超导材料的成分、结构与性能

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浅析超导材料的成分、结构与性能【摘要】：自1911年卡末林·昂尼斯首次发现超导电现象以来，超导电性问题就引起了各国科学家的广泛关注。本文主要通过对一些常见超导材料的分析来展现材料的成分、结构与性能之间千丝万缕的联系，并对超导材料的应用做一个简单的介绍。【关键词】：超导；材料；金属；电电阻率随温度变化的关系如上图所示，一般的金属材料（如Pt），在接近绝对零度的温度范围内，随着温度的下降，其电阻率趋近于一有限的常数。但是，对某些纯金属元素（如Hg）、合金和化合物等超导体来说却不然，它们在某一特定的温度Tc附近，其电阻突然消失，这种现象叫超导电性。所以均匀的超导体可以分为两类：第一类超导体——所有的纯金属（除铌和钒外）；第二类超导体——铌、钒和所有其他的超导合金和化合物。一、超导合金材料Nb-Zr合金是最先发展起来的超导合金材料，由于当时Nb-Ti合金的低场不稳定性尚未克服，所以在1965年以前曾是超导合金中最主要的产品。后来，Nb-Ti合金有了很大的发展，新的产品并不出现低场不稳定性，加之它是包铜后拉制成的，所以，加工性能比Nb-Zr好得多，因而，Nb-Zr合金已逐渐被Nb-Ti合金所淘汰。最近几年，国外在Nb-Zr合金的基础上发展起来的Nb-40Zr-10Ti三元合金。在60千高斯以下比Nb-Zr、Nb-Ti的临界电流密度高很多。对于Nb-Zr合金，点阵缺陷的大小和分布，对其性能影响很大。已证实，为了得到高的磁场-临界电流密度特性，必须在合金中造成一定的形变结构——带状亚结构。它贯穿并分散地平行于线的形变方向，其边界相当于小角晶界，是按亚晶界的方式排列起来的，因此也是由刃型位错构成的。点阵缺陷对于Nb-Ti合金也有相似的影响。在富钛区，在中温区是两相的β+α。其中高温相β相是体心立方结构，另一个为六方结构的α相。在电子显微镜下所进行的观察表明，和Nb-Zr合金的情况相似，Nb-Ti合金随着冷形密度的增加，其带亚结构的宽度减小，带密度增大。而电流密度的大小随带亚结构密度的增加而显著增加。同时亦随起钉扎中心作用的带亚结构的边界数目的增加而增加。根据这种关系，我们认为磁通主要是被钉扎在胞状结构的位错乱网上。在含钛量较高的Nb-Ti合金中，β→α的转变可以不生成马氏体。因为生成马氏体将造成硬化，所以为了不使加工困难，应尽量抑止它的生成。 马氏体在Nb-65Ti和Nb-50Ti合金上得到的冷形变、热处理和再形变的结果说明，点阵缺陷如带状亚结构、弥散的脱溶相，对于提高这些合金的磁场-临界电流密度特性有决定性的作用。因此可以得出结论：要想达到最佳的超导性能，必须有一定的组织结构，这就要求采取最合理的制备工艺。二、超导化合物材料自1954年发现Nb3Sn化合物并测得其临界温度为18.05K以后，在Nb-Sn系统的相图方面，进行了大量的工作。Nb-Sn系统中存在五个超导相：Nb基固溶体（体心立方结构）；Nb3Sn化合物（Cr3Si型结构，a=5.29埃），在2040-2130°C下形成，一直到室温都稳定；Nb6Sn5化合物（β−Ti6Sn5型正交结构，a=5.5649，b=9.2057，c=16.814埃），在910-920°C下形成，直到805-820°C时才稳定；NbSn2化合物（CuMg2型正交结构，a=5.6450，b=9.8576，c=19.121埃），在840-860°C下形成，直到室温都稳定；Sn基固溶体（金刚石型结构）。其中，Nb3Sn有最高的超导临界温度18.2K。Nb基固溶体的临界温度也比较高。电子束熔炼的铌，其临界温度为9.3K。在铌中加入锡后，使其临界温度下降。在固溶体和两相区的交界处，临界温度达5.6K。在Nb基固溶体和Nb3Sn化合物的两相区域内，合金（有足够数量的Nb3Sn）中的临界温度接近于单相Nb3Sn的临界温度。Nb3Sn化合物的超导性质与其制备方法、化学组分和热加工状况等关系很大。有人发现，含Sn原子百分数为20-30的铌合金，在900°C退火时，Tc等于18.1K，而在高于900°C下退火时，Tc开始逐渐地下降。对Nb3Sn线，Tc的这种变化可以由锡在Nb3Sn中溶解度与温度的关系为非单调的曲线来解释。当在850-860°C、900°C、930-950°C或1000°C下退火时，临界温度和临界电流密度都大大提高，但在进一步提高退火温度时，则这些参量又都减小了。Nb6Sn5、NbSn2和Sn基固溶体的临界温度都很低。对NbSn2是2.68K，对Nb6Sn5是2.07K。NbSn2化合物的临界磁场H0等于840高斯，而Nb6Sn5化合物的临界磁场则小于600高斯。只有Nb3Sn化合物，在4.2K时的临界磁场达221千高斯。三、复合超导材料现在，实际应用的强磁体超导材料很少是单一的形式，而常常将许多超导线或带与良导体，如铜等复合成复合超导体。它具有以下的优点： 1.可以通过更大的电流。2.可以减少退化效应，增加稳定性。3.提高机械强度。4.可以增加复合超导体中元线的形变度，所以可以提高性能。它一般由以下几个部分构成：1.超导体。2.良导体，如铜、银、金、铝等。其主要作用是将电流或磁通所造成的局部发热迅速地传导开并在超导局部破坏时期分流作用减少发热，两者均减少退化效应。所以，对这种材料的主要要求是导热（电）性能良好，尤其是在低温下的电阻率愈小愈好。因为铜中的氧使该电阻比降低，所以要使用无氧铜。也有人认为铝也具有许多优点。如高纯铝在低温下比铜的导电性能高，并和铜的导热性能差不多。而铝在低温下的磁阻变化比铜小得多。所以，在磁场下，铝的电阻并不一定比铜高。但铝比较轻，所要求的液氦可以省一半左右。铝的再结晶温度低，在绞电缆时所形成的残余应力和应变可在400°C下，甚至在室温下消除。而铜却要在600°C以上。在这样高的温度下退火对Nb-Ti合金的超导性能会造成不利的影响。铝的加工性能更好。氧化处理后可以形成一个良好的绝缘层，而氧化铝可耐压90V，比有机物导热大100倍。3.为了改善两导体和超导体之间的接触，常在空隙间填充铟或铅。4.绝缘层。虽然铜等良导体，在液氦下对超导体来说可以看成是绝缘体。但为了进一步提高绝缘效果，还在外面涂一层有机物、氧化铝或石英砂等。5.在强磁场内，导体所受到的电磁力很大。为了保证线圈的机械稳定性，有时在外面加一层高强度的材料。例如，在Nb3Sn外面加一不锈钢层。6.为了屏蔽外磁场的干扰，有时在外面加一层铁磁材料。它用于要求磁场十分稳定的线圈内。四、超导材料的应用超导材料具有的优异特性使它从被发现之日起，就向人类展示了诱人的应用前景。但要实际应用超导材料又受到一系列因素的制约，这首先是它的临界参量，其次还有材料制作的工艺等问题。目前，超导材料的应用主要有：1.利用材料的超导电性可制作磁体，应用于电机、高能粒子加速器、磁悬浮运输、受控热核反应、储能等；可制作电力电缆，用于大容量输电；可制作通信电缆和天线，其性能优于常规材料。2.利用材料的完全抗磁性可制作无摩擦陀螺仪和轴承。3.利用约瑟夫森效应可制作一系列精密测量仪表以及辐射探测器、微波发生器、逻辑元件等。利用约瑟夫森结作计算机的逻辑和存储元件，其运算速度比高性能集成电路的快10～20倍，功耗只有四分之一。【参考文献】：[1].中国科学院物理研究所《超导电材料》编写组.超导电材料.科学出版社.1973年2月.[2].章立源.超导体.科学出版社.1982年2月.[3].吴进明.应用材料基础.浙江大学出版社.2004年8月.