超导材料的应用与前景展望

超导材料的应用与前景展望摘要：超导是超导电性的简称，是指某些物体当温度下降至一定温度时，电阻突然趋近于零的现象。具有这种特性的材料称为超导材料。自从超导发现至今，超导的研究和超导材料的研制已迅速发展，超导材料的物质结构及性质已逐渐研究清楚，其具有优越的物理性质和优越的性能，目前已被广泛的接受和认同，超导材料也得到了广泛的应用，特别是高温超导材料的广泛应用将会给社会带来的巨大变革。关键字：超导材料；临界参量；超导应用ApplicationandProspectofsuperconductingmaterialsAbstract:Superconductingsuperconductivityforshort,referstosomeobjectwhenthetemperaturedropstoacertaintemperature,resistancesuddenlyapproacheszerophenomenon.Withthecharacteristicsofthematerialcalledsuperconductingmaterials.Sincethesuperconductingfoundsofar,theresearchanddevelopmentofsuperconductingsuperconductingmaterialshasdevelopedrapidly,thematerialstructureandpropertiesofsuperconductingmaterialshasbeenstudiedclearly,whichhasphysicalpropertiessuperiorandsuperiorperformance,hasbeenwidelyacceptedandrecognized,superconductingmaterialshavebeenwidelyused,especiallythegreatchangewidelyusedhightemperaturesuperconductingmaterialswillbringtothesociety.Keywords:Superconductor;Criticalparameter;Superconductingapplication1引言1911年荷兰物理学家翁奈在研究水银低温电阻时首先发现了超导现象。后来许多科学家又陆续发现了一些金属、合金和化合物在低温时电阻也变为零，即具有超导现象。超导现象是20世纪的重大探索发现之一。物质在超低温下，失去电阻的性质称为超导电性；相应的具有这种性质的物质就称这超导体。超导材料具有的优异特性使它从被发现之日起，就向人类展示了诱人的应用前景。有专家预言，超导体的应用将导致一场新技术革命，尤其是高温超导材料的发现，是最近几十年来物理学及材料科学领域中的重大突破之一，已引起全世界广泛关注，各国众多科学工作者参与超导的研究与发展工作，人们将会很快感受到它给社会带来的巨大变革。目前，超导材料已被应用于很多领域，本文拟就超导材料的性质、临界参量、分类、应用及前景展望等几个方面展开论述，以帮助人们更好的认识超导材料。2超导的性质2.1零电阻性超导材料处于超导态时电阻将变为为零，这样就可以无损耗地传输电能；也就是说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是截然不同的。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（临界温度）或以下时，其电阻突然变为零。如右图1所示，为常导体与超导体电阻率和温度关系的对比[1]。2.2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。超导体的这一特点是由迈斯纳和奥尔德在1933年由锡单晶球的实验中首次发现的。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；如图2所示为磁感线穿过不同温度下锡单晶球超导体的对比[1]。2.3约瑟夫森效应两个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，会有电图1电阻率与温度的关系1-纯金属晶体2-含杂质和缺陷的金属晶体3-超导体TTcTTc图2锡单晶球超导体不同温度下在磁场中的现象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2ev/h，其中h为普朗克常数，e为电子电荷[1]。2.4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[1]。同一种材料的不同同位素在化学性质、晶体结构、电子组态以及静电性质等方面都是相同的，只是不同的原子量对晶体点阵的热振动(称为晶格振动)的特性有影响。所以，超导体的同位素效应暗示了电子与晶格之间的相互作用是超导现象中的重要因素，为超导电性的研究提供了重要启示。3基本临界参量3.1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）[2]。到1987年，临界温度最高值已由起初水银的4K提高到100K左右，现已测得超导材料的最低Tc是钨，为0.012K。3.2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=Ho[1-(T/Tc)2]，式中Ho为0K时的临界磁场[2]。3.3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[2]。4超导材料的分类超导材料按成分可分为元素超导体、合金和化合物超导体和有机高分子超导体；按约瑟夫森效应可分为第一类超导体和第二类超导体。4.1按成分的分类4.1.1元素超导体在常压下有28种元素具超导电性，其中铌（Nb）的Tc最高，为9.26K。4.1.2合金和化合物超导体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，有很好的超导性能。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。4.1.3有机高分子超导体美国和日本等科学家在1991年又发现了球状碳分子碳60在掺入钾、铯、钕等元素后，也有超导性能。有些科学家预测，球状分子碳60经过掺金属后，将来有可能在室温下出现超导现象[3]。4.2按约瑟夫森效应分类4.2.1第一类超导体如图（4）所示，第一类超导体有如下的特点：当HHc时，B=O，HHc时，B=μH，即在超导态内能完全排除外磁场，且只有一个值，这就是第一类超导体。除钒、铌、钌外,元素超导体都是第一类超导体。4.2.2第二类超导体如果超导体在磁场中有一相同的规律，如图（5）所示：当HHc1时，B=0，排斥外磁场；当Hc1HHc2时，B0而BμH，磁场部分穿透；当HHc2时，B=μH，磁场完全穿透。也就是在超导态和正常态之间有一种混合态存在，Hc有两个值Hc1和Hc2，这就是第二类超导体。钒、铌、钌及大多数合金或化合物超导体都是属于第二类导体。BHHcB=uHT一定T一定BHHc1Hc2o不同导体的B-H曲线图4第一类超导体图5第二类超导体5超导材料的应用及前景展望5.1低温超导材料的应用低温超导材料是具有低临界转变温度（TC＜30K＝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)，TC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，TC在9K以上。虽然低温超导材料已得到了广泛应用，但低温超导材料由于TC低，必须在液氦温度下使用，运转费用昂贵，故其应用受到限制[4]。5.2高温超导材料的应用及前景展望高温超导材料是具有高临界转变温度(TC77K)在液氮温度条件下工作的超导材料,主要为多元系氧化物，高温氧化物超导体的出现，突破了温度壁垒，把超导应用的温度从液氦提高到了液氮（77K）温区。同液氦相比，液氮是一种非常经济的冷媒，并且具有较高的热容量，给工程应用带来了极大的方便。另外，高温超导体都具有相当高的上临界场（Hc2（4K）＞50T），能够用来产生20T以上的强磁场，这正好克服了常规低温超导材料的不足之处。5.2.1弱电应用以约瑟夫森效应为基础，建立极灵敏的电子测量装置为目标的超导电子学。5.2.1.1超导滤波器（CDMA）滤波器是电子、通信系统中的关键器件，作用是对电信号进行提取、分离或抑制。随着使用频段的不断扩展，设备间的干扰也日趋严重，因此滤波器不但要确保产品本身正常工作，而且要减少相互影响、维持正常的无线工作环境。常规滤波器由于金属电阻会产生一定衰耗，不可能达到理想的滤波性能。高温超导技术的发展，为开发高性能滤波器提供了一种切实有效的方法。在移动通信频段，高温超导材料制作的微带器件具有很高的品质因数，CDMA具有损耗极小、边带极陡峭、带外抑制极好的特点。CDMA是目前可以同时解决损耗和陡度的唯一有效方案，在窄带宽、高阶数滤波器中优势非常明显。他还可以显著提高通信基站的灵敏度和选择性，提高通信容量，降低手机的辐射率并提高通话清晰度[5]。目前，高温超导技术在通信、雷达与射电天文等领域取得重大突破，美国已将高温超导滤波器推向市场，并成功实现了批量应用。清华大学研制的两套高温超导滤波系统在中国联通CDMA移动通讯基站已连续无故障商业运行一年以上。截至2012年6月，中国移动电话用户已超过7亿，是全球移动电话用户最多的国家。中国移动和联通所建基站已超过30多万个，中国3G网络建设估计还需30万个基站。若有20%的新建基站应用超导滤波器，加上原有基站优化，将会产生百亿级的巨大市场。鉴于我国移动通信的高速发展和在超导滤波器研究方面已有的基础，相信经过科学家的努力，CDMA技术将有一个新的飞跃，并将在移动通信、军事装备等领域获得广泛的、较大规模的商业应用。5.2.1.2高速计算机要求集成电路芯片上的元件和连接线密集排列，但密集排列的电路在工作时会发生大量的热，而散热是超大规模集成电路面临的难题。超导计算机是利用超导技术生产的计算机及其部件，超导计算机中的超大规模集成电路，其元件间的互连线用接近零电阻和超微发热的超导器件来制作，不存在散热问题，同时计算机的运算速度大大提高，其性能是目前电子计算机无法相比的。人们可以利用超导材料制成超导开关器件和超导存贮器，再利用这些器件制成超导计算机。实验表明，其结果将使计算机的体积大幅度缩小，能耗大大下降，并且计算速度大大提高。超导计算机运算速度比现在的电子计算机快100倍，而电能消耗仅是电子计算机的千分之一。如果目前一台大中型计算机，每小时耗电10千瓦，那么，同样一台的超导计算机只需一节干电池就可以工作了。将超导数据处理器与外存储芯片组装成约瑟夫逊式计算机，能获得高速处理能力，速度相当于大型计算机的15倍。但是，现在这种组件计算机的电路还一定要在低温下工作。若将来发明了常温超导材料，计算机的整个世界将改变[6]。此外，科学家正研究用半导体和超导体来制造晶体管，甚至完全用超导体来制作晶体管。5.2.2强电应用高温超导线材在强磁场中,能负载很高的临界电流。超导磁体，能在大的空间内产生很高的磁场，所需的励磁功率很