超导技术及材料介绍及其应用领域
一、超导技术简介
超导材料，是指具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。
某些金属、合金和化合物，在温度降到绝对零度附近某一特定温度时，它们的电阻率突然减小到无法测量的现象叫做超导现象，能够发生超导现象的物质叫做超导体。超导材料和常规导电材料的性能有很大的不同：零电阻性、完全抗磁性、约瑟夫森效应。这些特性构成了超导材料在科学技术领域越来越引人注目的各类应用的依据。超导技术被认为是21世纪最具有战略意义的高新技术，其技术原理为：
零电阻
超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。如果用磁场在超导环中引发感应电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。这种“持续电流”已多次在实验中观察到。
抗磁性
超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零。
临界温度 外磁场为零时超导材料由正常态转变为超导态(或相反)的温度，以Tc表示。Tc值因材料不同而异。已测得超导材料的最低Tc是钨，为0.012K。到1987年，临界温度最高值已提高到100K左右。
临界磁场
使超导材料的超导态破坏而转变到正常态所需的磁场强度，以Hc表示。Hc与温度T 的关系为Hc=H0[1-(T/Tc)2]，式中H0为0K时的临界磁场。
临界电流和临界电流密度
超导体的临界温度Tc与其同位素质量M有关。M越大，Tc越低，这称为同位素效应。例如，原子量为199.55的汞同位素，它的Tc是4.18开，而原子量为203.4的汞同位素，Tc为4.146开。
通过超导材料的电流达到一定数值时也会使超导态破坏而转变为正常态，以Ic表示。Ic一般随温度和外磁场的增加而减少。单位截面积所承载的Ic称为临界电流密度，以Jc表示。
超导材料的这些参量限定了应用材料的条件，因而寻找高参量的新型超导材料成了人们研究的重要课题。以Tc为例，从1911年荷兰物理学家H.开默林－昂内斯发现超导电性(Hg，Tc=4.2K)起，直到1986年以前，人们发现的最高的 Tc才达到23.2K(Nb3Ge，1973)。1986年瑞士物理学家K.A.米勒和联邦德国物理学家J.G.贝德诺尔茨发现了氧化物陶瓷材料的超导电性，从而将Tc提高到35K。之后仅一年时间，新材料的Tc已提高到100K左右。这种突破为超导材料的应用开辟了广阔的前景，米勒和贝德诺尔茨也因此荣获1987年诺贝尔物理学奖金。
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超 导 材 料
一、超导材料的基本介绍
1973年，人们发现了超导合金――铌锗合金，其临界超导温度为23.2K，该记录保持了13年。1986年，设在瑞士苏黎世的美国IBM公司的研究中心报道了一种氧化物（镧－钡－铜－氧）具有35K的高温超导性，打破了传统“氧化物陶瓷是绝缘体”的观念，引起世界科学界的轰动。此后，科学家们争分夺秒地攻关，几乎每隔几天，就有新的研究成果出现。
1986年底，美国贝尔实验室研究的氧化物超导材料，其临界超导温度达到40K，液氢的“温度壁垒”（40K）被跨越。1987年2月，美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤相继在钇－钡－铜－氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上，液氮的禁区（77K）也奇迹般地被突破了。1987年底，铊－钡－钙－铜－氧系材料又把临界超导温度的记录提高到125K。从1986－1987年的短短一年多的时间里，临界超导温度竟然提高了100K以上，这在材料发展史，乃至科技发展史上都堪称是一大奇迹！
高温超导材料的不断问世，为超导材料从实验室走向应用铺平了道路。
二·、超导材料的分类
超导材料按其化学成分可分为元素材料、合金材料、化合物材料和超导陶瓷。
①超导元素：在常压下有28种元素具超导电性，其中铌（Nb）的Tc最高，为9.26K。电工中实际应用的主要是铌和铅(Pb，Tc=7.201K)，已用于制造超导交流电力电缆、高Q值谐振腔等。
② 合金材料： 超导元素加入某些其他元素作合金成分， 可以使超导材料的全部性能提高。如最先应用的铌锆合金(Nb-75Zr)，其Tc为10.8K，Hc为8.7特。继后发展了铌钛合金，虽然Tc稍低了些，但Hc高得多，在给定磁场能承载更大电流。其性能是Nb-33Ti，Tc=9.3K，Hc＝11.0特；Nb-60Ti，Tc=9.3K，Hc=12特(4.2K)。目前铌钛合金是用于7～8特磁场下的主要超导磁体材料。铌钛合金再加入钽的三元合金，性能进一步提高，Nb-60Ti-4Ta的性能是，Tc＝9.9K，Hc=12.4特（4.2K）；Nb-70Ti-5Ta的性能是，Tc=9.8K，Hc=12.8特。
超导研究报告
一、超导现象的发现与定义
超导现象的发现是物理学领域的一个重大突破。1911 年，荷兰科学家卡末林·昂内斯在研究低温下金属电阻的变化时，意外地发现当温度降低到 42K 以下时，汞的电阻突然消失了，这种现象被称为超导现象。
超导，简单来说，就是指在特定的低温条件下，某些材料的电阻会突然变为零的现象。这意味着电流可以在这些材料中无损耗地流动，不会产生热量和能量的损失。
二、超导材料的分类
超导材料可以分为低温超导材料和高温超导材料两大类。
低温超导材料主要是指在液氦温度（42K 左右）下才能呈现超导特性的材料，如铌钛（NbTi）和铌三锡（Nb₃Sn）等。这些材料已经在磁共振成像（MRI）、粒子加速器等领域得到了广泛的应用。
高温超导材料则是指在液氮温度（77K 左右）甚至更高温度下能够实现超导的材料。其中，钇钡铜氧（YBCO）和铋锶钙铜氧（BSCCO）是比较常见的高温超导材料。高温超导材料的发现为超导技术的广泛应用带来了新的希望。
三、超导材料的特性 超导材料除了零电阻特性外，还具有完全抗磁性和约瑟夫森效应等重要特性。
完全抗磁性，也被称为迈斯纳效应，指的是当超导材料处于外加磁场中时，会在其内部产生一个与外加磁场大小相等、方向相反的磁场，从而使超导材料内部的总磁场为零。这种特性使得超导材料可以用于制造磁悬浮装置等。
约瑟夫森效应则是指当两个超导体被一层薄的绝缘层隔开时，电子可以通过隧道效应在两个超导体之间无阻力地流动，形成超导电流。基于约瑟夫森效应的超导量子干涉器件（SQUID）在磁场测量等领域具有重要的应用价值。
四、超导材料的应用领域
超导材料的应用领域非常广泛，涵盖了能源、交通、医疗、科研等多个方面。
在能源领域，超导材料可以用于制造超导电缆和超导限流器等。超导电缆能够实现大容量、低损耗的电能传输，有效提高能源的传输效率；超导限流器则可以在电网发生故障时迅速限制电流，保障电网的安全稳定运行。
一、超导材料
有些材料当温度下降至某一临界温度时，其电阻完全消失，这种现象称为超导电性，具有这种现象的材料称为超导材料。超导体的另外一个特征是：当电阻消失时，磁感应线将不能通过超导体，这种现象称为抗磁性。 一般金属（例如：铜）的电阻率随温度的下降而逐渐减小，当温度接近于0K时，其电阻达到某一值。而1919年荷兰科学家昂内斯用液氦冷却水银，当温度下降到4.2K（即-269℃）时，发现水银的电阻完全消失， 超导电性和抗磁性是超导体的两个重要特性。使超导体电阻为零的温度称为临界温度（TC）。超导材料研究的难题是突破“温度障碍”，即寻找高温超导材料。 以NbTi、Nb3Sn为代表的实用超导材料已实现了商品化，在核磁共振人体成像（NMRI）、超导磁体及大型加速器磁体等多个领域获得了应用；SQUID作为超导体弱电应用的典范已在微弱电磁信号测量方面起到了重要作用，其灵敏度是其它任何非超导的装置无法达到的。但是，由于常规低温超导体的临界温度太低，必须在昂贵复杂的液氦(4.2K)系统中使用，因而严重地限制了低温超导应用的发展。 高温氧化物超导体的出现，突破了温度壁垒，把超导应用温度从液氦（ 4.2K）提高到液氮（77K）温区。同液氦相比，液氮是一种非常经济的冷媒，并且具有较高的热容量，给工程应用带来了极大的方便。另外，高温超导体都具有相当高的磁性能，能够用来产生20T以上的强磁场。 超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能。利用超导材料制作超导发电机的线圈磁体制成的超导发电机，可以将发电机的磁场强度提高到5~6万高斯，而且几乎没有能量损失，与常规发电机相比，超导发电机的单机容量提高5~10倍，发电效率提高50%；超导输电线和超导变压器可以把电力几乎无损耗地输送给用户，据统计，目前的铜或铝导线输电，约有15%的电能损耗在输电线上，在中国每年的电力损失达1000多亿度，若改为超导输电，节省的电能相当于新建数十个大型发电厂；超导磁悬浮列车的工作原理是利用超导材料的抗磁性，将超导材料置于永久磁体（或磁场）的上方，由于超导的抗磁性，磁体的磁力线不能穿过超导体，磁体（或磁场）和超导体之间会产生排斥力，使超导体悬浮在上方。利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车，如已运行的日本新干线列车，上海浦东国际机场的高速列车等；用于超导计算机，高速计算机要求在集成电路芯片上的元件和连接线密集排列，但密集排列的电路在工作时会产生大量的热量，若利用电阻接近于零的超导材料制作连接线或超微发热的超导器件，则不存在散热问题，可使计算机的速度大大提高。
