超导材料的研究进展综述【摘要】：对超导材料进行了基本的说明，介绍了其基本特性，综述了超导材料的发展，阐明了超导材料的应用和研究展望【关键词】：超导现象基本临界参量各向同性约瑟夫森效应发展历史应用及应用前景研究展望一、定义具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。

现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。

二、超导材料的特性零电阻性超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。

如果用磁场在超导环中引发感生电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。

这种“持续电流”已多次在实验中观察到。

超导现象是20世纪的重大发明之一。

科学家发现某物质在温度很低时，如铅在7.20K（-265.95摄氏度）以下，电阻就变成了零。

完全抗磁性超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零。

约瑟夫森效应两超导材料之间有一薄绝缘层（厚度约1nm）而形成低电阻连接时，会有电子对穿过绝缘层形成电流，而绝缘层两侧没有电压，即绝缘层也成了超导体。

当电流超过一定值后，绝缘层两侧出现电压U（也可加一电压U），同时，直流电流变成高频交流电，并向外辐射电磁波，其频率为，其中h为普朗克常数，e为电子电荷。

这些特性构成了超导材料在科学技术领域越来越引人注目的各类应用的依据同位素效应超导体的临界温度Tc与其同位素质量M有关。

M越大，Tc越低，这称为同位素效应。

例如，原子量为199.55的汞同位素，它的Tc是4.18开，而原子量为203.4的汞同位素，Tc为4.146开。

三、基本临界参量临界温度外磁场为零时超导材料由正常态转变为超导态(或相反)的温度，以Tc表示。

Tc值因材料不同而异。

已测得超导材料的最低Tc是钨，为0.012K。

到1987年，临界温度最高值已提高到100K左右。

临界磁场使超导材料的超导态破坏而转变到正常态所需的磁场强度，以Hc表示。

Hc 与温度T 的关系为Hc=H0[1-(T/Tc)2]，式中H0为0K时的临界磁场。

临界电流和临界电流密度通过超导材料的电流达到一定数值时也会使超导态破态而转变为正常态，以Ic表示。

Ic一般随温度和外磁场的增加而减少。

单位截面积所承载的Ic称为临界电流密度，以Jc表示。

超导材料的这些参量限定了应用材料的条件，因而寻找高参量的新型超导材料成了人们研究的重要课题。

以Tc为例，从1911年荷兰物理学家H.开默林－昂内斯发现超导电性(Hg，Tc=4.2K)起，直到1986年以前，人们发现的最高的Tc 才达到23.2K(Nb3Ge，1973)。

1986年瑞士物理学家K.A.米勒和联邦德国物理学家J.G.贝德诺尔茨发现了氧化物陶瓷材料的超导电性，从而将Tc提高到35K。

之后仅一年时间，新材料的Tc已提高到100K左右。

这种突破为超导材料的应用开辟了广阔的前景，米勒和贝德诺尔茨也因此荣获1987年诺贝尔物理学奖金。

四、超导材料的分类超导元素在常压下有28种元素具超导电性，其中铌（Nb）的Tc最高，为9.26K。

电工中实际应用的主要是铌和铅(Pb，Tc=7.201K)，已用于制造超导交流电力电缆、高Q值谐振腔等。

合金材料超导元素加入某些其他元素作合金成分，可以使超导材料的全部性能提高。

如最先应用的铌锆合金(Nb-75Zr)，其Tc为10.8K，Hc为8.7特。

继后发展了铌钛合金，虽然Tc稍低了些，但Hc高得多，在给定磁场能承载更大电流。

其性能是Nb-33Ti，Tc=9.3K，Hc=11.0特；Nb-60Ti，Tc=9.3K，Hc=12特(4.2K)。

目前铌钛合金是用于7～8特磁场下的主要超导磁体材料。

铌钛合金再加入钽的三元合金，性能进一步提高，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。

超导化合物超导元素与其他元素化合常有很好的超导性能。

如已大量使用的Nb3Sn，其Tc=18.1K，Hc=24.5特。

其他重要的超导化合物还有V3Ga，Tc=16.8K，Hc=24特；Nb3Al，Tc=18.8K，Hc=30特。

超导陶瓷20世纪80年代初，米勒和贝德诺尔茨开始注意到某些氧化物陶瓷材料可能有超导电性，他们的小组对一些材料进行了试验，于1986年在镧－钡－铜－氧化物中发现了Tc=35K的超导电性。

1987年，中国、美国、日本等国科学家在钡－钇－铜氧化物中发现Tc处于液氮温区有超导电性，使超导陶瓷成为极有发展前景的超导材料。

五、超导材料研究历史1911年，荷兰科学家海克·卡末林·昂内斯用液氦冷却汞，当温度下降到绝对温标4.2K时水银的电阻完全消失，这种现象称为超导电性，此温度称为临界温度。

根据临界温度的不同，超导材料可以被分为：高温超导材料和低温超导材料。

但这里所说的「高温」，其实仍然是远低於冰点摄氏0℃的，对一般人来说算是极低的温度。

1933年，迈斯纳和奥克森菲尔德两位科学家发现，如果把超导体放在磁场中冷却，则在材料电阻消失的同时，磁感应线将从超导体中排出，不能通过超导体，这种现象称为抗磁性。

经过科学家们的努力，超导材料的磁电障碍已被跨越，下一个难关是突破温度障碍，即寻求高温超导材料。

1973年，发现超导合金――铌锗合金，其临界超导温度为23.2K，这一记录保持了近13年。

1986年，设在瑞士苏黎世的美国IBM公司的研究中心报道了一种氧化物（镧钡铜氧化物）具有35K的高温超导性。

此后，科学家们几乎每隔几天，就有新的研究成果出现。

1986年，美国贝尔实验室研究的超导材料，其临界超导温度达到40K，液氢的“温度壁垒”（40K）被跨越。

1987年，中国科学家赵忠贤以及美国华裔科学家朱经武相继在钇－钡－铜－氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上，液氮的“温度壁垒”（77K）也被突破了。

1987年底，铊－钡－钙－铜－氧系材料又把临界超导温度的记录提高到125K。

从1986－1987年的短短一年多的时间里，临界超导温度提高了近100K。

2001年，二硼化镁（MgB2）被发现其超导临界温度达到39K [1]。

此化合物的发现，打破了非铜氧化物超导体（non-cuprate superconductor）的临界温度纪录。

1990至2000年代，具ZrCuAsSi结构的稀土过渡金属氮磷族化合物（rare-earth transition-metal oxypnictide, ReTmPnO）陆续被发现[2] [3]。

但并未有人发现其中的超导现象。

2008年，日本的Hideo Hosono团队发现在铁基氮磷族氧化物（iron-based oxypnictide中，将部份氧以掺杂的方式用氟作部份取代，可使LaFeAsO1-xFx的临界温度达到26K[4]，在加压後（4 GPa）甚至可达到43K[5]。

其後，中国的闻海虎团队，发现在以锶取代稀土元素之後，La1-xSrxFeAsO亦可达到临界温度25K[6]。

其後，中国的科学家陈仙辉、赵忠贤等人，发现将镧以其他稀土元素作取代，则可得到更高的临界温度；其中，SmFeAs[O0.9F0.1]可达55K[7] [8]。

另外，将铁以钴取代（LaFe1-xCoxAsO），稀土元素以钍取代（Gd1-xThxFeAsO），或是利用氧缺陷（LaFeAsO1-δ）等方式，也都可以引发超导[9] [10] [11]。

此系统亦被简称为「1111系统」。

此化合物的发现，非但再度打破了由MgB2保持的非铜氧化物超导体（non-cuprate superconductor）的临界温度纪录，其含铁却有超导的特性也受人注目。

同样在2008年，受到上述「1111系统」的启发，ThCr2Si2结构的硷土金属氮磷族化合物（ATm2Pn2）亦被发现，在将BaFe2As2中将硷土金属（IIA）以硷金属（IA）部分取代，亦可得到临界温度约30至40K的高温超导体，如Ba1-xKxFe2As2（38 K）[12]。

此系统亦被简称为「122系统」。

如同氧化物超导体，「1111」与「122」系统的超导来源也是由层状结构中的FeAs层贡献，藉由不同价数的离子掺杂或是氧缺陷，可提升FeAs层载子的浓度，进而引发超导。

六、超导材料的应用超导材料可用于制作交流超导发电机、磁流体发电机和超导输电线路等。

目前超导量子干涉仪（SQUID）已经产业化。

另外，作为低温超导材料的主要代表NbTi合金和Nb3Sn，在商业领域主要应用于医学领域的MRI（核磁共振成像仪）。

作为科学研究领域，已经应用于欧洲的大型项目LHC项目，帮助人类寻求宇宙的起源等科学问题。

超导电性的实际应用从根本上取决于超导材料的性能。

与实用低温超导材料相比，高温超导材料的最大优势在于它应用于液氮温区。

20世纪90年代，随着第一代Bi系高温超导材料的商业化，美国、日本、欧洲和中国等国和相关大公司都投入大量的人力和资金，开展高温超导电力应用研究，相继开展了超导电机、超导变压器、超导输电电缆和超导储能装置等的研究，并取得了许多实质性的进展。

1.电流引线：在给低温环境下工作的超导磁体和电力设备供电时，由低温到高温之间的电流引线会消耗许多液氦。

高温超导体由于临界温度高，热导率低，可以在超导态下给磁体供电，从而把由低温区到高温区的热漏减少到了极小的程度。

目前用作电流引线的材料主要有Bi-2212及Bi-2223的棒、管和带材、以及熔融法YBCO棒材。

目前电流引线已成功地用于微型致冷机冷却的NbTi及Nb3Sn磁体系统，第一次实现了不需用液氦的超导磁体应用。

2.磁体：高温超导磁体在MRI、NMR、磁悬浮列车、磁分离技术、高能加速器、磁性扫雷技术和磁流体推动技术等方面有重要的应用价值。

美国超导体（AMSC）公司研制了一个利用机械致冷机冷却的高温超导磁体，在27 K零外场下能产生2.16 T的磁场。

最近，日本住友电工将Bi系多芯带绕制的四双饼高温超导磁体插入NbTi及Nb3Sn组合磁体中，在4.2K产生了常规低温超导体无法实现的24T 的磁场，已能满足1GHz核磁共振磁体要求。

Bi-2212线材绕制线圈和磁体是目前研究的重点之一。

Bi-2212具有较高的临界温度，用这种材料绕制的磁体具有高的稳定性和可靠性，因此，这种磁体能够在广阔的范围内得到应用。

3.输电电缆：高温超导电缆具有体积小、重量轻、损耗低和传输容量大的优点，从20世纪90年代起，美国、日本和丹麦等国都相继开展这方面的研究，并进行示范性实验。

2004年，日本东京电力公司研制出500m长、77kV／1kA单芯高温超导电缆。

2004年l2月，中国科学院电工研究所与甘肃长通电缆公司等合作研制成功75m、10．5 kV／1．5kA交流高温超导电缆，并接入到甘肃长通电缆公司6kV配电网中向车间供电运行，如图2所示。