超高压力下铌钛合金超导电性研究进展

钛铌合金是一种由钛（Ti）和铌（Nb）组成的高强度、耐腐蚀、可超导的特殊合金材料。成分与结构

钛铌合金主要由钛和铌两种元素组成，钛含量一般在35%～55%，铌含量在45%～65%之间，典型的NbTi合金钛含量约50%（质量分数） 。其主要相结构为体心立方的β相，钛在合金中以固溶体形式存在，形成良好的固溶强化效果。

物理化学性质

· 密度：约5.6-6.0 g/cm³，比纯钛和纯铌略高。

· 熔点：约1600℃，熔点随铌含量增加略降低。

· 电导率与热导率：相对较低，但在特定电子设备中仍可应用 。

· 耐腐蚀性：在酸、碱、盐及海水环境中表现稳定，表面可形成致密氧化膜。

性能特点;

高强度：经热处理和加工后，屈服强度可达1000 MPa以上，可承受高应力。

良好韧性：在高强度下仍具抗冲击能力，适合复杂受力条件。

超导性：在低温（8~10K）下表现超导特性，是重要的超导材料，广泛用于超导磁体。

耐疲劳性：在反复应力下仍能保持性能稳定，不易断裂。

生物兼容性：适合医疗器械应用，如植入物和手术器械。铌钛合金超导体在数千种已知的超导体中以其优异的综合性能得到广泛的应用，是目前医用核磁共振和大科学装置超导磁体中的关键材料。铌钛合金是一种典型的过渡族元素组成的二元合金。前期在对由多元过渡族金属元素组成的高熵合金超导体(TaNb)0.67(HfZrTi)0.33的研究中发现，在超高压力下（百万大气压以上的压力为超高压力，100万大气压=100 GPa），该合金表现出异常稳定的超导电性【PNAS 114(2017)13144】。由于铌和钛是这种高熵合金的主要构成元素，通过对铌钛合金超高压力下超导电性的研究，能加深对高熵合金超导的微观机制的理解。

最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心超导国家重点实验室郭静副研究员、孙力玲研究员等和普林斯顿大学Robert J. Cava教授、合肥强磁场张裕恒院士、张昌锦研究员及郗传英研究员、中国科学院电工所王秋良研究员等合作，对铌钛合金超导体在超高压力下的超导电性进行了系统的研究。发现铌钛合金在高达261.7GPa的压力下仍保持具有零电阻的超导电性，这表明铌钛合金是所有超导体中目前已知的超耐压的超导体。 这个压力是已有报导的超导电性存在的极高压力。在该压力下铌钛合金超导体超导的转变温度由常压下的9.6K提高到了19.1K，合肥强磁场高压磁阻实验结果表明在211GPa压力和1.8K温度下其临界磁场由15.4T提高到了19T。这是过渡族金属元素合金超导体中所发现的超导转变温度和临界磁场。上海光源同步辐射高压XRD实验结果表明，在200 GPa压力下没有发生晶体结构变化，但其体积被压缩了大约43%。
上述研究揭示了由过渡族金属元素构成的合金超导体在高压力下其超导电性具有可抵御大形变而稳定存在的特性，这与铜氧化物和铁基超导体超导电性对体积变化的高度敏感性形成了鲜明的对比，也与后过渡族金属元素超导体（价态电子中d电子满壳层）的超导转变温度随体积压缩而下降的行为明显不同。该项成果发表在【Advanced Materials 2019 1807240】上。
此外，在实验技术上，本项研究将高压极端条件、强磁场和同步辐射等大科学装置上的实验成功结合，为我国利用自己的大科学装置联合开展前沿科学研究提供了一个新的范例。