高温超导材料

高温超导材料

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超导材料的性质及应用

陈少荣3软三

摘要超导是金属或合金在较低温度下电阻变为零的性质。自从超导发现至今，超导的研

究和超导材料的研制已迅速发展，超导材料的物质结构及性质已逐渐研究清楚，超导的临界

温度已从开始的几开升至一百多开，超导材料得到广泛应用，特别是高温超导材料的广泛应

用将会给社会带来的巨大变革。

关键词：超导体高温低温应用

一前言

超导是超导电性的简称，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。自超导发现至今，超导的研究

和超导材料的研制已迅速发展，超导的临界温度已从开始的几开升至几十开甚至

一百多开；而且超导材料的物质结构及性质已逐渐研究清楚。以液态氮温度下低

温超导材料的研究与发展获得了成功，且已实现商品化，在医疗、电子输送、运

输等方面获得应用；高温超导材料的发现，是最近几十年来物理学及材料科

学领域中的重大突破之一，已引起全世界广泛关注，各国众多科学工作者

参与超导的研究与发展工作，人们将会很快感受到它给社会带来的巨大变

革。

二超导材料特性

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”已多次在实验中观察到。超导现象是20世纪的重大发明之一。

科学家发现某物质在温度很低时，如铅在7.20K（-265.95摄氏度）以下，

电阻就变成了零。

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。

约瑟夫森效应

两超导材料之间有一薄绝缘层（厚度约1nm）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。

同位素效应

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。

3.超导材料及应用

3.1低温超导材料

具有低临界转变温度（T

C

＜30K＝在液氦温度条件下工作)的超导材料，分为

金属、合金和化合物。具有实用价值的低温超导金属是Nb(铌)，T

C

为9.3K已制

成薄膜材料用于弱电领域。合金系低温超导材料是以Nb为基的二元或三元合金

组成的β相固溶体，T

C

在9K以上。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（710T）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。

三高温超导材料

具有高临界转变温度(T

C

>77K)在液氮温度条件下工作的超导材料,主要为多

元系氧化物，高温氧化物超导体的出现，突破了温度壁垒，把超导应用的温度从

液氦提高到了液氮（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

相当高的上临界场（Hc2（4K）＞50T），能够用来产生20T以上的强磁场，这正

好克服了常规低温超导材料的不足之处。高温超导材料用途非常广泛，大致可分

三大类：大电流应用、电子学应用和抗磁性应用。大电流应用是由于超导材具有

零电阻和完全的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就可以获得的稳定强磁场，

可用于制交流超导发电机，利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场提高到5万～6

万高斯并没有能量损失，且单机发电容量比常规发电机提高5～10倍达1兆瓦，而

体积却减少1/2，整机重量减轻1/3，发电效率提高50%；可用于磁流发电机，利

用高温导电性气体作导体，并高速通过5万～6万高斯强磁场而发电，而且这种发

电机具有结构简单和高温导电性气体可重复利用的优点；可利用超导输电线路，

利用超导导线和变压器可以几乎无损耗地输送电能，据统计，按目前情况，如果

将铜或铝导改为超导体，光是在中国节省电能相当于新建数十个大型发电厂。超

导材料在这些方面的应用是最诱人的。电子学应用包括超导计算机、超导天线、

超导微波器件等;抗磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。目前，超

导材料仍处于试验研究阶段。但人们相信，随着超导材料临界温度的提高和材料

加工技术的发展，它将会在许多高科技领域获得重要应用。