高温超导体及其研究近况

高温超导体及其研究近况姓名:高卓班级:材料化学09-1学号:200901130805所谓超导,是指在一定温度、压力下,一些金属合金和化合物的电阻突然为零的性质.利用此次性质做成的材料称为超导材料.超导材料按其化学组成可分为：元素超导体，合金超导体，化合物超导体。近年来，由于具有较高临界温度的氧化物超导体的出现，有人把临界温度Tc达到液氮温度（77K）以上的超导材料称为高温超导体，上述元素超导体，合金超导体，化合物超导体均属低温超导体。以下就高温超导体作一个简要介绍。一材料特点自1964年发现第一个超导体氧化物SrTiO3以来，至今已发现数十种氧化物超导体。这些氧化物超导体具有如下共同的特征：（1）超导温度相对而言比较高，但载流子浓度低；（2）临界温度Tc随组分成单调变化，且在某一组分时会过渡到绝缘态；（3）在Tc以上温度区，往往呈现类似半导体的电阻-温度关系；（４）Tc和其他超导参量对无需程度敏感。高温超导体在结构和物性方面具有以下特征；(1)晶体结构具有很强的地维特点，三个晶格常数往往相差3-4倍；（2）输运系数（电导率、热导率等）具有明显的各向异性；（3）磁场穿透深度远大于相干长度，是第二类超导体；（4）载流子浓度低，且多为空穴型导电；（5）同位素效应不显著；（6）迈斯纳效应不完全；（7）隧道实验表明能隙存在，且为库柏型配对。氧化物超导体的这些特征，引起人们的兴趣和关注。二发展趋势目前,在高温超导研究领域中,各国科学家正着重进行三个方面的探索,一是继续提高Tc,争取获得室温超导体;二是寻找适合高温超导的微观机理;三是加紧进行高温超导材料与器件的研制,进一步提高材料的Jc和Tc,改善各种性能，降低成本，以适用实用化的要求。三国内外发展现状超导材料技术是21世纪具有战略意义的高新技术，极具发展潜力和市场前景。世界各主要国家政府纷纷制订相关计划和加大研发投资，推动基础研究和产业化发展，竞争十分激烈。一、美国美国能源部（DOE）早在1988年就创建了超导计划，该计划将高科技公司、国家实验室和大学结合起来，进行具有高度复杂性的高温超导技术的应用研发工作，并在此基础上于1993年底制定了超导伙伴计划（SuperconductivityPartnershipInitiative，SPI）。SPI是整个超导计划的一部分，目的是加速高温超导（Hightemperaturesuperconductors，HTS）电力设备走进市场。DOE在2001年9月24日宣布了新一轮的高温超导计划——SPI二期，投入总资金达1.17亿美元，支持高温超导商业化示范电缆、100MVA高温超导发电机、1000英尺、3相长距离高温超导输电电缆、高温超导变压器、高温超导核磁共振成像装置、超导飞轮储能装置、高温超导磁分离器等7个项目的研发。2003年7月，DOE在公布的《‘Grid2030’ANationalVisionforElectricity’sSecond100Years》报告中，把高温超导技术列为美国电力网络未来30年中发展的关键技术之一。该计划制订了2010年、2020年和2030年美国在电力方面高温超导的发展目标（表1），其中在2020年前希望在HTS发电机、变压器和电缆方面具有显著改善，并完成长距离超导传输电缆；2030年前建成国家超导主干输电网络二、日本日本在1987年9月建立了Super-GM（EngineeringResearchAssociationforSuperconductiveGenerationEquipmentandMaterials）计划，其长期目标是发展超导电动机及相关的电力应用。1988年，日本成立了国际超导产业技术研究中心（InternationalSuperconductivityTechnologyCenter，ISTEC），致力于有关超导技术的调查研究和基础研究开发以及国际交流的促进。为推动日本产业进行持续和独立自主的技术创新，保持竞争优势，日本经济产业省2005年3月首次制定了国家层面的“战略技术路线图”，确定了20项战略重点技术；2006年4月，又新增了超导技术、能源、癌症对策及人性化技术等4项战略重点技术；2007年又增至25项，分属信息与通讯、生命科学、环境与能源、纳米技术与材料、制造业等5个领域。超导技术的战略路线图提出了要在2020年实现超导技术为社会服务的前景。其进度预期为：2010年大多数超导技术开始进入应用，而在2020年达到普及。由于超导技术牵涉面广，该路线图分为4个部分：①能源电力（发电技术、输配电技术、能源储存技术）；②工业交通（磁场应用技术、计测仪器技术、发动机技术、列车用变压器技术）；③医疗诊断（磁体应用技术、加速器应用技术、高频器件技术、SQUID应用技术）；④信息通讯（计算机网络机器技术、无线存取访问机器技术、计测仪器技术）。同时，把超导线材、块材、器件以及制冷与低温技术作为公共基础技术划分出来。日本超导技术战略路线图明确阐述了超导技术每一个领域所要发展的核心技术及其时间表。日本新能源产业综合技术开发机构（NEDO）对超导技术研究项目进行了大力支持，近年开展的超导技术研究项目见表6。表7为日本超导材料技术主要组织及其研发方向。三、欧洲欧洲为促进超导电力技术和超导材料技术的发展，也批准了超导电力联接计划（SUPERPOLI计划）和欧洲超导技术公司合作计划（CONECDUC计划）的实施。欧盟于1997年开展了超导电性欧洲网（EuropeanNetworkofSuperconductivity，SCENET），共分为2个阶段，第一阶段为1997-2001年，第二阶段为2002-2006年，研发基金由欧盟提供，共涉及14个欧洲国家的42个学术机构和21工业卓越中心。目标是为欧洲超导研究区建立一个组织，收集和传播超导信息，进行研究和预测，为技术和科学讨论提供一个平台，促进科技转让，并提升产业界和学术界沟通。2007年，欧洲基金会（Europeansciencefoundation，ESF）发布了2007-2012年的超导纳米科学与工程项目计划（NanoscienceandEngineeringinSuperconductivity，NES），涉及15个欧洲国家、68个研究团队，项目共分为5个主题：①纳米尺度超导电性演变，纳米孔等有限区域超流态；②超导态－正常态（SN）和超导态－磁态（SM）混合纳米系统的超导性；③纳米结构超导体和SN/SM混合纳米系统的受限通量（Confinedflux）；④弱耦合超导冷凝物的Josephson效应和隧道效应；⑤磁通量子、超导器件基本原理研究。NES综合研究设施和技术包括5个层次：第一层为现代样品制备和纳米结构技术；第二层为涡旋可视化局部探针技术和纳米尺度冷凝物波动函数成像；第三层为下一代共享研究设施；第四层为新应用开发的实验平台；第五层为理论方法和技术。四发展方向高温超导体自1986年被发现以来，在材料的各个方面，尤其是成材技术和超导性能方面取得了很大的进展。与此同时，各种应用开发研究也已广泛展开，并且取得了可喜的成果。HTS材料具有较高的临界温度（Tc）和上临界磁场（Hc2），从而使超导技术的应用在材料方面有了更广泛的选择。首先高温超导材料可以使超导技术在液氮温区实现应用，高Hc2值使高温超导材料成为制造高场磁体（＞20T）的理想选择。近年来，千米长线（带）材的成功制造，已使高温超导材料在电力能源方面的应用成为现实。这些应用包括：磁体、输电电缆、电动机、发电机、变压器、故障电流限制器等。用高温超导材料制成的不同量级（1～20kA）的电流引线已于90年代初实现商品化，并广泛应用于各种超导磁体系统，使得低温超导磁体可由G－M致冷机冷却，无需液氦，实现了超导磁体可长时间稳定运行的目标。从目前的发展现状和趋势，可以清楚地预见，在今后20年内，高温超导技术将在广泛的领域走向实用化和商品化。目前已发现的高温超导材料都属于氧化物陶瓷材料，不易加工成材。同时，很强的各异性和极短的相干长度使得高临界电流密度（Jc）只能在使晶体高度取向的情况下才能实现。在众多的高温超导材料中，铋锶钙铜氧体系和钇钡铜氧体系最具有实用价值，所以线（带）材的研究开发主要集中在这两类超导体。超导体的实际应用除了需要高Jc之外，还需要材料有相当的长度（＞1km）和良好的机械性能及热稳定性。所以同金属材料复合是必由之路。银（银）及其合金由于其良好的稳定性和塑性，成为合适的高温超导线材基体材料。经过十余年的研究和开发，高温超导线（带）材已取得重大进展。铋－2223线（带）材铋－2223超导体具有较高的超导转变温度（Tc～110K）和上临界磁场（Hc2，0～100T）。特别是其层状的晶体结构导致的片状晶体很容易在应力的作用下沿铜－氧面方向滑移。所以，利用把铋－2223先驱粉装入银管加工的方法（PIT法），经过拉拔和轧制加工，就能得到很好的织构。另外，在铋－2223相成相热处理时，伴随产生的微量液相能够很好地弥合冷加工过程中产生的微裂纹，从而在很大程度上克服了弱连接的影响。正由于这两个基本特性，使人们通过控制先驱粉末、加工工艺及热处理技术，成功地制备出了高Jc（＞104A／cm2，77K）长带。目前世界上已有多家公司在开发和生产铋－2223带材。处于前列水平的公司主要是美国的ASC，欧洲的NST和日本的住友等公司。它们均能够生产单根长度大于1000米的线（带）材，其Jc值大于2×104A／cm2（77K）。在性能水平上已能满足在电工能源应用方面的要求。我国在铋－2223线（带）材的研发方面最近取得重要进展，西北有色院成功地制备出了200米长带，其临界电流密度超过30安培，达到国际上长带的先进水平。做为实用超导带材，200米的长带可满足磁体、电缆、电机、变压器及故障限流器等应用。因此，200米长带的研制成功标志着我国已掌握了制造高温超导长带的关键技术，为高温超导材料的实用化打下了很好的基础。参考文献[1]殷景华鞠刚王雅珍功能材料概论[M]2002年7月[2]杨砚儒刘莹莹高温超导体的发展现状及应用[J][3]朱经武著朱鸿雄译高温超导体的现在和未来[J][4]孔海云超导发展历程研究[J][5]杨云帆超导90年[J]