超導(dǎo)材料(Superconducting-material)
1911年荷蘭人卡曼林-翁內(nèi)斯 (Kamerlingh-Onnes)研究金屬汞在低溫下的電導(dǎo)性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)溫度降低到4.2K附近直流電阻突然消失，稱此現(xiàn)象為超導(dǎo)現(xiàn)象。具有超導(dǎo)特性的物質(zhì)稱為超導(dǎo)體。將超導(dǎo)體經(jīng)加工制成可供使用的材料稱為超導(dǎo)材料，也稱超導(dǎo)電材料。在常壓下現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)有27種元素和數(shù)千種合金、化合物具有超導(dǎo)性。目前超導(dǎo)體的臨界溫度最高只有23K左右，在液氦深冷溫度(4.2K)下應(yīng)用。超導(dǎo)體一般可分Ⅰ類超導(dǎo)體和Ⅱ類超導(dǎo)體。大多數(shù)金屬元素超導(dǎo)體顯示Ⅰ類超導(dǎo)體性質(zhì)，合金、金屬間化合物則呈現(xiàn)Ⅱ類超導(dǎo)體性質(zhì)。Ⅰ類和Ⅱ類超導(dǎo)體有不少共同特性，但磁性能的差別相當(dāng)大。在50年代，物質(zhì)的超導(dǎo)性只作為一種物理現(xiàn)象進(jìn)行研究。到60年代，由這種研究發(fā)展成為一門獨(dú)立的科學(xué)技術(shù)學(xué)科，研制出有實(shí)用價(jià)值的超導(dǎo)材料。70年代用超導(dǎo)材料制作的應(yīng)用于物理研究及檢測、醫(yī)療、強(qiáng)磁分離技術(shù)、超導(dǎo)電機(jī)等方面的中小型磁體以及超導(dǎo)量子干涉器件等已逐步進(jìn)入或即將進(jìn)入實(shí)用階段；一些與節(jié)約能源和開發(fā)能源密切相關(guān)的超導(dǎo)材料的應(yīng)用項(xiàng)目（如超導(dǎo)高能加速器、受控?zé)岷朔磻?yīng)、超導(dǎo)輸電、超導(dǎo)儲能、磁浮列車等）則尚處研究階段。超導(dǎo)技術(shù)目前由于低溫、致冷等一些條件的限制，使其廣泛應(yīng)用受到了影響，但由于其與能源、電子計(jì)算機(jī)等關(guān)系密切，因而是一項(xiàng)今后將得到發(fā)展的新技術(shù)。中國從60年代中期起，先后開始了鈮鈦合金、鈮錫化合物和釩鎵化合物等實(shí)用超導(dǎo)材料的研制工作；鈮鈦合金超導(dǎo)材料已進(jìn)入批量生產(chǎn)和試用。
超導(dǎo)材料的基本物理參量為臨界溫度（Tc），臨界磁場(Hc)和臨界電流(Ic)。Tc指電流磁場以及其他外部條件相當(dāng)?shù)偷那闆r下超導(dǎo)體由正常態(tài)轉(zhuǎn)變到超導(dǎo)態(tài)的溫度，主要取決于材料的化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)和有序度。Hc一般指在給定溫度條件下材料由超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變到正常態(tài)所需要的最小磁場，通常隨Tc值的提高而增加。在溫度低于Tc，外加磁場小于Hc2值時(shí)（Ⅱ類超導(dǎo)體由正常態(tài)轉(zhuǎn)變到超導(dǎo)態(tài)不是突然的，作為這些材料的特殊臨界磁場標(biāo)記為下臨界磁場Hc1與上臨界磁場Hc2），通過超導(dǎo)材料的電流達(dá)到一定數(shù)值，也可使超導(dǎo)體由超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變到正常態(tài)，此時(shí)的電流值稱為臨界電流(Ic)，單位截面的Ic值稱為臨界電流密度(Jc)。Jc值與超導(dǎo)材料的微觀結(jié)構(gòu)（第二相、位錯(cuò)網(wǎng)、晶界等）有密切關(guān)系。
為使超導(dǎo)材料在使用時(shí)性能穩(wěn)定，實(shí)用超導(dǎo)材料一般是由多根超導(dǎo)細(xì)絲同高純度銅、鋁等穩(wěn)定化材料以及不銹鋼等增強(qiáng)材料和絕緣材料復(fù)合而成的；復(fù)合線要扭轉(zhuǎn)。在交流或交變場條件下使用的超導(dǎo)材料，除了充分扭轉(zhuǎn)外，還需用電阻率比銅高約2000倍的銅鎳合金制成銅、銅鎳和超導(dǎo)體三元超導(dǎo)材料，以減少交流損耗。
種類 超導(dǎo)材料主要分為合金超導(dǎo)材料和金屬間化合物超導(dǎo)材料兩類。早期制成的合金超導(dǎo)材料是鈮鋯合金。后來由于鈮鈦合金具有成本低、容易加工、性能好等優(yōu)點(diǎn)而取代了鈮鋯合金。工業(yè)生產(chǎn)的鈮鈦合金中，鈦含量一般為35～78的原子百分比，加入鉭、鋯、鉿等元素可提高Jc值。目前世界鈮鈦合金超導(dǎo)材料年產(chǎn)量近100噸，占超導(dǎo)材料總產(chǎn)量90％以上。金屬間化合物超導(dǎo)材料，特別是A15結(jié)構(gòu)化合物，具有較高的Tc值（Nb3Ge最高達(dá)23.2K），用于繞制高磁場超導(dǎo)磁體。不過金屬間化合物性脆，抗彎曲性能差，目前主要應(yīng)用的是Nb3Sn及V3Ga。此外，夏夫策(Chevrel)型化合物的Hc2值高，PbMo6S8的Hc2可達(dá)50T(特斯拉)。幾種典型超導(dǎo)材料的主要性能見表。
生產(chǎn)工藝 鈮鈦合金超導(dǎo)材料的制備工藝主要有合金熔煉，合金棒加工，與無氧銅組合，擠壓，冷拔和熱處理等工序。合金熔煉主要用真空自耗電弧熔煉工藝，也可用電子束熔煉或等離子熔煉工藝。大部分復(fù)合線由數(shù)百到數(shù)千個(gè)直徑為幾到幾十微米的鈮鈦合金芯絲組成。為保證合金的加工塑性，減少斷芯率，對合金原料的純度、電極制備工藝、組裝等都有嚴(yán)格要求。熔煉的自耗電極常采用鈮粉和鈦粉混合，也可采用鈮片和鈦片捆扎制成。經(jīng)數(shù)次熔煉的合金錠，通過熱鍛開坯和金屬塑性加工成棒材。棒材進(jìn)行表面處理后與無氧銅復(fù)合、組裝，經(jīng)真空封焊后的復(fù)合錠坯再進(jìn)行擠壓、冷加工和熱處理，制成所需直徑的線材，然后制成不同尺寸的絞纜、編織帶和強(qiáng)迫內(nèi)冷中空導(dǎo)體等。NbTi-Cu-CuNi多芯細(xì)絲的復(fù)合坯料見圖 (見二次重熔)。
Nb3Sn、V3Ga 化合物超導(dǎo)材料很早就用表面擴(kuò)散工藝制成帶材。這種工藝一直沿用至今。表面擴(kuò)散工藝是將涂錫的鈮帶(或敷鎵后的鍍銅釩帶)在900～950℃（或600～700℃）加熱，使錫(鎵)向帶中擴(kuò)散并在表面形成Nb3Sn (或V3Ga)，再經(jīng)鍍銅成為成品帶材。也可采用化學(xué)氣相沉積法生產(chǎn) Nb3Sn帶。為了克服化合物帶材的不穩(wěn)定性，發(fā)展出用鈮（或釩）和銅合金的復(fù)合加工工藝(青銅法)，制成多芯細(xì)絲Nb3Sn、V3Ga 超導(dǎo)材料。復(fù)合加工工藝一般是把鈮芯棒置入Cu與原子百分比為7～8的Sn合金(或原子百分比為18～20的Ga合金)基體中，經(jīng)擠壓拉絲成為多芯細(xì)絲材。然后，加熱至700～800℃（或600～650℃）使之?dāng)U散生成 Nb3Sn(或V3Ga)。在這種工藝中，添加某些元素可以細(xì)化晶粒，提高材料的Jc值。
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