超导材料的成分、结构与性能

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、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，

6、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

7、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

8、°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