第1 章 超導材料 講稿

1、第1章 超導材料1.1概述1911年 荷蘭物理學家 昂尼斯 汞 : 超導態(tài) TC4.2 K R=0 1913獲得Nobel 獎1、超導現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展、超導現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展1911年年 卡茂林卡茂林昂尼斯意外地發(fā)現(xiàn)，將汞冷卻昂尼斯意外地發(fā)現(xiàn)，將汞冷卻到到268.98時，汞的電阻突然消失；后來他時，汞的電阻突然消失；后來他發(fā)現(xiàn)許多金屬和合金都具有與上述汞相類似發(fā)現(xiàn)許多金屬和合金都具有與上述汞相類似的低溫下失去電阻的特性的低溫下失去電阻的特性 1913年年 卡茂林卡茂林昂尼斯在諾貝爾領獎演說中指昂尼斯在諾貝爾領獎演說中指出：低溫下金屬電阻的消失出：低溫下金屬電阻的消失“不是逐漸的，不是逐漸的，而是

2、突然的而是突然的”，水銀在，水銀在4.2K進入了一種新狀進入了一種新狀態(tài)，由于它的特殊導電性能，可以稱為超導態(tài)，由于它的特殊導電性能，可以稱為超導態(tài)態(tài)” 邁斯納效應又叫完全抗邁斯納效應又叫完全抗磁性，磁性，1933年邁斯納發(fā)現(xiàn)，年邁斯納發(fā)現(xiàn)，超導體一旦進入超導狀態(tài)，超導體一旦進入超導狀態(tài)，體內(nèi)的磁通量將全部被排體內(nèi)的磁通量將全部被排出體外，磁感應強度恒為出體外，磁感應強度恒為零，且不論對導體是先降零，且不論對導體是先降溫后加磁場，還是先加磁溫后加磁場，還是先加磁場后降溫，只要進入超導場后降溫，只要進入超導狀態(tài)，超導體就把全部磁狀態(tài)，超導體就把全部磁通量排出體外。通量排出體外。NNS降溫降溫加場

3、加場S注：注：S表示超導態(tài)表示超導態(tài)N表示正常態(tài)表示正常態(tài)（2）邁斯納效應）邁斯納效應邁斯納效應可以用磁懸浮實驗來演示邁斯納效應可以用磁懸浮實驗來演示.當我們將永當我們將永久磁鐵慢慢落向超導體時久磁鐵慢慢落向超導體時,磁鐵會被懸浮在一定的磁鐵會被懸浮在一定的高度上而不觸及超導體高度上而不觸及超導體.其原因是其原因是,磁感應線無法穿磁感應線無法穿過具有完全抗磁性的導體過具有完全抗磁性的導體,因而磁場受到畸變而產(chǎn)因而磁場受到畸變而產(chǎn)生向上的浮力生向上的浮力. 邁斯納效應的意義在于否定了把超導體看作理想導體，還指明超導態(tài)是一個熱力學平衡的狀態(tài)，與怎樣進入超導態(tài)的途徑無關，從物理上進一步認識到超導電性

4、是一種宏觀的量子現(xiàn)象。僅從超導體的零電阻現(xiàn)象出發(fā)得不到邁斯納效應，同樣用邁斯納效應也不能描述零電阻現(xiàn)象，因此，邁斯納效應和零電阻性質(zhì)是超導態(tài)的兩個獨立的基本屬性，衡量一種材料是否具有超導電性必須看是否同時具有零電阻和邁斯納效應。1.2 超導的微觀圖像1.2.1 同位素效應 1950年麥克斯韋(EMaxwell)和雷諾R.A. Raynold)各自獨立地測量了水銀同性素的臨界轉變溫度，結果發(fā)現(xiàn)：隨著水銀同位素質(zhì)量的增高，臨界溫度降低。對實驗數(shù)據(jù)處理后得到原子質(zhì)量M和臨界溫度Tc的簡單關系 MaTc常數(shù) a =0.500.031.2.2 超導能隙電阻：電子在加速過程中遇到晶格的散射超導電性產(chǎn)生的可

5、能根源：電子和晶格點陣 之間的相互作用 T0K 下的正常態(tài)和超導態(tài)電子能譜1.2.3 電子聲子的相互作用1 聲子：每一個簡正波的能量量子。物質(zhì)2 電子聲子的相互作用圖1-2 電子使正離子位移從而吸引其它電子圖1-3 由聲子傳遞的電子電子相互作用示意圖1.2.4 庫柏電子對庫柏證明： 當電子間存在這種凈的吸引作用時，費米面附近 存在一個動量大小相等而方向相反且自旋相反的兩電子束縛態(tài)，記為(k k )；它的能量比兩個獨立的電子的總能量低，這種束縛態(tài)電子對稱為庫柏對。庫柏電子對是現(xiàn)代超導理論的基礎。1.2.5 相干長度 皮帕德(ABPippard）證明，當一個電子從金屬的正常區(qū)移動到超導區(qū)時，其波函

6、數(shù)不能從它的正常態(tài)值突然轉變?yōu)槌瑢B(tài)的值，這種轉變只能發(fā)生在一個距離上，被稱為相干長度。它描述了配對電子間的距離。幾種物質(zhì)在0K下的超導相干長度1.2.6 B.C.S 理論1957 年 巴丁、庫柏、施里弗形成庫柏對的條件1.3超導體的臨界參數(shù)1 臨界溫度 Tc2 臨界磁場 Hc Hc=Hc0(1-T2/Tc2) (T Tc)圖1-43 臨界電流 Ic Ic1/2 a Hc 圖1-5 超導態(tài)與正常態(tài)的混合狀態(tài) 1.3 超導體的分類超導體的分類 1.3.1 低溫超導體低溫超導體 臨界溫度在液氦溫度以下的超導體稱為低溫超導體。隨后人們又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了錫、鉛等多種金屬元素和許多合金以及化合物都具有超導現(xiàn)象

7、，但臨界溫度一直很低（在液氦溫度以下）。經(jīng)過多年的努力，如今人們已經(jīng)可以使大部分金屬元素都具有超導電性。在采用了特殊技術后（如高壓技術，低溫下沉淀成薄膜的技術，極快速冷卻等），以前那些認為不能變成超導體的金屬元素也已經(jīng)在一定狀態(tài)下使它們實現(xiàn)了超導態(tài)。 1元素超導體 常壓下，在目前所能達到的低溫范圍內(nèi)，已發(fā)現(xiàn)具有超導電性的金屬元素有28種。其中過渡族元素18種，如Ti，V，Zr，Nb，Mo，Tc，W，Re等。非過渡族元素10種，如Bi，Al，Sn，Cd，Pb等。按臨界溫度高低排列，Nb居首位，臨界溫度9.24K；其次是人造元素Tc,為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。以下依次為Sn、In、Ti、Al。研究發(fā)現(xiàn)，在施以30萬大氣壓的條件下超導元素的最高臨界溫度可達13K。2 合金超導體3 化合物超導材料 化合物超導體與合金超導體相比，臨界溫度和臨界磁場(Hc2)都較高，至1986年，Nb3Ge的Tc=23.2K，為超導材料中最高。一般超過l0T的超導磁體只能用化合物系超導材料制造。復合法制復合法制Nb3Sn,V3Ga線材線材超導體R=0 (優(yōu)點) 缺點 ：代價大B=0研究方向：TC1911-1986 4.2K 23.2KLaBaCuO 化合物在35K下的超導現(xiàn)象HgBa2Cun-1O2n+2.5 n=3

9、TC=134K超導體臨界溫度隨年代的變化 由于超導材料的應用非常廣泛，人們總由于超導材料的應用非常廣泛，人們總是渴望得到高臨界溫度的超導體，遺憾是渴望得到高臨界溫度的超導體，遺憾的是，純金屬的超導臨界溫度都在的是，純金屬的超導臨界溫度都在10 K以下。以下。1987年，美籍華人科學家朱經(jīng)武年，美籍華人科學家朱經(jīng)武發(fā)現(xiàn)了發(fā)現(xiàn)了93K的超導材料；一個星期后，的超導材料；一個星期后，中國科學院物理研究所的趙忠賢宣布獲中國科學院物理研究所的趙忠賢宣布獲得了得了100 K以上的超導體，并公布為釔以上的超導體，并公布為釔-鋇鋇-銅銅-氧，從此，高溫超導材料問世。氧，從此，高溫超導材料問世。 目前氧化物高溫

10、超導材料體系較多，目前氧化物高溫超導材料體系較多，典 型 的 有 釔 系 （典 型 的 有 釔 系 （ 9 2 K ） 、 鉍 系） 、 鉍 系（110K）、鉈系（）、鉈系（125K）和汞系）和汞系（135K）以及）以及2001年年1月發(fā)現(xiàn)的新型月發(fā)現(xiàn)的新型超 導 體 二 硼 化 鎂超 導 體 二 硼 化 鎂 ( 3 9 K ） 。1986年年1月月 在美國國際商用機器公司設在瑞士蘇黎世實在美國國際商用機器公司設在瑞士蘇黎世實驗室中工作的科學家柏諾茲和繆勒，首先發(fā)現(xiàn)鋇鑭銅驗室中工作的科學家柏諾茲和繆勒，首先發(fā)現(xiàn)鋇鑭銅氧化物是高溫超導體，將超導溫度提高到氧化物是高溫超導體，將超導溫度提高到30K

11、；緊接；緊接著，日本東京大學工學部又將超導溫度提高到著，日本東京大學工學部又將超導溫度提高到37K。 1987年年1月初月初 日本川崎國立分子研究所將超導溫度提高到日本川崎國立分子研究所將超導溫度提高到43K；不久日本綜合電子研究所又將超導溫度提高到不久日本綜合電子研究所又將超導溫度提高到46K和和53K。中國科學院物理研究所由趙忠賢、陳立泉領導。中國科學院物理研究所由趙忠賢、陳立泉領導的研究組，獲得了的研究組，獲得了48.6K的鍶鑭銅氧系超導體，并看到的鍶鑭銅氧系超導體，并看到這類物質(zhì)有在這類物質(zhì)有在70K發(fā)生轉變的跡象。發(fā)生轉變的跡象。1987年年2月月16日日 美國國家科學基金會宣布，朱

12、經(jīng)武與吳茂昆美國國家科學基金會宣布，朱經(jīng)武與吳茂昆獲得轉變溫度為獲得轉變溫度為98K的超導體的超導體1987年年2 2月月2424號中國物理學家趙忠賢獲得號中國物理學家趙忠賢獲得110110K的超導材料；的超導材料； 1987年年3月月3日，日本宣布發(fā)現(xiàn)日，日本宣布發(fā)現(xiàn)123K超導體。超導體。 1987年年3月月12日日 中國北京大學成功地用液氮進行超導磁懸浮中國北京大學成功地用液氮進行超導磁懸浮實驗。實驗。 高溫超導體的特征 高溫氧化物超導體，從結構上都是從鈣鈦礦結構演變而來，目前共有4種典型的高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的結構的結構 高溫超導體在結構和物性方面具有以下特征：高溫超導體在結構和物性方面具有以下特征：(1)(1)晶體結構具有很強的低維特點，三個晶格晶體結構具有很強的低維特點，三個晶格常數(shù)往往相差常數(shù)往往相差3 34 4倍；倍；(2)(2)輸運系數(shù)輸運系數(shù)( (電導率、電導率、熱導率等熱導率等) )具有明顯的各向異性；具有明顯的各向異性；(3)(3)磁場穿磁場穿透深度遠大于相干長度，是第二類超導體；透深度遠大于相干長度，是第二類超導體；(4)(4)載流子濃度低，且多為空穴型導電；載流子濃度低

14、，且多為空穴型導電；(5)(5)同位素效應不顯著；同位素效應不顯著；(6)(6)邁斯納效應不完全；邁斯納效應不完全；(7)(7)隧道實驗表明能隙存在，且為庫柏型配對。隧道實驗表明能隙存在，且為庫柏型配對。其它新型超導體 C60：有較大的發(fā)展?jié)摿?，由于它彈性較大，比質(zhì)地脆硬的氧化物陶瓷易于加工成型，而且它的臨界電流、臨界磁場和相干長度均較大，這些特點使C60超導體更有望實用化。 C60被譽為21世紀新材料的”明星”，這種材料已展現(xiàn)了機械、光、電、磁、化學等多方面的新奇特性和應用前景。有人預言巨型C240、C540合成如能實現(xiàn)，還可能成為室溫超導體新型MgB2超導線帶材2001年1月，日本科學家發(fā)

15、現(xiàn)了臨界轉變溫度為39 K的MgB2超導體，引起了全世界的廣泛關注。綜合制冷本錢和材料本錢，MgB2超導體在2030 K，低場條件下應用具有明顯的價格上風，尤其是在工作磁場12 T的核磁共振成像MRI磁體領域。這也是國際MgB2超導體應用研究持續(xù)升溫的關鍵原因之一。1.4 超導磁體的應用超導磁體的應用 過去在供電線路上啟動一個大的常規(guī)電磁體耗電過多甚至會使一個城市的燈光變暗。利用超導磁體就沒有這個問題了，一個五萬高斯的中型常規(guī)電磁體可重達20噸，而超導磁體只不過幾十公斤。造成重量差別如此懸殊的主要原因是由于超導線的載流能力比普通導線高出成百上千倍的緣故，另外由于電阻產(chǎn)生熱量的緣故，常規(guī)電磁體在

16、磁場太高時，由于大電流產(chǎn)生的熱量也較大，會導致電線絕緣體的熔解，這就造成了一個磁場強度最高限的問題。超導磁體發(fā)熱量小，所以沒有這個限制，同時體積和質(zhì)量也較小，因此有很大的優(yōu)勢。超導磁體的誕生為物理學技術帶來了重大的革新。在核物理、高能物理的研究中起到越來越重要的作用?？茖W研究中用超導體制造的離子加速器體積更小，加速效果也更好。發(fā)電機的輸出容量與磁感應強度、電樞電流密度成正比，用銅鐵等制成常規(guī)電機由于受磁化電荷的飽和強度所限，磁感應強度難以大幅增加。若采用超導材料，磁感應強度可提高5-15倍，而載流能力可以提高10-100倍。這樣超導電機的輸出功率就可以大大增加，同時電機重量也可以大大減輕。另外

17、超導磁體的完全抗磁性還被應用于磁懸浮列車中，使列車通過抗磁作用懸浮空中，從而減小阻力增加運行時速?？傊瑢Р牧显谧儔浩?、空間技術、受控熱核反應以及計算機方面等很多方面都能起到重大的作用，可見超導技術有著廣闊的發(fā)展和應用空間。 超導發(fā)電機在電力領域，利用超導線圈磁體可以將發(fā)電機的磁場強度提高到5萬6萬高斯，超導發(fā)電機的單機發(fā)電容量比常規(guī)發(fā)電機提高510倍，達1萬兆瓦，而體積卻減少1/2，整機重量減輕1/3，發(fā)電效率提高50。 超導發(fā)電機，擁有兩萬千瓦的功率300KW超導單極發(fā)電機 完全導電性的運用完全導電性的運用 超導體的零電阻性在電能輸送、能源的節(jié)約上的運用仍然是最主要的運用之一。當前為了降低

18、費用，長距離輸電主要采用高壓架空（HVOH）線路?，F(xiàn)在實際運行的線路最高電壓是單相765KV。隨著電壓的增加和功率水平的提高，在人口密集的大城市里這樣的通道是很不經(jīng)濟，甚至是不可能的。然而超導電纜比任何技術上的競爭對手有較高的功率密度和較低成本超導輸電線路 超導材料還可以用于制作超導電線和超導變壓器，從而把電力幾乎無損耗地輸送給用戶。據(jù)統(tǒng)計，目前的銅或鋁導線輸電，約有15%的電能損耗在輸電線路上，光是在中國，每年的電力損失即達1000多億度。若改為超導輸電，節(jié)省的電能相當于新建數(shù)十個大型發(fā)電廠。超導導線(含2120根微米直徑之鈮鈦合金纖維)電纜芯、低溫容器、終端和冷卻系統(tǒng)四個部分高溫超導電纜的

19、國際市場在2010年達到15億美元鉍系高溫超導直流電纜 超導變壓器超導電機超導限流器是利用超導體的超導/正常態(tài)轉變特性，有效限制電力系統(tǒng)故障短路電流，能夠快速和有效地達到限流作用的一種電力設備。 專家們預言，就高溫超導體在電力系統(tǒng)中的應用而言，最先得到實際應用的將可能是超導限流器。并預計，超導限流器的國際市場在2010年左右將可望達到35億美元超導限流器超導儲能超導儲能裝置是利用超導線圈將電磁能直接儲存起來，需要時再將電磁能返回電網(wǎng)或其它負載的一種電力設施。一般由超導線圈、低溫容器、制冷裝置、變流裝置和測控系統(tǒng)幾個部件組成。優(yōu)點：1. 可長期無損耗地儲存能量，其轉換效率可達95%； 2.可通過

20、采用電力電子器件的變流器實現(xiàn)與電網(wǎng)的連接，響應速度快（毫秒級）； 3. 由于其儲能量與功率調(diào)制系統(tǒng)的容量可獨立地在大范圍內(nèi)選取，可建成所需的大功率和大能量系統(tǒng)； 4. 除了真空和制冷系統(tǒng)外沒有轉動部分，使用壽命長； 5.在建造時不受地點限制，維護簡單、污染小。目前美國、日本、德國等一些發(fā)達國家在超導儲能裝置方面的研究上投入了大量的人力和物力，并且有許多在建的超導儲能裝置。2010年全世界對超導儲能裝置的需求在15億美元左右。超導儲能裝置抗磁性應用超導磁懸浮列車-零高度的飛行器 超導材料的另一重要特征是具有完全的抗磁性。若把超導材料放在一塊永久磁體之上，由于磁體的磁力不能穿過超導體，磁體和超導體

21、之間就會產(chǎn)生斥力，使超導體懸浮在磁體上方。利用這種磁懸浮效應可以制作高速超導磁懸浮列車。在列車車輪旁邊安裝小型超導磁體，在列車向前行駛時，超導磁體則向軌道產(chǎn)生強大的磁場，并和安裝在軌道兩旁的鋁環(huán)相互作用，產(chǎn)生一種向上浮力，消除車輪與鋼軌的摩擦力，起到加快車速的作用。高溫超導體在懸浮列車上應用的研究集中在日本。超導在運載上的其他應用可能還有用作輪船動力的超導電機、電磁空間發(fā)射工具及飛機懸浮跑道。德國磁懸浮列車 1999年月，日本研制的超導磁懸浮列車時速已達552公里，創(chuàng)世界鐵路時速最高紀錄。實驗性行駛 西南交通大學研制成功的超導磁懸浮列車，最高設計時速達500公里 2002年4月5日我國第一條磁

22、懸浮列車試驗線在長沙建成通車，設計時速150公里 核聚變反應堆“磁封閉體”利用超導體產(chǎn)生的巨大磁場，應用于受控制熱核反應。核聚變反應時，內(nèi)部溫度高達1億-2億，沒有任何常規(guī)材料可以包容這些物質(zhì)。而超導體產(chǎn)生的強磁場可以作為“磁封閉體”，將熱核反應堆中的超高溫等離子體包圍、約束起來，然后慢慢釋放，從而使受控核聚變能源成為21世紀前景廣闊的新能源。中國科學院合肥等離子體物理研究所超導托卡馬克HT-7巨大的電感線圈 原子彈爆炸蘑菇云 另外，超導磁體在醫(yī)學上的重要應用是核磁共振成像技術，可分辨早期腫瘤癌細胞等，還可做心電圖，腦磁圖、肺磁圖，研究氣功原理等。利用超導體介子發(fā)生器可以治療癌癥，利用超導磁體

23、可以治療腦血管腫瘤。生物科學上的應用人頭顱核磁共振成像超導技術在軍事上有廣泛的應用前景超導計算機：超導計算機應用于C3I指揮系統(tǒng)，可使作戰(zhàn)指揮能力迅速改善提高；超導探測器：利用超導器件對磁場和電磁輻射進行測量，靈敏度非常高，可用于探測地雷、潛艇，還可制成十分敏感的磁性水雷。超導紅外毫米波探測器不僅靈敏度高，而且頻帶寬，探測范圍可覆蓋整個電磁頻譜，填補現(xiàn)有探測器不能探測亞毫米波段信號的空白。利用超導器件制造的大型紅外焦平面陣列探測器，可以探測隱身武器，將大大提高軍事偵察能力。 大功率發(fā)動機：這種發(fā)動機具有能量大、損耗小、重量輕、體積小等優(yōu)點，可用作飛機、艦艇等的動力裝置。 超導儲能系統(tǒng)：利用超導材