高温超导材料结构

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为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划高温超导材料结构　　高温超导材料　　摘要：简要介绍了高温超导材料及其发展历史，对超导材料的发展现状和用途进行说明，对目前超导材料的主要研制方法进行了分析。关键词：超导材料研究进展高温应用　　一、高温超导材料的发展背景及其发展历史　　高温超导体通常是指在液氮温度以上超导的材料。人们在超导体被发现的时候，就被其奇特的性质所吸引。但在此后长达七十五年的时间内所有已发现的超导体都只是在极低的温度制冷环境中使用，主要分为两种：钇钡铜氧和铋锶钙铜氧(BSCCO)。钇钡铜氧一般用于制备超导薄膜，应用在电子、通信等领域；铋锶钙铜氧主要用于线材的制造。　　1911年，荷兰莱顿大学的卡末林·昂尼斯意外地发现，将汞冷却到-°C时，汞的电阻突然消失；后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，卡末林·昂尼斯称之为超导态，他也因此获得了1913年诺贝尔奖。目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质，当金属处在超导状态时，这一超导体内的磁感应强度为零，却把原来存在于体内的磁场排挤出去。对单晶锡球进行实验发现：锡球过渡到超导状态时，锡球周围的磁场突然发生变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了，人们将这种现象称之为“迈斯纳效应”。　　自卡麦林·昂尼斯发现汞在附近的超导电性以来，人们发现的新超导材料几乎遍布整个元素周期表，从轻元素硼、锂到过渡重金属铀系列等。超导材料的最初研究多集中在元素、合金、过渡金属碳化物和氮化物等方面。至1973年，发现了一系列A15型超导体和三元系超导体，如Nb3Sn、V3Ga、Nb3Ge，其中Nb3Ge超导体的临界转变温度(Tc)值达到。以上超导材料要用液氦做致冷剂才能呈现超导态，因而在应用上受到很大限制。1986年柏诺兹和缪勒发现了35K超导的鑭钡铜氧体系。这一突破性发现导致了更高温度的一系列稀土　　钡铜氧化物超导体的发现。通过元素替换，1987年初美国吴茂昆等和我国物理所赵忠贤等宣布了90K钇钡铜氧超导体的发现，第一次实现了液氮温度这个温度壁垒的突破。柏诺兹和缪勒也因为他们的开创性工作而荣获了1987年度诺贝尔物理学奖。目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　这类超导体由于其临界温度在液氮温度以上，因此通常被称为高温超导体。液氮温度以上钇钡铜氧超导体的发现，使得普通的物理实验室具备了进行超导实验的条件，因此全球掀起了一股探索新型高温超导体的热潮。1987年底，我国留美学者盛正直等首先发现了第一个不含稀土的铊钡铜氧高温超导体。1988年初日本研制成临界温度达110K的铋锶钙铜氧超导体。1988年2月盛正直等又进一步发现了125K铊钡钙铜氧超导体。几年以后法国科学家发现了135K的汞钡钙铜氧超导体　　高温超导体的发展现状　　目前，高温超导材料指的是：钇系(92K)、铋系(110K)、铊系(125K)和汞系(135K)以及XX年1月发现的新型超导体二硼化镁(39K)。其中最有实用价值的是铋系、钇系(YBCO)和二硼化镁(MgB2)。氧化物高温超导材料是以铜氧化物　　为组分的具有钙钛矿层状结构的复杂物质，在正常态它们都是不良导体。同低温超导体相比，高温超导材料具有明显的各向异性，在垂直和平行于铜氧结构层方向上的物理性质差别很大。高温超导体属于非理想的第II类超导体。且具有比低温超导体更高的临界磁场和临界电流，因此是更接近于实用的超导材料。特别是在低温下的性能比传统超导体高得多。目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　高温超导材料已进入实用化的研究开发阶段，氧化物复合超导材料的耐用(robustness)和稳定性已引起材料科学家的广泛重视。由于高温超导薄膜材料较早进入电子学器件的应用领域，很多学者做了薄膜材料与环境相关的稳定性和寿命研究工作。浸泡实验是一种常用的方法：在不同试剂(水、酒精和丙酮等)、不同气氛(干氮、湿氮和流动氧等)中做周期循环和热时效疲劳试验。研究表明，超导电性的退化主要来自于杂相(第二相)及时效过程中的析出相。美国西北大学的Mirkin建议把在其它材料中应用已十分广泛的分子单层表面化学改性(又称“自装配，Selfassembly”)引入到高温超导铜氧化合物中来。例如用有机物对YBCO表面进行分子单层表面改性，以此改善薄膜对环境的敏感性。　　高温超导带材以铋锶钙铜氧(BSCCO/2223)系为第一代带材，它以优良的可加工性而得到了广泛的开发，并在超导强电应用领域占据重要位置。但铋系材料的实用临界电流密度较低，并且在77K的应用磁场也很低。相反，YBCO材料在77K的超导电性远优于BSCCO材料；然而它的可加工性却极差，传统的压力加工和热处理工艺难以做出超导性好的带材。　　近年来随着材料科学工艺技术的发展，一种在轧制(rolling)金属基带上　　制造YBCO超导带材的工艺　　受到极大重视，并被冠以　　“下一代”高温超导带材或　　“第二代”带材。有两种基　　本技术方案：(1)以美国橡　　树岭国家实验室(ORNL)　　为代表的一个方案，称作　　轧制双取向金属基带法目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　(RABiTS)。会上Specht报告　　了基带的退火织构稳定性　　分析，并在1m长的取向金属　　基带上用激光沉积YBCO外　　延膜。　　欧洲以德国、丹麦等为　　代表，努力开展高温超导材　　料工艺及应用研究。丹麦的　　NKT已批量制造铋系超导带　　材。长10m、XXA的超导　　电力电缆正在研制中，下一　　步开发三相、50～100m输电电缆。西门子公司计划到XX年制成20MVA的超导变压器。用于电子学方面探伤的RF-SQUID及卫星通讯用高温超导滤波器也在试制之中。　　二、高温超导材料的制备工艺　　为适应各种应用的要求，高温超导材料主要有：膜材(薄膜、厚膜)、块材、线材和带材等类型。　　1、薄膜目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　高温超导体薄膜是构成高温超导电子器件的基础，制备出优质的高温超导薄膜是走向器件应用的关键。高温超导薄膜的制备几乎都是在单晶衬底(如SrTiO3、LaAlO3或MgO)上进行薄膜的气相沉积或外延生长的。经过十年的研究，高温超导薄膜的制备技术已趋于成熟，达到了实用化水平(Jc>106　　Ac·m?2,T=77K)。目前，最常用、最有效的两种镀膜技术是：磁控溅射(MS)和脉冲激光沉积(PLD)。这两种方法各有其独到之处，磁控溅射法是适合于大面积沉积的最优生长法之一。脉冲激光沉积法能简便地使薄膜的化学组成与靶的化学组成达到一致，并且能控制薄膜的厚度。　　2、厚膜　　高温超导体厚膜主要用于HTS磁屏蔽、微波谐振器、天线等。它与薄膜的区别不仅仅是膜的厚度，还有沉积方式上的不同。其主要不同点在以下三个方面：　　(1)通常，薄膜的沉积需要使用单晶衬底；(2)沉积出的薄膜相对于衬底的晶向而言具有一定的取向度；(3)一般薄膜的制造需要使用真空技术。获得厚膜的方法有很多：如热解喷涂和电泳沉积等，而最常用的技术是丝网印刷和刮浆法，这两种方法在电子工业中得到了广泛的应用。　　3、线材、带材目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　超导材料在强电上的应用，要求高温超导体必须被加工成包含有超导体和一种普通金属的复合多丝线材或带材。但陶瓷高温超导体本身是很脆的，因此不能被拉制成细的线材。在众多的超导陶瓷线材的制备方法中，铋系陶瓷粉体银套管轧制法(AgPIT)是最成熟并且比较理想的方法。而压制出铋系带材的临界电流密度比通过滚轧技术制备出带材的临界电流密度要高得多。　　4、块材　　最初的氧化物超导体都是用固相法或化学法制得粉末，然后用机械压块和烧结等通常的粉末冶金工艺获得块材，制备方法比较简单。但Tc达到了一定的高度，而载流能力Jc太低，则不能满足应用的要求，因此必须要提高其临界电流密度。经过多年的研究，采用定向凝固技术制备出的无大角度晶界的YBa2Cu3O7?x块材，其Jc值可达105A·m?2(77K)。　　三、高温超导材料的应用　　综合目前超导技术的发展情况，超导技术可以在以下行业得到应用和拓展：　　1、电力　　超导技术与电力技术的结合将给电力行业的发、输、配电带来革命性的改变，电力行业是超导产业最重要的应用场所与市场。超导技术在电力中的应用主要包括：　　1）高温超导电缆　　现有电缆的扩容问题一直困扰着城市电力的发展。传统的城市地下输电电缆存在着通量小、损耗大、对土壤和地下水有热污染及油污染、土建费用高等问题，城市电力扩容变得越来越困难。高温超导电缆具有体积小、造价低、高节能、无污染等优点，具有巨大的经济效益和环保效益，终将替代传统电缆。目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　高温超导电缆的大规模应用能够极大地提高电力输电系统的运行效率，降低运行成本。目前国际上高温超导电缆的总体发展趋势是研制大容量、低交流损耗、超长高温超导电缆。据专家估计，高温超导电缆最有可能率先实现实用化和商业化。　　2）超导电机：　　电动机是最常用的电气设备，但传统电动机耗电量极大。美国工业界专家估计，1,000马力以上的工业用电动机大约要消耗美国能源的25%。与常规电机相比，超导电机具有节能性好、体积小、单机容量大、造价及运营成本低、稳定性能好等优点，具有很好的经济效益和环保效益。供给同样的功率，超导电机的尺寸是常规电机的1/3，制造成本可降低40%，电流损耗可减少50%，运行成本可降低50%。美国能源部估计，高温超导电动机的低损耗每年可减少数十亿美元的运行费用。　　在军事上战舰应用高温超导电机，其舰船体积重量更小，空间布置更灵活，推进系统运行更加可靠，效率更高，控制更方便，调速性能更好，能大大提高隐蔽性，达到高速安静运行，具有重要的军事意义。　　3）超导变压器：目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　常规变压器有许多缺点，如负载损耗高、重量和尺寸大、过负载能力低、没有限流能力、油污染及寿命短等。在美国，变压器的总装机容量约为总发电量的3-4倍，其电力系统的网损约为总发电量的%，其中25%为变压器损失。相比较而言，超导变压器体积小、重量轻、电压转换能量效率高、火灾环境事故机率低、无油污染等优点，在提高电力系统的可靠性和运行性能、降低成本、节约能源、保护环境等方面有着重要的现实意义。　　4）超导限流器：　　限流器是一种提高电网稳定性的电力设备。随着社会的发展,对电网的质量要求越来越高，而传统的限流器很难在短时间内对电网的脉冲电流起到限制作用。高温超导限流器正好祢补了传统限流器的缺点，其限流时间可小于百微秒级，能快速和有效地起到限流作用。超导限流器是利用超导体的超导态-常态转变的物理特性来达到限流要求，它可同时集检测、触发和限流于一身，被认为是当前最好的而且也是唯一的行之有效的短路故障限流装置。1989年以来，美国、德国、法国、瑞士和日本等都相继开展了高温超导限流器的研究。当前，国际上适应配电系统的高温超导限流器的技术性能已经接近应用的水平，但大体上仍处在示范试验阶段。　　5）超导储能装置目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　超导储能装置是利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其他负载的一种电力设施。由于储能线圈由超导线绕制且维持在超导态，线圈中所储能几乎无损耗地永久储存下去直到需要释放时为止。超导储能装置不仅可用于调节电力系统的峰谷或解决电网瞬间断电对用电设备的影响，而且可用于降低或消除电网的低频功率震荡从而改善电网的电压和频率特性，同时还　　国内外高温超导材料的研究发展概述　　***　　摘要　　超导材料技术是21世纪具有战略意义的高新技术，极具发展潜力和市场前景。本文主要从美国、日本、欧洲国家、韩国等国外国家的相关研发计划、政策以及主要科研机构的研发概况出发，结合中国发展现状阐明目前国内外超导材料技术的研究政策和方向。　　关键词：超导材料技术；超导计划；超导应用；超导发展；研究方向中图分类号：文献标识码：文章编号：　　Thedevelopmentandapplicationofhightemperature　　superconductingmaterials　　***　　Abstract目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　Superconductingmaterialsandtechnologiesarestrategicallyhigh-techinthe21stcentury,andhavehighlypotentialandmarketprospects.ThispaperanalyzedtheR&DprogramsandpoliciesoftheUnitedStates,Japan,Europeancountries,SouthKorea,aswellasR&Dprioritiesofmajorscientificresearchinstitutions,introducedthecurrentprogressofsuperconductingmaterialsandtechnologiesresearchpoliciesandprioritiesabroad.　　Keywords:Superconductingmaterialsandtechnologies,SuperconductivityProjects,R&Dinstitu-tes,Researchpriorities　　0引言　　超导材料技术是二十一世纪具有战略意义的高新技术，极具发展潜力和市场前景。世界各发达国家政府纷纷制订相关计划和加大研发投资，积极开展超导材料技术开发和应用。美国、欧洲各国、日本、韩国和中国都竞相开展高温超导电缆、超导故障限流器、超导变压器、超导电机和超导储能装置等的研究，竞争十分激烈。超导材料技术的发展趋势是不断探求更高温度的超导体，实现高温超导材料产业化，使超导材料技术应用更加广泛，主要包括能源、交通运输、电子技术、医疗卫生、军事、重大科学装置等领域，也必将引起这些领域的重大变革。目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　在国际上超导材料具有巨大的市场空间，我国政府和相关行业也将目光投向这一高科技含量的领域，在我国XX~2020年中长期科技发展规划中，高温超导　　技术被列为前沿技术被列为新材料技术的发展方向之一。　　1高温超导材料的发展历史　　1911年，荷兰莱顿大学的卡林·昂尼斯意外地发现，将汞冷却到-℃时，汞的电阻突然消失；后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，卡末林·昂尼斯称之为超导态。　　自卡末林·昂尼斯发现汞在附近的超导电性以来，人们发现的新超导材料几乎遍布整个元素周期表，从轻元素硼、锂到过渡重金属铀系列等。超导材料的最初研究多集中在元素、合金、过渡金属碳化物和氮化物等方面。至1973年，发现了一系列A15型超导体和三元系超导体，如Nb3Sn、V3Ga、Nb3Ge，其中Nb3Sn超导体的临界转变温度值达到。以上超导材料要用液氦做致冷剂才能呈现超导态，因而在应用上受到很大限制。　　图1超导材料的发展历程目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　1986年超导材料的研究取得了突破性进展，IBM瑞士研究中心norz和发现了超导转变温度为35K的La-Ba-Cu-O，镧系）高温氧化物超导体。镧-钡-铜-氧达到90K以上的钇-钡-铜-氧化合物，至此，超导材料的研究进入了液氮温区。随后短短的数年内，人们又相继发现了稀土系、铋系，Tc为93K）、铊系，Tc为120K）和汞系，Tc为130K）等氧化物超导材料，在加压条件，Hg-Ba-Ca-Cu-O氧化物的最高Tc可达160K。这类氧化物超导材料的临界转变温度远高于25K，可以工作在廉价的液氮环　　境中，所以这类氧化物超导材料被称为高温超导材料。到目前为止，发现的5000多种超导材料中，高温超导材料约有50多种，但是研究较多的是镧系、稀土系、铋系、汞系、铊系和新型超导体二硼化镁6类材料。到目前为止，研究最广泛的是铋系、钇系氧化物和二硼化镁。　　XX年2月，东京工业大学研究小组合成了氟掺杂杉氧铁砷化合物，把该化合物中的一部分氧离子转换成氟离子，它就开始表现出超导性，并且在26K时具有超导特性。同年，中科院物理所科研小组报告，锶掺杂锢氧铁砷化合物的超导临界温度为25k，该发现最大的意义在于实现了高温超导基础研究领域上新的突破，为新型高温超导研究指明了一个新的方向，新的铁基超导材料将激发物理学界新一轮的高温超导研究高潮。　　2国外高温超导体的发展现状　　目前，高温超导材料已进入实用化的研究开发阶段，氧化物复合超导材料的耐用和稳定性引起材料科学家的广泛重视。下文将对国外的有关研究进行概述。　　美国超导材料技术目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　XX年6月美国能源部DOE发布了超导技术基础研究需求报告，指出超导技术在应用、涡旋物质超导理论、新现象和超导材料5个方面的基础研究挑战，明确了新超导体的探索与发现、原子级超导体的结构与性能控制、优化超导材料输电能力、理解和开发竞争电子相、超导性能与超导体理论预测、揭示高Tc超导性的基本理论、发展涡旋物质科学等未来7个优先研究方向，以及合成、表征、理论集成新工具和超导利用新能材料2个交叉研究方向。表1为美国超导技术基础研究现状与挑战[15]。　　表1超导技术基础研究现状与挑战　　基础研究　　?　　?目前现状铜酸盐超导体涂层导体制备　　YBCO涂层　　MgB2　　钉扎涡旋和弱键连　　固态涡旋物质钉扎　　输电能力限制　　结构涡旋变换　　MgB2双超导能隙目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　涡旋中心微观理论?挑战第二代导体研究与开发?更高的临界电流、交流电损失?沉积动力学与反应?低温学支撑技术研发:冷藏系统、低温电介质、低能电子学?发展交流电磁场下涡旋玻璃态理论?超导应用???接?发展涡旋钉扎微观理论涡旋物质????了解各界面和断层处涡旋钉扎行为?开发新方法增强涡旋钉扎，提高临界电流密度达到理论极限?理清累积钉扎效应性能?了解极高超临界电流下涡旋电气力学?自组装纳米周期阵列设计，实现高密度一对一涡旋钉扎方案?　　表1超导技术基础研究现状与挑战　　基础研究　　涡旋物质?目前现状?未来超导体的涡旋性能?　　?　　?　　?　　?　　?　　?超导理论挑战利用铁磁缺陷设计磁性钉扎方案开发新一代成像工具，如洛伦兹显微镜、磁力显微镜等超导BSC理论超导态:电子对相干态将电子结合成对的超导胶提高Tc:寻找不同的超导胶探索临界温度的基本限制检测新型超导体的新工具，如扫描　　隧道显微镜、光传导、角分辨光电　　子谱、非弹性中子散射光谱　　赝隙相性质目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　超导涡旋中心的电子态　　平面隧道和Andreev反射光谱学　　高临界场是否适于电子对分离　　量子相转变作用　　量子物质新兴形态　　新兴实验技术　　电磁磁化综合制图　　原子尺度电磁结构成像　　电子与电子对动力学过程与作用　　新型超导体探索中的理性设计　　新型合成方法　　纳米尺度超导结构???新型超导体?????新现象高温超导体?????超导材料??探索新型超导体材料先进合成技术纳米超导材料???目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　XX年7月，DOE在公布的《Grid20300ANationalVisionforElectricitypsSecond100Years》报告中，把高温超导技术列为美国电力网络未来30年发展的关键技术之一。该报告制订了XX年、2020年和2030年美国在电力方面高温超导的发展目标，XX年前验证超导技术主干输电网络的可行性，实现10英里长多相超导电缆应用；2020年前HTS发电机、变压器和电缆方面取得重要进展，并实现长距离超导传输电缆应用；2030年前建成国家超导主干输电网络。　　日本超导材料技术的发展　　日本超导材料技术的发展一直在国际上处于先进地位。早在1987年9月日本就建立了Super-GM计划，其长期目标是发展超导电动机及相关的电力应用。1988年，日本成立了国际超导产业技术研究中心，致力于超导技术的调查研究和基础　　研究开发，并积极促进超导材料技术的国际交流。超导研究开发预算由日本新能源产业综合技术开发机构NEDO下的新能源技术发展部所控制，但其中大部分的预算均用于电力和电子应用的研究开发中。这表明日本政府在超导方面投入了相当大的精力，NEDO对超导技术研究项目进行大力支持，近年其开展的超导技术研究项目见表2。　　表2日本超导材料技术主要研发机构及其研发方向　　研发机构　　物质材料研究机构超导材料　　中心　　产业综合技术研究所能源技　　术研究部超导技术研究小组　　国际超导产业技术研究中心　　理化学研究所　　电报电话公司基础研究实验目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　室超导量子物理研究小组　　高亮度光科学研究中心Spring　　-8加速器部门　　欧洲超导材料技术的发展主要研发方向新超导体探索、金属和氧化物超导体高品质导线开发、高品质超导材料制备分析、新超导器件的开发、SQUID的开发与应用、高场超导磁铁开发与应用等高温超导氧化物应用、大面积超导氧化物薄膜、故障限流元件、超导薄膜限流器超导块材、带材、线材、涂层导体、低温超导器件实验技术的研发，超导技术国际交流与合作，超导标准化等超级计算机、加速器等科学装置超导磁通量子超导扭摆器　　欧洲为促进超导电力技术和超导材料技术的发展，欧洲国家应用超导联盟成立于1994年，是一个非营利性的组织，领导欧洲公司全面超导技术商业化，促进欧洲经济和社会发展。目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　1998年，欧洲基金会ESF发布了极端尺度和条件下超导涡旋物质项目计划。该计划涉及15个欧洲国家、68个研究团队。NES综合研究设施和技术包括5个层次，第一层为现代样品制备和纳米结构技术；第二层为涡旋可视化局部探针技术和纳米尺度冷凝物波动函数成像；第三层为下一代共享研究设施；第四层为新应用开发的实验平台；第五层为理论方法和技术。大部分的超导研发资助还是来自欧盟各国家项目，主要是在德国、意大利、西班牙、荷兰和英国等。　　韩国超导材料技术的发展　　第35卷第4期　　XX年8月电子科技大学学报JournalofUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinaAug.XX　　高温超导材料与技术的发展及应用　　金建勋，郑陆海　　(电子科技大学自动化工程学院成都)　　【摘要】近一个世纪以来，超导理论、超导材料和超导应用技术已经取得了重大的发展，尤其是新近发展的具有很高实用性能的高温超导(HTS)材料与技术，已开始从实验研究走向实际应用阶段。该文简要介绍了高温超导(HTS)材料的发现历史，阐述了HTS带材、块材和薄膜的制备工艺及特性，总结了HTS材料在强电和弱电领域中的应用发展现状。　　关键词高温超导体;实用高温超导材料;高温超导应用;超导强电应用;　　中图分类号TM26；文献标识码A超导弱电应用　　DevelopmentandApplicationsofHighTemperatureSuperconductingMaterial　　JINJian-xun，ZHENGLu-hai目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　(SchoolofAutomationEngineering,Univ.ofElectron.Sci.&Tech.ofChinaChengdu)　　AbstractSincetheearlytimeoflastcentury,superconductivitytheories,materials,applications,andtheirassociatedtechnologieshavebeensubstantiallydeveloped.Atpresentthefocusontheappliedsuperconductingtechnologyhasbeenmovingtotheindustrialpreparationsfromthelaboratoryresearchstage,andthetechnologyhasbeenwellverifiedforpracticalapplicationsfromsmalltolargescales.ThispaperprovidesacomprehensiveandanalyticsummaryontheappliedHighTemperatureSuperconductivity(HTS)withregardtovariousapplicableHTSmaterials,theirpreparationtechniquesandcharacterization,andapplicationsinawiderange.　　Keywordshightemperaturesuperconductor(HTS);practicalHTSmaterials;HTSapplications;HTSstrongcurrentapplications;HTSelectronicapplications　　超导材料的发现和发展至今已经有近百年的历史了，从发现之日起人们就开始对它进行了不懈地探索目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　和研究。在研究不断取得突破和进展的同时，人们也努力尝试着发掘它潜在的应用特性，在研究的初期已取得了一定的成果。但初期低温超导材料自身的性质以及对液氦温区工作环境的需求，限制了它的应用发展。1986年，高温超导(HTS)材料的发现，又一次激发了研究HTS和其实用材料的热潮。经过20年的发展，已形成工艺成熟的第一代HTS带材，目前正在发展的第二代HTS带材-YBCO涂层导体，近一步强化了HTS带材在强电领域中的应用。与此同时，HTS块材和HTS薄膜的制备工艺也在不断地发展，前者已在强电领域获得了很好的应用，后者已开启了HTS材料在弱电领域中的应用，并且有着非常广阔的发展前景。　　1高温超导体的发现简史目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　自1911年荷兰物理学家卡末林·昂内斯(Onnes)发现汞(Hg)的超导电性以来，被发现的超导体总数已超过5000种，超导体的发现经历了从简单到复杂，即由一元系到二元系、以及多元系的过程。在1911～1932年间，以研究元素超导为主，除汞以外，又发现了Pb、Sn、Nb等众多的金属元素超导体。在1932～1953年间，则发现了许多具有超导电性的合金，以及NaCl结构的过渡金属碳化合物和氮化物，临界转变温度(Tc)得到了进一步提高。随后，在1953～1973年间，发现了如Tc>17K的Nb3Sn等超导体。其中，1973年Nb3Ge的发现，使Tc的最高纪录上升到K。但在1986年以前，超导材料的Tc都太低，故被称为低温超导体。这种超导体一般需要在昂贵的液氦(K)环境中工作。由于液氦制冷的方法昂贵且不方便，故低温超导体的应　　收稿日期：XX0619　　作者简介：金建勋(1962)，男，博士，教授，博士生导师，主要从事应用超导与电工技术方面的研究；郑陆海(1980–)，男，硕士生，主要从事高温超导电机技术方面的研究.　　第4期金建勋等:高温超导材料与技术的发展及应用　　160　　140　　120　　BiSrCaCuO　　100　　YBaCuO　　80　　60　　40　　20目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　0液氮27K液氮KHgFbNb液氮77K613用长期得不到大规模发展。1986年，瑞士科学家贝德诺兹(Bednorz)和米勒(Müller)制备出了Tc为35K的镧-钡-铜-氧(La-Ba-Cu-O)高温氧化物超导体[1]，从而引发了全球范围内研究HTS材料的热潮。1987年，美国华裔科学家朱经武[2]和中国科学家赵忠贤等人[3]相继发现钇-钡-铜-氧(Y-Ba-Cu-O)氧化物超导体，把Tc提高到90K以上，液氮的禁区(77K)也奇迹般地被突破了。1988年初，法国的米切尔(Michel)等人[4]发现了第三类超导体：铋-锶-钙-铜-氧(Bi-Sr-Ca-Cu-O)氧化物超导体，Tc达到了110K。紧接着，美国Arkansas州大学的盛正直和Hermann又发现Tc=125K的铊-钡-钙-铜-氧(Tl-Ba-Ca-Cu-O)　　氧化物超导体[5]。此后，一直到1993年，Putilin[6]和　　Schilling[7]等人又发现了Tc=135K的汞-钡-钙-铜-　　氧(Hg-Ba-Ca-Cu-O)氧化物超导体，至今它还保持　　着最高的临界转变温度。HgBaCaCuOTlBaCaCuOLaBaCuONbGeVCaNbSnNbTiMgB2液氮(K)XX年代图1超导体Tc提高的历史简图　　值得一提的是，XX年1月，日本Nagamatsu等人[8]发现的金属间化合物MgB2超导体，临界转变温度Tc冲破了BCS理论极限30K达到39K，在BCS机理超导体二元金属间化合物中是最高的。超导体Tc提高的历史简图如图1所示。　　2HTS材料的制备与特性目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　目前，HTS材料是指La系(35K)、Bi系(92K)、Y系(110K)、T系(125K)、Hg系(135K)以及MgB2(39K)，其中以Bi系、Y系和MgB2最具有实用前途。已经制备出的实用HTS材料主要分为带(线)材、大块材及薄膜。　　HTS带材　　实用化的HTS带材要求具有较高的工程临界电流密度、较小的交流损耗、较高的导电稳定性和机械强度，并且和传统的已商用化的低温超导线材(NbTi、Nb3Sn)相比，必须具有一定的价格优势才能被市场所接受。目前已在Bi系Ag基复合带材、柔性金属基Y系带材和MgB2带材等方面取得了重大进展。　　第一代HTS带材　　第一代HTS带材是指用粉末装管法(Power-In-Tube,PIT)生产的Bi系带材。其制备过程如下：将适当配比的前驱粉填充到金属(如银)套管内，拉拔至一定尺寸(圆线或六　　拔丝成线烧结装粉角形线)之后截成多股芯线，再次装入银套管内拉拔至直径在　　1~2mm左右，然后轧制成宽3~5mm，厚~mm的带材，　　然后经过热处理或多次反复的形变热处理，使晶粒沿a-b面择　　优取向，形成所谓的形变织构，得到最终成品带材。典型的工　　艺流程如图2所示。多芯化多芯细丝化目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　第一代Bi系HTS带材实现商业化生产已近十年了，现在世　　界上只有少数几家公司拥有Bi系带材的产业化技术，如　　AMSC(美国)、Innost(北京英纳超导)、Trithor(德国)、EAS(德　　国)以及Sumitomo(日本)等。轧制成带热处理热处理图2Bi系HTS线(带)材制备工艺流程　　目前，AMSC公司年生产的Bi系带材性能为：工程临界电流(Ic)大于155A(77K,Self-Field)，工程临界电流密度(Je)大于×104A/cm2，单线长度大于800m[9]。现AMSC公司已在Devens建成了世界上第一条全尺寸生产线，用于制造BSCCO多芯复合带，年产XX0km[10]。北京英纳超导公司是我国首家商业化生产BSCCO线的公司，它们生产的BSCCO线短样实现的Ic和Je已分别达到120A和×104A/cm2，且已经能生产1km长　　614电子科技大学学报第35卷的HTS线，其Ic超过90A(77K，0T)，Je超过9×103A/cm2[11]。此外，德国Trithor公司也已设计了一条年产2500km的Bi-2223多芯复合线生产线[12]，以满足市场对HTS线需求量日益增长的需要。目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　第一代Bi系带材已经在电力系统领域有较成熟的应用，然而Bi系超导带材明显的各向异性使得其不可逆场(77K)只有T左右[13],其临界电流Ic容易受到磁场的影响，在较小的磁场下，Ic就急剧下降，这样就极大地限制了Bi系带材的应用范围。而且，铋系带材的成本偏高，据预测，最终市场价格约为50$/kA·m，这对于除超导电缆以外的应用将带来很大的极限性。当前第一代Bi系HTS带材研究的重点集中在工程临界电流密度的提高、机械性能的改善、交流损耗的降低和成本的降低等方面。　　第二代HTS带材　　在继续改善第一代Bi系HTS带材的同时，YBCO涂层导体技术也得到了很大的发展。YBCO超导体的超导电性的各向异性比较弱，可以在液氮温区附近较高磁场下有较大临界电流，具有较好的高温磁场性能，其潜在的低制备成本和较少的交流损耗也比第一代HTS带材有明显的优势，它的实用化将使工作于液氮温区的HTS设备成为现实。人们把YBCO超导带材称为继Bi系HTS带材后的第二代HTS带材。　　由于晶粒间结合较弱，YBCO带材难以采用成熟的PIT工艺制备。高性能YBCO带材对双轴织构的微观组织有较强的依赖性，目前只有在双轴织构化的基带或隔离层上，通过外延生长技术来制备，即先在柔性金属基带上沉积隔离层，然后在隔离层上沉积YBCO超导层，从而得到柔性的YBCO涂层超导带材。因此，Y系HTS带材的工作主要集中在两个方面：基板及织构化隔离层的制备和高Jc超导层的沉积。目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　目前，基板及织构化隔离层的制备方式主要有：离子束辅助沉积(IonBeam-AssistedDeposition,IBAD)[14]，轧制辅助双轴织构(Rolling-AssistedBiaxiallyTexturedSubstrate，RABiTS)[15]，倾斜基板沉积法(InclinedSubstrateDeposition，ISD)[16]和织构化银或银合金基板[17]　　等。可采用多种镀膜方法在属柔性衬底上沉积高质量的YBCO薄膜，有化学和物理方面的方法，总结如表1　　所示。目前，PLD法是应用最广泛的一种沉积方法，但PLD法由于要使用昂贵的大功率、高真空装置以及工业用激光源，而不太适合大规模产业化。目前，使用三氟醋酸盐(Trifluoroacetates，TFA)前驱粉的MOD法是很有前途的沉积方法之一，用TFA-MOD法制备的YBCO涂层导体性能高、制造成本低，能够满足将来商业应用的需求。　　表1在基带上形成HTS薄的方法　　物理方法　　脉冲激光沉积法(PulsedLaserDeposition,PLD)[18]　　脉冲激光融蚀法(PulsedLaserAblation,PLA)[19]　　离子束溅射法(IonBeamSputtering,IBS)[20]　　磁控溅射法(MagnetronSputtering)[21]　　电子束蒸发(ElectronBeamEvaporation)[22]目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　热共蒸发(ThermalCo-Evaporation)[23]化学方法化学气相沉积(ChemicalVaporDeposition,CVD)[24]化学溶液沉积(ChemicalSolutionDeposition,CSD)[25]金属有机沉积(MetalOrganicDeposition,MOD)[26]金属有机化学气相沉积(MetalOrganicChemicalVaporDeposition,MOCVD)溶胶-凝胶法(Sol-Gel)[28][27]　　喷涂分解法(SprayPyrolysis)[29]　　到目前为止，已经利用IBAD/PLD、RABiTS/PLD、RABiTS/MOD、RABiTS/PVD等复合技术制备出了YBCO涂层导体[30-33]。其中，RABiTS/MOD在价格和性能上来说都是最有吸引力的制备方法之一，美国超导公司已经采用该工艺进行二代HTS带材的研制。用RABiTS/MOD法生产的YBCO涂层导体，是有多层氧缓冲层的Ni合金基底层和金属有机沉降得到的YBCO层的“三明治”结构，一般由柔性金属基带(如Ni基带)、防扩散过渡层(Y2O3/YSZ/CeO2)、YBCO超导膜和保护层(如Ag膜)等组成。它的制备过程如下：首先把Ag或金属合金轧制成50~70μm厚1cm宽的带，然后再结晶形成YBCO的母体，在卷绕过程中进行Y2O3/YSZ/CeO3外延层的沉降，在O2/H2O/N2环境下转化成外延的YBa2Cu3O7-x膜，最后在顶层生成Ag保护膜[32]。图3为其生产工艺流程图。目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。