超导材料的性能特点及应用

1.基本特点

超导材料是指极低温度下电阻突然下降为0，处于超导状态的材料。一般金属在极低温度下仍具有电阻，只有超导材料到达某一临界温度（T_c）后，电阻骤降为0，才具有完全导电性的特征。

超导体有一个容许的电流密度，当电流密度超过某一临界电流密度（J_c）后，它的完全导电性会被破坏。超导材料还具有完全抗磁性特征，当材料处于超导状态时，外加磁场不能进入超导体内。原来处于磁场中的正常态材料，当温度下降到低于临界温度（T_c）转变为超导状态时，会把原来在导体内的磁场完全排除出去（这种完全抗磁性称为迈斯纳效应）。当外界磁场达到某一临界磁场强度（H_c）后，磁场立即进入超导体内，使原来处于超导状态的材料恢复到正常状态，超导电性也就被破坏了。

因此，超导材料从正常状态转变为超导状态时受到临界温度T_c、临界电流密度J_c和临界磁场强度H_c三个条件的限制。超导材料只有在各个临界点以下时才能显示出它的超导性能。

不同的超导材料具有不同的临界值T_c、J_c、H_c。如何获得具有高临界温度、高临界电流密度和高临界磁场强度的超导材料，使其能在工业中得到应用，一直是人们关注的焦点和追求的目标。

2.超导材料的类型

超导材料的种类有纯金属（如超导临界温度T_c接近0K的水银、铅、铟、钨等）超导体、合金超导体、化合物超导体、氧化物陶瓷超导体以及少量的有机物超导材料。目前研究的超导材料主要有以下三种类型：合金超导体、金属间化合物超导体（如Nb₃Sn）和氧化物陶瓷超导体（如Y-Ba-Cu-O、Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O）。

1）合金超导体（如Nb-Ti、Nb-Ti-Ta、Nb-Zr等）是目前应用最广泛的具有代表性的超导线材，如在液氦温度（4.2K）下工作的Nb-Ti超导线材等。(www.xing528.com)

2）金属间化合物超导材料比合金超导材料的临界磁场强度H_c高，临界转变温度T_c也高，可用作产生高磁场的超导线材。但金属间化合物较脆，对其设计和制造需考虑采用特殊的措施，如在液氦温度（4.2K）下工作的高超导特性线材Nb₃Sn等。

3）从超导性能方面来看，氧化物陶瓷超导体最好。阻碍氧化物陶瓷超导材料发展的突出问题是其固有的脆性及由此引起的成形加工困难，包括很难焊接等。

目前已具有实用性和工业化制造规模的超导材料主要是前两种。其中，合金超导材料的力学性能最好，加工性能也较好，在较低的磁感应强度（10T以下）可得到高的电流密度。

3.应用前景

超导材料由于其独特的完全导电性，在满足临界磁场强度H_c和临界温度T_c的条件下，临界电流密度J_c以内的电流可以在无阻状态下通过，也就是在没有能量损耗的情况下传输电流。此外，由于超导材料在磁场中可表现出来独特的完全抗磁性，因而可用于超导磁悬浮系统。

超导材料的许多应用与节电、节能有关，它是一种重要的节能材料。例如，超导材料可应用于交（直）流输电、大型电磁铁、超导加速器、电磁推进器、磁悬浮列车等。在仪器设备、仪表等方面超导材料也得到广泛的应用。例如，用于医疗器械中的核磁共振成像装置、用于地球物理测量和生物磁学等电磁测量方面的超导量子干涉器件等。