高溫超導(dǎo)材料

1、姓名：羅 煌 學(xué)號(hào)：162060025高溫超導(dǎo)材料高溫超導(dǎo)材料演示內(nèi)容演示內(nèi)容一、什么是高溫超導(dǎo)材料？二、高溫超導(dǎo)體的研究現(xiàn)狀三、高溫超導(dǎo)體的制備技術(shù)四、發(fā)展前景五、總結(jié)一、什么是高溫超導(dǎo)體？n高溫超導(dǎo)材料是指具有高臨界的轉(zhuǎn)變溫度,并且能在液氮溫度條件下工作的一種超導(dǎo)材料,這種材料性能非常好,用途非常廣泛。這是一種氧化物材料,氧化物多是以銅為主要元素,具有陶瓷的性質(zhì)。同時(shí),也有不含銅的高溫超導(dǎo)材料,主要是鋇鉀鉍氧體系。高溫超導(dǎo)材料有著其他普通材料不具有的特性,零電阻、完全抗磁性、宏觀量子效應(yīng)這些特殊的性質(zhì),使高溫超導(dǎo)材料在生活生產(chǎn)各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。研發(fā)新的高溫超導(dǎo)物質(zhì)一、什么是高溫超

2、導(dǎo)體？n 如果這種新材料預(yù)示著新事物的到來(lái)，那么這個(gè)世界將很快看到超導(dǎo)體的實(shí)際應(yīng)用，為醫(yī)學(xué)、技術(shù)、運(yùn)輸以及能源等領(lǐng)域帶來(lái)改善。n 耐高溫超導(dǎo)體在目前的醫(yī)療技術(shù)中找到了實(shí)際應(yīng)用，比如說(shuō)在診斷測(cè)試中使用的磁共振成像（MRI）以及超導(dǎo)量子干涉裝置(SQUIDs)。借助電動(dòng)力懸浮的磁懸浮列車(chē)也依靠耐高溫超導(dǎo)材料進(jìn)行工作。超導(dǎo)磁懸浮一、什么是高溫超導(dǎo)體？n高溫超導(dǎo)材料溫度超導(dǎo)體得天獨(dú)厚的特性，使它可能在各種領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但由于早期的超導(dǎo)體存在于液氦極低溫度條件下，極大地限制了超導(dǎo)材料的應(yīng)用。人們一直在探索高溫超導(dǎo)體，從1911年到1986年，75年間從水銀的42K提高到鈮三鍺的2322K，才提高了

3、19K。n 1986年1月，美國(guó)國(guó)際商用機(jī)器公司設(shè)在瑞士蘇黎世實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家柏諾茲和繆勒首先發(fā)現(xiàn)鋇鑭銅氧化物是高溫超導(dǎo)體，將超導(dǎo)溫度提高到30K；緊接著，日本東京大學(xué)工學(xué)部又將超導(dǎo)溫度提高到37K；12月30日，美國(guó)休斯敦大學(xué)宣布，美籍華裔科學(xué)家朱經(jīng)武又將超導(dǎo)溫度提高到402K。二、高溫超導(dǎo)體的研究現(xiàn)狀1.釔系（YBCO）超導(dǎo)體在目前已知的各種高溫超導(dǎo)體中，Y123(YBa2Cu3O7,YBCO)是研究得最為深入的一種。YBCO 在92K 左右顯示出超導(dǎo)電性，且超導(dǎo)相的比例極高。YBa2Cu3O7-(YBCO)在液氮溫區(qū)具有高的臨界電流密度（Jc值），在外磁場(chǎng)下具有比Bi系超導(dǎo)體更好的性能，故其

4、是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。2.鉍系超導(dǎo)體鉍系超導(dǎo)體是僅次于釔系、第二個(gè)研究較為透徹的高溫超導(dǎo)體。2.鉍系超導(dǎo)體MgB2 是一種新發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)材料，2001 年MgB2 超導(dǎo)體被日本教授秋光純發(fā)現(xiàn)，其晶體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、原料成本低，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為39K，且沒(méi)有“晶界弱連接性”，被認(rèn)為是應(yīng)用于2040K磁場(chǎng)適中條件下的最佳超導(dǎo)材料。MgB2超導(dǎo)體是近年來(lái)超導(dǎo)材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。二、高溫超導(dǎo)體的研究現(xiàn)狀4.鉈系超導(dǎo)體1988年，第三種高溫超導(dǎo)體鉈系高溫超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)，鉈的主要缺點(diǎn)是有毒，吸入、注射和皮膚接觸都會(huì)危害健康，90年代以后，人們才對(duì)鉈系材料的超導(dǎo)性能有所了解。鉈系超導(dǎo)體是具有高轉(zhuǎn)變溫度的超導(dǎo)材料之一

5、，具有多種工藝制備方法，其中Tl-2223相超導(dǎo)體具有最高Tc 值(1215K)。5.汞系超導(dǎo)體1993 年，人們發(fā)現(xiàn)汞系超導(dǎo)體，和鉈系超導(dǎo)相同，汞的毒性同樣也影響了HBCCO 的發(fā)展。1995年，名古屋工學(xué)院采用溶液紡絲法(Solution spinning)制備出Hg-1223(HgBa2Ca2Cu3Ox)的超導(dǎo)絲(250m)，Tc值達(dá)127k，Jc(77k,0T)達(dá)103A/cm2，開(kāi)辟了汞系超導(dǎo)體的制備新途徑。三、高溫超導(dǎo)體的制備技術(shù)1.超導(dǎo)層的沉積技術(shù)超導(dǎo)層的沉積技術(shù) 探索超導(dǎo)層的沉積方法的基本考慮是降低大規(guī)模生產(chǎn)的成本，包括：大型工業(yè)用激光器的初期成本；管子、窗口、工作氣體和流出物

6、的運(yùn)行成本；真空系統(tǒng)和HTS靶材成本。 采用MOCVD已制出相當(dāng)長(zhǎng)的線材，性能水平還低于低成本的MOD技術(shù)。采用液相技術(shù)進(jìn)行超導(dǎo)層的涂敷，由于沉積過(guò)程簡(jiǎn)單，先驅(qū)材料利用充分，將先驅(qū)物處理成超導(dǎo)態(tài)所用爐子的成本相對(duì)低，因此，比氣相方法成本低得多。三、高溫超導(dǎo)體的制備技術(shù)2.AMSC的的RABiTSMOD工藝工藝 AMSC進(jìn)入第二代HTS線材領(lǐng)域是在1995年，目的是在第一代線材已取得的成績(jī)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低超導(dǎo)線材的成本，提高其性能，以滿足隨時(shí)問(wèn)推移用戶對(duì)超導(dǎo)線材的日益增長(zhǎng)的需求。 在LANL，ORNL，斯坦福大學(xué)，威斯康星大學(xué)和MIT等單位合作，深入研究了各種工藝之后，AMSC認(rèn)識(shí)到RABi

7、TSMOD工藝從成本和性能上綜合了基帶和超導(dǎo)體加工兩方面最誘人優(yōu)勢(shì)，是低成本，規(guī)模制備超導(dǎo)線材的理想技術(shù)。三、高溫超導(dǎo)體的制備技術(shù)3.連續(xù)工藝連續(xù)工藝 早期大多數(shù)的第二代線材是短樣，從靜態(tài)到連續(xù)工藝是一個(gè)挑戰(zhàn)。必須改進(jìn)所有材料的質(zhì)量和工藝環(huán)境，控制沉積緩沖層時(shí)對(duì)線材的加熱，掌握在線的拉力，處理好由于層間不同熱收縮產(chǎn)生應(yīng)力造成的拱形和卷曲。分解和熱處理爐，需用多段爐。 AMSC采用RABiTSMOD工藝制造的10 m長(zhǎng)第二代高溫超導(dǎo)帶材的性能最近已達(dá)到250 Acm寬，這是工業(yè)規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)線材的世界紀(jì)錄，已接近商品化電纜應(yīng)用的300 Acm寬的要求。電纜應(yīng)用感興趣的4 mm寬帶，最新結(jié)果為272

8、 Acm寬，幾乎相應(yīng)為100A，采用雙面結(jié)構(gòu)會(huì)加倍到220 A，剛高于目前第一代導(dǎo)體達(dá)到的性能。更為重要的是這種帶材的均勻性(標(biāo)準(zhǔn)偏差4)和4卷連續(xù)運(yùn)行的重復(fù)能力。三、高溫超導(dǎo)體的制備技術(shù)4.釘扎作用釘扎作用 強(qiáng)化釘扎是達(dá)到高電流密度的關(guān)鍵。通過(guò)在高溫超導(dǎo)材料中引入與磁通線直徑相近的納米尺度的缺陷，可得到釘扎，為此AMSC等單位引人了高密度稱(chēng)作“納米點(diǎn)”的極細(xì)小粒子，彌散分布，提高了在磁場(chǎng)下的電流密度，還找到了在MOD工藝中引入納米點(diǎn)的專(zhuān)有途徑。納米點(diǎn)由納米尺度的氧化釔或YBCO體系中非超導(dǎo)組分的夾雜組成。 釘扎的另一個(gè)重要作用是改善臨界電流密度的磁場(chǎng)角度關(guān)系，根據(jù)釘扎缺陷的種類(lèi)和取向，在不同

9、的磁場(chǎng)方向釘扎不同，使臨界電流密度的磁場(chǎng)角度關(guān)系平滑一些，這一重要工作僅僅開(kāi)始，可以預(yù)計(jì)會(huì)有大的改進(jìn)，使得第二代線材可以用在比第一代更高的溫度下。n 超導(dǎo)技術(shù)將成為 21 世紀(jì)的寵兒，而超導(dǎo)材料也將深入千家萬(wàn)戶。超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用和普及將會(huì)在世界能源方面發(fā)揮不朽的作用，將會(huì)為世界每年免去不必要的邊緣耗散。如果能用上超導(dǎo)材料，那每年消耗的能量將不可估量。如果這些能量被合理地利用起來(lái)對(duì)人類(lèi)的發(fā)展不可謂不大，或者每年為這些能量的耗散而投入的不必要的資金，用于資助那些苦難的、急需救助的國(guó)家與人民，那意義不可謂不大。超導(dǎo)材料的普及必將是一場(chǎng)材料大革命，其意義并不會(huì)亞于其他科技革命。四、發(fā)展前景n 第一

10、代超導(dǎo)線材鉍氧化物線材已達(dá)到商業(yè)化水平。東京電力公司試制成功長(zhǎng) 100 米、3相、66 千伏的超導(dǎo)電纜，美國(guó)不久也將進(jìn)行 100 米超導(dǎo)電纜的安裝試驗(yàn)。日本正在加緊研究開(kāi)發(fā)高性能的超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)限流器和超導(dǎo)蓄電裝置等，預(yù)計(jì) 5 年后達(dá)到目標(biāo)。日本磁懸浮列車(chē)線圈的超導(dǎo)化目前也在計(jì)劃當(dāng)中，預(yù)計(jì)將從明年開(kāi)始進(jìn)行研究和試制。目前各國(guó)都在積極研究開(kāi)發(fā)第二代超導(dǎo)線材釔系列線材。其中，包含釔的YBCO (釔鋇銅氧)和包含釹的 NBCO(釹鋇銅氧)這兩種線材，由于有更好的磁場(chǎng)特性，將來(lái)有可能成為超導(dǎo)線材的主流。有人預(yù)言不久的將來(lái)將會(huì)出現(xiàn)室溫超導(dǎo)體。四、發(fā)展前景n 超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛地造福人類(lèi)，對(duì)超導(dǎo)電性機(jī)理的進(jìn)一步的了解，將會(huì)對(duì)凝聚態(tài)物理學(xué)的發(fā)展以及相關(guān)邊緣學(xué)科的發(fā)展產(chǎn)生極為深遠(yuǎn)的影響。各國(guó)政府，特別是工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的政府，對(duì)超導(dǎo)研究極力支持，給以大量投資，這些國(guó)家有實(shí)力的公司對(duì)研究成果迅速引進(jìn)，迅速轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)力，這些都有利于超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展。這也說(shuō)明，政府、企業(yè)與超導(dǎo)專(zhuān)家、研究者，在對(duì)超導(dǎo)將起的作用的看法方面取得了共識(shí)。超導(dǎo)技術(shù)在 21 世紀(jì)必將占有重要地位。四、發(fā)展前景n 從高溫超導(dǎo)材料的研究來(lái)看，經(jīng)過(guò)近年我國(guó)的努力,超導(dǎo)材料已經(jīng)開(kāi)始大規(guī)模地生產(chǎn)利用。我國(guó)是較早進(jìn)入超導(dǎo)技術(shù)研究領(lǐng)域的國(guó)家,我國(guó)也有著自己的優(yōu)勢(shì),但是為了取得更大的進(jìn)步,仍