材料化学第10讲-新型非金属材料B

1、1Teacher: Ph. D. Tengyun Zhang(张腾云张腾云) E-mail: 20072008 学年第学年第 2 学期学期第第十十讲讲材料化学导论材料化学导论-第五章第五章New-style Non-metallic Inorganic Materials2主要内容：主要内容：v5.1 5.1 半导体材料v5.2 5.2 特种陶瓷v5.3 5.3 敏感材料v5.4 5.4 激光材料v5.5 5.5 光导纤维v5.6 5.6 超导材料35.2 特种陶瓷特种陶瓷5.2.2 制造工艺制造工艺v 冷等静压成型冷等静压成型单向加压成型单向加压成型因压力不均匀而使坯体易变形，难以保证质量。

2、因压力不均匀而使坯体易变形，难以保证质量。各向等压成型各向等压成型是是一种均匀加压法。先在一种均匀加压法。先在300MPa压力下预成型，然后在薄膜袋中，用水、甘压力下预成型，然后在薄膜袋中，用水、甘油为介质，在油为介质，在50MPa一一400Mpa压力下成型。压力下成型。（2）成型制备技术）成型制备技术v 热压铸热压铸成型成型v将原料粉末与粘结剂将原料粉末与粘结剂(如如石蜡石蜡)混合混合，调制成塑性瓷科，用注射成型，调制成塑性瓷科，用注射成型机把此料于机把此料于130300温度注射入金属温度注射入金属模模内，形成瓷坯内，形成瓷坯。v 注浆成型注浆成型v将原料粉末、水将原料粉末、水(或甘油、酒精

3、等或甘油、酒精等)分散悬浮刑、粘结剂、除气剂等制分散悬浮刑、粘结剂、除气剂等制成一定浓度的料浆，注入石膏模内，经一定时向后形成注件，在室温成一定浓度的料浆，注入石膏模内，经一定时向后形成注件，在室温下干燥下干燥 。45.2 特种陶瓷特种陶瓷5.2.2 制造工艺制造工艺（3）烧结烧结目的目的：增加致密度、机械强度、减：增加致密度、机械强度、减少气孔等。少气孔等。v烧结是吉布斯函数降低的过程。烧结是吉布斯函数降低的过程。v其动力来自粉末颗粒内外表面能的其动力来自粉末颗粒内外表面能的降低和晶格畸变能的降低。降低和晶格畸变能的降低。v能否进行烧结的热力学条件取决于能否进行烧结的热力学条件取决于晶界能与

4、表面能之比。晶界能与表面能之比。v热压烧结热压烧结v反应热压烧结反应热压烧结v热等静压烧结热等静压烧结v反应烧结法反应烧结法vCVD法法55.2 特种陶瓷特种陶瓷5.2.2 制造工艺制造工艺（3）烧结方法烧结方法v热压烧结热压烧结: v已用于已用于A12O3：陶瓷车刀的制备，在：陶瓷车刀的制备，在CaF2、PZT、Si3N4等材料生等材料生产中也有广泛应用。产中也有广泛应用。 v粉体置于压模中，从上到下用粉体置于压模中，从上到下用1050MPa的压力，边的压力，边单轴单轴加压边加热到高温的烧结方法称热压烧结法。常加压边加热到高温的烧结方法称热压烧结法。常用的模具材料有石墨、氧化铝和碳化硅等，石

5、墨可承用的模具材料有石墨、氧化铝和碳化硅等，石墨可承受受70MPa压压 力，力，1500一一2000高温，高温，A12O3模可承模可承受受200MPa压力。压力。 65.2 特种陶瓷特种陶瓷5.2.2 制造工艺制造工艺（3）烧结方法烧结方法v反应热压烧结反应热压烧结: 相变热压烧结相变热压烧结 氧化锆在相变温度氧化锆在相变温度(800一一1200)和和0.3MPa压压力下，进行热压烧结可以在比正常烧结温度低的情况下，几十分力下，进行热压烧结可以在比正常烧结温度低的情况下，几十分钟内烧结出高稳定性、高强度、高透明度的细晶陶瓷。钟内烧结出高稳定性、高强度、高透明度的细晶陶瓷。 v在热压铸过程中同时

6、伴随化学反应过程。在热压铸过程中同时伴随化学反应过程。 分解热压烧结分解热压烧结 含含氢氧化物或水合物氧化物原料氢氧化物或水合物氧化物原料，在高温过程中发生，在高温过程中发生脱水脱水或或释气分解释气分解，此时施加合适的机械力进行热压烧结，则可在较低温度、压力，此时施加合适的机械力进行热压烧结，则可在较低温度、压力和短时间内获得高密度、高强度的优质陶瓷。和短时间内获得高密度、高强度的优质陶瓷。 例如用镁或铝的氢氧化物例如用镁或铝的氢氧化物(或或硫酸盐硫酸盐)来烧制氧化镁、氧化铝陶瓷，温度在来烧制氧化镁、氧化铝陶瓷，温度在900一一1200，加压，加压0.5h可获可获得相对密度为得相对密度为99以

7、上的制品。以上的制品。 分解合成热压烧结分解合成热压烧结 在热压铸过程中既有分解反应又有合成反应。例如，在热压铸过程中既有分解反应又有合成反应。例如，Ba(OH)或或BaCO3：分解的：分解的BaO与与TiO2合成合成BaTiO3。 75.2 特种陶瓷特种陶瓷5.2.2 制造工艺制造工艺（3）烧结方法烧结方法v热等静压烧结热等静压烧结: v温度更高温度更高 2000 ，压力更大，压力更大50200MPa。 边加热边加热边各向施压。边各向施压。通过多孔坯体同气相或液相发生化学反应，使坯体质量增加，孔隙减小通过多孔坯体同气相或液相发生化学反应，使坯体质量增加，孔隙减小 。例如反应烧结氮化硅坯体中的

8、例如反应烧结氮化硅坯体中的Si、SiO2、和、和CaF2同氮反应生成同氮反应生成Si2ON2。 Si2ON2晶体从被氮饱和的玻璃相中析出，氮氧化硅的相对密度大于晶体从被氮饱和的玻璃相中析出，氮氧化硅的相对密度大于90。 v反应烧结反应烧结: 85.2 特种陶瓷特种陶瓷5.2.3 结构陶瓷结构陶瓷-工程陶瓷工程陶瓷氧化物陶瓷氧化物陶瓷 Al2O3陶瓷、陶瓷、ZrO2陶瓷陶瓷非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷 氮化物陶瓷、碳化物陶瓷氮化物陶瓷、碳化物陶瓷性能评价性能评价 强度、硬度、韧强度、硬度、韧性、耐温、耐磨、性、耐温、耐磨、耐蚀等耐蚀等95.2 特种陶瓷特种陶瓷（1）功能陶瓷的应用功能陶瓷的应用5.2

9、.4 功能陶瓷功能陶瓷105.2 特种陶瓷特种陶瓷能够将机械能和能够将机械能和电能互相转换电能互相转换的功能陶瓷材的功能陶瓷材料料。5.2.4 功能陶瓷功能陶瓷（3）压电陶瓷压电陶瓷 介质在受到机械压力介质在受到机械压力时，导致其表面带电时，导致其表面带电。 对介质施加激励电场，对介质施加激励电场，导致其产生机械变形导致其产生机械变形。v压电陶瓷压电陶瓷Pachinko游戏机游戏机（2）介电陶瓷介电陶瓷特点是：体积小、耐热性好、损耗小、绝缘电阻高，但容量小，适用于特点是：体积小、耐热性好、损耗小、绝缘电阻高，但容量小，适用于高频高压电路。高频高压电路。 115.2 特种陶瓷特种陶瓷 具有电光特

10、性的陶瓷，光学性质会随外具有电光特性的陶瓷，光学性质会随外电场的变化而改变，表现出电控双折射电场的变化而改变，表现出电控双折射和电控散射。和电控散射。5.2.4 功能陶瓷功能陶瓷（4）光电陶瓷光电陶瓷立体电视的原理立体电视的原理 立体电视奥秘在一副能分离左立体电视奥秘在一副能分离左眼和右眼图像的立体观察镜，这眼和右眼图像的立体观察镜，这种观察镜的镜片是用电光陶瓷制种观察镜的镜片是用电光陶瓷制作的。作的。125.2 特种陶瓷特种陶瓷5.2.4 功能陶瓷功能陶瓷（5）磁性陶瓷磁性陶瓷 由铁和其它一种或多种金属（由铁和其它一种或多种金属（Ba、Sr和稀土等）的氧化物组成的复合和稀土等）的氧化物组成的

11、复合氧化物。电阻率比金属磁性材料高，原料来源充足，生产方便，价低，氧化物。电阻率比金属磁性材料高，原料来源充足，生产方便，价低，在永磁、高频软磁、磁记录等方面的应用发展很快。在永磁、高频软磁、磁记录等方面的应用发展很快。主要应用主要应用 人造骨；人造骨； 人造齿；人造齿； 人造心脏瓣膜；人造心脏瓣膜； 人造关节；人造关节； 固定化酶载体等。固定化酶载体等。（6）生物陶瓷生物陶瓷135.2 特种陶瓷特种陶瓷5.2.4 功能陶瓷功能陶瓷（6）生物陶瓷生物陶瓷145.3 敏感材料敏感材料5.3.1 传感器与敏感材料传感器与敏感材料（1）敏感材料敏感材料v传感器技术传感器技术是现代科技的前沿技术，是信

12、息技术的基础。传感器产业是现代科技的前沿技术，是信息技术的基础。传感器产业也是国内外公认的具有发展前途的高技术产业也是国内外公认的具有发展前途的高技术产业。而而敏感材料敏感材料是传感器是传感器获取、感知和转换有用信号的关键元件。获取、感知和转换有用信号的关键元件。光敏材料是利用半导体的光敏特牲制成的光敏材料是利用半导体的光敏特牲制成的.半导体材料在光的激励下半导体材料在光的激励下,会产会产生更多的电子空穴对生更多的电子空穴对,致使导电能力增加致使导电能力增加,电阻率减小电阻率减小.由此可以制造出由此可以制造出紫外光传感器紫外光传感器(CdS、ZnS等等)、红外光传感器红外光传感器(PbS、Pb

13、Te等等)等光敏传感器。等光敏传感器。 v敏感材料敏感材料是指对电、光、声、力、热、磁、气体分布等待测量的微是指对电、光、声、力、热、磁、气体分布等待测量的微小变化而表现出性能明显改变的功能材料。小变化而表现出性能明显改变的功能材料。 （2）光敏材料光敏材料155.3 敏感材料敏感材料5.3.1 传感器与敏感材料传感器与敏感材料（3）热敏材料热敏材料v热敏材料热敏材料,顾名思义，就是电阻受温度影响较大的材料。顾名思义，就是电阻受温度影响较大的材料。 一般电阻都会受温度影响，但是热敏材料肯定是影响较大的。一般电阻都会受温度影响，但是热敏材料肯定是影响较大的。 v热敏电阻包括热敏电阻包括正温度系数

14、（正温度系数（PTC）和和负温度系数（负温度系数（NTC）热敏电阻，热敏电阻，以及临界温度热敏电阻（以及临界温度热敏电阻（CTR）它们的电阻）它们的电阻-温度特性不同热敏温度特性不同热敏电阻的主要特点是：电阻的主要特点是：灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10100倍以上，能检测出倍以上，能检测出10-6的温度变化；的温度变化；工作温度范围宽，工作温度范围宽，常温器件适用于常温器件适用于-55315，高温器件适用温度高于，高温器件适用温度高于315（目（目前最高可达到前最高可达到2000），低温器件适用于），低温器件适用于-27355；体积小，体积小，能够

15、测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度 165.3 敏感材料敏感材料5.3.1 传感器与敏感材料传感器与敏感材料（3）热敏材料热敏材料正温度特性（正温度特性（PTC）温度温度升高，电阻增大如升高，电阻增大如BaTiO3基基PTCv负温度特性（负温度特性（NTC）温度升高，温度升高，电阻减小如电阻减小如SnO2基陶瓷基陶瓷175.3 敏感材料敏感材料5.3.1 传感器与敏感材料传感器与敏感材料（4）力敏材料力敏材料（5）磁敏材料磁敏材料（6）湿敏材料湿敏材料（8）气敏材料气敏材料（7）声敏材料声敏材料185.3 敏感材料敏

16、感材料5.3.2 常用传感器常用传感器（1）常用传感器的变换功能与材料常用传感器的变换功能与材料195.3 敏感材料敏感材料5.3.2 常用传感器常用传感器（2）化学传感器化学传感器对各种化学物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。对各种化学物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。 可用于测量溶液的可用于测量溶液的pH值、电导率、溶解值、电导率、溶解氧和温度氧和温度一氧化碳气敏传感器一氧化碳气敏传感器 205.4 激光材料激光材料5.4.1 激光原理激光原理激光晶体激光晶体爱因斯坦在玻尔工作的基础上于爱因斯坦在玻尔工作的基础上于1916年发表年发表关关于辐射的量子理论于辐射的量子理

17、论。文章提出了激光辐射理。文章提出了激光辐射理论，而这正是激光理论的核心基础。因此爱因论，而这正是激光理论的核心基础。因此爱因斯坦被认为是激光理论之父。在这篇论文中，斯坦被认为是激光理论之父。在这篇论文中，爱因斯坦区分了三种过程：爱因斯坦区分了三种过程：受激吸收受激吸收、自发辐自发辐射射、受激辐射受激辐射。 受激吸收受激吸收就是处于低能态的原子吸收外界辐射而跃迁到高能态；就是处于低能态的原子吸收外界辐射而跃迁到高能态；自发辐射自发辐射是是指高能态的原子自发地辐射出光子并迁移至低能态。指高能态的原子自发地辐射出光子并迁移至低能态。 受激辐射受激辐射是指处于高能级的原子在光子的是指处于高能级的原子

18、在光子的“刺激刺激”或者或者“感应感应”下，跃迁到下，跃迁到低能级，并辐射出一个和入射光子同样频率的光子。低能级，并辐射出一个和入射光子同样频率的光子。 受激辐射的最大特点是由受激辐射产生的光子与引起受激辐射的原来受激辐射的最大特点是由受激辐射产生的光子与引起受激辐射的原来的光子具有完全相同的状态。它们具有相同的频率，相同的方向的光子具有完全相同的状态。它们具有相同的频率，相同的方向。这。这种受到激发而产生的平行性极好的单色光束称为种受到激发而产生的平行性极好的单色光束称为激光激光。 21输出输出5.4 激光材料激光材料5.4.1 激光原理激光原理全反镜全反镜 工作物质工作物质部分反射镜部分反

19、射镜红宝石激光器红宝石激光器225.4 激光材料激光材料5.4.2 激光工作物质激光工作物质用于产生激光的材料称用于产生激光的材料称激光工作物质激光工作物质在一定范围内可以连续改变激光输出波长的激光器称为在一定范围内可以连续改变激光输出波长的激光器称为可调谐激光器可调谐激光器 实现激光波长调谐的原理大致有三种。大多数可调谐激光器都使用实现激光波长调谐的原理大致有三种。大多数可调谐激光器都使用具有宽的荧光谱线的工作物质。构成激光器的谐振腔只在很窄的波长范围具有宽的荧光谱线的工作物质。构成激光器的谐振腔只在很窄的波长范围内才有很低的损耗。内才有很低的损耗。 第一种是通过某些元件（如光栅）改变谐振腔

20、低损耗区所对应的波长来改第一种是通过某些元件（如光栅）改变谐振腔低损耗区所对应的波长来改变激光的波长。第二种是通过改变某些外界参数（如磁场、温度等）使激变激光的波长。第二种是通过改变某些外界参数（如磁场、温度等）使激光跃迁的能级移动。第三种是利用非线性效应实现波长的变换和调谐。属光跃迁的能级移动。第三种是利用非线性效应实现波长的变换和调谐。属于第一种调谐方式的典型激光器有染料激光器、金绿宝石激光器、色心激于第一种调谐方式的典型激光器有染料激光器、金绿宝石激光器、色心激光器、可调谐高压气体激光器和可调谐准分子激光器。光器、可调谐高压气体激光器和可调谐准分子激光器。 235.4 激光材料激光材料5

21、.4.2 激光工作物质激光工作物质v光纤激光器结构图光纤激光器结构图245.5 光导纤维光导纤维255.5 光导纤维光导纤维光纤工作过程光纤工作过程265.5 光导纤维光导纤维5.5.1光导纤维及光导原理光导纤维及光导原理v光导纤维光导纤维是一种由折射率较大的是一种由折射率较大的纤芯纤芯和折射率较小的和折射率较小的包层包层构构成的可以自由弯曲的导光材料。成的可以自由弯曲的导光材料。光纤光纤的作用是将始端的入射光线传输到终端，利用光来传输信的作用是将始端的入射光线传输到终端，利用光来传输信息和图像。息和图像。例如在例如在光通信电话网光通信电话网中，利用送话器的中，利用送话器的微音器微音器把把声音

22、变为电信号声音变为电信号，再由再由发光元件发光元件把把电信号变成光信号电信号变成光信号，这种光信号由，这种光信号由光导纤维光导纤维传传递到受话的一递到受话的一 方，通过方，通过受光元件受光元件恢复成电信号恢复成电信号，使受话器的话，使受话器的话筒筒(扬声器扬声器)呜叫。呜叫。 275.5 光导纤维光导纤维5.5.1光导纤维及光导原理光导纤维及光导原理导光原理导光原理全反射全反射(实际利用折射的原实际利用折射的原理理)全反射即光从光密介质全反射即光从光密介质(折射率折射率n 大的介质大的介质)射到光疏介质射到光疏介质(折射率折射率n 小的介质小的介质)的界面的界面时，全部反射回原介质的现象。时，

23、全部反射回原介质的现象。光导纤维，就是利用光导纤维，就是利用纤芯纤芯和和包层包层折射率的差折射率的差别，依靠全反射的原理实现光信息传输别，依靠全反射的原理实现光信息传输的。的。 用一束光导纤维导光时，只要入射角选择适用一束光导纤维导光时，只要入射角选择适当，使其大干临界角，则入射光线在光当，使其大干临界角，则入射光线在光导纤维芯体内部界面上会产生全反射，导纤维芯体内部界面上会产生全反射，而全反射光线又以同样的角度在对面界而全反射光线又以同样的角度在对面界面上发生第二次全反射，这样经过多次面上发生第二次全反射，这样经过多次全反射后，就可以将光从一端输送到另全反射后，就可以将光从一端输送到另一端，

24、用以传导信息和图像一端，用以传导信息和图像285.5 光导纤维光导纤维5.5.2 光纤材料光纤材料目前光纤通讯材料主要用高透明度的目前光纤通讯材料主要用高透明度的二氧化硅二氧化硅材料，可用化学蒸汽沉积法材料，可用化学蒸汽沉积法(CVD)制成纯二氧化硅。近年来还有新的光纤材料，如制成纯二氧化硅。近年来还有新的光纤材料，如ZrF4、LaF3和和BaF2二元混合体的二元混合体的氟玻璃氟玻璃，其性能优于二氧化硅，光损失更小，上万公，其性能优于二氧化硅，光损失更小，上万公里光信号传输不需要任何中继站。里光信号传输不需要任何中继站。 此外还有此外还有晶体光纤晶体光纤和和聚合物光纤聚合物光纤。 我们平时家里

25、拉网线是双胶线，传输介质一般是铜线。而光纤，用到的是玻我们平时家里拉网线是双胶线，传输介质一般是铜线。而光纤，用到的是玻璃纤维，所以速度比双胶线要快得多，而损耗要比双胶线小。璃纤维，所以速度比双胶线要快得多，而损耗要比双胶线小。 宽带使用平常的电话线就可以了宽带使用平常的电话线就可以了 ；光纤属于专线，速度快、费用贵光纤属于专线，速度快、费用贵。研究光纤材料主要是减少研究光纤材料主要是减少光损耗光损耗和和色散。色散。 色散的大小，影响到一根光纤中同时色散的大小，影响到一根光纤中同时传输的光信息量的容量。传输的光信息量的容量。复色光分解为单色光而形成光谱的现复色光分解为单色光而形成光谱的现象叫做

26、光的色散。象叫做光的色散。 295.5 光导纤维光导纤维5.5.3 石英光纤材料及制备石英光纤材料及制备石英光纤石英光纤的组成的组成以以SiO2为主，为主，添添 加少量的加少量的GeO2、P2O5及及F等以控制等以控制 光纤的折射率。光纤的折射率。它具有资源丰它具有资源丰富、化富、化 学性学性能极其稳定、能极其稳定、膨胀系数小，膨胀系数小，容易在容易在 高温高温下加工且光纤下加工且光纤的性能不随温的性能不随温度而度而 改变等改变等优点。优点。 1. 化学气相沉积法化学气相沉积法305.5 光导纤维光导纤维5.5.3 石英光纤材料及制备石英光纤材料及制备v（1）MCVD法法v氯化物和氧气从石英管

27、的氯化物和氧气从石英管的一端馈入管中，在喷灯提一端馈入管中，在喷灯提供的高温下反应，在喷灯供的高温下反应，在喷灯的下游所生成的烟灰状二的下游所生成的烟灰状二氧化硅和二氧化锗亚微米氧化硅和二氧化锗亚微米颗粒沉积于石英管的内壁颗粒沉积于石英管的内壁上。当喷灯经过沉积物时，上。当喷灯经过沉积物时，它们就被凝固为固态的玻它们就被凝固为固态的玻璃。璃。v 通过改变硅、锗氯化物的通过改变硅、锗氯化物的比例，可形成折射率梯度比例，可形成折射率梯度（更多的锗，更高的折射（更多的锗，更高的折射率）。率）。GeCl4+O2 GeO2+2Cl2SiCl4+O2 SiO2+2Cl2315.5 光导纤维光导纤维5.5.

28、3 石英光纤材料及制备石英光纤材料及制备vMCVD法工艺法工艺325.5 光导纤维光导纤维5.5.3 石英光纤材料及制备石英光纤材料及制备（2）OVD法法(外部气相沉积法外部气相沉积法)v将将SiCl4等喷射人氢氧焰中，等喷射人氢氧焰中，加水进行分解反应加水进行分解反应 。形成的形成的氧化物微粉沉积在耐高温的氧化物微粉沉积在耐高温的中心材料周围。用这种方法中心材料周围。用这种方法可以获得类似于粉笔可以获得类似于粉笔 的多孔的多孔性玻璃体，然后再取出中心性玻璃体，然后再取出中心棒材加热，便可得到适明的棒材加热，便可得到适明的母体材料。它的折射率分布母体材料。它的折射率分布 也是通过控制每一玻璃层

29、中也是通过控制每一玻璃层中GeO2等添加量来调节的。等添加量来调节的。 SiCl4+2H2O SiO2+4HCl335.5 光导纤维光导纤维5.5.3 石英光纤材料及制备石英光纤材料及制备vOVD法工艺法工艺345.5 光导纤维光导纤维5.5.3 石英光纤材料及制备石英光纤材料及制备（3）VAD法法(垂直轴向气相沉积垂直轴向气相沉积)v沿轴向沉积的。它与气相外沿轴向沉积的。它与气相外延沉积法的相同点是，都是延沉积法的相同点是，都是用氢氧焰获得氧化物粉末，用氢氧焰获得氧化物粉末，再将这些粉末用氢氧焰从石再将这些粉末用氢氧焰从石英玻璃棒下端表面喷吹沉积英玻璃棒下端表面喷吹沉积而获得多孔的玻璃母体。

30、通而获得多孔的玻璃母体。通 过安装在其上方的电路加热过安装在其上方的电路加热到到1500，便得到透明的玻，便得到透明的玻璃母体。璃母体。 母体材料在石墨电阻炉内加母体材料在石墨电阻炉内加热到热到2100后软化，由拉丝后软化，由拉丝装置进行拉丝，可形成外径装置进行拉丝，可形成外径 约约125p航的光纤。航的光纤。SiCl4+2H2O SiO2+4HCl355.5 光导纤维光导纤维5.5.3 石英光纤材料及制备石英光纤材料及制备vVAD法工艺法工艺365.5 光导纤维光导纤维5.5.3 石英光纤材料及制备石英光纤材料及制备2. 拉丝拉丝375.5 光导纤维光导纤维5.5.3 石英光纤材料及制备石英

31、光纤材料及制备其一端加工成圆锥形其一端加工成圆锥形并接上一小段石英并接上一小段石英棒的预制棒固定于棒的预制棒固定于预制棒馈入器上，预制棒馈入器上，当锥形端馈入至温当锥形端馈入至温度约度约2200C的拉丝的拉丝炉中一定时间后，炉中一定时间后，一个溶化的垂体形一个溶化的垂体形成并下落，随着下成并下落，随着下落，一根细的光纤落，一根细的光纤就形成了。就形成了。2. 拉丝拉丝2000左右加热左右加热熔化预型件熔化预型件拉丝过程最重要拉丝过程最重要的是控制纤维直的是控制纤维直径的恒定。为此径的恒定。为此必须严格稳定炉必须严格稳定炉温和控制气氛的温和控制气氛的变化变化385.5 光导纤维光导纤维5.5.4

32、 光缆光缆塑料加强件塑料加强件位于几根心线之间，起支撑、防止光纤断裂的作用。心线紧围位于几根心线之间，起支撑、防止光纤断裂的作用。心线紧围在塑料加强件周围，但其周围仍有许多空隙，必须用在塑料加强件周围，但其周围仍有许多空隙，必须用填充物填充物将光缆内的将光缆内的空隙填满，以阻止外界水空隙填满，以阻止外界水 分子的渗入。此外，还有其它分子的渗入。此外，还有其它防水涂层防水涂层。光。光缆的最外层大多是塑料、缆的最外层大多是塑料、 橡胶护套，多用聚乙烯塑料橡胶护套，多用聚乙烯塑料护套护套。 光缆示意图光缆示意图395.5 光导纤维光导纤维5.5.4 光缆光缆光纤光纤(心线心线)一般分为三层：中心高折

33、射率一般分为三层：中心高折射率玻璃芯玻璃芯（芯径一般为（芯径一般为50或或62.5m），中间为低折射率硅），中间为低折射率硅玻璃包层玻璃包层（直径一般为（直径一般为125m），最外），最外是加强用的是加强用的树脂涂层树脂涂层 光纤光纤(心线心线)示意图示意图1-纤芯；纤芯；2-包层；包层；3-一次涂层一次涂层(有机硅树脂等有机硅树脂等)；4-缓冲层缓冲层(低密度硅树酯等低密度硅树酯等)；5-套塑层套塑层(尼龙尼龙-12,聚丙烯等聚丙烯等) .405.6 超导材料超导材料5.6.1 超导现象超导现象导体材料电阻突然消失、变为导体材料电阻突然消失、变为0的现象。的现象。1911年，荷兰著名低温物理

34、学家年，荷兰著名低温物理学家 卡末林卡末林昂尼斯昂尼斯在观在观察低温下水银电阻的变化时，偶然发现在绝对温度察低温下水银电阻的变化时，偶然发现在绝对温度4.2K时，水银的电阻突然消失了，这是人类初次发现时，水银的电阻突然消失了，这是人类初次发现超导现象。超导现象。 超导现象超导现象超导体处于超导状态时，电阻完全消失，若用它组成闭合回路，一旦在超导体处于超导状态时，电阻完全消失，若用它组成闭合回路，一旦在回路中有电流，则回路中没有电能的消耗，不需要任何电源补充能量，回路中有电流，则回路中没有电能的消耗，不需要任何电源补充能量，电流可以持续存在，形成持久电流。因此超导体内部电流可以持续存在，形成持久

35、电流。因此超导体内部0，E=0，超超导体是一个等势体。导体是一个等势体。 1. 超导概念超导概念415.6 超导材料超导材料5.6.1 超导现象超导现象1. 超导概念超导概念425.6 超导材料超导材料5.6.1 超导现象超导现象1913年，昂尼斯发现，当超导铅线中的电流密度超过某一临界值年，昂尼斯发现，当超导铅线中的电流密度超过某一临界值jc(临临界电流密度界电流密度)时，铅线就转变为正常态。时，铅线就转变为正常态。1914年，他从实验中发现，年，他从实验中发现，材料的超导状态可以被外加磁场破坏而转入正常态，这种破坏超导材料的超导状态可以被外加磁场破坏而转入正常态，这种破坏超导态所需的最小磁

36、场强度称为态所需的最小磁场强度称为临界磁场临界磁场，以，以Hc表示。表示。 超导态有三个临界条超导态有三个临界条件：件：临界温度临界温度Tc，临界磁场临界磁场Hc和和临界临界电流密度电流密度jc，它们，它们之间密切相关，我之间密切相关，我们可以用下面的三们可以用下面的三维相图表示它。维相图表示它。 2. 临界磁场临界磁场与与临界电流密度临界电流密度 (曲面内：超导状态曲面内：超导状态曲面外：正常状态曲面外：正常状态) 435.6 超导材料超导材料5.6.1 超导现象超导现象 如果将一超导体样品放入磁场中，由于样品的磁通量发生了变化，样品的如果将一超导体样品放入磁场中，由于样品的磁通量发生了变化

37、，样品的表面产生感生电流，这电流将在样品内部产生磁场，完全抵消掉内部的表面产生感生电流，这电流将在样品内部产生磁场，完全抵消掉内部的外磁场，使超导体内部的磁场为零。这就是超导体的外磁场，使超导体内部的磁场为零。这就是超导体的完全抗磁性。完全抗磁性。 超导体的抗磁性可用超导体的抗磁性可用右图来表示。右图来表示。小磁铁悬浮在小磁铁悬浮在Ba-La-Cu-O超导体圆片超导体圆片（浸在液氮中）上（浸在液氮中）上方的照片。方的照片。 3.迈斯纳效应迈斯纳效应完全抗磁性完全抗磁性 445.6 超导材料超导材料5.6.1 超导现象超导现象磁悬浮列车是一种利用磁极吸引力和排斥力的高科技交通工具。磁悬浮列车是一

38、种利用磁极吸引力和排斥力的高科技交通工具。简单地说，简单地说，排斥力使列车悬起来排斥力使列车悬起来、吸引力让列车开动吸引力让列车开动。 磁磁悬浮列车上装有电磁体，铁路底部则安装线圈。通电后，悬浮列车上装有电磁体，铁路底部则安装线圈。通电后，地地面线圈面线圈产生的磁场极性与列车上的电磁体极性总保持相同，产生的磁场极性与列车上的电磁体极性总保持相同，两者两者“同性相斥同性相斥”，排斥力使列车悬浮起来。铁轨的，排斥力使列车悬浮起来。铁轨的两侧线两侧线圈圈，交流电使线圈变为电磁体。它与列车上的电磁体相互作，交流电使线圈变为电磁体。它与列车上的电磁体相互作用，使列车前进。用，使列车前进。 磁悬浮列车磁悬

39、浮列车 455.6 超导材料超导材料5.6.1 超导现象超导现象超导磁悬浮列车原理示意图超导磁悬浮列车原理示意图世界第一条磁悬浮列车示世界第一条磁悬浮列车示范运营线范运营线上海磁悬上海磁悬浮列车浮列车，建成后，从浦，建成后，从浦东龙阳路站到浦东国际东龙阳路站到浦东国际机场，三十多公里只需机场，三十多公里只需67分钟。分钟。 磁悬浮列车有许多优点：磁悬浮列车有许多优点：列车在铁轨上方悬浮运列车在铁轨上方悬浮运行，铁轨与车辆不接触，行，铁轨与车辆不接触，不但运行速度快，能超不但运行速度快，能超过过500 千米小时千米小时，而，而且运行平稳、舒适，易且运行平稳、舒适，易于实现自动控制；无噪于实现自动

40、控制；无噪音，不排出有害的废气，音，不排出有害的废气，有利于环境保护；有利于环境保护； 465.6 超导材料超导材料5.6.2 低低Tc材料材料大多数金属和合金的超导临界大多数金属和合金的超导临界温度温度Tc都在都在20K以下，因而称以下，因而称为为低低Tc材料材料自自1911年发现超导现象年发现超导现象Hg的的Tc4.2K以来，直到以来，直到1986年年1月前，经月前，经过了过了75年的奋斗，能得到的最好的材料仍然是年的奋斗，能得到的最好的材料仍然是1973年发现的年发现的Tc23.2K的的Nb3Ge，也就是说，超导材料的，也就是说，超导材料的Tc只提高了只提高了19K。 对于对于低低Tc材

41、料，材料，实现超导现象，只有使用液氦制冷。液氦的实现超导现象，只有使用液氦制冷。液氦的来源、价格、制冷成本限制了来源、价格、制冷成本限制了低低Tc材料材料的应用的应用。研究高研究高Tc材料，在更高温度下实现超导现材料，在更高温度下实现超导现象一直是科学家的研究梦想。象一直是科学家的研究梦想。475.6 超导材料超导材料5.6.3 高高Tc材料材料1986年人们终于发现了临界温度在液氦沸点以上的年人们终于发现了临界温度在液氦沸点以上的高温超导体高温超导体（HTS），这大大的推动了高温超导材料的研究。），这大大的推动了高温超导材料的研究。 高高Tc材料主要是氧化物超导体。其研究发展迅速，到目材料主

42、要是氧化物超导体。其研究发展迅速，到目前为止，已可以实现室温大约前为止，已可以实现室温大约14 左右的超导现象。左右的超导现象。高温氧化物超导体的出现，突破了温度壁垒，把超导应用的高温氧化物超导体的出现，突破了温度壁垒，把超导应用的温度从液氦提高到了液氮（温度从液氦提高到了液氮（77K）温区。同液氦相比，液氮）温区。同液氦相比，液氮是一种非常经济的冷媒，并且具有较高的热容量，给工程应是一种非常经济的冷媒，并且具有较高的热容量，给工程应用带来了极大的方便。用带来了极大的方便。 485.6 超导材料超导材料5.6.3 高高Tc材料材料超导材料研究进展超导材料研究进展高高Tc材料研究大致进展如右。材

43、料研究大致进展如右。 从超导技术发展的历程来看，新的更高从超导技术发展的历程来看，新的更高Tc材料的发现和制造工艺技术突破都有可材料的发现和制造工艺技术突破都有可能。目前高温超导材料正从能。目前高温超导材料正从研究阶段向应研究阶段向应用发展阶段转变用发展阶段转变，未来的十年可能会是市，未来的十年可能会是市场发展和高场发展和高Tc材料产业化的十年。材料产业化的十年。 目前世界上已形成每年约目前世界上已形成每年约20亿美元的亿美元的超导产业市场，主要是低温超导材料。据超导产业市场，主要是低温超导材料。据近几年国际超导工业高峰会议预测，到近几年国际超导工业高峰会议预测，到2000年及年及2010年世界超导工业市场将分年世界超导工业市场将分别达到别达到76亿美元及亿美元及370亿美元亿美元/年。人们有年。人们有理由相信，再过理由相信，再过15年，即超导体发现年，即超导体发现100年的时候，将会