电性材料-超导材料

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一．引言电性材料的分类，按电性性能可分为导体、半导体、超导体和绝缘材料等四类；从应用角度可分为导电材料、电阻材料、电热材料和绝缘材料等。电性材料性能的差异与其成分、组织、结构、以及外界环境（如温度、压力、磁场）都密切相关。电性材料在日常的生活中应用十分广泛，再此主要介绍一下超导材料。二•超导材料（SuperconductorMaterials）1．绪论超导材料是近40年发展起来的高科技技术，它在电工、交通、医疗、工业、国防和科学实验等高科技领域都有着重要的现实意义和巨大的发展前景。许多科学家认为超导技术将是21世纪具有经济战略意义的高新技术，极具发展潜力和市场前景。是本世纪高新技术发展的一个重要方向。我国自20世纪60年代末即开始超导技术的研究，经30多年的努力，在超导磁体技术及其应用、超导材料研究、超导电子学以及超导基础研究方面都取得很大成绩。2•超导材料的发展历程⑴1908年荷兰莱顿（Leiden）大学的卡末林•昂尼斯（KamerlinghOnnes）教授成功地将氦气液化，达到4.2K的低温。1911年，昂尼斯发现，水银（Hg）的电阻在液氦低温条件下（4.15K）突然降为零。随后的持续电流实验证实，此时的电阻率约为10-23Q・cm。而良导体铜在4.2K以下时的、现超KQ045At4.2K,the0」25resistance of0.10Hg0、现超KQ045At4.2K,the0」25resistance of0.10Hg01**・U.0750.05In、Ta、Nb等In、Ta、Nb等年纯元素超导体的发现，例如Pb、⑶1933年，迈斯纳（W^Peissner，）和奥森菲尔德（R^WhHSff导体具有完全抗磁性，又称为迈斯纳效应。⑷1933〜1953年发现了合金、过渡金属碳化物和氮化物的超导体。⑸1953〜1973年Tc>17K的VSi、NbSn等。1969年，超导纤维研制成功。3 31957年，巴丁、库柏和施里弗（JohnBardeen,LeonCooper,andJohnSchrieffer）等人基于同位素效应、超导能隙等重要实验结果，提出了超导微观理论，即著名的BCS理论，从而解决了超导微观机理的问题，但是由于BCS理论是弱耦合理论，对描述强耦合作用的情况有所缺失，伊里士伯格和麦克米兰等人又发现超导的强耦合理论。⑹1973年NbGa、NbGe等，最高Tc=23.2K。金属氧化物超导体被发现。33⑺1975年500Km/h的磁悬浮列车研制成功。⑻1986年，缪勒和贝德罗兹发现BaLaCuO钡镧铜氧化物中“可能存在高温超导电性”，他们发现当温度降低到35K时BaLaCuO的电阻徒降，到13K时的电阻完全消失。这就揭开了高温超导电性研究的新篇章，将超导体妈的范围从金属材料扩展到氧化物陶瓷材料。⑼1987年，随后美籍华人朱经武和中国科学院的赵忠贤等各自独立地研制出YBaCuO钇钡铜氧化物系的陶瓷超导体，其临界温度Tc达到90K，液氮的禁区（77K）奇迹般地被突破了。⑽1988〜2000年高温超导迅猛发展，Tc不断升高，已达132K。3•超导材料的有关概念⑴超导材料的概念又称为超导体（superconductor）,指可以在在特定温度以下，呈现电阻为零的导体。零电阻和完全抗磁性是超导体的两个重要特性。零电阻：卡末林•昂尼斯指出：在4.2K以下，水银进入一种新的物态。在这种新的物态中，通常用超导体一词表示当冷却到一定温度以下时，能表现出超导电性的材料。当超导体显示出超导电性时，超导体处于超导态时，否者处于正常态。完全抗磁性：指超导体处于超导态时，只要外加磁场强度不超过一定值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零的现象。根据这两个特性有许多应用。⑵临界温度Tc外磁场为零时超导材料由正常态转变为超导态（或相反）的温度，使超导体电阻为零的温度，叫超导临界温度，以T表示。T值因材料不同而异。已C C测得超导材料的最低T是钨，为0.012K。目前，临界温度最高值已提高到C150K左右。临界温度T的测量主要有电测法和磁测法两种：电测法是利用零电阻C效应，磁测法是利用超导体的磁性来测量T。电阻也有不是徒降的情况，存在电阻转变区间，即零电阻温度和起始转变温度。由正常态向超导态的过渡是在一个有限的温度间隔内完成的，称这个温度间隔为转变宽度厶T。C⑶临界磁场Hc零电阻现象发现之后，卡末林•昂尼斯随后又发现超导体在一定的外磁场作用下会失去超导电性。卡末林•昂尼斯发现超导体之后，就立刻想到做一个没有损耗的磁体，但是他用一个磁场加到超导体上之后，当磁场达到一定值时，超导体就恢复了电阻，回到正常态。是超导体电阻恢复的磁场值称为临界磁场Hc。⑷迈斯纳效应当超导体处于超导态时，其内部磁感应强度为零，且与先加磁场在降温至超导态，或是先进入超导态在加磁场的过程无关。这与理想导体的性能不太一样。在迈斯纳效应发现之前，人们一直将超导体视为理想导体。这一发现表明，超导体除了具有零电阻特性外，还具有完全抗磁性。这两个特性就是超导体的两个基本特性。迈斯纳效应还表明，超导态是一种热力学状态，可利用热力学的研究方法进行研究。不论开始时有无外磁场，只要TVTC，超导体变为超导态后，体内的磁感应强度恒为零，即超导体能把磁力线全部排斥到体外，这种现象称为迈斯纳效应。如图1所示。从上图可以的结论：材料进入超导态后，不允许磁场存在它的体内，这样超导体在磁场中的行为，将与加磁场的次序无关，或者说与历史无关，不同于理想导体。⑷BCS理论1957年美国物理学家巴丁、库柏和施里弗(JohnBardeen,LeonCooper,andJohnSChrieffer)找到了超导电性的起因，解释金属超导现象的重要理论就是建立的电声作用形成库柏电子对的理论，简称BCS理论，较圆满的解释了超导现象。BCS理论的机理：电子在晶格中移动时会吸引临近格点上的正电荷，导致格点的局部畸变，形成一个局域的高正电荷区。这个局域的高正电荷区会吸引自旋相反的电子，和原来的电子以一定的结合能相结合配对。在很低的温度下，这个结合能可能高于晶格原子振动的能量，这样，电子对将不会和晶格发生能量交换，也就没有电阻，形成所谓“超导”。BCS理论的缺陷：BCS理论并无法成功解释所谓第二类超导，或高温超导的现象。4．超导材料的分类⑴第I类超导体概念：大多数纯超导金属元素的界面能为正，称为第一类超导体。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，该类超导体的熔点较低，质地较软，亦被称作软超导体。特征：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。局限性：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。⑵第II类超导体概念：对于许多超导合金和少数几种纯超导金属元素来说，其界面能为负，称为第二类超导体。特征：第二类超导体由正常态转变为超导态时有一个混合态。第二类超导体的混合态中有磁通线存在，而第一类超导体没有。一般来说，第二类超导体的临界温度T要比第一类超导体的高得多。、 C⑶低温超导体（（Low-temperatureSuperconductors）。概念：将临界温度Tc在液氦沸点以下的超导体称为低温超导体。分类：强电超导材料可可承受大电流和强磁场。弱电超导材料仅涉及小电流和若磁场。⑷高温超导体（（High-temperatureSuperconductors）概念：将临界温度Tc在液氦沸点以上的超导体称为高温超导体。特征：高温超导体属于第二类超导体，且具有比低温超导体更高的临界磁场和临界电流，因此是更接近于实用的超导材料。特别是在低温下的性能比传统超导体高得多。分类：目前，高温超导材料指的是：镧系、钇系、铋系、铊系（125K）和汞系（135K）以及2001年1月发现的新型超导体二硼化镁（39K）。其中最有实用价值的是铋系、钇系（YBC0）和二硼化镁（MgB）有钙钛矿层2状结构的复杂物质，在正常态它们都是不良导体。同低温超导体相比，高温超导材料具有明显的各向异性，在垂直和平行于铜氧结构层方向上的物理性质差别很大。1987年发现钇系的高温超导氧化物的Tc约为90K,铋系的高温超导氧化物的Tc约为110K。高温超导氧化物的Tc>77K,即在液氮（77K）条件下具有超导电性。因此，高温超导材料的发现，使超导电性的实验研究和超导装置的运行操作，摆脱了昂贵和苛刻的液氦低温条件。2001年3月初，日本科学家报道，二元材料MgB在39K左右表现2出超导特性。这个发现迅速激起了世界范围内的研究热潮。对MgB超导2体性质的研究进展非常迅速，对其超导机理的认识也不断深化。理论计算表明，在MgB中有不只一个能带跨越费米面，而且电声耦合所造成的2费米面失稳完全可能在两个能带来费米面处产生能隙，这一点是MgB超2导体与传统导体的不同之处。4．超导材料的制备工艺⑴对于块体材料：混合原料粉体一成型一烧结一磨削一成型一烧成。⑵陶瓷超导材料：制备工艺有固相法、液相法和气相法。陶瓷超导材料制备工艺介内容简沪适宜制作的就卑彩上粉未盅金管闵电護法h粘塔趙｛谢梅反应序艶析出!等觥区游褪，熔附体生长袪｛烟駐体急播烏联体覘枸张導）用机如野绘（电干讎订子束朴『离乎東丽血IHHtlt学气相加亂|际神敷光栢丸学罪寵陆尊L觀o o5．超导材料的应用⑴开发新能源①核聚变反应堆“磁封闭体”热核反应堆是利用氢的同位素氘和氚的原子核实现核聚变的核反应堆。与目前核电站利用核裂变发电相比，用受控核聚变的能量释放大、实验资源丰富、成本低、安全可靠等优点。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1亿到2亿摄氏度，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。②超导磁流体发电由于超导材具有零电阻和完全的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就可以获得的稳定强磁场，可用于制交流超导发电机，利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场提高到5万〜6万高斯并没有能量损失，且单机发电容量比常规发电机提高5〜10倍达1兆瓦，而体积却减少1/2,整机重量减轻1/3，发电效率提高50%。可用于磁流发电机磁流体发电。磁流体发电机的结构非常简单，用于磁流体发电的高温导电性气体还可重复利用。⑵节约能源①超导输电超导输电线和超导变压器可以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上，在中国每年的电力损失达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。根据超导电缆绝缘介质的工作温度,电缆可分为室温介质绝缘电缆和低温介质绝缘电缆。室温介质电缆的主要优点是结构简单,它具有和常规电缆相似的绝缘结构,输送容量比常规电缆大3倍以上。室温介质电缆在液氮温度条件下,电缆的绝缘层则工作在室温条件下,其绝缘的加工和安装也相对简单。同时,绝缘材料的选择具有较大的空间,加工技术比较成熟。相对于低温介质电缆,室温介质电缆具有损耗较大,运行费用较高等缺点。室温介质电缆绝缘加工在电缆低温容器上,电缆整体尺寸较大,通常为单芯电缆。低温介质绝缘电缆的电绝缘层和超导带均工作在液氮温度下。液氮作为复合电绝缘的一部分起着一定的绝缘作用。相对于室温介质电缆,低温介质绝缘电缆传输容量更大,损耗更小,运行成本较低。其输送容量可达常规电缆大5倍以上,但存在结构复杂,耗用的超导带材较多等不足,低温下绝缘材料的长期可靠性等方面尚缺乏足够的验证。低温介质电缆设计有单芯和三芯两种结构。三芯电缆的3根导体工作在同一个低温容器中。三芯电缆还可设计为三相轴电缆⑶超导悬浮列车磁悬浮列车是由无接触的电磁悬浮、导向和驱动系统组成的新型交通工具，磁悬浮列车分为超导型和常导型两大类。单地说，从内部技术而言，两者在系统上存在着是利用磁斥力、还是利用磁吸力的区别。从外部表象而言，两者存在着速度上的区别：超导型磁悬浮列车最高时速可达500公里以上（高速轮轨列车的最高时速一般为300—350公里），在1000至1500公里的距离内堪与航空竞争；而常导型磁悬浮列车时速为400〜500公里，它的中低速则比较适合于城市间的长距离快速运输。这两种类型在经济技术等指标上各有高下。而超导型磁悬浮列车也称超导磁斥型，以日本MAGLEV为代表。它是利用超导磁体产生的强磁场，列车运行时与布置在地面上的线圈相互作用，产生电动斥力将列车悬起，悬浮气隙较大，一般为100毫米左右，速度可达每小时500公里以上。如果磁悬浮列车在真空隧道中运行，其速度可达1600km/h，比超音速飞机还快。⑷其他领域的应用超导材料在研究领域的应用、电子信息领域的应用、军事领域的应用、医学领域都有广泛应用前景。如高速计算机要求集成电路芯片上的元件和