高温超导材料的发展和应用现状_吴兴超

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高温超导材料应用现状
任何材料和技术的发展都以其应用为最终
系 （ YBCO） 、 铋系（ BSCCO） 和二硼化镁（ MgB2 ） 。 2. 1 钇系高温超导体（ YBCO） 钇系高温超导体是当前已知的高温超导体 YBCO 大约在 92K 显示 中研究得最透彻的一种， 出超导电性， 并且超导相的比例极高。 目前已能 从多种商业渠道获得优质的 Y123 粉末、 块材和 薄膜。制备超导性能优异的粉末、 高度致密块材 或薄膜的方法和工艺条件已相当成熟， 最常用的 方法是粉末装管法 （ PIT ）
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目的。高温超导材料的应用通常分为两大类： 强 电应用和弱电应用。 超导强电应用主要是基于 超导体的零电阻特性和完全抗磁性， 以及非理想 第二类超导体所特有的高临界电流密度和高临 界磁场。超导弱电应用主要是基于磁通量子化， 能隙、 隧道和约瑟夫森效应等。 高温超导带材和 块材主要在电力系统等强电领域中获得应用， 而 高温超导薄膜主要用于研制超导量子干涉器件、 微波器件等， 在弱电领域具有极大的应用空间。 3. 1 高温超导材料在强电领域中的应用现状 高温超导材料发现后， 由于其特殊的应用性
［15 —16 ］ ， 以探讨超 动纪念超导现象发现 100 周年
具有较高的临界电流密度。 其晶体结构属于六 方晶系， 它是一种插层型化合物， 镁层和硼层交 替排列， 其超导机制可以用 BCS 理论解释。 一般 构成氧化物高温超导体的化学元素昂贵， 合成的 超导材料脆性大， 难以加工成线材， 而硼和镁的 价格低廉， 且容易制成线材。 它一般采用 PIT 法 进行制备
［1 —3 ］
7 ］ ， （ Kamerlingh Onnes） 将氦气液化［1， 发现汞在液
氦中（ 4. 2 K） 的零电阻特性， 引起了低温研究、 超 导机制理论研究、 超导材料的研究以及超导技术 应用 研 究 等 各 个 方 面 的 研 究 热 潮。 在 1911 — 1932 年间， 以研究元素超导为主， 除汞以外， 又发 Sn、 Nb 等 众 多 的 金 属 元 素 超 导 体； 在 现了 Pb、 1932 —1953 年间， 则发现了许多具有超导电性的 合金， 以及 NaCl 结构的过渡金属碳化合物和氮 化物， 临界转变温度 （ T c ） 得到了进一步提高； 随 发 现 了 T c ＞ 17 K 的 后， 在 1953 —1973 年 间， 1973 年 Nb3 Ge 的发现， Nb3 Sn 等超导体， 使 其中， T c 的 最 高 纪 录 上 升 到 23. 2K［8—9］。 直 到 1986 年， 美国国际商用机器公司在瑞士苏黎世实验室 的科学 家 柏 诺 兹 （ J. G. Bednorz ） 和 缪 勒 （ K. A. Müller） 首先制备出了 T c 为 35 K 的镧钡铜氧 （ LaBaCuO） 高温氧化物超导体， 随后高温超 ［10 —12 ］ 。 临界转变 导体的研究取得了重大的突破 温度超过 90 K 的钇钡铜氧等一系列超导体被 发现， 而这也成为了超导材料研究中一个划时代
（ Engineering Ｒesearch Center of Materials Behavior and Design，Ministry of Education； Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094 ，China） Abstract：The development of high temperature superconducting （ HTS） materials and their applications in strong electric fields and weak electric fields such as electrical energy，transportation，highenergy physics，biomedical，precision measuring instruments，microwave devices，superconducting computers were reviewed. Keywords：HTS materials；YBCO；BSCCO； MgB2
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超导材料的发展
1911 年 荷 兰 莱 登 实 验 室 的 卡 默 林 昂 尼 斯
收稿日期：2013 － 12 － 16 1990 年生， mail：wuxingchao0305@ sina． com 作者简介：吴兴超， 男， 主要从事高温材料的研究 。E-
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的标志， 它使得超导材料的研究不仅仅停留在理 ［13 ］ 人们已经发现了几千 论阶段 。 到目前为止， 种超导材料， 典型的超导材料的临界转变温度与 发现时间如图 1 所示。
前， 使用三氟醋酸盐 （ TFA ） 前驱粉的金属有机沉 积法 （ MOD ） 是 很 有 前 途 的 沉 积 方 法 之 一， 用 TFAMOD 法［19］制备的 YBCO 涂层导体性能高、 制造成本低， 能够满足将来商业应用的需求。 2. 2 铋系高温超导体（ BSCCO） 铋系 高 温 超 导 体 主 要 有 三 种： Bi2 Sr2 CuO6 、 Bi2 Sr2 CaCu2 O8 和 Bi2 Sr2 Ca2 Cu3 O10 。 这三种相的 晶体结构密切相关， 也具有其他氧化物超导体共 有的结构特点， 即 CuO4 层。这些 CuO4 层被碱土 Ca ） 和 Bi2 O2 层所分开， 金属离子 （ Sr、 形成了层 状钙钛矿型结构的一种变体。 BSCCO 粉末具有 极好的烧结特性和超导性能， 目前已商品化生产 用于制造和开发铋系线材。 铋系粉末的制备除 传统的固相反应法外， 还有共沉淀法、 溶胶凝胶 法、 溶液高温自蔓燃法等， 其中喷雾干燥法、 喷雾
和外延生长法。 此
外， 虽然在众多沉积方法中脉冲激光沉积法 （ PLD）［18］是应用最广泛的一种沉积方法， 但由 于 PLD 法要使用昂贵的大功率、 高真空装置以及 工业用 激 光 源， 而 不 太 适 合 大 规 模 产 业 化。 目
能， 从 20 世纪 90 年代初就开始了强电方面的应
第 29 卷第 4 期
量仪器、 微波器件、 超导计算机等各个领域的应用现状和前景 。 关键词：高温超导材料；钇系高温超导体（ YBCO） ；铋系高温超导材料（ BSCCO） ；二硼化镁（ MgB2 ） 中图分类号：TB34 文献标识码：A
Development and Application Status of HTS Materials WU Xingchao ，LI Yongsheng，XU Feng
吴兴超等：高温超导材料的发展和应用现状
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用研究。早期的工作主要集中在高温超导导线 制备、 线圈磁体技术、 高压发生器、 电力故障限流 器、 磁性分离装置、 大电流引线、 电力应用性能研 。 究等 目前高温超导材料已经在电力能源、 交通 运输、 生物医学、 高能物理等方面取得了很大的 发展。 （ 1 ） 电力能源方面， 用作高温超导电缆、 高温 超导变压器， 试验运行的高温超导限流器， 以及 正在试验阶段或研制阶段的超导磁储能、 高温超 导飞轮储能、 高温超导电动机、 高温超导发电机、 高温超导电流引线等。 高温超导电缆具有损耗小、 体积小、 重量轻、 容量大， 实现低电压大电流输电， 环保、 节能， 有 助于改善电网结构等优点， 且近年来我国线缆制 ， 15% —20% 的速度增长， 造业飞速发展 以每年
［29 ］ 百亿级的巨大市场 。 （ 3 ） 其他弱电应用， 用于制造大型舰船、 核潜 ［32 ］ ［30 —31 ］
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1545 （ 2014 ） 04009506 文章编号：1003-
高温超导材料的发展和应用现状
徐 吴兴超， 李永胜， 峰
（ 材料评价与设计教育部工程研究中心， 南京理工大学， 江苏 南京 210094 ） 摘 要：综述了高温超导材料的发展和在强电和弱电领域如电力能源 、 交通运输、 高能物理、 生物医学、 精密测
［24 —25 ］ 。 超导 保持全球第一的 7 000 亿元的产值
等疾病。与 X 射线不同， 它无需将皮肤暴露于高 能辐射下， 减少了损伤风险。低场 MＲI 一般采用 永久磁体， 如对磁场有更高要求， 则采用超导磁 。 MＲI ， 体 中采用超导磁体后 接收器灵敏度将得 到改善， 信噪比至少提高一个数量级
超导材料的发现和发展至今已经有 100 多 年的历史了， 从 1911 年发现之日起便引起了全 世界各国科研工作者的关注。 在对其研究不断 取得突破和进展的同时， 由于其自身的性质以及 对液氦温区工作环境的需求， 限制了它的应用发 展。 直 到 1986 年 高 温 超 导 材 料 （ HTS ） 的 发 ， 现 超导材料从研究阶段向应用发展阶段转 变。经过人们 20 多年的努力， 高温超导材料及 其相关科学技术得到了快速的发展， 并在电力、 ［4 —6 ］ 。 作为当 交通和医疗等领域相继得以应用 超导技术 代科学领域中最重要的研究课题之一， 被认为是未来具有战略意义， 有着巨大商业价值 和广阔应用前景的高新技术， 可以预言， 超导技 术的普及、 高温超导材料的广泛应用必将引起一 场新的工业革命。
［29 ］
。 可见，
超导技术的应用可使生物医疗的水平大大提高 。 另外， 高能物理实验研究中广泛用作探测器 磁体、 输运磁体和加速磁体； 超导技术在军事领 域广泛用做超导扫雷具、 电磁炮和超导激光武器 等 ， 如超导扫雷具有重量轻， 体积小， 机动 性强， 可进行大步进拖曳扫雷， 磁场强， 能耗低， 能消除死区， 剩磁小， 目标信号特征弱， 系统安 全， 可靠性高等优点。而超导武器设备在国防上 又有着极其重要的战略意义。 环视当前国际形 势， 有理由相信， 超导技术在军事领域的研究将 更受重视。 3. 2 高温超导材料在弱电领域中的应用现状 高温超导材料超导在弱电、 弱磁领域中的应 用也是多方面的， 其中主要是在电子学和通讯上 的应用。 （ 1 ） 超导电子学方面， 用于制造地震预报、 空 间和军事等领域的超导量子干涉器件 （ SQUID ） 、 电感 器、 超 导 计 算 机 等。 如 南 开 大 学 周 铁 戈 基于本征约瑟夫森效应， 提出并制作了一 种新型的高温超导材料电感器， 这种新型电感器 等 不依赖于传统的电磁感应原理， 具有直流电阻为 零、 尺寸小和可调谐等优点， 在电子电路， 尤其在 超导电子电路方面有着巨大的应用价值 。 （ 2 ） 通讯方面， 制造用于蜂窝电话基站、 移动 通信等领域的高温超导滤波器和用于通信、 导航 等领域的高温超导微带天线等。 如超导滤波器 具有信噪比高、 带边陡峭、 选择性好和抗十扰能 力强等优点， 且导滤波器的市场巨大， 截止 2011 3G 网络覆盖全国所有地级以上城市及大部 年， 3G 基 分县城、 乡镇、 主要高速公路和风景区等， 站超过 40 万个， 未来在 3G 网络建设同时还要进 行 4G 网络建 设以及网络优化升级， 若有 20% 的新建基站 应用超导滤波器， 加上原有基站优化， 将会产生
图1 Fig. 1
超导材料临界转变温度与发现年份
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热解法适于大规模生产铋系粉末 2. 3 二硼化镁（ MgB2 ）
［20 ］
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History of T c for superconducting materials［14］
二硼化镁是常规超导体中临界温度最高的， 人们对于超导材料的研究兴趣持 一百年来， 续不减。2011 年人们在世界各地举行了各种活
［21 —22 ］ ［23 ］ ， 此外， 电泳法 是一种制备高
导材料的研究现状和未来发展。 随着新超导材 料的不断发现， 超导材料的临界转变温度不断提 高， 理论机制认识更加深入， 将极大的促进超导 材料实用化进程。
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常用的高温超导材料
目前， 高温超导材料中应用最为广泛的是钇
质量的 MgB2 带材的新方法。