高温超导体和传统超导体有什么不同?
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发布时间：2022-05-14 17:17
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时间：2023-10-15 22:06
关键词：超导技术 高温超导材料 MgB2 钇钡铜氧复合物 YBCO
一、超导技术的产生与发展
超导技术作为节能的一项新技术及其所具备的环保特性将成为二十一世纪的核心技术。它的发展经历了三个阶段：
1、第一阶段是人们对于超导电性的基本认识、探索以及BCS理论的问世。
1911年，Onnes发现Hg的电阻在4.15K时突降到当时的仪器精度已无法测出的程度，即Hg在一确定的临界温度Tc＝4.15K以下将丧失其电阻。随后，人们在Pb及其它材料中也发现这种特性：在满足临界条件(临界温度Tc、临界电流Ic、I临界磁场Hc)时物质的电阻突然消失，即为超导电性的零电阻现象。超导体的另一个基本特性是完全抗磁性。也就是说超导体在处于超导状态时，可以完全排除磁力线的进入。[2]这个现象是迈斯纳（Meissner）和奥克森费尔德（Oschenfeld）在1933年发现的，所以称做迈斯纳效应。这就是超导体的两个基本特性。1954年贝尔实验室的B．T．Matthias研究组发现了Nb3Sn合金超导材料，使60年代出现了超导的黎明期，但是它需要在很低的温度下（液氦中）才显现超导性。
2、第二阶段从1958到1986年高温氧化物U—Ba—Cu—0被发现之前，这是人类对超导应用技术准备性的探索阶段，于实验室规模上许多国家大力尝试了超导的应用； 1961年J．J.E.Kunzler用过量锡的银、锡混合粉末充填到银管中加工成线材，经热处理后在4.2K，8.8T下Ic达1.5×105A/cm2。此后很长一段时间Tc=23.3K的Nb3Ge被看作是极限值了。
3、第三阶段是1986年发现高温铜氧化物，揭开了人类对超导技术开发的序幕。苏黎世科学家J.G.Bendnorz等人在1986年发现的镧银铜复合氧化物达到30K，突破了传统的BCS理论引起了世界范围的巨大反响。[3]人们又开始寻找更高临界温度的超导材料。随后1987年美国休斯敦大学的朱经武等发现钇钡铜氧复合氧化物（YBCO）超导临界温度（Tc=93K）超过液氮温度（b.p=77K），引起了世界轰动；因为以前实际应用的超导体大多是使用液氦作为冷却剂，液氦的价格很高，这就阻碍了超导技术的应用。而液氮很廉价且容易得到（是氧气制备的副产物）。[4]1988年又有超导转变温度分别为110K和125K的铋-锶-钙-铜-氧和铊-钡-钙-铜-氧超导体被发现。1993年，人们发现了超导临界转变温度为133K的汞-钡-钙-铜-氧。
二、超导高温铜氧化物（YBCO）和二硼化镁（MgB2）的制备与性能
1、现在高温铜氧化物已经是目前研究较多的超导材料，在研究其超导性的同时人们对超导体的制备和加工进行了详细的研究。国外内的研究表明要制得高性能的YBCO，就必须先制备YBCO 纳米粉末获得100 nm左右的超细粉, 这将大大提高YBCO 材料的分散度和均匀性, 从本质上提高YBCO 材料的性能。[4]
YBCO 粉末的制备方法有Sol—Gel 、化学热解法。将Y2O3 (99. 99 %) , BaCO3 (99. 9 %) , CuO(99. 9 %)等混合在辅料的参与下烧结成型使金属达到离子级混合, 燃烧后的氧化物形成均匀的单相，生成颗粒均匀的粉末。这种方法重复性好, 是目前比较简单又有效的制备YBCO 纳米粉技术，然后将纳米粉末压制成型即可得初步的超导体。但YBCO有其自身的缺点：构成氧化物高温超导体的化学元素昂贵，合成的超导材料脆性大，难以加工成线材，使其应用受到极大的局限。
2、应运而生的另一种新型的高温超导材料是二硼化镁。[5]2001年日本青山学院(Aoyama Gakuin) 秋光纯教授(Jun Akimitsu) 在日本仙台召开的“过渡金属氧化物”学术会议上宣布发现了MgB2的高温超导性能,其临界温度Tc = 39 K, 从而轰动了整个超导材料界和凝聚态物理界，又掀起了研究简单化合物超导特性的热潮。它是一种简单的二元化合物，属六方晶系、AlB2 型简单六方结构。秋光纯教授就是将纯度为99.19 %的镁粉与纯度为99 %的无定形硼粉按1∶2的比例混合，压制成小球后在高压氮气中加热反应得到MgB2。也可以利用钛和硼的燃烧反应热引发镁(b.p.650℃)与硼(b.p.2080℃)的燃烧合成反应，在真空中于极短时间内生成MgB2，从而最大程度地抑制了镁的氧化和蒸发，使得MgB2超导材料的生成过程简易化。镁与硼的组成比大致稳定化，并可望提高该材料的超导性能，利用这种方法生产MgB2超导材料的耗时短，可望进一步降低成本。[6]
MgB2是迄今发现的临界温度最高的简单、稳定的金属化合物超导材料,也是一种更有希望实用化的超导材料。对二硼化镁超导体性质的研究进展非常迅速，对二硼化镁超导体机理的认识也不断深化。
理论计算表明，在二硼化镁中有不只一个能带跨越费米面，而且电声耦合所造成的费米面失稳完全可能在两个能带的费米面处产生能隙，这一点是二硼化镁超导体与传统超导体非常不同之处。首先，MgB2超导体在20 K左右的温度和在8万倍于地球磁场的情况下可以承载很大的超导电流而且能耗极低。其次，二硼化镁材料的价格很低，而且远比陶瓷特性的氧化物高温超导体容易加工成型。还有二硼化镁基超导材料的最大特征是：易合成，易加工，具有较好的应用前景。与氧化物高温超导体不同，二硼化镁基超导材料容易制成薄膜或线材。
三、超导体的应用
以上简要介绍了两种重要的超导材料——YBCO和MgB2[7]的制备方法和性能。它们在很多领域已经有了应用，如用超导材料做成磁性极强的超导磁铁、超导体产生的磁场来研究生物体内的结构及用于对人的各种复杂疾病的治疗等。在实用方面，美、日、中等国都不遗余力地开展这方面研究并取得明显成效，现已进入实用化的应用开发研究阶段。
1、超导磁铁磁性的应用[8]
超导磁悬浮列车是超导技术应用最为成功的例子。和常导型磁悬浮列车比较，低温超导型磁悬浮列车有许多优点，其一，超导体可以流过很大的电流，超导磁体的磁场要比常规电磁体的强；其二，超导体几乎没有电阻，损耗极小。一次通入电流用以励磁之后，即可去掉电源，只需维持其低温工作环境以保证它不失超。从长期使用的角度来看，超导磁体的能耗小、成本低，是一种理想的磁体。超导磁体由于其零电阻的特性，在处于超导状态时几乎不产生热，因此在不失超的情况下，通过超导磁体的电流可以很大而又不产生能量消耗，实现强磁场低能耗的要求；其三，重量轻，体积小、污染小、爬坡能力强。
超导磁铁另一重要应用是在核聚变反应堆" 磁封闭体"。[9]核聚变反应时，内部温度高达1亿～2亿℃，没有任何常规材料可以包容这些物质。而超导体产生的强磁场可以作为"磁封闭体"，将热核反应堆中的超高温等离子体包围、约束起来，然后慢慢释放，从而使受控核聚变能源成为本世纪前景广阔的新能源。
2、超导计算机[10]
用超导隧道效应制成的约瑟夫逊器件进行各种高精密仪器的制作成为可能。目前的计算机大多采用半导体技术，硅集成电路技术起了很大的作用，如英特尔和AMD的处理器采用高纯硅。但要想继续提高计算机的性能和计算速度，能量消耗是一个*因素，若在硅集成电路中提高计算速度，必然造成芯片的发热，这些热量会对半导体材料产生不良影响。[10]
超导隧道结（又称约瑟夫逊器件）可以解决这一矛盾。在超导体中，表达有零电压和非零电压两种状态只需要10-10 秒，这样可使计算机运算速度提高一个数量级以上。这样超导计算机在无阻不发热的情况下高效率运行，其运行速度可达到每秒几十亿次。其次它的输出电压高，这意味着它输出的信号强，这一点可以获得更加稳定、更加清晰的图象与数据，使目前使用的电脑在图象质量、清晰度及稳定性方面相形见绌。还有超导计算机功率损耗小，估计一次快速开关期间消耗的能量小于10-13 焦耳，这样使计算机内部几乎不发热，这一点对提高计算机的稳定性和延长计算机芯的寿命都非常重要。可以想象在本世纪，谁先研制出超导技术计算机，谁将主宰计算机行业乃至世界经济。
3、超导在军事领域的应用
用超导高温铜氧化物做成的超导磁场计可分辨10-14 -10-15 特斯拉如此微弱的磁场。它的测量精度比其它普通电磁仪器高3- 4个数量级，因此它可以测量极弱的磁场及磁场的微小的变化，可以用它来测量地雷和水雷，使测量的准确性大大提高。另外，我们在水雷上可安装超导磁强计作为追踪器。军事上把这种水雷称为超导磁性水雷，它的命中率将远远高于其它水雷。在国防上也可以用超导磁强计来探测沿海的各种船只，特别是潜艇的动向，当潜艇靠近海岸时，破坏了地磁分布，这时超导磁强计可立即显示磁场的变化，这个反潜方法比其它方法准确得多，一是测量精度高，二是这种方法是被动的 ，它能发现潜艇而潜艇不能发现它。
现在美、英等国已将性能优越的超导电机作为舰船电力推动的理想动力设备，分别投入了大量的精力进行开发研究，成功进行了2200KW和1000KW超导单机直流电推进系统的实船试验，同时进行了30MW和50MW的大容量超导单机在大型驱逐舰和破冰船上详细设计。超导体应用于舰船，最大的优点是大幅度提高功率密度减小电机重量，减小动力设备所占空间可以用来多放置其他战斗设备，提高战斗的机动性和能力。[11]另外超导电机发出的电压不含谐波，不会被其他船只或潜艇发觉。
超导材料在其他方面还有很广泛的应用，如超导储能磁体的开发与应用、带有超导磁体的同步加速器、超导核磁共振层析成像仪等。
四、总结
2001年世界银行的国际超导工业峰会上预测，到2020年世界超导产品的销售总额将达2440亿美元。超导材料如果能够进一步在常温实现突破，那么它所带来的影响不亚于另一场工业*。[12]无机化学现在面临的一个任务就是寻求常温超导体，在常温下实现超导。有理由相信在未来的几十年里，超导材料不仅是解决能源危机的重要手段，使可控核聚变成为新的干净的能源同时极大地减少原来因导体的电阻而损失的电能。[13]同时超导材料是新型技术、新兴学科产生和发展的平台。可以说，超导体将会深刻地影响和改变我们生活。
参考文献：
[1]、超导材料实用化50年的回顾 稀有金属快报 2003年，1： 10
[2]、任清褒，朱维好超导电性及其应用的研究现状和前景 JOUBNAIJ 0F IJISHUI TEACHEBS COIJIJEGE 2002年10月 Oct．2002（8）： 30
[3]、缪蕊平1 , 齐秀贞1 , 赵勇2 Journal of Fuzhou University(Natural Science) Vol. 33 No. 1 Feb. 2005 ： 94-99
[4]、朱文详 中级无机 高等教育出版社 2004 265-268
[5]、黄勇 刘心宇 曾中明 MgB2基超导材料研究进展 2002，25（1）： 31-36
[6]、王淑芳 周岳亮 朱亚斌 刘震 张芹 陈正豪 吕惠宾 杨国板 化学气相沉积制备MgB2超导薄膜 低温物理学报 2003，25增刊： 230-233
[7]、王梅，徐志杰，苏希玉 硼化镁超导体的掺杂性质 曲阜师大学报 2003， 26（2）：52-54
[8]、汪京荣 吴晓祖 周廉 高温超导磁悬浮与飞轮储能 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. ：226-233
[9]、比尔·李 超导技术及其应用 新科技启蒙 2005
[10]、高 温 超 导 云电英纳超导电缆网 2004
[11]、唐绍栋 高温超导交流同步电动机 船电技术 2004， 1： 4-9
[12]、白杉 2l世纪电力最重要的节能树料 能源通讯 2002，2：10
[13]、 吴欧 2003诺贝尔物理学得主 ——无阻之流 南方网综合
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一般超导体要求温度零下摄氏180度以下。
而高温超导体要求温度则比较高大该略高于零下100摄氏度。
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