低温超导材料

金属、合金和化合物

低温超导材料（low temperature superconducting material）

原理

低温超导材料已得到广泛应用。在强电磁场中，NbTi超导材料用作高能物理的加速器、探测器、等离子体磁约束、超导储能、超导电机及医用磁共振人体成像仪等；Nb3Sn 超导材料除用于制作大量小型高磁场（7~10T）磁体外，还用于制作受控核聚变装置中数米口径的磁体；用Nb及NbN薄膜制成的低温仪器，已用于军事及医学领域检测极弱电磁信号。低温超导材料由于Tc低，必须在液氦温度下使用，运转费用昂贵，故其应用受到限制。超导技术超导技术的主体是超导材料。简而言之，超导材料就是没有电阻、或电阻极小的导电材料。超导材料最独特的性能是电能在输送过程中几乎不会损失：近年来，随看材料科学的发展，超导材料的性能不断优化，实现超导的临界温度越来越高。

历史背景

20世纪末，科学家合成了在室温下具有超导性能的复合材料，室温超导材料的研制成功使超导的实际应用成为可能。超导是指某些物体当温度下降至一定温度时，电阻突然趋近于零的现象。具有这种特性的材料称为超导材料。超导体由正常态转变为超导态的温度称为这种物质的转变温度(或临界温度) 因为这个温度很低,在绝对零度附近。因而,应用不是很广泛.但是科学家在研究高温超导,如果研究成功,用这种材料导电时不损耗电能，不产生热量。可以节约能源! 1911年荷兰物理学家Onnes发现汞（水银）在4.2k附近电阻突然下降为零，他把这种零电阻现象称为超导电性。汞的电阻突然消失时的温度称为转变温度或临界温度，常用Tc表示。在一定温度下具有超导电性的物体称为超导体。金属汞是超导体。进一步研究发现元素周期表中共有26种金属具有超导电性，单个金属的超导转变温度都很低，没有应用价值。因此，人们逐渐转向研究金属合金的超导电性。其中Nb3Ge的转变温度为23.2K，这在70年代算是最高转变温度超导体了。当超导体显示导材料都是在极低温下才能进入超导态，假如没有低温技术发展作为后盾，就发现不了超导电性，无法设想超导材料。这里又一次看到材料发展与科学技术互相促进的关系。低温超导材料要用液氦做致冷剂才能呈现超导态，因此在应用上受到很大的限制。人们迫切希望找到高温超导体，在徘徊了几十年后，终于在1986年有了突破。瑞士Bednorz和Müller发现他们研制的La-Ba-CuO混合金属氧化物具有超导电性，转变温度为35K。这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。接着中、美科学家发现Y-Ba-CuO混合金属氧化物在90K具有超导电性，这类超导氧化物的转变温度已高于液氮温度（77K），高温超导材料研究获得重大进展。一连串激动人心的发在世界上掀起了“超导热”。新的超导氧化物系列不断涌现，如Bi-Ca-CuO，Tl-Ba-Ca-CuO等，它们的超导转变温度超过了120K。高温超导体的研究方兴未艾，人们殷切地期待着室温超导材料的出现。人们发现C60与碱金属作用能形成AxC60(A代表钾、铷、铯等)，它们都是超导体。大多数AxC60超导体的转变温度比金属合金超导体高。金属氧化物超导体是无机超导体，它们都是层状结构，属二维超导。而AxC60则是有机超导体，它们是球状结构，属三维超导。因此AxC60这类超导体是很有发展前途的超导材料。

应用

超导研究引起各国的重视，一旦室温超导体达到实用化、工业化，将对现代文明社会中的科学技术产生深刻的影响。

下面简单介绍超导体的一些应用：

（1）用超导材料输电发电站通过漫长的输电线向用户送电。由于电线存在电阻，使电流通过输电线时电能被消耗一部分，如果用超导材料做成超导电缆用于输电，那么在输电线路上的损耗将降为零。

（2）超导发电机制造大容量发电机，关键部件是线圈和磁体。由于导线存在电阻，造成线圈严重发热，如何使线圈冷却成为难题。如果用超导材料制造超导发电机，线圈是由无电阻的超导材料绕制的，根本不会发热，冷却难题迎刃而解，而且功率损失可减少50%。

（3）磁力悬浮高速列车要使列车速度达到500km·h-1，普通列车是绝对办不到的。如果把超导磁体装在列车内，在地面轨道上敷设铝环，利用它们之间发生相对运动，使铝环中产生感应电流，从而产生磁排斥作用，把列车托起离地面约10cm，使列车能悬浮在地面上而高速前进。可控热核聚变核聚变时能释放出大量的能量。为了使核聚变反应持续不断，必须在108℃下将等离子约束起来，这就需要一个强大的磁场，而超导磁体能产生约束等离子所需要的磁场。人类只有掌握了超导技术，才有可能把可控热核聚变变为现实，为人类提供无穷的能源。

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