高温超导性材料简介 材料学专业VIP免费

高温超导性材料简介摘要：本文介绍了传统超导材料及高温超导材料，特别是铁基高温超导体的发现及近期的研究进展，以普及超导知识，为广大教育工作者提供一个与科研最前沿接触的机会。关键词：铁基高温超导体；超导转变温度；超导机理１引言1991年荷兰科学家昂纳斯发现：当温度降至4.2Ｋ以下时，汞的电阻消失了，这种电阻为零的现象被称为超导．迄今为止，发现大部分的金属以及一些合金材料在低温下都具有超导现象。美国科学家巴丁、库珀和施瑞佛在1957年对材料的超导电性做出了理论解释，他们指出：超导是由材料中电子与声子的相互作用，即电子与晶格原子振动的相互作用所造成的。他们的理论被称为ＢＣＳ理论，这种由电－声子相互作用导致超导的超导体被称为常规超导体，或传统超导体，受制于麦克米兰极限，这类超导体的超导转变温度不可能超过39Ｋ。1986年，德国和瑞士的科学家伯诺兹和缪勒首次发现了一类基于铜元素的超导体这类材料是氧化物陶瓷，在常温下是绝缘体，而一旦降温，它们的超导转变温度大大超过了麦克米兰极限的39Ｋ，最高可达150Ｋ左右，这类材料又被称为高温超导体．它们的超导机制不能用ＢＣＳ理论解释高温超导材料及其应用是全球竞争的战略性新兴产业，与传统超导材料相比，这种新材料能在较高温度下达到零电阻，在电力能源、高端医疗设备、轨道交通、大科学工程、军工等领域有着广泛的应用前景，30年来新型高温超导材料的探索和超导机理的研究一直是凝聚态物理的一个重要研究方向。2超导材料性质及分类2.1性质2.1.1零电阻性。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到。2.1.2完全抗磁性。超导材料处于超导态时，只要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。2.1.3约瑟夫森效应。两超导材料之间有一薄绝缘层（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ν＝2ｅＵｈ，其中ｈ为普朗克常量，ｅ为电子电荷。这些特性构成了超导材料在科学技术领域的广泛应用。2.2超导材料按其化学成分可分为元素材料、合金材料、化合物材料和超导陶瓷。2.2.1超导元素在常压下有28种元素具有超导电性，其中铌（Ｎｂ）的Ｔｃ最高，为9.26Ｋ。电工中实际应用的主要是铌和铅（Ｐｂ，Ｔｃ＝7.201Ｋ），已用于制造超导交流电力电缆、高Ｑ值谐振腔等。2.2.2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。如最先应用的铌锆合金（Ｎｂ－75Ｚｒ），其Ｔｃ为10.8Ｋ，Ｈｃ为8.7Ｔ。2.2.3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＝1.81Ｋ，Ｈｃ＝24.5Ｔ。其他重要的超导化合物还有Ｖ3Ｇａ，Ｔｃ＝16.8Ｋ，Ｈｃ＝24Ｔ；Ｎｂ3Ａｌ，Ｔｃ＝18.8Ｋ，Ｈｃ＝30Ｔ。2..2.4超导陶瓷。20世纪80年代初，柏诺兹和缪勒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年在镧－钡－铜－氧化物中发现了Ｔｃ＝35Ｋ的超导电性。柏诺兹和缪勒也因为他们的开创性工作而荣获了1987年度诺贝尔物理学奖。1987年，中国、美国、日本等国科学家在钡－钇－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。3铜基超导材料原来的（铁基超导材料出现以前）高温超导体包括四大类：90Ｋ的稀土系，110Ｋ的铋系，125Ｋ的铊系和135Ｋ的汞系。它们都含有铜和氧，因此也总称为铜氧基超导体或铜基超导材料。它们具有类似的层状结晶结构。正当（约1993年）人们试图在液氮温区大规模推广高温超导强电应用技术时，发现难以克服的技术困难，即本质为陶瓷材料的铜氧化物在力学性能上缺乏柔韧性和延展性，在物理上其临界电流密度太小，容易在承载大电流时失去超导电性而迅速发热。科学家们经过20余年的工艺努力，铜氧化物超导线圈虽然已开始步...