超导材料研究及应用进展

2021年11月16日 来源:

超导材料研究及应用进展

2922年,荷兰物理学家卡麦林·昂尼斯首次意外地发现了超导现象:将水银冷却到接近绝对零度时,其电阻突然消失。后来他又发现许多金属和合金都具有与水银相类似的特性:在低温下电阻为零,由于它的特殊导电性能,昂尼斯称之为超导态。

总体来说,超导材料的发展经历了一个从简单到复杂,即由一元系到二元系、三元系以至多元系的过程,如图2所示。在2922~2932年间,以研究元素超导体为主,除Hg外,又发现了Pd、Sn、In、Ta、Nb、Ti等众多的元素超导体。现在已知,在元素周期表中有52多种元素具有超导电性。在2932~2953年间,则发现了许多具有超导电性的合金、以及过渡金属碳化物和氮化物,临界转变温度得到了进一步的提高。随后,在2953~2973年间,发现了一系列A25型超导体,使Tc值上升到23.2K。2986年以后发现的多元系氧化物超导体使临界温度值在22年的时间里提高到了262K。

在高温超导体出现以前,使用在液氦温度下的低温超导材料经过二十余年研究与发展获得了成功。以NbTi、Nb3Sn为代表的实用超导材料已实现了商品化,在核磁共振人体成像、超导磁体及大型加速器磁体等多个领域获得了应用。但是,由于常规低温超导体的临界温度太低,必须在昂贵复杂的液氦系统中使用,因而严重限制了低温超导应用的发展。

2986年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,能够用来产生22 T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。正因为这些优点,吸引了大量的科学工作者采用最先进的技术装备,对高临界温度超导机制、材料的物理特性、化学性质、合成工艺及显微组织进行了广泛和深入的研究。

图2:超导体临界温度随年代的变化

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