第1 章 超导材料 讲稿

1、第1章 超导材料1.1概述1911年 荷兰物理学家 昂尼斯 汞 : 超导态 TC4.2 K R=0 1913获得Nobel 奖1、超导现象的发现与发展、超导现象的发现与发展1911年年 卡茂林卡茂林昂尼斯意外地发现，将汞冷却昂尼斯意外地发现，将汞冷却到到268.98时，汞的电阻突然消失；后来他时，汞的电阻突然消失；后来他发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性的低温下失去电阻的特性 1913年年 卡茂林卡茂林昂尼斯在诺贝尔领奖演说中指昂尼斯在诺贝尔领奖演说中指出：低温下金属电阻的消失出：低温下金属电阻的消失“不是逐渐的，不是逐渐的，而是

2、突然的而是突然的”，水银在，水银在4.2K进入了一种新状进入了一种新状态，由于它的特殊导电性能，可以称为超导态，由于它的特殊导电性能，可以称为超导态态” 迈斯纳效应又叫完全抗迈斯纳效应又叫完全抗磁性，磁性，1933年迈斯纳发现，年迈斯纳发现，超导体一旦进入超导状态，超导体一旦进入超导状态，体内的磁通量将全部被排体内的磁通量将全部被排出体外，磁感应强度恒为出体外，磁感应强度恒为零，且不论对导体是先降零，且不论对导体是先降温后加磁场，还是先加磁温后加磁场，还是先加磁场后降温，只要进入超导场后降温，只要进入超导状态，超导体就把全部磁状态，超导体就把全部磁通量排出体外。通量排出体外。NNS降温降温加场

3、加场S注：注：S表示超导态表示超导态N表示正常态表示正常态（2）迈斯纳效应）迈斯纳效应迈斯纳效应可以用磁悬浮实验来演示迈斯纳效应可以用磁悬浮实验来演示.当我们将永当我们将永久磁铁慢慢落向超导体时久磁铁慢慢落向超导体时,磁铁会被悬浮在一定的磁铁会被悬浮在一定的高度上而不触及超导体高度上而不触及超导体.其原因是其原因是,磁感应线无法穿磁感应线无法穿过具有完全抗磁性的导体过具有完全抗磁性的导体,因而磁场受到畸变而产因而磁场受到畸变而产生向上的浮力生向上的浮力. 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

4、是一种宏观的量子现象。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，迈斯纳效应和零电阻性质是超导态的两个独立的基本属性，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。1.2 超导的微观图像1.2.1 同位素效应 1950年麦克斯韦(EMaxwell)和雷诺R.A. Raynold)各自独立地测量了水银同性素的临界转变温度，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 MaTc常数 a =0.500.031.2.2 超导能隙电阻：电子在加速过程中遇到晶格的散射超导电性产生的可

5、能根源：电子和晶格点阵 之间的相互作用 T0K 下的正常态和超导态电子能谱1.2.3 电子声子的相互作用1 声子：每一个简正波的能量量子。物质2 电子声子的相互作用图1-2 电子使正离子位移从而吸引其它电子图1-3 由声子传递的电子电子相互作用示意图1.2.4 库柏电子对库柏证明： 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 k )；它的能量比两个独立的电子的总能量低，这种束缚态电子对称为库柏对。库柏电子对是现代超导理论的基础。1.2.5 相干长度 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

6、数不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。它描述了配对电子间的距离。几种物质在0K下的超导相干长度1.2.6 B.C.S 理论1957 年 巴丁、库柏、施里弗形成库柏对的条件1.3超导体的临界参数1 临界温度 Tc2 临界磁场 Hc Hc=Hc0(1-T2/Tc2) (T Tc)图1-43 临界电流 Ic Ic1/2 a Hc 图1-5 超导态与正常态的混合状态 1.3 超导体的分类超导体的分类 1.3.1 低温超导体低温超导体 临界温度在液氦温度以下的超导体称为低温超导体。随后人们又陆续发现了锡、铅等多种金属元素和许多合金以及化合物都具有超导现象

7、，但临界温度一直很低（在液氦温度以下）。经过多年的努力，如今人们已经可以使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，低温下沉淀成薄膜的技术，极快速冷却等），以前那些认为不能变成超导体的金属元素也已经在一定状态下使它们实现了超导态。 1元素超导体 常压下，在目前所能达到的低温范围内，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，Tc，W，Re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Tc,为7.8K，第三是Pb，7.197K，第四是La，6.00K。然

8、后是V，5.4K；Ta，4.47K；Hg，4.15K。以下依次为Sn、In、Ti、Al。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。2 合金超导体3 化合物超导材料 化合物超导体与合金超导体相比，临界温度和临界磁场(Hc2)都较高，至1986年，Nb3Ge的Tc=23.2K，为超导材料中最高。一般超过l0T的超导磁体只能用化合物系超导材料制造。复合法制复合法制Nb3Sn,V3Ga线材线材超导体R=0 (优点) 缺点 ：代价大B=0研究方向：TC1911-1986 4.2K 23.2KLaBaCuO 化合物在35K下的超导现象HgBa2Cun-1O2n+2.5 n=3

9、TC=134K超导体临界温度随年代的变化 由于超导材料的应用非常广泛，人们总由于超导材料的应用非常广泛，人们总是渴望得到高临界温度的超导体，遗憾是渴望得到高临界温度的超导体，遗憾的是，纯金属的超导临界温度都在的是，纯金属的超导临界温度都在10 K以下。以下。1987年，美籍华人科学家朱经武年，美籍华人科学家朱经武发现了发现了93K的超导材料；一个星期后，的超导材料；一个星期后，中国科学院物理研究所的赵忠贤宣布获中国科学院物理研究所的赵忠贤宣布获得了得了100 K以上的超导体，并公布为钇以上的超导体，并公布为钇-钡钡-铜铜-氧，从此，高温超导材料问世。氧，从此，高温超导材料问世。 目前氧化物高温

10、超导材料体系较多，目前氧化物高温超导材料体系较多，典 型 的 有 钇 系 （典 型 的 有 钇 系 （ 9 2 K ） 、 铋 系） 、 铋 系（110K）、铊系（）、铊系（125K）和汞系）和汞系（135K）以及）以及2001年年1月发现的新型月发现的新型超 导 体 二 硼 化 镁超 导 体 二 硼 化 镁 ( 3 9 K ） 。1986年年1月月 在美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎世实在美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎世实验室中工作的科学家柏诺兹和缪勒，首先发现钡镧铜验室中工作的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，将超导温度提高到氧化物是高温超导体，将超导温度提高到30K

11、；紧接；紧接着，日本东京大学工学部又将超导温度提高到着，日本东京大学工学部又将超导温度提高到37K。 1987年年1月初月初 日本川崎国立分子研究所将超导温度提高到日本川崎国立分子研究所将超导温度提高到43K；不久日本综合电子研究所又将超导温度提高到不久日本综合电子研究所又将超导温度提高到46K和和53K。中国科学院物理研究所由赵忠贤、陈立泉领导。中国科学院物理研究所由赵忠贤、陈立泉领导的研究组，获得了的研究组，获得了48.6K的锶镧铜氧系超导体，并看到的锶镧铜氧系超导体，并看到这类物质有在这类物质有在70K发生转变的迹象。发生转变的迹象。1987年年2月月16日日 美国国家科学基金会宣布，朱

12、经武与吴茂昆美国国家科学基金会宣布，朱经武与吴茂昆获得转变温度为获得转变温度为98K的超导体的超导体1987年年2 2月月2424号中国物理学家赵忠贤获得号中国物理学家赵忠贤获得110110K的超导材料；的超导材料； 1987年年3月月3日，日本宣布发现日，日本宣布发现123K超导体。超导体。 1987年年3月月12日日 中国北京大学成功地用液氮进行超导磁悬浮中国北京大学成功地用液氮进行超导磁悬浮实验。实验。 高温超导体的特征 高温氧化物超导体，从结构上都是从钙钛矿结构演变而来，目前共有4种典型的高Tc氧化物系列，即La-Sr-Cu-O (Tc 35K)，Y-Ba-Cu-O(Tc =90K)；

13、Bi-Sr-Ca-Cu-O(Tc 80K)；Ti-Ba-Ca-Cu-O(Tc 120K)。YBa2Cu3O6x的结构的结构 高温超导体在结构和物性方面具有以下特征：高温超导体在结构和物性方面具有以下特征：(1)(1)晶体结构具有很强的低维特点，三个晶格晶体结构具有很强的低维特点，三个晶格常数往往相差常数往往相差3 34 4倍；倍；(2)(2)输运系数输运系数( (电导率、电导率、热导率等热导率等) )具有明显的各向异性；具有明显的各向异性；(3)(3)磁场穿磁场穿透深度远大于相干长度，是第二类超导体；透深度远大于相干长度，是第二类超导体；(4)(4)载流子浓度低，且多为空穴型导电；载流子浓度低

14、，且多为空穴型导电；(5)(5)同位素效应不显著；同位素效应不显著；(6)(6)迈斯纳效应不完全；迈斯纳效应不完全；(7)(7)隧道实验表明能隙存在，且为库柏型配对。隧道实验表明能隙存在，且为库柏型配对。其它新型超导体 C60：有较大的发展潜力，由于它弹性较大，比质地脆硬的氧化物陶瓷易于加工成型，而且它的临界电流、临界磁场和相干长度均较大，这些特点使C60超导体更有望实用化。 C60被誉为21世纪新材料的”明星”，这种材料已展现了机械、光、电、磁、化学等多方面的新奇特性和应用前景。有人预言巨型C240、C540合成如能实现，还可能成为室温超导体新型MgB2超导线带材2001年1月，日本科学家发

15、现了临界转变温度为39 K的MgB2超导体，引起了全世界的广泛关注。综合制冷本钱和材料本钱，MgB2超导体在2030 K，低场条件下应用具有明显的价格上风，尤其是在工作磁场12 T的核磁共振成像MRI磁体领域。这也是国际MgB2超导体应用研究持续升温的关键原因之一。1.4 超导磁体的应用超导磁体的应用 过去在供电线路上启动一个大的常规电磁体耗电过多甚至会使一个城市的灯光变暗。利用超导磁体就没有这个问题了，一个五万高斯的中型常规电磁体可重达20吨，而超导磁体只不过几十公斤。造成重量差别如此悬殊的主要原因是由于超导线的载流能力比普通导线高出成百上千倍的缘故，另外由于电阻产生热量的缘故，常规电磁体在

16、磁场太高时，由于大电流产生的热量也较大，会导致电线绝缘体的熔解，这就造成了一个磁场强度最高限的问题。超导磁体发热量小，所以没有这个限制，同时体积和质量也较小，因此有很大的优势。超导磁体的诞生为物理学技术带来了重大的革新。在核物理、高能物理的研究中起到越来越重要的作用。科学研究中用超导体制造的离子加速器体积更小，加速效果也更好。发电机的输出容量与磁感应强度、电枢电流密度成正比，用铜铁等制成常规电机由于受磁化电荷的饱和强度所限，磁感应强度难以大幅增加。若采用超导材料，磁感应强度可提高5-15倍，而载流能力可以提高10-100倍。这样超导电机的输出功率就可以大大增加，同时电机重量也可以大大减轻。另外

17、超导磁体的完全抗磁性还被应用于磁悬浮列车中，使列车通过抗磁作用悬浮空中，从而减小阻力增加运行时速。总之超导材料在变压器、空间技术、受控热核反应以及计算机方面等很多方面都能起到重大的作用，可见超导技术有着广阔的发展和应用空间。 超导发电机在电力领域，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，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。 超导发电机，拥有两万千瓦的功率300KW超导单极发电机 完全导电性的运用完全导电性的运用 超导体的零电阻性在电能输送、能源的节约上的运用仍然是最主要的运用之一。当前为了降低

18、费用，长距离输电主要采用高压架空（HVOH）线路。现在实际运行的线路最高电压是单相765KV。随着电压的增加和功率水平的提高，在人口密集的大城市里这样的通道是很不经济，甚至是不可能的。然而超导电缆比任何技术上的竞争对手有较高的功率密度和较低成本超导输电线路 超导材料还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。超导导线(含2120根微米直徑之铌钛合金纤维)电缆芯、低温容器、终端和冷却系统四个部分高温超导电缆的

19、国际市场在2010年达到15亿美元铋系高温超导直流电缆 超导变压器超导电机超导限流器是利用超导体的超导/正常态转变特性，有效限制电力系统故障短路电流，能够快速和有效地达到限流作用的一种电力设备。 专家们预言，就高温超导体在电力系统中的应用而言，最先得到实际应用的将可能是超导限流器。并预计，超导限流器的国际市场在2010年左右将可望达到35亿美元超导限流器超导储能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它负载的一种电力设施。一般由超导线圈、低温容器、制冷装置、变流装置和测控系统几个部件组成。优点：1. 可长期无损耗地储存能量，其转换效率可达95%； 2.可通过

20、采用电力电子器件的变流器实现与电网的连接，响应速度快（毫秒级）； 3. 由于其储能量与功率调制系统的容量可独立地在大范围内选取，可建成所需的大功率和大能量系统； 4. 除了真空和制冷系统外没有转动部分，使用寿命长； 5.在建造时不受地点限制，维护简单、污染小。目前美国、日本、德国等一些发达国家在超导储能装置方面的研究上投入了大量的人力和物力，并且有许多在建的超导储能装置。2010年全世界对超导储能装置的需求在15亿美元左右。超导储能装置抗磁性应用超导磁悬浮列车-零高度的飞行器 超导材料的另一重要特征是具有完全的抗磁性。若把超导材料放在一块永久磁体之上，由于磁体的磁力不能穿过超导体，磁体和超导体

21、之间就会产生斥力，使超导体悬浮在磁体上方。利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车。在列车车轮旁边安装小型超导磁体，在列车向前行驶时，超导磁体则向轨道产生强大的磁场，并和安装在轨道两旁的铝环相互作用，产生一种向上浮力，消除车轮与钢轨的摩擦力，起到加快车速的作用。高温超导体在悬浮列车上应用的研究集中在日本。超导在运载上的其他应用可能还有用作轮船动力的超导电机、电磁空间发射工具及飞机悬浮跑道。德国磁悬浮列车 1999年月，日本研制的超导磁悬浮列车时速已达552公里，创世界铁路时速最高纪录。实验性行驶 西南交通大学研制成功的超导磁悬浮列车，最高设计时速达500公里 2002年4月5日我国第一条磁

22、悬浮列车试验线在长沙建成通车，设计时速150公里 核聚变反应堆“磁封闭体”利用超导体产生的巨大磁场，应用于受控制热核反应。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源成为21世纪前景广阔的新能源。中国科学院合肥等离子体物理研究所超导托卡马克HT-7巨大的电感线圈 原子弹爆炸蘑菇云 另外，超导磁体在医学上的重要应用是核磁共振成像技术，可分辨早期肿瘤癌细胞等，还可做心电图，脑磁图、肺磁图，研究气功原理等。利用超导体介子发生器可以治疗癌症，利用超导磁体

23、可以治疗脑血管肿瘤。生物科学上的应用人头颅核磁共振成像超导技术在军事上有广泛的应用前景超导计算机：超导计算机应用于C3I指挥系统，可使作战指挥能力迅速改善提高；超导探测器：利用超导器件对磁场和电磁辐射进行测量，灵敏度非常高，可用于探测地雷、潜艇，还可制成十分敏感的磁性水雷。超导红外毫米波探测器不仅灵敏度高，而且频带宽，探测范围可覆盖整个电磁频谱，填补现有探测器不能探测亚毫米波段信号的空白。利用超导器件制造的大型红外焦平面阵列探测器，可以探测隐身武器，将大大提高军事侦察能力。 大功率发动机：这种发动机具有能量大、损耗小、重量轻、体积小等优点，可用作飞机、舰艇等的动力装置。 超导储能系统：利用超导材