超导陶瓷之一

1911年荷兰物理学家卡·翁纳斯（K.Onnes)研究水银在低温下的电阻时，发现当温度降至4. 2K以下，水银的电阻突然消失，呈现超导电状态。后来又陆续发现了10多种金属（如Nb、Tc、Pb、La、V、Ta等）都有这种现象。从超导现象发现以来到20世纪50年代的40多年中，超导材料的临界温度Tc停留在4. 2K的水平。这时发展的主要是Nb-Zr、Nb-Ti、Nb3Sn等合金和化合物。这些合金和化合物的临界磁场强度Hc可达4~8T。60年代到70年代，Nb3Sn进一步得到发展。此外，钒三镓（V3Ga)、铌三铝（Nb3Al)等化合物也得到了发展，Tc达到23K以上，Hc达10~20T。也就是说，至1986年以前经过漫长的70多年，Tc以大约0.5K/年的速度增长。

1986年国际商用机器公司（IBM)苏黎世实验室的Muller和Bednorz等人研究Ba-La-Cu-O系氧化物混合相烧结体时发现了Tc高达35K的超导转变，这预示着有高温下实现超导的可能性。这项研究成果一发表即引起了全世界范围内的强烈反响，他们两人因此而获得了1988年度诺贝尔物理学奖。包括我国在内，美国、日本、前苏联等国都投入了大量的人力和物力进行相关的研究。1987年2月24日中国科学院物理研究所发表了起始转变温度为100K以上的Y-Ba-Cu-O系超导陶瓷，各国相关科研人员随即掀起了一股研究超导陶瓷新材料、基础理论、超导新机制及应用的热潮。新型超导陶瓷的开发突破了传统BCS(电－声子理论）超导理论临界温度极限——40K。由于超导陶瓷与金属或合金材料在结构上的明显区别，传统的超导电理论已不适应。目前传统的BCS理论和量子理论无法圆满地解释高温超导电现象，人们期盼着新的高温超导陶瓷的超导电机理将在世界各国科学家的共同努力下不断完善和解决。

多年来对高温超导陶瓷材料的理论和应用研究一直受到科技界和各国政府的高度重视。对Y-Ba-Cu-O系采用元素置换法探讨新的高Tc超导陶瓷的工作进行得很广泛，主要以新元素代替Ba和Y的位置。这些元素有Sc、La、Pr、Nb、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Th、Pb、Ag等，这些元素取代的结果，Y-Ba-Cu-O系的零电阻温度大多在85K以上，最高为94K左右。除此之外，Bi-Sr-Ca-Cu-O系也是人们非常关心的，该系超导陶瓷中不含稀土元素，烧结温度低，零电阻温度为84K,据有关研究，该系可能存在Tc=120K,零电阻温度为110K的高温超导相，并认为通过改善配比及工艺条件，该超导陶瓷的研制成功的可能性很大。

根据磁化测量的结果，新发现的Y-Ba-Cu-O系等超导体属于第二类超导体。从1986年以来新型高Tc超导体的发现及研究的结果表明，目前还难于对超导陶瓷进行确切的分类，这有待于进一步深入地对超导陶瓷材料，尤其是高Tc超导陶瓷材料进行研究，以及对超导机制的不断完善或建立新的超导机制。

超导现象虽然发现甚早，20世纪30年代就已建立起超导理论的基础，50年代又出现了超导微观理论。但是，在应用上的突破却是在60年代以后。接着出现了Nb-Zr、Nb-Ti等一系列超导合金和化合物，逐步形成了一个新的技术领域——超导技术。

自20世纪80年代高温超导材料取得突破性进展并由此导致世界“超导热”的兴起，使世界半个多世纪对超导材料的研究进入了一个崭新阶段。但是，由于发展迅速而且时间较短，有关理论尚在逐步形成和探索之中，能否制成更具实用价值的新型陶瓷超导体，还在不断地研究之中。