功能材料課件：超導(dǎo)材料

1、第五節(jié) 超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料的定義1911年Onnes H K在研究極低溫度下金屬導(dǎo)電性時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度降到4.2K時，汞的電阻率突然降低到接近于零。這種現(xiàn)象稱為汞的超導(dǎo)現(xiàn)象。從此，超導(dǎo)材料的研究引起了廣泛的關(guān)注，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)了上千種超導(dǎo)材料。定義： 超導(dǎo)電現(xiàn)象：材料的電阻隨溫度降低而減小并最終出現(xiàn)零電阻的現(xiàn)象。 超導(dǎo)體：低于某一溫度出現(xiàn)超導(dǎo)電性的物質(zhì)。（一）超導(dǎo)體的基本特性特性一：完全導(dǎo)電性（零電阻） File和Mills利用精確核磁共振方法測量超導(dǎo)電流產(chǎn)生的磁場，來研究螺線管內(nèi)超導(dǎo)電流的衰變，得出的結(jié)論是超導(dǎo)電流的衰變時間不短于10萬年。特性二：完全抗磁性 處于超導(dǎo)狀態(tài)的金屬，不管其經(jīng)歷如何，磁感應(yīng)

2、強(qiáng)度B始終為零。這一現(xiàn)象為邁斯納（Meissner）1933年發(fā)現(xiàn)，稱為邁斯納效應(yīng)。磁力線不能進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)部超導(dǎo)體的基本特性特性三：臨界溫度（Tc）、臨界磁場（Hc）、臨界電流JC是約束超導(dǎo)現(xiàn)象的三大臨界條件。 當(dāng)溫度超過臨界溫度時，超導(dǎo)態(tài)就消失；同時，當(dāng)超過臨界電流或者臨界磁場時，超導(dǎo)態(tài)也會消失，三者具有明顯的相關(guān)性。只有當(dāng)上述三個條件均滿足超導(dǎo)材料本身的臨界值時，才能發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象（由Tc、Hc，Jc形成的閉合曲面內(nèi)為超導(dǎo)態(tài)）。超導(dǎo)體的基本特性特性四：約瑟夫森（B D Josephson）效應(yīng) （承擔(dān)超導(dǎo)電的超導(dǎo)電子還可以穿越極薄絕緣體勢壘）經(jīng)典力學(xué)中，若兩個區(qū)域被一個勢壘隔開，則只有粒子具

3、有足夠的能量時，其才會從一個區(qū)域進(jìn)入另一個區(qū)域。量子力學(xué)中，粒子具有足夠的能力不再是一個必要條件，一個能量不太高的粒子也可能會以一定的概率“穿過”勢壘，即所謂的“隧道效應(yīng)”。（約瑟夫森語言并被后人證實(shí)）超導(dǎo)體的種類（按邁斯納效應(yīng)分）按照邁斯納（Meissner）效應(yīng)分類：第一類超導(dǎo)體和第二類超導(dǎo)體第一類超導(dǎo)體（軟超導(dǎo)體）當(dāng)H HC 時，BH第一類超導(dǎo)體只有一個臨界磁場，即HC 只有一個特征值。除釩、鈮、釕外，元素超導(dǎo)體都是第一類超導(dǎo)體超導(dǎo)體的種類（按邁斯納效應(yīng)分）第二類超導(dǎo)體（硬超導(dǎo)體）當(dāng)H HC1 時，B0，處于邁斯納狀態(tài)，完全抗磁當(dāng)Hc1H HC2 時，BH釩、鈮以及大多數(shù)合金或化合物超導(dǎo)

4、體均屬于第二類（二）超導(dǎo)材料元素超導(dǎo)體合金超導(dǎo)體金屬間化合物超導(dǎo)體陶瓷超導(dǎo)體高分子超導(dǎo)體在低溫常壓下，具有超導(dǎo)特性的化學(xué)元素共有26種，由于臨界溫度太低，無太大實(shí)用價值Nb的Tc最高，僅為9.26K1. 元素超導(dǎo)體合金超導(dǎo)體合金超導(dǎo)體是機(jī)械強(qiáng)度最高、應(yīng)力應(yīng)變較小、磁場強(qiáng)度低、臨界電流密度高的超導(dǎo)體，在早期得到實(shí)際應(yīng)用。超導(dǎo)合金主要有Ti-V、Nb-Zr、Mo-Zr、Nb-Ti等合金系，其中Ge-Nb3的臨界溫度最高（23.2K）。金屬間化合物超導(dǎo)體金屬間化合物超導(dǎo)體的臨界溫度與臨界磁場一般比合金超導(dǎo)體的高，但此類超導(dǎo)體的脆性大，不易直接加工成帶材或線材。1986年發(fā)現(xiàn)了陶瓷超導(dǎo)體，使超導(dǎo)材料獲

5、得了更高的臨界溫度，如YBaCuO（Tc90K）、TiBaCaCuO（Tc120K）等。最大缺點(diǎn)為脆性大，加工困難。高溫超導(dǎo)材料：Tc77K（液N溫度）陶瓷金超導(dǎo)體中國制造 Made in China2002年1月 長116m，寬3.6mm，厚0.28 mm 鉍系高溫超導(dǎo)帶材試制成功。2002年4月 340m 長的鉍系高溫超導(dǎo)導(dǎo)線試制成功。 已達(dá)到了國際先進(jìn)水平高分子超導(dǎo)體高分子材料通常為絕緣體，但在數(shù)億帕氣壓作用下也可以轉(zhuǎn)變成為超導(dǎo)體。如：四硫富瓦稀四腈代對苯醌二甲烷目前高分子超導(dǎo)體的最高臨界溫度僅僅達(dá)到10K（三）超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)的應(yīng)用，基本上可以分為強(qiáng)電強(qiáng)磁和弱電弱磁兩大類。（1）超導(dǎo)

6、強(qiáng)電強(qiáng)磁應(yīng)用 主要基于超導(dǎo)體的零電阻特性和完全抗磁性以及非理想第二類超導(dǎo)體所特有的高臨界電流密度和高臨界磁場。 主要應(yīng)用在電力方面如超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)磁體（如超導(dǎo)磁懸浮列車）、巨大環(huán)形超導(dǎo)磁體、超導(dǎo)磁分離等。（2）超導(dǎo)弱電弱磁的應(yīng)用 基于Josephson效應(yīng)為基礎(chǔ)，建立極靈敏的電子測量裝置為目標(biāo)的超導(dǎo)電子學(xué)，發(fā)展了低溫電子學(xué)。如超導(dǎo)量子干涉器件是一種高靈敏度的測量裝置，主要功能是測量磁場。它可以在電工儀表、醫(yī)學(xué)、生物、資源開發(fā)、環(huán)境保護(hù)、固體材料、地球物理等領(lǐng)域應(yīng)用。1. 電力輸送與儲存目前有大約30%的電能損耗在輸電線路上，采用超導(dǎo)體輸電，可大大減少損耗，且省去了變壓器和變電所。使用巨大的超導(dǎo)線圈，經(jīng)供電勵磁產(chǎn)生磁場而儲存能量。超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)所存能量幾乎可以無損耗的儲存