超导陶瓷

发展历程

　　1973 年，人们发现了超导合金――铌锗合金，其临界超导温度为23.2K，该记录保持了 13 年。1986 年，设在瑞士苏黎世的美国IBM 公司的研究中心报道了一种氧化物（镧－钡－铜－氧）具有35K 的高温超导性，打破了传统“氧化物陶瓷是绝缘体”的观念，引起世界科学界的轰动。此后，科学家们争分夺秒地攻关，几乎每隔几天，就有新的研究成果出现。

　　1986 年底，美国贝尔实验室研究的氧化物超导材料，其临界超导温度达到40K，液氢的“温度壁垒”（40K）被跨越。1987 年2 月，美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤相继在钇－钡－铜－氧系材料上把临界超导温度提高到90K 以上，液氮的禁区（77K）也奇迹般地被突破了。1987 年底，铊－钡－钙－铜－氧系材料又把临界超导温度的记录提高到125K。从1986－1987 年的短短一年多的时间里，临界超导温度竟然提高了100K 以上，这在材料发展史，乃至科技发展史上都堪称是一大奇迹。

　　高温超导材料的不断问世，为超导材料从实验室走向应用铺平了道路。

制造工艺

　　超导陶瓷的制备与一般陶瓷制造工艺相似。如原料的制备与处理，成型和烧成等。在工艺上，预烧处理，成型方法以及烧结程度对超导陶瓷有很大的影响。 比如，以Y-Ba-Cu-O系超导体为例，烧结时若烧结温度过低，反应不完全；过高又会出现相分解。烧结时间也要合适，过长（如超过30小时）则出现宏观的相分凝现象，不同部位呈现不同颜色。例如，黑色区域是 BaCuO 2 ，灰黑色区域是Ba 2 YCu 3 O 7-x ，而绿色区域则是 BaY 2 CuO 5 ，只有Ba 2 YCu 3 O 7-x 才有高温超导性。下面就Bi-Sr-Ca-Cu-O系统的高温超导陶瓷的制造工艺方法进行介绍：采用Bi 2 O 3 、SrCO 3 、CaCO 3 和CuO作原料。按Bi：Sr：Ca：Cu=1：1：1：2的比例进行配料。加乙醇在球磨筒内进行湿磨混料，干燥后压成大块进行预合成。预合成分两次进行：次在 800℃/12小时下进行；第二次在820℃/12小时下进行。合成块料经粉碎、粉磨后，加PVD粘结剂进行造粒，压成圆片，放在氧化铝坩埚中，在860℃/12 小时温度下进行烧结。

性质

　　超导材料有两个非常重要的性质：

　　1）超导体的完全导电性。通常，电流通过导体时，由于存在电阻，不可避免地会有一定的能量损耗。而所谓超导体的完全导电性即在超导态下（在临界温度以下）电阻为零，电流通过超导体时没有能量的损耗。

　　2）超导体的完全抗磁性。超导体的完全抗磁性是指超导体处于外界磁场中，能排斥外界磁场的影响，即外加磁场全被排除在超导体之外，这种特性也称为迈斯纳效应。

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理。

　　（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，以及利用超导体制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等离子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，如超导二极管，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。