YBCO超导体的发展及应用

YBCO超导体的发展及应用

材料与工程学院金材101 霍永登 10430113

摘要：本文简述了YBCO高温超导体的基本性能，探讨了YBCO高温超导体的传统制备方法以及目前较为新型的制备方法，根据YBCO高温超导体材料的基本性能研究了其在磁体和电力方面的广泛应用，同时还对YBCO高温超导体材料的发展前景进行了简单介绍。

关键词：超导体；制备方法；研究现状

0、引言

超导现象是在19世纪最早出现的[1]，随着科学家的不断研究与探索，高温超导体在各个领域里的应用越来越受到人们的重视，对其超导性、制备方法以及应用前景的研究，已经成为科学家们关注的问题之一。现以钇系中的YBCO高温超导体为一个典型的代表，对YBCO高温超导体的性能、制备方法、应用及发展前景进行研究，从而对高温超导材料有一个更加全面的了解与认识，以此促进高温超导材料在今后的研究，使其在各个领域得到更加广泛的发展与应用。

一、高温超导材料的发展历史

1911年，荷兰莱顿大学的卡末林·昂尼斯意外地发现，将汞冷却到-268.98°C时，汞的电阻突然消失（图1）；后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，卡末林·昂尼斯称之为超导态，他也因此获得了1913年诺贝尔奖。

图1 汞的零电阻效应[2]

1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质，当金属处在超导状态时，这一超导体内的磁感应强度为零，却把原来存在于体内的磁场排挤出去。对单晶锡球进行实验发现：锡球过渡到超导状态时，锡球周围的磁场突然发生变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了，人们将这种现象称之为“迈斯纳效应”（图2）。

图2 迈斯纳效应[3]

自卡麦林·昂尼斯发现汞在4.2K附近的超导电性以来，人们发现的新超导材料几乎遍布整个元素周期表，从轻元素硼、锂到过渡重金属铀系列等。超导材料的最初研究多集中在元素、合金、过渡金属碳化物和氮化物等方面。至1973年，发现了一系列A15型超导体和三元系超导体，如Nb3Sn、V3Ga、Nb3Ge，其中Nb3Ge 超导体的临界转变温度(T c)值达到23.2K。以上超导材料要用液氦做致冷剂才能呈现超导态，因而在应用上受到很大限制。1986年，德国科学家柏诺兹和瑞士科学家穆勒发现了新的金属氧化物超导材料即钡镧铜氧化物(La-BaCuO)，其T c为35K，第一次实现了液氮温区的高温超导。铜酸盐高温超导体的发现是超导材料研究上的一次重大突破，打开了混合金属氧化物超导体的研究方向。1987年初，中、美科学家各自发现临界温度大于90K的YBaCuO超导体，已高于液氮温度(77K)，高温超导材料研究获得重大进展。后来法国的米切尔发现了第三类高温超导体BiSrCuO，再后来又有人将Ca掺人其中，得到BiSrCaCuO超导体，首次使氧化物超导体的零电阻温度突破100K大关。1988年，美国的荷曼和盛正直等人又发现了T1

系高温超导体，将超导临界温度提高到当时公认的最高记录125K。瑞士苏黎世的希林等发现在HgBaCaCuO超导体中，临界转变温度大约为133K，使高温超导临界温度取得新的突破。

二、YBCO高温超导体的简介及性能研究

超导材料是指具有超导性的材料，该材料在室温下是有电阻的良好导体，但随温度的下降，其电阻降低，当温度达到临界温度T

C

（超导体从具有一定电阻的正常态转变为电阻为零的超导态时所对应的临界温度[3]）以下，它们的电阻会突然消失。高温超导材料主要分为两种：钇钡铜氧（YBCO）和铋锶钙铜氧(BSCCO)。钇钡铜氧一般用于制备超导薄膜，应用在电子、通信等领域；铋锶钙铜氧主要用于线材的制造。YBCO高温超导体属于氧化物超导体的一种，根据磁化测试的结果，其属于第二类超导体。

YBCO高温超导体除具有传统超导体的基本性能（完全导电性（零电阻）、完全抗磁性、约瑟夫森效应）外，还具有很高临界温度（90K以上，而一般的超导体T c介于10～40K之间），同时YBCO超导体的晶体结构大于属于畸变的层状钙钛矿结构，具有陶瓷性，且该化合物中的大多数的金属元素在一定范围内可以全部或部分被其他金属元素所替代，而不明显或仍然具有超导性。

正交相的Y

1Ba

2

Cu

3

O

7-I

晶体结构为一种严重畸变的鹰钙钛矿结构，其晶格常数

分别为:a=3.82A,b =3.89A,c =11.68A，其晶格常数的特点为:a-b-c/3，这一特点将对YBCO薄膜的结晶取向产生影响。在这一结构中，Y+与近邻的8个氧离子形成配位六面体，其排列方式接近密堆积。两个Ba离子只占据一种晶位，Ba2+离子与近邻的10个氧离子形成截角立方八面体。Cu2+占据两种晶位，分别标示为Cu1和Cu2, Cu1晶位上的Cu2+离子与4个近邻氧离子形成平面四边形，而Cu2晶位上的两个Cu2+离子分别与其近邻的5个氧离子形成四方锥形的配位多面体(金字塔形)（图3）。

图3 YBCO结构[3]

三、YBCO高温超导体的制备方法

自高温超导氧化物发现以来，人们采用多种不同的工艺来制备高临界电流密度的超导体,。对于YBCO高温超导体的制备方法也是越来越多了，下面将列举一些常见的传统制备方法和一些较为新型的制备方法。

3.1烧结法

选用氧化物或碳酸盐为原材料，首先将各种原材料要纯、细，配料时严格按

照YBa

2Cu

3

O

7

(简称123相)配比，然后研磨使得原料均匀混合，将材料预合成单一

均匀的123相合成料，再次将粉末研磨3～4小时，通过压制将样品压制成紧密结构，最后将有压制好的样品放入瓷坩埚中，并放入炉内烧结。烧结工艺是制备

YBCO超导陶瓷的最关键步骤，由于YBa

2Cu

3

O

7

较难烧结，在高温下不一致熔融，

呈现分解熔融，当温度升高到1000°C左右时，有部分液相产生。一般为了提高难烧结物质的烧结性，往往加入少量的烧结助剂，但这种方式，会使得超导陶瓷的特性变差，所以有必要改善粉末体的特性和选择适当的烧结制度。实际烧结时