高溫超導材料一、超導現象及超導材料的基本性質二、高溫超導材料概述三、高溫超導材料的應用及前景1911年，荷蘭物理學家昂納斯發現汞的直流電阻在4.2K時突然消失，首次觀察到超導電性。一、超導現象及超導材料的基本性質超導材料1、超導體的基本物理現象（1）零電阻效應圖1.1電阻率ρ與溫度T的關系1－純金屬晶體2－含雜質和缺陷的金屬晶體3－超導體正常態—溫度高于Tc的狀態；超導態—溫度低于Tc的狀態。超導材料（2）邁斯納效應（完全抗磁性）

只要超導體材料的溫度低于臨界溫度而進入超導態后，超導材料就會將磁力線完全排斥于體外，因此，其體積內的磁感應強度總為零，這種現象稱為“邁斯納效應”圖1.2邁斯納效應一、超導現象及超導材料的基本性質觀察邁納斯效應的磁懸浮試驗在錫盤上放一條永久磁鐵，當溫度低于錫的轉變溫度時，小磁鐵會離開錫盤飄然升起，升至一定距離后，便懸空不動了，這是由于磁鐵的磁力線不能穿過超導體，在錫盤感應出持續電流的磁場，與磁鐵之間產生了排斥力，磁體越遠離錫盤，斥力越小，當斥力減弱到與磁鐵的重力相平衡時，就懸浮不動了。超導材料（3）同位素效應

同位素的質量越大，轉變溫度越低。例如，原子量為199.55的汞同位素，它的Tc是4.18K，而原子量為203.4的汞同位素，Tc為4.146K。材料由正常態轉變到超導態，其晶體結構不變，而同位素的差別主要在于原子核的質量。因此，超導材料中的同位素效應表明了傳導電子與晶格振動的相互作用是很重要的問題，該效應為探明超導轉變的微觀機制提供了一條重要線索。通常我們也可以用同位素效應來鑒別材料的超導電性。一、超導現象及超導材料的基本性質

BCS超導理論:（美國科學家巴丁、庫柏和施里弗提出）庫柏對1電子通過聲子作為媒介產生相互吸引作用并逐漸超過庫侖斥力，相成束縛對即庫柏對。2在超導基態各個電子的動量可以不同，但是每個庫柏對卻集中在零動量上。

2002年，諾貝爾獎得主Laughlin提出Gossamer超導理論。德國馬克斯·普朗克協會和普林斯頓大學1999年4月宣布，通過中子散射實驗，揭示了高

溫超導金屬氧化物電子自旋對的特殊行為。

分類氧化物超導體(如YBa2Cu3O7-x)非晶超導材料復合超導材料(如超導線帶材料)重費米子超導體(如CeCu2Si2)有機超導材料(如富勒烯等修飾的化合物)高溫超導材料二、高溫超導體概述目前，高溫超導材料指的是：鑭系、釔系(92K)、鉍系(110K)、鉈系(125K)和汞系(135K)以及2001年1月發現的新型超導體二硼化鎂(39K)。其中最有實用價值的是鉍系、釔系(YBCO)和二硼化鎂(MgB2)

。氧化物高溫超導材料是以銅氧化物為組分的具有鈣鈦礦層狀結構的復雜物質，在正常態它們都是不良導體。同低溫超導體相比，高溫超導材料具有明顯的各向異性，在垂直和平行于銅氧結構層方向上的物理性質差別很大。高溫超導體屬于第二類超導體，且具有比低溫超導體更高的臨界磁場和臨界電流，因此是更接近于實用的超導材料。特別是在低溫下的性能比傳統超導體高得多。空穴配對是高溫超導體的一個基本特征。高溫超導體在結構和物性方面具有以下特征：(1)晶體結構具有很強的低維特點，三個晶格常數往往相差3-4倍；(2)輸運系數(電導率、熱導率等)具有明顯的各向異性；(3)磁場穿透深度遠大于相干長度，是第二類超導體；(4)載梳子濃度低，且多為空穴型導電；(5)同位素效應不顯著；(6)邁斯納效應不完全；(7)隧道實驗表明能隙存在，且為庫柏型配對。La2-xMxCuO4(M-堿土金屬Ba、Sr、Ca)

為K2NiF4型結構。它們共同的結構特點在于，晶格點陣中存在著一些Cu-O平面層，而每一個Cu-O平面層又被兩層Ln-O平面夾在中間。它們的超導性被認為是由Cu-O平面層主導的。La-Sr-Nb-O系超導陶瓷的Tc較高，但抗磁性較弱。釔系陶瓷超導材料YBa2Cu3O7-x通常稱之為YBCO或123相。目前，釔系超導陶瓷體材料在77K、10T左右的磁場下，Jc達到了3×105A/cm2；線材在無外磁場下，在77K下，Jc達到了104A/cm2；薄膜在77K、10T左右的磁場下，Jc達到了5×106A/cm2。該系超導薄膜已成功地用于約瑟夫遜元件和量子干涉器件，如射頻量子干涉器，測量磁場的精度可達萬分之一到億萬分之一。1、氧化物超導體1、氧化物超導體釔系陶瓷超導材料晶體結構——ABO3型層狀鈣鈦礦結構A位由Y占據，B位被Cu占據，c方向金屬原子的順序是：…Y-Ba-Ba-Y-Ba-Ba-Y…，Y原子面無氧。垂直于c方向有3種基本的原子面：Y面,Ba-O面和Cu-O面(有皺褶)。在正方結構中，CuO原子層中的氧原子和氧空位隨意分布，a=b。當轉變為正交結構相后，氧原子和氧空位發生有序轉變，引起a<b。一般認為正交結構的超導性和高的臨界溫度與這些鏈密切相關。從正方結構到正交結構的無序到有序轉變，還伴隨著氧含量的變化。結構中氧含量與超導性也密切相關。一般認為當。0<

x<0.5時，為正交結構，有超導性；當x>0.5時，為正方四方結構，屬半導體。1、氧化物超導體鉍系氧化物超導材料主要有三種Bi2Sr2CuO6(Bi-2201)、Bi2Sr2CaCu2O8(Bi-2212)、Bi2Sr2Ca2Cu3O10(Bi-2223)。這三種相的晶體結構密切相關，也具有其他氧化物超導體共有的結構特點，即CuO4層。這些CuO4層被堿土金屬離子(Sr、Ca)和Bi2O2層所分開，形成了層狀鈣鈦礦型結構的一種變體。鉈系氧化物超導材料Tl-Ba-Ca-Cu-O——Tl-2201、Tl-2212、Tl-22231、氧化物超導體二硼化鎂(MgB2)超導材料（39K）MgB2是常規超導體中臨界溫度最高的。其超導機制可以用BCS理論解釋。構成氧化物高溫超導體的化學元素昂貴，合成超導材料脆性大，難以加工成線材。而硼元素和鎂元素的價格低廉，容易制成線材。高臨界溫度的簡單化合物超導體。具有較高的臨界電流密度。西北有色金屬研究院和中科院電工研究所1、氧化物超導體陶瓷超導材料的共性一般來說，氧化物超導體都是由鈣鈦礦型結構派生出來的，稱之為有缺陷的鈣鈦礦型化合物。鈣鈦礦結構一般具有理想配比的化學式ABO3，其中A代表具有較大離子半徑的陽離子，B代表半徑較小的過渡金屬陽離子，A離子和B離子的價態之和是6，以保持電中性。1、氧化物超導體陶瓷超導材料的共性鈣鈦礦結構的特點——組分可通過部分代替而在很寬的范圍內發生變化，由元素代替產生的新化合物結構雖未變化，但其物理性質，如電導特性、磁性和超導電性往往變化很大；另一個特點是其中都或多或少地存在氧缺位和A位陽離子的缺位，同時造成氧的過剩，而B位一般難以出現缺位。同時，氧缺位發生是普遍存在的，其數量可在很大范圍內變化，從而導致晶格畸變的程度不同。1、氧化物超導體陶瓷超導材料的共性對于氧化物超導材料來說——均具有層狀鈣鈦礦型結構，點陣常數a和b都接近0.38nm，這是由Cu-O鍵長決定的；均有CuO6八面體、CuO5正四方錐，共有CuO4

平行四邊形組成的銅氧平面，這決定了氧化物超導體在結構上和物理特性上的二維特點；所有銅氧配位多面體的相互連接只能采取共頂點的形式，而不能共梭或共面；所有已知氧化物超導體的對稱性僅限于四方或正交晶系，至今尚未發現存在于低級晶系中的氧化物超導體；氧含量和分布對氧化物超導體的結構和超導電性都具有重要影響。1、氧化物超導體陶瓷超導材料的共性從性能上來說，共同特點有——臨界超導溫度和臨界磁場強度均很高(Tc約在90-300K)，但其的載流能力卻很低。比如LSCO的Hc2

為500T，高于化合物，但其Jc

值僅為102~103A/cm2，比Nb-Ti和Nb3Sn等低三個數量級。如在核聚變、發電機、輸配電和超高速列車等能源方面的應用，要求Jc

達到105~106A/cm2

。脆性大、強度低，加工性能不好。而超導材料都是用作磁體線圈，所以必須能加工成極細的多芯線，并將微米級的細線埋入許多根銅管中，再在縱向進行紋合加工；同時，在超導磁體加工過程中，材料必須能承受從室溫變化至超導溫度時的熱應力。因此，還要提高高溫超導陶瓷的韌性和強度，改善其加工性能。陶瓷超導材料的制備工藝介紹——固相法、液相法和氣相法氣相法(薄膜)脈沖激光沉積(PLD)

C60是由60個碳原子構成的空心大分子，外形酷似足球。固態C60類似于Ga-As的半導體，在其中摻入堿金屬，它將轉變為超導體。有科學家預言，如能制成C540，它將可能成為室溫超導體。C60的示意圖2、非氧化物超導體三、高溫超導體的應用1、高溫超導體電流引線2、高溫超導磁體3、高溫超導交流輸電4、高溫超導故障電流限流器5、高溫超導變壓器在給低溫環境下工作的超導磁體和電力設備供電時，由低溫到高溫之間的電流引線會消耗許多液氦，一直是工程應用中的一個難題。高溫超導體由于Tc高，熱導率低，作為由低溫區到高溫區的過渡，可以在超導態下給磁體供電，從而把熱漏減少到了極小的程度。目前用作電流引線的材料主要有Bi-2212及Bi-2223的棒、管和帶材、以及熔化法YBCO棒材。根據應用的環境不同，引線的臨界電流在1000-5000A之間。目前電流引線已成功地用于微型致冷機冷卻的NbTi及Nb3Sn磁體系統，第一次實現了不需用液氦的超導磁體應用。1、高溫超導體電流引線熱絕緣型和冷絕緣型高溫超導電力電纜輸電電纜由于在低磁場（0.1T）下運行。因而被認為是實現高溫超導應用的最有希望的領域。3、高溫超導故障電流限流器高溫超導限流器可以起到提高了電網的安全性，同時也可提高電網的效率。英納超導電纜技術等單位于2007年研制成了35千伏、1200安培飽和鐵芯式高溫超導限流器并在云南昆明普吉電站實現了并網運行。基本電阻型超導限流器限流過程高溫超導故障限流器高溫超導故障限流器有許多優點，比如說：動作速度快，可有效減小故障電流，具有較低的額定損耗，集檢測、轉換、限制于一體，是一種可靠性較高的靜態限流器，是一種“超級保險絲”；同時由于其結構簡單、體積較小、造價低、反應和回復速度快，因而具有廣闊的應用前景。

超導材料用于制造變壓器，可大大降低磁損耗，縮小體積，減輕重量。日本