高温超导材料及其应用研究

第３０卷第４期　华中科技大学学报（自然科学版）　２００２年４月　ｊ　Ｈｕａｚｈｏｎｇ　Ｕｎｉｖ．ｏｆ　Ｓｃｉ＆Ｔｅｅｈ（Ｎａｔｕｔ￣ｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　ＶＬ）ｉ　３０　Ｎｏ　４　Ａｐｒ　２００２　

高温超导陶瓷材料的实验研究　

张式森王育顺　田昌会　

，空军工程大学、　Ｉ　导弹学院　／　王永文　

（北京铁道科学研究院）　

摘要：讨论了高温超导陶瓷ＹＢａ２Ｃｕ３　体系的研制方法，研究了各种因素对ＹＢａ２Ｃｕｓ（￣　体系电特性的影　响．通过ｘ射线衍射分析及扫描电镜观测，确定了该样品为钙钛矿结构，并获得了零电阻为９８Ｋ的高温超导　陶瓷材料，它具有良好的抗磁性同时，还探讨了烧制Ｔ【Ｂａｅｃｕ２ｏｓ，新体系的工艺条件，获得了零电阻为　

１１６．５　Ｋ的Ｔ【系超导陶瓷材料，该材料具有良好的抗磁性　关键词：陶瓷材料；超导：ｘ射线；零电阻；扫描电镜；抗磁性　中图分类号：ＴＢ５４　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７ｌ　４５　１２（２００２）０４　００９０－０３　

１　实验过程　

１．１样品的制备　

１．１　１钇钡铜氧体系　

所用原料为Ｙ２ｏ３（质量分数为９９．９９％），　

Ｂａ（ＮＯｓ）２（质量分数为９９．５０％）和ＣｕＯ（质量分　

数为９９．ｏ０％），样品中的金属元素摩尔比为　

ｒ（Ｙ）：ｒ（Ｂａ）：ｒ（Ｃｕ）＝１：２：３，通过方程式　

３ＣｕＯ＋０　５Ｙ２Ｏ３＋２Ｂａ（Ｎｏ３）２＝ＹＢａ２Ｃｕ３ｏ６　５＋　

４Ｎ。２‘＋Ｏ２＿十可算得配制１０　ｇ　ＹＢａ２Ｃｕ３０６　５材　

料，实际需要质量分数为９９　９９％的Ｙ２　为　

１　７１５　７　ｇ，质量分数为９９．５０％的Ｂａ（Ｎ０３）２为　

７．９８１　４　ｇ，质量分数为９９　ｏ０％的ＣｕＯ为　

３．６６２　５　ｇ然后，用万分之一的电光分析天平准确　

称量所需各原料，将混台物在玛瑙钵中充分研细，　

压成直径为１２　ｌｌｋｒｎ的薄圆片，厚度约在１～３　ｍｍ　之间，加压６×１０４Ｎ，保压２ｍｉｎ左右，再经脱模，　

高温超导材料的发展及应用

摘要：现代社会高度物质文明和材料科学进步密切有关，本文通过介绍超导及高温超导材料的相关知识阐述目前高温超导材料的发展和应用。

Abstract: the modern social highly material civilization Closely

relates to the material's science progress, this paper is about the

knowledge of superconducting and HTS materials,and it introduces

High temperature superconducting materials 's development and

application.

关键词：超导、高温超导材料、材料、技术。

Keywords: superconductivity, high temperature superconducting

materials, materials, technology.

正文：日新月异的现代技术的发展需要很多新型材料的支持。自从第三次科技浪潮席卷全球以来，新型材料同信息、能源一起，被称为现代科技的三大支柱。新材料的诞生会带动相关产业和技术的迅速发展，甚至会催生新的产业和技术领域。

超导体由于其得天独厚的特性，使它可能在各种领域得到广泛的应用。但由于早期的超导体存在于液氦极低温度条件下，极大地限制了超导材料的应用，因而需要探索新的高温超导材料。所谓高温超导材料是指具有高临界转变温度（Tc）的超导材料，目前高温超导材料主要有：钇系（92 K）、铋系（110K）、铊系（125K）和汞系（135K）以及2001年1月发现的新型超导体二硼化镁（39K）。其中最有实用前途的是铋系、钇系（YBCO）和二硼化镁（2MgB）。氧化物高温超导材料是以铜氧化物为组分的具有钙钦矿层状结构的复杂物质，在正常态它们都是不良导体。同低温超导体相比，高温超导材料具有明显的各向异性，在垂直和平行于铜氧结构层方向上的物理性质差别很大。高温超导体属于非理想的第II类超导体，且具有比低温超导体更高的临界磁场和临界电流，因此是更接近于实用的超导材料，特别是在低温下的性能比传统超导体高得多。

高温超导材料交流损耗测试方法及应用研究

超导体与传统导体的本质区别在于其所具有的无阻载流特性,正是这一特征吸引着众多研究人员的目光,在新型超导材料制备、物理机制揭示及工程实际应用领域开展了不懈探索,取得了重要的研究成果。以具有实用化前景的非理想二类超导体为例,当其承载不超过临界电流的直流电流时,超导体内部没有任何能量损耗,这时该超导体处于稳定运行状态。然而,在超导体实际应用过程中,承载电流变化或所处环境电磁场的变化均不可避免,会给超导体带来能量损耗,通常将其定义为交流损耗。交流损耗的产生会造成超导体内部局部温度升高并伴随着钉扎性能和临界电流的降低,给超导装置带来巨大的安全隐患。

如2008年欧洲强子对撞机巨型超导磁体的爆炸事故就是源于超导材料局部失超而引起液氦蒸发所致,造成历时14个月,耗资6千万美元的停机整修。因此,超导材料的交流损耗特征已成为超导器件安全性设计的重要参数之一,相应的超导材料交流损耗的测试方法研究引起了众多学者的关注。另外,对于临界温度高于液氮沸点的氧化物陶瓷类高温超导材料,制备和应用过程中微裂纹的出现不可避免。因此,对于含裂纹超导材料的交流损耗特征也成为前沿问题之一,主要原因在于在裂纹尖端屏蔽电流分布的复杂性导致该区域的能量损耗难以采用传统的方法进行测试。

为此,本博士学位论文在开展传统绝热测温法的关键参数、测试误差等研究的基础上,首次获得了高温超导材料焊接接头的交流损耗特征及其内部电流和电阻的变化规律。通过对该方法测试原理的研究将其测试功能扩展,首次得到了含裂纹超导材料的交流损耗。最后采用电测法对这类样品的交流损耗也进行了测试,对比结果表明本文所提出的绝热测温升法的可靠性。主要工作如下:首先,详细介绍了自行组建的绝热测温升法和电测法实验测试系统。

接着采用这两种测试方法对YBCO涂层导体的交流损耗进行了测试,并把实验结果与Norris理论计算结果进行了比较,验证了本文自行组建的两套交流损耗测试系统的可靠性。然后针对绝热测温升法的实验影响因素进行了详细研究,获得了测试临界电流和校正曲线所需的最优直流电加载速度和加载区间,并通过对绝热测温升法的实验误差分析得到了最优电流加载时间47s。其次,采用绝热测温升法对YBCO焊接接头和完整超导样品在不同排布方式下的交流损耗进行了测量。通过对超导焊接接头和完整样品的交流损耗进行比较发现接头长度对其损耗影响较小,并且超导接头处的发热量不会影响整个装置运行的稳定性。

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高温超导材料在电力系统的应用

作者：施伟

来源：《硅谷》2011年第14期

摘要： 高温超导材料具有的独特性能，能够使电力传输、变压等过程中无电阻电磁损耗或者接近零损耗，真正做到节能和零污染。介绍高温超导电缆、电机以及储能装置在电力系统中的应用并作出展望。

关键词： 高温超导；电缆；电机；储能装置

中图分类号：U665文献标识码：A文章编号：1671－7597（2011）0720160－01

高温超导技术作为一种高新技术，近几年逐渐商业化形成了规模，在电力系统的运用也在逐渐增加，不久的将来定会广泛运用于电力系统的各个领域。

1 高温超导材料

超导材料具有常规材料不具备的3个基本特征，即零电阻、完全抗磁性、宏观量子效应。这在提高电力系统电力传输效率、减少电磁损耗等方面拥有很大帮助。与传统的超低温超导材料所需的极低温度（23K）不同，高温超导材料所需要的温度要高很多，可以采用液氮来致冷，取代了昂贵的液氦，也使得深冷系统的效率提高了50倍。大大缓解了温度对超导材料应用的限制。目前发现的Bi系、Y系、Tl系和Hg系超导体，都已基本达到电力系统的应用要求，但Tl系和Hg系含有有毒元素，不易择优取向，目前使用的Y系和B系带材已经用来制造电缆、变压器等电力设备[1]。

2 高温超导材料在电力系统的应用

2.1 高温超导电缆。超导材料的零电阻特性使其成为电流传输的理想导体。随着经济和社会的发展，人们对电量的需求越来越大，加之我国能源和负荷分布不均匀，长距离输电成为必然，高温超导电缆的零电阻特性，能够有效地减小电能在传输中的损耗，对低压低损耗传输电力的研究具有重要意义。高温超导电缆具有大容量、低损耗、结构紧凑、对环境影响小的特点，可用来远距离大容量输电、为大负荷特殊场合供电、用于变电站内的大电流传输母线、替换海底电缆等。能够节约大量金属材料和安装成本，它在电力系统的广泛运用，将在电力系统中引发技术性的革命[2]。