超导材料

超导材料(superconducting material)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。现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。

超导材料

超导材料和常规导电材料的性能有很大的不同。主要有以下性能:①零电阻性: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生电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。这种“持续电流”已多次在实验中被观察到。②完全抗磁性: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。③约瑟夫森效应:两超导材料之间有一薄绝缘层(厚度约1纳米)而形成低电阻连接时，会有电子对穿过绝缘层形成电流，而绝缘层两侧没有电压，即绝缘层也成了超导体。当电流超过一定值后，绝缘层两侧出现电压U(也可加一电压U)，同时，直流电流变成高频交流电，并向外辐射电磁波，其频率为，其中h为普朗克常数，e为电子电荷。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。20世纪80年代初，米勒和贝德诺尔茨开始注意到某些氧化物陶瓷材料可能有超导电性，他们的小组对一些材料进行了试验，于1986年在镧—钡—铜—氧化物中发现了Tc=35K的超导电性。1987年，中国、美国、日本等国科学家在钡—钇—铜氧化物中发现锝处于液氮温区有超导电性，使超导陶瓷成为极有发展前景的超导材料。

超导材料具有的优异特性使它从被发现之日起，就向人类展示了诱人的应用前景。但要实际应用超导材料又受到一系列因素的制约，这首先是它的临界参量，其次还有材料制作的工艺等问题。到80年代，超导材料的应用主要有:①利用材料的超导电性可制作磁体，应用于电机、高能粒子加速器、磁悬浮运输、受控热核反应、储能等;可制作电力电缆，用于大容量输电(功率可达10000兆瓦);可制作通信电缆和天线，其性能优于常规材料。②利用材料的完全抗磁性可制作无摩擦陀螺仪和轴承。③利用约瑟夫森效应可制作一系列精密测量仪表以及辐射探测器、微波发生器、逻辑元件等。利用约瑟夫森结作计算机的逻辑和存储元件，其运算速度比高性能集成电路的快10～20倍，功耗只有1/4。

超导陶瓷(superconductivity ceramics)具有超导性的陶瓷材料。其主要特性是在一定临界温度下电阻为零即所谓零阻现象。在磁场中其磁感应强度为零，即抗磁现象或称迈斯纳效应(Meissner effect)。高临界温度(90开以上)的超导陶瓷材料组成有YBa₂Cu₃O₇－δ，Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀，Tl₂Ba₂Ca₂Cu₃O₁₀。超导陶瓷在诸如磁悬浮列车、无电阻损耗的输电线路、超导电机、超导探测器、超导天线、悬浮轴承、超导陀螺以及超导计算机等强电和弱电方面有广泛的应用前景。

1973年，人们发现了超导合金——铌锗合金，其临界超导温度为23.2开，该纪录保持了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35开的高温超导性，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40开，液氢的“温度壁垒”(40开)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90开以上，液氮的禁区(77开)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纪录提高到125开。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100开以上，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。