專利名稱：室溫超導材料制造方法
技術領域：
本發(fā)明屬于室溫超導材料制造方法。
1911年荷蘭科學家翁納斯發(fā)現(xiàn)的“超導”現(xiàn)象，使科學家的宿愿得以實現(xiàn)，從而震動了全世界的科學家。翁納斯，他是使高純度的水銀用液氮逐步冷卻，同時測量其電阻，果然電阻逐漸隨之減小。并且在絕對溫度4K(-269℃)附近，出現(xiàn)了意想不到的奇跡;電阻在此之前一直是在緩慢地減小，然而到達此溫度，卻突然跌落下來而成為零。從此，有些國家開始了超導研究，形成了第一次“超導熱”。之后，70年來，雖然，超導研究也取得了一定的進展，但卻是很緩慢的，幾乎使“超導熱”冷了下來。然而，1986年秋天，貝德諾爾茨和米勒教授宣布，發(fā)現(xiàn)了新的超導材料-陶瓷超導體，再次引起了全世界對超導體的“狂熱”，日、美等先進國家的科學家竟相研究，力圖在這方面取得新的突破，以求達到實用;我國的科學家在超導方面也取得了世人矚目的成就，我國著名超導專家趙忠賢教授為此而榮獲第三世界科學院院士的稱號，為祖國爭得了榮譽。
據(jù)1987年5月8日《日本經(jīng)濟新聞》報導，美國的能量轉換裝置公司(ECD)研制了“在絕對溫度155K下工作的新型超導材料”，并評述“這種新型超導材料刷新了以往的記錄”。1987年5月24日日本《晨報》報導休士頓大學的P·朱博士發(fā)現(xiàn)了在225K下電阻為零的新物質(zhì)，但還存在著不穩(wěn)定因素。據(jù)《中國物理文摘》90年第三期上報導，我國研制的鉈-鋇-鈣-銅-氧(Tl-Ba-Ca-Cu-O)超導材料零電阻溫度達120K，成果仍處于超導研究行業(yè)的前列。
自從翁納斯1911年發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象至今，已有70多年。在此期間又發(fā)現(xiàn)不僅有單質(zhì)，還有碳化物，氮化物，硫化物，硼化物，氧化物，氧化物的化合物(陶瓷)，合金等在低溫條件下具有超導性能的各種物質(zhì)，以上超導材料的臨界溫度，實際上與室溫相比還有很大差距，這樣的低溫超導材料，在使用上受到很大限制，各行各業(yè)根本不可能廣泛地采用低溫超導材料。目前，國內(nèi)外均在研究“高溫”超導材料(但問題處于零下溫區(qū))，用化學方法進行優(yōu)化組合，優(yōu)化配方，固然能夠提高材料的超導臨界溫度，臨界電流密度和臨界磁場;但是，這種方法所能夠提高的臨界溫度，臨界電流密度，臨界磁場的數(shù)值卻是有限的，并且這種方法不能夠提高單質(zhì)超導材料的臨界溫度，臨界電流密度，臨界磁場。實踐證明，BCS超導理論已遇到嚴重困難，按現(xiàn)在使用的方法幾乎無法制造出室溫超導材料。因此，開拓性地設法提高其超導材料的臨界溫度，臨界電流密度，臨界磁場以及實現(xiàn)材料的室溫超導性具有十分重要的意義。
本發(fā)明的目的就是針對傳統(tǒng)方法的局限，開創(chuàng)性地提供了一種室溫超導材料的制造方法。
本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容是將普通材料，在850°～1000℃高溫條件下熱軋，熱拉，實用成形之后，用高溫爐給成形品加溫到850°～1200℃，然后，將其成品迅速送入裝有低溫冷卻劑的超高壓壓力容器內(nèi)進行超高壓冷卻處理，最后即可得到室溫超導材料。
1.其工藝流程圖參見附

圖12.其主要技術要求①熱軋、熱拉、實用成形的溫度控制在850°～1000℃;
②成形品高溫控制在850°～1200℃;
③冷卻劑溫度低于-150℃;
④超高壓壓力強度P＞30萬個大氣壓。注不同普通材料轉變?yōu)槭覝爻瑢Р牧纤蟮腜值不相同。
⑤超高壓冷卻處理時間T≥300秒;
⑥外壓力和材料的收縮應力必須同時發(fā)生;
⑦減壓速度控制在1000個大氣壓/秒范圍內(nèi);
⑧超導材料釋放出的熱量和超導“潛熱”必須經(jīng)熱交換器迅速從超高壓壓力容器(簡稱超高壓冷卻缶)里排出。
3.主要裝置和設備實施本發(fā)明所需要的裝置和設備，除現(xiàn)有的冶煉裝置和設備之外，還應增加①高溫熱軋設備;②高溫熱拉設備;③高溫實用成形設備;④成形品升溫爐;⑤超高壓冷處理設備(包括超高壓壓力發(fā)生器，超高壓壓力容器，制冷裝置，熱交換器);⑥電腦自動控制設備。
實施本發(fā)明的關鍵性設備是超高壓冷處理設備。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比所具有的優(yōu)點及其效果新的理論和實驗(參見主要參考文獻《宇宙相對論》和《宇宙相對論量子力學》)證明物質(zhì)吸收電磁波(熱的本質(zhì)被證明仍是電磁波)時，原子核與原子核的間距擴大、物體膨脹，其電子圍繞原子核的旋轉運動軌道半徑反而減小(即原子的真半徑減小)，電子作加速運動;當物質(zhì)釋放出電磁波(即釋放出熱量)時，原子核與原子核的間距縮小，物體收縮，電子圍繞原子核的旋轉運動軌道半徑反而增大，電子作減速運動。因此，可以說，物質(zhì)釋放出熱量后，電子將遠離原子核，電子所受到的庫侖吸引力也必將逐步減小。
新的理論認為物質(zhì)主要分為五態(tài)超導態(tài)→固態(tài)→液態(tài)→汽態(tài)→中子態(tài)(電子全部掉入原子核，與質(zhì)子中和為中子，即熱核聚變態(tài))。同種物質(zhì)從一種狀態(tài)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)時，都要吸收或者放出其“潛熱”，溫度從最低點逐步升高時，物質(zhì)吸收熱量和“潛熱”，物態(tài)就從超導態(tài)向固態(tài)、液態(tài)、汽態(tài)，中子態(tài)逐步轉化;溫度從最高點逐步降低時，物質(zhì)釋放出熱量和“潛熱”，物態(tài)就從中子態(tài)向汽態(tài)、液態(tài)、固態(tài)、超導態(tài)逐步轉化;“潛熱”既不能使溫度升高也不能使溫度降低，它只能夠使物態(tài)從一種狀態(tài)轉化為另一種狀態(tài)。即實現(xiàn)材料的超導性就是設法釋放出超導“潛熱”。
在高溫條件下(熔點以上)，不同元素的原子重新化合成新物質(zhì)時，就會因核電荷數(shù)不同，而導致新分子內(nèi)部的原子核及其電子的相對運動失去動態(tài)平衡;這時候，庫侖吸引力大于庫侖排斥力，即合力不為零。在此合力(內(nèi)力)的作用下，為恢復新分子內(nèi)部原子核及其電子的動態(tài)平衡，原子核與原子核之間距要縮小，以增大庫侖斥力;同時，電子被迫作減速運動，在慣性力的作用下，電子必然要放出電磁波(熱量)，因此，電子就逐步遠離原子核，以達到新分子的動態(tài)平衡，電子受到原子核的庫侖吸引力就逐步減小(E→O)，部分電子已經(jīng)釋放出超導“潛熱”，這部分電子脫離原子核，而處于相對靜止狀態(tài)(不再作旋轉運動)。這一部分電子運動的阻力就為零。故用傳統(tǒng)的化學方法進行優(yōu)化組合，優(yōu)化配方能夠適當提高超導臨界溫度、臨界電流密度、臨界磁場。但是，它們的提高卻是有限度的。因為，這種“內(nèi)力”大小，它只能夠使少數(shù)量的低能電子釋放出超導“潛熱”，即只能使少數(shù)低速度(或低能)電子處于超導態(tài)。這種超導態(tài)是不穩(wěn)定的。
而本發(fā)明是一種物理方法，即外力法。當物質(zhì)在外力的作用下，其物質(zhì)分子結構里處于相對運動的原子核、電子將失去動態(tài)平衡，為恢復新的動態(tài)平衡，原子核與原子核之間距要縮小，以增大庫侖斥力，電子被迫作減速運動，在慣性力的作用下，電子就會放出電磁波(熱量)。當外力(P)超過某個極大值時，這種物質(zhì)就會釋放出超導“潛熱”(超導“潛熱”的特點與熔解熱、汽化熱一樣)。當材料釋放出超導“潛熱”之后，它便轉化為穩(wěn)定的“超導態(tài)”。外力(P)的來源有兩種方法①機械動力法-將機械動力設法傳到被處理的物體上使物體(材料)釋放出超導“潛熱”的方法;②低溫冷卻收縮法-使材料在高溫(熔點以下)，突然進行低溫快速冷卻處理，使材料快速收縮產(chǎn)生強大的收縮應力來實現(xiàn)釋放超導“潛熱”的方法。因為機械動力是一種人為的外力，它是可以根據(jù)不同的要求，調(diào)小或調(diào)大。即相對于單純的內(nèi)力法來說，外力是一種無限制的力，可以人為控制和調(diào)整。
因此本發(fā)明的優(yōu)點是①這種方法能使所有的物質(zhì)(包括單質(zhì)在內(nèi))提高其超導性能(臨界溫度，臨界電流密度，臨界磁場);②這種方法能夠制造出穩(wěn)定而適用的室溫超導材料。
室溫超導材料將廣泛地用于各行各業(yè)，并將迅速引起新的產(chǎn)業(yè)革命。如實現(xiàn)熱核聚變，實現(xiàn)電能儲存，實現(xiàn)全球電力網(wǎng)聯(lián)合供電等。因此，室溫超導技術的實現(xiàn)不僅對物理學的實驗裝置，而且對工業(yè)，軍事等各方面都將具有廣泛的非常深刻的影響。不僅如此，對至今尚未被人們注意到的新領域還會被發(fā)現(xiàn)和運用。
本發(fā)明的最佳實施例在實驗室制造出室溫超導材料的最簡易方法，是利用已成功的低溫超導材料，在850°～1000℃的溫度下進行熱軋，熱拉，實用成形(尤其是做成園柱形)，再給成形品加溫到850°～1200℃，并將其成形品迅速送入裝有冷卻劑(液氮或液氦)的超高壓壓力容器內(nèi)(在實驗室，要求壓力容器的允許壓力為小于100萬個大氣壓)進行超高壓(要求P＞30萬個大氣壓;對已達125K的低溫超導材料，要求30萬個大氣壓＜P＜50萬個大氣壓)冷卻處理，即可實現(xiàn)其室溫超導性，而得到室溫超導材料。
最佳實施例所需設備為熱軋設備，熱拉設備，實用成形設備，超高壓冷卻缶(超高壓壓力容器)，超高壓壓力發(fā)生器，熱交換器，電腦自動控制裝置等。
可供選用的低溫超導材料①鉍-鍶-鈣-銅-氧(Bi-Sr-Ca-Cu-O)，其轉變溫度為117K，零電阻溫度79K。
②鉈-鋇-鈣-銅-氧(Tl-Ba-Ca-Cu-O);其轉變溫度為117K，零電阻溫度為104K。
③Ba2-Gd-Cu3-O7-x(鋇-釔-銅-氧)，零電阻溫度為92°K。
④釔-鋇-銅-氧(Y1-Ba2-Cu3-O7-6)，零電阻溫度為103.4K。
⑤鉛-鉍-鍶-銅-氧(Pbx-Bi2-x-Sr2-Cu3-Oy)，零電阻溫度為110K。
注意事項①為避免材料快速冷卻收縮時，產(chǎn)生裂紋(即破裂)，而導致它不能釋放出超導“潛熱”，第一，要求外壓力(如機械動力)達到標準;第二，要求被冷處理的材料做成園柱形(以免產(chǎn)生應力集中而破裂);第三，要求外力和收縮應力同時產(chǎn)生作用。
②為避免環(huán)境污染和降低成本，可優(yōu)先選用液氮溶液為冷卻劑。
③保證超高壓壓力容器有足夠的強度，以免發(fā)生重大爆炸事故。
權利要求
1.一種室溫超導材料制造方法。其特征是將普通材料，進行高溫熱軋，高溫熱拉，高溫實用成形，成形品加溫，迅速送入裝有低溫冷卻劑的超高壓壓力容器內(nèi)進行超高壓冷卻處理，最后得到溫超材料。
2.按權利要求1的室溫超導材料制造方法，其特征是普通材料可以是采用化學方法優(yōu)化組合，優(yōu)化配方制成的低溫超導材料，也可以是單質(zhì)材料。
3.按權利要求1的室溫超導材料制造方法，其特征是不同的普通材料要求采用不同的超高壓壓力進行冷卻處理。
4.按權利要求1的室溫超導材料制造方法，其特征是除現(xiàn)有的冶煉裝置和設備之外還應增加高溫熱軋設備;高溫熱拉設備;高溫實用成形設備;成形升溫爐;超高壓力冷卻處理設備，它包括超高壓壓力發(fā)生器、超高壓壓力容器制冷裝置、熱交換器;微型計算機自動控制設備。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種室溫超導材料制造方法。它是用物理方法加外力使物質(zhì)放出熱量和“潛熱”而由固態(tài)向超導態(tài)轉化。其方法是將普通材料在850°～1200℃高溫條件下熱軋、熱拉、實用成型，之后用高溫爐給成型品加溫到850°～1200℃，然后，將其成型品迅速送入裝有低溫冷卻劑的超高壓壓力容器內(nèi)進行超高壓冷卻處理，最后即可得到室溫超導材料。不同的原材料要求用不同的超高壓進行冷卻處理。
文檔編號H01B12/00GK1056366SQ91100429
公開日1991年11月20日 申請日期1991年1月28日 優(yōu)先權日1991年1月28日
發(fā)明者馮勁松 申請人:馮勁松