已公认的实用超导体有七种:铌钛(NbTi)、铌三锡(Nb3Sn)、二硼化镁(MgB2)、铋(Bi)系(Bi-2223和Bi-2212)和REBCO(块材和涂层导体)。对于实用超导体,必须同时具有较高的上临界磁场()、临界电流密度(
)和超导转变温度(
),另外良好的机械、加工性能对于实用超导体同样至关重要。除了REBCO块材外,其他实用超导材料都必须制备成线、带或缆材,从而满足超导磁体和电缆等应用要求。
按照的不同,NbTi和Nb3Sn属于低温超导材料,其他属于高温超导材料。低温超导材料(NbTi和Nb3Sn)已经实现商业化大批量生产。由于具有良好的机械、加工和载流性能,NbTi线材是应用最广泛的超导材料,主要应用于各种类型的磁场强度小于10特斯拉的超导磁体。Nb3Sn主要应用于磁场强度为10~20特斯拉的超导磁体。Nb3Sn线材分为两种:青铜法和内锡法,其中青铜法线材机械性能较好,交流损耗较低,但是载流性能较低,而内锡法线材则相反。国际上生产Nb3Sn线材的公司有:西部超导、布鲁克(Bruker)、日本超导磁体公司(JASTEC)和古河电工。
MgB2是一种结构简单的金属间化合物超导体,超导转变温度()为39开,线材的原材料成本低廉,制备工艺简单。它在较低磁场下载流性能较好,被认为在核磁共振(MRI)超导磁体和超导电缆等领域具有重要的应用价值。但是,由于缺乏有效的磁通钉扎中心,MgB2超导体随磁场的增加,临界电流密度
衰减较快,因此如何提高它的磁通钉扎性能是MgB2超导体研究的核心。通过碳(C)掺杂可以有效提高其上
和高场下
性能。实用化MgB2超导线材采用粉末装管法(PIT)制备,根据前躯体粉末的不同,该方法又分为原位法(in-situ)和先位法(ex-situ)两种。
Bi2223带材被称为第一代高温超导材料,它是以银(Ag)或银合金作为基体,采用粉末套管法,结合多芯组装、集束拉拔、轧制和热处理等工艺制备而成的一种超导带材。在自场条件下,它的载流性能较好,但是随着磁场增加,性能衰减较快。该材料主要用于电缆和各种电力设备的磁体部件制备。由于采用Ag作为基体材料,Bi2223超导带材价格较贵。Bi2212是唯一可以制作成圆线的实用高温超导材料,它可以用于工作温度4.2开、磁场强度20特斯拉以上的内插磁体及大电流缆材。通过高压热处理,可以显著提高Bi2223带材和Bi2212圆线的载流性能。
REBCO超导材料分为“块材和涂层导体”两种。①REBCO块材,通过融熔织构生长工艺制备的准单晶高温超导体,它主要应用于磁悬浮列车、磁浮轴承和超导电机等。②涂层导体,采用物理或者化学外延沉积方法,在金属基带上沉积的多层织构外延薄膜涂层。又称第二代高温超导材料。涂层导体带材由金属基带,缓存层,超导层和保护层组成。由于具有卓越的载流和机械性能,同时具有较高的超导转变温度,它可以用于高温超导电缆、高温超导限流器、超导磁体等领域,是实现超导产业大规模工业化应用的关键。但是,由于制备工艺复杂,涂层导体价格仍然昂贵,性价比与铜(Cu)相比存在巨大差距。
除了上述实用超导材料外,Nb3Al、(Sr,K)Fe2As2和FexSe1-x等超导材料也被认为具有潜在的应用价值,但是它们的实用化高性能线带材制备工艺还需要进一步研究。普遍认为,超导材料未来在电力、能源、医疗、通讯以及国防等领域有着巨大的应用价值。