超导陶瓷之二

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。所以,本章仅对超导陶瓷作一般性介绍。

1.超导体

超导体(Superconductor),是指当某种物质冷却到低温时电阻突然变为零,同时物质内部失去磁通成为完全抗磁性的物质。每一种超导体都有一定的超导转变温度,即物质由常态转变为超导态的温度称其为超导临界温度(Critical Temperature)用Tc表示。不同超导材料的超导临界温度是不同的。超导临界温度一般以绝对温度(K)来表示。

判断材料是否具有超导性,有两个基本的特征:超导电性,指材料在低温下失去电阻的性质;完全抗磁性,指超导体处于外界磁场中,磁力线无法穿透,超导体内的磁通量为零。

总之,超导体呈现的超导现象取决于温度、磁场、电流密度的大小,这些条件的上限分别称为临界温度(Tc)、临界磁场(Hc)、临界电流密度(Ic)。从超导材料的实用化来看,归根结底,最重要的是如何提高这三个物理特性。

2. 超导体的分类

超导体的分类目前尚不明确,也很难进行分类,但就目前已知的超导体来说,大致可以这样来分类:

(1)从材料来分类,可分为三大类,即元素超导体、合金或化合物超导体、氧化物超导体(即超导陶瓷)。

(2)从低温处理方法来分,可分为液氦温区超导体(4. 2K以下)、液氢温区超导体(20K以下)、液氮温区超导体(77K以下)和常温超导体。

元素超导体,目前已知的有20多种,包括Be、Al、Ti、V、Zn、Ga、Ge、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Cd、In、Sn、La、Ta、W、Re、Os、Ir、Hg、Tl、Pb、Th、U等。其中Nb的临界温度最高(9. 1K)。合金或化合物超导体,目前已超过1000种,具有最高临界温度的Nb3X和V3X(其中X可以是Ga、Al、Si,也可以是Ge或Sn),以合金Nb3Ge的临界温度最高(23. 2K)。

氧化物超导体(即超导陶瓷 Superconducting Ceramics)为最新发展起来的超导材料,这类超导陶瓷的临界温度,由于研究者不同、工艺方法不同,报道也不同。

镧系氧化物超导陶瓷

 

3.超导陶瓷的晶体结构

氧化物超导陶瓷的分子式YBa2Cu3O7-x,Y可以被其他稀土元素,特别是重稀土元素取代,用Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Tb和Lu取代Y后形成相应的超导单相或多相材料。

YBa2Cu3O7-x有两个相,一个是四方相(P4m2),另一个是正交相(Pmmm),这两种结构都起源于ABO3型钙钛矿结构。

高温下为四方结构,低温下为正交结构,转变温度在600~700℃之间,是有序-无序转变。正交相是高温超导相,四方相是半导体。

超导结构的晶体结构,有的已经定论,有的还没有。根据晶体结构来分析,Tc高的原因或超导原因在Cu-O层。

随着对超导体的深入研究和发展,将会不断揭示其晶体结构与超导电性的关系。

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