超导材料范文

超导材料范文超导材料范文 超导探索及科学思辨摘要超导是金属或合金在较低温度下电阻变为 零的性质 超导材料是当代材料科学领域一个十分活跃的重要前沿 随着超导 材料临界温度的提高和材料加工技术的发展 它将会在许多高科技 领域获得重要应用 也将推动功能材料科学的深入发展 爱因斯坦的科学思辨精神是我们认识自然于科学的根本 而李平林 教授的反视觉原理也使得我们可以从不同的视角去认识自然 了解 科学 1什么是超导 超导是超导电性的简称 是指某些物体当温度下降至 一定温度时 电阻突然趋近于零的现象 具有这种特性的材料称为超导材料 超导材料最独特的性能是电能在输送过程中几乎不会损失 超导体另外一个性质是宏观的量子现象 这两个特点 就是超导体最基本的性质 2超导研究历程1784年英国化学家拉瓦锡曾预言假如地球突然进到寒 冷的地区 空气无疑将不再以看不见的流体形式存在 它将回到液 态 从那时候起 拉瓦锡的预言就一直激励着人们去实现气体的液化并 由此得到极低的温度 使气体变成液体 这听起来如同神话一般 但是科学家不仅相信了 这个神话 而且在几十年后使它成为现实 人类通过液化气体获得了低温 科学家会利用低温做什么呢 他们 要做的事情很多 其中最重要的是继续那个古老问题的探索 研究 那些没有生命的物质在低温下会发生什么变化 1910年 昂尼斯开始和他的学生研究低温条件下的物态变化 1911年 他们在研究水银电阻与温度变化的关系时发现 当温度低 于4K时已凝成固态的水银电阻突然下降并趋于零 对此昂尼斯感到 震惊 水银的电阻会消失得无影无踪 即使当时最富有想象力的科学家也 没料到低温下会有这种现象 为了进一步证实这一发现 他们用固态的水银做成环路 并使磁铁 穿过环路使其中产生感应电流 在通常情况下 只要磁铁停止运动由于电阻的存在环路中的电流会 立即消失 但当水银环路处于4K之下的低温时 即使磁铁停止了运动 感应电 流却仍然存在 这种奇特的现象能维持多久呢 他们坚持定期测量 经过一年的观 察他们得出结论 只要水银环路的温度低于4K 电流会长期存在 并且没有强度变弱的任何迹象 接着昂尼斯又对多种金属 合金 化合物材料进行低温下的实验 发现它们中的许多都具有在低温下电阻消失 感应电流长期存在的 现象 由于在通常条件下导体都有电阻 昂尼斯就称这种低温下失去电阻 的现象为超导 在取得一系列成功的实验之后 昂尼斯立即正式公布这一发现 并 且很快引起科学界的高度重视 昂尼斯也因此荣获1913年诺贝尔物 理学奖 在他之后 人们开始把处于超导状态的导体称之为 超导体 超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失 被称作零电阻效应 导体没有了电阻 电流流经超导体时就不发生热损耗 电流可以毫 无阻力地在导线中形成强大的电流 从而产生超强磁场 将超导体冷却到某一临界温度 TC 以下时电阻突然降为零的现象 称为超导体的零电阻现象 不同超导体的临界温度各不相同 例如 汞的临界温度为4 15K K为绝对温度 0K相当于零下273 而高温超导体YBCO的临界温度为94K 当超导体冷却到临界温度以下而转变为超导态后 只要周围的外加 磁场没有强到破坏超导性的程度 超导体就会把穿透到体内的磁力 线完全排斥出体外 在超导体内永远保持磁感应强度为零 超导体的这种特殊性质被称为 迈斯纳效应 迈斯纳效应与零电阻现象是超导体的两个基本特性 它们既互相独 立 又密切联系 迈斯纳和奥克森费尔特于1933年发现超导体具有完全抗磁性 即 迈 斯纳 效应 迈斯纳效应的发现使人们认识到超导体的行为并不是不可逆的 在此之后人们才比较全面地了解了超导体的基本性质 后来人们还做过这样一个实验在一个浅平的锡盘中 放入一个体积 很小但磁性很强的永久磁体 然后把温度降低 使锡盘出现超导性 这时可以看到 小磁铁竟然离开锡盘表面 慢慢地飘起 悬浮不 动 迈斯纳效应有着重要的意义 它可以用来判别物质是否具有超性 为了使超导材料有实用性 人们开始了探索高温超导的历程 从191 1年至1986年 超导温度由水银的4 2K提高到23 22K 0K 273 15 C K开尔文温标 起点为绝对零度 1986年1月发现钡镧铜氧化物超导温度是30K 12月30日 又将这一 纪录刷新为40 2K 1987年1月升至43K 不久又升至46K和53K 2月1 5日发现了98K超导体 高温超导体取得了巨大突破 使超导技术走向大规模应用 在超导的研究史上有着几个不可忽视的重大发现的突破2 1约瑟夫森 效应1962年英国物理学家约瑟夫森在研究超导电性的量子特性时提 出了量子隧道效应理论 也就是今天人们所说的约瑟夫森效应 该理论认为电子对能够以隧道效应穿过绝缘层 在势垒两边电压为 零的情况下 将产生直流超导电流 而在势垒两边有一定电压时 还会产生特定频率的交流超导电流 在该理论的基础上诞生了一门新的学科 超导电子学 2 2NbTi和Nb3Sn在超导材料的探索过程中 不能不提及的超导材料 是NbTi和Nb3Sn Nb3Sn化合物超导材料于1954年由马赛厄斯等人发现 而NbTi合金具 有超导电性则于1961年由孔茨勒发现 它们是目前应用最为广泛的两种超导材料 至今 用NbTi合金线材绕制一个8T的超导磁体 用Nb3Sn化合物线材 绕制一个15T的超导磁体已经不存在任何的技术问题 2 3高温超导体为了使超导材料有实用性 人们开始了探索高温超导 的历程 二十世纪八十年代是超导电性的探索与研究的黄金年代 1981年合成了有机超导体 1986年缪勒和柏诺兹发现了一种成分为 钡 镧 铜 氧的陶瓷性金属氧化物LaBaCuO4 其临界温度约为35K 由于陶瓷性金属氧化物一般来说是绝缘物质 因此这个发现意义非 常重大 他们获得了1987年的诺贝尔物理学奖 1987年在超导材料的探索中又有新的突破 美国休斯顿大学物理学 家朱经武小组与中国科学院物理研究所赵忠贤等人先后宣布制成临 界温度约为90K的超导材料YBCO 1988年初日本宣布制成临界温度达110K的Bi Sr Ca Cu O超导体 至此 实现了科学史上的重大突破 这类超导体由于其临界温度在液氮温度 77K 以上 因此被称为高 温超导体 高温超导体取得了巨大突破 使超导技术走向大规模应用 自从高温超导材料发现以后 一阵超导热席卷了全球 科学家还发现铊系化合物超导材料的临界温度可达125K 汞系化合 物超导材料的临界温度则可达135K 如果将汞置于高压条件下 其临界温度将能达到难以置信的164K 1997年 研究人员发现 金铟合金在接近绝对零度时既是超导体同 时也是磁体 1999年科学家发现钌铜化合物在45K时具有超导电性 由于该化合物独特的晶体结构 它在计算机数据存贮中的应用潜力 将非常巨大 3 超导的分类目前已查明在常压下具有超导电性的元素金属有32种 而在高压下或制成薄膜状时具有超导电性的元素金属有14种 超导体方可以分为两类第一类超导体和第二类超导体 第I类超导体主要包括一些在常温下具有良好导电性的纯金属 如铝 锌 镓 镉 锡 铟等 该类超导体的溶点较低 质地较软 亦 被称作 软超导体 其特征是由正常态过渡到超导态时没有中间态 并且具有完全抗磁 性 第I类超导体由于其临界电流密度和临界磁场较低 因而没有很好的 实用价值 除金属元素钒 锝和铌外 第II类超导体主要包括金属化合物及其 合金 第II类超导体根据其是否具有磁通钉扎中心而分为理想第II类超导 体和非理想第II类超导体 理想第II类超导体的晶体结构比较完整 不存在磁通钉扎中心 并 且当磁通线均匀排列时 在磁通线周围的涡旋电流将彼此抵消 其 体内无电流通过 从而不具有高临界电流密度 非理想第II类超导体的晶体结构存在缺陷 并且存在磁通钉扎中心 其体内的磁通线排列不均匀 体内各处的涡旋电流不能完全抵消 出现体内电流 从而具有高临界电流密度 在实际上 真正适合于实际应用的超导材料是非理想第II类超导体 4 超导的应用超导现象自从20世纪初被发现以来 就以其独特的魅 力持续不断的吸引着广大科学家的关注 这不仅因为它能完美地展 示物理学的一些重要规律 更重要的是它具有很多应用领域可以开 拓 超导技术可广泛应用于能源 信息 医疗 交通 国防 科学 研究及国防军工等重大工程方面 美国能源部认为高温超导电力技术是21世纪电力工业唯一的高技术 储备 是检验美国将科学转化为应用技术的能力的重大实践 专家认为21世纪的超导技术会如同20世纪的半导体技术一样具有重 要意义 综合目前超导技术的发展情况 超导技术可以在以下行业得到应用 和拓展4 1电力超导技术与电力技术的结合将给电力行业的发 输 配电带来革命性的改变 电力行业是超导产业最重要的应用场所与 市场 超导技术在电力中的应用主要包括 高温超导电缆现有电缆的扩容问题一直困扰着城市电力的发展 传统的城市地下输电电缆存在着通量小 损耗大 对土壤和地下水 有热污染及油污染 土建费用高等问题 城市电力扩容变得越来越 困难 高温超导电缆具有体积小 造价低 高节能 无污染等优点 具有 巨大的经济效益和环保效益 终将替代传统电缆 高温超导电缆的大规模应用能够极大地提高电力输电系统的运行效 率 降低运行成本 目前国际上高温超导电缆的总体发展趋势是研制大容量 低交流损 耗 超长高温超导电缆 据专家估计 高温超导电缆最有可能率先实现实用化和商业化 超导电机电动机是最常用的电气设备 但传统电动机耗电量极大 美国工业界专家估计 1 000马力以上的工业用电动机大约要消耗美 国能源的25 与常规电机相比 超导电机具有节能性好 体积小 单机容量大 造价及运营成本低 稳定性能好等优点 具有很好的经济效益和环 保效益 供给同样的功率 超导电机的尺寸是常规电机的1 3 制造成本可降 低40 电流损耗可减少50 运行成本可降低50 美国能源部估计 高温超导电动机的低损耗每年可减少数十亿美元 的运行费用 在军事上战舰应用高温超导电机 其舰船体积重量更小 空间布置 更灵活 推进系统运行更加可靠 效率更高 控制更方便 调速性 能更好 能大大提高隐蔽性 达到高速安静运行 具有重要的军事 意义 高温超导风力发电机是5兆瓦以上风力发电系统的唯一选择 目前已 成为高温超导电力应用设备产业化应用的优先发展产品 超导变压器常规变压器有许多缺点 如负载损耗高 重量和尺寸大 过负载能力低 没有限流能力 油污染及寿命短等 在美国 变压器的总装机容量约为总发电量的3 4倍 其电力系统的网损约为总发电量的7 34 其中25 为变压器损 失 相比较而言 超导变压器体积小 重量轻 电压转换能量效率高 火灾环境事故机率低 无油污染等优点 在提高电力系统的可靠性 和运行性能 降低成本 节约能源 保护环境等方面有着重要的现 实意义 超导限流器限流器 FCL 是一种提高电网稳定性的电力设备 随着社会的发展 对电网的质量要求越来越高 而传统的限流器很难 在短时间内对电网的脉冲电流起到限制作用 高温超导限流器正好祢补了传统限流器的缺点 其限流时间可小于 百微秒级 能快速和有效地起到限流作用 超导限流器是利用超导体的超导态 常态转变的物理特性来达到限流要求 它可同时集检测 触发和限 流于一身 被认为是当前最好的而且也是唯一的行之有效的短路故 障限流装置 1989年以来 美国 德国 法国 瑞士和日本等都相继开展了高温 超导限流器的研究 当前 国际上适应配电系统的高温超导限流器的技术性能已经接近 应用的水平 但大体上仍处在示范试验阶段 超导储能装置超导储能装置是利用超导线圈将电磁能直接储存起来 需要时再将电磁能返回电网或其他负载的一种电力设施 由于储能线圈由超导线绕制且维持在超导态 线圈中所储能几乎无 损耗地永久储存下去直到需要释放时为止 超导储能装置不仅可用于调节电力系统的峰谷或解决电网瞬间断电 对用电设备的影响 而且可用于降低或消除电网的低频功率震荡从 而改善电网的电压和频率特性 同时还可用于无功和功率因数的调 节以改善电力系统的稳定性 4 2医疗 核磁共振人体成像仪 MRI MRI是通过探测人体各个器官在磁场下 感应出的不同信号来诊断病变的一种设备 传统的MRI采用常规磁体 磁场小 很难探测到初期的病变 同时 其 主磁场处于封闭的磁体空洞内 扫描时需将受检者置于与外界隔绝 的狭小空间 易使人产生幽闭恐怖症 大大影响了该设备的广泛应 用 低温超导磁体因此被广泛应用于MRI中 由于低温超导的液氦温度要求 其运行和维护费用很高 一些国家加快了高温超导MRI的研究 1998年 Oxford磁体技术公司 和西门子公司合作研制了一个用于人体MRI的高温超导磁体 4 3运输 磁悬浮列车随着国民经济的发展 社会对交通运输的要求越来越高 高速列车应运而生 与现有的铁路 公路 水路和航空四种传统运输方式相比 超导磁 悬浮列车具有高速 安全 噪音低和占地小等优点 是未来理想的 交通工具 使用Bi系高温超导线材的超导磁悬浮列车 悬浮间隙大 速度高 相对于低温超导的磁悬浮列车而言 制冷费用低 制冷设备简单 英纳公司和清华大学应用超导研究中心合作开展高温超导磁悬浮列 车的研究 目前已取得较大突破 并且已经申请了高温超导磁悬浮 专利 4 4军工高精度电磁测量装置 磁性雷 探测器 电磁干扰武器 粒 子束武器 反导弹 反卫星武器 舰艇 潜艇驱动系统 4 5航天卫星定位定向的旋转姿态定位仪 低损耗轴承装置 如果宇宙飞船中的电动马达线圈能使用超导材料 将会减小马达的 体积等等 4 6电子超导电子干涉器 SQUID 频带滤波器 超导数字电路 超导混频器 超导粒子探测器等 4 7高能物理高能加速器 受控热核装置等 4 8IT产业超导计算机 超导芯片 超导开关等 4 9其他 超导磁分离装置磁分离器在物质的提纯 分离方面具有举足轻重的 作用 传统的磁分离器由于很难产生高磁场 其应用受到了很大的限制 高温超导线材具有比铜线高100倍的通流能力 用它制成的磁分离器 很容易得到高磁场强度和高磁场梯度 解决了许多用传统磁分离器分 离不了物质的分离问题 并且能节约大量能源 与传统磁分离器相 比 节能效率提高90 我国高岭土储量占世界的70 高温超导磁分离器的发展将给我国高 岭土工业带来突破性发展 同时 高温超导磁分离器能大大提高一次污水处理能力 将给环保 工业带来一场革命 超导的前景超导材料的研究是当今世界上一门新兴的科学技术 由于超导材料能影响人类生存的许多重要领域 各国的材料科学家 都在竞相探索它的结构 研究它的性能 以求率先找到具有高临界 温度的超导材料 可以这样说 高温超导材料的突破 必将深刻地促进尖端科学技术 的发展 从而加速人类文明的进程 虽然目前超导材料仍处于试验研究阶段 但人们相信 随着超导材 料临界温度的提高和材料加工技术的发展 它将会在许多高科技领 域获得重要应用 在他看来 常温下实现超导只是时间问题而已 研究的方向可以分 为两个寻找或者说合成常温常温超导体 通过改变材料的环境来实 现实它在常温下可以无电阻 他告诉我们不损耗电量的电线是存在的 在此他做一个大胆的猜想 与超导类似的 无额外损耗的热机是存在的 甚至可以说 无额外 做功的机械是存在的 虽然说这有悖物理学热学上的三大定理 但 他还是相信 这是有可能的 只是或许它要求的环境或条件更为苛 刻 推而广之 他认为 物理学上的很多公认的定理都是可以被推翻的 我们的认识在他看来 还只是在人类最开始的仅以想象和观测作 为依据的基础上做出了一些可观的进步而已 但这还是远远不够的 我们还没有完全摆脱我们的猜想和臆断 超导给了我们一个警醒 提醒我们现在还是远远不够的 我们的见识仍然很浅薄 我们仍 然不够大胆的推翻自己信仰已久的一切 我们仍然很落后 用一句 话来说 很多与常理相符的 无极端 的结论是可以推翻的 有时我们真的需要用一种反视觉原理去对我们周围那些解决的科学 谜团进行解释 也许那样真的可以让我们有一种曲径通幽的觉醒 结语超导体作为一种新型的导电载体 具有很多优异的性能 其在 试验中表现出的匪夷所思或者说有违常理的科学现象也是世界顶级 科学家们所热衷研究的新课题 而日新月异的超导领域也让我们相 信 超导 将改变我们的生活 我们的世界 随着世界能源危机的不断加剧 超导可以发挥的空间也更大了 被禁锢的科学思想最终会被抛弃 所以我们要用一种科学思辨的理 念不断完善并更新我们的思想体系 让自己的思想更活跃 更具创 造性 通过 超导探索及科学思辨 课程的学习 我们更加自信 因为我 们懂得 科学里没有权威 没有铁律 只有事实 具有高临界转变 温度 Tc 能在液氮温度条件下工作的超导材料 因主要是氧化物材料 故又称高温氧化物超导材料 高温超导材料不但超导转变温度高 而且成分多是以铜为主要元素 的多元金属氧化物 氧含量不确定 具有陶瓷性质 氧化物中的金属元素 如铜 可能存在多种化合价 化合物中的大 多数金属元素在一定范围内可以全部或部分被其他金属元素所取代 但仍不失其超导电性 除此之外 高温超导材料具有明显的层状二维结构 超导性能具有 很强的各向异性 已发现的高温超导材料按成分分为含铜的和不含铜的 含铜超导材料有镧钡铜氧体系 Tc 35 40K 钇钡铜氧体系 按 钇含量不同 T发生复化 最低为20K 高可超过90K 铋锶钙铜氧体系 Tc 10 110K 铊钡钙铜氧体系 Tc 125K 铅锶钇铜氧体系 Tc约70K 不含铜超导体主要是钡钾铋氧体系 Tc约30K 已制备出的高温超导材料有单晶 多晶块材 金属复合材料和薄膜 高温超导材料的上临界磁场高 具