稀土超导体材料

一、稀土超导材料

　　当某种材料在低于某一温度时，出现电阻为零的现象即超导现象，该温度即是临界温度（Tc）。超导体是一种抗磁体，低于临界温度时，超导体排斥任何试图施加于它的磁场，这就是所谓的迈斯纳效应。在超导材料中添加稀土可以使临界温度Tc大大提高，一般可达70～90K，从而使超导材料在价廉易得的液氮中使用，这就大大地推动了超导材料的研制和应用的发展。

　　超导现象是1911年由一位荷兰物理学家首先发现的，当水银温度降低到43K时，水银便失去了电阻。随后超导体的研究开发一直在进行，到1973年，科学家们制得一种铌锗合金，其临界温度是23.3K。1986年发现一些新的超导体，超导研究也因此取得了突破性进展，当时发现一种镧钡铜氧陶瓷，其临界温度为35K。1987年2月又发现YBa2Cu3O7-x高温超导体的临界温度达90K以上，大大超过了氮的沸点（77K）。新型稀土高温材料可以在液氮温度下工作。

二、超导材料主要应用领域

1．基础科学

　　利用超导装置可以正确测量磁场强度，磁通量、电流、电压、电磁能等许多物理量，而且这种仪器分辨能力极高，如超导量子干涉仪可以正确测量人的心磁、脑磁以及地磁。普通超导体的最大应用市场是在低温物理研究领域，首先应用于探测器、焊接设备及粒子加速器。

2．电子工业

　　电子工业有可能是新型超导体的第一个销售市场，在计算机上采用高温超导材料有两大优点：一是它减少了为冷却约瑟夫森装置所需的致冷；二是它通过回忆信号传递速度，改善了具有普通芯片的机器性能。在计算机中大规模应用高温超导薄膜可以加快计算速度。其运算速度比硅器件快1000倍。

　　电路的时间常数取决于电路的电阻和电容。如果没有电阻，时间常数减少到零，电路中的信号传递将会加速。在用半导体芯片的普通计算机里，可用加速元件开关速度的方法提高运行速度。电路可散布在芯片上，以保持冷却，但这样降低了运行速度。因为信号要走的距离长了，而约瑟夫森触点的开关时间仅有10-12秒，几乎没有热量产生。如果全部连线和电阻为零，则可大大减少热与功率的损耗。

3．在发电和电力传输方面

　　在电力工程设施中，如发电机、电动机、变压器、电力传输线及储能系统中，由于线路有电阻，因此会有大量的电损耗并转变为热。由于超导体的电阻为零，YBa2Cu3O7陶瓷超导体的热导率很低，所以，它们在这方面的应用潜力很大。英国的ICI高级材料研究所用YBa2Cu3O7线圈试制了一台发电机，当线圈转数为1500转/分时，发电机可产生2.5V的电压。目前超导体在电力设施中应用的主要问题是载流能力小，在超导体用于工业发电之前，仍需做大量的研究和试验工作。

　　在超导磁储能系统及电磁铁中使用高温超导线圈，会产生更强的磁场，因而会减少磁体的体积和重量，且不需铁芯。超导磁储能系统可以储存非高峰期多余的电能，以便高峰期使用。

　　超导体在能源方面的其他潜在应用领域有磁流体发电、热核发电及磁选机。磁选机除去煤矿中的硫，除去瓷土或矿石中的杂质。

4．超导磁悬浮列车

　　在列车车轮旁边安装小型超导磁体，在列车向前行驶时，超导磁体则向轨道产生强大的磁场，并和安装在轨道两旁的铝环相互作用，产生一种向上浮力，消除车轮与钢轨的摩擦力，起到加快车速的作用。高温超导体在悬浮列车上应用的研究集中在日本。

　　超导在运载上的其他应用可能还有用作轮船动力的超导电机、电磁空间发射工具及飞机悬浮跑道。

5．微波技术

　　微波技术是高温超导材料近期内可能得到重要应用的领域。近几年我国开展了多种超导微波器件的研究，制成的超导滤波器、超导天线、迟延线、振荡器、超导结型混频器等器件都具有国际先进水平。如为适应航天通讯需要研制的4.5GHz的YBCO超导体圆极化微带天线，在77K温度下天线的反射系数为1.5dB，匹配良好，达到航天部超导磁窗项目要求。研制的超导微波带通滤波器，通带宽大于10175±50MHz，插损≤1.2dB，阻带L≥40dB，驻波比≤1.5。超导量子干涉器件是可以测量微弱磁场的器件。“八五”期间重点进行了这种器件的制造并应用于大地磁测量项目。在双晶结、台阶结、台阶边缘结的器件研制方面取得的成果均接近世界先进水平。在与德国合作进行的大地磁测量上，取得较好效果。

6．其它

　　医疗中利用超导体介子发生器可以治疗癌症，利用超导磁体可以治疗脑血管肿瘤。此外，军事上利用超导可以击毁导弹。

三、稀土超导材料的发展状况

　　自1911年昂纳斯首次观察到汞的超导电性以来，有关超导电性的理论、实验和应用都已取得很大成就。然而直至20世纪80年代中期，传统的超导体都必须在极低温下运行，通常的工作物质是液氦（4.2K）。超导材料都是金属及其化合物，如Nb3Sn，其临界温度为18.0K。这使超导材料的广泛应用受到极大的制约。1986年设在瑞士苏黎世的IBM实验室的J. G. Bednorg和K. A. Muller发现一种新型结构的稀土氧化物超导材料-YBa2Cu3O7-x，为提高超导转变温度开拓了新的方向。这一开创性的工作不久就获得了诺贝尔物理学奖，并在国际上掀起高温超导热。我国的赵忠贤院士也在这方面作出了许多贡献。此后高温超导材料不断涌现，超导临界温度很快突破液氮温区（77K），甚至达到130K以上。我国从事该项研究的单位也从全面开花状态过渡到成立国家超导研究中心，有了统一的管理协调，建立了超导国家实验室。我国也组织过多次国际高温超导会议。在应用方面，我国也成功地研制成高温超导丝材，为强电、强磁场应用创造了条件，同时，高温超导薄膜器件的研究也取得重要进展，SQUID器件分辨率已可用于脑磁测量，对心磁测量已作过若干临床试用，并已将此类装置实用于地磁探测。