《納米功能材料》第三章 納米電功能材料

第三章納米電功能材料

第一節(jié)電接觸復(fù)合材料

第二節(jié)導(dǎo)電復(fù)合材料

第三節(jié)壓電復(fù)合材料

第四節(jié)超導(dǎo)材料

第五節(jié)介電材料納米材料的物理性能

納米材料的物理性能改變的幾種機(jī)制：（1）大表面原子數(shù)比，（2）大表面能，（3）空間限域，（4）非完整性的降低。

具體實(shí)例：

納米材料由于具有大的表面原子數(shù)比，可以具有很低的熔點(diǎn)、相轉(zhuǎn)變溫度、略微減小的晶格常數(shù)。納米材料機(jī)械性能可達(dá)到理論強(qiáng)度，比塊體單晶的強(qiáng)度高1~2個(gè)數(shù)量級(jí)。納米材料光學(xué)性能，半導(dǎo)體納米粒子的光吸收峰，由于帶隙寬度增大而向短波方向移動(dòng)。金屬納米粒子顏色由于表面等離子基元而隨尺寸變化。納米材料由于增加的表面散射，電導(dǎo)率隨尺寸而減小。但如果較好地排列，電導(dǎo)也可以提高，如在聚合物小纖維中。納米結(jié)構(gòu)材料的磁性，表面能的存在，塊體材料的鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米材料的超順磁性。

自凈化是納米材料的內(nèi)在動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。熱處理可提高雜質(zhì)、內(nèi)部缺陷和位錯(cuò)的擴(kuò)散，容易將它們推向表面附近。對(duì)化學(xué)和物理性質(zhì)有明顯的影響。納米結(jié)構(gòu)和材料的電導(dǎo)

納米結(jié)構(gòu)和納米材料電導(dǎo)的4種機(jī)制：

表面（包括晶界）的散射電子結(jié)構(gòu)變化（帶隙寬化和分立）量子輸運(yùn)（包括彈道傳導(dǎo)和庫(kù)侖帶電）微結(jié)構(gòu)改變

另外，納米結(jié)構(gòu)完整性的提高，即雜質(zhì)、結(jié)構(gòu)缺陷和位錯(cuò)的減少，將影響納米結(jié)構(gòu)和材料的電導(dǎo)

薄電介質(zhì)的隧道效應(yīng)是伴隨納米或亞納米尺度的另一種電現(xiàn)象Matthiessen（馬希森）定則

金屬中的電傳導(dǎo)（歐姆傳導(dǎo)）可以用不同的電子散射描述，整個(gè)電阻率T是熱電阻率和缺陷電阻率之和，稱(chēng)為Matthiessen法則：T=Th+DTh—熱電阻率，源于電子與偏移平衡點(diǎn)陣位置的振動(dòng)原子（聲子）的碰撞，隨溫度而線性提高。

D—缺陷電阻率。雜質(zhì)原子、缺陷如空位、晶界局域破壞點(diǎn)陣周期性的電勢(shì)，引起的電子散射，與溫度無(wú)關(guān)的。缺陷電阻率可進(jìn)一步劃分為雜質(zhì)電阻率、點(diǎn)陣缺陷電阻率、晶界電阻率。

晶體完整性的提高，導(dǎo)致缺陷散射的減少，即缺陷電阻率減小。缺陷散射在室溫下對(duì)整個(gè)電阻率的貢獻(xiàn)原本較小，因此納米結(jié)構(gòu)完整性的提高對(duì)電阻率的影響幾乎無(wú)法實(shí)驗(yàn)觀測(cè)。

納米結(jié)構(gòu)的表面增大，導(dǎo)致表面散射對(duì)整個(gè)電阻率的貢獻(xiàn)極大，將主導(dǎo)整個(gè)電阻率。

尺寸減小對(duì)電傳導(dǎo)的2個(gè)作用：

用電子的平均自由程表示Matthiessen法則，則為：表面散射占主導(dǎo)！表面散射對(duì)電導(dǎo)的影響

—非彈性電子散射Thompson模型厚度d小于塊體電子平均自由程o的薄膜中，膜表面非彈性散射電子的湯普森（Thompson）模型示意圖。[J.J.Thompson,Proc.CambridgePhil.Soc.11,120(1901).]dpzθθλ0λ01θ2d—薄膜厚度；o—塊體中電子平均自由程

彈性散射：電子不失去能量和動(dòng)量，電導(dǎo)與塊體時(shí)的相同，無(wú)尺寸效應(yīng)

非彈性散射：電子的自由程因碰撞而中斷，沿平行于表面方向損失速度，電導(dǎo)降低，出現(xiàn)尺寸效應(yīng)。其平均自由程

f

為：

非彈性散射后，薄膜電阻率f相對(duì)于塊體電阻率0的比值：Thompson方程，體現(xiàn)尺寸效應(yīng)，假設(shè)全部是非彈性散射，采用經(jīng)典理論薄膜電阻率vs.厚度vs.溫度硅基體上外延生長(zhǎng)Co薄膜的膜厚相關(guān)電阻率隨溫度的變化關(guān)系。[J.C.Hensel,R.T.Tung,J.M.Poate,andF.C.Unterwald,Phys.Rev.Lett.54,1840(1985).]電阻率溫度厚度Co/Si薄膜的制備條件：高真空，Co沉積于原子級(jí)清潔硅基體表面，外延生長(zhǎng)成膜；熱處理促進(jìn)硅化鈷形成；化學(xué)計(jì)量嚴(yán)格控制，薄膜和基體界面趨于原子級(jí)完整；外表面非常光滑。多晶材料電阻率

—

晶界的影響多晶含水氧化銻圓片的質(zhì)子傳導(dǎo)在19.5°C時(shí)隨相對(duì)濕度的關(guān)系。在整個(gè)濕度測(cè)量范圍，大晶粒圓片比小晶粒圓片具有更大的質(zhì)子傳導(dǎo)，這歸因于晶界散射[K.Ozawa,Y.Sakka,andM.Amano,J.Sol-GelSci.Technol.19,595(2000).]

在多晶材料中，當(dāng)微晶尺寸小于電子自由程時(shí)，晶界對(duì)電阻率的貢獻(xiàn)開(kāi)始出現(xiàn)02040608010010-610-510-410-3Relativehumidity(%)晶粒~150nm晶粒~30nmProtonconductivity(Scm-1)質(zhì)子傳導(dǎo)率相對(duì)濕度多晶含水氧化銻薄膜電子結(jié)構(gòu)對(duì)電導(dǎo)的影響

—

量子尺寸效應(yīng)

當(dāng)納米結(jié)構(gòu)特征尺寸小于臨界尺寸（即電子的德布羅意波長(zhǎng)），將導(dǎo)致電子結(jié)構(gòu)的變化，出現(xiàn)帶隙的寬化和分立。不僅對(duì)光性產(chǎn)生影響，對(duì)電性也有非常大的影響：金屬納米線直徑小于特定值時(shí)，會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體；而半導(dǎo)體會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣體。這種變化部分歸因于量子尺寸效應(yīng)。

單晶Bi納米線，在直徑

~52nm時(shí)經(jīng)歷從金屬到半導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變；直徑為~40nm的Bi納米線，其電阻隨溫度的降低而減小；直徑為17.6nm的GaN納米線依然是半導(dǎo)體，而~15nm的Si納米線已經(jīng)變?yōu)榻^緣體。量子輸運(yùn)對(duì)電導(dǎo)的影響

—彈道傳導(dǎo)Ballisticconduction

（A）納米管的接觸電導(dǎo)隨時(shí)間變化關(guān)系，這是將納米管以恒定速率向水銀中放入和取出而完成，運(yùn)動(dòng)周期2s、位移?z=±2.5μm。對(duì)于~2μm的浸漬深度，電導(dǎo)躍至~1G0然后保持常數(shù)。然后運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向相反方向，進(jìn)入2μm后接觸被中斷。反復(fù)循環(huán)以表現(xiàn)可重復(fù)性；以循環(huán)201到203作為例子來(lái)表現(xiàn)（B）以全部250個(gè)通道電導(dǎo)數(shù)據(jù)依次表現(xiàn)的柱狀圖。在1G0和0處的平臺(tái)產(chǎn)生柱狀圖中的峰。峰底相對(duì)面積對(duì)應(yīng)相對(duì)平臺(tái)長(zhǎng)度。因?yàn)檎麄€(gè)位移已知，因此平臺(tái)長(zhǎng)度可以精確確定；此時(shí)，1G0平臺(tái)對(duì)應(yīng)1880nm的位移。這樣確定的平臺(tái)長(zhǎng)度對(duì)于液態(tài)水平的無(wú)規(guī)振動(dòng)不敏感，因而比單個(gè)通道的測(cè)量更為精確（C）每個(gè)納米管通道與2個(gè)主平臺(tái)接觸，而其又有1個(gè)次級(jí)預(yù)臺(tái)階。這個(gè)通道解釋為一個(gè)納米管與第二個(gè)形成管束的結(jié)果。第二個(gè)納米管在第一個(gè)納米管之后與金屬接觸~200nm。通常觀察到具有非整數(shù)電導(dǎo)的較短平臺(tái)（從~10到50nm長(zhǎng)），這解釋為來(lái)源于納米管尖端。這種效應(yīng)以清晰的例子表現(xiàn)在（D）中[S.Frank,P.Poncharal,Z.L.Wang,andW.A.deHeer,Science280,1744(1998).]彈道傳導(dǎo)發(fā)生在導(dǎo)體長(zhǎng)度小于電子平均自由程，在傳導(dǎo)過(guò)程中沒(méi)有能量的消散，并且沒(méi)有彈性散射量子輸運(yùn)對(duì)電導(dǎo)的影響

—庫(kù)侖阻塞Coulombblockade

（A）STM針尖放置在吸附于Au-云母基體上（插圖）的單個(gè)團(tuán)簇上，83K時(shí)的庫(kù)侖階梯I-V曲線；電勢(shì)為針尖-基體之間的偏壓；雙隧道結(jié)等效回路給出電容Cupper=0.59aF和Clower=0.48aF（B）2:1甲苯:乙腈/0.05MHX4NClO4中0.1mM28kDa團(tuán)簇溶液的伏安曲線（CV?，100mV/s；DPV→，為電流峰，20mV/s，25mV脈沖，頂端、底部分別為負(fù)、正掃描），7.9×10?3cm2Pt電極，298K，Ag線贗參比電極[R.S.Ingram,M.J.Hostetler,R.W.Murray,T.G.Schaaff,J.T.Khoury,R.L.Whetten,T.P.Bigioni,D.K.Guthrie,andP.N.First,J.Am.Chem.Soc.119,9279(1997).]庫(kù)侖阻塞或庫(kù)侖荷電發(fā)生在接觸電阻大于所涉及的納米結(jié)構(gòu)的電阻、并且物體的總電容非常之小以至于添加一個(gè)電子都需要極大的荷電能量的狀況下量子輸運(yùn)對(duì)電導(dǎo)的影響

—隧道傳導(dǎo)Tunnelingconduction

當(dāng)脂肪酸單層厚度從C14變化到C23時(shí)，自組裝單層的隧穿電導(dǎo)隨分子長(zhǎng)度或膜厚度的變化關(guān)系，表明電導(dǎo)隨絕緣層厚度增加而呈冪次減小[H.Kuhn,J.Photochem.10,111(1979).]253035-18-17-16-15-14C16C18C20C22d/?Al/7Cn/AlLog/-1cm-1隧穿包括電荷從絕緣介質(zhì)中穿透輸運(yùn)，而這一絕緣介質(zhì)是介于2個(gè)非?？拷慕饘侔宀⑹蛊浞指簟＿@是由于當(dāng)絕緣層非常薄時(shí)，2個(gè)導(dǎo)體中的電子波函數(shù)在絕緣層材料內(nèi)部重疊所導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)對(duì)電導(dǎo)的影響雜環(huán)纖維的電導(dǎo)和直徑的關(guān)系[Z.Cai,J.Lei,W.Liang,V.Menon,andC.R.Martin,Chem.Mater.3,960(1991).]纖維直徑纖維電導(dǎo)率合成溫度納米纖維直徑越小，其中聚合物分子排列越好，導(dǎo)電性越高；合成溫度越低，聚合物分子排列越好第一節(jié)電接觸功能復(fù)合材料電接觸材料（包括Ag基電接觸材料、Cu基電接觸材料）是電工合金的關(guān)鍵功能材料，用于高、低壓開(kāi)關(guān)觸頭，其性能直接影響到發(fā)電裝備和輸變電裝備的技術(shù)水平。Ag基電觸頭普遍應(yīng)用于各種低壓電器，是低壓電器的核心元件，廣泛用于配電系統(tǒng)、家電、交通和控制機(jī)械設(shè)備中。應(yīng)用：在電氣、電子領(lǐng)域，電接觸材料主要用作電觸點(diǎn)、導(dǎo)電刷、集電環(huán)、換向片、整流片和接插件等，是電通斷環(huán)節(jié)中重要的功能性元件。采用電接觸元件的電機(jī)、電氣開(kāi)關(guān)、繼電器、接插件等作為基礎(chǔ)件在信息工程、家用電子電器、汽車(chē)工程等領(lǐng)域大量使用。這些電接觸元件的性能直接影響所應(yīng)用產(chǎn)品及整個(gè)系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、精度及使用壽命。性能要求：隨著各類(lèi)產(chǎn)品向高精度和微型化發(fā)展，對(duì)電接觸元件的性能提出了更高的要求：具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、小而穩(wěn)定的接觸電阻、高的化學(xué)穩(wěn)定性、耐磨性和抗電弧燒損能力。電接觸元件必須在電阻率、接觸電阻、密度、硬度、化學(xué)成分、抗熔焊性、抗腐蝕性、可焊性等方面可靠地滿足應(yīng)用的要求。（一）滑動(dòng)電接觸復(fù)合材料：性能要求：耐磨、耐電、抗粘接、化學(xué)穩(wěn)定性好、接觸電阻小等種類(lèi)：

傳統(tǒng)貴金屬：Pd（鈀）、Pt（鉑）、Ru（釕）、Ag（銀）、Au（金）、等

復(fù)合材料：（1）碳纖維增強(qiáng)Cu基復(fù)合材料優(yōu)點(diǎn)：接觸電阻小，導(dǎo)熱快可避免過(guò)熱現(xiàn)象；增加強(qiáng)度、過(guò)載電流；優(yōu)良的潤(rùn)滑性和耐磨性。實(shí)例：用于電車(chē)導(dǎo)電弓架的滑履（日本），早期采用金屬滑板，后改為碳滑板。（2）Ag基復(fù)合材料（含固體潤(rùn)滑劑）制備方法：粉末冶金法。其中潤(rùn)滑劑為MoS2、NbSe2、石墨。組成：典型產(chǎn)品Ag-12MoS2-3C、Ag-15NbSe2-3C、Ag-20C-5MoS2、Ag-50C（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）實(shí)例：用于宇宙飛船的真空條件下工作的長(zhǎng)壽命滑環(huán)和電刷材料。（二）開(kāi)關(guān)電接觸復(fù)合材料：Ag基復(fù)合材料為主優(yōu)點(diǎn)：利用Ag的導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、化學(xué)穩(wěn)定性好，添加耐磨、抗蝕、抗電弧侵蝕材料性能要求：滿足斷路器、開(kāi)關(guān)、繼電器中周期性切斷或接通電路的觸點(diǎn)要求組成：金屬氧化物改性的Ag基復(fù)合材料：如Ag-CdO（氧化鎘）、Ag-AlO、Ag-ZnO、Ag-NiO等；Ag-碳化物或難熔化合物；Ag-石墨等；Ag-碳纖維；Ag-SiC晶須；Ag-顆粒增強(qiáng)；等第二節(jié)導(dǎo)電復(fù)合材料主要是指復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料，是將聚合物與各種導(dǎo)電物質(zhì)通過(guò)一定的復(fù)合方式構(gòu)成。長(zhǎng)期以來(lái)，高分子材料通常是作為絕緣材料在電氣工業(yè)、安裝工程、通訊工程等方面廣泛使用。種類(lèi)：包括導(dǎo)電塑料、導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)電涂料、導(dǎo)電纖維和導(dǎo)電膠粘劑等成型加工方法：表面導(dǎo)電膜形成法可以用導(dǎo)電涂料蒸鍍金屬或金屬氧化物膜，也可以采用金屬熱噴涂、濕法鍍層等形成表面導(dǎo)電膜。例如，聚酯薄膜上蒸鍍金、鉑或氧化銦等制成透明的導(dǎo)電性薄膜。導(dǎo)電填料分散法是目前生產(chǎn)導(dǎo)電高分子材料的主要方法，可用于制造各種導(dǎo)電高分子材料。導(dǎo)電材料過(guò)去常用碳黑，現(xiàn)在多采用碳纖維、石墨纖維、金屬粉、金屬纖維及碎片、鍍金屬的玻璃纖維及其他各種新型導(dǎo)電材料。導(dǎo)電材料層積復(fù)合法是將碳纖維氈、金屬絲、片、帶等導(dǎo)電層與塑料基體層疊壓在一起制成的導(dǎo)電塑料。采用的金屬絲、片、帶主要有鋼、鋁、銅和不銹鋼。復(fù)合導(dǎo)電塑料采用的基體樹(shù)脂范圍相當(dāng)廣泛，常用的有：ABS、PE、EVA、PA、PC、PP、PET、POM，以及改性的PPO、PBT、PVC，摻和物PC/ABS等。應(yīng)用：復(fù)合性導(dǎo)電高分子材料的應(yīng)用日趨廣泛，在電子、電氣、石油化工、機(jī)械、照相、軍火工業(yè)等領(lǐng)域，用于包裝、保溫、密封、集成電路材料等。

（一）防止靜電（靜電損耗復(fù)合材料）普通高分子材料在加工和使用過(guò)程中，靜電現(xiàn)象十分嚴(yán)重，在某些情況下，不但會(huì)影響材料的使用性能，甚至還會(huì)造成危害，如降低感光膠片的使用性能；塑料包裝材料的靜電吸塵，降低了商品價(jià)值；易燃、易爆環(huán)境使用的各種塑料制品和電子產(chǎn)品，由于靜電引起的火花爆炸及燃燒。所有這些都應(yīng)該采用導(dǎo)電復(fù)合、材料，以提高材料的靜電能力。（二）新型屏蔽材料

（電磁屏蔽）所謂對(duì)電磁波的屏蔽作用是指限制電磁波的能量由材料的一面向另一面?zhèn)鬟f，使用磁場(chǎng)強(qiáng)度或輻射強(qiáng)度降低，其屏蔽效果用電磁波衰減的分貝值dB表示，每衰減10dB，表示電磁波強(qiáng)度下降一個(gè)數(shù)量級(jí)。目前在塑料中填加金屬箔片和金屬纖維，是制造電磁波屏蔽用導(dǎo)電塑料的主要方法。由于電子、通訊、信息技術(shù)的迅速發(fā)展，無(wú)限電射頻干擾（信號(hào)干擾）不可避免，對(duì)屏蔽和隱身材料提出了更高的要求。鐵氧體具有吸收電磁波的特性，但其加工工藝限制了它的應(yīng)用，如果把鐵氧體粉末與樹(shù)脂復(fù)合物則可用熱壓方法制成各種形狀的屏蔽零件或用涂敷的方法制成表面吸收涂層以滿足需要。電腦機(jī)箱屏蔽工控產(chǎn)品-電磁屏蔽漆第三節(jié)壓電復(fù)合材料是由兩種或多種材料復(fù)合而成的壓電材料。常見(jiàn)的壓電復(fù)合材料為壓電陶瓷和聚合物（例如聚偏氟乙烯活環(huán)氧樹(shù)脂）的兩相復(fù)合材料。優(yōu)點(diǎn)：特點(diǎn)：具有應(yīng)力—電壓轉(zhuǎn)換能力的材料。兼具壓電陶瓷和聚合物的長(zhǎng)處，具有很好的柔韌性和加工性能，并具有較低的密度、容易和空氣、水、生物組織實(shí)現(xiàn)聲阻抗匹配，壓電常數(shù)高。應(yīng)用：可實(shí)現(xiàn)電-聲換能、激振、濾波，在醫(yī)療、傳感、測(cè)量等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用（1）橫向振動(dòng)很弱，串?dāng)_聲壓?。唬?）機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Q值低：（3）帶寬大（80%～100%）；（4）機(jī)電耦合系數(shù)值大；（5）靈敏度高，信噪比優(yōu)于普通PZT探頭；（6）在較大溫度范圍內(nèi)特性穩(wěn)定；（7）可加工形狀復(fù)雜的探頭，僅需簡(jiǎn)易的切塊和充填技術(shù)；（8）聲速、聲阻抗、相對(duì)絕緣常數(shù)及機(jī)電系數(shù)易于改變；（9）易與聲阻抗不同的材料匹配（從水到鋼）；（10）可通過(guò)陶瓷體積率的變化，調(diào)節(jié)超聲波靈敏度。壓電效應(yīng)（Piezoelectriceffect）：某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為正壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生變形，電場(chǎng)去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)，或稱(chēng)為電致伸縮現(xiàn)象。依據(jù)電介質(zhì)壓電效應(yīng)研制的一類(lèi)傳感器稱(chēng)為壓電傳感器。壓電效應(yīng)僅存在于無(wú)對(duì)稱(chēng)中心的晶體中電致伸縮效應(yīng)對(duì)所有的電介質(zhì)均存在，不論是非晶體物質(zhì)，還是晶體物質(zhì)，不論是中心對(duì)稱(chēng)性的晶體，還是極性晶體常用的壓電陶瓷由鋯鈦酸鉛（PZT）材料做成的。將PZT材料做成的壓電陶瓷片粘在圓形黃銅片上就構(gòu)成了壓電陶瓷元件。它具有明顯的壓電效應(yīng)。幾種典型壓電陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)環(huán)氧樹(shù)脂壓電復(fù)合材料（1-3）壓電復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體要求：低密度、低聲阻抗、高柔性、高壓電性；具有兩相各自有點(diǎn)的“最佳性能”設(shè)計(jì)概念：

“連通性”—

有10種基本“連通方式”即A-B其中A：壓電相（03維數(shù)形態(tài)）；B：非壓電相（03維數(shù)形態(tài)）典型壓電材料（相）：1、壓電晶體水晶（α-石英quartz）是一種有名的壓電晶體，還有閃鋅礦（zincblende）、鈉氯酸鹽（sodiumchlorate）、電氣石（tourmaline）、酒石酸（tartaricacid）、蔗糖（canesuger）、方硼石（boracite）、異極礦（calamine）、黃晶（topaz）及若歇爾鹽（Rochellesalt）。壓電晶體具有各向異性（anisotropic）結(jié)構(gòu)，各向同性（isotropic）材料是不會(huì)產(chǎn)生壓電性

水晶可以制作壓電石英薄片，其面積不過(guò)數(shù)平方毫米，厚度只有零點(diǎn)幾毫米。它在無(wú)線電技術(shù)中卻發(fā)揮著巨大作用，在交變電場(chǎng)中，這種薄片的振動(dòng)頻率絲毫不變，這種穩(wěn)定不變的振動(dòng)正是無(wú)線電技術(shù)中控制頻率所必須的彩色電視機(jī)等許多電器設(shè)備中都有用壓電晶片制作的濾波器，保證了圖像和聲音的清晰度石英電子表中有一個(gè)核心部件叫石英振子，這個(gè)關(guān)鍵部件保證了石英表比其他機(jī)械表更高的走時(shí)準(zhǔn)確度壓電石英晶體材料利用壓電晶體甚至可以測(cè)量管道中流體的壓力、大炮炮筒在發(fā)射炮彈時(shí)承受的壓力以及炸彈爆炸時(shí)的瞬時(shí)壓力等廣泛應(yīng)用于聲音的再現(xiàn)、記錄和傳送。安裝在麥克風(fēng)上的壓電晶片會(huì)把聲音的振動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鞯淖兓?。聲波一碰到壓電薄片，就?huì)使薄片兩端電極上產(chǎn)生電荷，其大小和符號(hào)隨著聲音的變化而變化2、壓電高分子木材纖維素、腱膠原和各種聚氨基酸都是常見(jiàn)的高分子壓電性材料，但是其壓電率太低，而沒(méi)有使用價(jià)值。在有機(jī)高分子材料中，聚偏氟乙烯（含有較大偶極矩的C-F鍵）等類(lèi)化合物具有較強(qiáng)的壓電性質(zhì)。壓電率的大小取決于分子中含有的偶極子的排列方向是否一致。例子：超聲波診斷儀探頭、聲納、耳機(jī)、麥克風(fēng)、電話、血壓計(jì)等裝置中的換能部件。將兩枚壓電薄膜貼合在一起，分別施加相反的電壓，薄膜將發(fā)生彎曲而構(gòu)成位移控制元件。利用這一原理可以制成光學(xué)纖維對(duì)準(zhǔn)器件、自動(dòng)開(kāi)閉的簾幕、唱機(jī)和錄像機(jī)的對(duì)準(zhǔn)件。其它含強(qiáng)極性鍵的聚合物也表現(xiàn)出壓電特性，如亞乙烯基二氰與乙酸乙烯酯、異丁烯、甲基丙烯酸甲酯、苯甲酸乙烯酯等的共聚物，均表現(xiàn)出較強(qiáng)的壓電特性。而且高溫穩(wěn)定性較好。例子：主要作為換能材料使用，如音響元件和控制位移元件的制備。3、壓電陶瓷一種經(jīng)過(guò)極化處理的、具有壓電效應(yīng)的鐵電陶瓷。它是在1946年當(dāng)有人證實(shí)了鈦酸鋇陶瓷有鐵電性之后開(kāi)始問(wèn)世的：差不多十年之后，賈菲（Jaffe）等又發(fā)現(xiàn)了PbTi03-PbZrO2系（即所謂PZT系）及后來(lái)又發(fā)現(xiàn)的mPZT為基的三元系壓電陶瓷和鈮酸鹽系壓電陶瓷。使壓電陶瓷的性能和可應(yīng)用性有了極大的提高。例如：利用壓電陶瓷外力-電能轉(zhuǎn)換特性，可以制造出壓電點(diǎn)火器、移動(dòng)X光電源、炮彈引爆裝置利用壓電陶瓷的電能-超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換，用來(lái)探尋水下魚(yú)群的位置和形狀，對(duì)金屬進(jìn)行無(wú)損探傷，以及超聲清洗、超聲醫(yī)療，還可以做成各種超聲切割器、焊接裝置及烙鐵，對(duì)塑料甚至金屬進(jìn)行加工。陶瓷濾波器和陶瓷鑒頻器，電聲換能器，水聲換能器，聲表的波器件，電光器件，紅外探測(cè)器件和壓電陀螺等，都是壓電陶瓷在現(xiàn)代電子技術(shù)中的應(yīng)用。壓電陶瓷對(duì)外力的敏感使它甚至可以感應(yīng)到十幾米外飛蟲(chóng)拍打翅膀?qū)諝獾臄_動(dòng)，并將極其微弱的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)?？蓱?yīng)用于聲納系統(tǒng)、氣象探測(cè)、遙測(cè)環(huán)境保護(hù)、家用電器等方面。在航天領(lǐng)域，壓電陶瓷制作的壓電陀螺，是在太空中飛行的航天器、人造衛(wèi)星的“舵”。依靠“舵”，航天器和人造衛(wèi)星，才能保證其既定的方位和航線。傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺，壽命短，精度差，靈敏度也低，不能很好滿足航天器和衛(wèi)星系統(tǒng)的要求。而小巧玲瓏的壓電陀螺靈敏度高，可靠性好。發(fā)展中的壓電陶瓷材料1、細(xì)晶粒壓電陶瓷

以往的壓電陶瓷是由幾微米至幾十微米的多疇晶粒組成的多晶材料，尺寸已不能滿足需要了。減小粒徑至亞微米級(jí)，可以改進(jìn)材料的加工性，可將基片做地更薄，可提高陣列頻率，降低換能器陣列的損耗，提高器件的機(jī)械強(qiáng)度，減小多層器件每層的厚度，從而降低驅(qū)動(dòng)電壓，這對(duì)提高疊層變壓器、制動(dòng)器都是有益的。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，細(xì)晶粒壓電陶瓷材料的研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)仍是近期的熱點(diǎn)

2、PbTiO3系壓電材料

PbTiO3系壓電陶瓷具最適合制作高頻高溫壓電陶瓷元件。雖然存在燒成難、極化難、制作大尺寸產(chǎn)品難的問(wèn)題，人們還是在改性方面作了大量工作，改善其燒結(jié)性、抑制晶粒長(zhǎng)大，從而得到各個(gè)晶粒細(xì)小、各向異性的改性PbTiO3材料。前該材料的發(fā)展和應(yīng)用開(kāi)發(fā)仍是許多壓電陶瓷工作者關(guān)心的課題。

3、壓電陶瓷-高聚物復(fù)合材料

無(wú)機(jī)壓電陶瓷和有機(jī)高分子樹(shù)脂構(gòu)成的壓電復(fù)合材料，兼?zhèn)錈o(wú)機(jī)和有機(jī)壓電材料的性能，并能產(chǎn)生兩相都沒(méi)有的特性。可以根據(jù)需要，綜合二相材料的優(yōu)點(diǎn)，制作良好性能的換能器和傳感器。它的接收靈敏度很高，比普通壓電陶瓷更適合于水聲換能器。在其它超聲波換能器和傳感器方面，壓電復(fù)合材料也有較大優(yōu)勢(shì)。4、壓電性特異的多元單晶壓電體傳統(tǒng)的壓電陶瓷較其它類(lèi)型的壓電材料壓電效應(yīng)要強(qiáng)，從而得到了廣泛應(yīng)用。但作為大應(yīng)邊，高能換能材料，傳統(tǒng)壓電陶瓷的壓電效應(yīng)仍不能滿足要求。近幾年來(lái)，人們?yōu)榱搜芯砍鼍哂懈鼉?yōu)異壓電性的新壓電材料，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)并研制出了Pb(A1/3B2/3)PbTiO3單晶（A=Zn2+,Mg2+）。這類(lèi)單晶的d33最高可達(dá)2600pc/N(壓電陶瓷d33最大為850pc/N)，k33可高達(dá)0.95（壓電陶瓷k33最高達(dá)0.8），其應(yīng)變>1.7%，幾乎比壓電陶瓷應(yīng)變高一個(gè)數(shù)量級(jí)。儲(chǔ)能密度高達(dá)130J/kg，而壓電陶瓷儲(chǔ)能密度在10J/kg以內(nèi)。這類(lèi)材料的出現(xiàn)是壓電材料發(fā)展的又一次飛躍?，F(xiàn)在美國(guó)、日本、俄羅斯和中國(guó)已開(kāi)始進(jìn)行這類(lèi)材料的生產(chǎn)工藝研究，它的批量生產(chǎn)的成功必將帶來(lái)壓電材料應(yīng)用的飛速發(fā)展。壓電材料應(yīng)用領(lǐng)域：分為兩大類(lèi)：即振動(dòng)能、超聲振動(dòng)能—電能換能器應(yīng)用，包括電聲換能器、水聲換能器和超聲換能器等，以及其它傳感器和驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用。1、換能器：換能器是將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)或在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)的器件聲納換能器原理圖聲電換能器水聲換能器元件超聲波換能器正壓電效用于制造大多數(shù)壓電傳感器；逆壓電效應(yīng)制造的變送器可用于電聲和超聲工程2、壓電驅(qū)動(dòng)器：利用逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能或機(jī)械運(yùn)動(dòng)。聚合物驅(qū)動(dòng)器主要以聚合物雙晶片作為基礎(chǔ)，包括利用橫向效應(yīng)和縱向效應(yīng)兩種方式，基于聚合物雙晶片開(kāi)展的驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用研究包括顯示器件控制、微位移產(chǎn)生系統(tǒng)等。美國(guó)軍方利用輻照改性共聚物的優(yōu)異特性，研制全高分子材料水聲發(fā)射裝置；除此之外，研究開(kāi)發(fā)其在醫(yī)學(xué)超聲、減振降噪等領(lǐng)域應(yīng)用。最高集成度的壓電式觸覺(jué)驅(qū)動(dòng)器壓電致動(dòng)器

頂端可替換式壓電驅(qū)動(dòng)器（1）壓力傳感器優(yōu)點(diǎn)：具有自生信號(hào)，輸出信號(hào)大，較高的頻率響應(yīng)，體積小，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固。缺點(diǎn)：只能用于動(dòng)能測(cè)量。需要特殊電纜，在受到突然振動(dòng)或過(guò)大壓力時(shí)，自我恢復(fù)較慢。3、壓電式傳感器：利用壓電材料受力后產(chǎn)生的壓電效應(yīng)制成的傳感器風(fēng)速傳感器高溫壓力傳感器油壓傳感器脈搏傳感器（2）加速度傳感器：當(dāng)傳感器受振動(dòng)力作用時(shí)，就有一正比于加速度的應(yīng)變力作用在壓電晶片上，在它的兩個(gè)表面上就產(chǎn)生交變電荷（電壓），輸出電壓與作用力成正比，亦即與試件的加速度成正比，輸入到前置放大器后就可以用測(cè)試出試件的加速度；如果在放大器中加進(jìn)適當(dāng)?shù)姆e分電路，就可以測(cè)試試件的振動(dòng)速度或位移。振動(dòng)加速度傳感器假人身上的加速度傳感器壓電特性的陶瓷屬于鐵電材料傳感器用壓電陶瓷復(fù)合材料壓電發(fā)電原理壓電敏感元件的5種基本受力變形形式：

厚度變形型、長(zhǎng)度變形型、體積變形型、厚度切變型、平面切變型例如：石英晶體沒(méi)有體積變形壓電效應(yīng)，但具有良好的厚度變形和長(zhǎng)度變形壓電效應(yīng)。打火器第四節(jié)超導(dǎo)材料具有在一定的低溫條件下呈現(xiàn)出電阻等于零，以及排斥磁力線的性質(zhì)的材料?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)有28種元素和幾千種合金和化合物可以成為超導(dǎo)體。（一）超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)1908年，荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯首次成功地把稱(chēng)為“永久氣體”的氦液化，因而獲得4.2K的低溫源，為超導(dǎo)準(zhǔn)備了條件。三年后即1911年，在測(cè)試純金屬電阻率的低溫特性時(shí)，他又發(fā)現(xiàn)，汞的直流電阻在4.2K時(shí)突然消失，多次精密測(cè)量表明，汞柱兩端壓降為零，他認(rèn)為這時(shí)汞進(jìn)入了一種以零阻值為特征的新物態(tài)，并稱(chēng)為“超導(dǎo)態(tài)”。昂內(nèi)斯在1911年12月28日宣布了這一發(fā)現(xiàn)。但此時(shí)他還沒(méi)有看出這一現(xiàn)象的普遍意義，僅僅當(dāng)成是有關(guān)水銀的特殊現(xiàn)象。H.Kamerlingh-Onnes

H.開(kāi)默林－昂內(nèi)斯（1853—1926）超導(dǎo)研究獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)情況1913年，H.K.昂內(nèi)斯（荷蘭）在低溫下研究物質(zhì)的性質(zhì)并制成液態(tài)氦。1972年，J.巴丁（美）、L.N.庫(kù)珀（美）、J.R.斯萊弗（美）提出所謂BCS理論的超導(dǎo)性理論。1973年，B.D.約瑟夫森（英）關(guān)于固體中隧道現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，從理論上預(yù)言了超導(dǎo)電流能夠通過(guò)隧道阻擋層（約瑟夫森效應(yīng)）。1987年，J.G.柏諾茲（美）、K.A.穆勒（美）發(fā)現(xiàn)新的超導(dǎo)材料。超導(dǎo)相關(guān)概念臨界溫度：外磁場(chǎng)為零時(shí)，超導(dǎo)材料由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)(或相反)的溫度，以Tc表示。Tc值因材料不同而異。已測(cè)得超導(dǎo)材料的最低Tc是鎢（W），為0.012K。到1987年，臨界溫度最高值已提高到100K左右。臨界磁場(chǎng)：使超導(dǎo)材料的超導(dǎo)態(tài)破壞而轉(zhuǎn)變到正常態(tài)所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度，以Hc表示。Hc與溫度T的關(guān)系為Hc=H0[1-(T/Tc)2]，式中H0為0K時(shí)的臨界磁場(chǎng)。臨界電流和臨界電流密度：通過(guò)超導(dǎo)材料的電流達(dá)到一定數(shù)值時(shí)也會(huì)使超導(dǎo)態(tài)破壞而轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，以Ic表示。

Ic一般隨溫度和外磁場(chǎng)的增加而減少。單位截面積所承載的Ic稱(chēng)為臨界電流密度，以Jc表示。超導(dǎo)材料的這些參量限定了應(yīng)用材料的條件，因而尋找高參量的新型超導(dǎo)材料成了人們研究的重要課題。（二）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(cè)量超導(dǎo)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，來(lái)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(shí)間不短于10萬(wàn)年。1933年，德國(guó)物理學(xué)家沃爾特-邁斯納（Meissner）和羅伯特-奧克森費(fèi)爾德發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的抗磁性，成為了超導(dǎo)研究的里程碑。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)強(qiáng)度B始終為零，稱(chēng)為邁斯納效應(yīng)導(dǎo)線和附近的磁鐵會(huì)發(fā)生力的作用。但是在超導(dǎo)體內(nèi)，感應(yīng)電流對(duì)磁場(chǎng)的反作用會(huì)使磁力線不能穿過(guò)它的體內(nèi)，這使磁體被排斥，超導(dǎo)體的內(nèi)部磁場(chǎng)始終為零。這就是邁斯納效應(yīng)，或稱(chēng)理想抗磁性。邁斯納效應(yīng)W.邁斯納超導(dǎo)體一旦進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，體內(nèi)的磁通量將全部被排出體外，磁感應(yīng)強(qiáng)度恒為零，且不論對(duì)導(dǎo)體是先降溫后加磁場(chǎng)，還是先加磁場(chǎng)后降溫，只要進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，超導(dǎo)體就把全部磁通量排出體外。NNS降溫降溫加場(chǎng)加場(chǎng)S注：S—超導(dǎo)態(tài)；N—正常態(tài)邁斯納效應(yīng)觀察邁納斯效應(yīng)的磁懸浮試驗(yàn)在一個(gè)淺平的錫盤(pán)中，放入一個(gè)體積很小磁性很強(qiáng)的永久磁體，然后把溫度降低，使錫出現(xiàn)超導(dǎo)性。這時(shí)可以看到，小磁鐵竟然離開(kāi)錫盤(pán)表面，飄然升起，與錫盤(pán)保持一定距離后，便懸空不動(dòng)了。這是由于超導(dǎo)體的完全抗磁性，使小磁鐵的磁力線無(wú)法穿透超導(dǎo)體，磁場(chǎng)發(fā)生畸變，便產(chǎn)生了一個(gè)向上的浮力。進(jìn)一步的研究表明：處于超導(dǎo)態(tài)的物體，外加磁場(chǎng)之所以無(wú)法穿透它的內(nèi)部，是因?yàn)樵诔瑢?dǎo)體的表面感生一個(gè)無(wú)損耗的抗磁超導(dǎo)電流，這一電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，恰巧抵消了超導(dǎo)體內(nèi)部的磁場(chǎng)。這一發(fā)現(xiàn)非常有意義，在此之后，人們用邁斯納效應(yīng)來(lái)判別物質(zhì)是否具有超導(dǎo)性。邁斯納效應(yīng)和零電阻毫無(wú)關(guān)系？

目前最不可思議的是邁斯納效應(yīng)和零電阻竟然毫無(wú)關(guān)系！在電磁學(xué)里，我們知道，電和磁之間關(guān)系服從法拉第電磁感應(yīng)定律，然而，在超導(dǎo)電性中，零電阻無(wú)法解釋邁斯納效應(yīng)，同樣，邁斯納效應(yīng)無(wú)法解釋零電阻現(xiàn)象。

最關(guān)鍵的問(wèn)題是，在電磁感應(yīng)定律中，變化的磁場(chǎng)感應(yīng)電流。然而，在超導(dǎo)態(tài)時(shí)，穩(wěn)定磁場(chǎng)卻感應(yīng)出超導(dǎo)渦漩電流。特性三：臨界溫度（Tc）、臨界磁場(chǎng)（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(guò)臨界溫度時(shí)，超導(dǎo)態(tài)就消失；同時(shí)，當(dāng)超過(guò)臨界電流或者臨界磁場(chǎng)時(shí)，超導(dǎo)態(tài)也會(huì)消失，三者具有明顯的相關(guān)性。只有當(dāng)上述三個(gè)條件均滿足超導(dǎo)材料本身的臨界值時(shí)，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)）。

逐漸增大磁場(chǎng)到達(dá)一定值后，超導(dǎo)體會(huì)從超導(dǎo)態(tài)變?yōu)檎B(tài)，把破壞超導(dǎo)電性所需的最小磁場(chǎng)稱(chēng)為臨界磁場(chǎng)，記為Hc。有經(jīng)驗(yàn)公式：

Hc(T)=Hc(0)(1-T2/Tc2)正常態(tài)HHc(0)TcT臨界磁場(chǎng)超導(dǎo)態(tài)臨界電流

超導(dǎo)體無(wú)阻載流的能力也是有限的，當(dāng)通過(guò)超導(dǎo)體中的電流達(dá)到某一特定值時(shí)，又會(huì)重新出現(xiàn)電阻，使其產(chǎn)生這一相變的電流稱(chēng)為臨界電流，記為Ic。

目前，常用電場(chǎng)描述Ic(V)，即當(dāng)每厘米樣品長(zhǎng)度上出現(xiàn)電壓為1V時(shí)所輸送的電流。Ic(V)IV失超特性四：約瑟夫森（BDJosephson）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(shì)壘）經(jīng)典力學(xué)中，若兩個(gè)區(qū)域被一個(gè)勢(shì)壘隔開(kāi)，則只有粒子具有足夠的能量時(shí)，其才會(huì)從一個(gè)區(qū)域進(jìn)入另一個(gè)區(qū)域。量子力學(xué)中，粒子具有足夠的能力不再是一個(gè)必要條件，一個(gè)能量不太高的粒子也可能會(huì)以一定的概率“穿過(guò)”勢(shì)壘，即所謂的“隧道效應(yīng)”。（約瑟夫森預(yù)言被后人證實(shí)）例如：原子量為199.55的汞同位素，它的Tc是4.18K，而原子量為203.4的汞同位素，Tc為4.146K。特性四：同位素效應(yīng)即超導(dǎo)體的臨界溫度Tc與其同位素質(zhì)量M有關(guān)，M越大，則Tc越低。（三）超導(dǎo)體的種類(lèi)按照邁斯納（Meissner）效應(yīng)分類(lèi)：第一類(lèi)超導(dǎo)體第二類(lèi)超導(dǎo)體第一類(lèi)超導(dǎo)體（軟超導(dǎo)體）當(dāng)H<HC時(shí)，B＝0（B為磁感應(yīng)強(qiáng)度）當(dāng)H>HC時(shí)，B＝μH第一類(lèi)超導(dǎo)體只有一個(gè)臨界磁場(chǎng)，即HC只有一個(gè)特征值。除釩（V）、鈮（Nb）、釕（Ru）外，元素超導(dǎo)體都是第一類(lèi)超導(dǎo)體。第二類(lèi)超導(dǎo)體：有兩個(gè)臨界磁場(chǎng)T<Tc、H<Hc1時(shí)，處于超導(dǎo)態(tài)；H>Hc2時(shí)，處于正常態(tài)；Hc1(T)<H<Hc2(T)時(shí)，處于一種混合態(tài)，此態(tài)中具有零電阻特性，但不具備完全抗磁性。綠色的即為第一類(lèi)超導(dǎo)體（超導(dǎo)元素）（四）超導(dǎo)現(xiàn)象和材料的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展

1911年，開(kāi)默林－昂內(nèi)斯意外地發(fā)現(xiàn)，將汞冷卻到零下268.98℃時(shí)，汞的電阻突然消失；后來(lái)他發(fā)現(xiàn)許多金屬和合金都具有與上述汞相類(lèi)似的低溫下失去電阻的特性。

1913年，開(kāi)默林－昂內(nèi)斯在諾貝爾領(lǐng)獎(jiǎng)演說(shuō)中指出：低溫下金屬電阻的消失“不是逐漸的，而是突然的”，汞在4.2K進(jìn)入了一種新?tīng)顟B(tài)，由于它的特殊導(dǎo)電性能，可以稱(chēng)之為“超導(dǎo)態(tài)”。高溫超導(dǎo)體

1986年1月，在美國(guó)國(guó)際商用機(jī)器公司設(shè)在瑞士蘇黎世實(shí)驗(yàn)室中工作的科學(xué)家柏諾茲和繆勒，首先發(fā)現(xiàn)鋇鑭銅氧化物（Ba-La-Cu-O）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。

1987年1月初，日本川崎國(guó)立分子研究所將超導(dǎo)溫度提高到43K；不久日本綜合電子研究所又將超導(dǎo)溫度提高到46K和53K。中國(guó)科學(xué)院物理研究所由趙忠賢、陳立泉領(lǐng)導(dǎo)的研究組，獲得了48.6K的鍶鑭銅氧（Sr-La-Cu-O）系超導(dǎo)體，并看到這類(lèi)物質(zhì)有在70K發(fā)生轉(zhuǎn)變的跡象。1987年初，美籍華人科學(xué)家朱經(jīng)武教授和他的學(xué)生吳茂琨發(fā)現(xiàn)了另外一種材料；釔鋇銅氧化物（Y-Ba-Cu-O），使超導(dǎo)記錄提高到了93K。在這個(gè)溫度區(qū)上，超導(dǎo)體可以用廉價(jià)而豐富的液氮（63~82K）來(lái)冷卻。

1998年7月，北京有研總院與其他單位共同研制成功中國(guó)第一根1米長(zhǎng)1000安培鉍系（Bi）高溫超導(dǎo)直流輸電模型電纜。這項(xiàng)成果被兩院院士列為當(dāng)年中國(guó)十大科技進(jìn)展。此次研制成功的高溫超導(dǎo)帶材長(zhǎng)116米，寬3.6毫米，厚為0.28毫米，以螺旋管方式纏繞，用四引線法全長(zhǎng)度測(cè)量，77Ｋ液氮溫度（零下169攝氏度）自場(chǎng)下臨界電流達(dá)12.7安培，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)領(lǐng)先水平。高溫超導(dǎo)體與常規(guī)超導(dǎo)體的區(qū)別

V.J.Emery,S.A.Kivelson,Nature374,434(1995)常規(guī)超導(dǎo)體Tc以上Tc以下高溫超導(dǎo)體T*以上Tc以上Tc以下未來(lái)超導(dǎo)材料的發(fā)展目前，第一代超導(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(釔鉍銅氧)和包含釹的NBCO(釹鉍銅氧)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。日本和美國(guó)都在積極研究開(kāi)發(fā)新二代超導(dǎo)線材，2005年前后開(kāi)發(fā)成功，并取代鉍系列超導(dǎo)線材而應(yīng)用在機(jī)器設(shè)備上。釔系列超導(dǎo)材料的制造技術(shù)已經(jīng)基本確立起來(lái)，正在開(kāi)發(fā)的有蓄電裝置和磁分離裝置等。目前，兩種最有前途的超導(dǎo)電子元件：其一是超導(dǎo)量子干涉元件，其二是單一磁通量子元件。前者由于能夠測(cè)量極其微弱的磁性，因而可被應(yīng)用到醫(yī)學(xué)和材料的非接觸探傷等方面；后者具有運(yùn)算速度快、消耗電力少等優(yōu)異性能，有望被用作新的信息處理元件，但關(guān)鍵是要大幅度提高這種元件的集成度。

C60超導(dǎo)體有較大的發(fā)展?jié)摿?，由于它彈性較大，比質(zhì)地脆硬的氧化物陶瓷易于加工成型，而且它的臨界電流、臨界磁場(chǎng)和相干長(zhǎng)度均較大，這些特點(diǎn)使C60超導(dǎo)體更有望實(shí)用化。C60被譽(yù)為21世紀(jì)新材料的”明星”，這種材料已展現(xiàn)了機(jī)械、光、電、磁、化學(xué)等多方面的新奇特性和應(yīng)用前景。有人預(yù)言巨型C240、C540合成如能實(shí)現(xiàn)，還可能成為室溫超導(dǎo)體。（五）超導(dǎo)理論簡(jiǎn)介

超導(dǎo)體由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)的溫度稱(chēng)臨界溫度Tc。對(duì)于超導(dǎo)體，只有當(dāng)外加磁場(chǎng)小于某一量值時(shí)，才能保持超導(dǎo)電性，否則超導(dǎo)態(tài)即被破壞，而轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，這一磁場(chǎng)稱(chēng)為臨界磁場(chǎng)Hc。同樣，超導(dǎo)體還存在一臨界電流Ic。臨界磁場(chǎng)與溫度的關(guān)系為：其中H0為在0K時(shí)超導(dǎo)體的臨界磁場(chǎng)強(qiáng)幾種超導(dǎo)理論1．二流體唯象模型1934年，高特、卡西米爾（荷蘭）正常態(tài)與超導(dǎo)態(tài)之間的轉(zhuǎn)變?cè)跓崃W(xué)上是可逆的，正如液態(tài)-氣態(tài)之間的轉(zhuǎn)變是可逆的一樣。在有限溫度下，當(dāng)磁場(chǎng)使得正常相與超導(dǎo)相的自由能F=U-TS相等時(shí)，兩相處于平衡。2．倫敦方程1935年，弗里茲·倫敦、海因茲·倫敦（德）倫敦穿透深度L:B(x)=B(0)exp(-x/L)3．皮帕德非局域理論1950年，皮帕德（英）相干長(zhǎng)度（coherencelength）：在隨空間變化的磁場(chǎng)中，超導(dǎo)電子濃度在這個(gè)距離內(nèi)不能有顯著的變化。相干長(zhǎng)度

和實(shí)際穿透深度

依賴(lài)于正常態(tài)下測(cè)定的電子平均自由程l，存在關(guān)系式：/=L/l臟超導(dǎo)體極限（dirtysuperconductor，超導(dǎo)體非常不純）4．郎道－金茲堡（Landau－Ginzburg）方程與倫敦方程類(lèi)似，都屬熱力學(xué)唯象方程。1950年維塔利·金茲堡同朗道在朗道二級(jí)相變理論的基礎(chǔ)上提出的一個(gè)描述超導(dǎo)現(xiàn)象的唯象數(shù)學(xué)模型。在朗道二級(jí)相變理論的基礎(chǔ)上，金茲堡和朗道認(rèn)為在臨界相變點(diǎn)附近，超導(dǎo)體的自由能F可以按屬于復(fù)數(shù)的序參量ψ展開(kāi)，讓自由能取極小值，即得金茲堡-朗道方程。1957年蘇聯(lián)物理學(xué)家阿列克謝·阿布里科索夫基于這個(gè)模型對(duì)II型超導(dǎo)體的特性做出了理論上的解釋。為了表彰這個(gè)模型在超導(dǎo)理論研究中的突出貢獻(xiàn)，2003年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了金茲堡、阿布里科索夫以及安東尼·萊格特（以表彰其對(duì)超流理論的貢獻(xiàn)）。5．超導(dǎo)電性BCS理論超導(dǎo)電性量子理論基礎(chǔ)由巴丁（Bardeen）、庫(kù)柏（Cooper）、施瑞弗（Schrieffer）在1956年的經(jīng)典性文章中提出，具有廣泛的應(yīng)用。1972年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

約翰·巴丁里昂·庫(kù)柏羅伯特·施瑞弗BCS理論的三個(gè)觀點(diǎn)：1.在一定溫度下，金屬中參與導(dǎo)電的電子結(jié)成庫(kù)珀對(duì)，這是一個(gè)相變過(guò)程；2.庫(kù)珀對(duì)電子凝聚在費(fèi)密面附近；3.費(fèi)密面以上將出現(xiàn)一個(gè)寬度為Δ的能隙。BCS對(duì)超導(dǎo)現(xiàn)象的解釋?zhuān)?/p>

在低溫下，電子之間依靠與超導(dǎo)物晶格的相互作用，產(chǎn)生相互吸引力。兩電子依靠此吸引力，結(jié)合成一體系，稱(chēng)為庫(kù)伯對(duì)。庫(kù)伯對(duì)中兩個(gè)電子的自旋相反，動(dòng)量相反。由于庫(kù)伯對(duì)中電子自旋相反，庫(kù)伯對(duì)的自旋為零。超導(dǎo)體中的庫(kù)伯對(duì)，可以看作在超導(dǎo)體內(nèi)的超流體，由玻色-愛(ài)因斯坦凝聚解釋。1986年高溫超導(dǎo)現(xiàn)象和材料的發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)了BCS理論無(wú)法解釋的事實(shí)。

新材料的能隙值與BCS理論值有較大差異，在Y-Ba-Cu-O系和Eu(銪)-Ba-Cu-O系材料中以代替，幾乎未觀察到同位素效應(yīng)等。

一般認(rèn)為BCS理論只適用于低溫超導(dǎo)現(xiàn)象，對(duì)于高溫超導(dǎo)現(xiàn)象，目前尚無(wú)成熟的理論。（六）超導(dǎo)研究動(dòng)態(tài) 1．進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)變溫度TC

，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)MgB2

40K（日本）C60/CHBr3

117KAgxPb6CO9+β

340K(待定)(克羅地亞)R-T圖

2.建立高溫超導(dǎo)的微觀機(jī)制和統(tǒng)一的超導(dǎo)微觀機(jī)制成對(duì)機(jī)制尋找單一的吸引機(jī)制可能是混合的吸引機(jī)制

F-M理論（非成對(duì)機(jī)制）預(yù)言臨界溫度可達(dá)200K3.材料和器件的實(shí)用化

提高材料的Jc，Hc；改善材料和器件的各種性能特別是可靠性和穩(wěn)定性，降低成本，使之實(shí)用化。（七）超導(dǎo)應(yīng)用前景1.強(qiáng)電強(qiáng)磁應(yīng)用基于超導(dǎo)的零電阻特性和完全抗磁性，以及非理想第二類(lèi)超導(dǎo)體所特有的高臨界電流密度和高臨界磁場(chǎng)。

超導(dǎo)磁體的應(yīng)用極廣，它可以在交通、電子、能源、高能物理、醫(yī)療、工業(yè)加工等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

世界首輛高溫超導(dǎo)磁懸浮試驗(yàn)車(chē)－西南交大科學(xué)工程和實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用科學(xué)工程和實(shí)驗(yàn)室是超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要方面，它包括高能加速器、核聚變裝置等。在這些應(yīng)用中，超導(dǎo)磁體是高能加速器和核聚變裝置不可缺少的關(guān)鍵部件。電力應(yīng)用高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)使得超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步延伸到電力工業(yè)中，也使人們期待那些過(guò)去無(wú)法實(shí)現(xiàn)的電力裝備能夠由于超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用而得到解決。超導(dǎo)技術(shù)在電力中的應(yīng)用主要包括：超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置和超導(dǎo)電機(jī)等超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置是利用超導(dǎo)線圈將電磁能直接儲(chǔ)存起來(lái)，需要時(shí)再將電磁能返回電網(wǎng)或其它負(fù)載的一種電力設(shè)施。一般由超導(dǎo)線圈、低溫容器、制冷裝置、變流裝置和測(cè)控系統(tǒng)幾個(gè)部件組成。其中超導(dǎo)線圈是超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置的核心部件，它可以是一個(gè)螺旋管線圈或是環(huán)形線圈。磁體應(yīng)用

超導(dǎo)磁體的應(yīng)用研究在國(guó)際上非常活躍，而在強(qiáng)磁場(chǎng)下物質(zhì)特性的一系列變化又引起了研究工作者的極大興趣和熱情。隨著超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)展，一系列用于實(shí)驗(yàn)研究的強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置（從幾萬(wàn)高斯到十幾萬(wàn)高斯）已經(jīng)被研制出來(lái)并得到了廣泛的應(yīng)用，大大促進(jìn)了強(qiáng)磁場(chǎng)與其它學(xué)科交叉所產(chǎn)生的新生長(zhǎng)點(diǎn)的研究和應(yīng)用，并在許多領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展，如環(huán)保、材料變性、育種、磁共振、磁拉單晶以及掃雷等?？傊?6噸、容積48立方米的實(shí)驗(yàn)杜瓦是國(guó)內(nèi)最大的實(shí)驗(yàn)杜瓦掃雷超導(dǎo)技術(shù)在軍事工業(yè)中也可以發(fā)揮其特有的作用，超導(dǎo)掃雷具就是其中之一。超導(dǎo)掃雷具的工作原理是：超導(dǎo)掃雷具模擬艦船磁場(chǎng)特性，采用兩根大電流電纜在海水中形成電極，并與海水組成閉合電路產(chǎn)生磁場(chǎng)，或者在船上安裝一