2010 - 2011 第 2 学期功能材料学题目：超导材料的研究进展姓名：***学号： ********B004专业：材料科学与工程任课老师：吴进怡超导材料的研究进展冯秀清（材料与化工学院材料科学与工程）摘要：本文从概念、分类、研究进展、应用、发展趋势等方面对超导材料特别是高温超导材料进行了综述。

关键词：超导；高温超导体；进展0引言随着社会的进步，工业的发展，人们对能源的需求量越来越大。

但是，像石油、煤等能源储备有限且不可再生。

故而，如何在有限能源的条件下使社会健康稳步地发展，亦即如何做到可持续发展成了当今人们亟需解决的问题。

电力工业，是发展进步所不可或缺的。

然而，常规电力设备和电力系统存在着一些自身的缺陷，阻碍了电力工业的发展。

分析如下[1]：(1)随着电网容量的增加和规模的不断扩大，电力系统的短路容量越来越大。

不加限制的短路电流对电气设备和正常的工业生产带来很大的危害，还可能导致电力系统的崩溃。

(2)由于电力系统的“快速电能存取”这一环节非常薄弱，电力系统在运行和管理过程中的灵活性和有效性受到极大限制。

(3)常规电力系统的效率受到铜、铝等基本导电材料的限制，要进一步提高难度很大。

(4)常规电气设备占地面积大，而人口密集的大中城市正是负荷中心。

(5)可再生能源如太阳能发电、风力发电和潮汐能发电的能量密度低，且易受气候条件的影响。

(6)现有电力系统存在多电压等级和交直流输电共存的局面，电网经历了从局部小电网到区域大电网的发展过程，因此出现设备老化、超载严重、事故增多、供电能力不足、线路损耗率高和电压质量低等多方面的问题。

对于这些问题的解决方法，超导材料表现出了巨大的潜力。

长期以来，如何找到一种完全没有电阻，能消除电能损耗的导电材料，一直是物理学家和材料科学工作者梦寐以求的愿望[2]。

1911年，荷兰物理学家卡麦林·昂尼斯首次意外地发现了超导现象：将水银冷却到接近绝对零度时，其电阻突然消失[3]。

这一现象的发现为解决电路损耗带来了福音。

从此，对于超导材料的研究如火如荼。

下面，本文将从超导材料的概念、分类、研究进展、应用、发展趋势等方面对超导材料进行介绍。

1超导材料的概念1.1 何谓超导超导是超导电性的简称。

是一种材料，如某种金属、合金或化合物在一定的温度以下，电子可以无阻地流动，电阻变为零的性质[4]。

超导是一种宏观量子现象，它在微观上表现为费米面附近的电子配对，同时建立长程位相相干进而发生凝聚；在宏观上超导态有两个基本特征：即临界温度以下的零电阻率现象和完全抗磁性(迈斯纳效应)[5]。

1.2 何谓超导材料超导材料是在低温条件下能出现超导电性的物质。

超导材料最独特的性能是电能在输送过程中几乎不会损失[6]。

而作为超导材料，它具有如下特性[7]：（1)超导电性。

即对于某一种材料，如某种金属、合金或化合物在一定的温度以下，电子可以无阻地流动，电阻变为零的性质。

如前所述，超导电性是1911年由荷兰科学家昂尼斯发现的。

（2)抗磁性。

1 933年德国科学家迈斯纳发现超导体具有高抗磁性，使磁力线不能透入，人们称之为迈斯纳效应。

（3)约瑟夫效应或超导隧道效应。

1962年，英国科学家约瑟夫从理论上预言：如果在两块超导体之间置一绝缘层(厚度约10埃)，绝缘层将会成为—个“弱”超导体，超导电流可在其中通过，形成隧道超导电流。

约瑟夫的预言随后为实验所证实。

自20世纪60年代，超导材料的实用化就成为世界范围内的研究热点。

超导材料有3个临界参数：临界温度(T c)、临界磁场(H c)和临界电流密度(J c)，即超导材料必须在一定条件下才能保持超导态，具有高临界参数的超导材料才具有实用化价值[8]。

2超导材料的分类超导材料分为低温超导材料和高温超导材料。

下面我们从低温超导材料和高温超导材料的概念、性质等方面对它们进行简单的介绍。

2.1低温超导材料何谓低温超导材料？低温超导材料是具有低临界转变温度(T c<3OK=在液氦温度条件下工作)的超导材料，分为金属、合金和化合物。

具有实用价值的低温超导金属是Nb(铌)，T c 为9.3K已制成薄膜材料用于弱电领域。

合金系低温超导材料是以Nb为基的二元或三元合金组成的β相固溶体，T c在9K以上[9]。

低温超导材料一般都需在昂贵的液氦环境下工作,由于液氦制冷的方法昂贵且不方便，故低温超导体的应用长期得不到大规模的发展[10]。

2.2高温超导材料由于高温超导体的诱人使用前景，人们一直在探索高温超导体。

从1911年到1986年，75年间从水银的4.2 K提高到铌三锗的23.22 K，才提高了19K。

1986年，高温超导体的研究取得了重大的突破。

科学家们发现了一类新的氧化物陶瓷超导材料,其超导转变温度要比传统超导材料高数十度,可在液氮温度(-196℃)区间工作[11]。

这一发现，大大降低了超导体制冷的成本，掀起了以研究金属氧化物陶瓷材料为对象，以寻找高临界温度超导体为目标的“超导热”。

目前，高温超导材料指的是:钇系(92 K)、铋系(110 K)、铊系(125 K)和汞系(135 K)以及2001年1月发现的新型超导体二硼化镁(39 K)[12]。

其中最有实用价值的是铋系、钇系(YBCO)和二硼化镁(MgB2)。

高温超导体材料(HTS)具有超导电性和抗磁性两个重要特性。

要让超导体得到现实的应用，首先要有容易找到的超导材料。

即主要研究方向就是寻找能在较高温度下存在的超导体材料，简言之，就是将高温超导材料HTS(超导转变温度T>77K)的超导转变温度提高[13]。

3超导材料的研究进展对于这部分内容，我们主要介绍实用化高温超导材料的研究进展。

由于出现超导现象时的温度大都接近绝对零度，没有太大的实用可能性和经济价值。

为了寻找可在比较高的温度下有超导现象的材料，世界上无数科学家在为之奋斗、努力着。

1986年，Bednorz和Muller发现了达到38 K的La-Ba—Cu-O超导体，标志着氧化物高温超导材料研究的开始。

20世纪90年代，分别达到92 K的Y-Ba-Cu-O和110 K的Bi—sr-Ca—Cu—O 氧化物超导体被发现，国际上实用化高温超导材料的研发热潮也随之引发。

2001年为39 K 的MgB2超导材料的发现进一步丰富了实用化超导材料体系。

2008年发现具有实用化潜力的Fe基超导材料更成为了高温超导材料研究的新热点[8]。

根据第五届国际超导工业峰会预测，高温超导应用技术将在今后5～10年时间达到实用化水平，并将在2010年前后形成较大规模的产业。

到2010年，全球超导产业的产值预计将达到260亿美元，到2020年将达到2 400亿美元以上。

超导技术将是21世纪具有光明前景的高新技术[15]。

实用化超导材料是超导技术发展的基础，对于当今实用化超导材料的发展概况简介如下。

3.1YBCO涂层导体涂层导体是将YBCO薄膜沉积在带有阻隔层的柔性金属基带上的可实用化高温超导材料[14]。

YBCO超导体具有强的本征钉扎特性，涂层导体可以在77 K条件下高场应用。

YBCO涂层导体具有在柔性金属基带上外延双轴织构多层膜的基本结构，包括金属基带、缓冲层、YBCO 超导层和保护层四部分[8]。

这种多层膜结构使得制备YBCO涂层导体必须涉及到金属基带的精密加工技术、多种薄膜沉积和外延生长技术。

这不仅对制备装备提出了很高要求，同时也对提高涂层导体长带性价比带来一定的困难。

YBCO涂层导体是目前国际高温超导材料研究的热点，处于领先地位的是美国、日本等发达国家。

3.2Bi-2223带材Bi-2223材料的转变温度高、载流能力强，从1988年发现至今受到了广泛的关注，并对其进行了广泛的研究。

Bi-2223材料自1995年开始进行公司商业化生产，是目前唯一实现了规模化商业制备的高温超导材料。

Bi-2223带材性能虽然已基本满足工程应用要求，但为提高带材的应用能力和降低带材制造成本，还需要进一步大幅提高带材载流性能。

3.3MgB2线带材2001年发现的MgB2超导体，其临界温度仅为39 K，远低于高温超导材料。

但是，MgB2超导体具有简单的二元化学组成和六方晶体结构，晶界没有弱连接，而且原材料的成本较低，成材较高温超导材料容易。

这些特点，使其能在1～3 T的磁场范围内应用，如：MgB2可以在GM制冷机工作温区(20～30K)实现应用。

这与目前的Bi系高温超导带材、YBCO涂层导体以及低温超导材料相比具有较为明显的技术优势。

MgB2材料用作超导线带材的基础和关键是具有高的J c，其制备技术的研究具有重要意义，故而从2001年开始国内外众多研究小组均针对此开展了研究工作，并取得了一定的成就。

如：意大利的Columbus Superconductor公司采用PIT技术制备出单根l 800 m，3.6 mm x0．65 mm的多芯MgB2／Fe／Ni带材，其Ic为185 A(20K，1T)。

3.4YBCO块材YBCO超导块材可产生磁悬浮力、捕获磁场。

有研究结果证明，增大块材的单畴尺寸就可以获得更高的磁悬浮力和捕获磁通密度。

YBCO超导块材制备必须采用熔化生长工艺，以克服YBCO的弱连接问题，其典型工艺有熔融织构生长工艺(MTG)、熔化粉末熔融生长工艺(MPMG)和粉末熔化工艺(PMP)等。

由于YBCO超导块材潜在的应用价值，国内外研究工作者开展了大量的工作，近年来在YBCO块材制备及性能研究方面取得很大成绩，如：2008年，日本的Nariki S等在低氧分压条件下研究了EuBCO块材的制备技术，制备的直径为47mm的块材捕获磁场达到1.7T(77K)，最大块材尺寸达到65mm。

4超导材料的应用超导材料因其优越的性能，有着诱人的应用前景。

下面我们将从能源和交通两个方面对其应用进行简介。

4.1超导材料在能源方面的应用（1）超导输电超导材料可用于制作超导电缆。

超导电缆具有载流能力大、损耗低和体积小的优点，其传输容量将比常规电缆提高3～5倍。

可以把电力几乎无损耗地输送给用户，尽管在交流运行状态下存在交流损耗，但其输电损耗也将比常规电缆降低20%-70%[16]。

由于超导材料的零电阻特性,在使用过程中大大降低了损耗,减少了成本。

因此采用高温超导电缆输送电力是解决城市用电密度高、建设用地紧张的最佳输电方案，有着广阔的市场前景[17]。

（2）超导发电机超导技术在能源方面可应用于体积小、功率大的发电机。

采用超导磁体可以产生数万乃至几十万高斯的磁场，从而使磁流体的输出功率大大提高。

(3)超导储能系统超导储能的损耗较小，转换效率可高达90％，能量储存与释放的响应速度快，可达到数十毫秒左右，而抽水储能的转换效率仅为70％左右[17]。

超导储能器可向电网提供较大的瞬时功率，这对稳定系统电压、增加系统阻尼、提高系统的动态和静态稳定性大有好处，同时还具有改善功率因数，稳定电网频率，控制电压瞬间波动等性质，保证了重要户不间断供电等多种功能。