[发明专利]高临界温度超导氧化陶瓷产品及其宏观与微观制造方法

说明书

本发明涉及高临界温度(Tc)超导氧化陶瓷产品，以及制造该高Tc超导氧化陶瓷产品的宏观与微观方法。本发明之高Tc超导氧化陶瓷产品的临界电流密度高，临界磁场高，寿命长，同时能再充电或使超导性再生。

自从在金属氧化陶瓷学方面首次发现高Tc的超导性以来，已有许多人试图找出这种超导性的基本物理根源。一般公认的是，高Tc超导体之过氧化铜CuO₂平面的微观结构在高Tc超导性方面起了关键作用。从二维上看，高Tc金属氧化超导陶瓷中，每个铜原子周围都围绕着四个氧原子(若从三维空间看，则有六个氧原子围绕一个铜原子)，同时每个铜原子至多可向其最近邻提供三个电子。这表示铜原子和氧原子之间不会有稳定的共价键。因此，铜电子只是微弱定域，可以横越氧桥而完成量子隧道(tunneling)效应。这种集体量子隧道效应在高Tc超导性方面起着关键作用。由于两个铜离子间的交换作用是由氧离子作中介的，所以定域在氧上的那一孔口的额外自旋将有很大作用。若是将两个铜离子的自旋指定为和，並将氧离子指定为时，则将趋于与和二者保持平行或反平行。因此，高Tc超导体的自旋十分无序。因为混合价共振振动，定域自旋波函数为对称或反对称的同时会随着时间迅速改变。无序的自旋波函数将自动进行调整，以便伴随隧道电子。

本发明涉及利用金属氧化陶瓷来制造完全密封的高Tc超导产品的新方法，以及利用此等方法制作的完全密封式高Tc超导产品。本发明的方法及产品以下列认识为基础，亦即金属氧化物的氧含量在高Tc超导体以及含有该含量之产品中起着重要作用。若低于临界氧含量X_c1(O)或高于临界氧含量X_c2(O)，超导性即会被破坏。这两个临界浓度之间，临界温度Tc有所变化。以YBa₂Cu₃O_x这种超导氧化物系统为例，其临界氧含量X_c1(O)＝6.5，而X_c2(O)＝7.0。实验显示，如果氧原子从高Tc超导体中逸出，而使氧含量减少至低于临界氧含量X时，金属氧化物的超导性即被破坏。若增加氧含量，例如在预定温度范围内于含氧的条件下烧结缺氧的金属氧化陶瓷，即可恢复其超导性。就YBa₂Cu₃O_x而言，基本要点在于其氧含量X(O)必须满足上式6.5＜X(O)＜7.0，且就所有的高Tc氧化物超导体而言，其氧含量必须符合公式X_c1＜X(O)＜X_c2。

氧化陶瓷的高Tc超导性状态，仅是一种亚稳状态，故超导氧化陶瓷易于失去氧而变成一种稳定状态的绝缘体。这种氧损耗的过程可能是几小时、几天、几个月、或几年以上，这取决于超导氧化物周围的环境条件，包括温度和大气等等。然而，不管氧损耗的过程可能多久，亚稳超导状态易于变成稳定绝缘状态的趋势是可以肯定的。因此，为保护氧化陶瓷的高Tc超导性，该陶瓷就须维持符合超导状态的氧含量。

本发明提供一种全封闭式的超导产品，以防止氧损耗而获得一种长寿的高T c超导氧化陶瓷产品。如后详细所述，密封物可用金属、塑料或任何对氧保持惰性的材料制成。

本发明还基于下列认识，即高Tc超导体属于陶瓷材料，该材料的基本性质就是易碎性。由于陶瓷超导体具有这种易碎的特性，所以曾有许多人试图利用制造电线、电缆和带材的传统方法来制造高Tc超导陶瓷产品，再用含有超导陶瓷的电线、电缆和带材制成超导产品。这类制造超导陶瓷产品之电线、电缆和带材的方法包括有：第4,952,554号美国专利；第4,965,249号美国专利；第4,975,416号美国专利；和第4,973,574号美国专利。至于其它一些制造超导陶瓷产品的方法，则在下列的美国专利中公开出来；第4,975,411号美国专利；第4,975,412号美国专利；第4,974,113号美国专利；第4，970,483号美国专利；第4,968,662号美国专利；第4,957,901号美国专利，第4,975,414号美国专利；以及第4,939,121号美国专利。