第一篇：超導(dǎo)材料應(yīng)用與制備概況

超導(dǎo)材料制備與應(yīng)用概述

摘要：新型超導(dǎo)材料一直是人類追求的目標(biāo)。本文主要從超導(dǎo)材料的性質(zhì)，制備，應(yīng)用等方面探索超導(dǎo)材料科學(xué)的發(fā)展概況。隨著高溫超導(dǎo)材料制備方法的不斷成熟，超導(dǎo)材料將越來(lái)越多的應(yīng)用于尖端技術(shù)中去，超導(dǎo)材料的應(yīng)用將給電工技術(shù)帶來(lái)質(zhì)的飛躍，因此，超導(dǎo)材料技術(shù)有著重大的應(yīng)用發(fā)展?jié)摿Γ山鉀Q未來(lái)能源，交通，醫(yī)療和國(guó)防事業(yè)中的重要問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：超導(dǎo)材料 強(qiáng)電應(yīng)用 弱電應(yīng)用 超導(dǎo)制備 1.引言

1911年荷蘭科學(xué)家onnes發(fā)現(xiàn)純水銀在4.2K附近電阻突然消失，接著發(fā)現(xiàn)其他一些金屬也有這樣的現(xiàn)象，隨著人們?cè)赑b和其它材料中也發(fā)現(xiàn)這種性質(zhì)：在滿足臨界條件（臨界溫度Tc，臨界電流Ic，臨界磁場(chǎng)Hc）時(shí)物質(zhì)的電阻突然消失，這種現(xiàn)象稱為超導(dǎo)電性的零電阻現(xiàn)象。只是直流電情況下才有零電阻現(xiàn)象，這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)開拓了一個(gè)嶄新的物理領(lǐng)域。

超導(dǎo)材料具有1）零電阻性2）完全抗磁效應(yīng)3）Josephson效應(yīng)。這些性質(zhì)的研究與應(yīng)用使得超導(dǎo)材料的性能不斷優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)臨界溫度也越來(lái)越高。一旦室溫超導(dǎo)達(dá)到實(shí)用化、工業(yè)化，將對(duì)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

2.超導(dǎo)材料主要制備技術(shù)

控制和操縱有序結(jié)晶需要充分了解原子尺度的超導(dǎo)相性能。有序、高質(zhì)量晶體的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度較高 ,晶體質(zhì)量往往強(qiáng)烈依賴于合成技術(shù)和條件。目前，常用作制備超導(dǎo)材料的技術(shù)主要有： 2.1.1單晶生長(zhǎng)技術(shù)

新超導(dǎo)化合物單晶樣品有多種生長(zhǎng)方法。溶液生長(zhǎng)和氣相傳輸生長(zhǎng)法是制備從金屬間氧化物到有機(jī)物各類超導(dǎo)體的強(qiáng)有力工具。溶液生長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)就是其多功能性和生長(zhǎng)速度 ,可制備出高純凈度和鑲嵌式樣品。但是 ,它并不能生產(chǎn)出固定中子散射實(shí)驗(yàn)所需的立方厘米大小的樣品。浮動(dòng)熔區(qū)法常用來(lái)制備大尺寸的樣品 ,但局限于已知的材料。這種技術(shù)是近幾年出現(xiàn)的一些超導(dǎo)氧化物單晶生長(zhǎng)的主要技術(shù)。這種技術(shù)使La2-xSr xCuO4晶體生長(zhǎng)得到改善 ,允許對(duì)從未摻雜到高度摻雜各種情況下的細(xì)微結(jié)構(gòu)和磁性性能進(jìn)行細(xì)致研究。在T1Ba 2Ca2Cu3O9+d 和Bi2Sr2CaCu2O8中 ,有可能削弱無(wú)序的影響從而提高臨界轉(zhuǎn)變溫度。最近汞基化合物在晶體生長(zhǎng)尺寸上取得的進(jìn)展 ,使晶體尺寸較先前的紀(jì)錄高出了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。但應(yīng)該指出的是即使是高 Tc的化合物 ,利用溶液生長(zhǎng)技術(shù)也可制備出高純度的YBCO等單晶。

2.1.2高質(zhì)量薄膜技術(shù)

目前 ,薄膜超導(dǎo)體技術(shù)包括活性分子束外延(MBE)、濺射、化學(xué)氣相沉積和脈沖激光沉積等。MBE能制造出足以與單個(gè)晶體性能相媲美的外延超導(dǎo)薄膜。在晶格匹配的單晶襯底上生長(zhǎng)的外延高溫超導(dǎo)薄膜 ,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于這些材料物理性質(zhì)的基礎(chǔ)研究中。在許多實(shí)驗(yàn)中薄膜的幾何性質(zhì)擁有它的優(yōu)勢(shì) ,如可用光刻技術(shù)在薄膜上刻畫細(xì)微的特征;具備合成定制的多層結(jié)構(gòu)或超晶格的潛能。

在過(guò)去的 20年里 ,多種高溫超導(dǎo)薄膜生長(zhǎng)技術(shù)快速發(fā)展。有些技術(shù)已經(jīng)適用于其它超導(dǎo)體的制備。目前所使用主要方法有濺射和激光燒蝕（脈沖激光沉積）。類似分子束外延這種先進(jìn)薄膜生長(zhǎng)技術(shù)也已經(jīng)發(fā)展得很好。臭氧或氧原子用來(lái)實(shí)現(xiàn)超高真空條件下的充分氧化。這使得生長(zhǎng)的單晶薄膜的性能已接近乃至超過(guò)塊狀晶體。如 LSCO單晶薄膜的 T =51.5 K,比塊狀晶體（Tc <40 K）要高 ,外延應(yīng)力是產(chǎn)生這種強(qiáng)化現(xiàn)象的部分原因。

3.超導(dǎo)材料制備的新探索

發(fā)現(xiàn)新型超導(dǎo)體最直接的方法是研究相空間并實(shí)施一系列系統(tǒng)探索來(lái)發(fā)現(xiàn)新的化合物 ,可通過(guò)鑒別成分空間中有希望的區(qū)域和快速檢測(cè)該區(qū)域盡可能多的化合物的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)這樣的研究,在 20世紀(jì)50到 60年代產(chǎn)出了很多金屬間超導(dǎo)體 ,這些超導(dǎo)體還需要在三相或更高相空間中再繼續(xù)研究。此外 ,繼續(xù)尋找異常形態(tài)的超導(dǎo)材料也是很重要的。3.1先進(jìn)合成與摻雜技術(shù)

3.1.1極端條件下的合成技術(shù)

經(jīng)驗(yàn)上講 ,超導(dǎo)性常常表現(xiàn)得和結(jié)構(gòu)上的相轉(zhuǎn)變聯(lián)系緊密;事實(shí)上 ,有許多超導(dǎo)體是亞穩(wěn)態(tài) ,需要在高溫高壓下合成。此外 ,合成新化合物所需的許多元素具有非常高的揮發(fā)性活性和難熔性 如 Li、B、C、Mg、P、S、Se、Te ,而且要在非常特殊的環(huán)境下才能成功合成。大尺寸單晶生長(zhǎng)技術(shù) ,特別是用于固定中子散射實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵材料的合成技術(shù)應(yīng)進(jìn)一步發(fā)展。

3.1.2合成與表征組合技術(shù)

對(duì)新型超導(dǎo)化合物的系統(tǒng)性組合探索可基于薄膜沉積技術(shù)。一種方法是利用掩膜技術(shù)制備微小均質(zhì)區(qū)域。利用連續(xù)相涂敷法(Continuousphase spread method)以及使用多種源或靶材在襯底上形成不同的薄膜成分。磁場(chǎng)調(diào)制光譜(Magnetic Field Modulated Spectroscopy),MFMS ,是一種非常敏感而快速的超導(dǎo)檢測(cè)技術(shù) ,可用于高產(chǎn)量的表征方法。合成與表征組合技術(shù)需要進(jìn)一步完善,以在更大范圍內(nèi)應(yīng)用來(lái)尋求具有理想性能的新型超導(dǎo)體。3.1.3原子層工程、人造超晶格技術(shù)

薄膜沉積技術(shù)的迅速發(fā)展為化學(xué)和材料科學(xué)突破體相平衡的限制提供了機(jī)遇。拓展相界、獲得新亞穩(wěn)態(tài)和微結(jié)構(gòu)、創(chuàng)造多層結(jié)構(gòu)、施加大的面內(nèi)應(yīng)力以及獲得不同排列體系間的平滑界面都因此成為可能。單晶多層結(jié)構(gòu)使材料具有不同的界面性能 ,不會(huì)受到污染物的干擾。在界面處各種電荷移動(dòng)和自旋態(tài)的相互影響會(huì)產(chǎn)生新電子結(jié)構(gòu)。與界面原子層工程一樣 ,改變相鄰絕緣體的組成和結(jié)構(gòu) ,為利用外延應(yīng)力和穩(wěn)定性來(lái)調(diào)整界面結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)性提供了多種可能。3.1.4場(chǎng)效應(yīng)摻雜和光摻雜技術(shù)

化學(xué)摻雜是在銅酸鹽等化合物超導(dǎo)體中實(shí)現(xiàn)金屬和超導(dǎo)態(tài)所必需的 ,但它的缺點(diǎn)是會(huì)同時(shí)產(chǎn)生無(wú)序狀態(tài)。這種無(wú)序狀態(tài)不僅使人難以區(qū)分內(nèi)在和外在特性 ,而且實(shí)際上還削弱了超導(dǎo)性能。此外 ,在多數(shù)情況下化學(xué)摻雜量是不可調(diào)的 ,每種組成都需要一個(gè)單獨(dú)的樣品。場(chǎng)效應(yīng)摻雜和光摻雜通過(guò)外加強(qiáng)電場(chǎng)或強(qiáng)光照射引入電荷載體 ,從而避免了這些弊端。使用這兩種摻雜 ,可連續(xù)地調(diào)節(jié)單個(gè)樣品的摻雜量而不會(huì)誘發(fā)化學(xué)無(wú)序狀態(tài)。這一方法在從配合物中尋找新的超導(dǎo)體方面有很大的潛力。3.2 納米尺度超導(dǎo)材料

新型超導(dǎo)體的設(shè)計(jì)和研究面臨挑戰(zhàn)是難以控制的化學(xué)合成工藝參數(shù)。最有希望發(fā)展的就是可控制的納米新型高溫超導(dǎo)材料。開發(fā)新的納米尺度的高溫超導(dǎo)體 ,可增進(jìn)機(jī)械穩(wěn)定性、耐化學(xué)腐蝕性等。雖然這些性能已單獨(dú)得到證明 ,但把它們?nèi)亢铣芍羻我坏牟牧掀骷蛳到y(tǒng)中仍是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。在高溫超導(dǎo)材料中 ,很多基本長(zhǎng)度尺寸是處于納米量級(jí)的(如單晶疇)大小、相干長(zhǎng)度等 ,因此關(guān)于納米尺寸結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)性研究對(duì)幫助人們了解微觀機(jī)制具有相當(dāng)?shù)闹匾浴?.3 超導(dǎo)材料制備相關(guān)問(wèn)題

塊體樣品、單晶方面的關(guān)鍵性公開問(wèn)題包括:提高各種有機(jī)超導(dǎo)、重費(fèi)密子超導(dǎo)等非常規(guī)超導(dǎo)體樣品的純度;了解和消除樣品的依賴性;了解和控制缺陷、雜質(zhì)及無(wú)序?qū)悠返挠绊?改進(jìn)各類材料的 Jc、Hc2和 Tc以及大尺寸單晶生長(zhǎng)問(wèn)題。要處理好這些問(wèn)題 ,要改進(jìn)現(xiàn)有的晶體生長(zhǎng)技術(shù)并創(chuàng)造新的技術(shù)。新的助熔劑、輸運(yùn)劑以及新的溫度、溫度梯度、成核控制方法將提高人們對(duì)樣品的大小、品質(zhì)和可重復(fù)性的控制能力。對(duì)于各類超導(dǎo)薄膜 ,最基本的問(wèn)題是襯底表面的制備以及對(duì)薄膜生長(zhǎng)的影響 ,對(duì)這些問(wèn)題的深入了解將使薄膜沉積條件具有更好的可重復(fù)性 ,對(duì)薄膜的合成控制更加優(yōu)良。隨著越來(lái)越多的超導(dǎo)化合物被引入薄膜材料的范疇 ,人們需要進(jìn)一步改進(jìn)薄膜的合成和表征技術(shù)。在薄膜的成核、生長(zhǎng)和界面方面 ,應(yīng)實(shí)現(xiàn)原子級(jí)的控制 ,最終目標(biāo)是在如絕緣-超導(dǎo)這種多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)中制造出潔凈的界面。4.超導(dǎo)材料的應(yīng)用

4.1強(qiáng)電應(yīng)用 4.1.1 超導(dǎo)輸電電纜

我國(guó)電力資源和負(fù)荷分布不均,因此長(zhǎng)距離、低損耗的輸電技術(shù)顯得十分迫切。超導(dǎo)材料由于其零電阻特性以及比常規(guī)導(dǎo)體高得多的載流能力,可以輸送極大的電流和功率而沒有電功率損耗。超導(dǎo)輸電可以達(dá)到單回路輸送GVA級(jí)巨大容量的電力,在短距離、大容量、重負(fù)載的傳輸時(shí),超導(dǎo)輸電具有更大的優(yōu)勢(shì)。低溫超導(dǎo)材料應(yīng)用時(shí)需要液氦作為冷卻劑,液氦的價(jià)格很高,這就使低溫超導(dǎo)電纜喪失了工業(yè)化應(yīng)用的可行性。若使用高溫超導(dǎo)材料作為導(dǎo)電線芯制造成超導(dǎo)電纜,就可以在液氮的冷卻下無(wú)電阻地傳送電能。高溫超導(dǎo)電纜的出現(xiàn)使超導(dǎo)技術(shù)在電力電纜方面的工業(yè)應(yīng)用成為可能。目前,市場(chǎng)上可以得到并可用來(lái)制造高溫超導(dǎo)電纜的材料主要是銀包套鉍系多芯高溫超導(dǎo)帶材,其臨界工程電流密度大于10kA/cm2。高溫超導(dǎo)電纜以其尺寸較小、損耗低、傳輸容量大的優(yōu)勢(shì),可用于地下電纜工程改造,以高溫超導(dǎo)電纜取代現(xiàn)有的常導(dǎo)電纜,可增加傳輸容量。高溫超導(dǎo)電纜另一重要應(yīng)用場(chǎng)合是可在比常導(dǎo)電纜較低的運(yùn)行電壓下將巨大的電能傳輸進(jìn)入城市負(fù)荷中心。由于交流損耗的緣故,利用高溫超導(dǎo)材料制備直流電纜比制備交流電纜更具優(yōu)勢(shì)。利用超導(dǎo)技術(shù),通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)用的直流傳輸電纜和有效的匹配系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能低壓大容量直流電力輸系統(tǒng)。

圖1 CD高溫超導(dǎo)電纜示意圖

美國(guó)是最早發(fā)展高溫超導(dǎo)電纜技術(shù)的國(guó)家。1999年底,美國(guó)outhwire公司、橡樹嶺國(guó)家試驗(yàn)室、美國(guó)能源部和IGC公司聯(lián)合開發(fā)研制了長(zhǎng)度為30m、三相、12.5kV/1.26kA的冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜,并于2000年在電網(wǎng)試運(yùn)行,向高溫超導(dǎo)技術(shù)實(shí)用化邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。目前,世界上報(bào)道的能制備百米量級(jí)長(zhǎng)度的超導(dǎo)電纜僅有日本和美國(guó)。在歐洲如法國(guó)、瑞典的電力公司有十米量級(jí)的超導(dǎo)電纜計(jì)劃。

4.1.2超導(dǎo)變壓器

超導(dǎo)變壓器一般都采用與常規(guī)變壓器一樣的鐵芯結(jié)構(gòu),僅高、低壓繞組采用超導(dǎo)繞組。超導(dǎo)繞組置于非金屬低溫容器中,以減少渦流損耗。變壓器鐵芯一般仍處在室溫條件下。超導(dǎo)變壓器具有損耗低、體積小,效率高(可達(dá)99%以上)、極限單機(jī)容量大、長(zhǎng)時(shí)過(guò)載能力強(qiáng)(可達(dá)到額定功率的2倍左右)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)由于采用高阻值的基底材料,因此具有一定的限制故障電流作用。一般而言,超導(dǎo)變壓器的重量(鐵芯和導(dǎo)線)僅為常規(guī)變壓器的40%甚至更小,特別是當(dāng)變壓器的容量超過(guò)300MVA時(shí),這種優(yōu)越性將更為明顯。圖2為美國(guó)Waukesha公司在1997年就研制了1MVA的超導(dǎo)變壓器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖 2超導(dǎo)變壓器結(jié)構(gòu)示意圖 4.1.3超導(dǎo)儲(chǔ)能

人類對(duì)電力網(wǎng)總輸出功率的要求是不平衡的。即使一天之內(nèi) ,也不均勻。利用超導(dǎo)體 ,可制成高效儲(chǔ)能設(shè)備。由于超導(dǎo)體可以達(dá)到非常高的能量密度 ,可以無(wú)損耗貯存巨大的電能。這種裝置把輸電網(wǎng)絡(luò)中用電低峰時(shí)多余的電力儲(chǔ)存起來(lái) ,在用電高峰時(shí)釋放出來(lái) ,解決用電不平衡的矛盾。美國(guó)已設(shè)計(jì)出一種大型超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng) ,可儲(chǔ)存5000 兆瓦小時(shí)的巨大電能 ,充放電功率為 1000 兆瓦 ,轉(zhuǎn)換時(shí)間為幾分之一秒 ,效率達(dá) 98 %,它可直接與電力網(wǎng)相連接 ,根據(jù)電力供應(yīng)和用電負(fù)荷情況從線圈內(nèi)輸出 ,不必經(jīng)過(guò)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程。

圖3 超導(dǎo)儲(chǔ)能器一次系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

4.1.4超導(dǎo)電機(jī)

在大型發(fā)電機(jī)或電動(dòng)機(jī)中 ,一旦由超導(dǎo)體取代銅材則可望實(shí)現(xiàn)電阻損耗極小的大功率傳輸。在高強(qiáng)度磁場(chǎng)下 ,超導(dǎo)體的電流密度超過(guò)銅的電流密度 ,這表明超導(dǎo)電機(jī)單機(jī)輸出功率可以大大增加。在同樣的電機(jī)輸出功率下 ,電機(jī)重量可以大大下降。美國(guó)率先制成 3000 馬力的超導(dǎo)電機(jī) ,我國(guó)科學(xué)家在20 世紀(jì) 80 年代末已經(jīng)制成了超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的模型實(shí)驗(yàn)機(jī)。

圖4 兩種發(fā)電機(jī)尺寸的比較

4.1.5超導(dǎo)故障限流器

超導(dǎo)故障電流限制器(簡(jiǎn)稱SFCL)主要是利用超導(dǎo)體在一定條件下發(fā)生的超導(dǎo)態(tài)/正常態(tài)轉(zhuǎn)變,快速而有效地限制電力系統(tǒng)中短路故障電流的一種電力設(shè)備。該設(shè)想是在上世紀(jì)70年代提出的,到1983年法國(guó)阿爾斯通公司研制出交流金屬系超導(dǎo)線后,各研究機(jī)構(gòu)才開始著手開發(fā)SFCL產(chǎn)品?，F(xiàn)已有中壓級(jí)樣品掛網(wǎng)運(yùn)行,國(guó)外樂(lè)觀估計(jì)可望在10年或更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)開始投入市場(chǎng)。

圖5感應(yīng)屏蔽型超導(dǎo)故障電流限制器原理圖

用超導(dǎo)材料制成的限流器有許多優(yōu)點(diǎn):1）它的動(dòng)作時(shí)間快,大約幾十微妙;2）減少故障電流，可將故障電流限制在系統(tǒng)額定電流兩倍左右,比常規(guī)斷路器開斷電流小一個(gè)數(shù)量級(jí);3）低的額定損耗;4）可靠性高 ,它是一類“永久的超保險(xiǎn)絲”;5）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ,價(jià)格低廉。4.2弱電應(yīng)用

4.2.1無(wú)損檢測(cè)

無(wú)損檢測(cè)是一種應(yīng)用范圍很廣的探測(cè)技術(shù) ,其工作方式有;超聲探測(cè)、X光探測(cè)及渦流檢測(cè)技術(shù)等。SQUID 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在此基礎(chǔ)上

發(fā)展起來(lái)。SQUID 磁強(qiáng)計(jì)的磁場(chǎng)靈敏度已優(yōu)于100ft ,完全可以用于無(wú)損檢測(cè)。由于 SQUID 能在大的均勻場(chǎng)中探測(cè)到場(chǎng)的微小變化 ,增加了探測(cè)的深度 ,提高了分辨率 ,能對(duì)多層合金導(dǎo)體材料的內(nèi)部缺陷和腐蝕進(jìn)行探測(cè)和確定 ,這是其他探測(cè)手段所無(wú)法辦到的。工業(yè)上用于探測(cè)導(dǎo)體材料的缺陷、內(nèi)部的腐蝕等 ,軍事上可能于水雷和水下潛艇等的探測(cè)。4.2.2超導(dǎo)微波器件在移動(dòng)通信中的應(yīng)用

移動(dòng)通信業(yè)蓬勃發(fā)展的同時(shí) ,也帶來(lái)了嚴(yán)重的信號(hào)干擾 ,頻率資源緊張 ,系統(tǒng)容量不足 ,數(shù)據(jù)傳輸速率受限制等諸多難題。高溫超導(dǎo)移動(dòng)通信子系統(tǒng)在這一背景下應(yīng)運(yùn)而生 ,它由高溫超導(dǎo)濾波器、低噪聲前置放大器以及微型制冷機(jī)組成。高溫超導(dǎo)子系統(tǒng)給移動(dòng)通信系統(tǒng)帶來(lái)的好處可以歸納為以下幾個(gè)方面: 1）提高了基站接收機(jī)的抗干擾的能力;2）可以充分利用頻率資源 ,擴(kuò)大基站能量;3）減少了輸入信號(hào)的損耗 ,提高了基站系統(tǒng)的靈敏度 ,從而擴(kuò)大了基站的覆蓋面積;4）改善通話質(zhì)量 ,提高數(shù)據(jù)傳輸速度;5）超導(dǎo)基站子系統(tǒng)帶來(lái)了綠色的通信網(wǎng)絡(luò)。

4.2.3超導(dǎo)探測(cè)器

用超導(dǎo)體檢測(cè)紅外輻射 ,已設(shè)計(jì)制造了各種樣式的高 TC超導(dǎo)紅外探測(cè)器。與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體探測(cè)比較 ,高 TC超導(dǎo)探測(cè)器在大于 20微米的長(zhǎng)波探測(cè)中將為優(yōu)良的接受器件 ,填充了電磁波譜中遠(yuǎn)紅外至毫來(lái)波段的空白。此外 ,它還具高集成密度、低功率、高成品率、低價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)。這一技術(shù)將在天文探測(cè)、光譜研究、遠(yuǎn)紅外激光接收和軍事光學(xué)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。4.2.4超導(dǎo)計(jì)算機(jī)

超導(dǎo)器件在計(jì)算機(jī)中運(yùn)用 ,將具有許多明顯的優(yōu)點(diǎn): 1）器件的開關(guān)速度快;2）低功率;3）輸出電壓在毫伏數(shù)量級(jí) ,而輸出電流大于控制線內(nèi)的電流 ,信號(hào)檢測(cè)方便。同時(shí) ,體積更小 ,成本更低;另外,信號(hào)準(zhǔn)確無(wú)畸變。

5.超導(dǎo)磁體

由于能無(wú)電損耗地提供大體積的穩(wěn)定強(qiáng)磁場(chǎng) ,超導(dǎo)磁體成為低溫超導(dǎo)應(yīng)用的主要方向 ,經(jīng)過(guò)四十年的持續(xù)努力 ,按照實(shí)際需求設(shè)計(jì)、研制、建造 15 萬(wàn)高斯以內(nèi) ,不同磁場(chǎng)形態(tài)與各種體積的低溫超導(dǎo)磁體技術(shù)已經(jīng)成熟 ,有關(guān)導(dǎo)線與磁體的產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成。低溫超導(dǎo)磁體應(yīng)用的一個(gè)重大障礙在于要?jiǎng)?chuàng)造與維持液氦溫度（118～412K）的工作環(huán)境 ,需要有相應(yīng)的低溫制冷裝備與運(yùn)行維護(hù)工作。圖6 制冷裝備相對(duì)投資與運(yùn)行溫度的關(guān)系曲線

高臨界溫度超導(dǎo)體的出現(xiàn)使人們看到了提高運(yùn)行溫度的可能性 ,從而激發(fā)了發(fā)展高臨界溫度超導(dǎo)磁體的積極性。發(fā)展高臨界溫度超導(dǎo)磁體的主要問(wèn)題在于迄今已能生產(chǎn)的鉍系實(shí)用導(dǎo)線的強(qiáng)磁場(chǎng)下的性能在高運(yùn)行溫度下還難于與低溫超導(dǎo)線相比及價(jià)格高 ,圖 7示出了鉍系實(shí)用導(dǎo)線在不同溫度與磁場(chǎng)下的臨界電流 性 能 曲 線 , 77K、0 T 時(shí)臨界電流密度I ≈50kA/cm2。由圖6可見 ,在 77K時(shí) ,最高僅能產(chǎn)生10-1 特斯拉的超導(dǎo)磁場(chǎng) ,當(dāng)要求磁場(chǎng)高于 1 特斯拉時(shí) ,運(yùn)行溫度需低于20～50K,從圖 6所示制冷裝備投資看仍有著重要意義 ,前述的超導(dǎo)同步電機(jī)激磁繞組就屬于此范圍。值得注意的還有 ,若運(yùn)行溫度仍保持在4.2K,Bi-2223 導(dǎo)線在近40T強(qiáng)場(chǎng)下仍能保持約100kA/cm2 的臨界電流密度 ,從而可用于產(chǎn)生更高的超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)。

圖7 Bi-2223實(shí)用導(dǎo)線的臨界電流性能(B∥帶面)5.1 超導(dǎo)懸浮列車

由于超導(dǎo)體具有完全抗磁性，在車廂底部裝備的超導(dǎo)線圈，路軌上沿途安放金屬環(huán)，就構(gòu)成懸浮列車。當(dāng)列車啟動(dòng)時(shí)，由于金屬環(huán)切割磁力線，將產(chǎn)生與超導(dǎo)磁場(chǎng)方向相反的感生磁場(chǎng)。根據(jù)同性相斥原理，列車受到向上推力而懸浮。超導(dǎo)懸浮列車具有許多的優(yōu)點(diǎn)：由于它是懸浮于軌道上行駛，導(dǎo)軌與機(jī)車間不存在任何實(shí)際接觸，沒有摩擦，時(shí)速可達(dá)幾百公里；磁懸浮列車可靠性大，維修簡(jiǎn)便，成本低，能源消耗僅是汽車的一半、飛機(jī)的四分之一；噪聲小，時(shí)速達(dá)300公里/小時(shí)，噪聲只有65分貝；以電為動(dòng)力，沿線不排放廢氣，無(wú)污染，是一種綠色環(huán)保的交通工具。

圖8 日本研制的磁浮列車用高溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)

5.2磁懸浮軸承

高速轉(zhuǎn)動(dòng)的部位 ,由于摩擦的限制 ,轉(zhuǎn)速無(wú)法進(jìn)一步提高。利用超導(dǎo)體的完全抗磁性可制成懸浮軸承。磁懸浮軸承是采用磁場(chǎng)力將轉(zhuǎn)軸懸浮。由于無(wú)接觸 ,因而避免了機(jī)械磨損 ,降低了能耗 ,減小了噪聲 ,具有免維護(hù)、高轉(zhuǎn)速、高精度和動(dòng)力學(xué)特性好的優(yōu)點(diǎn)。磁懸浮軸承可適用于高速離心機(jī)、飛輪儲(chǔ)能、航空陀螺儀等高速旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)。5.3電子束磁透鏡

在通常的電子顯微鏡中 ,磁透鏡的線圈是用銅導(dǎo)線制成的 ,場(chǎng)強(qiáng)不大 ,磁場(chǎng)梯度也不高 ,且時(shí)間穩(wěn)定性較差 ,使得分辨率難以進(jìn)一步提高。運(yùn)用超導(dǎo)磁透鏡后 ,以上缺點(diǎn)得到了克服目前超導(dǎo)電子顯微鏡的分辨已達(dá)到 3 埃 ,可以直接觀察晶格結(jié)構(gòu)和遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu) ,已成為科學(xué)和生產(chǎn)部門強(qiáng)有力的工具。6展望與建議

自從超導(dǎo)材料制備技術(shù)不斷成熟并逐步產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)以來(lái) ,近十年來(lái)高臨界溫度超導(dǎo)應(yīng)用得到了良好的發(fā)展 ,在超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)限流器與超導(dǎo)變壓器等電力應(yīng)用方面 ,研制成功多臺(tái)樣機(jī)，人類在 21 世紀(jì)前期將迅速進(jìn)入超導(dǎo)應(yīng)用的新時(shí)代。從超導(dǎo)材料的發(fā)展歷程來(lái)看，新的更高轉(zhuǎn)變溫度材料的發(fā)現(xiàn)及室溫超導(dǎo)的實(shí)現(xiàn)都有可能。單晶生長(zhǎng)及薄膜制造工藝技術(shù)也會(huì)取得重大突破，但超導(dǎo)材料的基礎(chǔ)研究還面臨一些挑戰(zhàn)。目前超導(dǎo)材料正從研究階段向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展階段。隨著高溫超導(dǎo)材料的開發(fā)成功，超導(dǎo)材料將越來(lái)越多地應(yīng)用于尖端技術(shù)中，因此超導(dǎo)材料技術(shù)有著重大的應(yīng)用發(fā)展?jié)摿?，可解決未來(lái)能源、交通、醫(yī)療和國(guó)防事業(yè)中的重要問(wèn)題。

參考資料：

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第二篇：SiC材料的制備與應(yīng)用

SiC材料的制備與應(yīng)用

摘要:本文主要介紹了SiC材料的制備方法，通過(guò)不同制備的方法獲得不同結(jié)構(gòu)的SiC，其中主要有α-SiC、β-SiC和納米SiC。并介紹了SiC材料在材料中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：α-SiC；β-SiC；納米SiC； 前言：

SiC 是人造強(qiáng)共價(jià)健化合物材料, 碳化硅又稱金鋼砂或耐火砂。碳化硅是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生產(chǎn)綠色碳化硅時(shí)需要加食鹽)等原料在電阻爐內(nèi)經(jīng)高溫冶煉而成。目前我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的碳化硅分為黑色碳化硅和綠色碳化硅兩種，均為六方晶體，比重為3.20～3.25，顯微硬度為2840～3320kg/mm2。

2、SiC粉末的合成方法及應(yīng)用： 2.1 Acheson法生產(chǎn)SiC的進(jìn)展

經(jīng)過(guò)百年發(fā)展, 現(xiàn)代SiC 工業(yè)生產(chǎn)仍采用的是Acheson 間歇式工藝。這是工業(yè)上采用最多的合成方法，即用電將石英砂和焦炭的混合物加熱至2500℃左右高溫反應(yīng)制得。因石英砂和文章拷貝于華夏陶瓷網(wǎng)焦炭中通常含有Al和Fe等雜質(zhì)，在制成的SiC中都固溶有少量雜質(zhì)。其中，雜質(zhì)少的呈綠色，雜質(zhì)多的呈黑色。目前SiC 冶煉爐改進(jìn)處于: ①爐體規(guī)模增大;老式冶煉爐長(zhǎng)為5～10m ,現(xiàn)在可長(zhǎng)至25m ,裝料高達(dá)以千噸計(jì);②送電功率增大:現(xiàn)在冶煉爐功率多在3000至7000kW 之間,功率在12 ,000kW的超大型冶煉爐已在我國(guó)寧夏北方碳化硅公司正常運(yùn)行;③電源由交流改為直流,保證了電網(wǎng)安全和穩(wěn)定,操作更方便。

工業(yè)SiC 生產(chǎn)耗能高、對(duì)環(huán)境和大氣有污染,且勞動(dòng)量大。因此歐美發(fā)達(dá)國(guó)家盡管SiC 用量不斷增大,但生產(chǎn)持續(xù)降低,代以從國(guó)外進(jìn)口,同時(shí)加大了高性能SiC 材料的開發(fā)力度。中國(guó)、巴西和委內(nèi)瑞拉等發(fā)展中國(guó)家的初級(jí)SiC 產(chǎn)量已占全世界的65 %以上。傳統(tǒng)的SiC 冶煉爐主要不能完全解決以下環(huán)境問(wèn)題:(1)CO2、SO2 和扒墻時(shí)產(chǎn)生的SiC 粉塵的污染。(2)解決原料悶燃放出的臭氣和石油焦的揮發(fā)份,尤其是燃燒時(shí)或燃燒后及扒墻時(shí)產(chǎn)生的SO2、H2S 和硫醇類等含硫物質(zhì)和CO 氣體帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題。(3)無(wú)法收集冶煉時(shí)產(chǎn)生的爐內(nèi)逸出氣體用以發(fā)電或合成氣體。

七十年代德國(guó)ESK公司在發(fā)展Acheson 工藝方面取得了突破[2 ]。ESK的大型SiC 冶煉爐建在戶外,沒有端墻和側(cè)墻,直線型或U 型電極位于爐子底部,爐長(zhǎng)達(dá)60m ,用PE 包封蓋以收集爐內(nèi)逸出氣體(～100 ×206m3 s.t.p),提取硫后將其通過(guò)管道輸送到廠區(qū)內(nèi)小型火電廠發(fā)電?？蓽p少污染并節(jié)能20 %。該爐可采用成本低、活性高、易反應(yīng)的高硫份石油焦和焦碳作為原料,將原料含硫量由傳統(tǒng)SiC 冶煉爐允許的1.5 %提高到5.0 %。Acheson 法制備SiC 的優(yōu)點(diǎn)是原料便宜，方法成熟易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。缺點(diǎn)是粉體質(zhì)量不高:比表面積1～ 15m2/ g , 氧化物含量1wt %左右, 金屬雜質(zhì)含量1 ,400～2 ,800ppm ,依賴于粉碎、酸洗等后繼工藝和手段。

2.2 Acheson 法生產(chǎn)的SiC 的工業(yè)應(yīng)用

Acheson 法制備的SiC 材料大量應(yīng)用于磨料、耐火材料、結(jié)構(gòu)陶瓷和煉鋼脫氧劑。在SiC 的諸多用途中,磨料與磨削材料的應(yīng)用是一重要方向,廣泛用于切割和研磨玻璃、陶瓷、石料、鑄鐵零件、有色金屬材料、硬質(zhì)合金、鈦合金和高速鋼刀具精磨等。碳化硅耐火材料用途十分廣泛:在鋼鐵冶煉中,可用作盛鋼桶內(nèi)襯、水口、高爐爐底和爐腹、加熱爐無(wú)水冷滑軌;在有色金屬冶煉中,大量用作蒸餾器、精餾塔托盤、電解槽側(cè)墻、管道、坩鍋;石油化工中用作脫硫爐、油氣發(fā)生器等;陶瓷工業(yè)中大量用作各種窯爐的棚板,隔焰材料等。SiC含量大于90 %的普通耐火材料主要用以制造耐中等高溫的爐窯構(gòu)件;含量大于83 %的低品位耐火材料,主要用于出鐵槽、鐵水包等的內(nèi)襯。SiC 作為脫氧劑具有粒度細(xì)小、反應(yīng)強(qiáng)烈、脫氧時(shí)間短、節(jié)約能源、電爐生產(chǎn)率高、脫硫效果好、脫氧成本低等明顯優(yōu)點(diǎn)。國(guó)外八十年代前后已普遍使用SiC 做煉鋼脫氧劑,我國(guó)始于1985 年,近年來(lái)已在鋼鐵企業(yè)普遍使用。我國(guó)鋼鐵年產(chǎn)量已達(dá)1 億噸左右,每噸鋼鐵需要3～5kg SiC脫氧劑,加上鑄造行業(yè),脫氧劑的年用量巨大。煉鋼用脫氧劑SiC 也是我國(guó)重要的出口產(chǎn)品。另外SiC 在取代氧化鋁或石墨密封環(huán)方面應(yīng)用廣泛,在歐洲年用量約12 ×106 副,美國(guó)6 ×106 副,日本為106 副,并有大量增加的趨勢(shì)。2.3 SiO2-C還原法

工業(yè)上按下列反應(yīng)式利用高純度石英砂和焦炭或石油焦在電阻爐內(nèi)產(chǎn)生SiC：

因?yàn)槭俏鼰岱磻?yīng)，需使用大量能量。用此法制得的SiC 含量一般為96%左右，顏色有綠色和黑色，SiC含量越高顏色越淺，高純?yōu)闊o(wú)色。2.4 氣凝SiO2的碳還原法

在粒度18-22納米的SiO2中加入30-35納米的天然氣炭黑，在1400-1500℃溫度下通氬氣保護(hù)，反應(yīng)即可獲得純的SiC。反應(yīng)中加入微量SiC粉可抑制SiC晶體的長(zhǎng)大。2.5 氣相合成法

在氣相硅的鹵化物中加入碳?xì)浠衔锊⑼ㄈ胍欢康臍錃?，?200-1800℃的高溫作用下可以制取高純SiC。在這個(gè)反應(yīng)中，碳?xì)浠衔锸翘嫉妮d體，氫氣作還原劑，同時(shí)氫氣還可以抑制在SiC生成過(guò)程中游離硅和碳的沉積。3 新型SiC 材料的制備及其應(yīng)用

隨著先進(jìn)的分析工具和生產(chǎn)技術(shù)裝備的發(fā)展,人們對(duì)SiC 材料的結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系的研究逐步深入,開發(fā)了一系列新的SiC 制備技術(shù)和新的工業(yè)產(chǎn)品及用途。3.1 β-SiC 微粉

β-SiC 微粉的制取方法很多,主要是八十年代后期發(fā)展起來(lái)的溶膠凝膠法、聚合物熱分解法和各種氣相法。氣相法和聚合物熱裂解法低溫合成SiC 微粉的研究已經(jīng)進(jìn)行多年。在600～1 ,800 ℃下熱裂解CH3-SiH3 已獲得產(chǎn)量很高的無(wú)定型SiC 微粉,其比表面積為25m2/ g ,雜質(zhì)總量低于60ppm。能無(wú)壓燒結(jié)至很高的密度,是高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料的理想原材料,可作為高溫燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)子、噴嘴、燃燒器,高溫氣體的熱交換器部件,發(fā)動(dòng)機(jī)中的汽缸和活塞等部件,還可作為核反應(yīng)堆材料及火箭頭部雷達(dá)天線罩等。陶瓷燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率比一般燃?xì)廨啓C(jī)可提高20 %以上[3 ]。德國(guó)ESK公司將SiC 作為渦輪增壓器轉(zhuǎn)子裝在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)車上,最大轉(zhuǎn)速為96 ,000n/ min ,排氣溫度為1 ,030 ℃,經(jīng)過(guò)1 ,000km 的路面試驗(yàn),表現(xiàn)出優(yōu)異的響應(yīng)特性。近年來(lái)人們更多地關(guān)注在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用陶瓷,SiC主要用做這種陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)的挺柱、渦輪增壓器轉(zhuǎn)子、渦流式鑲塊等。1985 年,日本NGK廠生產(chǎn)的增壓器轉(zhuǎn)子已投入市場(chǎng)。美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室能源與環(huán)境研究室運(yùn)輸研究中心預(yù)計(jì)2000～2010 年汽車發(fā)動(dòng)機(jī)用陶瓷件可占領(lǐng)66 %～90 %的零件市場(chǎng),總價(jià)值超過(guò)36 億美元,顯示出十分廣闊的應(yīng)用前景[4 ]。3.2 化學(xué)氣相沉積CVDSiC 基于理論致密結(jié)構(gòu)和高純度(99.999 %)表現(xiàn)出優(yōu)異的物理化學(xué)性能已為人們所共知,利用擴(kuò)散勢(shì)壘作原子能材料和熱壓光學(xué)鏡頭的模具即是兩例應(yīng)用。另外,在碳或鎢纖維芯上氣相沉積SiC 已制造出直徑在120μm 的纖維。最近Morton Inter-national Advanced Materials 公司宣布已批量成功地研制出1 ,500mm 寬、25mm 厚的無(wú)基底CVD-SiC 薄板,該材料在室溫時(shí)熱傳導(dǎo)系數(shù)250W/ m·K, 抗彎強(qiáng)度466GPa ,表面可拋光至亞納米光學(xué)精度。其新型應(yīng)用包括高溫激光光學(xué)裝置、密封和耐磨元件、計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存介質(zhì)的基片以及電子包封元件[5 ]。

3.3 SiC 晶須

SiC 晶須是立方SiC 晶體極端各向異性生長(zhǎng)的產(chǎn)物,長(zhǎng)徑比一般> 10。半徑從幾十分之一到幾微米,長(zhǎng)度可至幾百微米,特殊工藝下可達(dá)100mm。晶須生長(zhǎng)的研究始于六十年代初期,美國(guó)Carborundum 公司在研制增強(qiáng)添加劑時(shí)發(fā)展了半商業(yè)性工藝,德國(guó)ESK公司在批量生產(chǎn)晶須方面也做了大量的努力[6 ]。晶須生長(zhǎng)機(jī)理有氣相凝聚、氣固相(VS)和氣-固-液反應(yīng)(VLS)三種。前兩種工藝生成的健康晶須直徑< 3μm ,VLS 工藝生成的晶須直徑為3～5μm ,長(zhǎng)度超長(zhǎng)者可達(dá)100mm。VLS機(jī)理,SiC的兩種組成元素由甲烷和一氧化硅提供,在Fe ,Co ,Cr 和Mn 等催化劑的作用下提供足夠的Si 和C 維持反應(yīng)和沉積使SiC 晶須生長(zhǎng)。晶須的拉伸強(qiáng)度和彈性模量分別高達(dá)16MPa和580GPa。3.4 SiC 片晶

SiC 片晶基于優(yōu)異的機(jī)械性能和較低的商業(yè)成本作為復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)劑引起了極大的研究興趣。六方片狀SiC 晶體生長(zhǎng)于Acheson 爐的中心部位,但這種SiC片晶完全混生且晶粒生長(zhǎng)過(guò)大并不適于用作陶瓷材料補(bǔ)強(qiáng)劑。人們?yōu)楣I(yè)合成分散的小尺寸SiC 片晶做了大量的努力[7 ] ,用少量硼或鋁作擴(kuò)散促進(jìn)劑在高溫下合成了10～ > 100μm 的小尺寸SiC 片晶,而硼或鋁又是眾所周知的SiC 燒結(jié)助劑。有添加劑存在的情況下,在β-SiC 微粉中混入適當(dāng)?shù)腟iO2和C或Si和C于1 ,900～2 ,100 ℃、惰性氣氛中可以得到90 %的α-SiC片晶。SiC片晶的特性和機(jī)械性能。實(shí)驗(yàn)表明SiC 片晶在金屬和陶瓷基體復(fù)合材料中起到了很好的補(bǔ)強(qiáng)作用。結(jié)論：

SiC 作為一個(gè)用途廣泛的工程材料已經(jīng)深入到了人類生活的每一個(gè)角落,在數(shù)代科技人員的努力下極大地促進(jìn)了工業(yè)發(fā)展。隨著對(duì)其制備技術(shù)的深入研究,人們將會(huì)發(fā)現(xiàn)更多的SiC 新用途并獲得更多的SiC新型工業(yè)產(chǎn)品。未來(lái),用Acheson 法制備[10]的SiC 在產(chǎn)量和規(guī)模上將繼續(xù)占主導(dǎo)地位,廣泛應(yīng)用在各工業(yè)領(lǐng)域內(nèi),同時(shí)利用其獨(dú)特的物理化學(xué)性能,繼續(xù)開發(fā)出象煉鋼脫氧劑等對(duì)基礎(chǔ)工業(yè)有重大影響的用途。為滿足燒結(jié)高致密、高強(qiáng)度、高性能陶瓷材料并使之應(yīng)用在高技術(shù)工業(yè)領(lǐng)域,新型的高技術(shù)SiC 制備技術(shù)也會(huì)迅速蓬勃發(fā)展起來(lái)。降低成本、完善工藝,并與后續(xù)制備技術(shù)如燒結(jié)等相適應(yīng),在經(jīng)濟(jì)和效果上取得最佳成效是其方向。在電子器件應(yīng)用方面也會(huì)獲得更大的發(fā)展。

第三篇：壓電陶瓷的制備與應(yīng)用

壓電陶瓷的制備與應(yīng)用 【摘要】本文主要概述了國(guó)內(nèi)外關(guān)于壓電陶瓷材料的發(fā)展歷史進(jìn)程和研究現(xiàn)狀，提出壓電陶瓷材料的制備方法，探討了其發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景。指出了現(xiàn)代壓電陶瓷材料正在向著復(fù)合化，薄膜化，無(wú)鉛化及納米化方向發(fā)展。該材料應(yīng)用前景廣闊，是一種極有發(fā)展?jié)摿Φ牟牧??！娟P(guān)鍵詞】 壓電陶瓷性能參數(shù) 制備方法應(yīng)用

壓電陶瓷是指把氧化物混合(氧化锫、氧化鉛、氧化鈦等)高溫?zé)Y(jié)、固相反應(yīng)后而成的多晶體．并通過(guò)直流高壓極化處理使其具有壓電效應(yīng)的鐵電陶瓷的統(tǒng)稱，是一種能將機(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料。壓電陶瓷是含高智能的新型功能電子材料,隨著材料及工藝的不斷研究和改良,壓電陶瓷的技術(shù)應(yīng)用愈來(lái)愈廣。壓電材料作為機(jī)、電、聲，光、熱敏感材料，在傳感器、換能器、無(wú)損檢測(cè)和通訊技術(shù)等領(lǐng)域已獲得了廣泛的應(yīng)用，世界各國(guó)都高度重視壓電陶瓷材料的研究和開發(fā)。

1、壓電陶瓷的性能參數(shù)（1）機(jī)械品質(zhì)因數(shù)

機(jī)械品質(zhì)因數(shù)的定義是：Qm=×2∏，他表示在振動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)，材料內(nèi)部能量消耗的程度。機(jī)械品質(zhì)因數(shù)越大，能量的損耗越小。機(jī)械品質(zhì)因數(shù)可以根據(jù)等效電路計(jì)算而得：Qm=,式中R1為等效電阻，Ws為串聯(lián)諧振頻率，C1為振子諧振時(shí)的等效電容。當(dāng)陶瓷片作徑向振動(dòng)時(shí)，可近似地表示為Qm=，式中C0為振子的靜態(tài)電容，單位F；△f為振子的諧振頻率fr與反諧振頻率fa之差，單位Hz；Qm為無(wú)量綱的物理量。（2）基電耦合系數(shù)

機(jī)電耦合系數(shù)K是綜合反映壓電材料性能的參數(shù)，它表示壓電材料的機(jī)械能與電能的耦合效應(yīng)。機(jī)電耦合系數(shù)可定義為K2=（逆壓電效應(yīng)），K2=（正壓電效應(yīng)）沒有量綱。機(jī)電耦合系數(shù)是壓電材料進(jìn)行機(jī)—電能量轉(zhuǎn)換的能力反映，它與機(jī)—電效率是完全不同的兩個(gè)概念。它與材料的壓電常數(shù)、介電常數(shù)和彈性常數(shù)等參數(shù)有關(guān)，因此，機(jī)電耦合常數(shù)是一個(gè)比較綜合性的參數(shù)。（3）彈性系數(shù)

根據(jù)壓電效應(yīng)，壓電陶瓷在交變電場(chǎng)作用下，會(huì)產(chǎn)生交變伸長(zhǎng)和收縮，從而形成與激勵(lì)電場(chǎng)頻率（信號(hào)頻率）相一致的受迫振動(dòng)。對(duì)于具有一定形狀、大小和被覆工作電極的壓電陶瓷稱為壓電陶瓷振子（簡(jiǎn)稱振子）。實(shí)際上，振子諧振時(shí)的形變是很小的，一般可以看作是彈性形變。反映材料在彈性形變范圍內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變之間的參數(shù)為彈性系數(shù)。

壓電陶瓷材料是一個(gè)彈性體，它服從胡克定律：在彈性限度范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比。當(dāng)數(shù)值為T的應(yīng)力（單位為Pa）加于壓電陶瓷片上時(shí)，所產(chǎn)生的應(yīng)變S為S=sT、T=cS式中s為彈性柔順系數(shù)，單位m2／N，c為剛性剛度系數(shù)，單位Pa。

2、壓電陶瓷的制備過(guò)程

I、生產(chǎn)中廣泛采用的壓電陶瓷工藝，主要包括以下步驟：配料混合預(yù)燒粉碎成型排膠燒結(jié)被電極極化測(cè)試，如圖2所示。

(1)配料、球磨混合

原料選用純度高、細(xì)度小和活性大的粉料，根據(jù)配方或分子式選擇所用原料，并按原料純度進(jìn)行修正計(jì)算，然后進(jìn)行原料的稱量。按化學(xué)配比配料以后，使用行星式球磨機(jī)將各種配料混合均勻。實(shí)驗(yàn)室常采用的是水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)球磨方式，震動(dòng)球磨是另一種常用的球磨方法，此外還有氣流粉碎法等混合方法。(2)預(yù)燒、粉碎、成型、排膠和燒結(jié) 混合球磨后的原料進(jìn)行預(yù)燒。預(yù)燒是使原料間發(fā)生固相化學(xué)反應(yīng)以生成所需產(chǎn)物的過(guò)程，預(yù)燒過(guò)程中應(yīng)注意溫度和保溫時(shí)間的選擇。將預(yù)燒反應(yīng)后的材料使用行星式球磨機(jī)粉碎。成型的方法主要有四種；軋膜成型、流延成型、干壓成型和靜水壓成型。軋膜成型適用于薄片元件；流延成型適合于更薄的元件，膜厚可以小于10 m；干壓成型適合于塊狀元件；靜水壓成型適合于異形或塊狀元件。除了靜水壓成型外，其他成型方法都需要有粘合劑，粘合劑一般占原料重量的3％左右。成型以后需要排膠。粘合劑的作用只是利于成型，但它是一種還原性強(qiáng)的物質(zhì)，成型后應(yīng)將其排出以免影響燒結(jié)質(zhì)量。燒結(jié)是將坯體加熱到足夠高的溫度，使陶瓷坯體發(fā)生體積收縮、密度提高和強(qiáng)度增大的過(guò)程。燒結(jié)過(guò)程的機(jī)制是組成該物質(zhì)的原子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。燒結(jié)的推動(dòng)力是顆粒或者晶粒的表面能，燒結(jié)過(guò)程主要是表面能降低的過(guò)程。晶粒尺寸是借助于原子擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)的。(3)被電極、極化、測(cè)量

燒結(jié)后的樣品要被電極，可選用的電極材料有銀、銅、金．鉑等，形成電極層的方法有真空蒸發(fā)、化學(xué)沉積等多種。壓電陶瓷中廣泛采用的是，在燒結(jié)后的樣品涂上銀漿，在空氣中燒制電極。為了防止空氣在高壓下電離、擊穿，極化一般是在硅油中進(jìn)行。為了獲得優(yōu)良的壓電性能，需要選擇合適的電場(chǎng)強(qiáng)度，適當(dāng)?shù)臉O化溫度。極化樣品放置24小時(shí)后，用壓電常數(shù)測(cè)量?jī)x測(cè)量d33，用高頻阻抗分析儀(Agilent4294A等)測(cè)量介電常數(shù)、介電損耗、諧振頻率等。

II濺射法(sp ut tering)是利用高速運(yùn)動(dòng)的荷能離子把靶材上的原子(或分子)轟擊下來(lái)沉積在基片(加熱或不加熱)上形成薄膜的方法,采用射頻磁控濺射能進(jìn)一步增加電子的行程,加強(qiáng)電離和離子轟擊效果,從而能有效提高濺射效率及薄膜的均勻性。

III、脈沖激光沉積(PLD)是80年代后期發(fā)展起來(lái)的新型薄膜制備技術(shù)。相對(duì)于其它薄膜制備技術(shù), PLD具有沉積速度快、靶材和薄膜成分一致、生長(zhǎng)過(guò)程中可原位引入多種氣體、燒蝕物粒子能量高、容易制備多層膜及異質(zhì)結(jié)、工藝簡(jiǎn)單、靈活性大、可制備的薄膜種類多、可用激光對(duì)薄膜進(jìn)行多種處理等優(yōu)點(diǎn)

IV、sol-gel法是通過(guò)將含有一定離子配比的金屬醇鹽和其它有機(jī)或無(wú)機(jī)金屬鹽溶于共同的溶液中,通過(guò)水解和聚合形成均勻的前驅(qū)體———溶膠,再經(jīng)提拉、旋轉(zhuǎn)涂覆、噴涂或電沉積法等將前驅(qū)體溶膠均勻地涂覆在基片上,然后烘干除去有機(jī)物,最后退火處理得到具有一定晶相結(jié)構(gòu)的無(wú)鉛壓電陶瓷薄膜。

3、壓電陶瓷的應(yīng)用

近年來(lái)，隨著宇航、電子、計(jì)算機(jī)、激光、微聲和能源等新技術(shù)的發(fā)展，對(duì)各類材料器件提出了更高的性能要求，壓電陶瓷作為一種新型功能材料，在日常生活中，作為壓電元件廣泛應(yīng)用于傳感器、氣體點(diǎn)火器、報(bào)警器、音響設(shè)備、超聲清洗、醫(yī)療診斷及通信等裝置中。它的重要應(yīng)用大致分為壓電振子和壓電換能器兩大類。前者主要利用振子本身的諧振特性，要求壓電、介電、彈性等性能穩(wěn)定，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)高。后者主要是將一種能量形式轉(zhuǎn)換成另一種能量形式，要求機(jī)電耦合系數(shù)和品質(zhì)因數(shù)高。壓電陶瓷的主要應(yīng)用領(lǐng)域如下表所示： 應(yīng)用領(lǐng)域

主要用途舉例

電源

壓電變壓器 雷達(dá)、電視顯像管、陰極射線管、蓋克計(jì)數(shù)管、激光管和電子復(fù)印機(jī)等高壓電源和壓電點(diǎn)火裝置

信號(hào)源

標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)信號(hào)源

振蕩器、壓電音叉、壓電音片等用作精密儀器中的時(shí)間和頻率標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源

信號(hào)轉(zhuǎn)換

電聲換能器

拾聲器、送話器、受話器、揚(yáng)聲器、蜂鳴器等聲頻范圍的電聲器件

超聲換能器

超聲切割、焊接、清洗、攪拌、乳化及超聲顯示等頻率高于20Hz的超聲器件

發(fā)射與接收

超聲換能器

探測(cè)地質(zhì)構(gòu)造、油井固實(shí)程度、無(wú)損探傷和測(cè)厚、催化反應(yīng)、超聲衍射、疾病診斷等各種工業(yè)用的超聲器件

水聲換能器

水下導(dǎo)航定位、通信和探測(cè)的聲吶、超聲探測(cè)、魚群探測(cè)和傳聲器等

信號(hào)處理

濾波器

通信廣播中所用各種分立濾波器和復(fù)合濾波器，如彩電中頻率波器；雷達(dá)、自控和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所用帶通濾波器、脈沖濾波器等

放大器

聲表面波信號(hào)放大器以及振蕩器、混頻器、衰減器、隔離器等

表面波導(dǎo)

聲表面波傳輸線

4、結(jié)束語(yǔ)

壓電陶瓷是一種重要的功能材料，具有優(yōu)異的壓電、介電和光電等電學(xué)性能，被廣泛地應(yīng)用于電子、航空航天、生物等高技術(shù)領(lǐng)域。近年來(lái)，各國(guó)都在積極研究和開發(fā)新的壓電功能陶瓷，研究的重點(diǎn)大都是從老材料中發(fā)掘新效應(yīng)，開拓新應(yīng)用；從控制材料組織和結(jié)構(gòu)入手，尋找新的壓電材料。特別值得重視的是隨著材料技術(shù)和工藝的發(fā)展，目前國(guó)際上對(duì)壓電材料的應(yīng)用研究十分活躍，許多新的壓電器件，包括過(guò)去認(rèn)為是難以實(shí)現(xiàn)的器材也被研制出來(lái)了。隨著對(duì)材料的組成、制備工藝及結(jié)構(gòu)的不斷深入研究，更加新穎的壓電器件將不斷的映現(xiàn)出來(lái)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張沛霖，鐘維烈．壓電材料與器件物理[M]．濟(jì)南t山東科學(xué)技術(shù)出版社．1994． [2]陸雷、肖定全、田建華、朱建國(guó).無(wú)鉛壓電陶瓷薄膜的制備及應(yīng)用研究.[3]張雷、沈建新.壓電陶瓷制備方法的研究進(jìn)展.硅酸鹽通報(bào).[4]肖定全.關(guān)于無(wú)鉛壓電陶瓷及其應(yīng)用的幾個(gè)問(wèn)題.電子元件與材料.2004.材料合成與制備方法論文 壓電陶瓷的制備與應(yīng)用 院系：物理與電子工程學(xué)院 專業(yè)：材料物理 姓名：李鵬洋

第四篇：相態(tài)變化及超導(dǎo)在生活中的應(yīng)用

相態(tài)變化及超導(dǎo)在生活中的應(yīng)用

相態(tài)也就是物質(zhì)的狀態(tài)（或簡(jiǎn)稱相，也叫物態(tài)）

物質(zhì)在一定溫度、壓強(qiáng)下所處的相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。物質(zhì)聚集狀態(tài)的簡(jiǎn)稱，也稱聚集態(tài)。氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)是物質(zhì)三態(tài)，相應(yīng)的物質(zhì)分別稱為氣體、液體、固體。它們是以分子或原子為基元的3種聚集狀態(tài)。水汽、水、冰是常見的同一物質(zhì)的三態(tài)；氧、氫、氦等在常溫下是氣態(tài)，只在極低溫度下才是液態(tài)或固態(tài)；金、鎢等在常溫下是固態(tài)，只在極高溫度下才是液態(tài)或氣態(tài)，固態(tài)物質(zhì)的分子或原子只能圍繞各自的平衡位置微小振動(dòng)，固體有一定的形狀、大小；液態(tài)物質(zhì)的分子或原子沒有固定的平衡位置，但還不能分散遠(yuǎn)離，液體有一定體積，形狀隨容器而定，易流動(dòng)，不易壓縮；氣態(tài)物質(zhì)的分子或原子作無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，無(wú)平衡位置，也不能維持在一定距離，氣體沒有固定的體積和形狀，自發(fā)地充滿容器，易流動(dòng)，易壓縮。

除上述三態(tài)外，在極高溫下電離的氣體成為由離子和電子組成的等離子體，稱為物質(zhì)第四態(tài)。這是宇宙中普遍存在的物質(zhì)聚集狀態(tài)。在超高壓、超高溫下原子結(jié)構(gòu)被破壞，原子外圍的電子被擠壓到原子核范圍，這種狀態(tài)稱為超固態(tài)，亦稱物質(zhì)第五態(tài)。

人們把處 于超導(dǎo)狀態(tài)的導(dǎo)體稱之為“超導(dǎo)體”。超導(dǎo)體的直流電阻率在一定的低溫下突然消失，被稱作零電阻效應(yīng)。導(dǎo)體沒有了電阻，電流流經(jīng)超導(dǎo)體時(shí)就不發(fā)生熱損耗，電流可以毫無(wú)阻力地在導(dǎo)線中形成強(qiáng)大的電流，從而產(chǎn)生超強(qiáng)磁場(chǎng)。

超導(dǎo)是指某些物質(zhì)在一定溫度條件下（一般為較低溫度）電阻降為零的性質(zhì)。1911年荷蘭物理學(xué)家H·卡末林·昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)汞在溫度降至4.2K附近時(shí)突然進(jìn)入一種新狀態(tài)，其電阻小到實(shí)際上測(cè)不出來(lái)，他把汞的這一新狀態(tài)稱為超導(dǎo)態(tài)。以后又發(fā)現(xiàn)許多其他金屬也具有超導(dǎo)電性。低于某一溫度出現(xiàn)超導(dǎo)電性的物質(zhì)稱為超導(dǎo)體。

1933年，荷蘭的邁斯納和奧森菲爾德共同發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的另一個(gè)極為重要的性質(zhì)——當(dāng)金屬處在超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，這一超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，卻把原來(lái)存在于體內(nèi)的磁場(chǎng)排擠出去。對(duì)單晶錫球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：錫球過(guò)渡到超導(dǎo)態(tài)時(shí)，錫球周圍的磁場(chǎng)突然發(fā)生變化，磁力線似乎一下子被排斥到超導(dǎo)體之外去了，人們將這種現(xiàn)象稱之為“邁斯納效應(yīng)”。

后來(lái)人們還做過(guò)這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)：在一個(gè)淺平的錫盤中，放入一個(gè)體積很小但磁性很強(qiáng)的永久磁體，然后把溫度降低，使錫盤出現(xiàn)超導(dǎo)性，這時(shí)可以看到，小磁鐵竟然離開錫盤表面，慢慢地飄起，懸浮不動(dòng)。

邁斯納效應(yīng)有著重要的意義，它可以用來(lái)判別物質(zhì)是否具有超導(dǎo)性。為了使超導(dǎo)材料有實(shí)用性，人們開始了探索高溫超導(dǎo)的歷程，從1911年至1986年，超導(dǎo)溫度由水銀的4.2K提高到23.22K（0K=-273.15℃；K開爾文溫標(biāo)，起點(diǎn)為絕對(duì)零度）。1986年1月發(fā)現(xiàn)鋇鑭銅氧化物超導(dǎo)溫度是30K，12月30日，又將這一紀(jì)錄刷新為40.2K，1987年1月升至4 3K，不久又升至46K和53K，2月15日發(fā)現(xiàn)了98K超導(dǎo)體。高溫超導(dǎo)體取得了巨大突破，使超導(dǎo)技術(shù)走向大規(guī)模應(yīng)用。

超導(dǎo)材料和超導(dǎo)技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景。超導(dǎo)現(xiàn)象中的邁斯納效應(yīng)使人們可以用此原理制造超導(dǎo)列車和超導(dǎo)船，由于這些交通工具將在懸浮無(wú)摩擦狀態(tài)下運(yùn)行，這將大大提高它們的速度和安靜性，并有效減少機(jī)械磨損。利用超導(dǎo)懸浮可制造無(wú)磨損軸承，將軸承轉(zhuǎn)速提高到每分鐘10萬(wàn)轉(zhuǎn)以上。超導(dǎo)列車已于70年代成功地進(jìn)行了載人可行性試驗(yàn)，1987年開始，日本開始試運(yùn)行，但經(jīng)常出現(xiàn)失效現(xiàn)象，出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能是由于高速行駛產(chǎn)生的顛簸造成的。超導(dǎo)船已于1992年1月27日下水試航，目前尚未進(jìn)入實(shí)用化階段。利用超導(dǎo)材料制造交通工具在技術(shù)上還存在一定的障礙，但它勢(shì)必會(huì)引發(fā)交通工具革命的一次浪潮。

超導(dǎo)材料的零電阻特性可以用來(lái)輸電和制造大型磁體。超高壓輸電會(huì)有很大的損耗，而利用超導(dǎo)體則可最大限度地降低損耗，但由于臨界溫度較高的超導(dǎo)體還未進(jìn)入實(shí)用階段，從而限制了超導(dǎo)輸電的采用。隨著技術(shù)的發(fā)展，新超導(dǎo)材料的不斷涌現(xiàn)，超導(dǎo)輸電的希望能在不久的將來(lái)得以實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)有的高溫超導(dǎo)體還處于必須用液態(tài)氮來(lái)冷卻的狀態(tài)，但它仍舊被認(rèn)為是20世紀(jì)最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。

世紀(jì)70年代，世界材料科學(xué)中出現(xiàn)了一種具有“記憶”形狀功能的合金。記憶合金是一種頗為特別的金屬條，它極易被彎曲，我們把它放進(jìn)盛著熱水的玻璃缸內(nèi)，金屬條向前沖去；將它放入冷水里，金屬條則恢復(fù)了原狀。在盛著涼水的玻璃缸里，拉長(zhǎng)一個(gè)彈簧，把彈簧放入熱水中時(shí)，彈簧又自動(dòng)的收攏了。涼水中彈簧恢復(fù)了它的原狀，而在熱水中，則會(huì)收縮，彈簧可以無(wú)限次數(shù)的被拉伸和收縮，收縮再拉開。這些都由一種有記憶力的智能金屬做成的，它的微觀結(jié)構(gòu)有兩種相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，在高溫下這種合金可以被變成任何你想要的形狀，在較低的溫度下合金可以被拉伸，但若對(duì)它重新加熱，它會(huì)記起它原來(lái)的形狀，而變回去。[1]這種材料就叫做記憶金屬（memory metal）。它主要是鎳鈦合金材料。例如，一根螺旋狀高溫合金，經(jīng)過(guò)高溫退火后，它的形狀處于螺旋狀態(tài)。在室溫下，即使用很大力氣把它強(qiáng)行拉直，但只要把它加熱到一定的“變態(tài)溫度”時(shí)，這根合金仿佛記起了什么似的，立即恢復(fù)到它原來(lái)的螺旋形態(tài)。這是怎么回事？難道合金也具有人類那樣的記憶力？

原來(lái)不是那么回事！這只是利用某些合金在固態(tài)時(shí)其晶體結(jié)構(gòu)隨溫度發(fā)生變化的規(guī)律而已。例如，鎳-鈦合金在40℃以上和40℃以下的晶體結(jié)構(gòu)是不同的，但溫度在40℃上下變化時(shí)，合金就會(huì)收縮或膨脹，使得它的形態(tài)發(fā)生變化。這里，40℃就是鎳-鈦記憶合金的“變態(tài)溫度”。各種合金都有自己的變態(tài)溫度。上述那種高溫合金的變態(tài)溫度很高。在高溫時(shí)它被做成螺旋狀而處于穩(wěn)定狀態(tài)。在室溫下強(qiáng)行把它拉直時(shí)，它卻處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此，只要把它加熱到變態(tài)溫度，它就立即恢復(fù)到原來(lái)處于穩(wěn)定狀態(tài)的螺旋形狀了。

工業(yè)應(yīng)用

（1）利用單程形狀記憶效應(yīng)的單向形狀恢復(fù)。如管接頭、天線、套環(huán)等。（2）外因性雙向記憶恢復(fù)。即利用單程形狀記憶效應(yīng)并借助外力隨溫度升降做反復(fù)動(dòng)作，如熱敏元件、機(jī)器人、接線柱等。

（3）內(nèi)因性雙向記憶恢復(fù)。即利用雙程記憶效應(yīng)隨溫度升降做反復(fù)動(dòng)作，如熱機(jī)、熱敏元件等。但這類應(yīng)用記憶衰減快、可靠性差，不常用。（4）超彈性的應(yīng)用。如彈簧、接線柱、眼鏡架等。

以記憶合金制成的彈簧為例，把這種彈簧放在熱水中，彈簧的長(zhǎng)度立即伸長(zhǎng)，再放到冷水中，它會(huì)立即恢復(fù)原狀。利用形狀記憶合金彈簧可以控制浴室水管的水溫，在熱水溫度過(guò)高時(shí)通過(guò)“記憶”功能，調(diào)節(jié)或關(guān)閉供水管道，避免燙傷。也可以制作成消防報(bào)警裝置及電器設(shè)備的保安裝置。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí),記憶合金制成的彈簧發(fā)生形變，啟動(dòng)消防報(bào)警裝置，達(dá)到報(bào)警的目的。還可以把用記憶合金制成的彈簧放在暖氣的閥門內(nèi)，用以保持暖房的溫度，當(dāng)溫度過(guò)低或過(guò)高時(shí)，自動(dòng)開啟或關(guān)閉暖氣的閥門。

作為一類新興的功能材料，記憶合金的很多新用途正不斷被開發(fā)，例如用記憶合金制作的眼鏡架，如果不小心被碰彎曲了，只要將其放在熱水中加熱，就可以恢復(fù)原狀。不久的將來(lái)，汽車的外殼也可以用記憶合金制作。如果不小心碰癟了，只要用電吹風(fēng)加加溫就可恢復(fù)原狀，既省錢又省力，很是方便。管道結(jié)合和自動(dòng)化控制方面。記憶合金已用于管道結(jié)合和自動(dòng)化控制方面，用記憶合金制成套管可以代替焊接，方法是在低溫時(shí)將管端內(nèi)全擴(kuò)大約 4%，裝配時(shí)套接一起，一經(jīng)加熱，套管收縮 恢復(fù)原形，形成緊密的接合。美國(guó)海軍飛機(jī)的液壓系統(tǒng)使用了10萬(wàn)個(gè)這種接頭，多年來(lái)從未發(fā)生漏油和破損。船艦和海底油田管道損壞，用記憶合金配件修復(fù)起來(lái)，十分方便。在一些施工不便的部位，用記憶合金制成銷釘，裝入孔內(nèi)加熱，其尾端自動(dòng)分開卷曲，形成單面裝配件。熱機(jī)械和恒溫自動(dòng)控制

記憶合金特別適合于熱機(jī)械和恒溫自動(dòng)控制，已制成室溫自動(dòng)開閉臂，能在陽(yáng)光照耀的白天打開通風(fēng)窗，晚間室溫下降時(shí)自動(dòng)關(guān)閉。記憶合金熱機(jī)的設(shè)計(jì)方案也不少，它們都能在具有低溫差的兩種介質(zhì)間工作，從而為利用工業(yè)冷卻水、核反應(yīng)堆余熱、海洋溫差和太陽(yáng)能開辟了新途徑。現(xiàn)在普遍存在的問(wèn)題是效率不高，只有 4%～6%，有待于進(jìn)一步改進(jìn)。

醫(yī)療上的應(yīng)用記憶合金在臨床醫(yī)療領(lǐng)域內(nèi)有著廣泛的應(yīng)用，例如人造骨骼、傷骨固定加壓器、牙科正畸器、各類腔內(nèi)支架、栓塞器、心臟修補(bǔ)器、血栓過(guò)濾器、介入導(dǎo)絲和手術(shù)縫合線等等，記憶合金在現(xiàn)代醫(yī)療中正扮演著不可替代的角色。TiNi合金的生物相容性很好，利用其形狀記憶效應(yīng)和超彈性的醫(yī)學(xué)實(shí)例相當(dāng)多。如血栓過(guò)濾器、脊柱矯形棒、牙齒矯形絲、腦動(dòng)脈瘤夾、接骨板、髓內(nèi)針、人工關(guān)節(jié)、避孕器、心臟修補(bǔ)元件、人造腎臟用微型泵等。

例如接骨用的骨板，不但能將兩段斷骨固定，而且在恢復(fù)原形狀的過(guò)程中產(chǎn)生壓縮力，迫使斷骨接合在一起。齒科用的矯齒絲，結(jié)扎腦動(dòng)脈瘤和輸精管的長(zhǎng)夾，脊柱矯直用的支板等，都是在植入人體內(nèi)后靠體溫的作用啟動(dòng)，血栓濾器也是一種記憶合金新產(chǎn)品。被拉直的濾器植入靜脈后，會(huì)逐漸恢復(fù)成網(wǎng)狀，從而阻止 95%的凝血塊流向心臟和肺部。

人工心臟是一種結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的臟器，用記憶合金制成的肌纖維與彈性體薄膜心室相配合，可以模仿心室收縮運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)在泵送水已取得成功。由于記憶合金是一種“有生命的合金”，利用它在一定溫度下形狀的變化，就可以設(shè)計(jì)出形形色色的自控器件，它的用途正在不斷擴(kuò)大。航天技術(shù)

記憶合金最令人鼓舞的應(yīng)用是在中。1969年7月20日，“阿波羅”11號(hào)登月艙在月球著陸，實(shí)現(xiàn)了人類第一次登月旅行的夢(mèng)想。宇航員登月后，在月球上放置了一個(gè)半球形的直徑數(shù)米大的天線，用以向地球發(fā)送和接受信息。數(shù)米大的天線裝在小小的登月艙里送上了太空。天線就是用當(dāng)時(shí)剛剛發(fā)明不久的記憶合金制成的。用極薄的記憶合金材料先在正常情況下按預(yù)定要求做好，然后降低溫度把它壓成一團(tuán)，裝進(jìn)登月艙帶上天去。放到月面上以后，在陽(yáng)光照射下溫度升高，當(dāng)達(dá)到轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，天線又“記”起了自己的本來(lái)面貌，變成一個(gè)巨大的半球形。高科技應(yīng)用展望

20世紀(jì)是機(jī)電學(xué)的時(shí)代。傳感——集成電路——驅(qū)動(dòng)是最典型的機(jī)械電子控制系統(tǒng)，但復(fù)雜而龐大。形狀記憶材料兼有傳感和驅(qū)動(dòng)的雙重功能，可以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的微型化和智能化，如全息機(jī)器人、毫米級(jí)超微型機(jī)械手等。21世紀(jì)將成為材料電子學(xué)的時(shí)代。形狀記憶合金的機(jī)器人的動(dòng)作除溫度外不受任何環(huán)境條件的影響，可望在反應(yīng)堆、加速器、太空實(shí)驗(yàn)室等高技術(shù)領(lǐng)域大顯身手。

第五篇：超導(dǎo)材料在能源上的應(yīng)用

超導(dǎo)材料在電力系統(tǒng)和熱核聚變上的應(yīng)用

姓名：成雙良

班級(jí)：復(fù)材1402

學(xué)號(hào)：1105140212

摘要：超導(dǎo)技術(shù)是21世紀(jì)具有重大經(jīng)濟(jì)和戰(zhàn)略意義的高新技術(shù)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，在能源方面尤其是電力系統(tǒng)以及熱核聚變實(shí)驗(yàn)之中尤為突出。實(shí)用化超導(dǎo)材料是超導(dǎo)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。目前，國(guó)際上發(fā)現(xiàn)的實(shí)用化超導(dǎo)材料主要有有低溫超導(dǎo)線材、鉍系高溫超導(dǎo)帶材、YBCO涂層導(dǎo)體。文章首先介紹了超導(dǎo)材料的發(fā)展基礎(chǔ)，重點(diǎn)綜述了上述幾種實(shí)用化超導(dǎo)材料制備及加工、性能和應(yīng)用方面的最新研究進(jìn)展，并對(duì)相關(guān)領(lǐng)域存在的問(wèn)題及今后的發(fā)展作出展望。

關(guān)鍵詞：超導(dǎo)材料，電力系統(tǒng)，熱核聚變，NbTi，Nb3Sn，鉍系高溫超導(dǎo)帶材，YBCO涂層導(dǎo)體

Application of Superconducting Materials in Power System and Thermonuclear

Fusion

Abstract:Superconducting technology is a high-tech with significant economic and strategic significance in the 21st century.It has wide application prospect in many fields of national economy, especially in energy, especially power system and thermonuclear fusion experiment.Performance improvementin practical superconducting materials is the foundation of application development.The overall picture of superconductors is diverse and developing rapidly.Currently, practical superconducting materials comprise mainly Nb-based low-temperature wires, bismuth-strontium-calcium copper oxide high-temperature superconducting tapes and yttrium barium copper oxide coated conductors.A review is presented here of the fabrication issues, key properties and recentdevelopments of these materials, with an assessment of the challenges and prospects for fixture applications.Keywords: superconducting Materials, power system, thermonuclear fusion, NbTi，Nb3Sn, BSCCO tapes, YBCO coated conductors

1.前言

自從 1911 年荷蘭物理學(xué)家 Kamerling Onnes 發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象以來(lái)，超導(dǎo)材料的發(fā)展經(jīng)過(guò)了一個(gè)從簡(jiǎn)單金屬到復(fù)雜化合物，即由一元系到二元系、三元系直至多元系及高分子體系的過(guò)程。在上世紀(jì) 80 代末發(fā)現(xiàn)銅氧化物超導(dǎo)體之后，在新世紀(jì)之初又有兩類比較接近實(shí)用的超導(dǎo)材料被發(fā)現(xiàn)，即 MgB2和 Fe 基超導(dǎo)體，新型超導(dǎo)體可謂層出不窮。然而，由于各自不同的本征特性、低溫條件、合成技術(shù)及其環(huán)境污染等因素，各類超導(dǎo)體的實(shí)用化水平相差很大，有的基本失去實(shí)用性，僅能適于基礎(chǔ)研究。本文主要對(duì)超導(dǎo)材料進(jìn)行概述性介紹并以目前已處在應(yīng)用中或處于商業(yè)化前期的NbTi，Nb3Sn，鉍系高溫超導(dǎo)帶材，釔系高溫超導(dǎo)帶材為例介紹超導(dǎo)材料在電力系統(tǒng)和熱核聚變方面的應(yīng)用。

2.超導(dǎo)材料的發(fā)展概況

超導(dǎo)體在超導(dǎo)狀態(tài)下具有零電阻、抗磁性和電子隧道效應(yīng)等奇特的物理性質(zhì)[1]。利用超導(dǎo)體的這些特性可以傳輸大電流、獲得強(qiáng)磁場(chǎng)、實(shí)現(xiàn)磁懸浮、檢測(cè)微弱磁場(chǎng)信號(hào)等，因此超導(dǎo)材料廣泛應(yīng)用于電力、電子、軍事、醫(yī)療、交通運(yùn)輸、高能物理等許多領(lǐng)域。

目前，超導(dǎo)材料已發(fā)現(xiàn)上千種，包括單質(zhì)、合金和化合物。從 1911 年第 1 次發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象到 1985 年，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度最高為鈮三鍺的 23 K，這些超導(dǎo)材料工作在液氦環(huán)境，一般稱為低溫超導(dǎo)材料。1986 年，Bednorz和 Muller 發(fā)現(xiàn)了Tc達(dá)到 30 K 的La-Ba-Cu-O 超導(dǎo)體，標(biāo)志著高溫超導(dǎo)研究的開始。緊接著發(fā)現(xiàn)了 TC超過(guò)液氮溫度(77 K)的Y-Ba-Cu-O(YBCO，Tc= 92 K)、Bi-Sr-Ca-Cu-O(Bi2223，Tc= 110K)，Ti-Ba-Cu-O(Ti2223，Tc=127 K)和 Hg-Ba-Ca-Cu-O(Hg1223，Tc= 134 K)等系列氧化物高溫超導(dǎo)材料，它們可以工作在廉價(jià)的液氮環(huán)境，這類材料被稱為高溫超導(dǎo)材料。1990 年以前，實(shí)用化超導(dǎo)材料的研究主要集中在低溫超導(dǎo)材料。目前，低溫超導(dǎo)材料已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，實(shí)用化超導(dǎo)材料研究主要集中在銅氧化物的高溫超導(dǎo)材料。

雖然近年 來(lái) 各 類 新 型 超 導(dǎo) 材 料 層 出 不 窮，包 括2000 年發(fā)現(xiàn)的二元化合物 MgB2和 2008 年發(fā)現(xiàn)的 FeAs超導(dǎo)材料。然而從實(shí)用的角度特別是就電力能源系統(tǒng)的強(qiáng)電應(yīng)用而言，只有 Bi、Y 系材料才有市場(chǎng)價(jià)值。Fe、Ti和 Hg 系由于含有環(huán)境危害元素和特殊的制備工藝，失去了作為一種實(shí)用超導(dǎo)材料的廣泛性和普適性。

上世紀(jì) 90 年代末，隨著第 1 代 Bi 系超導(dǎo)材料的制備技術(shù)取得重大突破，高溫超導(dǎo)線材很快形成產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)能力，極大地促進(jìn)了超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，如高溫超導(dǎo)電纜、高溫超導(dǎo)限流器、高溫超導(dǎo)變壓器、高溫超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)等已經(jīng)進(jìn)入示范運(yùn)行階段。超導(dǎo)電力技術(shù)的應(yīng)用可望提升電力工業(yè)的發(fā)展水平和促進(jìn)電力業(yè)的重大變革。因此，世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家均把超導(dǎo)電力技術(shù)視為具有經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略意義的高新技術(shù)。美國(guó)能源部認(rèn)為超導(dǎo)電力技術(shù)將是 21 世紀(jì)電力工業(yè)唯一的高技術(shù)儲(chǔ)備，發(fā)展高溫超導(dǎo)電力技術(shù)是檢驗(yàn)美國(guó)將科學(xué)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為應(yīng)用技術(shù)能力的重大實(shí)踐，而日本新能源開發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)則認(rèn)為發(fā)展高溫超導(dǎo)電力技術(shù)是在 21 世紀(jì)的高技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)中保持尖端優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵所在?？梢?，超導(dǎo)技術(shù)越來(lái)越成為1 種不可替代的具有經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略意義和巨大發(fā)展?jié)摿Φ母咝录夹g(shù)。

高溫超導(dǎo)材料可廣泛應(yīng)用于電力、電子、醫(yī)療、國(guó)防軍事、交通運(yùn)輸、高能物理等領(lǐng)域，大致可分為兩大類: 大電流應(yīng)用(強(qiáng)電應(yīng)用)、電子學(xué)應(yīng)用(弱電應(yīng)用)。超導(dǎo)技術(shù)越來(lái)越成為 1 種不可替代的具有經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略意義和巨大發(fā)展?jié)摿Φ母咝录夹g(shù)，將會(huì)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人類社會(huì)的發(fā)展產(chǎn)生巨大推動(dòng)作用。特別值得指出的是: 高溫超導(dǎo)線帶材可制備成各類器件，包括超導(dǎo)儲(chǔ)能、變壓器、電纜、限流器等等廣泛用于先進(jìn)電網(wǎng)之中。正如光纖的發(fā)明催生嶄新的信息時(shí)代，高溫超導(dǎo)線帶材也將帶來(lái)電力工業(yè)史上劃時(shí)代的革命。

目前，世界范圍內(nèi)能源供應(yīng)越來(lái)越緊張，而電能有大量浪費(fèi)在傳輸線上。僅美國(guó)每年在輸電線上的損失就高達(dá) 400 億美元。而如果使用高溫超導(dǎo)線材，不僅可避免這些損失，還可以節(jié)約大量的金屬材料。因?yàn)橥瑯又睆降母邷爻瑢?dǎo)材料的導(dǎo)體能力高于普通銅導(dǎo)線的 100 倍以上。高溫超導(dǎo)線材制成的超導(dǎo)器件具有損耗低、體積小、重量輕和效率高等特點(diǎn)。另外，建設(shè)超導(dǎo)智能電網(wǎng)是解決常規(guī)電纜遠(yuǎn)距離輸電時(shí)對(duì)超高壓電纜及技術(shù)依賴的唯一途徑。例如，從內(nèi)蒙到上海通過(guò)傳統(tǒng)輸電方式至少需要 500 kV 的電壓，而通過(guò)超導(dǎo)電纜僅僅需要 220 V即可輸送。隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展，人們對(duì)電能的需求量日益增長(zhǎng)，電力系統(tǒng)的容量越來(lái)越大，電網(wǎng)將不得不向超大規(guī)模方向發(fā)展，同時(shí)人們對(duì)電能質(zhì)量和安全的要求也越來(lái)越高，急需進(jìn)行電力工業(yè)的革新改造。

同時(shí)，超導(dǎo)材料不僅僅在電力系統(tǒng)方面有著劃時(shí)代的意義，在開發(fā)另一種夢(mèng)幻般的新能源，即可控核聚變方面也有著不可替代的作用,即用作核聚變反應(yīng)堆“磁封閉體”：核聚變反應(yīng)時(shí)，內(nèi)部溫度高達(dá)1億～2億攝氏度，沒有任何常規(guī)材料可以包容這些物質(zhì)。而超導(dǎo)體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)可以作為“磁封閉體”，將熱核反應(yīng)堆中的超高溫等離子體包圍、約束起來(lái)，然后慢慢釋放，從而使受控核聚變能源成為21世紀(jì)前景廣闊的新能源。

為了提高超導(dǎo)導(dǎo)體的冷卻效率，自上世紀(jì) 60年代起人們開始發(fā)展內(nèi)冷導(dǎo)體 － ICC(InternalCooledConductor)，將超導(dǎo)線或銅線纏繞在封閉的中心冷卻管周圍獲取冷量。1975 年，Hoenig、Iwasa 等人在 ICC 的基礎(chǔ)上，發(fā)展出 CICC(Cable－ in － Conduit － Conductor)。由于 CICC 中冷卻劑(主要是液氦)以流體形式直接與電纜接觸，濕表面大，因此較 ICC 換熱效率更高。此外，由于外部鎧甲為內(nèi)部電纜提供了支撐，提高了其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，可承受高電磁載荷。因此，CICC 是目前國(guó)際上公認(rèn)的受控?zé)岷司圩冄b置中的大型超導(dǎo)磁體線圈的首選導(dǎo)體，已廣泛應(yīng)用在加速器、聚變堆等大科學(xué)裝置中，如正在建造中國(guó)際合作 ITER裝置、CERN 的 LHC 裝置、德國(guó)馬普的 W7 － X 裝置等[2]。目前主要使用的是NbTi和Nb3Sn材料。

盡管目前已有數(shù)千種超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)，但具有實(shí)用價(jià)值的僅以下幾種:已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)的NbTi,Nb3Sn，銅氧化物BSCCO(Bi2223,Bi2212)和MgB2，處于商業(yè)化前期的YBCO涂層導(dǎo)體，以及處于實(shí)驗(yàn)室階段的2008年剛發(fā)現(xiàn)的鐵基超導(dǎo)材料?？梢哉f(shuō)，只有低溫超導(dǎo)材料實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模應(yīng)用，當(dāng)前，NbTi和Nb3Sn占超導(dǎo)材料市場(chǎng)的90%，而BSCCO和MgB2處于應(yīng)用示范階段，YBCO涂層導(dǎo)體批量制備尚未實(shí)現(xiàn)，鐵基超導(dǎo)線帶材還處于研發(fā)階段。

3.低溫超導(dǎo)材料

3.1 NbTi

1961年，美國(guó)Hulm等人首先報(bào)道了NbTi超導(dǎo)合金[3]，其很快就在1968被完全產(chǎn)業(yè)化并迅速獲得廣泛應(yīng)用，這主要是由于這種合金具有良好的加工塑性和很高的強(qiáng)度及優(yōu)異的超導(dǎo)性能。還有很重要的一點(diǎn)是這種合金的原材料及制造成本遠(yuǎn)低于其他超導(dǎo)材料。

我們知道，NbTi合金的Tc為9.7 K，其臨界場(chǎng)H可達(dá)12T，可用來(lái)制造磁場(chǎng)達(dá)9 T(4 K)或11 T(1.8 K)的超導(dǎo)磁體。NbTi線可用一般難熔金屬的熔煉方法加工成合金，再用多芯復(fù)合加工法加工成以銅(或鋁)為基體的多芯復(fù)合超導(dǎo)線，最后用時(shí)效熱處理及冷加工工藝使其最終合金由β單相轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袕?qiáng)釘扎中心的兩相(α+β)合金，以滿足使用要求?，F(xiàn)在的多芯復(fù)合NbTi線材的每根截面上排列數(shù)百芯乃至數(shù)萬(wàn)芯NbTi絲，典型產(chǎn)品截面結(jié)構(gòu)見圖1(a)。不同公司工藝流程稍有變化。目前NbTi超導(dǎo)材料主要應(yīng)用于制造核磁共振成像系統(tǒng)(MRI)、實(shí)驗(yàn)室用超導(dǎo)磁體、磁懸浮列車等，其中MRI每年消耗的NbTi超導(dǎo)線約為2500噸左右。因此，NbTi超導(dǎo)材料因其易加工、低成本和耐用，已成為最成功的實(shí)用化、商業(yè)化的超導(dǎo)材料。有理由相信，NbTi超導(dǎo)體在今后一段相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)將繼續(xù)得到廣泛應(yīng)用。3.2 Nb3Sn

產(chǎn)生較高磁場(chǎng)的Nb3Sn材料是由貝爾實(shí)驗(yàn)室Matthias于1954年發(fā)現(xiàn)的[4]，但因?yàn)槠浯嘈源?、硬度高，因而直?970年代初才實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。Nb3Sn是一種具有A15晶體結(jié)構(gòu)的鈮錫金屬間化合物，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為18K，在4.2 K時(shí)的上臨界磁場(chǎng)可達(dá)25 T, 4.2K/l0T磁場(chǎng)下能承載的臨界電流密度約為5×10^5 A/cm2，因此，Nb3Sn主要用于制作10-23 T的超導(dǎo)磁體。Nb3Sn材料因其脆性不能按照NbTi線同樣的工藝制備，歷史上先后嘗試過(guò)多種制造方法，如氣相沉積法、青銅法、擴(kuò)散法、內(nèi)錫法以及粉末裝管法等。雖然各有優(yōu)缺點(diǎn)，加工工藝均較復(fù)雜，產(chǎn)品的力學(xué)性能差。實(shí)際上，青銅法一直是各種商品化Nb3Sn實(shí)用材料的主要制造工藝。

Nb3Sn導(dǎo)體主要應(yīng)用于核磁共振儀，磁約束核聚變以及高能物理的高場(chǎng)磁體領(lǐng)域，如2011年Bruker公司已采用Nb3Sn開發(fā)了23.5 T,1 GHz的NMR系統(tǒng)。除Nb3Sn以外，比較著名的A15化合物中還有Nb3Al，其T和H比Nb3Sn要高，分別達(dá)19.1 K和32.4 T。Nb3A1是當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)[5]，主要由于它具有優(yōu)異的應(yīng)變特性，但是這種材料的加工窗口更窄，制備更為困難。目前日本國(guó)立材料科學(xué)研究所((NIMS)對(duì)該材料的研究工作較為突出，已能制備高性能長(zhǎng)線，并實(shí)驗(yàn)繞制了高場(chǎng)內(nèi)插線圈。

NbTi和Nb3Sn是目前應(yīng)用最為廣泛的兩種超導(dǎo)材料。至今，用NbTi合金線材繞制一個(gè)8T的超導(dǎo)磁體，用Nb3Sn線材繞制一個(gè)15 T的超導(dǎo)磁體已經(jīng)不存在任何的技術(shù)問(wèn)題。這些導(dǎo)線的主要生產(chǎn)廠家是美國(guó)牛津超導(dǎo)((OST)公司、歐洲先進(jìn)超導(dǎo)公司((EAS)、日本古河公司以及英國(guó)Luvata公司、中國(guó)西部超導(dǎo)公司等。值得一提的是，我國(guó)西部超導(dǎo)公司近年來(lái)承擔(dān)了國(guó)際ITER計(jì)劃的69% NbTi超導(dǎo)線材和7%Nb3Sn超導(dǎo)線材任務(wù)。通過(guò)參與ITER計(jì)劃，大大提升了我國(guó)低溫超導(dǎo)導(dǎo)線研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化能力，成為ITER項(xiàng)目超導(dǎo)線的重要供貨商。

圖 1 實(shí)用化超導(dǎo)導(dǎo)線的界面結(jié)構(gòu) 高溫超導(dǎo)材料

4.1 鉍系高溫超導(dǎo)帶材

1988年，日本NIMS的Maeda發(fā)現(xiàn)了臨界溫度達(dá)110 K的秘系（BiSrCaCuO)氧化物超導(dǎo)體[6]，后經(jīng)證實(shí)他們得到的是Bi2212和Bi2223的混合物，Bi2223的Tc為110 K，而Bi2212的Tc是90 K。鉍系超導(dǎo)相是一種陶瓷結(jié)構(gòu)，無(wú)法直接加工成帶材。通常采用粉末裝管法（PIT)，即將脆性的超導(dǎo)粉包裹在金屬套管里制備成導(dǎo)線。Bi2223帶材工藝流程一般是先將原料粉末裝入銀管，通過(guò)拉拔軋制，然后退火熱處理，見圖2。經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，利用這種方法，可以開發(fā)出長(zhǎng)度為千米級(jí)的秘系多芯超導(dǎo)線材，且技術(shù)已經(jīng)比較成熟，已達(dá)到商業(yè)化生產(chǎn)水平（被稱為第一代高溫超導(dǎo)帶材)。目前工業(yè)化生產(chǎn)的Bi2223超導(dǎo)長(zhǎng)線的臨界電流（截面積為1 mm2的超導(dǎo)導(dǎo)線在77 K溫度和0T條件下)一般在100 A以上，最好的能達(dá)到200 A。

圖 2采用粉末套管法制備Ｂi２２２３帶材的工藝流程

具備Bi2223長(zhǎng)線批量化生產(chǎn)能力的廠家主要有美國(guó)超導(dǎo)體公司、德國(guó)布魯克公司、日本住友公司、北京英納公司等（前2家公司已停產(chǎn))。目前Bi2223導(dǎo)線已基本滿足實(shí)用要求，并且已在超導(dǎo)輸電電纜、磁體、發(fā)電機(jī)、變壓器、限流器等多個(gè)項(xiàng)目中獲得示范應(yīng)用，特別是中國(guó)科學(xué)院電工研究所成功研制了世界首座超導(dǎo)變電站并進(jìn)行了并網(wǎng)試驗(yàn)。真正接人電網(wǎng)進(jìn)行商業(yè)運(yùn)行的1 km長(zhǎng)三相Bi2223超導(dǎo)電纜安裝在德國(guó)小城Essen,其電壓為10 kV，總功率為40 MVA。自從2014年10月正式替代原來(lái)一根110 kV的銅電纜以來(lái)，已安全運(yùn)行了近1年。

然而Bi2223超導(dǎo)體具有較強(qiáng)的各向異性，在液氮溫區(qū)的不可逆場(chǎng)較低（<0.5 T)，在較小的磁場(chǎng)下，其臨界電流會(huì)顯著降低，不適合用于強(qiáng)磁場(chǎng)場(chǎng)合。因此，在液氮溫區(qū)，Bi2223超導(dǎo)體主要面向“超導(dǎo)電纜”應(yīng)用。

4.2 釔系高溫超導(dǎo)帶材

臨界溫度達(dá)93 K的釔系（YBaCuO,縮寫為YBCO)超導(dǎo)體是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的Tc超過(guò)77 K的高溫超導(dǎo)體[7]。和Bi2223相比，YBCO的各向異性γH較弱，約為5-7左右，同時(shí)在77 K時(shí)具有很高的不可逆場(chǎng)，高達(dá)7T，也就是說(shuō)，釔系可以在77 K強(qiáng)磁場(chǎng)下承載較大的臨界電流，是真正的液氮溫區(qū)下強(qiáng)電應(yīng)用的超導(dǎo)材料。由于YBCO帶材在強(qiáng)磁場(chǎng)下具有更為優(yōu)異的性能，近年來(lái)，它已成為超導(dǎo)材料的研究熱點(diǎn)，研究重點(diǎn)是降低成本和提高性能。但是釔系超導(dǎo)體晶粒間結(jié)合較弱，難以用傳統(tǒng)的PIT工藝制備帶材，其成材通常建立在薄膜外延生長(zhǎng)技術(shù)上，稱為第二代高溫超導(dǎo)帶材（也稱為涂層導(dǎo)體)。

第二代高溫超導(dǎo)帶材主要是由金屬基帶、多層隔離層、YBCO超導(dǎo)層、保護(hù)層等組成。金屬基帶一般為Ni或者Ni合金（如哈氏合金)，甚至不銹鋼，其厚度為50-100 μm，其上沉積總厚度小于1μm的幾層隔離層，隨后外延生長(zhǎng)1-4 μm的YBCO超導(dǎo)層，最后覆蓋幾個(gè)μm的保護(hù)層，典型結(jié)構(gòu)見圖1。這樣的工藝結(jié)構(gòu)主要是為了得到具有雙軸織構(gòu)特性的YBCO超導(dǎo)層，從而最大程度地避免材料中的大角度晶界，消除超導(dǎo)相之間的弱連接，獲得大的傳輸電流?？棙?gòu)化基帶的制備工藝路線主要有3種: 軋制輔助雙軸織構(gòu)基帶技術(shù)（RABiTS)、離子束輔助沉積技術(shù)（IBAD)、傾斜襯底技術(shù)（ISD)。隔離層一般采用磁控濺射或脈沖激光沉積獲得，除了具有阻擋原子擴(kuò)散的作用外，還具有將織構(gòu)傳遞給超導(dǎo)層的作用。超導(dǎo)層的幾種主流沉積方法有: 脈沖激光沉積(PLD）、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、金屬有機(jī)沉積(MOD)以及電子束共蒸發(fā)（CE)技術(shù)等。采用上述工藝獲得的YBCO薄膜臨界電流密度JC一般在106-107 A/cm2，之間（77 K,0 T)。目前YBCO薄膜的研究重點(diǎn)是:一個(gè)是引入人工釘扎中心，進(jìn)一步提高磁場(chǎng)下的JC;另一個(gè)是通過(guò)增加YBCO薄膜的厚度來(lái)提高涂層導(dǎo)體的臨界電流。

自1999年第一根100 m長(zhǎng)YBCO帶材被制備出來(lái)以后，第二代高溫超導(dǎo)帶材的研發(fā)單位已逐步發(fā)展成為以企業(yè)公司為主，主要的研發(fā)單位為:美國(guó)Superpower公司，日本Fujikura和SWCC公司，美國(guó)AMSC公司，德國(guó)THEWA公司以及韓國(guó)SuNAM公司等。其中美國(guó)Superpower公司是世界上第一家制備出千米級(jí)(1065 m, 2009年)的YBCO帶材廠商，目前仍然保持著長(zhǎng)度方面的世界紀(jì)錄。該公司生產(chǎn)的首根1065 m長(zhǎng)YBCO帶材的最小電流是282 A/cm，整根帶材的負(fù)載電流(電流ICx長(zhǎng)度L)超過(guò)300000 A·m。值得一提的是，韓國(guó)通過(guò)設(shè)立“應(yīng)用超導(dǎo)技術(shù)發(fā)展先進(jìn)能源系統(tǒng)”的10年計(jì)劃(即DAPAS計(jì)劃)，經(jīng)過(guò)有效組織、整合，采用合適的技術(shù)路線，近年來(lái)獲得了突破性的進(jìn)展，于2012年成功研制出1000 m長(zhǎng)的YBCO帶材，其負(fù)載電流達(dá)到422 A×1000 m = 422000 A·m。近幾年來(lái)，我國(guó)進(jìn)行YBCO帶材產(chǎn)業(yè)化研發(fā)的主要單位有上海超導(dǎo)科技公司、蘇州新材料研究所以及上海上創(chuàng)超導(dǎo)公司等。

YBCO帶材的緩沖層及超導(dǎo)層，多采用真空沉積法制備，復(fù)雜的薄膜制備工藝不僅導(dǎo)致其成材率較低，而且價(jià)格至今也遠(yuǎn)高于第一代Bi2223導(dǎo)線。因此，今后面臨的挑戰(zhàn)是進(jìn)一步優(yōu)化制造工藝，提高電流性能，降低成本，這樣才有望獲得規(guī)?；碾娏?yīng)用。

5.小結(jié)

如文中所述，實(shí)用化超導(dǎo)材料NbTi, Nb3Sn, Bi2223均是采用拉拔、擠壓或軋制等機(jī)械加工工藝獲得超導(dǎo)線帶材，該方法制造成本低廉，易于規(guī)?；苽?，而YBCO導(dǎo)體必須采用多層鍍膜的方法，需要人們付出更多的努力，才能獲得真正意義上的低成本、高性能YBCO帶材。

以NbTi, Nb3Sn為代表的低溫超導(dǎo)體已實(shí)現(xiàn)了商品化，其制備工藝及性能發(fā)展已完全成熟，并得到廣泛的應(yīng)用，尤其是在全球醫(yī)療和科學(xué)儀器方面，如用于醫(yī)學(xué)診斷的核磁共振成像儀和用于譜線分析的核磁共振儀以及高能物理實(shí)驗(yàn)用的磁體。其中在高能物理實(shí)驗(yàn)中更是有可能在不久的將來(lái)實(shí)現(xiàn)可控核聚變，人類將獲得永不枯竭的能源。

我們相信，隨著實(shí)用化超導(dǎo)材料的進(jìn)一步提高和技術(shù)的成熟，人類的社會(huì)將在能源，通訊以及更多的方面出現(xiàn)劃時(shí)代的變革。

參考文獻(xiàn)

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