超导陶瓷
摘要：具有超导性的陶瓷材料。其主要特性是在一定临界温度下电阻为零即所谓零阻现象。在磁场中其磁感应强度为零，即抗磁现象或称迈斯纳效应（Meissner effect）。 关键词：陶瓷材料 超导 稀土材料
超导陶瓷的定义
1911年荷兰物理学家卡麦琳.翁奈斯(Kamerlingh.Onnes)研究水银在低温下的电阻时，发现当温度降低至4.2K以下，水银的电阻突然消失，呈现超导状态。后来又陆续发现十多种金属(如Nb、Tc、Pb、La、V、Ta等)都有这种现象。这在超低温度下失去电阻的性质称为超导电性，相应的这类物质称为超导体。虽然超导现象发现甚早，30年代就已建立起超导理论的基础，50年代又出现超导微观理论。但是在实用上的突破却是在60年代以后。1961年首次将Nb3Sn做成实用螺管(磁场8.8特斯拉，电流密度105A／cm2)，接着出现了Nb-Zr、Nb-Ti和Nb3Al、Nb3SiV3Si、V3Ga、PbMoS3、Nb3（Al0.75Ge0.25）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。1969年制成了热磁稳定性良好的超导纤维。然而这些超导材料都只能在接近液氦(-269℃)的超低温下使用，即使1973年发现的Nb3Ge合金的超导临界温度Tc仍只为23.2K。要获得和保持如此低的温度，在技术上相当复杂，因此过去往往把超导技术与低温技术联系在一起，称为“低温超导”。
目前材料工作者都在致力于寻找临界温度较高的超导材料，研究能在液氮(-196℃)温度，甚至在室温下工作的超导材料。进入80年代，特别是在1986年～1987年以来，超导技术出现了巨大飞跃，有了突破性的进展。首先在1986年，瑞士、美国、中国相继发现临界温度为30K、36K、40K、48.6K的超导体，打破了十几年来23.2K的纪录。到了1987年出现了科学史上罕见的超导技术激烈竞争的局面，新纪录层出不穷，其美国、中国、日本等国不断推出新数据。1987年10月14日，瑞士苏黎士研究所的两位物理学家，瑞士的米勒(K.A.müller)和西德的贝德尔茨(J.G.Bednorz)由于在超导陶瓷材料研究中作出重大突破而获得诺贝尔物理学奖，由此导致世界“超导热”的兴起。目前已经开始制备实用的超导薄膜、超导线材、超导器件，并进行了许多成功的试验(如磁悬浮列车等)。人们对其实用化的前景充满信心。
判断材料是否具有超导性有两个基本特征，即超导电性和完全抗磁性，后者指超导体处于外界磁场中，磁力线无法穿透，超导体内的磁通为零。超导体呈现超导现象
取决于温度、磁场和电流密度的大小，这些条件的上限分别称为临界温度(Tc)、临界磁场(Hc)和临界电流密度(Ic)，从实用化要求是如何提高这三个物理特性。 超导陶瓷的性能
自1987年中国、日本、美国等国材料科学家发现氧化物陶瓷钇钡铜氧(YBCO)具有优良的高温超导性(Tc高达92K)以来，人们在稀土高温超导陶瓷的性能研究及应用开发方面做了大量工作，并取得了重大进展。日本已有研究表明，用Nd、Sm、Eu、Gd等轻稀土(Ln)取代YBCO中的Y后，所得超导陶瓷材料LnBCO的临界磁场强度显著提高，磁通钉扎力也大为增强，在电力、储能和运输等方面极具实用价值。如经一定生产工艺所制得的LnBCO块材，能在77K捕集大于10T的磁场，可代替Nd—Ti用作磁悬浮列车的磁体。北京大学以ZrO：为衬底并加热至约2000C，分别Y(或其他稀土)、Ba的氧化物和Cu分层蒸发在衬底上进行扩散处理，并于800～900。C温度区间热处理，所制得的超导陶瓷在100K以上表现出具有良好的金属性电阻温度系数。日本鹿儿岛大学将稀土La掺加到Sr、Nb氧化物中所制成的陶瓷薄膜，在255K即发生超导现象。 超导陶瓷的分类
超导体的分类尚不明确，若从材料来分，可分为元素超导体、合金或化合物超导体、氧化物超导体(即陶瓷超导体)三大类；若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)和常温超导体四大类。
元素超导体，在元素周期表上目前已知有24种，其中铌的Tc最高(9.13K)，稀土元素中只有镧属超导元素，其α-La的Tc=5.0K，β-La的Tc=6.3K。合金或化合物超导体，目前已超过1000种，具有最高Tc的是Nb3X和V3X(X可以是Ga、Al、Si或Ge、Sn)。氧化物超导体即最新发展起来的超导陶瓷，它在80年代的出现使世界半个多世纪对超导材料的研究进入了一个新阶段。
超导陶瓷中大部分为含稀土的陶瓷材料，据目前报道超导陶瓷材料类型大致有 1 LaBaCuO9ErBaCuO 2 LaSrCuO 10 TmBaCuO 3 YBaCuO11YbBaCuO 4 NdBaCuO 12 GdBaCuFO 5 SmBaCuO 13 YBaCuFO
6 EuBaCuO 14 SrBYCuO 7 DyBaCuO 15 SrBCuO 8 HoBaCuO 16 BiPbSbCaCuO
这些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。 稀土超导陶瓷的分子式为Ba2YCu3O7-x，Y可以被其它稀土元素，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。 Ba2YCu3O7-x有两个相，一个是四方相(P4mZ)，另一个是正交相(Pmm)，这两种结构都起源于ABO3型钙钛矿结构。C轴是ABO3结构的三倍，B位被Cu原子占据，A位被Ba和Y占据。在C轴方向的顺序是⋯Y-Ba-Ba-Y-Ba-Ba⋯。垂直于C方向有三种基本原子面，Y平面(无氧原子)，Ba-O平面和Cu-O平面。Y原子上下的Cu-O面是皱折的，氧作有序排列，两个Ba-O平面之间的Cu-O平面中，有氧空位。
高温超导陶瓷1987年2月，中国科学院物理研究所的学者们报遣了在La-Sr-Cu一0陶瓷中达到Tc=48．8K ，在La-Ba-Cu—O中达到Tco=46．3K的值，这是在常压下当时报道的最高值之一f'173 。文献(15]报道了，在被破坏而不能再复的La—Ba—Cu_O之一的试样上Too为56~70K } 而文献(18】在含0．075原子%sr的La-Sr-Cu—O试样上，获得了TcO=52K的伸长转变。
下一步是发现Tc 93K [19]的Y—Ba1_Cu一0陶瓷。苏联科学院列别杰夫物理研究所，在另一种组成的类似陶瓷试样上，巳经达到Tco=102K (当在llsK温度下时 电阻开始平缓地减小)[2o)。在1987年3月l1日的金兹堡(FzHa6ypr)全莫斯科研讨 会上，报告了制备陶瓷的最后结果，组成和工艺。在液氮温度下，以Y为基的陶瓷完全转变为超导态。因此，超导性的《氖温的》时期很快地被《氮温的》时代所取代。不久[2o～22]|就制得TTc高于氮沸点的完全超导性的其它陶瓷。其中有Tce=81~85K和很急剧转变△T=1．7K 的Lu-Ba—Cu一0陶瓷。驻然，在250~2BoKl甚至在室温下，19年第4期稀土发生电阻降低转变的报道开始了室温超导性的新阶段。这种报道出现在美国和日本的定期性刊物上。文献(23)报道，多相试样在常压下，直到T=240K时所发生的很不稳定的信号的观测，这种试样未含K NiF·型相，或不含ABO。钙钛矿型作为主相的相。
超导陶瓷的应用 1 在电力系统方面
（1）输配电。根据超导陶瓷的零电阻的特性，可以无损耗地远距离的输送极大的电流和功率。
（2）超导线圈。能制成超导储能线圈，用其制成的储能设备可以长期无损耗地储存能量，而且直接储存电磁能。
（3）超导发电机。由于超导陶瓷的电阻为零，因而没有热损耗，可以制造大容量、高效率的超导发电机及磁流体发电机等。 2 在交通运输方面
（1）制造超导磁悬浮列车由于超导陶瓷的强抗磁性，磁悬浮列车没有车轮，靠磁力在铁轨上“漂浮”滑行，它是利用超导磁体和路基导体中感应涡流之间的磁性排斥力把列车悬浮起来，具有速度高，运行平稳，无噪声，安全可靠等特点。
（2）超导电磁性推进器和空间推进系统。例如船舶电磁推进装置。其推进原理是：在船体内部，安装一个超导磁体，在海水中产生强大的磁场。同时，在船体侧面放一电极，在海水中产生了强大的电流。在船尾后的海水中，磁力线和电流发生交互作用，海水在后面对船体产生了强大的推动力。
3 在选矿和探矿等方面在矿冶方面，由于一切物质都具有抗磁性或顺磁性，可以利用超导体来进行选矿和探矿等。 4 在环保和医药方面
（1） 在环保方面可以利用超导体对造纸厂、石油化工厂等的废水进行净化处 （2） 在医药卫生方面，生物体大都具有抗磁性，可以利用超导体作废水处理以去除
细菌、病毒、重金属等毒物。医学上可把磁分离用于将红血球从血浆中分离出。 5 在高能核实验和热核聚变方面 利用超导体的强磁场，使粒子加速以获得高能粒子，以及利用超导造探测粒子运动径迹的仪器。使用大体积高强度超导磁体，可以用于约束带电粒子的活动范围。比如受控核聚变研究产生的极端高温的体就是用超导磁场约束在磁笼中。 6 在电子工程方面
（1）利用超导体的性质（如约瑟夫逊效应）提高电子计算机的运算速度和缩小体积。 （2）制成超导体的器件，如超导，超导量子干涉器，超导场效应晶管，超导磁通量子器件等。此外，用Y-Ba-Cu-O系超导做成的天线和发射机，其灵敏度是同样尺寸铜天线
的十几倍。实验表明，高温超导应用于超高频可作毫米波通信，具有很宽的频带和很高的灵敏度，卫星系统可能只需几英寸直径的超导天线，电视画面也将更清晰。 参考文献：
〔1〕 Chu L W et al.Evidence for superconductivity above 40K in La-Ba-Cu-O
compoundsystem.Phys Rev Lete，1987
（2）〔日〕宗宫重行编，池文俊译.近代陶瓷.上海：同济大学出版社，1988. 〔3〕 李世普主编.特种陶瓷工艺学.武汉：武汉工业大学出版社，1990. file:///E|/