高温超导材料的研究进展

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1、高温超导材料的研究进展化学化工学院陈芝江091130016摘要由于人们对高温超导的研究已久，却依然方兴未艾，本文将简述近期在高温超导材料实用化研究方面的新进展、制备方法及应用前景。关键词BSCCOYBCO研究进展引言1986年，瑞士的Bednorz和Müller发现氧化物超导体(Tc=35K)后，在全世界掀起了研究高温超导电性的热潮。此后，人们发现了超导转变温度在液氮温度(77K)以上的高温超导氧化物，如YBa2Cu3O7(YBCO)，Bi2Sr2Ca2Cu3O10(BSCCO)等，目前汞系氧化物超导体的转变温度已经高达130多K。由于高

2、温超导体的临界温度较高，用液氮冷却，价格便宜，操作方便，是具有实用意义的超导材料。因此，在基础研究的同时，世界各国在这些超导材料的实用化研究方面，投入了大量的人力物力。特别是20世纪90年代后期以来，随着Bi系高温超导材料产业化技术取得重大突破，第1代高温超导带材很快进入了商业化阶段，发达国家政府和跨国公司大规模地开展了超导应用技术研究，大部分应用产品已开发出样机，并进行了应用试验。目前，正进一步加大投入，开始了以第2代YBCO高温超导材料实用化为目标的新一轮研究与开发[1]。超导材料可广泛应用于能源、交通、医疗社会福利、电子通信、科学仪

3、器、机械加工、重大科技工程和国防等领域，是具有巨大发展潜力的高技术。尤其高温超导材料摆脱了昂贵的液氦，近年来的成材研究和应用探索取得了长足的进步，将开创电力产生和分配的新纪元。估计今后10年左右将是高温超导走向实用化和商品化发展的关键时期。高温超导体材料应用的研究，主要集中在美国、欧洲和日本，项目包括：输电电缆、变压器、故障电流限制器、大气流引线、电机、飞轮储能、磁共振成像仪和磁浮列车等。国内也已在筹划或开展输电电缆、大电流引线、故障限流器、磁共振成像和磁浮列车等项目的研究。高温超导(HTS)电力器件与常规Cu导体器件相比，具有载流能力强

4、、传输效率高、体积小、质量轻、清洁无污染、可提高电力系统稳定性和安全性等优点。BSCCO已于1997年实现商业化生产。具体工艺是将分析纯的Bi2O3，PbO，SrCO3，CaCO3，CuO，浓硝酸试剂，按阳离子化学计量比为Bi:Pb:Sr:Ca:Cu=1.80:0.33:1.87:2.00:3.00配制金属离子的硝酸盐混合溶液，加入5％过量硝酸，防止发生沉淀析出，并使原始溶液总阳离子浓度为1.0mol·L-1。采用喷雾热分解法将配制好的溶液制各成初级粉末，然后将一部分初级粉末空气中在800—830℃焙烧20h，将另外一部分初级粉末在氯气气

5、氛中在760℃焙烧10h，即得到最终的超导粉体。采用粉末套管法(OPIT)将最终的超导粉体制各成横截面为0.2mm×4.0mm的单芯带材，然后从带材上截取长度约4.5cm的短样品若干。将样品在氧分压为8.50％的气氛中在830℃进行热处理．保温时间为20h。然后将样品在室温下于空气中采用单轴加压的方式进行处理，施加于样品上的压强为40MPa。最后将样品在氧分压为8.50％的气氛中在830℃进行第2次热处理，保温时间为100h。[2]获得前驱粉的途径还有以下四种[3]：1)喷雾干燥(Spraydrying)法。将Bi(NO3)3·5H2O，

6、Pb(NO3)2，Sr(NO3)2，Ca(NO3)2·4H2O和Cu(NO3)2·2.5H2O五种溶液按x(Bi):x(Pb):x(Sr):x(Ca):x(Cu)一1.84:0.35:1.9:2:3进行混合，经喷雾干燥得到蓝粉，之后再经烘干、脱硝、焙烧、研磨等处理，获得所需的前驱粉。1)喷雾热裂解法(Aerosolpyrolysis)。同1)，区别在于喷雾干燥与热分解一次完成，工艺重复性好，适合于大批量生产前驱粉。2)冷冻干燥法(Freezedrying)。同1)，区别在于该方法将混合硝酸溶液置于液氮下进行冷干燥处理。3)其他方法：如草酸

7、盐共沉淀法、超声喷雾热分解法等。铋系列被称为第1代高温超导材料，YBCO被称为第2代高温超导材料。作为导电应用的超导材料，从工艺上看铋系具有一定的优势，可以制备长达数千米的带材。从性能上看钇系要比铋系高，例如，钇系薄膜的临界电流密度要比铋系超导体高出两个数量级，它的超导电性的各向异性比较弱，可以在液氮温区附近较高磁场下有较大临界电流，但由于晶粒间结合较弱，难以采用包套管法制备，目前采用沉积、喷涂等镀膜方法制造的钇系超导带材。另外，钇系材料同铋系材料相比还具有热导率小，钉扎力强的特点。钇系涂层带材质地柔软，并且带材不同部分超导性能变化很小，

8、其应用前景良好。YBa2Cu3O7-δ为层状钙钛矿晶体结构。其生长具有明显的各向异性，由于YBCO超导体具有非常强的各向异性，要克服YBCO的“弱连接”，提高超导临界电流密度Jc，除晶粒间必须