检测新技术与新方法在超导材料方面的应用

检测新技术与新方法在超导材料方面的应用

王亮亮 应英

浙江三花智能控制股份有限公司 浙江 绍兴 312500

摘要：本文对 XＲD、SEM、等理化检测新技术与新方法在研究与制备超导材料过程中的检测与表征应用进行了简单综述。如何合理、准确地选择合适、有效的理化检测技术和表征手段对研究超导材料物相、微观结构和超导性能等具有重要意义。

关键词：超导材料;XＲD;SEM

引言

对于远距离电能的运输，由于电阻，导电材料在输电过程中消耗了电能而造成极大的能源浪费，这个难题令各国科研者头疼不已。而1911年荷兰物理学家Onnes为这个问题的解决开辟了道路，他发现极低温下汞的超导电性，而后越来越多的超导材料进入人们视野。至今，有许多科学家一直致力于超导材料对社会生活的各方面贡献，例如利用超导磁体的核磁共振成像已被广泛地应用于医疗检测、诊断之中;将超导材料的零电阻特性运用在计算机集成电路芯片元件间的连接线上，缓解发热问题，解决散热问题且提高计算机运算速度;利用超导材料的Meissner效应可以制造磁悬浮列车，减小摩擦损失等。

1X射线衍射(XＲD)分析方法

X射线衍射技术自上世纪50年代出现以来，经过不断改进，已成为分析物质物相和晶体结构不可或缺的技术方法。利用XＲD分析技术，同时还可精确地测定晶体的取向、确定晶体的晶面间距和晶格常数等数据。因此，XＲD分析也常用于超导材料制备过程中的表征。Nb3Al超导材料在高磁场下具有非常高的临界电流密度Jc和良好的应变力，具有很高的上临界磁场29．5T(4．2K)和临界电流密度800A/mm²，与商品化的Nb3Sn线材相比具有更好的抗应力特性和辐照敏感性，已被视为一种替代Nb3Sn在高场下大规模应用的超导材料。在采用高能球磨法制备Nb3Al低温成相超导体及其性能研究过程中，利用XＲD分析技术辅助研究了烧结温度、烧结保温时间和名义化学组分对其物相演变、微观结构及超导性能的影响，确定了最佳烧结温度900℃、最佳烧结保温时间1小时和最佳Al含量26%。在高温超导体研究中，YBa2Cu3O7-δ因其在晶体结构、超导电性、电子结构等方面的独特性质而成为最受人们关注的系统之一。在采用溶胶凝胶法制备大尺寸YBCO系超导靶材时，采用XＲD分析方法确定了YBCO超细粉的最佳烧结温度为850℃，此时可获得明显的Y123相。

2扫描电子显微镜(SEM)分析方法

扫描电子显微镜(SEM)是以聚焦得非常细的高能电子束为照明源，利用二次电子成像的原理得到一种较高放大倍数的光学仪器，可用以样品表面形貌观察、显微断口分析以及微区化学成分分析等，在新型超导材料的制备及表征过程中发挥着重要作用。Nb3Al超导材料进行金属掺杂，可提供其机械合金化性能和超导电性。在Ge和Mg掺杂的Nb3和Nb3的制备工艺研究过程中，利用SEM分析发现，采用高能球磨法制备Ge掺杂量为25%的Nb3在烧结温度1200℃下保温5h可获得理想的微观结构。同理，Mg掺杂量为2．5%～5．0%的Nb3在烧结温度800℃下保温10h可获得相对细化的晶体颗粒。Nb3Sn是一种典型的具有脆性A15晶体结构的II类超导体。由于超导线材经热处理后无法直接绕制磁体的原因，在实际制备Nb3Sn超导相过程中，常采用先绕制后高温处理的制备方法。因此，制定合理的热处理制度对于Nb3Sn超导相的微观组织结构和超导性能具有非常重要的意义。刘章洋等利用SEM方法，对分别采用低温延长、常规热处理及高温延长生成的三类Nb3Sn超导相进行了微观组织的表征，并结合EDS能谱分析Sn元素的扩散。结果发现在三种不同热处理制度情况下，Nb3Sn超导相的微观结构具有相似性且亚组元Nb3Sn超导层中分布的Sn元素含量都比较相近，而宏观上超导性能也具有相似性。

3超导材料的应用

3.1超导储能

人类对电力网总输出功率的要求是不平衡的。即使一天之内,也不均匀。利用超导体,可制成高效储能设备。由于超导体可以达到非常高的能量密度,可以无损耗贮存巨大的电能。这种装置把输电网络中用电低峰时多余的电力储存起来,在用电高峰时释放出来,解决用电不平衡的矛盾。美国已设计出一种大型超导储能系统,可储存5000兆瓦小时的巨大电能,充放电功率为1000兆瓦,转换时间为几分之一秒,效率达98%,它可直接与电力网相连接,根据电力供应和用电负荷情况从线圈内输出,不必经过能量转换过程。

3.2变压器

发展超导变压器,可提高电力变压器的性能。从经济上看,超导材料的低阻抗特性有利于减小变压器的总损耗,高电流密度可以提高电力系统的效率,采用超导变压器将会大大节约能源,减少其运作费用;从绝缘运行寿命上看,超导变压器的绕组和固体绝缘材料都运行于深度低温下,不存在绝缘老化问题,即使在两倍于额定功率下运行也不会影响运行寿命;从对电力系统的贡献来看,正常工作时超导变压器的内限很低,增大了电压调节范围,有利于提高电力系统的性能;从环保角度看,超导变压器采用液氮进行冷却,降低了噪声,避免了变压器可能引起的火灾危险和由于泄露造成的环境污染。

4超导材料的发展概况

1908年，莱顿实验室成功制得可以获得4．25K低温的液氦，这一技术成为了超导技术发展的开端。1911年，荷兰物理学家Onnes在实验中发现，在低温4．2K时，汞的电阻骤逝，此时电流流经导体时没有电能损耗，这一发现令世人震惊，由此开始了超导的研究，将“超导”定义为在一定温度条件下电阻突然消失的现象，处于超导状态的导体称为超导体，具有这一性质的材料称为超导材料。自超导材料的发现以来，顺应着时代的发展，超导材料的临界温度呈现逐步上升的阶段。现如今，拥有最高TC的超导材料是2015年A．P．Drozdov等在155GPa的零场冷却条件下得到的H2S，这一发现为在以氢为基础的其他材料中达到室温超导性带来了希望。1933～1953年，科研人员发现许多具有超导电性的合金、过渡金属碳化物和氮化物，这对于研究超导转变温度(TC)的提高有很大帮助。随后，有科研人员发现了一系列具有A15结构的超导体，如Nb3Al，Nb3Ge，Nb3Sn等，至此超导材料的TC高达23．3K，也拓宽了超导材料研究的视野。这段时间一直用液氦做制冷剂以实现低温条件，但因为氦难液化且资源匮乏，所以它不是理想的制冷剂。预示着超导材料研究进入高温超导研究阶段的是1986年，物理学家Bednorz和Mulle通过研究Ba-La-Cu-O系的超导电性，发现其TC高达38K;此后，我国科学家赵忠贤冲破了77K的液氮温度大关，实现了科学史上的重大突破，1987年，赵忠贤发现了TC高达100K的高温超导体。

结束语

超导材料越来越成为一种具有经济战略意义和巨大发展潜力的高新技术新型材料，将会对国民经济和人类社会的发展产生巨大推动作用。X射线衍射(XＲD)、扫描电子显微镜(SEM)等新的理化检测技术和表征手段对于超导材料研制具有重要意义。

参考文献

［1］蔡传兵，刘志勇，鲁玉明．实用超导材料的发展演变及其前景展望［J］．中国材料进展，2011，30(03):1-8．

［2］闻海虎．新型高温超导材料研究进展［J］．材料研究学报，2015，29(04):241-254．

［3］王岳．高温超导材料及其应用前瞻［J］．材料开发与应用，2013，28(02):1-7．

［4］吴兴超，李永胜，徐峰．高温超导材料的发展和应用现状［J］．材料开发与应用，2014，29(04):95-100．