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超導材料
閱讀�34472時間�2011-09-29 16:41:35

  超導材料,又稱為超導體(superconductor�,指可以在在特定溫度以下,呈�(xiàn)電阻為零的導�。零電阻和抗磁性是超導體的兩個重要特性。使超導體電�為零的溫�,叫超導臨界溫度�

�(fā)展史

  1911�,荷蘭科學家??恕た┝帧ぐ簝?nèi)斯用液氦冷卻�,當溫度下降到溫�4.2K時水銀的電阻完全消失,這種�(xiàn)象稱為超導電�,此溫度稱為臨界溫度。根�(jù)臨界溫度的不�,超導材料可以被分為:高溫超導材料和低溫超導材料。但這里所說的「高溫�,其實仍然是遠低於冰點攝�0℃的,對一般人來說算是極低的溫��

  1933�,邁斯納和奧克森菲爾德兩位科學家�(fā)�(xiàn),如果把超導體放在磁場中冷卻,則在材料電阻消失的同時,磁感應線將從超導體中排�,不能通過超導體,這種�(xiàn)象稱為抗磁��

  �(jīng)過科學家們的努力,超導材料的磁電障礙已被跨越,下一個難關是突破溫度障礙,即尋求高溫超導材料�

  1973年,�(fā)�(xiàn)超導合金――鈮鍺合�,其臨界超導溫度�23.2K,這一記錄保持了近13��

  1986�,設在瑞士蘇黎世的美國IBM公司的研究中心報道了一種氧化物(鑭鋇銅氧化物)具有35K的高溫超導�。此后,科學家們幾乎每隔幾�,就有新的研究成果出�(xiàn)�

  1986年,美國貝爾實驗室研究的超導材料,其臨界超導溫度達到40K,液氫的“溫度壁壘”(40K)被跨越�

  1987年,中國科學家趙忠賢以及美國華裔科學家朱�(jīng)武相繼在釔-鋇-銅-氧系材料上把臨界超導溫度提高�90K以上,液氮的“溫度壁壘”(77K)也被突破了�1987年底,鉈-鋇-鈣-銅-氧系材料又把臨界超導溫度的記錄提高�125K。從1986�1987年的短短一年多的時間里,臨界超導溫度提高了�100K�

  2001�,二硼化鎂(MgB2)被�(fā)�(xiàn)其超導臨界溫度達�39K [1]。此化合物的�(fā)�(xiàn),打破了非銅氧化物超導體(non-cuprate superconductor)的臨界溫度紀錄�

  1990�2000年代,具ZrCuAsSi�(jié)�(gòu)的稀土過渡金屬氮磷族化合物(rare-earth transition-metal oxypnictide, ReTmPnO)陸�(xù)被發(fā)�(xiàn)[2] [3]。但并未有人�(fā)�(xiàn)其中的超導現(xiàn)��

  2008�,日本的Hideo Hosono團隊�(fā)�(xiàn)在鐵基氮磷族氧化物(iron-based oxypnictide�,將部份氧以摻雜的方式用氟作部份取代,可使LaFeAsO1-xFx的臨界溫度達�26K[4],在加壓後(4 GPa)甚至可達到43K[5]。其後,中國的聞?;F隊,�(fā)�(xiàn)在以鍶取代稀土元素之�,La1-xSrxFeAsO亦可達到臨界溫度25K[6]。其後,中國的科學家陳仙�、趙忠賢等人,發(fā)�(xiàn)將鑭以其他稀土元素作取代,則可得到更高的臨界溫度;其中,SmFeAs[O0.9F0.1]可達55K[7] [8]。另�,將鐵以鈷取代(LaFe1-xCoxAsO),稀土元素以釷取代(Gd1-xThxFeAsO�,或是利用氧缺陷(LaFeAsO1-δ)等方式,也都可以引�(fā)超導[9] [10] [11]�

  此系�(tǒng)亦被簡稱為�1111系統(tǒng)�。此化合物的�(fā)�(xiàn),非但再度打破了由MgB2保持的非銅氧化物超導體(non-cuprate superconductor)的臨界溫度紀�,其含鐵卻有超導的特性也受人注目�

  同樣�2008年,受到上述�1111系統(tǒng)」的啟發(fā),ThCr2Si2�(jié)�(gòu)的鹼土金屬氮磷族化合物(ATm2Pn2)亦被發(fā)�(xiàn),在將BaFe2As2中將鹼土金屬(IIA)以鹼金屬(IA)部分取�,亦可得到臨界溫度約30�40K的高溫超導體,如Ba1-xKxFe2As2�38 K� [12]。此系統(tǒng)亦被簡稱為�122系統(tǒng)」。如同氧化物超導�,�1111」與�122」系�(tǒng)的超導來源也是由層狀�(jié)�(gòu)中的FeAs層貢獻,藉由不同價數(shù)的離子摻雜或是氧缺陷,可提升FeAs層載子的濃度,進而引�(fā)超導�

分類

  超導材料按其化學成分可分為元素材�、合金材�、化合物材料和超導陶瓷�

  1.超導元素�在常壓下�28種元素具超導電�,其中鈮(Nb)的Tc,為9.26K。電工中實際應用的主要是鈮和鉛(Pb,Tc=7.201K�,已用于制造超導交流電力電�、高Q值諧振腔��

  2.合金材料� 超導元素加入某些其他元素作合金成�� 可以使超導材料的全部性能提高。如應用的鈮鋯合金(Nb-75Zr�,其Tc�10.8K,Hc�8.7�。繼后發(fā)展了鈮鈦合金,雖然Tc稍低了些,但Hc高得�,在給定磁場能承載更大電�。其性能是Nb-33Ti,Tc=9.3K,Hc�11.0�;Nb-60Ti,Tc=9.3K,Hc=12特(4.2K�。目前鈮鈦合金是用于7�8特磁場下的主要超導磁體材料。鈮鈦合金再加入鉭的三元合金,性能進一步提�,Nb-60Ti-4Ta的性能是,Tc�9.9K,Hc=12.4特(4.2K);Nb-70Ti-5Ta的性能�,Tc=9.8K,Hc=12.8��

  3.超導化合物:超導元素與其他元素化合常有很好的超導性能。如已大量使用的Nb3Sn,其Tc=18.1K,Hc=24.5�。其他重要的超導化合物還有V3Ga,Tc=16.8K,Hc=24�;Nb3Al,Tc=18.8K,Hc=30�。④超導陶瓷�20世紀80年代�,米勒和貝德諾爾茨開始注意到某些氧化物陶瓷材料可能有超導電性,他們的小組對一些材料進行了試�,于1986年在鑭-鋇-銅-氧化物中�(fā)�(xiàn)了Tc=35K的超導電性�1987�,中國、美�、日本等國科學家在鋇-釔-銅氧化物中�(fā)�(xiàn)Tc處于液氮溫區(qū)有超導電�,使超導陶瓷成為極有�(fā)展前景的超導材料�

特�

  1.零電阻性:超導材料處于超導�(tài)時電阻為�,能夠無損耗地傳輸電能。如果用磁場在超導環(huán)中引�(fā)感生電流,這一電流可以毫不衰減地維持下�。這種“持�(xù)電流”已多次在實驗中觀察到�

  2.完全抗磁性:超導材料處于超導�(tài)�,只要外加磁場不超過一定�,磁力線不能透入,超導材料內(nèi)的磁場恒為零�

  3.約瑟夫森效應�兩超導材料之間有一薄絕緣層(厚度約1nm)而形成低電阻連接�,會有電子對穿過絕緣層形成電�,而絕緣層兩側(cè)沒有電壓,即絕緣層也成了超導�。當電流超過一定值后,絕緣層兩側(cè)出現(xiàn)電壓U(也可加一電壓U�,同�,直流電流變成高頻交流電,并向外輻射電磁�,其頻率�,其中h為普朗克常數(shù),e為電子電�。這些特性構(gòu)成了超導材料在科學技�(shù)領域越來越引人注目的各類應用的依�(jù)�

用�

  超導材料可用于制作交流超導發(fā)電機、磁流體�(fā)電機和超導輸電線路等。目前超導量子干涉儀(SQUID)已�(jīng)�(chǎn)�(yè)化� 另外,作為低溫超導材料的主要代表NbTi合金和Nb3Sn,在商業(yè)領域主要應用于醫(yī)學領域的MRI(核磁共振成像儀�。作為科學研究領域,已經(jīng)應用于歐洲的大型項目LHC項目,幫助人類尋求宇宙的起源等科學問��

應用

  1、利用材料的超導電性可制作磁體,應用于電機、高能粒子加速器、磁懸浮運輸、受控熱核反應、儲能等;可制作電力電纜,用于大容量輸電(功率可�10000MVA);可制作通信電纜和天�,其性能�(yōu)于常�(guī)材料。還可用在太陽能電池中,�便攜音箱鋰電��

  2、利用材料的完全抗磁性可制作無摩擦陀螺儀和軸承�

  3、利用約瑟夫森效應可制作一系列精密測量儀表以及輻射探測器、微波發(fā)生器、邏輯元件等。利用約瑟夫森結(jié)作計算機的邏輯和存儲元件,其運算速度比高性能集成電路的快10�20�,功耗只有四分之一�

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