功能陶瓷课程-超导陶瓷PPT课件

,超导陶瓷,汇报人：仇晓风汇报日期：2014.05.28,超导陶瓷定义及性质,1,超导陶瓷发展史,2,3,3,4,4,超导陶瓷应用,超导陶瓷研究现状,汇报内容,目前，新型陶瓷分成两大类结构陶瓷：主要用其机械功能、热功能和部分化学功能功能陶瓷：主要用其电、光、磁、化学和生物体特性。新型陶瓷往往具备多功能性，如ZrO2陶瓷在用其高温高强特性时是结构陶瓷，在利用其氧传感特性时是功能陶瓷。如：氧化锆测氧探头用来直接测量锅炉、熔炉、窑炉、干燥器以及各种燃烧过程中或燃烧后排出的烟气体中氧气的含量。,超导陶瓷定义及性质,超导陶瓷定义,超导陶瓷是指具有超导特性的陶瓷材料，与其他超导体的性质一样，超导陶瓷在完全导电性下电阻为零，处于外界磁场中完全抗磁功能陶瓷的杰出代表。超导现象材料在低于某一温度时，电阻变为零的现象，而这一温度称为超导转变温度(Tc)。超导现象的特征是零电阻和完全抗磁性。抗磁性物质的原子中电子磁矩互相抵消，合磁矩几乎为零并且与原来磁矩方向相反。,双击添加标题文字,超导体必须冷却至某一临界温度(Tc)以下才能保持其超导性。,施加给超导体的磁场必须小于某一临界磁场(Hc)才能保持超导体的超导性。,当超过某一临界电流值(Ic)时，材料就从超导态转变为正常态。,超导材料的临界参数,临界温度,临界磁场,临界电流密度,超导陶瓷性质,1）零电阻性,电流通过导体时，由于存在电阻，不可避免地会有一定的能量损耗。而所谓超导体的完全导电性即在超导态下（在临界温度Tc以下）电阻为零，电流通过超导体时没有能量的损耗。,超导体的完全抗磁性是指超导体处于外界磁场中，能排斥外界磁场的影响，即外加磁场全被排除在超导体之外，这种特性在1933年由迈斯纳发现，称为迈斯纳效应。,2）完全抗磁性,迈斯纳效应是材料出现超导性的一个重要判据，也是诸多应用如超导磁屏蔽、磁悬浮等的理论基础。由迈斯纳效应超导性可表述为：在温度降至Tc以下，材料的电阻和体内磁感应强度都突然变为零的现象。,3）约瑟夫森效应,两超导材料之间有一薄绝缘层(厚度约1nm)而形成低电阻连接时，会有电子对穿过绝缘层形成电流，而绝缘层两侧没有电压，即绝缘层也成了超导体。当电流超过一定值后，绝缘层两侧出现电压U(也可加一电压U)，同时，直流电流变成高频交流电，并向外辐射电磁波。,超导陶瓷发展史,1973年人们发现了超导合金铌锗合金，其临界超导温度为23.2K，该记录保持了13年。,设在瑞士苏黎世的美国IBM公司的研究中心报道了一种氧化物(镧-钡-铜-氧)陶瓷超导体，临界温度为30K，从而掀起了超导始上，也是物理学始上的发展浪潮，打破了传统“氧化陶瓷是绝缘体”的观念。,1986年美国贝尔实验室研究的氧化物超导材料，其临界超导温度达到40K。,荷兰物理学家卡麦琳翁纳斯(KamerlinghOnnes)研究水银低温下的电阻时，发现当温度降低至4.2K以下，水银的电阻突然消失，他称之为“超导态”。1911年12月28日宣布了这一发现，1913年获得Nobel物理学奖。后来又陆续发现了十多种金属(如Nb、Pb、La、V等)都有这种现象。,1911年,1986年,高温超导材料的不断问世，为超导材料从实验室走向应用铺平了道路。,由此可见，超导材料从发现至今的临界转变温度，两年内超导陶瓷的临界温度提高了近100K，为区别于低温的金属超导材料，这类陶瓷超导材料也被称为高温超导陶瓷。铊系超导材料的临界转变温度已高于120K，而通常人造地球卫星所处的太空层的空间温度恰为100120K左右，所以如果采用铊系材料做成超导器件就有可能在卫星上直接工作。,1987年2月美国华裔科学家朱经武、吴茂恩小组首先发现Y-Ba-Cu-O系统陶瓷超导体，临界温度为98K。,1988年3月美国的盛正直和荷曼(Herman)发现了铊-钡-钙-铜-氧系统陶瓷超导体，临界超导温度的记录提高到125K。,1988年1月，日本的米塔（Maeda）小组发现Bi-Si-Ca-Cu-O系统陶瓷超导体，Tc达到110K。,科幻电影阿凡达中的哈利路亚悬浮山,电影中解释道，是因为山中蕴藏着一种叫做“Unobtanium”的神奇室温超导矿石，它借助母树附近的强大磁场悬托起了哈利路亚山。,超导陶瓷应用,输配电根据超导陶瓷的零电阻的特性，可以无损耗地远距离的输送极大的电流和功率。,电力系统方面,交通运输方面,制造超导磁悬浮列车，由于超导陶瓷的强抗磁性，磁悬浮列车没有车轮，靠磁力在铁轨上“漂浮”滑行，它是利用超导磁体和路基导体中感应涡流之间的磁性排斥力把列车悬浮起来，具有速度高，时速可达400-500km/h，运行平稳，无噪声，安全可靠等特点。,超导磁悬浮列车,磁悬浮技术的研究源于德国，早在1922年，德国工程师赫尔曼肯佩尔就提出了电磁悬浮原理，并于1934年申请了磁悬浮列车的专利,超导线圈能制成超导储能线圈，用其制成的储能设备可以长期无损耗地储存能量，而且直接储存电磁能。,高温超导线圈,超导发电机,超导发电机由于超导陶瓷的电阻为零，因而没有热损耗，可以制造大容量、高效率的超导发电机及磁流体发电机等。,超导储能装置,超导电磁推进器和空间推进系统例如船舶电磁推进装置。其推进原理是：在船体内部，安装一个超导磁体，在海水中产生强大的磁场。同时，在船体侧面放一电极，在海水中产生了强大的电流。在船尾后的海水中，磁力线和电流发生交互作用，海水在后面对船体产生了强大的推动力。,大和一号,超导电磁推进的潜艇,世界上第一艘超导磁流体推进船日本“大和1号”,是日本海军史上建造的最大的超级战列舰之一。,矿冶方面选矿和探矿,利用超导陶瓷的强磁性，以及其他物质的顺磁性，可以利用超导体来进行选矿和探矿作业,环保和医药方面,在环保方面可以利用超导陶瓷的强磁性对造纸厂、石油化工厂等的废水进行净化处理，以达到清除废水中重金属离子、细菌、病毒等物质可以利用超导体作废水处理。生物体大都具有抗磁性，医学上可把磁分离用于将红血球从血浆中分离出。,医学上的超导陶瓷材料,西门子超导高端磁共振扫描仪,利用超导陶瓷的强磁场使粒子加速以获得高能粒子，以及利用超导体制造探测粒子运动径迹的仪器。使用大体积高强度超导磁体，可以用于约束带电粒子的活动范围。比如受控核聚变研究产生的极端高温的等离子体就是用超导磁场约束在磁笼中。,高能核实验和热核聚变方面,位于合肥的全超导核聚变实验装置(),利用超导陶瓷的性质（如约瑟夫逊效应）提高电子计算机的运算速度和缩小体积。,电子工程方面,量子计算机处理器,铝制散热片中心包有一根铜柱（超导铜线）,制成超导体的器件，如超导，超导量子干涉器，超导场效应晶管，超导磁通量子器件等。此外，用Y-Ba-Cu-O系超导做成的天线和发射机，其灵敏度是同样尺寸铜天线的十几倍。实验表明，高温超导应用于超高频可作毫米波通信，具有很宽的频带和很高的灵敏度，卫星系统可能只需几英寸直径的超导天线，电视画面也将更清晰。,超导量子干涉仪(SQUID),超导传感器,超导陶瓷加热棒,Diagram,2012-2016年我国陶瓷超导体行业市场需求预测,超导陶瓷研究现状,超导陶瓷供与求,随着更多超导陶瓷的发现，超导陶瓷已经在日常生活和科研中扮演着不可替代的角色，它们被有效用作电子和工程材料，供人们创造新产品和新工艺。对于许多基本的和高技术的器件和设备来说，高性能的材料只占不到10%的成本，然而它们却是决定因素，往往会限制整个技术的发展速度。美国、日本等经济强国、科技大国争相研发新型超导陶瓷，使之趋于商品化、市场化。而中国等发展中国家也积极从国外引进技术