功能金屬材料第二章超導(dǎo)材料課件

第二章超導(dǎo)材料第一節(jié)超導(dǎo)現(xiàn)象及超導(dǎo)材料的基本性質(zhì)第二節(jié)超導(dǎo)體的理論基礎(chǔ)和微觀機(jī)制第三節(jié)超導(dǎo)材料的種類及其性能第四節(jié)超導(dǎo)材料的應(yīng)用內(nèi)容：1911年，荷蘭物理學(xué)家昂納斯發(fā)現(xiàn)汞的直流電阻在4.2K時(shí)突然消失，首次觀察到超導(dǎo)電性。如果將這種導(dǎo)線做成閉合電路，電流就可以永無休止地流動(dòng)下去。確實(shí)也有人做了：將一個(gè)鉛環(huán)冷卻到7.25K以下，用磁鐵在鉛環(huán)中感應(yīng)出幾百安培的電流，從1954年3月16日直到1956年9月5日，鉛環(huán)中的電流不停流動(dòng)，數(shù)值也沒有變化。 超導(dǎo)體中有電流而沒有電阻，說明超導(dǎo)體是等電位的，超導(dǎo)體內(nèi)沒有電場。

Onnes由于在超導(dǎo)方面的卓越貢獻(xiàn)，獲得了1913年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 注：無論哪一種超導(dǎo)體，只有當(dāng)溫度降低到一定數(shù)值時(shí)，才會(huì)發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象。從正常電阻轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶娮璧臏囟确Q為超導(dǎo)臨界溫度Tc。我國目前15％的電能損耗在輸電線路上，達(dá)900多億千瓦時(shí)。將超導(dǎo)電纜放在絕緣、絕熱的冷卻管里，管里盛放冷卻介質(zhì)，如液氦等，保證整條輸電線路都在超導(dǎo)狀態(tài)下運(yùn)行。這樣的超導(dǎo)輸電電纜比普通的地下電纜容量大25倍，可以傳輸幾萬安培的電流，電能消耗僅為所輸送電能的萬分之幾。我國第一組超導(dǎo)電纜并網(wǎng)運(yùn)行輸電能力增數(shù)倍荊楚網(wǎng)消息（楚天金報(bào)）據(jù)新華社電由國產(chǎn)超導(dǎo)線材制造的我國第一組超導(dǎo)電纜，10日在昆明正式并網(wǎng)運(yùn)行，昆明西北地區(qū)的幾萬戶居民和多個(gè)工業(yè)企業(yè)開始用上了通過超導(dǎo)電纜傳輸?shù)碾娏?。這標(biāo)志著繼美國、丹麥之后，我國成為世界上第三個(gè)將超導(dǎo)電纜投入電網(wǎng)運(yùn)行的國家。據(jù)悉，這組超導(dǎo)電纜于4月19日在昆明普吉變電站投入運(yùn)行，兩個(gè)多月來經(jīng)受了多種氣象條件的考驗(yàn)，運(yùn)行狀態(tài)良好，其部分性能指標(biāo)優(yōu)于目前已并網(wǎng)運(yùn)行的美國和丹麥的高溫超導(dǎo)電纜。使用超導(dǎo)電纜傳輸電力，運(yùn)行總損耗僅為常規(guī)電纜的50%至60%，傳輸電力的能力是傳統(tǒng)常規(guī)電纜的3至5倍。所以使用超導(dǎo)電纜還可以節(jié)約輸電系統(tǒng)的占地面積和空間，節(jié)省大量寶貴的土地資源。該超導(dǎo)電纜的并網(wǎng)運(yùn)行，表明我國在該領(lǐng)域的技術(shù)趨于成熟。超導(dǎo)電纜有利于提高我國電網(wǎng)的安全性和可靠性。其長距離大容量輸電的優(yōu)勢，將為我國“西電東送”提供支持。世界第一個(gè)高溫超導(dǎo)輸電系統(tǒng)部署完成

2008年7月2號(hào)，美國超導(dǎo)公司正式在一個(gè)商業(yè)電網(wǎng)中部署了世界上第一個(gè)高溫超導(dǎo)輸電系統(tǒng)。超導(dǎo)體能夠快速、高效并且輕松地傳輸大量電力。相比同樣粗細(xì)的銅導(dǎo)線，他們的輸電能力高達(dá)150倍，但因?yàn)榧夹g(shù)困難，超導(dǎo)體輸電的商業(yè)應(yīng)用發(fā)展緩慢。

上周部署的這個(gè)系統(tǒng)收到了美國能源部的資助，是長島電力局電網(wǎng)的一部分，由三根138千伏的電纜組成。它于2008年4月開始通電，在滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)能夠滿足30萬戶家庭的用電需求。

然而要在電網(wǎng)中用超導(dǎo)體完全取代銅導(dǎo)線，目前仍然有一些技術(shù)障礙，最關(guān)鍵的問題是費(fèi)用?，F(xiàn)在在長島運(yùn)行的第一代電纜十分昂貴，因?yàn)樗鼈兌煎兩狭艘粚鱼y。第二代鍍銅導(dǎo)線能夠省下五分之四的費(fèi)用，但才剛剛進(jìn)入實(shí)驗(yàn)階段。然而要在電網(wǎng)中用超導(dǎo)體完全取代銅導(dǎo)線，目前仍然有一些技術(shù)障礙，最關(guān)鍵的問題是費(fèi)用?，F(xiàn)在在長島運(yùn)行的第一代電纜十分昂貴，因?yàn)樗鼈兌煎兩狭艘粚鱼y。第二代鍍銅導(dǎo)線能夠省下五分之四的費(fèi)用，但才剛剛進(jìn)入實(shí)驗(yàn)階段。

美國超導(dǎo)公司CEOGregYurek聲稱在長期看來，超導(dǎo)體傳輸電纜的費(fèi)用將會(huì)低于增加新的地上銅電纜。埋在地下的一條超導(dǎo)電纜就能夠代替一套架在空中的傳統(tǒng)銅電纜，長島的超導(dǎo)電纜是通過一條寬一米左右的通道進(jìn)入地下的。

超導(dǎo)電纜的另一部分費(fèi)是用來將它們保持在一個(gè)很低的溫度的，所謂的高溫超導(dǎo)電纜，實(shí)際上運(yùn)行在65至75開爾文之間（大概-210攝氏度到-200攝氏度），已經(jīng)是對(duì)之前幾開爾文的溫度下傳統(tǒng)超導(dǎo)體的突破。而這些超導(dǎo)體是通過液態(tài)氮來維持低溫的。

美國超導(dǎo)公司希望使公用事業(yè)部門相信他們的技術(shù)就是電力輸送的未來方向。

除了經(jīng)濟(jì)性，該公司宣傳的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是這種電纜能夠防止由電網(wǎng)短路造成的故障電流。超導(dǎo)體有一種天生的電流限制能力，一旦電流增強(qiáng)到一定程度，它們就會(huì)失去超導(dǎo)性而變得像普通導(dǎo)體一樣有電阻，使電流衰減。

美國超導(dǎo)公司現(xiàn)在正在聯(lián)合愛迪生公司合作開發(fā)紐約的超導(dǎo)輸電故障電流限制系統(tǒng)，預(yù)計(jì)2010年進(jìn)入運(yùn)行，美國國土安全部為該項(xiàng)目提供了補(bǔ)助。制造超導(dǎo)通信電纜。人們對(duì)通信電纜的主要要求是信號(hào)傳遞準(zhǔn)確、迅速、容量大、重量輕，超導(dǎo)通信電纜正好能滿足上述要求。因?yàn)槌瑢?dǎo)通信電纜的電阻接近于零，允許用較小截面的電纜進(jìn)行話路更多的通信，因此節(jié)約材料，降低電纜自重。更重要的是超導(dǎo)通信電纜基本上沒有信號(hào)的衰減，不論距離遠(yuǎn)近，接收方都能準(zhǔn)確無誤地收到發(fā)出方發(fā)出的信號(hào)，所以在線路上不必增設(shè)中間放大器，就能進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。超導(dǎo)材料（2）邁斯納效應(yīng)（完全抗磁性）

只要超導(dǎo)體材料的溫度低于臨界溫度而進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)后，超導(dǎo)材料就會(huì)將磁力線完全排斥于體外，因此，其體積內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度總為零，這種現(xiàn)象稱為“邁斯納效應(yīng)”圖2.2邁斯納效應(yīng)第一節(jié)超導(dǎo)現(xiàn)象及超導(dǎo)材料的基本性質(zhì)不論在進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)之前金屬體內(nèi)有沒有磁感應(yīng)線，當(dāng)它進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)后，只要外磁場|B0|小于臨界磁場Bc，超導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度總是等于零，即B=B0+0M=0由此求得金屬在超導(dǎo)電狀態(tài)的磁化率為=0M/B0=-1由此可見，超導(dǎo)體是一個(gè)“完全的逆磁體”。超導(dǎo)態(tài)是一個(gè)熱力學(xué)平衡的狀態(tài)，同怎樣進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的途徑無關(guān)。超導(dǎo)材料2、臨界磁場Hc

3、臨界電流Ic

4、三個(gè)臨界參數(shù)的關(guān)系圖2.4三個(gè)臨界參數(shù)的關(guān)系第一節(jié)超導(dǎo)現(xiàn)象及超導(dǎo)材料的基本性質(zhì)超導(dǎo)材料三、兩類超導(dǎo)體的基本特征1、第一類超導(dǎo)體圖2.5第一類超導(dǎo)體的磁化曲線Hc

和Ic

很低，幾乎沒有實(shí)用的可能性第一節(jié)超導(dǎo)現(xiàn)象及超導(dǎo)材料的基本性質(zhì)超導(dǎo)材料2、第二類超導(dǎo)體圖2.6第二類超導(dǎo)體的M-H曲線第一節(jié)超導(dǎo)現(xiàn)象及超導(dǎo)材料的基本性質(zhì)第二節(jié)超導(dǎo)電性的理論基礎(chǔ)和微觀機(jī)制超導(dǎo)材料一、唯象理論1、超導(dǎo)體的熱力學(xué)理論－二流體模型（1）超導(dǎo)體的熱力學(xué)性質(zhì)超導(dǎo)體由常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)時(shí)樣品發(fā)生了一定的有序化比熱容發(fā)生了突變，電子熱容發(fā)生了△C的變化熵減小形成某種額外的的電子有序（2）二流體模型：包括以下三個(gè)假設(shè)：超導(dǎo)材料(a)超導(dǎo)體超導(dǎo)態(tài)時(shí)，傳導(dǎo)電子分為兩部分，一部分叫常導(dǎo)電子，另一部分叫超流電子，兩種電子占據(jù)同一體積，彼此獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，在空間上互相滲透；(b)常導(dǎo)電子的導(dǎo)電規(guī)律和常規(guī)導(dǎo)體一樣，受晶格振動(dòng)而散射，因而產(chǎn)生電阻，對(duì)熱力學(xué)熵有貢獻(xiàn)。(c)超流電子處于某種凝聚狀態(tài)，即凝聚到某一低能態(tài)，所以超導(dǎo)態(tài)是比正常態(tài)更加有序的狀態(tài)。超導(dǎo)中的電子不受晶格散射，又因?yàn)槌瑢?dǎo)態(tài)是低能量狀態(tài)，所以超流電子對(duì)熵沒有貢獻(xiàn)。2、超導(dǎo)體的電磁理論－倫敦方程第二節(jié)超導(dǎo)電性的理論基礎(chǔ)和微觀機(jī)制1935年，倫敦兄弟提出，超導(dǎo)電子產(chǎn)生的電流密度為js+(nse*2/m*)A=0式中：超導(dǎo)電子的電荷為-e*，有效質(zhì)量為m*，濃度為ns，A為超導(dǎo)電子運(yùn)動(dòng)的矢勢

。利用倫敦方程可以得到穿透深度L=（m*/0

nse*2）1/2對(duì)于大多數(shù)超導(dǎo)電性的金屬元素，穿透深度約為10-8~10-7米。第二節(jié)超導(dǎo)電性的理論基礎(chǔ)和微觀機(jī)制超導(dǎo)材料臨界溫度Tc依賴于同位素質(zhì)量的現(xiàn)象。當(dāng)M時(shí)，Tc應(yīng)趨于零，沒有超導(dǎo)電性。當(dāng)原子質(zhì)量M趨于無限大時(shí)，晶格原子就不可能運(yùn)動(dòng)，當(dāng)然不會(huì)有晶格振動(dòng)了，由此可知：電子-晶格振動(dòng)的相互作用是超導(dǎo)電性的根源。第二節(jié)超導(dǎo)電性的理論基礎(chǔ)和微觀機(jī)制超導(dǎo)材料二、超導(dǎo)的微觀圖像與機(jī)制1、同位素效應(yīng)超導(dǎo)材料2、電子－聲子相互作用圖2.8電子使離子產(chǎn)生位移，從而吸引其它電子第二節(jié)超導(dǎo)電性的理論基礎(chǔ)和微觀機(jī)制晶體中電子是處于正離子組成的晶格環(huán)境中，帶負(fù)電荷的電子吸引正離子向它靠攏；于是在電子周圍又形成正電荷聚集的區(qū)域，它又吸引附近的電子。電子間通過交換聲子能夠產(chǎn)生吸引作用。在常溫下，金屬原子失去外層電子成為正離子規(guī)則排列在晶格的結(jié)點(diǎn)上作微小振動(dòng)。自由電子無序地充滿在正離子周圍。在電壓作用下，自由電子的定向運(yùn)動(dòng)就成為電流。自由電子在運(yùn)動(dòng)中受到的阻礙稱為電阻。當(dāng)超導(dǎo)臨界溫度以下時(shí)，自由電子將不再完全無序地“單獨(dú)行動(dòng)”，由于晶格的振動(dòng)，會(huì)形成“電子對(duì)”（即“庫珀電子對(duì)”）。溫度愈低，結(jié)成的電子對(duì)愈多，電子對(duì)的結(jié)合愈牢固，不同電子對(duì)之間相互的作用力愈弱。在電壓的作用下，這種有秩序的電子對(duì)按一定方向暢通無阻地流動(dòng)起來。如下圖：可以這樣簡單地理解：當(dāng)溫度升高后，電子對(duì)因受熱運(yùn)動(dòng)的影響而遭到破壞，就失去了超導(dǎo)性。以上就是由JBardeen、LNCooper、JRSchrieffer在1957年提出的著名的BCS理論，它表現(xiàn)了目前許多科學(xué)家對(duì)超導(dǎo)現(xiàn)象的理解，但這并不是最終答案，高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)又需要人們進(jìn)一步探索超導(dǎo)的奧秘。Bardeen,Cooper,SchriefferTheory(1957)超導(dǎo)材料4、超導(dǎo)能隙圖2.9絕對(duì)零度下的電子能譜第二節(jié)超導(dǎo)電性的理論基礎(chǔ)和微觀機(jī)制超導(dǎo)體能隙作為溫度的函數(shù)超導(dǎo)材料5、BCS超導(dǎo)微觀理論核心：（1）電子間的相互作用形成的庫柏電子對(duì)會(huì)導(dǎo)致能隙存在。超導(dǎo)體臨界場、熱學(xué)性質(zhì)及大多數(shù)電磁性質(zhì)都是這種電子配對(duì)的結(jié)果（2）元素或合金的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度與費(fèi)米面附近電子能態(tài)密度N（EF）和電子聲子相互作用能U有關(guān)。第二節(jié)超導(dǎo)電性的理論基礎(chǔ)和微觀機(jī)制

隧道效應(yīng)：在微觀世界中，電子具有穿過比其自身能量還要高的勢壘的本領(lǐng)的量子效應(yīng)。當(dāng)然，穿透幾率隨勢壘的高度和寬度的增加而迅速減小。如果在兩塊Al之間夾入一層很薄的勢壘（絕緣層為Al2O3，厚度約10-10m），當(dāng)在兩塊Al之間加上電勢差后，就有電流流過絕緣層，這就是正常金屬的隧道效應(yīng)。三、超導(dǎo)隧道效應(yīng)經(jīng)典量子隧道效應(yīng)UE＜UE＜U如果其中的Al進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，就稱為約瑟夫森結(jié)（下圖）。 1962年，劍橋大學(xué)的博士后約瑟夫森（BDJosephson）理論計(jì)算表明，當(dāng)絕緣層小于1.5～2×10-9m時(shí)，除了前面所述的正常電子的隧道電流外，還會(huì)出現(xiàn)一種與庫珀電子對(duì)相聯(lián)系的隧道電流，而且?guī)扃觌娮訉?duì)穿越勢壘后，仍保持其配對(duì)的形式。這種不同于單電子隧道效應(yīng)的新現(xiàn)象，稱為約瑟夫森效應(yīng)。約瑟夫森結(jié)超導(dǎo)體超導(dǎo)體通過計(jì)算表明，當(dāng)絕緣層小于1.5～2um時(shí)，除了前面所述的正常電子的隧道電流外，還會(huì)出現(xiàn)一種與庫珀電子對(duì)相聯(lián)系的隧道電流，而且?guī)扃觌娮訉?duì)穿越勢壘后，仍保持其配對(duì)的形式。這種不同于單電子隧道效應(yīng)的新現(xiàn)象，稱為約瑟夫森效應(yīng)。超導(dǎo)材料圖2.10正常金屬N、絕緣層I和超導(dǎo)體S組成的結(jié)第二節(jié)超導(dǎo)電性的理論基礎(chǔ)和微觀機(jī)制超導(dǎo)材料圖2.11不同情形下的電流－電壓曲線a-被氧化層隔開的正常金屬結(jié)的電流－電壓關(guān)系b-被氧化層隔開的正常金屬與超導(dǎo)體結(jié)的電流－電壓關(guān)系第二節(jié)超導(dǎo)電性的理論基礎(chǔ)和微觀機(jī)制超導(dǎo)約瑟夫森元件示意圖第二節(jié)超導(dǎo)電性的理論基礎(chǔ)和微觀機(jī)制超導(dǎo)材料超導(dǎo)量子干涉器（SQUID）和它的生醫(yī)應(yīng)用流極大；為磁通量子的半整數(shù)倍時(shí)，電流極小。由于磁通量子值很小，而且明顯地和電流有關(guān)，所以可以用該設(shè)備測量弱磁場和弱電流。兩個(gè)約瑟夫森結(jié)用超導(dǎo)通路并聯(lián)起來，構(gòu)成超導(dǎo)量子干涉器。通過這一器件的總電流決定于穿過環(huán)路的磁通量：磁通量為磁通量子的整數(shù)倍時(shí)，電人體中不僅存在著生物電，也存在著生物磁。超導(dǎo)量子干涉器優(yōu)點(diǎn)：（1）非接觸測量。可監(jiān)視人體內(nèi)的直流電效應(yīng)（在人體直流電壓測量中常常被接觸電勢和表面電勢所掩蓋）；（2）給出某些電測量無法給出的人體內(nèi)部信息。人體內(nèi)部組織有了損傷，就會(huì)產(chǎn)生損傷電流，可用體外磁場測定；（3）還可以探測與人體電位無關(guān)的磁性變化，而提供更多的醫(yī)療信息。為什么生物磁的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于生物電的研究呢?因?yàn)樯锎艠O其微弱（10－10～10－13特斯拉），開始還沒有檢測如此低磁場強(qiáng)度的檢測手段。用超導(dǎo)量子干涉現(xiàn)象所制成的磁強(qiáng)計(jì)，可以探測到10－15特斯拉的磁場變化，極大地促進(jìn)了生物磁學(xué)的進(jìn)程。1970年首次應(yīng)用超導(dǎo)量子干涉儀測出人體完善的心磁圖，打開了生物磁的窗口。使用磁強(qiáng)計(jì)可以不取肝樣而準(zhǔn)確地測量肝中含鐵濃度。對(duì)腦神經(jīng)磁場的研究能探測腦瘤的存在。 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)近30種單質(zhì)和幾千種合金及化合物具有超導(dǎo)現(xiàn)象。但絕大多數(shù)超導(dǎo)材料的臨界溫度是難以達(dá)到的超低溫，限制了超導(dǎo)材料的應(yīng)用。因此，超導(dǎo)材料的發(fā)展過程很大程度上就是研制高溫超導(dǎo)體的過程。 1986年,德國科學(xué)家柏諾茲GeorgBednorz和瑞士科學(xué)家彌勒AlexMüller發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)鋇鑭銅氧化物高溫超導(dǎo)體,（La1.85Ba0.15CuO4，其轉(zhuǎn)變溫度“高達(dá)”35K！）使超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度提升到了液氮溫區(qū),從而為超導(dǎo)研究帶來了一場新的革命。高溫超導(dǎo)（非常規(guī)超導(dǎo)）的發(fā)現(xiàn)立即激起了全世界科學(xué)家的強(qiáng)烈興趣。他們于1988年獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng)（大概是歷史上，從作出工作到獲得獎(jiǎng)之間隔最短的。從而也引發(fā)了許多爭論）。 在緊接下來的幾年,不同的高溫超導(dǎo)體系相繼被發(fā)現(xiàn),超導(dǎo)溫度也迅速攀升至160K(0oC=273.15K)。然而不幸的是高溫超導(dǎo)的機(jī)理至今仍然是一個(gè)謎。第三節(jié)超導(dǎo)材料的種類及其性能Müller&BednorzHighTemperatureSuperconductors(1986)0K:Allmotionceases100oC=373K0oC=273K-145oC=138K“High”TemperatureSuperconductors77KAir(Nitrogen)liquifies4KHeliumliquifiesKelvinTemperatureScale第三節(jié)超導(dǎo)材料的種類及其性能在l986年之前，由于當(dāng)時(shí)己知的所有超導(dǎo)體都要在液氯冷卻的條件下才能“工作”，這些不利因素給超導(dǎo)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用范圍帶來了很多限制。因此，關(guān)于如何提高材料的Tc以及尋求高Tc材料，一直是科學(xué)家們的研究課題。下圖列出了人們探索提高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的歷程。 1986年12月，中國科學(xué)院的趙忠賢研究組獲得了臨界溫度為48.6K的鍶鑭銅氧化物。（可能是最接近諾貝爾獎(jiǎng)了） 1987年2月，美籍華裔科學(xué)家、美國休斯頓大學(xué)的朱經(jīng)武教授獲得了起始轉(zhuǎn)變溫度為90K的高溫超導(dǎo)陶瓷。 1987年3月，中國科學(xué)院宣布發(fā)現(xiàn)了起始轉(zhuǎn)變溫度為93K的8種釔鋇銅氧化物。 1988年，中國科學(xué)院發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)臨界溫度為120K的鈦鋇鈣銅氧化物。 這些成就顯示了我國高溫超導(dǎo)材料的研究已經(jīng)處于國際前列。第三節(jié)超導(dǎo)材料的種類及其性能第三節(jié)超導(dǎo)材料的種類及其性能相對(duì)于氧化物高溫超導(dǎo)體而言，元素、合金和化合物超導(dǎo)體的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度較低(Tc＜30K)，其超導(dǎo)機(jī)理基本上能在BCS理論的框架內(nèi)進(jìn)行解釋，因而通常又枝稱為常規(guī)超導(dǎo)體或傳統(tǒng)超導(dǎo)體。一、元素超導(dǎo)體

已發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)元素近50種，如下圖所示。除一些元素在常壓及高壓下具有超導(dǎo)電性外，另部分元素在經(jīng)過持殊工藝處理(如制備成薄膜，電磁波輻照，離子注入等)后顯示出超導(dǎo)電性。其中Nb的Tc最高(9.2K)，與一些合金超導(dǎo)體相接近，而制備工藝要簡單得多。周期表中的超導(dǎo)元素第三節(jié)超導(dǎo)材料的種類及其性能超導(dǎo)材料表2.1一些元素的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度第三節(jié)超導(dǎo)材料的種類及其性能具有超導(dǎo)電性的合金及化合物多達(dá)幾千種，真正能夠?qū)嶋H應(yīng)用的并不多。下面給出了一些典型合金及化合物的Tc(最大值)。其中A—15超導(dǎo)體Nb3Sn是20世紀(jì)50年代馬梯阿斯(B．T．Matthias)首次發(fā)現(xiàn)的。在1986年以前發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體中，這類化合物中的Tc居于領(lǐng)先地位，它們之中臨界溫度最高的是Nb3Ge薄膜，為23.2K。此外，c—15超導(dǎo)體的臨界溫度約l0K，上臨界場Hc2(約1.6×107A／m)高于超導(dǎo)合金NbTi，而在力學(xué)性質(zhì)方面優(yōu)于Nb3Sn，易于加工成型，中子輻照對(duì)它的超導(dǎo)電性影響較小，因而是目前受控?zé)岷朔磻?yīng)用高場超導(dǎo)磁體的理想材料。超導(dǎo)材料二、合金超導(dǎo)體1、Nb-Zr合金優(yōu)點(diǎn)：在高磁場下能夠承受很大的超導(dǎo)臨界電流，延性好，抗拉強(qiáng)度高，制作線圈工藝簡單缺點(diǎn)：覆銅較困難，需采用鍍銅或埋入法，工藝麻煩，制造成本高；與銅的結(jié)合性能較差2、Nb-Ti合金優(yōu)點(diǎn)：線材價(jià)格便宜，機(jī)械性能優(yōu)良，易于加工；并易于通過壓力加工在線上覆套銅層，獲得良好的合金結(jié)合，提高熱穩(wěn)定性缺點(diǎn)：不易軋制成扁線第三節(jié)超導(dǎo)材料的種類及其性能超導(dǎo)材料圖3.12Nb-Ti合金制造的典型工藝流程圖圖2.13Ni-Ti線的芯結(jié)構(gòu)第三節(jié)超導(dǎo)材料的種類及其性能超導(dǎo)材料3、三元合金Nb-Zr-Ti；Nb-Ti-Ta；Nb-Zr-Hf；V-Zr-Hf三、超導(dǎo)化合物超導(dǎo)化合物超導(dǎo)臨界參數(shù)均較高，是性能良好的強(qiáng)磁場超導(dǎo)材料,一般超過10T的超導(dǎo)磁體只能用化合物系超導(dǎo)材料。但化合物超導(dǎo)材料質(zhì)脆，不易直接加工成線材或帶材。Nb3SnV3Ga第三節(jié)超導(dǎo)材料的種類及其性能圖2.14復(fù)合法制備Nb3SnV3Ga線材

圖2.15

Nb3Sn線的芯結(jié)構(gòu)

第三節(jié)超導(dǎo)材料的種類及其性能超導(dǎo)材料第三節(jié)超導(dǎo)材料的種類及其性能四、非晶態(tài)超導(dǎo)體非晶態(tài)超導(dǎo)材料主要包括非晶態(tài)簡單金屬及其合金，和非晶態(tài)過渡金屬及其合金，它們具有高度均勻性，高強(qiáng)度、高耐磨、高耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)非晶態(tài)超導(dǎo)體的臨界轉(zhuǎn)變溫度比相應(yīng)的晶態(tài)超導(dǎo)體高。高溫超導(dǎo)體有著與傳統(tǒng)超導(dǎo)體相同的超導(dǎo)特性，即：零電阻有這些現(xiàn)象的特性、邁斯納效應(yīng)、磁通量子化和約瑟夫森效應(yīng)。BCS理論是目前能解釋所唯—理論，但這并不意味高溫超導(dǎo)體就是BCS超導(dǎo)體。高溫超導(dǎo)體的配對(duì)機(jī)理目前還不清楚。新型的氧化物高溫超導(dǎo)體與傳統(tǒng)超導(dǎo)體相比較，有其獨(dú)持的結(jié)構(gòu)和物理特征。主要表現(xiàn)在它們具有明顯的層狀結(jié)構(gòu)、較短的超導(dǎo)相干長度、較強(qiáng)的各向異性以及Tc對(duì)載流子濃度的強(qiáng)依賴天系。五、高溫超導(dǎo)體

氧化鋯（ZrO2）單晶基片是最早被開發(fā)應(yīng)用的高溫超導(dǎo)基片之一。由于ZrO2單晶需摻入釔（Y）以穩(wěn)定其結(jié)構(gòu)，

一般實(shí)際使用的是加入釔穩(wěn)定劑的氧化鋯單晶。它機(jī)械、化學(xué)穩(wěn)定性好，價(jià)格較低，特別適于用在試驗(yàn)性薄膜制備工作中。

鈦酸鍶（SrTiO3）是當(dāng)前應(yīng)用最廣的優(yōu)秀高溫超導(dǎo)單晶基片之一。它與YBaCuO等高溫超導(dǎo)材料的晶格匹配好，物理、機(jī)械性能優(yōu)良。SrTiO3是高溫超導(dǎo)結(jié)技術(shù)（使用雙晶基片或臺(tái)階狀基片）及基片臺(tái)階化（按特定角度斜切并熱處理）的首選單晶材料。LSAT單晶

LSAT（鋁酸鑭·鉭酸鍶鋁）是性能優(yōu)良的高溫超導(dǎo)基片材料。它可以克服LaAlO3高溫超導(dǎo)基片晶體固有的疇結(jié)構(gòu)給薄膜生長帶來的不利影響。LASAT沒有疇結(jié)構(gòu)，無孿晶，晶體結(jié)構(gòu)完整，用作襯底材料可顯著提高薄膜的質(zhì)量。LSAT基片第四節(jié)超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料的用途非常廣闊，大致可分為三類：大電流應(yīng)用（強(qiáng)電應(yīng)用）、電子學(xué)應(yīng)用（弱電應(yīng)用）和抗磁性應(yīng)用。大電流應(yīng)用即前述的超導(dǎo)發(fā)電、輸電和儲(chǔ)能；電子學(xué)應(yīng)用包括超導(dǎo)計(jì)算機(jī)、超導(dǎo)天線、超導(dǎo)微波器件等；抗磁性主要應(yīng)用于磁懸浮列車和熱核聚變反應(yīng)堆等。第四節(jié)超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)材料一、能源領(lǐng)域的應(yīng)用1、開發(fā)新能源（1）核聚變反應(yīng)堆“磁封閉體”熱核反應(yīng)堆是利用氫的同位素氘和氚的原子核實(shí)現(xiàn)核聚變的核反應(yīng)堆。與目前核電站利用核裂變發(fā)電相比，用受控核聚變的能量來發(fā)電具有能量釋放大、實(shí)驗(yàn)資源豐富、成本低、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。核聚變反應(yīng)堆“磁封閉體”利用超導(dǎo)體產(chǎn)生的巨大磁場，應(yīng)用于受控制熱核反應(yīng)。核聚變反應(yīng)時(shí)，內(nèi)部溫度高達(dá)1億～2億℃，沒有任何常規(guī)材料可以包容這些物質(zhì)。而超導(dǎo)體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場可以作為“磁封閉體”，將熱核反應(yīng)堆中的超高溫等離子體包圍、約束起來，然后慢慢釋放，從而使受控核聚變能源成為21世紀(jì)前景廣闊的新能源。中國科學(xué)院合肥等離子體物理研究所超導(dǎo)托卡馬克HT-7巨大的電感線圈原子彈爆炸蘑菇云第四節(jié)超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)材料磁約束的應(yīng)用目前，磁約束主要應(yīng)用在核聚變上，實(shí)現(xiàn)受控(熱)核聚變。著名的托卡馬克裝置即是利用磁約束原理實(shí)現(xiàn)受控核聚變。它是一種形如面包圈的環(huán)流器，依靠等離子體電流和環(huán)形線圈產(chǎn)生的強(qiáng)磁場，將極高溫等離子狀態(tài)的聚變物質(zhì)約束在環(huán)形容器里，以此來實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)。托卡馬克裝置:第四節(jié)超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)材料2006年9月28日，中國耗時(shí)8年、耗資2億元人民幣自主設(shè)計(jì)、自主建造而成的新一代熱核聚變裝置EAST首次成功完成放電實(shí)驗(yàn)，獲得電流200千安、時(shí)間接近3秒的高溫等離子體放電。EAST成為世界上第一個(gè)建成并真正運(yùn)行的全超導(dǎo)非圓截面核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（2）超導(dǎo)磁流體發(fā)電磁流體發(fā)電，是利用高溫導(dǎo)電性氣體（等離子體）做導(dǎo)體，并高速通過磁場強(qiáng)度為5萬—6萬高斯的強(qiáng)磁場而發(fā)電。磁流體發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)非常簡單，用于磁流體發(fā)電的高溫導(dǎo)電性氣體還可重復(fù)利用?！?/p>

2、節(jié)能方面（1）超導(dǎo)輸電（2）超導(dǎo)發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)（3）超導(dǎo)變壓器第四節(jié)超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)材料第四節(jié)超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)材料熱絕緣型和冷絕緣型高溫超導(dǎo)電力電纜熱絕緣結(jié)構(gòu)電纜基本結(jié)構(gòu)示意圖

從內(nèi)到外，依次為：

管狀支撐物（一般為波紋管，內(nèi)通液氮）；

超導(dǎo)導(dǎo)體層（為超導(dǎo)帶材分層繞制）；

熱絕緣層（為真空隔熱套件）；

常規(guī)電氣絕緣層（工作在常溫下）；

電纜屏蔽層和護(hù)層（與常規(guī)電力電纜類似）。冷絕緣結(jié)構(gòu)電纜基本結(jié)構(gòu)示意圖

從內(nèi)到外，依次為：

管狀支撐物（內(nèi)通液氮）；

超導(dǎo)導(dǎo)體層（為電纜載流導(dǎo)體）；

電氣絕緣層（工作在液氮低溫環(huán)境下）；

超導(dǎo)屏蔽層（為超導(dǎo)帶材繞制）；

液氮回流層（與管狀支撐物內(nèi)的液氮構(gòu)成液氮回流循環(huán)）；

熱絕緣層（為真空隔熱套件）；

常規(guī)電纜屏蔽層和護(hù)層。二、交通領(lǐng)域的應(yīng)用超導(dǎo)材料圖2.16超導(dǎo)磁浮列車內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖第四節(jié)超導(dǎo)材料的應(yīng)用用超導(dǎo)材料制造的磁懸浮列車，速度可達(dá)550千米/小時(shí)，與民航飛機(jī)差不多；如果磁懸浮列車在真空隧道中運(yùn)行，其速度可達(dá)1600千米/小時(shí)，比超音速飛機(jī)還快。

磁懸浮列車的不足1.由于磁懸浮系統(tǒng)是以電磁力完成懸浮、導(dǎo)向和驅(qū)動(dòng)功能的，斷電后磁懸浮的安全保障措施，尤其是列車停電后的制動(dòng)問題仍然是要解決的問題。其高速穩(wěn)定性和可靠性還需很長時(shí)間的運(yùn)行考驗(yàn)。2.常導(dǎo)磁懸浮技術(shù)的懸浮高度較低，因此對(duì)線路的平整度、路基下沉量及道岔結(jié)構(gòu)方面的要求較超導(dǎo)技術(shù)更高。3.超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)由于渦流效應(yīng)懸浮能耗較常導(dǎo)技術(shù)更大，冷卻系統(tǒng)重，強(qiáng)磁場對(duì)人體與環(huán)境都有影響。為什么磁浮鐵路并沒有出現(xiàn)人們所企望的那種成為主要交通工具的趨勢？首先，磁浮鐵路的造價(jià)十分昂貴。與高速鐵路相比，修建磁浮鐵路費(fèi)用昂貴。根據(jù)日本方面的估計(jì)，磁浮鐵路的造價(jià)每公里約需60億日元，比新干線高20％。如果規(guī)劃中的從東京到大阪之間的中央新干線修建為磁浮鐵路，全線造價(jià)約需3萬億日元，而為了對(duì)建造磁浮鐵路這一方案進(jìn)行可行性研究而計(jì)劃建造的一條42.8公里長的試驗(yàn)線，其初步預(yù)算就達(dá)3000億日元。德國也認(rèn)為磁浮鐵路的造價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高速鐵路。根據(jù)德國在80年代初的這一項(xiàng)估算認(rèn)為，修建一條復(fù)線磁浮鐵路其造價(jià)每公里約為659萬美元，而法國的巴黎至里昂和意大利的羅馬至佛羅倫薩的高速鐵路每公里的造價(jià)只分別為226萬和236萬美元?，F(xiàn)在，德國規(guī)劃中的漢堡至柏林292公里長的鐵路如果建造成為磁浮鐵路，其初步預(yù)算就達(dá)59億美元，約合每公里2000萬美元。磁浮鐵路所需的投入較大，利潤回收期較長，投資的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)也較高，從而也在一定程度上影響了投資者的信心，制約了磁浮鐵路的發(fā)展。為什么磁浮鐵路并沒有出現(xiàn)人們所企望的那種成為主要交通工具的趨勢？其次，磁浮鐵路無法利用既有的線路，必須全部重新建設(shè)。由于磁浮鐵路與常規(guī)鐵路在原理、技術(shù)等方面完全不同，因而難以在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行利用和改造。高速鐵路則不同，可以通過加強(qiáng)路基、改善線路結(jié)構(gòu)、減少彎度和坡度等方面的改造，某些既有線路或某些區(qū)段就可以達(dá)到高速鐵路的行車標(biāo)準(zhǔn)。如，日本1964年投入運(yùn)營并大受歡迎的東京至大阪的新干線，在沒有對(duì)機(jī)車做重大改進(jìn)的情況下，僅通過修建曲線半徑較大，即沒有急轉(zhuǎn)彎和陡坡較小的鐵路等方法，從而使列車速度大大提高。再如德國的漢堡至柏林既有鐵路線，經(jīng)過技術(shù)改造后，某些區(qū)段的最高速度每小時(shí)可達(dá)230公里。此外，歐洲一些國家如德國、瑞典、意大利等國的設(shè)計(jì)人員，還采用使車廂在轉(zhuǎn)向架上轉(zhuǎn)動(dòng)和傾斜的升降技術(shù)來對(duì)付鐵路彎道（即采用擺式車體），這樣在無須對(duì)既有線路進(jìn)行改造和更新的情況下，也使列車行駛速度提高到每小時(shí)220公里。在對(duì)既有線路進(jìn)行高速鐵路改造的過程中，還可以實(shí)現(xiàn)高、中速混跑，列車根據(jù)不同區(qū)段的最高限速以不同的速度行駛。因而，與磁浮鐵路的全部重新建設(shè)相比，高速鐵路的線路和運(yùn)行成本就大大降低了。為什么磁浮鐵路并沒有出現(xiàn)人們所企望的那種成為主要交通工具的趨勢？再次，磁浮鐵路在速度上的優(yōu)勢并沒有凸顯出來。30多年前，許多人認(rèn)為輪軌粘著式鐵路的極限速度為每小時(shí)250公里，后來又認(rèn)為是300-380公里。但是現(xiàn)在，法國的“高速列車”(TGV)、德國的“城際快車”(ICE)和穿越英吉利海峽的“歐洲之星”列車以及日本的新干線，其運(yùn)行速度都達(dá)到或接近每小時(shí)300公里。1990年，在巴黎西部地區(qū)運(yùn)行的法國第二代高速列車TGV－A“大西洋”號(hào)更是創(chuàng)下了試驗(yàn)時(shí)速515.3公里的世界紀(jì)錄。更何況，既便是磁浮鐵路的行車速度達(dá)到每小時(shí)450-500公里，在典型的500公里區(qū)間內(nèi)的運(yùn)行中，也只比時(shí)速為300公里的高速鐵路節(jié)約半小時(shí)，其優(yōu)勢不是特別明顯。我國的磁懸浮列車目前，中國對(duì)磁懸浮鐵路技術(shù)的研究還處于初級(jí)階段。經(jīng)過中國鐵道科學(xué)研究院、西南交大、國防科大、中科院電工所等單位對(duì)常導(dǎo)低速磁懸浮列車的懸浮、導(dǎo)向、推進(jìn)等關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)性研究，已對(duì)低速常導(dǎo)磁懸浮技術(shù)有了一定認(rèn)識(shí)，初步掌握了常導(dǎo)低速磁懸浮穩(wěn)定懸浮的控制技術(shù)。我國的磁懸浮列車?yán)^1994年西南交大成功地進(jìn)行了4個(gè)座位、自重4噸、懸浮高度為8毫米、時(shí)速為30公里的磁懸浮列車試驗(yàn)之后，由鐵科院主持、長春客車廠、中科院電工所、國防科技大學(xué)參加，共同研制的長為6.5米、寬為3米、自重4噸、內(nèi)設(shè)15個(gè)座位的6噸單轉(zhuǎn)向架磁懸浮試驗(yàn)車在鐵科院環(huán)行試驗(yàn)線的軌距為2米、長36米、設(shè)計(jì)時(shí)速為100公里的室內(nèi)磁懸浮實(shí)驗(yàn)線路上成功地進(jìn)行了試驗(yàn)，并于1998年12月通過了鐵道部科技成果鑒定。6噸單轉(zhuǎn)向架磁懸浮試驗(yàn)車的研制成功，為低速常導(dǎo)磁懸浮列車的研究提供了技術(shù)基礎(chǔ)，填補(bǔ)了我國在磁懸浮列車技術(shù)領(lǐng)域的空白。我國的磁懸浮列車上海磁懸浮是中國第一條投入運(yùn)行的磁懸浮鐵路，全長29．863公里，設(shè)計(jì)時(shí)速和運(yùn)行時(shí)速分別為505公里和430公里；由中國與德國合作，2002年12月31日，中國總理朱鎔基和德國總理施羅德成為上海磁懸浮的第一批乘客體會(huì)首次試運(yùn)行。當(dāng)時(shí)采用的是已通過安全認(rèn)證的比較簡單的單線折返運(yùn)行方式。雙列車會(huì)車實(shí)驗(yàn)在2003年7月18日已經(jīng)完成。根據(jù)中德的協(xié)議，雙線折返試運(yùn)行原計(jì)劃今年9月完成并接受安全認(rèn)證，12月底工程驗(yàn)收，全線正式通車進(jìn)行商業(yè)運(yùn)行。四、電子信息領(lǐng)域的應(yīng)用超導(dǎo)材料1、超導(dǎo)計(jì)算機(jī)第四節(jié)超導(dǎo)材料的應(yīng)用高速計(jì)算機(jī)要求集成電路芯片上的元件和連接線密集排列，但密集排列的電路在工作時(shí)會(huì)發(fā)生大量的熱，而散熱是超大規(guī)模集成電路面臨的難題。超導(dǎo)計(jì)算機(jī)中的超大規(guī)模集成電路，其元件間的互連線用接近零電阻和超微發(fā)熱的超導(dǎo)器件來制作，不存在散熱問題，同時(shí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度大大提高。此外，正在研究用半導(dǎo)體和超導(dǎo)體來制造晶體管，甚至完全用超導(dǎo)體來制作晶體管。三、研究領(lǐng)域的應(yīng)用冷子管和超導(dǎo)計(jì)算機(jī)

一種電流開關(guān)…當(dāng)控制線圈沒有電流時(shí)，門線超導(dǎo)；當(dāng)控制線圈通過一定電流時(shí)，它的磁場使門線從超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變到正常態(tài)。1935年，卡西米爾和哈斯用Pb－Ti合金做門線，用Pb繞制控制線圈，做出了第一個(gè)開關(guān)元件，1956年，巴克把這種裝置命名為冷子管，指出它可以用來做計(jì)算機(jī)的開關(guān)元件。…半導(dǎo)體機(jī)速度與發(fā)熱的尖銳矛盾，從1965年開始，領(lǐng)導(dǎo)IBM公司的100多人共同奮戰(zhàn)，終于使約瑟夫遜器件的超導(dǎo)計(jì)算機(jī)有了眉目。馬梯索于1967年發(fā)明的隧道冷子管中，約瑟夫遜結(jié)具有極高的開關(guān)速度（約為10-12秒數(shù)量級(jí)，速度是半導(dǎo)體器件的百倍以上）和極低的功耗（只有半導(dǎo)體器件的千分之一左右），對(duì)應(yīng)邏輯器件能以驚人的速度執(zhí)行“與”功能，從而為制造亞納秒電子計(jì)算機(jī)提供了一條途徑。超導(dǎo)計(jì)算機(jī)是使用超導(dǎo)體元器件的高速計(jì)算機(jī)

用約瑟夫遜器件制成電子計(jì)算機(jī)，稱為約瑟夫遜計(jì)算機(jī)，也就是超導(dǎo)計(jì)算機(jī)，又稱超導(dǎo)電腦。這種電腦的耗電僅為用半導(dǎo)體器件制造的電腦所耗電的幾千分之一，它執(zhí)行一個(gè)指令只需十億分之一秒，比半導(dǎo)體元件快10倍。日本電氣技術(shù)研究所研制成世界上第一臺(tái)完善的超導(dǎo)電腦，它采用了4個(gè)約瑟夫遜大規(guī)模集成電路，每個(gè)集成電路芯片只有3~5立方毫米大小，每個(gè)芯片上有上千個(gè)約瑟夫遜元件。約瑟夫遜超導(dǎo)元件。使用鈮系列超導(dǎo)材料，不但速度快，而且耗電少第四節(jié)超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)材料2、超導(dǎo)電磁測量裝置五、軍事領(lǐng)域的應(yīng)用1、超導(dǎo)貯能系統(tǒng)3、超導(dǎo)電磁炮2、超導(dǎo)粒子束武器和自由電子激光器用電需求的波動(dòng)造成電力很大的浪費(fèi)，據(jù)估計(jì)約50％的能量付之東流。這就需要一種儲(chǔ)存能量的方法。提到電力儲(chǔ)藏，總會(huì)讓人聯(lián)想到電池，能量的儲(chǔ)藏以能量密度作為標(biāo)準(zhǔn)。10升石油所產(chǎn)生的能量相當(dāng)于2.5噸鉛電池的能量，必須使用像小山一樣多的鉛。能量儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)手段還有很多，但各種方法都有很多局限和不便之處。相比之下，超導(dǎo)儲(chǔ)能