超導(dǎo)材料的研究進(jìn)展綜述

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1、超導(dǎo)材料的研究進(jìn)展綜述【摘要】：對(duì)超導(dǎo)材料進(jìn)行了基本的說(shuō)明，介紹了其基本特性，綜述了超導(dǎo)材料的發(fā)展，闡明了超導(dǎo)材料的應(yīng)用和研究展望【關(guān)鍵詞L超導(dǎo)現(xiàn)象基本臨界參量各向同性約瑟夫森效應(yīng)發(fā)展歷史應(yīng)用及應(yīng)用前景研究展望一、定義具有在一定的低溫條件下呈現(xiàn)出電阻等于零以及排斥磁力線的性質(zhì)的材料。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)有28種元索和幾千種合金和化合物可以成為超導(dǎo)體。二、超導(dǎo)材料的特性零電阻性超導(dǎo)材料處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)電阻為零，能夠無(wú)損耗地傳輸電能。如果用磁場(chǎng)在超導(dǎo)環(huán)中引發(fā)感生電流，這一電流可以毫不衰減地維持下去。這種“持續(xù)電流”已多次在實(shí)驗(yàn)中觀察

2、到。超導(dǎo)現(xiàn)象是20世紀(jì)的重大發(fā)明之一?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)某物質(zhì)在溫度很低時(shí)，如鉛在7.20K（-265.95攝氏度）以下，電阻就變成了零。完全抗磁性超導(dǎo)材料處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，只耍外加磁場(chǎng)不超過(guò)一定值，磁力線不能透入,超導(dǎo)材料內(nèi)的磁場(chǎng)恒為零。約瑟夫森效應(yīng)兩超導(dǎo)材料Z間有一薄絕緣層（厚度約1nm）而形成低電阻連接時(shí)，會(huì)有電子對(duì)穿過(guò)絕緣層形成電流，而絕緣層兩側(cè)沒(méi)有電壓，即絕緣層也成了超導(dǎo)體。當(dāng)電流超過(guò)一定值后，絕緣層兩側(cè)出現(xiàn)電壓U（也可加一電壓U）,同時(shí)，直流電流變成高頻交流電，并向外輻射電磁波，其頻率為，其中h為普朗克常數(shù)，e為

3、電子電荷。這些特性構(gòu)成了超導(dǎo)材料在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域越來(lái)越引人注冃的各類應(yīng)用的依據(jù)同位素效應(yīng)超導(dǎo)體的臨界溫度Tc與其同位素質(zhì)量M有關(guān)。M越大，Tc越低，這稱為同位素效應(yīng)。例如，原子量為199.55的汞同位素，它的Tc是4.18開(kāi)，而原子量為203.4的汞同位素，Tc為4.146開(kāi)。三、基本臨界參量臨界溫度外磁場(chǎng)為零時(shí)超導(dǎo)材料由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)(或相反)的溫度，以Tc表示。Tc值因材料不同而異。已測(cè)得超導(dǎo)材料的最低Tc是磚,為0.012Ko至IJ1987年，臨界溫度最高值已提高到100K左右。臨界磁場(chǎng)使超導(dǎo)材料的超導(dǎo)態(tài)

4、破壞而轉(zhuǎn)變到正常態(tài)所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度，以He表示。He與溫度T的關(guān)系為Hc=H0[1-(T/Tc)2],式屮H0為0K時(shí)的臨界磁場(chǎng)。臨界電流和臨界電流密度通過(guò)超導(dǎo)材料的電流達(dá)到一定數(shù)值時(shí)也會(huì)使超導(dǎo)態(tài)破態(tài)而轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，以lc表示。lc—般隨溫度和外磁場(chǎng)的增加而減少。單位截面積所承載的lc稱為臨界電流密度，以Jc表示。超導(dǎo)材料的這些參量限定了應(yīng)用材料的條件，因而尋找高參量的新型超導(dǎo)材料成了人們研究的重要課題。以Tc為例，從1911年荷一蘭物理學(xué)家H?開(kāi)默林一昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性(Hg,Tc=4.2K)起直到1986年以前

5、，人們發(fā)現(xiàn)的最高的Tc才達(dá)到23.2K(Nb3Ge,1973)。1986年瑞士物理學(xué)家KA米勒和聯(lián)邦德國(guó)物理學(xué)家J.G.貝徳諾爾茨發(fā)現(xiàn)了氧化物陶瓷材料的超導(dǎo)電性,從而將Tc提高到35K。Z后僅一年時(shí)間，新材料的Tc己提高到100K左右。這種突破為超導(dǎo)材料的應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊的前景，米勒和貝德諾爾茨也因此榮獲1987年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金。四、超導(dǎo)材料的分類超導(dǎo)元素在常壓下有28種元索具超導(dǎo)屯性，其屮銳(Nb)的Tc最高，為9.26Ko電工中實(shí)際應(yīng)用的主要是観和鉛(Pb,Tc=7.201K),己用于制造超導(dǎo)交流電力電纜、高

6、Q值諧振腔等。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)用的銳錯(cuò)合金(Nb-75Zr),其Tc為10.8K,He為8.7特。繼后發(fā)展了覘鈦合金，雖然Tc稍低了些，但He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)。冃前銃鈦合金是用于7?8特磁場(chǎng)下的主耍超導(dǎo)磁體材料。梶鈦合金再加入袒的三元合金，性能進(jìn)一步提髙,Nb-60Ti-4Ta的性能是,Tc=9.9K,Hc=12.4特

7、(4.2K)；Nb-70Ti-5Ta的性能是,Tc=9.8K,Hc=12.8特。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；Nb3AI,Tc=18.8K,Hc=30特。超導(dǎo)陶瓷20世紀(jì)80年代初，米勒和貝德諾爾茨開(kāi)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年在輛一頓一銅—氧化物屮發(fā)現(xiàn)了Tc=35K的超導(dǎo)電性。1987年，屮國(guó)、美國(guó)、日木

8、等國(guó)科學(xué)家在狽一鎧一銅氧化物中發(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。五、超導(dǎo)材料研究歷史1911年，荷蘭科學(xué)家?？?卡末林?昂內(nèi)斯用液氨冷卻汞，當(dāng)溫度下降到絕對(duì)溫標(biāo)4.2K時(shí)水銀的電阻完全消失，這種現(xiàn)象稱為超導(dǎo)電性，此溫度稱為臨界溫度。根據(jù)臨界溫度的不同，超導(dǎo)材料可以被分為：高溫超導(dǎo)材料和低溫超導(dǎo)材料。但這里所說(shuō)的「高溫」，其實(shí)仍然是遠(yuǎn)低於