高温超导材料.ppt

姓名 罗煌学号 162060025 高温超导材料 演示内容 一 什么是高温超导体 高温超导材料是指具有高临界的转变温度 并且能在液氮温度条件下工作的一种超导材料 这种材料性能非常好 用途非常广泛 这是一种氧化物材料 氧化物多是以铜为主要元素 具有陶瓷的性质 同时 也有不含铜的高温超导材料 主要是钡钾铋氧体系 高温超导材料有着其他普通材料不具有的特性 零电阻 完全抗磁性 宏观量子效应这些特殊的性质 使高温超导材料在生活生产各个领域都得到了广泛的应用 研发新的高温超导物质 一 什么是高温超导体 如果这种新材料预示着新事物的到来 那么这个世界将很快看到超导体的实际应用 为医学 技术 运输以及能源等领域带来改善 耐高温超导体在目前的医疗技术中找到了实际应用 比如说在诊断测试中使用的磁共振成像 MRI 以及超导量子干涉装置 SQUIDs 借助电动力悬浮的磁悬浮列车也依靠耐高温超导材料进行工作 超导磁悬浮 一 什么是高温超导体 高温超导材料温度超导体得天独厚的特性 使它可能在各种领域得到广泛的应用 但由于早期的超导体存在于液氦极低温度条件下 极大地限制了超导材料的应用 人们一直在探索高温超导体 从1911年到1986年 75年间从水银的4 2K提高到铌三锗的23 22K 才提高了19K 1986年1月 美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎世实验室科学家柏诺兹和缪勒首先发现钡镧铜氧化物是高温超导体 将超导温度提高到30K 紧接着 日本东京大学工学部又将超导温度提高到37K 12月30日 美国休斯敦大学宣布 美籍华裔科学家朱经武又将超导温度提高到40 2K 二 高温超导体的研究现状 在目前已知的各种高温超导体中 Y123 YBa2Cu3O7 YBCO 是研究得最为深入的一种 YBCO在92K左右显示出超导电性 且超导相的比例极高 YBa2Cu3O7 YBCO 在液氮温区具有高的临界电流密度 Jc值 在外磁场下具有比Bi系超导体更好的性能 故其是当前的研究热点之一 铋系超导体是仅次于钇系 第二个研究较为透彻的高温超导体 MgB2是一种新发现的超导材料 2001年MgB2超导体被日本教授秋光纯发现 其晶体结构简单 原料成本低 超导转变温度为39K 且没有 晶界弱连接性 被认为是应用于20 40K磁场适中条件下的最佳超导材料 MgB2超导体是近年来超导材料领域的研究热点之一 二 高温超导体的研究现状 1988年 第三种高温超导体 铊系高温超导体被发现 铊的主要缺点是有毒 吸入 注射和皮肤接触都会危害健康 90年代以后 人们才对铊系材料的超导性能有所了解 铊系超导体是具有高转变温度的超导材料之一 具有多种工艺制备方法 其中Tl 2223相超导体具有最高Tc值 1215K 1993年 人们发现汞系超导体 和铊系超导相同 汞的毒性同样也影响了HBCCO的发展 1995年 名古屋工学院采用溶液纺丝法 Solutionspinning 制备出Hg 1223 HgBa2Ca2Cu3Ox 的超导丝 250 m Tc值达127k Jc 77k 0T 达103A cm2 开辟了汞系超导体的制备新途径 三 高温超导体的制备技术 探索超导层的沉积方法的基本考虑是降低大规模生产的成本 包括 大型工业用激光器的初期成本 管子 窗口 工作气体和流出物的运行成本 真空系统和HTS靶材成本 采用MOCVD已制出相当长的线材 性能水平还低于低成本的MOD技术 采用液相技术进行超导层的涂敷 由于沉积过程简单 先驱材料利用充分 将先驱物处理成超导态所用炉子的成本相对低 因此 比气相方法成本低得多 三 高温超导体的制备技术 AMSC进入第二代HTS线材领域是在1995年 目的是在第一代线材已取得的成绩的基础上 进一步降低超导线材的成本 提高其性能 以满足随时问推移用户对超导线材的日益增长的需求 在LANL ORNL 斯坦福大学 威斯康星大学和MIT等单位合作 深入研究了各种工艺之后 AMSC认识到RABiTS MOD工艺从成本和性能上综合了基带和超导体加工两方面最诱人优势 是低成本 规模制备超导线材的理想技术 三 高温超导体的制备技术 早期大多数的第二代线材是短样 从静态到连续工艺是一个挑战 必须改进所有材料的质量和工艺环境 控制沉积缓冲层时对线材的加热 掌握在线的拉力 处理好由于层间不同热收缩产生应力造成的拱形和卷曲 分解和热处理炉 需用多段炉 AMSC采用RABiTS MOD工艺制造的10m长第二代高温超导带材的性能最近已达到250A cm宽 这是工业规模连续生产线材的世界纪录 已接近商品化电缆应用的300A cm宽的要求 电缆应用感兴趣的4mm宽带 最新结果为272A cm宽 几乎相应为100A 采用双面结构会加倍到220A 刚高于目前第一代导体达到的性能 更为重要的是这种带材的均匀性 标准偏差 4 和4卷连续运行的重复能力 三 高温超导体的制备技术 强化钉扎是达到高电流密度的关键 通过在高温超导材料中引入与磁通线直径相近的纳米尺度的缺陷 可得到钉扎 为此AMSC等单位引人了高密度称作 纳米点 的极细小粒子 弥散分布 提高了在磁场下的电流密度 还找到了在MOD工艺中引入纳米点的专有途径 纳米点由纳米尺度的氧化钇或YBCO体系中非超导组分的夹杂组成 钉扎的另一个重要作用是改善临界电流密度的磁场角度关系 根据钉扎缺陷的种类和取向 在不同的磁场方向钉扎不同 使临界电流密度的磁场角度关系平滑一些 这一重要工作仅仅开始 可以预计会有大的改进 使得第二代线材可以用在比第一代更高的温度下 超导技术将成为21世纪的宠儿 而超导材料也将深入千家万户 超导技术的发展 应用和普及将会在世界能源方面发挥不朽的作用 将会为世界每年免去不必要的边缘耗散 如果能用上超导材料 那每年消耗的能量将不可估量 如果这些能量被合理地利用起来对人类的发展不可谓不大 或者每年为这些能量的耗散而投入的不必要的资金 用于资助那些苦难的 急需救助的国家与人民 那意义不可谓不大 超导材料的普及必将是一场材料大革命 其意义并不会亚于其他科技革命 四 发展前景 第一代超导线材 铋氧化物线材已达到商业化水平 东京电力公司试制成功长100米 3相 66千伏的超导电缆 美国不久也将进行100米超导电缆的安装试验 日本正在加紧研究开发高性能的超导电缆 超导变压器 超导限流器和超导蓄电装置等 预计5年后达到目标 日本磁悬浮列车线圈的超导化目前也在计划当中 预计将从明年开始进行研究和试制 目前各国都在积极研究开发第二代超导线材 钇系列线材 其中 包含钇的YBCO 钇钡铜氧 和包含钕的NBCO 钕钡铜氧 这两种线材 由于有更好的磁场特性 将来有可能成为超导线材的主流 有人预言不久的将来将会出现室温超导体 四 发展前景 超导技术的应用将会越来越广泛地造福人类 对超导电性机理的进一步的了解 将会对凝聚态物理学的发展以及相关边缘学科的发展产生极为深远的影响 各国政府 特别是工业发达国家的政府 对超导研究极力支持 给以大量投资 这些国家有实力的公司对研究成果迅速引进 迅速转变为生产力 这些都有利于超导技术的发展 这也说明 政府 企业与超导专家 研究者 在对超导将起的作用的看法方面取得了共识 超导技术在21世纪必将占有重要地位 四 发展前景 从高温超导材料的研究来看 经过近年我国的努力 超导材料已经开始大规模地生产利用 我国是较早进入超导技术研究领域的国家 我国也有着自己的优势 但是为了取得更大的进步 仍需要制备更符合我们发