超導材料介紹
發布日期：2023-08-04 瀏覽次數：807
超導材料
超導材料的發展概述
在一定溫度以下，某些導電材料的電阻消失，這種零電阻現象稱為超導現象或超導電性。具有超導電性的材料稱為超導材料或超導體。出現零電阻的溫度稱為超導臨界溫度T。
1911年，在萊頓 (leiden) 大學，昂納斯 (onnes) 在液氦溫度下的汞金屬中首次發現了超導現象的存在。因為這個偉大的發現，他獲得了1913年的諾貝爾物理學獎。在之后的幾十年中，科學家們針對在金屬及合金中的低溫超導研究取得了非常巨大的成果。
1933年，邁斯納 (Meissener) 和奧克森費爾德 (Oschenfeld) 發現了在超導態下，材料具有完全的抗磁性，當超導體處在外加磁場下時，外磁場的磁通線會被超導體完全排斥而無法穿透進去。在1955年，三名科學家提出了著名的Bardeen-Cooper-Schrieffer(BCS)理論。該理論提出了超導性出現的原因，是因為在材料內部電子耦合而形成了由兩個相反態的電子形成的電子對(庫伯對)。這個理論被認為是最完整地解釋了低溫超導體的超導性和正常態的理論。20世紀50年代末和60年代初，第Ⅱ類超導體及約瑟夫森效應的發現，促使超導電性的應用開始逐步成為一門新技術，即低溫超導電技術。20世紀60～80年代，超導電性的應用已具有一定的規模和相應的工業部門。由于傳統超導體必須在極低溫度下運行，通常用的工作物質是液氦，限制了低溫超導電技術的廣泛應用。人們一直在探索能在液氮溫區甚至能在室溫下工作的高溫超導體。
長期以來，雖經科學家們的不斷努力，但始終無法使超導臨界溫度有很大的提高。1986 年，設在瑞士蘇黎世的IBM實驗室的研究員柏諾茲(J.G.Bednorz)和繆勒(K.A.Muller)在陶瓷材料La-Ba-Cu-O中發現了超導現象，而且超導溫度超過了35K, 這一發現不僅打破了具有Als結構的超導體的超導轉變溫度23.2K的最高紀錄，更重要的是為新超導體的探索研究開辟了新的道路，將超導體從金屬、合金和化合物擴展到氧化物陶瓷，他們也因為這一巨大發現獲得了1987年的諾貝爾獎。正是由于他們開創性的工作，在世界范圍內掀起了一場超導熱浪，并為這一領域帶來了突破性進展。很快，在1987年，美國的朱經武研究組和我國的趙忠賢研究組先后獨立地報道了Y-Ba-Cu-O材料具有高達92K的超導轉變溫度，首次將超導轉變溫度提升到了液氮溫度以上。之后發現的鉍系、鉈系和汞系超導體更是將超導轉變溫度提升到了100K以上。由于這幾類超導體在超導機制以及結構上都和以前低溫下發現的超導體有所不同，BCS理論也無法完全解釋實驗中發現的結果。因此，為了和之前發現的超導體進行區分，就將這些具有高T。的超導材料稱為高溫超導材料，而之前的則稱為低溫超導材料。自從高溫氧化物超導體被發現以來，在材料、機制以及應用三個方面的研究及開發工作都進展很快。使用高溫超導材料制備的微波器件將是最有希望得到較大規模應用的。一些新的超導材料不斷被發現，從而不斷給出更多的揭示高溫超導電性的新的信息及開辟新的應用領域。
超導材料的特性
(1)零電阻特性
零電阻特性是指當溫度下降至某一數值或以下時，超導體的電阻突然變為零的現象，也叫完全導電性。精密測量表明，當材料處于超導狀態時，其電阻率小于10-24Ω·cm, 比通常金屬的電阻率小15個數量級以上。有人曾經把一個超導圓線圈放在磁場中，并降溫到電阻消失，再把磁場去掉，根據電磁感應原理，線圈內磁通量變化時，在超導線圈中要產生感應電流，由于超導線圈電阻為零，結果發現這個感應電流居然在經過一年以上的時間里未見有絲毫衰減。法奧和邁奧斯利用精確核磁共振方法測量超導電流的衰減時間不低于十萬年，即超導閉合回路中一旦有電流產生，便會有永久的電流存在，超導體顯示出一種完全導電性。超導材料的零電阻特性是超導材料實用化的最重要的基礎。由于其無發熱損耗，在超導輸電、超導發電、儲能、電機、科學研究等方面較常規材料有著巨大的優越性。
(2)完全抗磁性 (Meissner效應)
直到1933年，人們從零電阻現象出發，一直把超導體與完全超導體完全等同起來，完全超導體中不能存在電場，在完全導體中不可能有隨時間變化的磁感應強度，即在完全導體內部保持著當它失去電阻時樣品內部的磁場，可以看做磁通分布被“凍結”在完全導體中，致使其內部磁場不變。但是邁斯納等由實驗發現，從正常態到超導態后，原來穿過樣品的磁通量完全被排除 到了樣品外，而樣品外的磁通密度增加。不論是在有外加磁場還是在沒有外加磁場下使樣品變為超導態，只要T<Tc, 在超導體內部總有B=0,當施加一外磁場時，在樣品內不出現凈磁通量密度的特性稱為完全抗磁性，又稱為邁斯納效應。該特性是超導磁懸浮、儲能、重力傳感器等應用的基礎。超導體的零電阻現象和完全抗磁性是兩個完全獨立，又有一定關聯的基本特性。完全抗磁性不能推導出零電阻現象，零電阻現象也不能保證完全抗磁性，但它是其產生的必要條件。由此可見，某材料只有同時滿足這兩個特性才可成為超導材料。
(3)磁通量子化
倫敦 (London)在1946年敏銳地提出超導電性是宏觀的量子現象，并預言進入導環中的磁通量是量子化的。11年后Deaver 和Doll分別證實了最小量子磁通的存在，由此誕生了超導磁通量子器件及超導量子干涉器，來探測微弱磁場，并已經獲得了較廣泛的應用。
(4)臨界電流密度Jc和臨界磁場 Hc
實驗證明當超導電流超過某些臨界值Jc時，可使金屬從超導態變成正常態。Jc稱為臨界電流密度，臨界電流密度本質上是超導體在產生超導態時臨界磁場的電流。隨后的實驗表明，超導體還有一個臨界磁場 Hc,高于這個臨界磁場時，超導體將處于正常態。
超導材料的分類
根據臨界溫度 Tc的大小，超導材料可以分為低溫超導材料 (Tc<30K, 又稱為常規超、導體)、高溫超導材料(主要是氧化物材料)。
(1)低溫超導體
低溫超導體按其化學成分分為：元素超導體、合金超導體和化合物超導體。元素超導體已經被發現有近50種。其中金屬元素有28種，過渡族金屬有18種 (Ti、V、Zr、Nb、Mo、W、Re等),非過渡族金屬有10種 (Bi、Al、Sn、Cd等)。
合金超導體和化合物超導體的種類很多，總數達到幾千種。最早被使用的合金超導材料是Nb-Zr合金，后來又誕生了成本低、加工性能好的Nb-Ti合金。到了20世紀70年代出現了Ni-Zr-Ti、Ni-Ti-Ta三元超導合金，它們具有更佳的超導性能。
化合物超導材料的臨界溫度和臨界磁場要高于合金超導體?；衔锍瑢Р牧峡筛鶕渚?格類型分為 NaCl型 (B1型)、A15型、C15型、菱面晶型等。其中A15型的臨界溫度較高，Nb3Sn和 V3Gd 兩種超導材料已具有實際的應用價值。
(2)高溫超導體
高溫超導體具有層狀的類鈣鈦礦結構。主要有：YBa2Cu3O7。(釔鋇銅氧化物)超導體、Bi-Sr-Ca-Cu-O (鉍鍶鈣銅氧化物)超導體、TI-Ba-Ca-Cu-O (鉈鋇鈣銅氧化物)超導體、Hg-Ba-Ca-Cu-O (汞鋇鈣銅氧化物)超導體、La-Sr-Cu-O (鑭鍶銅氧化物)超導體。這些超導體的臨界溫度要比低溫超導體高得多，常常達到80～90K。