磁制冷材料的合成及其磁性质的研究
——ZrRe6的Fe元素替代研究
摘要：1911年荷兰科学家卡麦林· 昂尼斯发现汞在4.2K时的零电阻,随后,人们在铅及其它多种材料中也发现这种特性:在满足临界条件(临界温度Tc、临界电流Jc、临界磁场Hc)时物质的电阻突然消失,这种现象称为超导电性的零电阻现象。1933年迈斯纳和奥森菲尔德又发现了超导体的另一个重要性质—完全抗磁性。1957年Bardeen等提出了著名的BCS理论,揭示了长时期不清楚的超导起因。但由于已发现的各种材料的Tc过低,必须使用液氦,大大地限制了它的优越性。1986年4月,瑞士IBM实验室的BednorzJG和MullerKA发现La-Ba-Cu-0系氧化物具有超导电性,其超导态转变温度高于30K。这个发现在全世界物理界引起极大的震动,并立即在世界范围内掀起探索、研究高温超导体的热潮。21世纪的超导技术会像20世纪的半导体技术一样具有重要意义。一方面高温超导线材载流能力是相同截面积铜导线的100倍以上,因而在能源领域应用潜力很大,并有可能引发电力系统革命;另一方面超导元器件的高灵敏特性使得其在移动通信、航空航天、资源勘探、医疗诊断以及军事国防领域具有广阔的应用前景。
关键词：超导；磁性质；超导装变温度；ZrRe6
一、正文
自1911年荷兰的Onnes在Hg中发现超导现象(Tc=4.2K)以来,超导研究无论是在材料、理论还是在应用方面都取得了很大的进展,在为物理学的发展开拓了一个崭新领域的同时也为社会酝酿了一场新的工业革命,特别是1986年高Tc氧化物超导体的研究取得突破性进展后,这种景象更是呈现在我们眼前.
1908年荷兰物理学家卡麦林· 昂尼斯(Kammerlingh·onnes)液化氦气成功,从而使人们首次获得4.2K的低温。1911年卡麦林·昂尼斯发现汞在低温下具有“零”电阻的“超导电性”,从而开创了超导新纪元。但是，汞和随后发现的许多些金属元素的超导性能极易受到磁场的影响而被破坏,例如铅(Pb)在55mT的磁场下就会失去其超导性。因此，无法获得实际应用。直到20世纪60年代发现铌锆等合金材料方面的应用给予了极大的关注,开展了一系列可行性论证和一定规模的研究,但由于技术上和经济上的原因,这方面的应用研究都没能实现预期的目标。20世纪80年代初,随着极细丝交流超导线的出现,许多国家又相继开展了超导故障限流器、中、小型超导储能装置、超导变压器和超导输电电缆等的研究,并取得了实质性的进展。1986年4月,瑞士IBM实验室的BednorzJG和MullerKA发现La-Ba-Cu-0系氧化物具有超导电性,其超导态转变温度高于30K。这个发现在全世界物理界引起极大的震动,并立即在世界范围内掀起探索、研究高温超导体的热潮。两位科学家也因此获得1987年的物理学诺贝尔奖。随后,美国、中国等国的物理学家相继发现转变温度高于90K的超导体,从而开创了液氮温区超导体的新时代,超导技术又迈上了一个新的阶段。超导技术的发展给电工等技术带来质的飞跃,许多过去无法实现的电工装备由于采用超导技术而成为现实,或即将成为现实。超导磁体由于其具有能耗低、体积小、重量轻等优点,在实际应用中展现出极大的优势。例如,它可以在大空间内产生强磁场而几乎不消耗电能,从而为一些高技术,如核聚变、磁流体发电等实际应用创造了有利条件。另外,目前常规的电工装备,如果采用超导技术,不仅将大大改善其性能,而且还可极大地节省电能。目前,超导电工技术己成为国际科技发展的前沿领域。
1911年荷兰科学家卡麦林· 昂尼斯发现汞在4.2K时的零电阻,随后,人们在铅及其它多种材料中也发现这种特性:在满足临界条件(临界温度Tc、临界电流Jc、临界磁场Hc)时物质的电阻突然消失,这种现象称为超导电性的零电阻现象。1933年迈斯纳和奥森菲尔德又发现了超导体的另一个重要性质—完全抗磁性。1957年Bardeen等提出了著名的BCS理论,揭示了长时期不清楚的超导起因。但由于已发现的各种材料的Tc过低,必须使用液氦,大大地限制了它的优越性。从20世纪70年代起人们就将注意力转向寻找高Tc超导体,在周期表上排列、组合成各种二元、三元合金或化合物甚至四元化合物,但一直没有成效,。1973年找到的临界温度最高的材料是Tc值为23.2K的Nb3Ge薄膜,到1985年这个记录一直保持不变。1986年瑞士IBM实验室科学家缪勒和柏诺兹发现了转变温度为36K的La2Ba2Cu2O超导体,揭开了高温超导发展的帷幕。1987年2月,美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤把Y2Ba2Cu2O系材料临界超导温度提高到90K以上,液氮的禁区(77K)奇迹般地被突破了。1987年底,Tl2Ba2Ca2Cu2O系材料又把临界超导温度的记录提高到125K。从1986～1987年短短1年多的时间里,临界超导温度竟然提高了100K以上,使超导的应用和发展迈上了一个新台阶。最新的报道中是以水银掺杂得到的Hg2Ba2Ca2Cu3O10-delta;,在常压下其临界温度已达134K。
21世纪的超导技术会像20世纪的半导体技术一样具有重要意义。一方面高温超导线材载流能力是相同截面积铜导线的100倍以上,因而在能源领域应用潜力很大,并有可能引发电力系统革命;另一方面超导元器件的高灵敏特性使得其在移动通信、航空航天、资源勘探、医疗诊断以及军事国防领域具有广阔的应用前景。高温超导电缆技术的发展已有10多年的历史,如美国、日本、丹麦、德国、韩国、意大利、法国等都在积极进行高温超导电缆的研究开发。美国的高温超导电缆的研究开发一直走在世界的前列,研制成世界上第一组高温超导电缆。2001年丹麦NKT公司的30m长、30kV/2kA热绝缘结构实用化高温超导电缆顺利实现挂网运行。日本也有多家大公司、科研院所从事高温超导电缆的开发研制。
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