超导材料的发展应用及其研究现状

超导材料的发展应用及其研究现状材料五班王新博14089840510超导材料的发展应用及其研究现状王新博（佳木斯大学材料科学与工程学院黑龙江省佳木斯市154000）摘要：电在传送过程中有巨大的损失，科学家们开发出了超导材料，本文中主要要介绍了超导材料的发现与发展历史，以及超导材料的存在条件和超导材料的性能之间的关系，并且加以介绍了金属元素之间的组合在什么情况下可以加工成为超导材料以及合金超导材料的性能和单质金属的超导材料的性能之间的差异，简要介绍了超导材料的应用。关键词：新型超导材料的发展历史，解析，应用ThedevelopmentofsuperconductingmaterialapplicationandresearchstatusWangXinbo(jiamusiuniversitymaterialsscienceandengineeringcollegeofheilongjiangprovincejiamusi154000).Abstract:thereisahugelossintransmissionprocess,scientistshavedevelopedasuperconductingmaterial,thisarticleismainlytointroducethehistorythefoundanddevelopmentofsuperconductingmaterials,superconductingmaterials,aswellastheexistenceoftherelationshipbetweentheconditionandtheperformanceofthesuperconductingmaterial,anditintroducedthecombinationbetweenmetallicelementunderwhatcircumstancescanbeprocessedintosuperconductingmaterialandtheperformanceofthealloysuperconductingmaterialandelementalmetalsofthedifferencebetweentheperformanceofthesuperconductingmaterial,thispaperbrieflyintroducestheapplicationofsuperconductingmaterial.Keywords:thedevelopmenthistoryofnewsuperconductormaterials,parsing,application超导材料的发展：在人们的日常生活中，点已经变的不可缺少的能源，然而在从发电厂传送到我们用户这个过程中，有大量的电能被损失掉了，而这损失是一笔对于国家发展的重要阻碍。在这时人们发现了一种可以在传输过程中没有能量损失的新型材料－超导材料。从１７世纪阿蒙顿提出了绝对零度的概念。同时伴随着这个人们发现良导体的金属材料随着温度降低，电阻变小。当到达绝对零度－２７３.１５Ｋ时，电阻完全消失。这是中学的概念。１９０８年７月１０日，荷兰的莱顿实验室在卡麦林·昂尼斯再将氦液化成功，为之后的超导材料的研究创造除了极低温度的研究环境，４.２５－１.１５Ｋ。１９１１年昂尼斯发现了纯水银（Ｈｇ）在４.２Ｋ时电阻降低至一起无法显示测量，可以近似的看成达到了超导态。到了１９５３～１９８５年，人们才真正的用合金及金属化合物超导体的发现冲破了阻碍超导体应用的磁－电壁垒。从这时起才真正的揭示并了解了超导体的本质，建立了超导体的基本理论。（我认为这是因为极低温度使材料分子的热运动改变，从而使分子的空间点阵或者说是分子的运动频率运动非常缓慢以至于无法对电流起到阻碍的作用，从而出现了物质的超导态。）人们发现的具有超导电性的化学元素一共有２８根据（表一：一些超导元素的超导转变温度）中发现的最高温度的超导性元素所需温度９.２５Ｋ。１９５４年马梯阿斯发现了超导材料Nb3Sn，这种物质Ｔc＝１８Ｋ，而到了１９６８年他有把Ｔc提高到了将近２１Ｋ，这个记录保持了好几年，１９７３年物理学家得到了Ｔc＝２２.３Ｋ的Ｎb3Ge薄膜之后泰斯塔迪等人又将温度提高到了３２.２Ｋ。到了１９８６年一个研究发现了超导材料，可在７７.４Ｋ的液氮环境中研究的新型超导元素，使之前的‘温度壁垒’又一次被刷新。超导材料的种类：根据我的阅读的文献来看：超导材料可以分为几类：第一类：从成分的角度来分如图一中的单质，第二类：超导合金材料在一中的单质稍微加入一点其余的元素可以使之转变成超导态的温度得到提高，但对磁场的要求就在原来的基础上就大了很多。第三类：超导化合物，在上述的情况下大比例加入其他元素，可使转变成超导态温度大幅度的提高。第四类：在１９８６年日本宣布研制的Ｔc＝３７.５Ｋ的陶瓷超导材料。我认为这种陶瓷超导材料可以认为是有机超导材料。（在‘我国超导材料技术研究及展望’中分类还有低温超导材料和超高温超导材料）（‘新型超导材料的研究展望’根据每种超导材料中的金属种类分为一元，两元，三元）超导材料的影响因素及其参数：有些超导元素的临界温度为１.１５Ｋ。而以水银掺杂得到的Hg2Ba2Ca2Cu3O10在常压下临界温度达到了１３４Ｋ。(图1不同超导化合物临界温度升高与时间的关系图像）临界温度的提高与年限的关系。那为什么同样是超导材料，但性能为什么差了这么多呢？通过我的阅读，我认为有一下几个因素限制。第一个：材料转周围的磁场强度。第二个：通过超导材料的电流大小。第三个：材料转变超导态的临界温度.第四个：材料的本身物质结构（元数）。分类的原因：首先：材料本身结构对超导临界温度的影响。材料ＭｇＢ2在２０世纪５０年代已经是早已熟悉的材料，２００１年才发现是超导材料。面对以前的超导材料临界温度低，价格昂贵，合成超导材料的脆性大，而有了ＭｇＢ2就轻易解决了。（如图２ＭｇＢ2结构图）：这种物质相比于前面的价格就很大程度的降低了，而在性能方面上却成功了。这种物质是简单的ＡＢ2型结构并在这中间穿插Ｂ型元素，类似于石墨的层状结构。比原有的纯金属的其他结构性能有了很大的提高。其次，是材料成分对性能影响：通过前面的分类有一种分类为根据超导材料的元数（即：一种超导材料中主要元素和除主要元素外的元素一共有多少类。元指的就是这些元素的类。）例如：说：‘铜氧化物高温超导’典型的就有Ｌａ－Ｂａ（Ｓｒ）－Ｃｕ－Ｏ体系。Ｌａ２ＣｕＯ是具有正交对称性绝缘体，Ｙ－Ｂａ－Ｃｕ－Ｏ体系Ｂｉ－Ｓｒ－Ｃａ－Ｃｕ－Ｏ体系，ＴＩ－Ｂａ－Ｃａ－Ｃｕ－Ｏ体系。。。。。。。而我们设元数为n，n＝３时，此超导相的转变温度为最高值１３４Ｋ；当n=４时Ｔc开始下降，当n=８５Ｋ。(如图３氧化物超导中的准例子能隙随着空穴掺杂）(如图３氧化物超导中的准例子能隙随着空穴掺杂）最后，为大家介绍一下材料周围的温度，穿过材料的磁场的大小以及通过材料的电流大小对材料的超导性的影响：（如图２：在不同磁场下，ＹＢＣＯ材料的电阻与温度的关系）随着磁场增加超导态的临界温度移向低温处，当超导体中通过电流又会产生磁场，因此超导现象只能存爱于电流，温度和磁场三种限制因素的一定的范围内。而超导态现象的存在与消失也与这几个条件有着密不可分的关系。例如，Ｎｂ3Ｓｎ，ＮｂＴｉ当外加磁场增大时临界电流降低，在低温区，加以很高的磁场临界电流会变成０.用这种材料研制的输电设备会节约很多的能源，可以给我们国家带来很大的经济效益。（如图４：在不同磁场下，ＹＢＣＯ材料的电阻与温度的关系）超导材料的应用我们多认识的超导材料应用在输电方面上为主。但是，还有许多方面也用到了超导材料。通过我的阅读，简单的介绍一下：１９９１年～１９９２年，欧共体资助Pirlli和其他几个电厂，他们共同研发了(如图５高温超导通州电缆的结构）的这种低温电介质的设计方案，用来完成超导材料所组成的电缆。这种电缆除了可以减少电能的损失还可以代替变压器的作用。我们的发电厂可以直接生产出适合每家每户用电器使用电的电压。或者是如（图６高温超导电芯电缆的概念性设计）这种高温超导电芯电力电缆。我认为还是图四的电缆实用，升高温度快，但同时还需要考虑在假设电缆时，电线杆的承载能力。还有其他的器件：例如国际磁学学会和休斯顿大学研制的铜酸盐磁铁，它们能产生永久磁铁的５倍的磁场。电器可靠协会这种原理和美国超导体导线制造出一种高马力的电动机，虽然，普通的导体就可完成，但是超导体器件可跟大地提高他们的工作效率和以一个更大的容量去运作。还有很多的先进的仪器例如‘真空紫外光角分辨光子能谱仪’‘高温超导滤波器及子系统的研制和实验’，‘高温超导及其氧化物薄膜材料的制备物理性质和器件研究’。其实研究超导材料不光是为了建造节能的一个通道还可以发现很多在通常的环境中不存在的东西。“高温超导体中观察到的一种新的电子耦合”。虽然，现在的超导体材料的发展已经有很大的进步了。但是，临界的温度对于想把超导体普及的要求还差很多，所以我认为超导体的发展空间还有很多。期刊冯勇屠德民.《高温超导电缆发展的概况》.2000年，第６期：1页~5页在线文献冯勇.《超导材料的制备与特性研究综述》2006.2期刊林良真.《我国超导材料技术研究进展及展望》.2005年1月20卷1期1页～7页期刊钱廷欣，周娅伟，赵晓鹏《新型材料的研究进展》.2006年2月.第20卷第2期,第1页～第3页期刊邱祥冈，郑东宁，何豫生，周兴江，闻海虎《高温超导材料，物理，应用和实验方法研究进展》,物理37卷2008年6期.第2页~第7页