面的应
第 29 卷第 4 期
量仪器、 微波器件、 超导计算机等各个领域的应用现状和前景 。 关键词:高温超导材料;钇系高温超导体( YBCO) ;铋系高温超导材料( BSCCO) ;二硼化镁( MgB2 ) 中图分类号:TB34 文献标识码:A
Development and Application Status of HTS Materials WU Xingchao ,LI Yongsheng,XU Feng
2014 年 8 月
材
料
开
发
与
应
用
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1545 ( 2014 ) 04009506 文章编号:1003-
高温超导材料的发展和应用现状
徐 吴兴超, 李永胜, 峰
( 材料评价与设计教育部工程研究中心, 南京理工大学, 江苏 南京 210094 ) 摘 要:综述了高温超导材料的发展和在强电和弱电领域如电力能源 、 交通运输、 高能物理、 生物医学、 精密测
[29 ] 百亿级的巨大市场 。 ( 3 ) 其他弱电应用, 用于制造大型舰船、 核潜 [32 ] [30 —31 ]
图1 Fig. 1
超导材料临界转变温度与发现年份
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热解法适于大规模生产铋系粉末 2. 3 二硼化镁( MgB2 )
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。
History of T c for superconducting materials[14]
二硼化镁是常规超导体中临界温度最高的, 人们对于超导材料的研究兴趣持 一百年来, 续不减。2011 年人们在世界各地举行了各种活
( Engineering Research Center of Materials Behavior and Design,Ministry of Education; Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094 ,China) Abstract:The development of high temperature superconducting ( HTS) materials and their applications in strong electric fields and weak electric fields such as electrical energy,transportation,highenergy physics,biomedical,precision measuring instruments,microwave devices,superconducting computers were reviewed. Keywords:HTS materials;YBCO;BSCCO; MgB2
[21 —22 ] [23 ] , 此外, 电泳法 是一种制备高
导材料的研究现状和未来发展。 随着新超导材 料的不断发现, 超导材料的临界转变温度不断提 高, 理论机制认识更加深入, 将极大的促进超导 材料实用化进程。
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常用的高温超导材料
目前, 高温超导材料中应用最为广泛的是钇
质量的 MgB2 带材的新方法。
超导材料的发现和发展至今已经有 100 多 年的历史了, 从 1911 年发现之日起便引起了全 世界各国科研工作者的关注。 在对其研究不断 取得突破和进展的同时, 由于其自身的性质以及 对液氦温区工作环境的需求, 限制了它的应用发 展。 直 到 1986 年 高 温 超 导 材 料 ( HTS ) 的 发 , 现 超导材料从研究阶段向应用发展阶段转 变。经过人们 20 多年的努力, 高温超导材料及 其相关科学技术得到了快速的发展, 并在电力、 [4 —6 ] 。 作为当 交通和医疗等领域相继得以应用 超导技术 代科学领域中最重要的研究课题之一, 被认为是未来具有战略意义, 有着巨大商业价值 和广阔应用前景的高新技术, 可以预言, 超导技 术的普及、 高温超导材料的广泛应用必将引起一 场新的工业革命。
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超导材料的发展
1911 年 荷 兰 莱 登 实 验 室 的 卡 默 林 昂 尼 斯
收稿日期:2013 - 12 - 16 1990 年生, mail:wuxingchao0305@ sina. com 作者简介:吴兴超, 男, 主要从事高温材料的研究 。E-
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材
料