超导材料的研究进展综述

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1、超导材料的研究进展综述【摘要】：对超导材料进行了基本的说明，介绍了其基本特性，综述了超导材料的发展，阐明了超导材料的应用和研究展望【关键词L超导现象基本临界参量各向同性约瑟夫森效应发展历史应用及应用前景研究展望一、定义具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。现已发现有28种元索和几千种合金和化合物可以成为超导体。二、超导材料的特性零电阻性超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。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

2、到。超导现象是20世纪的重大发明之一。科学家发现某物质在温度很低时，如铅在7.20K（-265.95摄氏度）以下，电阻就变成了零。完全抗磁性超导材料处于超导态时，只耍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。约瑟夫森效应两超导材料Z间有一薄绝缘层（厚度约1nm）而形成低电阻连接时，会有电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，其中h为普朗克常数，e为

3、电子电荷。这些特性构成了超导材料在科学技术领域越来越引人注冃的各类应用的依据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。三、基本临界参量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。已测得超导材料的最低Tc是磚,为0.012Ko至IJ1987年，临界温度最高值已提高到100K左右。临界磁场使超导材料的超导态

4、破坏而转变到正常态所需的磁场强度，以He表示。He与温度T的关系为Hc=H0[1-(T/Tc)2],式屮H0为0K时的临界磁场。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lc表示。lc—般随温度和外磁场的增加而减少。单位截面积所承载的lc称为临界电流密度，以Jc表示。超导材料的这些参量限定了应用材料的条件，因而寻找高参量的新型超导材料成了人们研究的重要课题。以Tc为例，从1911年荷一兰物理学家H•开默林一昂内斯发现超导电性(Hg,Tc=4.2K)起直到1986年以前

5、，人们发现的最高的Tc才达到23.2K(Nb3Ge,1973)。1986年瑞士物理学家KA米勒和联邦德国物理学家J.G.贝徳诺尔茨发现了氧化物陶瓷材料的超导电性,从而将Tc提高到35K。Z后仅一年时间，新材料的Tc己提高到100K左右。这种突破为超导材料的应用开辟了广阔的前景，米勒和贝德诺尔茨也因此荣获1987年诺贝尔物理学奖金。四、超导材料的分类超导元素在常压下有28种元索具超导屯性，其屮锐(Nb)的Tc最高，为9.26Ko电工中实际应用的主要是観和铅(Pb,Tc=7.201K),己用于制造超导交流电力电缆、高

6、Q值谐振腔等。合金材料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。如最先应用的锐错合金(Nb-75Zr),其Tc为10.8K,He为8.7特。继后发展了觇钛合金，虽然Tc稍低了些，但He高得多，在给定磁场能承载更大电流。其性能是Nb-33Ti,Tc=9.3K,Hc=11.0特；Nb-60Ti,Tc=9.3K,Hc=12特(4.2K)。冃前铳钛合金是用于7〜8特磁场下的主耍超导磁体材料。梶钛合金再加入袒的三元合金，性能进一步提髙,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。超导化合物超导元素与其他元素化合常有很好的超导性能。如已大量使用的Nb3Sn,其Tc=18.1K,Hc=24.5特。其他重要的超导化合物还有V3Ga,Tc=16.8K,Hc=24特；Nb3AI,Tc=18.8K,Hc=30特。超导陶瓷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年在辆一顿一铜—氧化物屮发现了Tc=35K的超导电性。1987年，屮国、美国、日木

8、等国科学家在狈一铠一铜氧化物中发现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。五、超导材料研究历史1911年，荷兰科学家海克•卡末林•昂内斯用液氨冷却汞，当温度下降到绝对温标4.2K时水银的电阻完全消失，这种现象称为超导电性，此温度称为临界温度。根据临界温度的不同，超导材料可以被分为：高温超导材料和低温超导材料。但这里所说的「高温」，其实仍然是远低於