材料科学与人类文明课论文题目：超导材料的研究与发展班级：自动化1302姓名：李永治学号：1304080156成绩：超导材料的研究与发展摘要：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称为超导材料。

从1911年荷兰物理学家翁奈首先发现超导现象以来，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。

超导材料具有优越的物理性质和优越的性能，目前已被广泛接受和认同，具有良好的发展前景。

关键词：超导材料；分类；性质；应用；原理；展望一．引言超导材料乍一听离我们的生活还比较遥远，其实它的作用和功能远比我们想象中更强大。

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。

超导现象从1911年被发现到现在刚好一百零一年，在百年的发展史中，超导材料经历了从高温到低温的过程，实现超导的临界温度也越来越高，一旦室温超导达到实用化和工业化，将大大降低电能的损耗性，在电路运输，交通，医疗和国防事业带来革命性发展。

二．超导材料的定义我们对超导材料的认识首先要从它的定义入手。

具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零及排斥磁力线的性质的材料。

现在已经发现28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。

三．超导材料的发展历程了解了超导材料的定义后，它的发展历程也对我们了解它起着至关重要的作用。

下面就是超导材料的发展历程。

1911年荷兰物理学家卡米林·昂内斯(H.K.Onnes)首次发现汞在4.2K附近时其电阻性完全消失，第一次有了超导电性现象。

1908年荷兰莱顿实验室在昂内斯领导下终于把地球上尚未被液化的最后一个自然界气体——氦气液化了。

莱顿实验室在制成液氦的基础上，再用减压降温,获得了4K到1K的极低温区,从而具备了研究极低温下物性问题的基本条件。

1911年昂内斯在实验中发现:当冷却到氦的沸点时(4.2K)电压突然降到零,并于1913年正式提出了超导电性的概念。

1933年,德国的迈斯纳(W.Meissner)和奥赫森费尔德(R.Ochsenfeld)发现,当物体进入超导态后,超导体的磁导率为零,即超导进入一种完全抗磁性的状态。

1973年，发现了一系列A15型超导体和三元系超导体，如Nb3Sn、V3Ga、Nb3Ge 其中Nb3Ge超导体的临界转变温度(Tc)值达到23.2K。

以上超导材料要用液氦做致冷剂才能呈现超导态，因而在应用上受到很大限制。

1986年，IBM公司苏黎世实验室的科学家阿历克斯·（K.Alex Mǖller）缪乐和乔治·贝诺兹（J.Georg Bednorz）发现了Tc达38K的La-Ba-Cu-O超导体，标志着氧化物高温超导研究的开始。

1987年,亨茨维尔亚拉巴马大学的吴茂昆及其研究生与休斯顿大学的朱经武和他的学生共同发现了钇钡铜氧，这是首个超导温度在77K以上的材料，突破了液氮“温度壁垒”，也因此引发了对新高温超导材料的研究热潮。

随后，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。

1987年底，又把临界温度提高到125K。

2001年日本科学家发现新型MgB2超导体,其临界温度只有39K，但是能承受很高的电流，打破了非铜氧化合物超导体的临界温度记录。

2008年，日本的HideoHosono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，在加压后(4GPa)甚至可达到43K。

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

其后，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。

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。

此系统被简称为“111系统”。

此化合物的发现，不但打破了非铜氧化合物超导体临界温度记录，其含铁却又超导的特性也受人关注。

2008年至今，随着材料科学工艺技术的发展，以美国，德国、丹麦等为代表努力开展高温超导材料工艺及应用研究。

丹麦的NKT已批量制造铋系超导带材。

长10m、2000A的超导电力电缆正在研制中，下一步开发三相、50～100m输电电缆。

西门子公司计划到2003年制成20 MVA的超导变压器。

用于电子学方面探伤的RF-SQUID及卫星通讯用高温超导滤波器也在试制之中。

四．超导材料的性质超导材料因其特殊性也有着别的物质所没有的性质。

通过对它性质的了解我们就可以体会到它是如何凭着它的独一无二性创造出如此令我们叹为观止的应用。

1.零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。

超导体的零电阻现象与常导体零电阻在实质上截然不同。

常导体的零电阻是指在理想的金属晶体中，由于电子运动畅通无阻，因此没有电阻；而超导体零电阻是指当温度降至某一数值Tc或以下时，其电阻突然变为零。

2.完全抗磁性1933年迈斯纳和奥尔德首次发现了超导体具有完全抗磁性的特点。

把锡单晶球超导体在磁场(H≦Hc)中冷却，在达到临界温度Tc以下时，超导体内的磁通线一下子被排斥出去；或者先把超导体冷却至Tc以下，再通以磁场，这时磁通线也被排斥出动；即在超导状态下，超导体内磁感应强度B=0.这就是迈斯纳效应。

3.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。

4.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。

五．基本临界参量超导材料的基本临界参量也是我们需要了解它的一个重要方面。

1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。

2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。

3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。

六．超导材料的制备通过前面的介绍，我们可以得知超导材料有那么特殊的性质。

那么超导材料到底是怎么制备而成的呢？超导材料超导材料的制备方法很多，以前较为常用的有液相淬火法，离子轰击法，气相淬火法。

化学气相沉积法CVD，表面扩散法和固态扩散法（青铜法）等等，对于高温超导陶瓷材料的制备而言，这些方法可以借鉴，但主要是运用一些化学和物理技术和方法，这里更趋向于采用陶瓷工艺制备。

首先必须明确的是，发展超导材料的关键在于有效地运用科学方法，控制工艺参数，以形成超导相而避免其他不利的物质或杂质生成，努力使超导材料的超导相含量增高，甚至是单一超导相，提高转变温度，力求达到液氮温区或者干冰区，甚至追求室温超导体的制备为最终目标。

目前的工作重点在于提高临界电流密度（Jc）和改善机械性质（KC和强度），这方面的研究刚起步。

下面介绍一些常见的合成方法：(1)固相合成法:原料是采用32OTl(纯度为85%),BaO(纯度为85%)或2BaO(纯度80%),CaO（纯度98%）名义组成为yOTlBaCaCu2yOTlBaCaCu3,yTlBaCaCuO,yOCuBaCaTl322配料，经充分研磨混匀，然后，将混合料在500Mpa在压强下冷压成型，将成型的圆片放置在铂板或氧化铝板上，在电阻炉内通空气进行烧结，烧结温度为740-860℃，烧结时间4-8h，以后随炉冷却，制备出高Tc（超导转变临界温度）的样品。

在不同温度下进行烧结，采用热分析法进行观测，发现在800℃以上，样品已有严重的失重，加热温度再高，失重加剧。

但另一方向，要充分反应以形成更高转变温度的超导相，又需较高的烧结温度，因而只有合理控制工艺条件，采用快速升温，使原料中易挥发的32OTl迅速达到熔化，并同其他组成发生固一液反应，快速生成较稳定的物相，这样可大大减少在烧结过程TL的损失，获得在Tc为120K 的超导体陶瓷。

（2）均匀溶胶一凝胶合成法先将铜粉在热硝酸中煮溶，再添加33)(NOY和3BaCO，因为溶液中PH值非常低，其中会形成少量的BaO,徐徐加入氢氧化铵，使溶液PH值超过7，BaO溶解，形成透明的绿兰色溶液，然后再将聚丙稀酸添加进溶液，在高PH值的溶液中将会迅速形成螯合物，即具有聚合碳基单元的凝胶系统，将凝胶置于瓷坩埚中125℃干燥3h，400-480℃熔烧3h，再以5℃/mm升至煅烧，随炉冷却便形成单纯合成材料。

（3）熔盐结构生长法这是一种新型晶体生长法，其中工艺包括熔化1：2：3（22OY，BaO,CuO）氧化物，控制从液体状冷却，生成一块样品，在Tc77K时泰斯勒磁场强度中Jc7400A/2cm,该料长80-250um，横截面225um，在晶体长轴方向有高导电性，其特点是比其他方法制备的123化合物的临界电流密度高100倍，此法由美国贝尔实验室提出，现在很受重视。

（4）悬浮挤拉性（5）液态淬火氧化法日本东北大学材料研究所用纯金属Yb,Ba,Ca须氩气保护电融熔融并迅速淬火后，得到厚度为80um，直径为30um的Yb,Ba,Cu3合金箔，然后再在800-900℃空气中处理3小时，得到氧化物箔片，X射线衍射分析结果表明，淬火状态的Ybi,Ba2,Cu3合金具有非品结构，高温氧化后得到和7321OCuBaY相同的结构，分子为8632 OCuYbBa,这是一个值得重视的方法。