20135超导材料.ppt

1、功能材料超导材料,制造科学与工程学院,2,复习,超导体的两个基本特性及其关系、三个临界参数 零电阻效应和迈斯纳效应 由正常态转变到超导态,即电阻变为零的温度为临界温度； 将可以破坏超导态所需的最小磁场强度称为称为临界磁场; 产生临界磁场的电流，即超导态允许流动的最大电流称为临界电流。 BCS理论及其不足,3,Contents,超导现象及超导材料的基本性质,1,超导材料的应用,3,超导材料的发展展望,4,结束语,5,4,1911年Onnes H K研究发现，当温度降到4.2K时，汞的电阻率突然降低到接近于零。称为汞的超导现象。 超导材料的研究引起了广泛的关注，现已发现了上千种超导材料。,1.超导

2、现象及基本性质,超导电现象：材料的电阻随温度降低而减小并最终出现零电阻的现象。 超导体：低于某一温度出现超导电性的物质。,5,基本特性：零电阻现象和迈斯纳效应 零电阻现象(材料温度降至TC时，电阻变为零),1.1超导体的基本特性*,6,完全抗磁性（迈斯纳效应-磁感应强度总为零),因为外磁场的磁化使超导体表面产生感应电流，感应电流在超导体内产生的磁场正好和外磁场相抵消，导致超导体内部磁场为零。,1.1超导体的基本特性,7,迈斯纳效应： 材料进入超导态后，不允许磁场存在在它的体内,1.1超导体的基本特性,超导体,铁磁体,8,两者关系：零电阻效应和迈斯纳效应 相互独立又相互联系：单纯的零电阻不能保证

3、具有迈斯纳效应；而迈斯纳效应存在必定满足零电阻效应。,1.1超导体的基本特性,9,若要判断是否为超导体则至少必须符合下列四项： 1.必须在一确定的温度实现零电阻转变 2.在零电阻状态必须有迈斯纳效应存在 3.这个现象必须具有一定的稳定性及重现性 4.此一现象还需经由其它实验室重复和验证,1.1超导体的基本特性,10,(1)临界温度（Tc） 超导体从常导态转变为超导态的温度为临界温度。即临界温度就是电阻突然变为零时的温度。 目前已知的金属超导材料中铑的临界温度最低，为 0.0002K， Nb3Ge最高，为 23.3K。 由于材料的组织结构不同,导致临界温度跨越了一个个温度区域。 4个临界温度参数

4、,1.2超导体的临界参数*,11,临界温度参数： a.起始转变温度TC(on set) ，即材料开始偏离常导态线性关系时的温度； b.零电阻温度TC(n=0) ； c.转变温度宽度TC； d.中间临界温度TC(mid).,1.2超导体的临界参数,12,(2)临界磁场（HC） 足够的磁场会破坏超导性。 将可以破坏超导态所需的最小磁场强度称为临界磁场（HC）,1.2超导体的临界参数,Ho绝对温度时的临界磁场,13,(3)临界电流（IC） 产生临界磁场的电流，即超导态允许流动的最大电流临界电流（IC） IC=I (-T2/TC) I绝对零度时的临界电流;a超导体形成回路半径,2,1.2超导体的临界参

5、数,14,三者具有明显的相关性。只有当三个条件均满足超导材料本身的临界值时，才能发生超导现象（由Tc、Hc，Ic形成的闭合曲面内为超导态）。,(4)三个临界参数的关系,1.2超导体的临界参数,15,（按迈斯纳效应分）,(1)第一类超导体（软超导体） 当H HC 时，B0 (H+M) 第一类超导体只有一个临界磁场，即HC 只有一个特征值。特征是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。,1.3超导体的种类,16,（按迈斯纳效应分）,(1)第一类超导体（软超导体） 除钒、铌、钌外，元素超导体都是第一类超导体。临界电流密度和临界磁场较低，因而没有很好的实用价值。,1.3超导体的种类,17

6、,(2)第二类超导体（硬超导体） 当H HC2 时，B(H+M),1.3超导体的种类,18,(2)第二类超导体（硬超导体） A 由正常态转变为超导态时有一个中间态 B 混合态中有磁通线存在，而第I类超导体没有 C 有更高的临界磁场、临界电流密度和更高的临界温度,1.3超导体的种类,钒、铌以及大多数合金或化合物超导体均属于第二类,19,1.4超导体的微观机制,1.4.1 BCS理论 1957年 J.巴丁(美) L.N.库珀(美) J.R.斯莱弗(美) 提出所谓BCS理论的超导性理论。 (1972年获诺贝尔物理学奖),20,常导体导电性： 在常温下，金属原子失去外层电子，自由电子无序地充满在正离子

7、周围。在电压作用下，自由电子的定向运动就成为电流。自由电子在运动中受到的阻碍称为电阻。,1.4.1 BCS理论,21,1.4.1 BCS理论,BCS理论：当超导临界温度以下时，自由电子将不再完全无序地“单独行动”，会形成“电子对”（即“库珀电子对”）。温度愈低，结成的电子对愈多，电子对的结合愈牢固。在电压的作用下，有秩序的电子对按一定方向畅通无阻地流动起来。,22,当温度升高后，电子对因受热运动的影响而遭到破坏，就失去了超导性。 以上就是著名的BCS理论，它表现了目前许多科学家对超导现象的理解，但这并不是最终答案，不能解释30K以上超导现象。 高温超导体的发现又需要人们进一步探索超导的奥秘。,

8、1.4.1 BCS理论,23,隧道效应：电子具有穿过比其自身能量还要高的势垒（阻挡层）的本领。 穿透几率随势垒的高度和宽度的增加而迅速减小。 如果在两块Al夹入一层很薄的势垒(10-10m)，当在两块Al之间加上电势差后，就有电流流过绝缘层，这就是正常金属的隧道效应。,1.4.2 隧道效应,24,经典 量子,U,EU,EU,25,1.4.2 隧道效应,1962年，剑桥大学的约瑟夫逊计算表明，当绝缘层小于1.5210-9m时，除了正常电子的隧道电流外，还会出现一种与库珀电子对相联系的隧道电流，而且库珀电子对穿越势垒后，仍保持其配对的形式。 这种不同于单电子隧道 效应的新现象，称为约 瑟夫逊效应。

9、,26,所谓约瑟夫逊效应就是把两个超导体材料靠得非常近时，即使它们之间的物质是绝缘的也会有电流流过 运用这个效应的器件就叫做约瑟夫逊元件通过调节两块超导体间的绝缘层的厚薄，可以使其电压比某一特定值大时才有电流通过，小时则没有。 可以用约瑟夫逊元件测量弱磁场和弱电流。,1.4.2 隧道效应,27,2.超导材料的发展及分类,1913年 H.K.昂尼斯(荷兰) 在低温下研究物质的性质并发现了汞的零电阻现象； 1972年 J.巴丁(美) L.N.库珀(美) J.R.斯莱弗(美) 提出BCS超导性理论； 1973年 B.D.约瑟夫森(英) 关于固体中隧道现象的发现,从理论上预言了超导电流能够通过隧道阻挡

10、层(即约瑟夫森效应)； 1988年 J.G.柏诺兹(美) K.A.穆勒(美) 发现新超导体(LaBaCuO) 2003年 A阿布里科索夫、A莱格特(美)、W金茨堡(俄)“表彰三人在超导体和超流体领域中做出的开创性贡献。,超导研究获诺贝尔物理学奖情况,28,Could it be you?,2.1超导材料的发展,29,低温超导体：元素超导体，合金超导体，化合物超导体 高温超导体：氧化物超导体，非氧化物超导体 非晶态超导体、复合超导体等,2.2 超导材料的分类,30,在低温常压下，具有超导特性的元素共有32种，由于Tc太低，无太大实用价值。Nb最高，仅为9.26K,2.2.1低温超导体,(1) 元

11、素超导体,31,(2)合金超导体(第二类超导体) 特点：具有较高的Tc和高的Hc及Ic；机械强度高、应力应变较小、塑性好、成本低易于大量生产的超导体，在超导磁体、超导大电流输送等得到实际应用。 超导合金主要有Ti-V、Nb-Zr、Mo-Zr、Nb-Ti等合金系。,2.2.1低温超导体,32,Nb-Ti合金 性能稳定，生产成本低，制造工艺成熟。使用最为广泛，制造超导线材。 Nb-Ti合金的TC随成分而变化。含Ti为50%时，TC为9.9K；同时，随Ti含量增加，强磁场的特性会提高。,2.2.1低温超导体,33,b. Nb-Zr合金（应用最早的超导线） 特点：低磁场、高电流，延展性好、抗拉强度高。

12、但工艺复杂，制造成本高，逐渐被Nb-Ti合金替代。 在含1030%Zr时，TC最大，为11K；临界磁场也取决于Zr的含量，含6575%时达到最大。,2.2.1低温超导体,34,c. 三元系合金（改善二元合金的性能） 主要有：Nb-Zr-Ti、Nb-Ti-Ta、Nb-Ti-Hf等 是制造磁流体发电机大型磁体的理想材料。 如：Nb-Ti-Ta合金，加入5%的Ta，TC升高1K; 对合金热处理(400oC)后，可以提高IC。,2.2.1低温超导体,磁流体发电，是将带电的流体(离子气体或液体)以极高的速度喷射到磁场中去，利用磁场对带电的流体产生的作用，从而发出电来。,35,(3)化合物超导体 一般为金

13、属间化合物(过渡族金属元素之间形成 ) 金属间化合物超导体的临界温度与临界磁场一般比合金超导体的高(Nb3Sn化合物临界温度可达18K)用作强磁场超导材料 但此类超导体的脆性大，不易直接加工成带材或线材。,2.2.1低温超导体,36,(3)化合物超导体 Nb3Sn超导化合物：高的临界温度（18K），高临界磁场（4.2K下，22.1T），高临界电流（10T下，4.5105A/cm3），用来制作815T的超导磁体。 超导性能与化学成分、制备方法、热加工工艺等密切相关。,2.2.1低温超导体,37,(3)化合物超导体 Nb3(Al,Ge)化合物： (Nb3Ge临界温度23.2K) 特点：高临界磁场（

14、4.2K下，42T），是现有超导材料中最高的；较低的临界电流（103104A/cm3。,2.2.1低温超导体,38,2.2.1低温超导体,2001年1月10日，日本青山学院大学教授秋光纯的研究小组发现金属间化合物MgB2具有超导电性，超导转变温度高达39K。 二硼化镁结构简单，易于制作和加工，有着广阔的应用前景。 迄今为止， MgB2的超导转变温度是简单金属化合物中最高的。,二硼化镁（MgB2）超导体的发现,39,MgB2超导材料块材的制备（固相法）,日本秋光纯: 99.9Mg99B MgB2 （压制成小球高压氮气加热） 中国科学院： Mg(分析纯)B(单质) MgB2(高纯) （用铂金包裹,

15、T=1173K,P=3.0GPa,烧结t=1030min) 兰州大学 Mg(过量10分析纯)B(非晶) MgB2(高纯) （用钽箔包裹,T=1073K,烧结t=4h）,2.2.1低温超导体,40,2.2.1低温超导体,不足之处：磁场会严重影响MgB2的超导性能，大大降低它所能承载的最大电流。 美国科学家在MgB2中掺入了一点氧，结果发现其抗磁能力大大增加，Ic也有所提高。 英国科学家则使用质子束轰击MgB2 ，以打乱其晶体中原本有规则的原子结构，使磁场对MgB2超导性能的影响力下降。,二硼化镁（MgB2）超导体的发现,41,1986年后发现了更高临界温度的超导体，如YBaCuO（Tc90K）、

16、TiBaCaCuO（Tc120K）等。最大缺点为脆性大，加工困难。 高温超导材料：Tc77K（液N温度）,2.2.2高温超导体,著名高温超导物理学家,42,2.1超导材料的发展,43,(1)氧化物超导体,2.2.2高温超导体,1987年起，超导材料临界温度TC提高到77K，高温超导材料经历了四代： 第一代钇系，如Y-Ba-Cu 氧化物， TC=90K； 第二代铋系，如Bi-Sr-Ca-Cu氧化物；TC=114-120K； 第三代铊系，如Ta-Ca-Ba-Cu氧化物，TC=122-125K; 第四代汞系，如Hg-Ca-Ba-Cu氧化物， TC=135K。,44,(1)氧化物超导体,2.2.2高温

17、超导体,特点：具有与低温超导体相同的超导特性，即：零电阻特性、迈斯纳效应和约瑟夫逊效应。 均含有铜和氧，也称为铜氧基超导体。具有类似的层状结晶结构，铜氧层是超导层。,45,(1)氧化物超导体,2.2.2高温超导体,Y-Ba-Cu O超导体， TC=90K 制备工艺：简单,加热到900 ,原材料 (氧化物或碳酸物),钇钡铜氧 化合物粉,化学剂量比,烧结 成块,超导 块材,压制成形,氧气炉热处理,加热到1000 ,加热到450 ,46,Y-Ba-Cu-O 三个限制因素所围的范围最大,即超导性質的应用较广,不同种类超导体之三个限制因素范围示意图示意图,2.2.2高温超导体,47,(2)非氧化物超导体

18、 主要是C60化合物。 C60分子是一种由60个碳原子构成的分子，它形似足球，因此又名足球烯。 极高的稳定性、低成本,2.2.2高温超导体,48,(2)非氧化物超导体 1991年C60晶体的超导转变温度只有18K，通过掺杂 三氯甲烷CHCl3，C60的超导转变温度达到了80K。 2001年美国物理学家舍恩研究小组，通过在C60晶体中掺杂有机化合物,成功地将C60的超导转变温度提高到117K，使C60步入高温超导行列。,2.2.2高温超导体,49,(2)非氧化物超导体 C60超导体有较大的发展潜力，由于它弹性较大，比质地脆硬的氧化物陶瓷易于加工成型，而且参数较大，使C60超导体更有望实用化。 以

19、铜为主的金属氧化物虽然临界温度高，但其成本远远高于C60。正是由于C60将超导温度推向更高水平，C60的超导性被美科学杂志评为2001年十大科技突破之一。,2.2.2高温超导体,(2)非氧化物超导体 2008年2月，日本科学家于首先报告说，氟掺杂镧氧铁砷化合物在临界温度26K时有超导特性。 一个月后，中国科技大学陈仙辉和中国科学院物理研究所的王楠林报导，氟掺杂钐（铈）氧铁砷化合物的临界温度突破了常规超导体40K的极限。 紧接着物理所的赵忠贤领导的研究小组又将临界温度提高到55K。,50,2.2.2高温超导体,51,高温超导材料制备所面临的问题：,材料制造成本高, 价格昂贵。 高温超导材料临界电

20、流和临界磁场的提高仍是科学家研究的难题。 在长距离超导线材的制造上面仍然有很大的难度。,-Robert F. Serverce.Science,295,786(2002).,2.2.2高温超导体,52,2.2.3 复合超导体,复合材料：由2种或2种以上不同原材料组成，并使原材料性能得到充分发挥，通过复合化而得到单一材料所不具备的性能 由许多超导线（或带）与良导体（Cu）复合形成复合超导体 特点：可承载更大的电流；减少退化效应，增加 超导的稳定性，提高超导的机械强度和超导性能,53,3 超导材料的应用,应用的依据是超导的基本特性。 主要基于超导体的零电阻特性以及非理想第二类超导体所特有的高临界电

21、流密度和高临界磁场。,54,3 超导材料的应用,超导的应用可以分为大电流应用(强电强磁)、电子学(弱电弱磁)及抗磁性的应用。 大电流应用: 超导发电、输电和储能等； 电子学应用: 超导计算机等电子信息领域； 抗磁性的应用: 磁悬浮列车、热核聚变反应堆等,55,(1) 电力输送 目前有大约15%的电能损耗在输电线路上，采用超导体输电，可大大减少损耗，且省去了变压器和变电所。,3.超导材料的应用实例,将超导电缆放在绝缘、绝热的冷却管里，管里盛放冷却介质（液氦）等。冷却介质经过冷却泵站进行循环使用，保证整条输电线路都在超导状态下运行。这样的超导输电电缆比普通的地下电缆容量大25倍，可以传输几万安培的

22、电流，电能消耗仅为所输送电能的万分之几。,56,(2)超导发电机,3.超导材料的应用实例,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。 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 50,57,（3）超导磁流体发电,3.超导材料的应用实例,是靠燃料产生带电的高温等离子体，将其以极高速度喷射到磁场中，利用磁场对带电的流体产生的作用而发电。 超导磁流体发电：可以产生较大磁场、损耗小、体积重量小。 适用于大功率的脉冲电源和舰艇电力推进。 传统的火力发电：化学能 热能 机械能 电

23、能,58,(4)磁悬浮列车日本Yamanachi (山梨县) 超导磁浮列車-推进原理:,安装在轨道两旁的推进线圈产生变换磁场，使得线圈的电流一正一反不断地流动，车上超导磁铁(低温超导线圈) 受到线圈产生的变换磁场有着连续的吸引力与推进力。,轨道两旁墙上的推进线圈,超导磁铁,3.超导材料的应用实例,59,根据美国20年前的研究，磁浮火车根本是行不通的： 1.磁浮火车需要使用大量电力才可把车浮起，而轨道的电磁铁也需在零下250度(大约)才可产生足够的斥力浮起列车。 2.倘若路轨一但有旧电磁铁坏掉，列车便会猛然停下，太危险了！ 基于上述原因，所以美国到现在还没有磁浮火车。,3.超导材料的应用实例,6

24、0,(5) 超导计算机 速度是计算机永远追求的主题,计算机有很多电子组件以导线连接，导线电阻发热，连接不能太密，否则温度升太高时计算机会过热而死机，但若用超导线，则无此问题，故可把计算机速度提高。 如把超导数据处理器与外存储芯片组装成约瑟夫逊式计算机，在1s内可进行10亿次的运算，是现在大型计算机速度的15倍。,3.超导材料的应用实例,61,(6)超导磁性储能 具有高载流能力和零电阻特点，可以储存大量能量。 假如超导体线圈做得很大时，则在线圈内所储存的能量很大，当需要使用超导线圈内的能量时，可把控温区升温到大于TC，这时电流被迫向外流，即可把超导线圈当成电源供应器。,3.超导材料的应用实例,飞

25、轮储能系统,62,(6)超导磁性储能 美国已经设计出一种大型超导磁能存储系统，采用NbTi电缆和液氦冷却，储能环的半径为750米，埋在地下洞穴内。可储存5000兆瓦小时的巨大电能（相当于4300吨炸药爆炸时产生的能量），转换时间为几分之一秒，其效率达到98。,3.超导材料的应用实例,63,（7）低温超导除铁器 中科院高能物理所最新研制成功我国第一台低温超导除铁器。该装置高两米，重7吨左右，在通电后它会产生强大的磁力，吸走煤炭等原料中的细小铁杂物。由于采用了低温超导技术，这一装置的耗电量仅是普通工业除铁器的10%。 我们研制成本300万人民币， 国外卖到我们中国一台就是 800万人民币。,3.超导材料的应用实例,64,（9）核磁共振仪 作成超导电磁体，由于没有电阻发热的问题，消耗能量少，也可