2022年超导材料行业专题研究 低温超导材料与高温超导材料产业分析.docxVIP

2022年超导材料行业专题研究 低温超导材料与高温超导材料产业分析 一、超导材料发展综述 1.1诞生和理论发展 人们对超导材料的探究得益于低温物理学的发展，而超导材料的诞生则源于人们对金属电阻与温度之间的关系探索。超导，全称超导电性，是二十世纪最重要的科学发现之一，指的是当某些材料在温度降低到某一临界温度（Tc）时电阻突然消失，电流可以在其间无损耗流动的现象，具备这种特性的材料则被称为超导材料或超导体。超导体的诞生要追溯到二十世纪初，人们在气体理论的指导下不断将各种气体液化，创下了一系列的低温记录，荷兰物理学家昂尼斯（H.K.Onnes）在1908年成功液化了地球上最后一种“顽固气体”—-氦气，并且获得了接近绝对零度的低温：4.2K(约-269℃)。氦作为分子质量最小的稀有气体，是最不活泼的元素之一，也是唯一不能在标准大气压下固化的物质，而液氦的成功获得极大地推进了低温物理学的发展，这也为超导现象的发现埋下了伏笔。1911年，昂尼斯等人用液氦冷却金属汞以研究金属在低温下的电阻行为时发现，汞的电阻并不像预期中随温度降低而逐渐减小，而是在温度降至4.2K左右（Tc=4.2K，等同于-268.98C）时急剧下降，以至完全消失。这也就是超导体的第一个基本特征——完全导电性，指当降低至某一温度以下，电阻突然消失的现象。1913年，昂尼斯因液氦的成功制备和超导现象的发现而获得了当年的诺贝尔物理学奖，并首次以“超导”一词来表达这一现象，寓意为超级导电。自此以后，人们把处于超导状态的导体称为超导材料，其凭借独特的性能和具有潜力的各项应用而持续地吸引着全球各地众多科学家的不断探索； 超导材料的发展离不开理论的支撑，1933年，德国物理学家迈斯纳（W.Meissner）和奥林菲尔德(R.Ochsenfeld)共同发现了超导体的另一个重要特征--完全抗磁性，即当材料处于超导状态时，将完全排斥磁场，超导体内的磁感应强度为零，人们将这种现象称为“迈斯纳效应”。因此，判断一种材料是否具备超导电性，必须要看其是否同时具备完全导电性和完全抗磁性。随后，巴丁（J.Bardeen)、库珀（L.V.Cooper)和施里弗（J.R.Schrieffer）在195K年提出了著名的BCS理论，它把超导现象看作一种宏观量子效应，成功地解释了金属或合金超导体的超导电性微观机理。由于电阻是由电子定向运动时与金属晶格发生碰撞而形成的，而在超导临界温度以下，超导体中的电子通过与晶格振动声子的交换来实现无损耗运动，即没有电阻产生，因此能够实现超导电性。至此，超导体的三大基本特性完全导电性、完全抗磁性和宏观量子效应均已奠定； 宏观量子效应是超导电子学的基础，众多科学家及学者根据BCS理论作出了一系列的理论延伸：1)1962年，剑桥大学的约瑟夫森(B.Josephson)预言，“电子对”能够穿过薄绝缘层（量子隧穿），当由薄绝缘层隔开的两块超导体（“约瑟夫森结”结构）之间有电流通过时，其中并不会出现电压，这一现象被称为“约瑟夫森效应”。换言之，该现象是一种横跨约瑟夫森结的超电流现象，即超导电流可以在“超导体一绝缘体一超导体”的结构中产生；2）1968年，美国物理学家麦克米兰根据BCS理论得到超导体临界温度上限的公式，推算出超导体的临界温度一般不太可能超过39K(约-234℃)，39K这个温度也被称为“麦克米兰极限”。该极限温度曾一度被主流学界所接受，直到1980年代高温超导体的蓬勃发展突破了这个理论极限； 1.2更高的临界温度 按照超导体的临界温度，可以将超导体分为低温超导和高温超导材料：Tc25K的超导材料称为C温超导材料，目前已实现商业化的包括NbTi（铌钛，Tc=9.5K）和Nb3Sn（铌三锡，Tc=18k）。由于NbTi和Nb3Sn具有优良的机械加工性能和成本优势，其制备技术与工艺已经相当成熟。目前低温超导的下游应用主要包括加速器磁体、核聚变工程用超导磁体、核磁共振磁体、通用超导磁体等，基于低温超导材料的应用装置一般工作在液氦温度(约4.2K)。在相当长的时期内，低温超导材料仍将是最主要的超导产业支柱性材料； Tc≥25K的超导材料为高温超导材料，具备实用价值的主要包括铋系（例如Bi-Sr-Ca-Cu-O,BSCCO,Tc=110K)、钇系（例如Y-Ba-Cu-O,YBCO,Tc=92K）和MgB2超导材料（Tc=39K）、铁基超导材料等。其中铋系和钇系高温超导材料于氧化物陶瓷，在制造工艺上须克服加工脆性、氧含量的精确控制及与基体反应等问题，因此生产成本较高，目前尚处于商业化初期阶段。目前高温超导的下游终端应用主要包括超导电缆、超导电机、超导变压器、超导滤器等，基于高温超导材料的应用装置一般工作在液氢温度（约20K）至液氮温度（约77K）之间。 自超导现象被发现后的75年时间里，