功能材料PPT课件

1、 1. 超导电性的发现 1911年，荷兰低温物理学家昂纳斯在研究金属电阻在液氦温区的变化规律时，首次观察到超导电性。图1描述了水银样品电阻与温度的关系。 1933年，迈斯纳效应的发现使人们认识到超导电性是一种宏观尺度上的量子现象。 1957年，巴丁、库柏和施瑞弗基于电子和声子的相互作用，建立了成功的微观理论，解释了超导电性的起源，并对凝聚态物理以至整个物理学的发展产生了巨大的影响。 50年代末和60年代初，第类超导体及其约瑟夫森效应的发现，促使超导电性的应用开始逐步地成为一门新技术，即低温超导电技术。 从60年代到80年代，超导电性的应用已具有一定的规模和相应的工业部门。由于传统超导体必须在极

2、低温度下运行，通常用的工作物质是液氦，限制了低温超导电技术的广泛应用。人们一直在探索能在液氮温区甚至能在室温下工作的高温超导体。图1 零电阻效应。水银的电阻 在4.2K 附近突然消失 第1页/共48页1. 超导电性的发现 长期以来，虽经科学家们的不断努力，但始终无法使超导临界温度有很大的提高。 1986年春，设在瑞士苏黎世的IBM实验室的研究员柏诺兹(JGBednorz)和缪勒(K.A.Muller)发现了La-Ba-Cu-O化合物在35K下的超导现象，这一发现不仅打破了具有A15结构的超导体的超导转变温度23.2K的最高记录，更重要的是在人们面前展现了一种具有新型结构的氧化物超导材料。正是由

3、于他们开创性的工作，在世界范围内掀起了一场超导热浪，并为这一领域中带来突破性进展。人们很快便得到了液氮温区的超导体。自从高温氧化物超导体被发现以来，在材料、机制以及应用三个方面的研究及开发工作都进展很快。使用高温超导材料而制备的微波器件将是最有希望得到较大规模应用的。一些新的超导材料不断被发现，从而不断给出更多的揭示高温超导电性的新的信息及开辟新的应用领域。第2页/共48页2.1 a 临界温度Tc 电阻突然消失的温度被称为超导体的临界温度Tc。 超导临界温度Tc与样品纯度无关，但是越均匀纯净的样品超导转变时的电阻陡降越尖锐。 为了便于超导材料使用，希望临界温度越高越好。 目前已知的图2 正常金

4、属和超导体的电阻与温度的关系 第3页/共48页2.1b. 临界磁场Hc对处于超导态的超导体施加一个磁场，当磁场强度高于Hc时,磁力线将穿人超导体，超导态被破坏。一般把可以破坏超导态的最小磁场强度称为临界磁场。Hc(T)随温度的变化一般可以近似地表示为抛物线关系: 式中 是绝对零度时的临界磁场。当T=Tc时，Hc=0；随温度的降低，Hc渐增，至OK时达到最大值 。Hc与材料性质也有关系。 )/1 (220TcTHcHcTcT 0Hc0Hc图3 一些金属超导体临界磁场与温度的关系(图中小图是纯与不纯的Nb的Hc(T)关系)第4页/共48页)1 ()(220TcTIcTIc 式中 是绝对零度时的临界

5、电流。0Ic2.1c. 临界电流Ic 实验还表明，在不加磁场的情况下，超导体中通过足够强的电流也会破坏超导电性，导致破坏超导电性所需要的电流称作临界电流Ic(T)。 在临界温度Tc，临界电流为零。 这个现象可以从磁场破坏超导电性来说明，当通过样品的电流在样品表面产生的磁场达到Hc时，超导电性就被破坏，既产生临界磁场的电流，即超导态允许流动的最大电流，这个电流的大小就是样品的临界电流。与式(1)类似，临界电流随温度变化的关系有图4 临界电流密度和温度及磁场的关系第5页/共48页人们最早发现的超导态特性就是它的零电阻效应，但是超导体与电阻无限小的理想导体有本质的区别。1933年，德国物理学家迈斯纳

6、(WMeissner)和奥森菲尔德(ROchsenfeld)对锡单晶球超导体做磁场分布测量时发现在小磁场中把金属冷却进入超导态时，超导体内的磁通线似乎一下子被排斥出去，保持体内磁感应强度B等于零，超导体的这一性质被称为迈斯纳效应，如图5所示。超导体内磁感应强度B总是等于零，即金属在超导电状态的磁化率为1/HM0)1 (0HB 超导体内的磁化率为-1(M为磁化强度， )。可见超导体在静磁场中的行为可以近似地用“完全抗磁体”来描述。超导体的迈斯纳效应的意义在于否定了把超导体看作理想导体，还指明超导态是一个热力学平衡的状态，与怎样进入超导态的途径无关，从物理上进一步认识到超导电性是一种宏观的量子现象

7、。仅从超导体的零电阻现象出发得不到迈斯纳效应，同样用迈斯纳效应也不能描述零电阻现象，因此，衡量一种材料是否具有超导电性必须看是否同时具有零电阻和迈斯纳效应。 HB00第6页/共48页图5 迈斯纳效应(超导体如何排斥磁通量水平磁力线)的示意图永久磁环受到超导体排斥而悬浮磁悬浮第7页/共48页 对超导体的宏观理论研究开始于W.H.开塞姆、A.J.A.J.拉特杰尔和C.J.C.J.戈特等人的工作，他们运用分析讨论了超导态和正常态之间的问题，得出这一重要结论，这意味着。 1.11.1、伦敦方程 伦敦兄弟于1935年提出的伦敦方程是第一个对超导体的作统一描述的理论。该理论指出:。 在超导态，处于外磁扬中

8、的超导体内并不是完全没有磁场，实际上外磁场可以穿透到超导体表面附近很薄的一层中，其穿透深度约为十万分之一厘米第8页/共48页 戈特和卡西米尔于1934年提出了超导态的二流体模型，并假定： 超导体处于超导态时，分别构成正常流体和超导电子流体，它们占有同一体积，彼此独立地运动，两种流体的电子数密度均随温度而变。 正常流体的性质与普通金属中的自由电子气相同，熵不等于零，处于激发态。正常电子因受晶格振动的散射而会产生电阻。超导电子流体由于其有序性而对熵的贡献为零，处于能量最低的基态。超导电子不会受晶格散射，不产生电阻。 超导态的有序度可用有序参量(T)=Ns(T)/N表示，N为总电子数，Ns为超导电子

9、数。TTc时，无超导电子，=0；TTc时,开始出现超导电子，随着温度T的减小，更多的正常电子转变为超导电子；T=0K时，所有电子均成为超导电子，=1。第9页/共48页 1935年，F.伦敦和H.伦敦两兄弟在二流体模型的基础上运用提出了超导体的宏观电磁理论，成功地解释了超导体的零电阻现象和迈斯纳效应。根据伦敦的理论， 实际测量证实了存在穿透深度这一理论预言，但理论数值与实验不符。1953年A.B.皮帕德对伦敦的理论进行了修正。伦敦的理论末考虑到超导电子间的关联作用，皮帕德认为超导电子在一定空间范围内是相互关联的，并引进相干长度的概念来描述超导电子相互关联的距离(即超导电子波函数的空间范围)。皮帕

10、德得到了与实验相符的穿透深度。 第10页/共48页 1950年，V.L.京茨堡和L.D.朗道在二级相变理论的基础上提出了超导电性的唯象理论，称为京茨堡-朗道理论(简称GL理论)。超导态与正常态间的相互转变是二级相变(相变时无体积变化，也无相变潜热)。 第11页/共48页 1950年麦克斯韦(E-MaxweII)和雷诺(CA，Raynold)各自独立地测量了水银同位素的临界转变温度，结果发现：随着水银同位素质量的增高，临界温度降低。对实验数据处理后得到原子质量M和临界温度Tc的简单关系 其中，=0.50士0.03。这种转变温度Tc依赖于同位素质量M的现象就是同位素效应。构成晶格的离子如果其质量不

11、同，在给定波长的情况下，晶格振动的频率就会依离子质量不同而不同。式中，离子质量M反映了晶格的性质，临界温度Tc反映了电子性质，同位素效应把晶格与电子联系起来了。在固体理论中，描述晶格振动的能量子称之为声子，同位素效应明确告诉我们电子-声子的相互作用与超导电性有密切关系。人们发现导电性良好的碱金属和贵金属都不是超导体，其电子-晶格相互作用很微弱。而常温下导电性不好的材料，在低温却有可能成为超导体，此外临界温度比较高的金属，常温下导电性较差。这些材料的电子-声子相互作用强。因此弗洛里希 (HFrolich)提出电子-声子相互作用是高温下引起电阻的原因，而在低温下导致超导电性。同位素效应支持了弗洛里

12、希提出的电子-声子相互作用的探讨方向。常数TcM第12页/共48页 在20世纪50年代，许多实验表明，当金属处于超导态时，超导态的电子能谱与正常金属不同，图6是一张在T=0K的电子能谱示意图。它的显著特点是:在费米能E EF F附近出现了一个半宽度为的能量间隔，在这个能量内不能有电子存在，人们把这个叫做，能隙大约是1010-3-3-10-10-4-4电子伏特数量级。在绝对零度，能量处于能隙下边缘以下的各态全被占据，而能隙以上的各态则全空着，这就是超导基态。超导能隙的出现反映了电子结构在从正常态向超导态转变过程中发生了深刻变化，这种变化就是F伦敦指出的电子平均动量分布的固化或凝聚。 图6 T=0

13、K下的正常态和超导态电子能谱第13页/共48页 库柏(LNCooper)发现，超导态是由正则动量( (机械动量与场动量之和) )为零的超导电子组成的，它是动量空间的凝聚现象。要发生凝聚现象，必须有吸引的作用存在。库柏证明:当电子间存在这种净的吸引作用时，费米面附近存在一个以动量大小相等而方向相反且自旋相反的两电子束缚态，记为(k，一k)；它的能量比两个独立的电子的总能量低，这种。即在超导态，存在库柏电子对，其电子处于束缚态，其能量比两个独立的电子的总能量低。库柏电子对是现代超导理论的基础。 第14页/共48页 皮帕德(ABPippard)证明，当一个电子从金属的正常区移动到超导区时，其波函数不

14、能从它的正常态值突然转变为超导态的值，这种转变只能发生在一个距离上，被称为相干长度。可见，实际的库柏对并非局限在非常小的空间里，而是扩展在-10-6m的空间宽度上，这里就称为超导态的相干长度，它描述了配对电子间的距离。相干长度和穿透深度一样，也是超导体的特征参量。表1列举了一些有代表性的超导体的相干长度。 物质相干长度/nm物质相干长度/nmAlSnTl1500250270NbNb-Ti6030表1 几种物质在0K下的超导相干长度 第15页/共48页* 巴丁(JBardeen)、库柏(LNCooper)和施瑞弗(JRSchrieffer)在1957年发表的经典性的论文中提出了超导电性量子理论，

15、被称为BCS超导微观理论。其核心是： (1) 电子间的相互吸引作用形成的库柏电子对会导致能隙的存在。超导体临界场、热学性质及大多数电磁性质都是这种电子配对的结果。 (2) 元素或合金的超导转变温度与费米面附近电子能态密度N(EF)和电子-声子相互作用能U有关，它们可以从电阻率来估计，当 时，BCS理论预测临界温度 式中的 为德拜温度。有关Tc的理论结果在定性上满足实验数据。从式得到这样一个有趣的结论，一种金属如果在室温下具有较高的电阻率(因为室温电阻率是电子-声子相互作用的量度)，冷却时就有更大可能成为超导体。* BCS理论是第一个成功地解释了超导现象的微观理论，也是目前惟一成功的超导微观理论

16、。后来又有了一些形式上的发展和完善，但基本思想和物理图像则没有更大的改变。1)(FEUN)(/1exp14. 1FDEUNTcD第16页/共48页 超导体按其可分成两类。在临界磁场以下显示超导性，超过临界磁场便立即转变为正常态的超导体，称为第I类超导体。第I类超导体只有一个临界磁场Hc，其磁化曲线如图所示。很明显在超导态，磁化行为满足M/H=-1，具有迈斯纳效应。除钒、铌、钽外，其他超导元素都是第I类超导体。第17页/共48页 第类超导体有两个临界磁场，即下临界磁场HC 1和上临界磁场HC2，如图7b所示。当外磁场H0小于HC1时，同第I类超导体一样，磁通被完全排出体外，此时，第类超导体处于迈

17、斯纳状态，体内没有磁通线通过。当外场增加至HC1和HC2之间时，第类超导体处于混合态，也称涡旋态。这时体内有部分磁通穿过，体内既有超导态部分，又有正常态部分，磁通只是部分地被排出，那么处于混合态的超导体内的磁通究竟是如何分布的呢?图7 两类超导体的磁化曲线a第I类超导体类;b第II类超导体第18页/共48页第类超导体混合态中的磁通线阵示意图用磁性纳米微粒缀饰磁通线阵实验原理示意图磁通线的三角形点真排列右图是伊斯曼(UEssmann)和梯奥堡(HTrauble)用磁性装饰法获得的第类超导体处于混合态时磁通线排布的照片，穿过超导圆柱体顶部表面磁通线呈三角形点阵排列，磁通线出口点用细铁磁颗粒缀饰。

18、第19页/共48页 孤立的量子磁通线结构如图所示，每个磁通线只有一个正常的芯，芯的半径为相干长度，磁通量子由环流的超导电流所维持，这个超导电流在距芯为的半径上衰减。相邻两个磁通线之间的距离为 磁通线的间距d与 成反比，随着外磁场的增加，磁通线间距缩短。第类超导体在混合态时具有部分抗磁性。当外磁场增加时，每个圆柱形的正常区并不扩大，而是增加正常区的数目。达到上临界磁场H HC2C2时，相邻的正常区圆柱体彼此接触，超导区消失，整个金属变成正常态。金属钒、铌、锝以及大多数合金或化合物超导体都属于第类超导体。 图 孤立的量子磁通线结构 210/) 3/2(HdH第20页/共48页 在经典力学申，若两个

19、空间区域被一个势垒分隔开，则只有粒子具有足够的能量越过势垒时，它才会从一个空间进入另一个空间区域中去。而在量子力学中，情况却并非如此，粒子要具有足够的能量这不再是一个必要条件，一个能量不大的粒子也可能会以一定的几率穿过势垒，这就是所谓的隧道效应。 第21页/共48页考虑被绝缘体隔开的两个金属，如图所示。绝缘体通常对于从一种金属流向另一种金属的传导电子起阻挡层的作用。如果阻挡层足够薄，则由于隧道效应，电子具有相当大的几率穿越绝缘层。图 约瑟夫森结 第22页/共48页 当两个金属都处于正常态，夹层结构（或隧道结）的电流-电压曲线在低电压下是欧姆型的，即电流正比于电压，如图a所示。 贾埃弗(I.Gi

20、aever)发现如果金属中的一个变为超导体时，电流-电压的特性曲线由图a的直线转为图b的曲线。图11 不同情形下的电流电压曲线 a被氧化层隔开的正常金属结的电流电压曲线; b-被氧化层隔开的正常金属与金属超导体结的电流电压曲线第23页/共48页第五节、 超导材料的发展 在1986年之前，由于当时已知的所有超导体都要在液氦冷却的条件下才能“工作”，这些不利因素给超导技术的实际应用范围带来了很多限制。因此，关于如何提高材料的Tc以及寻求高Tc材料，一直是科学家们的研究课题。左图列出了人们探索提高超导转变温度的历程。 液氦温度为4.2K； 液氮温度为77K。第24页/共48页第五节、 超导材料的发展

21、 1986年4月，柏诺兹与缪勒发现La-Ba-Cu-O氧化物中，可能存在高温超导电性，他们在测量中发现La-Ba-Cu-O化合物冷却到35K即开始陡降，到13K电阻完全消失。随后验证了迈斯纳效应的存在，证实这种化合物的超导电性，从而揭开了超导电性研究的新篇章。1987年2月朱经武等在美国宣布发现Tc上升到液氮温区的氧化物超导体(Tc90K)，赵忠贤等敏锐地注意到La-Sr-Cu-O体系的掺杂效应，独立地发现Tc90K的Y-Ba-Cu-O化合物，并首先公布其成分。 哈沃(Raveau)小组成功地用Bi元素替代了La-Sr-Cu-O中的La，制成了Tc为722K的Bi-Sr-Cu-0超导体，198

22、8年1月前田(Maeda)小组将Ca掺到Bi-Sr-Cu-O体系中，看到了80K和110K两个温度上的超导转变，使得Bi系这种无稀土超导体的转变温度高于液氮温度。1988年 2 月 ， T l ( 铊 ) - B a - C a - C u - O 系 列 氧 化 物 被 盛 正 直 和 赫 尔 曼(MHermann)等人发现，使最高超导转变温度达到125K。1993年5月司麒麟(ASchilling)和普特林(SNRutilin)等人又成功地合成了Hg-Ba-Ca-Cu-O氧化物超导体，其超导转变温度达134K。 柏诺兹(JGBednorz)和缪勒(的发现，这不仅使超导转变温度提高了十度以上

23、，更重要的是为新超导体的探索研究开辟了新的道路，将超导体从金属、合金和化合物扩展到氧化物陶瓷。 第25页/共48页 超导材料按其化学组成可分为:元素超导体、合金超导体、化合物超导体。 近年来，由于具有较高临界温度的氧化物超导体的出现，有人把临界温度Tc达到液氮温度（77K)以上的超导材料称为高温超导体，上述元素超导体，合金超导体，化合物超导体均属低温超导体。 目前，已发现的超导材料有上千种。大部分金属元素都具有超导电性，在采用了特殊技术后(如高压技术、低温下沉积成薄膜的技术、极快速冷却技术等)，以前不能变成超导态的许多半导体和金属元素已在一定条件下实现了超导态。 常压下，在目前所能达到的低温范

24、围内，已发现具有超导电性的金属元素有28种。其中过渡族元素18种，如Ti，V，Zr，Nb，Mo，Ta，W，Re（铼）等。非过渡族元素10种，如Bi，Al，Sn，Cd，Pb等。按临界温度高低排列，Nb居首位，临界温度9.24K;其次是人造元素锝（Tc）为7.8K；第三是铅，7.197K；第四是镧，6.00K。然后是钒，5.4K；钽，4.47K；汞，4.15K；以下依次为锡、铟、铊、铝。研究发现，在施以30万大气压的条件下，超导元素的最高临界温度可达13K。 元素超导体除V，Nb，Ta以外均属于第一类超导体，很难实用化。 第26页/共48页 作为合金系超导材料，最早出售的超导线为Nb-Zr系，用于

25、制做超导磁体。Nb-Zr合金具有低磁场高电流的特点，在1965年以前曾是超导合金中最主要的产品。后来逐渐被加工性能好，临界磁场高，成本低的Nb-Ti合金所取代。在目前的合金超导材料中，Nb-Ti系合金实用线材的使用最为广泛，原因之一是在于它与铜很容易复合。复合的目的是防止超导态受到破坏时，超导材料自身被毁。复合后采取冷加工的方法将超导线材坯料拉成细丝，然后，在300-500进行时效处理。第二相粒子的析出对磁通在超导体内的运动产生了很强的钉扎作用，有利于提高临界电流。Nb-Ti合金线材虽然不是当前最佳的超导材料，但由于这种线材的制造技术比较成熟，性能也较稳定，生产成本低，所以目前仍是实用线材中的

26、主导。70年代中期，在Nb-Zr，Nb-Ti合金的基础上又发展了一系列具有很高临界电流的三元超导合金材料，如Nb-40Zr-10Ti，Nb-Ti-Ta等，它们是制造磁流体发电机大型磁体的理想材料。第27页/共48页 化合物超导体与合金超导体相比，临界温度和临界磁场都较高，至1986年，Nb3Ge的Tc=23.2K为超导材料中最高。一般超过10T的超导磁体只能用化合物系超导材料。化合物超导材料按其晶格类型可分为B1型(NaCl型)，A15型，C15型(拉威斯型)，菱面晶型(肖布莱尔型)。其中最受重视的是A15型化合物。Nb3Sn和V3Ga最先引起人们的注意，其次是Nb3Ge，Nb3Al，Nb3(

27、AlGe)等。A15型化合物都具有较高的临界温度，如Nb3Sn，18K；V3Si，17K；Nb3Ge，23.2K。但实际能够使用的只有Nb3Sn和V3Ga两种，其它化合物由于加工成线材较困难，尚不能实用。 本世纪60年代后期，人们开始研究化合物超导材料的加工方法。目前较成熟的是Nb3Sn和V3Ga的加工技术。60年代后期，采用化学蒸镀法和表面扩散法制成Nb3Sn带材；利用表面扩散法制成V3Ga带材。日本的太刀川利用Cu-Ga合金与V的复合，巧妙地制成了V3Ga超细多芯线(太刀川法)，使硬而脆的金属间化合物线材化成为可能。与此同时，美国的布鲁克赫文研究所也采用复合加工法制成Nb3Sn线材。由于使

28、用了铜合金(青铜)作为基体，这种方法又称为青铜法，利用青铜法制作超细多芯线材，由于线材中青铜比例高，与表面扩散法带材相比，临界电流密度低，在强磁场中临界电流密度迅速下降。为了改善这一现象，在制造Nb3Sn线材时，在铌芯中加入Ta，Ti，Zr等元素；在青铜中加入Mg，Ga，Ti，或同时加入Ga与铪等元素，可将从21T提高到25T。日本开发的用加Ti的Nb3Sn线材制成的超导磁体已投入使用。在V和Cu-Ga合金中加入Mg，可获得更好的效果。第28页/共48页 目前能够实用的超导材料，如Nb-Ti合金、V3Ga所产生的磁场均不超过20T。而其他材料，如Nb3Al和Nb3（AlGe）等临界温度及上临界

29、磁场均高于Nb3Sn，V3Ga。这些材料的加工技术与前述Nb3Sn，V3Ga的加工方法不同，近年来日本采用熔体急冷法、激光和电子束辐照等新方法，对Nb3Al等化合物进行试验，取 得 了 重 要 进 展 。 如 用 电 子 束 和 激 光 束 辐 照 N b3（AlGe），在4.2K，25T的磁场下，临界电流密度达到3x104A/cm2。 除常规的金属超导材料，近年来非晶态超导体，磁性超导体，颗粒超导体都受到了研究人员的关注。此外，有机超导体自70年代问世以来在研究领域取得了较大进展。常压下，超导临界温度达到8K，而且有不断增加的趋势。自1986年以来，高温氧化物超导体的发展，使超导的研究与应用

30、有了突破性的飞跃。第29页/共48页 1986年4月瑞士苏黎世IBM实验室的缪勒和柏诺兹在对钡镧铜氧系统进行深入研究后发现，采用钡、镧、铜的硝酸盐水溶液加入草酸而发生共沉淀的方法，制备组分为BaxLa5-xCu5O5(3-y)（x=1和0.75，y0）的样品，发现，对于x（Ba）=0.75的样品，其电阻率峰值所处的温度为35k，而电阻消失的温度为13k。 由于缪勒和柏诺兹的开创性的工作，导致了在全世界的范围内探索高温超导体的热潮。1986年12月15日，美国休斯敦大学的朱经武等人在La-Ba-Cu-O系统中，发现了40.2k的超导转变温度。12月26日中国科学院物理研究所的赵忠贤等人发现转变温

31、度为48.6K的样品Sr-La-Cu-O，在Ba-La-Cu-O中转变温度为70K。1987年2月16日朱经武等人发现Y-Ba-Cu-O的转变温度为92K。2月24日，赵忠贤等人获得了液氮温区的超导体Y-Ba-Cu-O，转变温度为100K以上，出现零电阻的温度为78.5K。这样人们终于实现了获得液氮温区超导体的多年梦想。第30页/共48页 为了表彰缪勒（右）和柏诺兹在高温超导体方面的杰出贡献，1987年10月14日，瑞典皇家科学院将1987年度的诺贝尔物理奖授予了缪勒和柏诺兹。从发现高温超导体，到给他们颁奖，只用了不到两年的时间，这在诺贝尔颁奖史上是非常少有的。 第31页/共48页 高温超导材

32、料的特征： 1、晶体结构具有很强的低维特点，三个晶格常数往往相差 3-4倍； 2、输运系数（电导率、热导率等）具有明显的各向异性； 3、磁场穿透深度远大于相干长度，是第II类超导体； 4、载流子浓度底，且多为空穴型导电； 5、同位素效应不显著； 6、迈斯纳效应不完全； 7、隧道实验表明能隙存在，且为库柏型配对。 目前，在高温超导领域，各国科学家正在着重进行三个方面的探索。一是继续提高超导临界温度，争取获得室温超导体；二是寻找适合高温超导的微观机理；三是加紧高温超导材料与器件的研制，以便实用化。第32页/共48页 1987年初，在美国工作的华裔科学家吴茂昆、朱经武等发现了超导转变温度高达90度绝

33、对温度的超导体，几天后，中国科学院物理研究所赵忠贤、陈立泉等以及日本的科学家也分别独立地发现了超导转变温度为100度绝对温度以上的超导体。超导体不能在液氮温区(绝对温度78度)工作的禁区终于被打破了。氮在空气中有的是， 而空气的液化是一种广泛应用的技术。第33页/共48页 1987年，人民日报发表新闻，第一次在世界上公布了钡、钇、铜、氧体系。这一消息加速了世界范围内的高温超导研究。可以说，从一开始，我国高温超导材料的研究就居世界前列。主要表现在：在提高体材料的载流能力和制备高质量的超导薄膜上，我国目前仍属世界最好水平；在量子干涉器的制作以及将这种器件应用到地磁测量上，我国也属于世界最好水平；在

34、高温超导粉料的制备，高温超导体材、线材的制备，以及发展金属有机化学气相沉积和发展厚膜技术方面，我国也属于世界上较好水平。此外，在确定高温超导材料的晶体结构、系统探索铋系、铊系材料及证实高温超导体中各种基本的超导现象等方面，我国也有较高水平的研究工作。 第34页/共48页 对超导的应用研究，始于本世纪60年代。在超导的应用上，目前处于领先地位的是制造高磁场的超导磁体。在大学和研究机构的许多研究室中，已使用供物性研究用的小型、中型超导磁体。另外，在高能物理、受控制核反应、磁流体发电电机、输电、磁浮列车、舰船推进、贮能、医疗各领域，超导的应用也在稳步进行。粗略地计算一下。采用超导磁体后，可以使现有设

35、备的能量消耗降低到原来的十分之一到百分之一。但已应用于实际的超导器材，还是比较少的。应用技术的发展，有待于更高级的基础技术的建立和进步，如线材和薄膜的制造技术，制冷及冷却技术，超低温用结构材料和检测技术。另外，高临界温度的超导材料的发现及加工也是一个必不可少的条件。据报道:美国、中国、日本都已制成了高温超导薄膜。 第35页/共48页 人类面临着能源危机，受控热核反应的实现，将从根本上解决人类的能源危机。 核聚变反应时，内部温度高达1亿-2亿，没有任何常规材料可以包容这些物质。而超导体产生的强磁场可以作为“磁封闭体”，将热核反应堆中的超高温等离子体包围、约束起来，然后慢慢释放，从而使受控核聚变能

36、源成为21世纪前景广阔的新能源。 大体积、高强度的大型磁场的磁感应强度约为105T。这种磁体贮能应达41010J，只有超导磁体才能满足要求；若用常规磁体，产生的全部电能只能维持该磁体系统的电力消耗。 目前，世界上主要研究两种核聚变装置：托卡马克型和串列磁镜式装置。 用于制造核聚变装置中超导磁体的超导材料主要是Nb3Sn，Nb-Ti合金，NbN，Nb3Al，Nb3(Al，Ge)等。第36页/共48页 磁流体发电是一种靠燃料产生高温等离子气体，使这种气体通过磁场而产生电流的发电方式。磁流体发电机的主体部分主要由三个部分组成：燃烧室，发电通道和电极，其输出功率与发电通道体积及磁场强度的平方成正比。如

37、使用常规磁体，不仅磁场的大小受到限制，而且励磁损耗大，发电机产生的电能将有很大一部分为自身消耗掉，尤其是磁场较强时。而超导磁体可以产生较大磁场，且励磁损耗小，体积，重量也可以大大减小。 美国和日本对磁流体发电进行了大规模的研究。日本制造的磁流体发电超导磁体产生磁场4.5T，储能60MJ，发电500kw，目前，采用超导磁体的磁流体发电机已经开始工作，磁流体一蒸汽联合电站正在进行试验。 磁流体发电特别适合用于军事上大功率脉冲电源和舰艇电力推进。美国将磁流体推进装置用于潜艇，已进行了实验。 1. 开发新能源第37页/共48页2. 节能方面 超导体的零电阻特性使超导输电引起人们极大的兴趣。 超导材料还

38、可以用于制作超导电线和超导变压器，从而把电力几乎无损耗地输送给用户。据统计，目前的铜或铝导线输电，约有15%的电能损耗在输电线路上，光是在中国，每年的电力损失即达1000多亿度。若改为超导输电，节省的电能相当于新建数十个大型发电厂。 但目前实用的超导材料临界温度较低，因此，对于超导输电必须考虑冷却电缆所需成本。近年，随着高温超导体的发现，日本研制了66kV，50m长的具有柔性绝热液氮管的电缆模型和50m长的导体绕在柔性芯子上的电缆，其交流载流能力为2000A，有望用于市内地下电力传输系统。美国也研制了直流临界电流为900A的电缆。第38页/共48页6.2 节能方面 2.2. 超导发电机和电动机

39、 在电力领域，利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强度提高到5万6万高斯，并且几乎没有能量损失，这种发电机便是交流超导发电机。超导发电机的单机发电容量比常规发电机提高510倍，达1万兆瓦，而体积却减少1/2，整机重量减轻1/3，发电效率提高50。 超导电机的优点是小型、轻量、输出功率高、损耗小。据计算，电机采用超导材料线圈，磁感应强度可提高5-10倍。一般常规电机允许的电流密度为102-103A/cm2，超导电机可达到104A/cm2以上。可见超导电机单机输出功率可大大增加，换句话说，同样输出功率下，电机重量可大大减轻。目前，超导单极直流电机和同步发电机是人们研究的主要对象。第39页/共48页6

40、.2 节能方面 2.3. 超导变压器 超导材料用于制造变压器，可大大降低磁损耗，缩小体积，减轻重量。日本已研制成500kVA的高温超导变压器；美国为模拟全尺寸的30MVA的高温超导变压器而研制了1MVA的高温超导变压器。第40页/共48页 3. 超导磁悬浮列车 磁悬浮列车的设想是60年代提出的。这种高速列车利用路面的超导线圈（普通磁体）与列车上超导线圈磁场间的排斥力使列车悬浮起来，消除了普通列车车轮与轴轨道的摩擦力，使列车速度大大提高。 日本在1979年就研制成了时速517km的超导磁悬浮实验车。而1990年德国汉诺威-维尔茨堡高速磁浮列车线路正式投入运营，使德国在磁浮列车的实用化方面居领先地位。日本1991年又研制出一种水陆两栖磁浮列车，已完成模拟试验。 第41页/共48页 4. 超导贮能 由于超导体电阻为零，在其回路中通入电流，电流应永不衰减。即可以将电能存贮于超导线圈中。 目前，超导贮能的应用研究主要集申于两个方面：一方面，计划用口径几百米的巨大线圈贮存电力，供电网调峰用。另一方面，是作为脉冲电源，如用作激光武器电源。目前，小型超导贮能装置在美国已形成产品，下一步将用于变电所以提高电力质量。第4