超导材料的发展及应用概述MicrosoftWord文档

题目：超导材料的发展及应用概述姓名：孟祥雨学号：B15201032超导材料的发展及应用概述1.超导材料的诞生及发展超导材料，是指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。1911年，荷兰物理学家昂尼斯(1853～1926)发现，水银的电阻率并不像预料的那样随温度降低逐渐减小，而是当温度降到4.15K附近时，水银的电阻突然降到零。某些金属、合金和化合物，在温度降到绝对零度附近某一特定温度时，它们的电阻率突然减小到无法测量的现象叫做超导现象，能够发生超导现象的物质叫做超导体[1]。随后，1986年4月，设在瑞士苏黎世的IBM实验室的学者J.G.Bednorz和K.A.Muller发现了La-Ba-Cu-O高Tc氧化物超导体(Tc=34K)[1]，以后的几年，人们相继发现了多种高温超导材料，其中包括铋系、钇系、铊系、汞系等高温超导体系。1987年2月21日，中国科学院物理所发现了起始转变温度为100K的YBaCuO体系超导体，并首次公布了其成分。2001年3月1日的NATURE周刊报道，日本发现了具有体超导电性、临界温度为39K的MgB2超导体[2]2.超导材料的特点及性能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。2、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。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去，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。对于超导体的性能存在三个重要指标临界温度，即超导体保持其超导性的最高温度。临界磁场，即超导体保持其超导性和完全抗磁性的最强磁场。临界电流，即超导体保持其超导性所能承载的最大电流。3.超导材料的国内外的研究状况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[3]。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。此化合物的发现，打破了非铜氧化物超导体（non-cupratesuperconductor）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-earthtransition-metaloxypnictide，ReTmPnO）陆续被发现。但并未有人发现其中的超导现象。2008年，日本的HideoHosono团队发现在铁基氮磷族氧化物（iron-basedoxypnictide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，在加压後（4GPa）甚至可达到43K。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。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。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。此系统亦被简称为「1111系统」[4]。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-cupratesuperconductor）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（38K）。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[5]。4.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[6]。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27K零外场下能产生2.16T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、10.5kV／1.5A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。云电英纳超导电缆公司也于2004年完成33m长、35kV／2kA高温超导交流电缆的开发，安装在云南普吉变电站中运行。目前美国Southwire，AMSC公司等预计在2006年分别研制出200m、13.5kv／3kA，350m、34.5kv／0.8kA和660m、l38kv／2.4kA的三相高温超导交流电缆并将投入实际运行。4.故障限流器：在电厂，高压输电、低压配电等电力系统中，有时会因闪电轰击，设备故障等引起短路，对50Hz的电力系统而言，一旦发生短路，不可避免会产生很大的故障电流，为此电路上必须配有限流装置。中国、美国、日本、德国、法国等都在从事高温超导故障限流器的开发，并取得了较大进展。如2005年中国科学院电工研究所研制成功l0.5kV／1.5kA新型桥路式高温超导限流器，并于2005年8月安装在湖南娄底的110kV／l0.5kV变电站中进行短路和运行试验。5.变压器：高温超导变压器与常规变压器相比有体积小重量轻的优点，它采用液氮作冷却剂，没有污染环境或火灾的隐患。90年代，美国、日本以及欧洲ABB公司等都在致力研究电力系统用的高温超导变压器。2001年，德国Siemens公司已研制、试验成功用于铁路机车的1MVA高温超导变压器样机。中国科学院电工研究所研制成功630kVA、10.5kV(34.6A)／400V(909A)的高温超导变压器示范样机，并已于2005年12月在新疆特变电工股份有限公司并网运行试验，向车间供电。5.超导材料现存的缺点以及将来的发展趋势超导的缺点为现有的高温超导体还处于必须用液态氮来冷却的状态。这种情况是比较难大规模做到，在整条通讯线路上采取这样的技术是不太实际的这也是目前不能大量应用的原因。而对于未来的发展趋势从超导技术发展的历程来看，新的更高转变温度材料的发现和制造工艺技术突破都有可能[7]。目前高温超导材料正从研究阶段向应用发展阶段转变，未来的十年是市场发展和高温超导材料产业化的十年。超导技术作为一类有重大发展潜力的应用技术，已经进入实际应用开发与应用基础性研究相互推动，逐步发展为高技术产业的阶段。各主要国家的政府与企业界都投入较大力量，竞争十分激烈。美国能源部认为：超导电力技术是在21世纪电力工业唯一的高技术储备。而日本新能源开发机构则认为发展高温超导电力技术是在21世纪的高技术竞争中保持尖端优势的关键所在。根据国际超导科技界和相关产业部门的预测：到2020年，全球超导产业将达到2400亿美元以上。因此，超导技术被认为是21世纪具有战略意义的高新技术。据2003年美国高温超导材料市场分析与预测报告，全世界高温超导元器件将会由2010年的5亿美元的市场规模激增到2020年的100亿美元。在高温超导电力技术商品化领域，最早进入应用的可能是故障限流器。增幅最快的将是超导电动机，其市场占有率会由2006年的1%快速增长到2020年的79%。到2020年，其它超导电力设备的市场占有率分别是：超导变压器(76%)，超导发电机(50%)以及输电电缆(80%)。可以认为：超导技术将是21世纪具有经济战略意义的高新技术，具有广阔的市场前景。参考文献[1]章立源.超导体[M].科学出版社,1982.[2]邵长泰,张明明.物理[M].[3]赵忠贤,陈立泉,杨乾声,等.Ba-Y-Cu氧化物液氮温区的超导电性[J].科学通报