超导的发展回顾及其未来展望

摘要：本文着重介绍了超导的技术简介和超导材料的分类，分析了各种超导材料的优劣性，并针对超导技术目前存在的问题及应用前景进行了分析，对超导未来的发展情况进行了预测与展望。

关键词：超导材料，高温超导

1． 超导的发展历史及原理简介

1911年，卡莫林·昂纳斯在研究水银的低温电阻随温度的变化时发现水银的电阻在T=4.2K附近时突然降到了零。昂纳斯把这种电阻突然消失的状态称之为超导态。此后，他又发现其他许多金属也具有超导现象，并把这种能随温度降低而进入超导态的材料叫做超导材料，也叫做超导体。由此拉开了人们研究超导态及超导材料的序幕。

此后人们针对超导态的产生原因进行了一系列研究，卡末林·昂内斯，霍尔姆，迈斯纳，奥森菲尔德，弗茹里赫等众多科学家先后提出了重要的理论来试图解决超导态出现的原因。但是直到1950年美国伊利诺斯大学的巴丁、库柏和斯里弗提出超导电量子理论的才真正成功解释了超导现象，他们认为：在超导态金属中电子以晶格波为媒介相互吸引而形成电子对，无数电子对相互重叠又常常互换搭配对象形成一个整体，电子对作为一个整体的流动产生了超导电流。由于拆开电子对需要一定能量，因此超导体中基态和激发态之间存在能量差，即能隙。这一重要的理论预言了电子对能隙的存在，被科学家界称作“巴库斯理论”。这一理论的提出标志着超导理论的正式建立，从而使超导研究进入了一个新的阶段。现今超导已被更好地完善并越来越多地利用到人们的现实生活中，例如超导列车，高温超导输电电缆，超导船等都渐渐走入我们的视野并开始扮演着越来越重要的角色。 2． 超导材料的简单分类

我们已经知道许多材料在达到一定条件时都可达到超导态，但是其达到超导态的具体条件确是各不相同的因此需要对超导材料进行具体的分类。比如可以将超导材料按其化学成分分为元素材料、合金材料、化合物材料和超导陶瓷四种。

在元素周期表中，常压下具有超导电性的就有26个，如：Pb、In、Sn、Al、Nb、

V、Ta等，有的元素在常压下不能成为超导体，但在高压下就能进入超导态，如：Ge、Si

等。

除此之外，还有一些金属元素的合金，化合物也能呈现超导电性，称之为合金超导体和化合物超导体。超导合金以PbIn、NbTi为代表，超导化合物以Nb3Sn、V3Ga为代表。他们的Tc见表1.1。

材料名称 Tc（K） 9.5 11 3.4-7.3 8.5 14.7 材料名称 Tc（K) 18.1 18.8 23.2 16.8 17 NbTi Nb3Sn Nb3Al Nb3Ge V3Ga NbZr PbIn PbBi PbMo6S8 NbN 表1.1超导合金和超导化合物的转变温度

迄今为止，具有超导性的元素、化合物已有数千种。特别是近20年来，高温氧化物超导体的发现，有使超导体的类属增加了成千上万个，表1. 2列出了一些主要的高温氧化物超导体及其Tc。 材料名称 La2xSrxCuO4 YBa2Cu3O7 90 Bi2Sr2CaCu2O8 85 Bi2Sr2Ca2Cu3O10 110 Tc (K) 材料名称 40 Nd2xCexCuO4 Ba1xKxBiO3 Tl2Ba2Ca2Cu3O10 HgBa2Ca2Cu3O10 125 136 Tc (K) 20 30 表1.2高温氧化物超导体的转变温度

另外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Tc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。 3． 超导材料的应用现状

超导材料有着许多其他材料所以难以匹及的优越性，所以自他被发现之日起，人们就在不断研究如何将其最好应用到实际生活中。到目前为止，超导材料的应用主要有： ① 利用超导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；可制作通信电缆和天线，其性能优于常规材料。

② 利用超导材料的完全抗磁性可制作无摩擦陀螺仪和轴承。

③ 利用超导材料的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，而功耗却只有其四分之一。

现阶段超导体的广泛应用要解决材料在技术方面的很多问题。在材料方面，要求超导体应有较高的临界温度和临界电流。其安全稳定性要考虑，而提高超导材料的超导转变温度是超导材料得以广泛应用的基本前提，临界电流的提高也是至关重要的。

超导体本身也存在一些弱点。如强烈的各向异性，短的相干长度，不均匀性等等。现代在液氢温区大规模应用超导体还需要努力，进一步发展制备工艺。 4． 高温超导的技术简介

高温超导是相对于常规的超导材料而言，其达到超导态温度比较高。

人们提出疑问，临界温度一直在十几 K、二十几K。对于这么低的临界温度超导材料的应用价值何在？能否有更高的临界温度？能否在常温下就有超导现象产生？由此诞生了高温超导的概念。 1986 年 10 月，柏诺兹等人提出了他们在 Ba-La-Cu-O 系统中获得了Tc为 33K 左右的报道。同年 12 月 15 日，休斯顿大学报告了在处于压力下的 La-Ba-Cu-O 化合物体系中获得 40.2K的超导转变。同年 12 月 26 日，中科院物理研究所宣布，他们成功地获得转变温度 48.6K 的超导材料。到 1987 年 2 月 16 日。朱经武的试验小组在 92K 处观察到了超导转变。同年 2 月 24 日，中科院物理研究所赵忠贤领导的研究集体宣布，液氮温区超导体起始转变温度在 100K 左右。这时期超导临界温度突破液氮沸点 77K大关，对人类具有划时代的意义。

结语：超导技术毫无疑问将成为 21 世纪的宠儿，而超导材料也将深入千家万户。超导技术的发展、应用和普及将会在世界能源方面发挥不朽的作用，将会为世界每年免去不必要的边缘耗散。如果能用上超导材料，那每年消耗的能量将不可估量。如果这些能量被合理地利用起来对人类的发展不可谓不大，或者每年为这些能量的耗散而投入的不必要的资金，用于资助那些苦难的、急需救助的国家与人民，那意义不可谓不大。超导材料的普及必将是一场材料大革命，其意义并不会亚于其他科技革命。

摘要：

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③ 电动力学，郭硕鸿，高等教育出版社，2004