關(guān)于超導(dǎo)的發(fā)展與應(yīng)用

馬子席 馬崗崗 劉云鵬

摘要：這篇論文里我簡(jiǎn)單介紹下與超導(dǎo)有關(guān)的概念，超導(dǎo)材料，超導(dǎo)的簡(jiǎn)史，超導(dǎo)的研究現(xiàn)狀及對(duì)超導(dǎo)應(yīng)用的前景展望

關(guān)鍵字：超導(dǎo)；超導(dǎo)體；超導(dǎo)現(xiàn)象；超導(dǎo)材料；超導(dǎo)技術(shù)；超導(dǎo)應(yīng)用

1911年荷蘭萊頓大學(xué)的H·卡茂林·昂內(nèi)斯在研究水銀低溫電阻時(shí)首先發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象。后來(lái)又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一些金屬、合金和化合物在低溫時(shí)電阻也變?yōu)榱?，即具有超?dǎo)現(xiàn)象。物質(zhì)在超低溫下，失去電阻的性質(zhì)稱為超導(dǎo)電性；相應(yīng)的具有這種性質(zhì)的物質(zhì)就稱這超導(dǎo)體。超導(dǎo)材料具有的優(yōu)異特性使它從被發(fā)現(xiàn)之日起，就向人類展示了誘人的應(yīng)用前景。目前，超導(dǎo)材料已被應(yīng)用于很多領(lǐng)域，本文擬就超導(dǎo)材料的分類、性質(zhì)、應(yīng)用、原理等方面展開論述，以幫助人們更好的認(rèn)識(shí)超導(dǎo)材料。

超導(dǎo)材料是在低溫條件下能出現(xiàn)超導(dǎo)電性的物質(zhì)。超導(dǎo)材料最獨(dú)特的性能是電能在輸送過(guò)程中幾乎不會(huì)損失。超導(dǎo)材料的發(fā)展經(jīng)歷了從低溫到高溫的過(guò)程，經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)科學(xué)家的努力，超導(dǎo)材料的研究已經(jīng)取得了巨大的發(fā)展。近年來(lái)，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，超導(dǎo)材料的性能不斷優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的臨界溫度也越來(lái)越高。高溫超導(dǎo)材料的制備工藝也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，一些制備高溫超導(dǎo)材料的材料陸續(xù)被科學(xué)家發(fā)現(xiàn)?，F(xiàn)在，超導(dǎo)材料的研究主要集中在超導(dǎo)輸電線纜，超導(dǎo)變壓器等電力系統(tǒng)方面，還有，利用超導(dǎo)材料可以形成強(qiáng)磁場(chǎng)，是超導(dǎo)材料在磁懸浮列車的研究上有了用武之地，另外，超導(dǎo)材料在醫(yī)學(xué)，生物學(xué)領(lǐng)域也取得了很大的成就。超導(dǎo)材料的研究未來(lái)，超導(dǎo)材料的研究將會(huì)努力向?qū)嵱没l(fā)展。一旦室溫超導(dǎo)體達(dá)到實(shí)用化、工業(yè)化，將對(duì)現(xiàn)代文明社會(huì)中的科學(xué)技術(shù)產(chǎn)生深刻的影響。

它分為元素超導(dǎo)體、合金和化合物超導(dǎo)體，有機(jī)高分子超導(dǎo)體三類。

低溫階段，在梅斯勒發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體的抗磁性之后（相繼有荷蘭物理學(xué)家埃倫弗斯特根據(jù)有關(guān)的超導(dǎo) 體在液氦中比熱不連續(xù)現(xiàn)象（提出熱力學(xué)中二級(jí)相變的概念）柯特和卡西米爾提出超導(dǎo)的二 流體模型）德國(guó)物理學(xué)家F·倫敦和H·倫敦兄弟提出超導(dǎo)電性的電動(dòng)力學(xué)唯相理論（即倫敦方程）；度海森伯根據(jù)電子間的庫(kù)侖相互作用，提出了一種超導(dǎo)微觀理論，波爾提出了另一種微觀理論；前蘇聯(lián)物理學(xué)家阿布里科索夫提出第二類超導(dǎo)體的概念；巴丁/庫(kù)伯和施里費(fèi)提出了BCS理論，賈埃弗發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體中的單電子隧道效應(yīng)；約毖夫森提出了約毖夫森效應(yīng)等等。1934—1985年，人們對(duì)超導(dǎo)體在理論上和實(shí)驗(yàn)上都作了廣泛的研究，使超導(dǎo)物理學(xué)理論逐步發(fā)展，超導(dǎo)材料逐步應(yīng)用于實(shí)際科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。由于人們?cè)谝欢l件下認(rèn)識(shí)水平的局限性以及其它一些原因，直到今天，超導(dǎo)物理學(xué)理論尚不完善，實(shí)際應(yīng)用也不廣泛。在這一階段，人們研究的超導(dǎo)材料臨界轉(zhuǎn)變溫度較低，所以，在超導(dǎo)史上，這一時(shí)期屬于低溫超導(dǎo)階段。

高溫階段，目前，高溫超導(dǎo)材料指的是：釔系（92 K）、鉍系（110 K）、鉈系（125 K）和汞系（135 K）以及2001年1月發(fā)現(xiàn)的新型超導(dǎo)體二硼化鎂（39 K）。其中最有實(shí)用價(jià)值的是鉍系、釔系（YBCO）和二硼化鎂（MgB2）。氧化物高溫超導(dǎo)材料是以銅氧化物為組分的具有鈣鈦礦層狀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜物質(zhì)，在正常態(tài)它們都是不良導(dǎo)體。同低溫超導(dǎo)體相比，高溫超導(dǎo)材料具有明顯的各向異性，在垂直和平行于銅氧結(jié)構(gòu)層方向上的物理性質(zhì)差別很大。高溫超導(dǎo)體屬于非理想的第II類超導(dǎo)體。且具有比低溫超導(dǎo)體更高的臨界磁場(chǎng)和臨界電流，因此是更接近于實(shí)用的超導(dǎo)材料。特別是在低溫下的性能比傳統(tǒng)超導(dǎo)體高得多。高溫超導(dǎo)材料已進(jìn)入實(shí)用化的研究開發(fā)階段，氧化物復(fù)合超導(dǎo)材料的耐用（robustness） 和穩(wěn)定性已引起材料科學(xué)家的廣泛重視。 由于高溫超導(dǎo)薄膜材料較早進(jìn)入電子學(xué)器件的應(yīng)用領(lǐng)域，很多學(xué)者做了薄膜材料與環(huán)境相關(guān)的穩(wěn)定性和壽命研究工作。浸泡實(shí)驗(yàn)是一種常用的方法：在不同試劑 （水、酒精和丙酮等）、不同氣氛（干氮、濕氮和流動(dòng)氧等）中做周期循環(huán)和熱時(shí)效疲勞試驗(yàn)。研究表明， 超導(dǎo)電性的退化主要來(lái)自于雜相 （第二相） 及時(shí)效過(guò)程中的析出相。美國(guó)西北大學(xué)的Mirkin建議把在其它材料中應(yīng)用已十分廣泛的分子單層表面化學(xué)改性（又稱“自裝配，Self assembly”） 引入到高溫超導(dǎo)銅氧化合物中來(lái)。例如用有機(jī)物對(duì)YBCO表面進(jìn)行分子單層表面改性，以此改善薄膜對(duì)環(huán)境的敏感性。高溫超導(dǎo)帶材以鉍鍶鈣銅氧（BSCCO/2223）系為第一代帶材，它以優(yōu)良的可加工性而得到了廣泛的開發(fā)，并在超導(dǎo)強(qiáng)電應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)重要位置。但鉍系材料的實(shí)用臨界電流密度 較低，并且在77 K的應(yīng)用磁場(chǎng)也很低。相反，YBCO材料在77 K的超導(dǎo)電性遠(yuǎn)優(yōu)于BSCCO材料；然而它的可加工性卻極差，傳統(tǒng)的壓力加工和熱處理工藝難以做出超導(dǎo)性好的帶材。

超導(dǎo)現(xiàn)象早在1911年就為世人所知。目前我國(guó)關(guān)于超導(dǎo)技術(shù)的各項(xiàng)研發(fā)均已步入正軌，且進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化運(yùn)作，現(xiàn)已普遍運(yùn)營(yíng)在電力行業(yè)、通信領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域以及醫(yī)療領(lǐng)域等。

在我國(guó)關(guān)于超導(dǎo)的研發(fā)中，超導(dǎo)材料經(jīng)營(yíng)經(jīng)歷了低溫到高溫的研發(fā)，第一代材料已經(jīng)研究成熟，第二代材料由于其成本低更適用于產(chǎn)業(yè)化運(yùn)作而被市場(chǎng)看好；超導(dǎo)產(chǎn)品品類逐漸增加，現(xiàn)已進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化運(yùn)作的有超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)濾波器、超導(dǎo)儲(chǔ)能等。雖然與國(guó)際尚有一定的差距，但部分領(lǐng)域的研發(fā)已經(jīng)處于國(guó)際先進(jìn)水平。

超導(dǎo)材料按其化學(xué)成分可分為元素材料、合金材料、化合物材料和超導(dǎo)陶瓷。①超導(dǎo)元素：在常壓下有28種元素具超導(dǎo)電性，其中鈮（Nb）的Tc最高，為9.26K。電工中實(shí)際應(yīng)用的主要是鈮和鉛（Pb，Tc=7.201K），已用于制造超導(dǎo)交流電力電纜、高Q值諧振腔等。② 合金材料： 超導(dǎo)元素加入某些其他元素作合金成分， 可以使超導(dǎo)材料的全部性能提高。如最先應(yīng)用的鈮鋯合金（Nb-75Zr），其Tc為10.8K，Hc為8.7特。繼后發(fā)展了鈮鈦合金，雖然Tc稍低了些，但Hc高得多，在給定磁場(chǎng)能承載更大電流。其性能是Nb-33Ti，Tc=9.3K，Hc=11.0特；Nb-60Ti，Tc=9.3K，Hc=12特（4.2K）。如今鈮鈦合金是用于7～8特磁場(chǎng)下的主要超導(dǎo)磁體材料。鈮鈦合金再加入鉭的三元合金，性能進(jìn)一步提高，Nb-60Ti-4Ta的性能是，Tc=9.9K，Hc=12.4特（4.2K）；Nb-70Ti-5Ta的性能是，Tc=9.8K，Hc=12.8特。③超導(dǎo)化合物：超導(dǎo)元素與其他元素化合常有很好的超導(dǎo)性能。如已大量使用的Nb3Sn，其Tc=18.1K，Hc=24.5特。其他重要的超導(dǎo)化合物還有V3Ga，Tc=16.8K，Hc=24特；Nb3Al，Tc=18.8K，Hc=30特。④超導(dǎo)陶瓷：20世紀(jì)80年代初，米勒和貝德諾爾茨開始注意到某些氧化物陶瓷材料可能有超導(dǎo)電性，他們的小組對(duì)一些材料進(jìn)行了試驗(yàn)，于1986年在鑭-鋇-銅-氧化物中發(fā)現(xiàn)了Tc=35K的超導(dǎo)電性。1987年，中國(guó)、美國(guó)、日本等國(guó)科學(xué)家在鋇-釔-銅氧化物中發(fā)現(xiàn)Tc處于液氮溫區(qū)有超導(dǎo)電性，使超導(dǎo)陶瓷成為極有發(fā)展前景的超導(dǎo)材料。

結(jié)論 超導(dǎo)體得天獨(dú)厚的特性，使它可能在各種領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但由于早期的超導(dǎo)體存在于液氦極低溫度條件下，極大地限制了超導(dǎo)材料的應(yīng)用。自1911年荷蘭科學(xué)家卡末林、昂尼斯發(fā)現(xiàn)“超導(dǎo)”現(xiàn)象至今，世界各國(guó)的科學(xué)家從未間斷過(guò)對(duì)“超導(dǎo)”的研究，特別是進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著1987年中國(guó)、日本和美國(guó)科學(xué)家采用金屬氧化物，將超導(dǎo)臨界溫度提高，使超導(dǎo)體前進(jìn)了一大步，從而引起了一場(chǎng)前所未有的“超導(dǎo)大戰(zhàn)”。近年來(lái)，世界各國(guó)紛紛投入巨資加緊研究與開發(fā)，不斷推動(dòng)超導(dǎo)技術(shù)產(chǎn)生新的飛躍。當(dāng)日本宣布獲得了175K的超導(dǎo)材料后不久，美、中、俄、聯(lián)邦德國(guó)、丹麥等國(guó)也都相繼有了突破性的研究報(bào)告，有的甚至已看到了308K的超導(dǎo)跡象，即已達(dá)到常溫的轉(zhuǎn)變溫度。這表明，超導(dǎo)技術(shù)廣泛應(yīng)用的時(shí)代即將來(lái)臨。

參考文獻(xiàn)：

【1】林良真.我國(guó)超導(dǎo)技術(shù)研究進(jìn)展及展望[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2005年

【2】韓汝姍，高溫超導(dǎo)物理，北京大學(xué)出版社，1998年