材料結構與性能 超導

1、超導現象及其基本概念超導現象及其基本概念 技術上的重大成就往往技術上的重大成就往往帶來科學上的新發(fā)現。帶來科學上的新發(fā)現。1908年荷蘭物理學家年荷蘭物理學家H.K.Onners成功地獲得了液氦，使得可成功地獲得了液氦，使得可以獲得低達以獲得低達4.2K的低溫技術。的低溫技術。這樣，他就利用這項技術試這樣，他就利用這項技術試驗金屬在低溫下時的電阻。驗金屬在低溫下時的電阻。三年后的三年后的1911年，他發(fā)現當年，他發(fā)現當Hg在液氦中溫度下降到在液氦中溫度下降到4.2K時，其電阻出現反?，F象，時，其電阻出現反?，F象，迅速降低到無法檢測的程度。迅速降低到無法檢測的程度。這是人類第一次發(fā)現超導現這是人

2、類第一次發(fā)現超導現象。象。 超導現象和超導材料超導現象和超導材料 不久，昂尼斯又發(fā)現了其他幾種金屬也可進入不久，昂尼斯又發(fā)現了其他幾種金屬也可進入“超導態(tài)超導態(tài)”，如錫和鉛。錫的轉變，如錫和鉛。錫的轉變 溫度為溫度為3.8K，鉛的轉變溫度為鉛的轉變溫度為6K。由于這兩種金屬的易加工特。由于這兩種金屬的易加工特性，就可以在無電阻狀性，就可以在無電阻狀 態(tài)下進行種種電子學試驗。態(tài)下進行種種電子學試驗。此后，人們對金屬元素進行試驗，發(fā)現鈹、鈦、此后，人們對金屬元素進行試驗，發(fā)現鈹、鈦、鋅、鎵、鋅、鎵、 鋯、鋁、锘等鋯、鋁、锘等24種元素是超導體。從此，種元素是超導體。從此，超導體的研究進入了一個嶄新

3、的階段。超導體的研究進入了一個嶄新的階段。 基本概念基本概念 材料的電阻隨著溫度的降低會發(fā)生降材料的電阻隨著溫度的降低會發(fā)生降低，某些材料會出現當溫度降低到某一程度時出現低，某些材料會出現當溫度降低到某一程度時出現電阻突然消失的現象，我們稱之為超導現象電阻突然消失的現象，我們稱之為超導現象。人們。人們將這種以零電阻為特征的材料狀態(tài)稱作為超導態(tài)。將這種以零電阻為特征的材料狀態(tài)稱作為超導態(tài)。超導體從正常狀態(tài)（電阻態(tài)）過渡到超導態(tài)（零電超導體從正常狀態(tài)（電阻態(tài)）過渡到超導態(tài)（零電阻態(tài)）的轉變稱作正常態(tài)超導態(tài)轉變，轉變時的阻態(tài)）的轉變稱作正常態(tài)超導態(tài)轉變，轉變時的溫度溫度T TC C稱作這種超導體的臨

4、界溫度。也就是說，零稱作這種超導體的臨界溫度。也就是說，零電阻和轉變溫度電阻和轉變溫度T TC C是超導體的第一特征。是超導體的第一特征。 邁斯納效應邁斯納效應 我們把處于超導態(tài)的超導體置于一個不太強的磁我們把處于超導態(tài)的超導體置于一個不太強的磁場中，磁力線無法穿過超導體，超導體內的磁感場中，磁力線無法穿過超導體，超導體內的磁感應強度為零。這種現象稱作超導體的應強度為零。這種現象稱作超導體的完全抗磁性完全抗磁性，這是超導體的第二特征。這種抗磁現象最早于這是超導體的第二特征。這種抗磁現象最早于1933年由年由 W.Merssner和和 R. Ochenfeld做實驗時做實驗時發(fā)現，因而這種現象又

5、稱作發(fā)現，因而這種現象又稱作邁斯納效應邁斯納效應。 NNS降溫降溫降溫降溫加場加場加場加場S注：注：S表示超導態(tài)表示超導態(tài)N表示正常態(tài)表示正常態(tài)邁斯納效應邁斯納效應 不過，當我們加大磁場強度時，可以破環(huán)超導不過，當我們加大磁場強度時，可以破環(huán)超導態(tài)。這樣。超導體在保持超導態(tài)不致于變?yōu)檎B(tài)態(tài)。這樣。超導體在保持超導態(tài)不致于變?yōu)檎B(tài)時所能承受外加磁場的最大強度時所能承受外加磁場的最大強度HC稱作超導體的臨稱作超導體的臨界磁場界磁場HC(T)。臨界磁場與溫度有關，。臨界磁場與溫度有關，0K時的臨界時的臨界磁場磁場HC(0) 和和HC(T)的關系為：的關系為：HC(T) HC(0) 1-(T/TC

6、)2 在臨界溫度在臨界溫度TC以下，超導態(tài)不至于被破壞而容以下，超導態(tài)不至于被破壞而容許通過的最大電流稱作臨界電流許通過的最大電流稱作臨界電流IC。這三個參數。這三個參數TC 、HC 、IC是評價超導材料性能的重要指標，對理想的是評價超導材料性能的重要指標，對理想的超導材料，這些參數越大越好。超導材料，這些參數越大越好。 解釋金屬超導解釋金屬超導現象的重要理論是現象的重要理論是巴丁、庫柏和施里巴丁、庫柏和施里弗（弗（J. Bardeen, L. N. Cooper, J. R. Schrieffer）建立的）建立的電聲作用形成庫柏電聲作用形成庫柏電子對的理論，簡電子對的理論，簡稱稱BCS理論。

7、理論。 超導現象的超導現象的BCS理論理論庫柏電子對形成示意庫柏電子對庫柏電子對的形成原理可用圖來的形成原理可用圖來描述：金屬晶體中的外層價電子描述：金屬晶體中的外層價電子處在帶正電性的原子實組成的晶處在帶正電性的原子實組成的晶格環(huán)境中，帶負電的電子吸引原格環(huán)境中，帶負電的電子吸引原子實向它靠攏，在電子周圍形成子實向它靠攏，在電子周圍形成正電勢密集的區(qū)域，它又吸引第正電勢密集的區(qū)域，它又吸引第二個電子，即電子通過格波聲子二個電子，即電子通過格波聲子相互作用形成電子對，稱為相互作用形成電子對，稱為“庫庫柏電子對柏電子對”。這種庫柏電子對具。這種庫柏電子對具有低于兩個單獨電子的能量，在有低于兩個單

8、獨電子的能量，在晶格中運動沒有任何阻力，因而晶格中運動沒有任何阻力，因而產生超導性。產生超導性。格波格波 電子在離子晶格間運動時，電子密度有起伏，電子在離子晶格間運動時，電子密度有起伏，當電子在某處集中時，會對附近的離子晶格產生吸當電子在某處集中時，會對附近的離子晶格產生吸引，從而使離子產生振動，并以波的形式在點陣中引，從而使離子產生振動，并以波的形式在點陣中傳播，這種波稱為格波。傳播，這種波稱為格波。聲子聲子 格波是量子化的，其量子稱為聲子。形成格格波是量子化的，其量子稱為聲子。形成格波的過程相當于電子發(fā)射出一個聲子。波的過程相當于電子發(fā)射出一個聲子。 處在超導態(tài)的電子，配成庫柏對存在，配處

9、在超導態(tài)的電子，配成庫柏對存在，配對的電子，其自旋方向相反，動量的大小對的電子，其自旋方向相反，動量的大小相等而方向相反，總動量為零。庫柏對作相等而方向相反，總動量為零。庫柏對作為整體與晶格作用，因此一個電子若從晶為整體與晶格作用，因此一個電子若從晶體得到動量，則另一個電子必失去動量，體得到動量，則另一個電子必失去動量，作為整體，不與晶格交換動量，也不交換作為整體，不與晶格交換動量，也不交換能量，能自由地通過晶格，因此沒有電阻。能量，能自由地通過晶格，因此沒有電阻。 當溫度大于臨界溫度時，熱運動使庫柏對當溫度大于臨界溫度時，熱運動使庫柏對分散為正常電子，超導態(tài)轉為正常態(tài)。分散為正常電子，超導態(tài)

10、轉為正常態(tài)。 當磁場強度達到臨界強度時，磁能密度當磁場強度達到臨界強度時，磁能密度等于庫柏對的結合能密度，所有庫柏對都獲等于庫柏對的結合能密度，所有庫柏對都獲得能量而被撤散，超導態(tài)轉為正常態(tài)。得能量而被撤散，超導態(tài)轉為正常態(tài)。 兩類超導體兩類超導體 超導體可以依據它們在磁場中的磁化特性劃分超導體可以依據它們在磁場中的磁化特性劃分為兩大類為兩大類: 第一類超導體第一類超導體 只有一個臨界磁場只有一個臨界磁場HC，超導態(tài)，超導態(tài)具有邁斯納效應，表面層的超導電流維持維持體內具有邁斯納效應，表面層的超導電流維持維持體內完全抗磁性。除完全抗磁性。除Nb、V、Tc以外，其他超導元素都以外，其他超導元素都屬

11、于這一類。屬于這一類。H0 超導態(tài)正常態(tài)HC 外加磁場第二類超導體第二類超導體 有二個臨界磁場有二個臨界磁場HC1和和HC2。當外加磁場。當外加磁場H0HC1時，時，同第一類，超導態(tài)具有邁斯納效應，體內沒有磁感應同第一類，超導態(tài)具有邁斯納效應，體內沒有磁感應線穿過；當線穿過；當HC1H0HC2時，處于混合態(tài)，這時體內時，處于混合態(tài)，這時體內有磁感應線通過，形成許多半徑很小的圓柱形正常態(tài)，有磁感應線通過，形成許多半徑很小的圓柱形正常態(tài)，正常態(tài)周圍是連通的超導圈。整個樣品的周界仍有逆正常態(tài)周圍是連通的超導圈。整個樣品的周界仍有逆磁電流，就是在混合態(tài)也有逆磁性，又沒有電阻。外磁電流，就是在混合態(tài)也有

12、逆磁性，又沒有電阻。外加磁場強度達到加磁場強度達到HC2時，正常態(tài)區(qū)域擴大，超導區(qū)消失，時，正常態(tài)區(qū)域擴大，超導區(qū)消失，整個金屬變?yōu)檎B(tài)。金屬鈮屬于典型的第二類超導整個金屬變?yōu)檎B(tài)。金屬鈮屬于典型的第二類超導體。下圖給出了兩類超導體的磁性特征。體。下圖給出了兩類超導體的磁性特征。Ho HC1 HC2 HC 超導態(tài)正常態(tài)混合態(tài)TC THHC1 HC2 超導態(tài)混合態(tài)正常態(tài)超導態(tài)第二類超導體超導態(tài)第二類超導體低溫超導體低溫超導體 我們將臨界溫度在液氦溫度以下的超導體稱為低我們將臨界溫度在液氦溫度以下的超導體稱為低溫超導體。人們陸續(xù)發(fā)現了錫、鉛等多種金屬元溫超導體。人們陸續(xù)發(fā)現了錫、鉛等多種金屬元

13、素和許多合金以及化合物都具有超導現象，但臨素和許多合金以及化合物都具有超導現象，但臨界溫度一直很低（在液氦溫度以下）。經過多年界溫度一直很低（在液氦溫度以下）。經過多年的努力，如今人們已經可以使大部分金屬元素都的努力，如今人們已經可以使大部分金屬元素都具有超導電性。在采用了特殊技術后（如高壓技具有超導電性。在采用了特殊技術后（如高壓技術，低溫下沉淀成薄膜的技術，極快速冷卻等），術，低溫下沉淀成薄膜的技術，極快速冷卻等），以前那些認為不能變成超導體的金屬元素也已經以前那些認為不能變成超導體的金屬元素也已經在一定狀態(tài)下使它們實現了超導態(tài)。在一定狀態(tài)下使它們實現了超導態(tài)。 高溫超導體高溫超導體 一直

14、以來人們只能得到液氦溫度以下的低溫超導一直以來人們只能得到液氦溫度以下的低溫超導體，因此工業(yè)應用價值不大，除了極少數的應用體，因此工業(yè)應用價值不大，除了極少數的應用外超導體的實際應用一直停滯不前。終于在眾多外超導體的實際應用一直停滯不前。終于在眾多杰出的物理學家的不懈努力下，直到杰出的物理學家的不懈努力下，直到1987年超導年超導技術有了決定性的突破，美國學者（邱等人）在技術有了決定性的突破，美國學者（邱等人）在銥，鋇和氧化銅基礎上制成了高溫超導體（銥，鋇和氧化銅基礎上制成了高溫超導體（Y-Ba2-Cu3-O7）Tk=90-100K，這個溫度已經超過氮，這個溫度已經超過氮的沸點（的沸點（77K

15、）。）。我們稱這種臨界溫度在液氮沸點我們稱這種臨界溫度在液氮沸點以上的超導體為高溫超導體。以上的超導體為高溫超導體。1987年以來發(fā)現的年以來發(fā)現的高溫超導體幾乎都是銅酸鹽類的陶瓷，雖然臨界高溫超導體幾乎都是銅酸鹽類的陶瓷，雖然臨界溫度有了較大的提高，但是高溫超導體目前還沒溫度有了較大的提高，但是高溫超導體目前還沒有達到所需要的穩(wěn)定性，載流量也有所下降。有達到所需要的穩(wěn)定性，載流量也有所下降。探求高探求高TcTc超導材料超導材料 1911年發(fā)現汞具有超導性以來，人們年發(fā)現汞具有超導性以來，人們經歷了七十余年，直到發(fā)現經歷了七十余年，直到發(fā)現Nb3Ge，Tc值值才到才到23K。從純金屬及其合金尋

16、找高。從純金屬及其合金尋找高Tc超超導材料似乎走入絕路，人們開始轉向化導材料似乎走入絕路，人們開始轉向化合物。合物。 到到1985年，已觀察到許多化合物在低年，已觀察到許多化合物在低溫 下 具 有 零 電 阻 ， 例 如 金 屬 氧 化 物溫 下 具 有 零 電 阻 ， 例 如 金 屬 氧 化 物Li2TiO4，Tc=13.7K、硫化物、硫化物PbMo6S8，Tc=15.2K以及由電荷轉移化合物形成的以及由電荷轉移化合物形成的有機金屬有機金屬(Tc到到13K)。所有這些體系，在。所有這些體系，在它們在它們在Tc以上溫度時，均呈現出類金屬的以上溫度時，均呈現出類金屬的導電行為。一般說來，這些化合

17、物的臨導電行為。一般說來，這些化合物的臨界溫度都是很低的，大多數在界溫度都是很低的，大多數在10K以下。以下。 19111986 1986年是超導材料和超導化學的里程碑年。年是超導材料和超導化學的里程碑年。 1986年，年，J.G.Bednorz和和K.A.Mller發(fā)表了他們發(fā)表了他們在含有在含有鋇、鑭和銅的氧化物體系鋇、鑭和銅的氧化物體系中觀察到低電阻的中觀察到低電阻的研究工作，但沒有公布化合物組成。這個化合物后研究工作，但沒有公布化合物組成。這個化合物后來公布為來公布為La2-xBaxCuO4，其臨界溫度為，其臨界溫度為35K，J.G.Bednorz和和K.A.Mller后來由于這一發(fā)現

18、獲得了后來由于這一發(fā)現獲得了諾貝爾獎。此后，具有高諾貝爾獎。此后，具有高Tc的新無機材料極快地發(fā)的新無機材料極快地發(fā)展起來。到目前為止，這些新材料多是含銅的復合展起來。到目前為止，這些新材料多是含銅的復合氧化物，多數材料在高壓或薄膜態(tài)，其臨界溫度已氧化物，多數材料在高壓或薄膜態(tài)，其臨界溫度已報道提升到報道提升到134K。NiKF【K2NiF4】結構 也叫【K2MgF4】結構，四方晶系，a=400.6pm, c=1307.6pm, n=2.NiF6八面體彼此共頂點，形成二維的類【鈣鈦礦】型陣列。這些鈣鈦礦型結構層與KF【巖鹽】型結構層，在c軸上交替排列，使 得 K離 子 的 配 位 數 為 9

19、。 K2NiF4的配位方式為： K2NiF4 在這種結構里有兩個不同的F原子，一個結合著1個Ni2+和5個K+離子，另一個結合著2個Ni2+和4個K+離子?；衔锍瑢Р牧系慕Y構特征 K2NiF4的結構，是由NiF6八面體占據4個頂角這樣的層片堆垛而成的。這些層由K離子所分隔，每個K離子周圍被9個F離子配位。結構的體心位置有一個NiF6八面體，距晶胞原點的坐標為(1/2,1/2,1/2)。化學計量式為A2BX4的三元氧化物廣泛地采取這種結構，其中一個陽離子A要比另一個B大的多。這與尖晶石結構恰好相反，但化學計量式相同，后者中A和B具有類似大小的離子半徑。例如，Sr2TiO4，La2NiO4，Cs

20、2UO4以及將超導相(La1.85Ba0.15)CuO4都是具有K2NiF4結構的實例。 K2NiF4的結構（含有NiF6 八面體，圓圈位鉀離子） La2-xMxCuO4, M=Ba,Sr La2CuO4具有K2NiF4類似的結構，不過相對于晶胞中001晶面，CuO6八面體有點拉長。二價鋇離子部分替代了三價鑭離子，同時保持氧含量不變，產生化合物La1.8Ba0.2CuO4，結構見右圖，其具有完善的K2NiF4結構。它的Tc為35K，鍶參入后形成類似物La1.85Ba0.15CuO4，Tc為40K。 Y-Ba-Cu-O體系化合物 無機氧化物陶瓷材料無機氧化物陶瓷材料Y-Ba-Cu-O體系具有高的

21、體系具有高的TC 90100K，相應臨界電流密度相應臨界電流密度JC達到達到106A cm-2。O3O3O2YBaCu2Cu1Cu2O1O1O2O3O3OCu MgB MgB2 2：二硼化鎂：二硼化鎂（MgBMgB2 2），），其超導轉變溫度達其超導轉變溫度達39K39K。二硼化鎂的發(fā)現為研究新一類具有簡單組成和結構的二硼化鎂的發(fā)現為研究新一類具有簡單組成和結構的高溫超導體找到新途徑。高溫超導體找到新途徑。 易合成和加工，容易制成薄易合成和加工，容易制成薄膜或線材。可應用于電力傳輸、超級電子計算機器件膜或線材?？蓱糜陔娏鬏敗⒊夒娮佑嬎銠C器件以及以及CTCT掃描成像儀等方面。二硼化鎂的發(fā)現

22、使世界凝掃描成像儀等方面。二硼化鎂的發(fā)現使世界凝聚態(tài)物理學界為之興奮。聚態(tài)物理學界為之興奮。隨著研究的進展，超導材料的應用大致可分為三隨著研究的進展，超導材料的應用大致可分為三類：類：1.1.大電流應用（強電應用）大電流應用（強電應用）：發(fā)電，輸電和儲能：發(fā)電，輸電和儲能2.2.電子學應用（弱電應用）電子學應用（弱電應用）：超導計算機，濾波：超導計算機，濾波 器，微波器件等器，微波器件等3.3.抗磁性應用抗磁性應用：磁懸浮列車和熱核聚變反應堆等磁懸浮列車和熱核聚變反應堆等超導材料的應用超導材料的應用 超導磁體的應用超導磁體的應用 過去在供電線路上啟動一個大的常規(guī)電磁體耗電過多甚至會使過去在供電

23、線路上啟動一個大的常規(guī)電磁體耗電過多甚至會使一個城市的燈光變暗。利用超導磁體就沒有這個問題了，一個五一個城市的燈光變暗。利用超導磁體就沒有這個問題了，一個五萬高斯的中型常規(guī)電磁體可重達萬高斯的中型常規(guī)電磁體可重達2020噸，而超導磁體只不過幾十公噸，而超導磁體只不過幾十公斤。造成重量差別如此懸殊的主要原因是由于超導線的載流能力斤。造成重量差別如此懸殊的主要原因是由于超導線的載流能力比普通導線高出成百上千倍的緣故，另外由于電阻產生熱量的緣比普通導線高出成百上千倍的緣故，另外由于電阻產生熱量的緣故，常規(guī)電磁體在磁場太高時，由于大電流產生的熱量也較大，故，常規(guī)電磁體在磁場太高時，由于大電流產生的熱量

24、也較大，會導致電線絕緣體的熔解，這就造成了一個磁場強度最高限的問會導致電線絕緣體的熔解，這就造成了一個磁場強度最高限的問題。超導磁體發(fā)熱量小，所以沒有這個限制，同時體積和質量也題。超導磁體發(fā)熱量小，所以沒有這個限制，同時體積和質量也較小，因此有很大的優(yōu)勢?？茖W研究中用超導體制造的離子加速較小，因此有很大的優(yōu)勢?？茖W研究中用超導體制造的離子加速器體積更小，加速效果也更好。發(fā)電機的輸出容量與磁感應強度、器體積更小，加速效果也更好。發(fā)電機的輸出容量與磁感應強度、電樞電流密度成正比，用銅鐵等制成常規(guī)電機由于受磁化電荷的電樞電流密度成正比，用銅鐵等制成常規(guī)電機由于受磁化電荷的飽和強度所限，磁感應強度難以

25、大幅增加。若采用超導材料，磁飽和強度所限，磁感應強度難以大幅增加。若采用超導材料，磁感應強度可提高感應強度可提高5-155-15倍，而載流能力可以提高倍，而載流能力可以提高10-10010-100倍。這樣超倍。這樣超導電機的輸出功率就可以大大增加，同時電機重量也可以大大減導電機的輸出功率就可以大大增加，同時電機重量也可以大大減輕。輕。 超導發(fā)電機在電力領域，利用超導線圈磁體可以將發(fā)電機的磁場強度提高到5萬6萬高斯，超導發(fā)電機的單機發(fā)電容量比常規(guī)發(fā)電機提高510倍，達1萬兆瓦，而體積卻減少1/2，整機重量減輕1/3，發(fā)電效率提高50。 超導發(fā)電機，擁有兩萬千瓦的功率300KW超導單極300發(fā)電機

26、 完全導電性的運用完全導電性的運用 超導體的零電阻性在電能輸送、能源的節(jié)超導體的零電阻性在電能輸送、能源的節(jié)約上的運用仍然是最主要的運用之一。當約上的運用仍然是最主要的運用之一。當前為了降低費用，長距離輸電主要采用高前為了降低費用，長距離輸電主要采用高壓架空（壓架空（HVOHHVOH）線路。現在實際運行的線）線路?，F在實際運行的線路最高電壓是單相路最高電壓是單相765KV765KV。隨著電壓的增加。隨著電壓的增加和功率水平的提高，在人口密集的大城市和功率水平的提高，在人口密集的大城市里這樣的通道是很不經濟，甚至是不可能里這樣的通道是很不經濟，甚至是不可能的。然而超導電纜比任何技術上的競爭對的。

27、然而超導電纜比任何技術上的競爭對手有較高的功率密度。手有較高的功率密度。超導輸電線路 超導材料還可以用于制作超導電線和超導變壓器，從而把電力超導材料還可以用于制作超導電線和超導變壓器，從而把電力幾乎無損耗地輸送給用戶。據統(tǒng)計，目前的銅或鋁導線輸電，約幾乎無損耗地輸送給用戶。據統(tǒng)計，目前的銅或鋁導線輸電，約有有15%15%的電能損耗在輸電線路上，光是在中國，每年的電力損失的電能損耗在輸電線路上，光是在中國，每年的電力損失即達即達10001000多億度。若改為超導輸電，節(jié)省的電能相當于新建數十多億度。若改為超導輸電，節(jié)省的電能相當于新建數十個大型發(fā)電廠。個大型發(fā)電廠。超導導線(含2120根微米直徑

28、之鈮鈦合金纖維)電纜芯、低溫容器、終端和冷卻系統(tǒng)四個部分高溫超導電纜的國際市場在2010年左右可望達到15億美元鉍系高溫超導直流電纜 超導變壓器超導電機超導限流器是利用超導體的超導超導限流器是利用超導體的超導/ /正常態(tài)轉變特性，有正常態(tài)轉變特性，有效限制電力系統(tǒng)故障短路電流，能夠快速和有效地達效限制電力系統(tǒng)故障短路電流，能夠快速和有效地達到限流作用的一種電力設備。作用：到限流作用的一種電力設備。作用：1.1.增強電力系統(tǒng)增強電力系統(tǒng)的的安全性安全性；2.2. 增加電力系統(tǒng)的增加電力系統(tǒng)的可靠性可靠性；3.3. 提高電力質提高電力質量量；4.4. 能夠與現有的電力系統(tǒng)保護設施兼容；能夠與現有的

29、電力系統(tǒng)保護設施兼容；5.5. 通過通過調節(jié)允許的電流峰值增加電力系統(tǒng)的靈活性；調節(jié)允許的電流峰值增加電力系統(tǒng)的靈活性；6.6. 減少減少電力系統(tǒng)線路中的斷路器和熔斷器的使用，延緩電力電力系統(tǒng)線路中的斷路器和熔斷器的使用，延緩電力設備的更新以降低成本；設備的更新以降低成本；7. 7. 提高系統(tǒng)的運行容量。提高系統(tǒng)的運行容量。 專家們預言，就高溫超導體在電力系統(tǒng)中的應用專家們預言，就高溫超導體在電力系統(tǒng)中的應用而言，最先得到實際應用的將可能是超導限流器。并而言，最先得到實際應用的將可能是超導限流器。并預計，超導限流器的國際市場在預計，超導限流器的國際市場在20102010年左右將可望達年左右將可

30、望達到到3535億美元億美元超導限流器超導儲能超導儲能超導儲能裝置是利用超導線圈將電磁能直超導儲能裝置是利用超導線圈將電磁能直接儲存起來，需要時再將電磁能返回電網接儲存起來，需要時再將電磁能返回電網或其它負載的一種電力設施或其它負載的一種電力設施。一般由超導。一般由超導線圈、低溫容器、制冷裝置、變流裝置和線圈、低溫容器、制冷裝置、變流裝置和測控系統(tǒng)幾個部件組成。測控系統(tǒng)幾個部件組成。優(yōu)點：優(yōu)點：1.1. 可長期無損耗地儲存能量，其轉換效可長期無損耗地儲存能量，其轉換效率可達率可達95%95%； 2. 2.可通過采用電力電子器件的變流器可通過采用電力電子器件的變流器實現與電網的連接，響應速度快（

31、毫秒實現與電網的連接，響應速度快（毫秒級）；級）； 3. 3. 由于其儲能量與功率調制系統(tǒng)的容由于其儲能量與功率調制系統(tǒng)的容量可獨立地在大范圍內選取，可建成所需量可獨立地在大范圍內選取，可建成所需的大功率和大能量系統(tǒng)；的大功率和大能量系統(tǒng)； 4. 4. 除了真空和制冷系統(tǒng)外沒有轉動部除了真空和制冷系統(tǒng)外沒有轉動部分，使用壽命長；分，使用壽命長； 5. 5.在建造時不受地點限制，維護簡單、在建造時不受地點限制，維護簡單、污染小。污染小。目前美國、日本、德國等一些發(fā)達國家在目前美國、日本、德國等一些發(fā)達國家在超導儲能裝置方面的研究上投入了大量的超導儲能裝置方面的研究上投入了大量的人力和物力，并且有

32、許多在建的超導儲能人力和物力，并且有許多在建的超導儲能裝置。據預測，到裝置。據預測，到20102010年全世界對超導儲年全世界對超導儲能裝置的需求將在能裝置的需求將在1515億美元左右。億美元左右。超導儲能裝置抗磁性應用抗磁性應用超導磁懸浮列車超導磁懸浮列車- -零高度的飛行器零高度的飛行器 超導材料的另一重要特征是具有完超導材料的另一重要特征是具有完全的抗磁性。若把超導材料放在一塊全的抗磁性。若把超導材料放在一塊永久磁體之上，由于磁體的磁力不能永久磁體之上，由于磁體的磁力不能穿過超導體，磁體和超導體之間就會穿過超導體，磁體和超導體之間就會產生斥力，使超導體懸浮在磁體上方。產生斥力，使超導體懸

33、浮在磁體上方。利用這種磁懸浮效應可以制作高速超利用這種磁懸浮效應可以制作高速超導磁懸浮列車。在列車車輪旁邊安裝導磁懸浮列車。在列車車輪旁邊安裝小型超導磁體，在列車向前行駛時，小型超導磁體，在列車向前行駛時，超導磁體則向軌道產生強大的磁場，超導磁體則向軌道產生強大的磁場，并和安裝在軌道兩旁的鋁環(huán)相互作用，并和安裝在軌道兩旁的鋁環(huán)相互作用，產生一種向上浮力，消除車輪與鋼軌產生一種向上浮力，消除車輪與鋼軌的摩擦力，起到加快車速的作用。高的摩擦力，起到加快車速的作用。高溫超導體在懸浮列車上應用的研究集溫超導體在懸浮列車上應用的研究集中在日本。超導在運載上的其他應用中在日本。超導在運載上的其他應用可能還

34、有用作輪船動力的超導電機、可能還有用作輪船動力的超導電機、電磁空間發(fā)射工具及飛機懸浮跑道。電磁空間發(fā)射工具及飛機懸浮跑道。原理德國磁懸浮列車 1999年月，日本研制的超導磁懸浮列車時速已達552公里，創(chuàng)世界鐵路時速最高紀錄。西南交通大學研制成功的超導磁懸浮列車，最高設計時速達500公里 2002年4月5日我國第一條磁懸浮列車試驗線在長沙建成通車，設計時速150公里 核聚變反應堆核聚變反應堆“磁封閉體磁封閉體”利用超導體產生的巨大磁場，應用于受控制熱核反應。核聚變反利用超導體產生的巨大磁場，應用于受控制熱核反應。核聚變反應時，內部溫度高達應時，內部溫度高達1 1億億2 2億億，沒有任何常規(guī)材料可

35、以包容這，沒有任何常規(guī)材料可以包容這些物質。而超導體產生的強磁場可以作為些物質。而超導體產生的強磁場可以作為“磁封閉體磁封閉體”，將熱核，將熱核反應堆中的反應堆中的超高溫等離子體超高溫等離子體包圍、約束起來，然后慢慢釋放，從包圍、約束起來，然后慢慢釋放，從而使受控核聚變能源成為而使受控核聚變能源成為2121世紀前景廣闊的新能源。世紀前景廣闊的新能源。中國科學院合肥等離子體物理研究所中國科學院合肥等離子體物理研究所超導托卡馬克超導托卡馬克HT-7HT-7巨大的電感線圈巨大的電感線圈 原子彈爆炸蘑菇云 另外，超導磁體在醫(yī)學上的重要應用是核磁共振成像技術，另外，超導磁體在醫(yī)學上的重要應用是核磁共振成

36、像技術，可分辨早期腫瘤癌細胞等，還可做心電圖，腦磁圖、肺磁可分辨早期腫瘤癌細胞等，還可做心電圖，腦磁圖、肺磁圖，研究氣功原理等。利用超導體介子發(fā)生器可以治療癌圖，研究氣功原理等。利用超導體介子發(fā)生器可以治療癌癥，利用超導磁體可以治療腦血管腫瘤。癥，利用超導磁體可以治療腦血管腫瘤。人頭顱核磁共振成像超導技術在軍事上有廣泛的應用前景超導計算機：超導計算機：超導計算機應用于超導計算機應用于C3IC3I指揮系統(tǒng)，可使作戰(zhàn)指揮能力指揮系統(tǒng)，可使作戰(zhàn)指揮能力迅速改善提高；迅速改善提高；超導探測器：利用超導器件對磁場和電磁輻射進行測量，靈敏度超導探測器：利用超導器件對磁場和電磁輻射進行測量，靈敏度非常高，可

37、用于探測地雷、潛艇，還可制成十分敏感的磁性水雷。非常高，可用于探測地雷、潛艇，還可制成十分敏感的磁性水雷。超導紅外毫米波探測器不僅靈敏度高，而且頻帶寬，探測范圍可超導紅外毫米波探測器不僅靈敏度高，而且頻帶寬，探測范圍可覆蓋整個電磁頻譜，填補現有探測器不能探測亞毫米波段信號的覆蓋整個電磁頻譜，填補現有探測器不能探測亞毫米波段信號的空白。利用超導器件制造的大型紅外焦平面陣列探測器，可以探空白。利用超導器件制造的大型紅外焦平面陣列探測器，可以探測隱身武器，將大大提高軍事偵察能力。測隱身武器，將大大提高軍事偵察能力。 大功率發(fā)動機：這種發(fā)動機具有能量大、損耗小、重量輕、體積大功率發(fā)動機：這種發(fā)動機具有

38、能量大、損耗小、重量輕、體積小等優(yōu)點，可用作飛機、艦艇等的動力裝置。小等優(yōu)點，可用作飛機、艦艇等的動力裝置。 超導儲能系統(tǒng)：利用超導材料的高載流和零電阻特性，可制成體超導儲能系統(tǒng)：利用超導材料的高載流和零電阻特性，可制成體積小、重量輕、容量大的儲能系統(tǒng)，積小、重量輕、容量大的儲能系統(tǒng)，用作粒子束武器、自由電子用作粒子束武器、自由電子激光器、電磁炮激光器、電磁炮的能源。的能源。超導磁流體推進系統(tǒng)，為水面艦艇和潛艇的提供動力。超導磁流體推進系統(tǒng)，為水面艦艇和潛艇的提供動力。超導儲能裝置在定向武器上的應用使定向武器發(fā)生飛躍的發(fā)展.超導發(fā)電機，推進器在飛機上的應用可大大提高飛機的生存能力； 核潛艇 圖

39、在航海中的應用，可大大減小甚至沒有噪音，推進速度快，可大大提高艦在航海中的應用，可大大減小甚至沒有噪音，推進速度快，可大大提高艦艇的生存、作戰(zhàn)能力；艇的生存、作戰(zhàn)能力；快離子導體的發(fā)展歷史和結構特征快離子導體的發(fā)展歷史和結構特征經典離子晶體由于離子擴散可以形成導電，但一般來說，經典離子晶體由于離子擴散可以形成導電，但一般來說，這些晶體的導電率要低得多，如氯化鈉在室溫時的電導率這些晶體的導電率要低得多，如氯化鈉在室溫時的電導率只有只有10-15Scm-1，在，在200時也只有時也只有10-8Scm-1。而另有一類。而另有一類離子晶體，在室溫下電導率可以達到離子晶體，在室溫下電導率可以達到10-2

40、Scm-1，幾乎可與，幾乎可與熔鹽的電導媲美。我們將這類具有優(yōu)良離子導電能力（熔鹽的電導媲美。我們將這類具有優(yōu)良離子導電能力（0.110 Scm-1）的材料稱做快離子導體）的材料稱做快離子導體(Fast Ion Condustor )或固體電解質（或固體電解質（Solid Electrolyte），也有稱作），也有稱作超離子導體（超離子導體（Super Ion Condustor）。）。 快離子導體（固體電解質）快離子導體（固體電解質） (Fast Ion Condustor or Solid Electrolyte)Frenkel導體導體Schottky導體導體各種離子導體電導率與溫度的關系

41、log100/T(K-1)Fast Ion導體導體-AgI-AgI 經典離子晶體按照擴散方式，經典離子晶體按照擴散方式，分作分作Schottky 導體和導體和Fenkel導體，導體，它們和快離子導體一樣，其電導它們和快離子導體一樣，其電導隨溫度的關系都服從阿累尼烏斯隨溫度的關系都服從阿累尼烏斯公式：公式：Exp(-H/RT)，經，經典晶體的活化能典晶體的活化能H在在12ev,而而快離子導體的活化能快離子導體的活化能H在在0.5ev以下。如圖以下。如圖4.4反映了這些導體電反映了這些導體電導率與溫度的關系。導率與溫度的關系。 快離子導體不論是從電導，還是從結構上看，都可以視為普通離快離子導體不論

42、是從電導，還是從結構上看，都可以視為普通離子固體和離子液體之間的一種過渡狀態(tài)：子固體和離子液體之間的一種過渡狀態(tài)： 普通離子固體普通離子固體 快離子導體快離子導體 電解質溶液電解質溶液 相轉變相轉變增加缺陷濃度增加缺陷濃度 1. 快離子導體的發(fā)展簡史快離子導體的發(fā)展簡史 我們簡單列出快離子導體的發(fā)現過程：我們簡單列出快離子導體的發(fā)現過程： 上世紀末，人們發(fā)現摻雜的上世紀末，人們發(fā)現摻雜的ZrO2有寬帶的光源，稱作有寬帶的光源，稱作Nerst光源；光源； 1914年，年，Tubandt(塔板特塔板特)和和Lorenz(洛倫茨洛倫茨)發(fā)現銀的化合物在恰發(fā)現銀的化合物在恰低于其熔點時，低于其熔點時，

43、AgI的電導率要比熔融態(tài)的的電導率要比熔融態(tài)的AgI的電導率高約的電導率高約20； 1934年，年，Strock系統(tǒng)研究了系統(tǒng)研究了AgI的高溫相有異乎尋常的離子導電性，的高溫相有異乎尋常的離子導電性，并首次提出了熔融晶格導電模型；并首次提出了熔融晶格導電模型； 20世紀世紀60年代中期，發(fā)現了復合碘化銀和年代中期，發(fā)現了復合碘化銀和Na+離子為載流子的離子為載流子的-Al2O3快離子導體，其電導可達到快離子導體，其電導可達到10-1Scm-1; 20世紀世紀70年代，美國福特汽車公司已把年代，美國福特汽車公司已把Na-Al2O3快離子導體制成快離子導體制成Na-S電池，鋰快離子制成的電池用于

44、計算機、電子表、心臟起搏器等。電池，鋰快離子制成的電池用于計算機、電子表、心臟起搏器等。 現在快離子導體制作的化學傳感器、電池等已廣泛的應用于生產部現在快離子導體制作的化學傳感器、電池等已廣泛的應用于生產部門和國防以及人們生活中。門和國防以及人們生活中。 2. 快離子導體的結構特征與分類快離子導體的結構特征與分類 快離子導體中的載流子主要是離子，并且其在固體中可流動的數量相快離子導體中的載流子主要是離子，并且其在固體中可流動的數量相當大。例如，經典晶體氯化鈉、氯化銀、氯化鉀以及當大。例如，經典晶體氯化鈉、氯化銀、氯化鉀以及-AgI中可流動的離中可流動的離子的數量不大于子的數量不大于1018cm

45、3，而快離子導體中可流動的離子數目達到，而快離子導體中可流動的離子數目達到1022cm3，要大一萬倍。根據載流子的類型，可將快離子導體分為如下類，要大一萬倍。根據載流子的類型，可將快離子導體分為如下類型：型： 正離子作載流子的有：銀離子導體、銅離子導體、鈉離子導體、鋰離正離子作載流子的有：銀離子導體、銅離子導體、鈉離子導體、鋰離子導體以及氫離子導體；子導體以及氫離子導體； 負離子作載流子的有：氧離子導體和氟離子導體等。負離子作載流子的有：氧離子導體和氟離子導體等。 快離子導體中應當存在大量的可供離子遷移占據的空位置。這些空位快離子導體中應當存在大量的可供離子遷移占據的空位置。這些空位置往往連接

46、成網狀的敞開隧道，以供離子的遷移流動。置往往連接成網狀的敞開隧道，以供離子的遷移流動。根據隧道的特點，可將快離子導體劃分為：根據隧道的特點，可將快離子導體劃分為： 一維導體，其中隧道為一維方向的通道，如四方鎢青銅；一維導體，其中隧道為一維方向的通道，如四方鎢青銅； 二維導體，其中隧道為二維平面交聯的通道，如二維導體，其中隧道為二維平面交聯的通道，如Na-Al2O3快離子導快離子導體；體； 三維導體，其中隧道為二維網絡交聯的通道，如三維導體，其中隧道為二維網絡交聯的通道，如Nisicon(Sodium superionic conductor,NaZr2P3O12)等。等。 快離子導體材料往往不

47、是指某一組成的某一類材料，而快離子導體材料往往不是指某一組成的某一類材料，而是指某一特定的相。例如對碘化銀而言，它有是指某一特定的相。例如對碘化銀而言，它有、三個三個相之多，但只有相之多，但只有相為快離子導體。因此，相變是快離子導相為快離子導體。因此，相變是快離子導體普遍存在的一個過程。換言之，某一組成物質，存在有由體普遍存在的一個過程。換言之，某一組成物質，存在有由非傳導相到傳導相的轉變。非傳導相到傳導相的轉變。Ag+離子快離子導體離子快離子導體AgI快離子導體快離子導體 Ag+離子快離子導體是發(fā)現較早、研究較多的快離子導體。離子快離子導體是發(fā)現較早、研究較多的快離子導體。早在早在1913年

48、年Tubandt和和Lorenz就發(fā)現就發(fā)現AgI在在400以上具有可以上具有可與液體電解質可比擬的離子電導率，高導電相是與液體電解質可比擬的離子電導率，高導電相是-AgI，其，其在在146555溫度范圍內穩(wěn)定。當溫度范圍內穩(wěn)定。當AgI從低溫的從低溫的相轉變?yōu)橄噢D變?yōu)橄嘞啵?46）時，其電導率增加了個數量級以上。自此以后，）時，其電導率增加了個數量級以上。自此以后，還發(fā)展了一系列的還發(fā)展了一系列的Ag+離子快離子導體。離子快離子導體。AgI存在多個晶體變存在多個晶體變種，有種，有、和和個相。個相。-AgI低溫下穩(wěn)定存在，呈六方低溫下穩(wěn)定存在，呈六方ZnS型結構，型結構，Ag+離子位于離子位于

49、I-負離子負離子HCP排列中的四面體空隙中；排列中的四面體空隙中；-AgI為介穩(wěn)定相，立方為介穩(wěn)定相，立方ZnS型結構型結構, Ag+離子位于離子位于I-負離子負離子FCC排列的四面體空隙中，其導電能力很差。排列的四面體空隙中，其導電能力很差。-AgI由由-AgI在在146時發(fā)生一級相轉變而得，為體心立方晶格，如圖所時發(fā)生一級相轉變而得，為體心立方晶格，如圖所示。示。 IIIIIIIIIOOOOOOOOOOOOOOOOOOTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTT -AgI單胞中單獨占有個單胞中單獨占有個I-離離子，分布在立方體的子，分布在立方體的8個頂點和體個頂點和體心位置，心位置，A

50、g+離子可占據的位置包離子可占據的位置包括：括： I-離子形成的八面體孔隙，分離子形成的八面體孔隙，分布在立方體的布在立方體的6個面心和個面心和12條棱的條棱的中心，每個晶胞單獨占有為中心，每個晶胞單獨占有為6個；個； I-離子形成的四面體孔隙，分布離子形成的四面體孔隙，分布在立方體的在立方體的6個面上兩個八面體空個面上兩個八面體空隙之間，每個晶胞單獨占有為隙之間，每個晶胞單獨占有為12個；個； 2個四面體共面形成三角雙錐空個四面體共面形成三角雙錐空隙，每個晶胞單獨占有為隙，每個晶胞單獨占有為24個。個。2個Ag+離子可有42個空隙：6b，12d，24h 這些孔隙的性質還是有區(qū)別的，尤其是從這

51、些孔隙的性質還是有區(qū)別的，尤其是從Ag+離子占離子占據時的能量考慮：在據時的能量考慮：在6b位置上，其中有位置上，其中有2個與其周圍的個與其周圍的I-離離子距離較近，為子距離較近，為252pm;另有另有4個與其周圍的個與其周圍的I-離子距離較遠，離子距離較遠，為為357pm。因此，。因此，6b位置的位能高，位置的位能高，Ag+離子占據的幾率較離子占據的幾率較小。小。12d位處在四面體的體心，位處在四面體的體心，Ag+離子占據的幾率最大。離子占據的幾率最大。 這些四面體共面形成可供這些四面體共面形成可供Ag+離子遷移的通道網，四離子遷移的通道網，四面體還可以與八面體直接交疊形成面體還可以與八面體

52、直接交疊形成100方向上的方向上的Ag+離離子遷移通道。所以，在子遷移通道。所以，在-AgI結構中的三維通道勢能很低，結構中的三維通道勢能很低，造成類似液體電介質那樣高的離子遷移，故造成類似液體電介質那樣高的離子遷移，故-AgI是優(yōu)良的是優(yōu)良的快離子導體?？祀x子導體。 用其他的陰離子部分取用其他的陰離子部分取代代I-離子離子,形成的銀離子導體，形成的銀離子導體，如如-Ag2HgI4等，其陰離子等，其陰離子為面心立方密堆結構。單胞為面心立方密堆結構。單胞中的陰離子形成中的陰離子形成4個八面體個八面體空隙和空隙和8個四面體空隙。這個四面體空隙。這些四面體空隙彼此以頂角連些四面體空隙彼此以頂角連接，

53、每個四面體又與相鄰的接，每個四面體又與相鄰的4個八面體共面連接。這樣個八面體共面連接。這樣交替排列形成許多可供銀離交替排列形成許多可供銀離子擴散的通道，如圖子擴散的通道，如圖4.10表表示其沿示其沿111方向的一條方向的一條近似直線的通道。近似直線的通道。-Al2O3族鈉離子導體 -Al2O3族屬于nA2O3-M2O一類非化學計量化合物，組成表達通式為：A3+=Al3+,Ga3+,Fe3+ nA2O3-M2O M+=Na+,K+,Rb+,Ag+,Tl+,H3O+ -Al2O3族鈉離子導體是其中最重要的快離子導體材料。1967年美國Fold公司公布了鈉-Al2O3的導電性及其可能應用后，世界各國

54、進行了大量的研究。在理論方面，象-AgI一樣，作為人們熟知的對象，對其結構、導電性及其傳導機理進行了深入的研究,揭示了快離子導體的微觀奧秘；在應用方面，發(fā)展了以鈉-Al2O3為隔膜材料的鈉硫電池。該電池具有能量密度高（150200wh/kg）、壽命長、價格低、無污染等優(yōu)點，作為車輛的驅動能源和電站的負荷調平有著廣闊的前景，還應用在提純金屬鈉、制造工業(yè)鈉探測器以及一些固體離子器件等方面。 鈉-Al2O3化合物實際上是一個家族，都屬于非化學計量的偏鋁酸鈉鹽:：-Al2O3 理論組成式為Na2O11 Al2O3。由于發(fā)現時忽略了Na2O的存在，將它當作是Al2O3的一種多晶變體，所以采用-Al2O3

55、的表示一直至今。實際組成往往有過量的Na2O;-Al2O3 1943年由Yamaguchi報道，組成為Na2O5.33 Al2O3。-Al2O3 亦由Yamaguchi報道，組成為Na2O7 Al2O3。-Al2O3和 -Al2O3是摻入MgO穩(wěn)定的相，組成分別為：Na2O4MgO 15Al2O3和Na1.69Mg2.67Al14.33O25。其中研究最多的是-Al2O3和-Al2O3這種變體。我們在這里簡要介紹這種變體的結構和導電性。 （1）結構 1937年Beevers和Ross用x-射線衍射法測定了-Al2O3和-Al2O3的結構： -Al2O3屬于六方結構，空間群為P63/mmc, a

56、=559pm, c=2353pm; -Al2O3屬于三方結構，空間群為3m, a=559pm, c=3395pm。 -Al2O3中，Al3+和O2-離子的排列與在尖晶石中的情形一樣，O2-離子做面心立方密堆（FCC）排列，氧離子層為尖晶石結構中的111晶面，堆砌形成ABAC 4層，Al3+離子占據其中的八面體和四面體空隙，相當于尖晶石中鋁和鎂的位置。由層密堆氧離子層和鋁離子組成的的結構單元塊常稱作“尖晶石基塊”（Spinel block）。a-Al2O3 的單胞示意 -Al2O3 的單胞 尖晶石基塊ABCA，從第一層A位置的O2-離子到第四層A位置的O2-離子中心的距離為660pm，這種層與晶

57、胞中的c軸垂直。 層與層之間靠AlOAl鍵和Na連接成三維晶體，屬六方晶系，a560.4pm, c=2253pm. 兩基塊之間是由Na+和O2-離子構成的疏松堆積的鈉氧層，其厚度為470pm。鈉氧層中的原子密度只為正常密堆層的1/2。因此，鈉離子在鈉氧層里易于移動，故鈉氧層是其傳導面。-Al2O3是各向異性的。 每個晶胞有兩個尖晶石基塊和兩個鈉傳導層，并且傳導層是兩個基塊的對稱鏡面。 -Al2O3 的單胞 每個晶胞有3個尖晶石基塊和3個鈉傳導層構成，c軸參數是-Al2O3 的1.5倍，3381pm。 層與層之間靠AlOAl鍵和Na連接成三維晶體，屬三方晶系，a560.4pm, c=3381pm

58、. 兩基塊之間是由Na+和O2-離子構成的疏松堆積的鈉氧層，鈉氧層中的原子密度只為正常密堆層的3/4。因此，鈉離子在鈉氧層里易于移動，故鈉氧層是其傳導面。 -Al2O3是各向異性的。 傳導層相對毗鄰的兩個基塊不是對稱鏡面。 (2)傳導面結構及電導機理 -Al2O3中有種Na+離子的位置,如圖4.6所示： BR位：上下兩層樣三角形構成的氧三棱柱中心； aBR位：上下兩層尖晶石基塊上氧原子間的位置； MO位：鈉氧層內兩個氧原子的位置。 但這種氧原子占據的位置并不等價。在aBR位,上下兩個氧原子之間只有238pm，Na+離子通過此位置需要跨過較高的能壘。 -Al2O3中每個導電面上有4/3個Na，分布在br位和m位，為維持電荷平衡，在導電面的某些m位也存在額外的O2離子； -Al2O3的單胞里每個導電面有5/3個Na，額外的2/3個Na并非由導電面的填隙O2離子，而是由尖