材料物理化學(xué)1-8_電功能合金

1、.功能材料及其應(yīng)用功能材料功能材料及其應(yīng)用及其應(yīng)用功能材料及其應(yīng)用.功能材料及其應(yīng)用第1章 金屬功能材料.功能材料及其應(yīng)用1.1 高溫合金1.2 阻尼合金1.3 彈性合金1.4 膨脹合金1.5 貯氫合金1.6 非晶合金1.7 磁性材料1.8 電功能合金.功能材料及其應(yīng)用1.8 電功能合金1.8.1 材料的電性能1. 電性能的基本概念.功能材料及其應(yīng)用 除電解質(zhì)外，材料在電場(chǎng)中的行為由歐姆定律將材料二段的電勢(shì)差 U 和沿材料內(nèi)部流動(dòng)的電流強(qiáng)度 I 通過(guò)電阻R（比例常數(shù), 表示材料的特性）相聯(lián)系：URl.功能材料及其應(yīng)用 電阻 R 與材料的幾何尺寸有關(guān)，即與材料的長(zhǎng)度 l 成正比，與材料的截面積

2、S 成反比，表示為：R l/S 稱電阻率或比電阻，可作為材料電性能的量度，單位為mm2m-1，電阻率的倒數(shù)為電導(dǎo)率1/。 .功能材料及其應(yīng)用 金屬的電阻率從Ag的1.46cm到Mn的260cm。導(dǎo)電性最佳的材料（如Ag和Cu）與導(dǎo)電性最差的材料（如聚苯乙烯和金剛石）之間的電阻率差別達(dá)23個(gè)數(shù)量級(jí)。.功能材料及其應(yīng)用 通常把物質(zhì)的電阻率為10-610-12m的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，電阻率為10-2109m的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體，電阻率為1091011m以上的物質(zhì)稱為絕緣體。.功能材料及其應(yīng)用 從微觀角度，材料之所以具有導(dǎo)電性是由于材料內(nèi)部存在傳遞電流的載流子。 有三種載流子：即電子、空穴和離子。.功能材料及其

3、應(yīng)用 第一類導(dǎo)體：以電子或空穴為電流的負(fù)載者稱為電子導(dǎo)體或，如：金屬。電流通過(guò)這類導(dǎo)體時(shí)，不改變導(dǎo)體本身的結(jié)構(gòu)和性能。 第二類導(dǎo)體：以離子為電流負(fù)載者稱為離子導(dǎo)體，如酸、堿、鹽溶液。電流通過(guò)這類導(dǎo)體時(shí)，伴隨化學(xué)反應(yīng)。.功能材料及其應(yīng)用2.金屬導(dǎo)電機(jī)制（1）金屬自由電子理論 金屬導(dǎo)電是由于金屬中有大量的自由電子，在沒(méi)有外電場(chǎng)作用時(shí)，這些自由電子在金屬中做無(wú)規(guī)熱運(yùn)動(dòng)，在各個(gè)方向上的平均速度等于零，因而不產(chǎn)生電流。在外電場(chǎng)下，這些自由電子沿電場(chǎng)反方向產(chǎn)生凈運(yùn)動(dòng)，形成電流。.功能材料及其應(yīng)用 自由電子在運(yùn)動(dòng)中不斷與金屬中離子點(diǎn)陣碰撞產(chǎn)生阻力，不能在電場(chǎng)作用下無(wú)限加速，從而獲得正比于外電場(chǎng)的恒定電流。.

4、功能材料及其應(yīng)用（2）能帶理論 金屬中的電子能級(jí)劈裂成導(dǎo)帶（允帶）和禁帶相間的能帶。導(dǎo)帶的能級(jí)是允許電子具有的能級(jí)，禁帶的能級(jí)是不允許電子具備的能級(jí)。.功能材料及其應(yīng)用 金屬導(dǎo)電本領(lǐng)的不同是由于能帶結(jié)構(gòu)不同造成的。導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)特征是不存在禁帶，導(dǎo)帶重疊，未被填滿，或雖存在禁帶，但有未被填滿的第一導(dǎo)帶。 半導(dǎo)體和絕緣體能帶結(jié)構(gòu)特征是除填滿電子的價(jià)帶外就是沒(méi)有填充電子的空（導(dǎo)）帶，并在第一導(dǎo)帶和空帶之間存在禁帶。而半導(dǎo)體和絕緣體導(dǎo)電本領(lǐng)的差異產(chǎn)生于禁帶寬度不同，并導(dǎo)體禁帶寬度比絕緣體的窄。.功能材料及其應(yīng)用3.電影金屬導(dǎo)電的因素（1）溫度的影響 一般情況下，金屬中離子以周期性和規(guī)律性排列點(diǎn)陣，離

5、子在點(diǎn)陣位置上作平衡振動(dòng)，電子在點(diǎn)陣中無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。隨著溫度升高，離子振動(dòng)加劇，電子運(yùn)動(dòng)受阻機(jī)會(huì)增大，因而使電阻率隨溫度升高而升高，導(dǎo)電性降低。.功能材料及其應(yīng)用電阻率隨溫度變化可表示為：T = 0( 1 + T + T2 + T3 + Tn )0是絕對(duì)零度時(shí)的電阻率，T是T溫度下的電阻率，、是電阻的溫度系數(shù)。.功能材料及其應(yīng)用 對(duì)于普通的非過(guò)渡金屬，德拜溫度一般不超過(guò)500K。當(dāng)TD/3時(shí)，、及其它系數(shù)很小，滿足電阻線性關(guān)系，即在室溫和更高些溫度，T可寫(xiě)成T = 0( 1 + T )過(guò)渡金屬中的電阻與溫度間有復(fù)雜的關(guān)系，由于存在幾種有效值不同的載體，電阻由一系列具有不同溫度關(guān)系的成分疊加而成。

6、.功能材料及其應(yīng)用 溫度變化下，多晶型金屬不同的結(jié)構(gòu)變體，導(dǎo)致對(duì)同一金屬存在不同的物質(zhì)性能，引起電阻隨溫度變化的關(guān)系異常。 在順磁 鐵磁和順磁 反鐵磁轉(zhuǎn)變時(shí)，電阻與溫度的變化關(guān)系同樣會(huì)出現(xiàn)異常。.功能材料及其應(yīng)用（2）合金元素的影響 加入合金元素將導(dǎo)致晶格畸變，使電子運(yùn)動(dòng)阻力增加、合金元素的濃度越大，與基體金屬原子間價(jià)差、半徑差越大，電阻的影響越大。.功能材料及其應(yīng)用 導(dǎo)電能力還與合金元素在基體中的狀態(tài)有關(guān)，合金元素與基體形成兩相混合物時(shí)，隨合金元素濃度的變化，電阻線性變化。當(dāng)合金元素與基體形成因溶體時(shí)，電阻變化增大。 合金發(fā)生結(jié)構(gòu)相變時(shí)，電阻與溫度的變化出現(xiàn)異常。.功能材料及其應(yīng)用（3）雜質(zhì)

7、 雜質(zhì)對(duì)金屬電阻的影響機(jī)制與合金元素相同，影響程度與雜質(zhì)和種類、含量和分布狀態(tài)有關(guān)。（4）冷變形 彈性變形對(duì)電阻率影響很小，而塑性變形引起晶格畸變，出現(xiàn)穴位、位錯(cuò)等點(diǎn)陣缺陷，造成電子散射，使電阻率增大。（5）壓力 電阻的壓力系數(shù)定義為d/dp， 純?cè)氐膲毫ο禂?shù)不隨溫度而變化，顯示電阻溫度系數(shù)與壓力無(wú)關(guān)。 壓力對(duì)過(guò)渡金屬的影響顯著，因?yàn)檫^(guò)渡金屬存在未填滿的電子殼層，在壓力的作用下，有可能使外殼層電子轉(zhuǎn)移到未填滿的內(nèi)殼層，表現(xiàn)出性能的變化。.功能材料及其應(yīng)用 根據(jù)壓力對(duì)電阻的影響可以把元素分成正常元素和反常元素。鐵、鈷、鎳、銠、鈀、銥、鉑、銅、銀、金、鋯、鉿、釷、鈮、鉬、錳、鎢、鈾屬正常元素，隨

8、壓力的增加，電阻單調(diào)地降低。.功能材料及其應(yīng)用 堿金屬、堿土金屬、稀土金屬和第五族的半金屬，有正的電阻壓力系數(shù)，但隨壓力增加出現(xiàn)極大，后減小，這和壓力下發(fā)生相變有關(guān)。 高壓常會(huì)導(dǎo)致材料的金屬化，引起導(dǎo)電類型的變化，有助于絕緣體半導(dǎo)體金屬超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變。.功能材料及其應(yīng)用1.8.2電阻材料 1. 精密電阻合金 精密電阻材料的電阻溫度系數(shù)小，電阻-溫度曲線線性度好，電阻高，對(duì)銅的熱電勢(shì) ECu 低，力學(xué)性能和加工性好，容易焊接，耐腐蝕，抗氧化，有一定的耐熱性，主要用于電器回路和電子線路中的電阻部件和器件。.功能材料及其應(yīng)用 按電阻大小，把 2000 m、 = 400010000 m、 10000 m

9、 的電阻材料分別稱作低、中、高電阻材料，按成分體系分為Cu-Mn系、Cu-Ni系、F-Cr-Al系、Ni-Cr改良型等。.功能材料及其應(yīng)用（1）Cu-Mn系系 Cu中加入Mn可提高，降低電阻溫度系數(shù)。適當(dāng)調(diào)整Mn含量可以使Cu-Mn合金的電阻溫度系數(shù)接近于零，甚至為負(fù)值。一般要求電阻材料是單相固溶體，wMn20%時(shí)，ECu顯著增大，但可通過(guò)熱處理調(diào)整ECu值。.功能材料及其應(yīng)用 在Cu-Mn系中加入鎳可降低電阻溫度系數(shù)和ECu值，并提高耐蝕性，如被稱作錳加寧的Cu86Mn12Ni2合金。.功能材料及其應(yīng)用 加入少量的鐵、硅、鋁元素可提高0，鋁使Cu-Mn合金的電阻溫度系數(shù)、| 降低，電阻率和抗

10、腐蝕性增加，如Cu85Mn9.5Al5.5合金，加小量鐵制成Cu82.5Mn12Al4Fe1.5合金稱新康銅；加入硅的Cu-Mn-Si合金有良好的電學(xué)性能和穩(wěn)定性，用于制作標(biāo)準(zhǔn)電阻器及精密測(cè)量用的電阻器。加入錫改善電阻溫度系數(shù)比鐵、硅、鋁等更好。.功能材料及其應(yīng)用在Cu-Mn、Cu-Mn-Al、Cu-Mn-Ni合金中加入鍺可降低、ECu，提高和抗拉強(qiáng)度，改善電阻-溫度曲線關(guān)系和冷加工性，其穩(wěn)定性比加錫、硅更好，如被稱為鍺拉寧的Cu87Mn7Ge6合金。這種單相合金，熱處理或其他方法不能使其析出第二相，在070C溫度范圍內(nèi)電阻變化很小。zh.功能材料及其應(yīng)用在Cu-Mn系中加入wGa = 5.5

11、10%，可提高，降低ECu，增加抗腐蝕性，改善塑性，而且使電阻-溫度曲線變得平直。.功能材料及其應(yīng)用(2) Cu-Ni系系 Cu-Ni均為面心立方結(jié)構(gòu)，Cu-Ni二元合金在固相線以下全為面心立方的相，可以廣泛范圍內(nèi)選擇電阻材料。含wNi = 40%處和ECu值為極小，而達(dá)極大值。的變化剛好與變化相反，這正是精密電阻材料所要求的性能。.功能材料及其應(yīng)用 代表性的合金康銅，成分處于最大，最小范圍，但在些范圍ECu相當(dāng)大。Cu-Ni系合金耐蝕性、耐熱性、抗氧化性比Cu-Mn系好?？点~的電阻-溫度曲線的線性度、加工性和焊接性比錳加寧好，可在較寬的溫度范圍內(nèi)使用。.功能材料及其應(yīng)用 在康銅中適量加入Mn

12、、Co、Fe、Si、Be等元素，可提高耐熱性，降低電阻溫度系數(shù)。 蒙乃爾401合金(wNi = 4045%, wMn2.25%, wCu 0.25, wSi 15以上有較好的抗氧化性能，當(dāng)wCr20%時(shí)，加工性能變差，加小量Mn可改善加工性能。加小量硅、有鋯、鋇、硒、鐵等 元素，可提高合金的工作溫度和使用壽命。通常的合金成分及性能見(jiàn)表1-57。.功能材料及其應(yīng)用.功能材料及其應(yīng)用1. 金屬及其合金（3）Fe-Cr-Al合金 耐熱性能隨鉻、鋁含量的增加而提高，但同時(shí)使合金的硬度和脆性及高溫脆性增加，加工性能變差。其成分和性能特性見(jiàn)表1-58。 。.功能材料及其應(yīng)用.功能材料及其應(yīng)用2. 非金屬類

13、材料（1）碳化硅 SiC陶瓷多數(shù)為六方晶系。-SiC為主相的碳化硅陶瓷，能耐高溫、變形小，耐急冷急熱性好，化學(xué)穩(wěn)定性好，耐磨，有很好的抗蠕變性，在空氣下最高使用溫度可達(dá)1450C。.功能材料及其應(yīng)用2. 非金屬類材料（2）MoSi2 用粉末冶金燒結(jié)法制成的，表面有一層SiO2薄膜，MoO2耐氧化、耐腐蝕，在室溫下硬脆，抗沖擊強(qiáng)度低，到1350C以上變軟，有延展性，耐急冷急熱性佳等特性。.功能材料及其應(yīng)用2. 非金屬類材料（3）石墨 具有好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性，一般在還原性氣氛或真空中使用，最高使用溫度右達(dá)3000C。.功能材料及其應(yīng)用3. 熱電偶材料 兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成閉合回路，若兩端接點(diǎn)保

14、持不同的溫度，在回路中有電流渡過(guò)，稱為熱電效應(yīng)。利用此效應(yīng)，可制成各類測(cè)溫?zé)犭娕?。迄今為止，已?jīng)研究過(guò)的熱電偶材料組合達(dá)300余種，包括純金屬和合金的金屬類及石墨、碳化物、硅化物、硫化物、高分子、液晶非金屬類和多種復(fù)合材料 的熱電偶。.功能材料及其應(yīng)用 各種熱電偶材料不同，化學(xué)性質(zhì)各異，在不同溫度、環(huán)境中，熱電穩(wěn)定性不同，熱電勢(shì)大小、熱電勢(shì)溫度系數(shù)、使用溫度范圍不同。 用作工業(yè)應(yīng)用的熱電偶材料，要求具有穩(wěn)定的化學(xué)和物理性能，較高的熱電勢(shì)，熱電勢(shì)隨溫度變化線性度好（最好成直線），使用溫度范圍寬，易加工，資源豐富，價(jià)格適中。.功能材料及其應(yīng)用 較常用的非貴金屬熱電偶材料有鎳鉻-鎳鋁、鎳鉻-鎳硅、鐵

15、-康銅、銅-康銅等。貴金屬熱電偶材料最常用的有鉑-鉑銠、銥-銠銥等。低于室溫的低溫?zé)犭娕疾牧铣Ｓ勉~-康銅、鐵-鎳鉻、鐵-康銅、金鐵-鎳鉻等。 .功能材料及其應(yīng)用 表1-59列出了常用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化熱電極材料的成分和使用溫度范圍，其中使用了國(guó)際準(zhǔn)化熱電偶正、負(fù)熱電偶材料的代號(hào)。一般用兩個(gè)字母表示，第一個(gè)字母表示型號(hào)，第二個(gè)字母中的P代表正電極材料，N代表負(fù)電極材料。 .功能材料及其應(yīng)用181 材料的電性能182 電阻材料183 電熱材料184 導(dǎo)電材料和超導(dǎo)材料.功能材料及其應(yīng)用184 導(dǎo)電材料和超導(dǎo)材料 1導(dǎo)電材料 通常的導(dǎo)電材料要求電阻率低、力學(xué)性能高、抗蝕性好、工藝性能（熱冷加工、焊接）好、價(jià)

16、格便宜。 純金屬中導(dǎo)電性能好的依次為：Ag, Cu, Au, Al, 以及這些金屬基合金。.功能材料及其應(yīng)用 Cu是電工技術(shù)中最常用的導(dǎo)電材料，其優(yōu)點(diǎn)是：塑性高、電導(dǎo)率高。在力學(xué)性能要求高的情況下可使用Cu合金，如鈹青銅作導(dǎo)電彈簧、電刷、插頭。 Al的電阻為Cu的1.55倍，但質(zhì)量只是Cu的30%，Al在地殼中資源豐富，價(jià)格便宜，故常以Al代替Cu。 Al的缺點(diǎn)：強(qiáng)度太低，不易焊接。若需要提高強(qiáng)度，可使用Al合金，如Al-Si-Mg三元鋁合金既有高強(qiáng)度、而電導(dǎo)率也不太低。.功能材料及其應(yīng)用 Au及其合金在集成電路中常用，金膜或金的合金膜較貴，金系合金也可作點(diǎn)材料。 Ag及其合金銀具有金屬中的最

17、高電導(dǎo)率，加工性極好，銀合金常作接點(diǎn)材料。.功能材料及其應(yīng)用 2超導(dǎo)材料 1911年荷蘭物理學(xué)家Onners在研究水銀低溫電阻時(shí)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)溫度降到4.2K時(shí)，水銀的電阻急劇下降，以致完全消失(即零電阻)。1913年他首次以“超導(dǎo)電性”來(lái)表達(dá)這一現(xiàn)象。.功能材料及其應(yīng)用 2超導(dǎo)材料 我們把某些物質(zhì)在沖卻到某一溫度點(diǎn)以下電阻為零的現(xiàn)象稱為超才電性，相應(yīng)物質(zhì)稱為超導(dǎo)體。.功能材料及其應(yīng)用 超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)引起了各國(guó)科學(xué)家的高度重視，并寄予很大期望。 但直到1986年以前，已知超導(dǎo)材料的最高臨界溫度只有23.2K，大多數(shù)超導(dǎo)材料的臨界溫度還要低得多，這樣低的溫度基本上只有液氮才能達(dá)到。 因此，盡管超導(dǎo)材料

18、具有革命性的潛力，但由于很難制造工程用的材料，又難以保持很低的工作溫度，所以幾十年來(lái)超導(dǎo)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用一直受到嚴(yán)重限制。.功能材料及其應(yīng)用 直到1957年提出了BCS理論，才真正弄清了超導(dǎo)的本質(zhì)。當(dāng)前氧化物高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)與研究，為超導(dǎo)技術(shù)進(jìn)一步走向?qū)嵱没峁┝饲疤釛l件。.功能材料及其應(yīng)用3.超導(dǎo)體的基本物理現(xiàn)象 (1) 零電阻效應(yīng) 當(dāng)材料溫度T降至某一數(shù)值 Tc 時(shí)，超導(dǎo)體的電阻突然變?yōu)榱?，這就是超導(dǎo)體的零電阻效應(yīng)。電阻突然消失的溫度稱為超導(dǎo)體的臨界溫度 Tc。.功能材料及其應(yīng)用 (2)邁斯納效應(yīng) 這一現(xiàn)象是1933年德國(guó)物理學(xué)家邁斯納等人在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的，只要超導(dǎo)材料的溫度低于臨界溫度而進(jìn)人

19、超導(dǎo)態(tài)以后，超導(dǎo)材料就會(huì)將磁力線完全排斥于體外，因此其體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度總是零，這種現(xiàn)象稱為“邁斯納效應(yīng)”(見(jiàn)圖圖1-52)。即在超導(dǎo)狀態(tài)下，超導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度量B = 0。.功能材料及其應(yīng)用圖圖1-52 正常態(tài)和超導(dǎo)態(tài)時(shí)的外磁場(chǎng).功能材料及其應(yīng)用 邁斯納效應(yīng)指明了超導(dǎo)態(tài)是一個(gè)熱力學(xué)平衡狀態(tài)，與如何進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的途徑無(wú)關(guān)，超導(dǎo)態(tài)的零電阻現(xiàn)象和邁斯納效應(yīng)是超導(dǎo)態(tài)的兩個(gè)相互獨(dú)立，又相互聯(lián)系的基本屬性。單純的零電阻并不能保證邁斯納效應(yīng)的存在，但零電阻效應(yīng)又是邁斯納效應(yīng)的必要條件。因此，衡量一種材料是否是超導(dǎo)體，必須看是否同時(shí)具備零電阻和邁斯納效應(yīng)。.功能材料及其應(yīng)用 產(chǎn)生邊斯納效應(yīng)的原因是： 當(dāng)超導(dǎo)體處

20、于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，在磁場(chǎng)作用下，表面產(chǎn)生一個(gè)無(wú)損耗感應(yīng)電流。這個(gè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)恰恰與外加磁場(chǎng)大小相等、方向相反，因而總合成磁場(chǎng)為零。換句話說(shuō)，這個(gè)無(wú)損耗感應(yīng)電流對(duì)外加磁場(chǎng)起著屏蔽作用，因此稱它為抗磁性屏蔽電流。.功能材料及其應(yīng)用 4. 超導(dǎo)體的臨界參數(shù) 超導(dǎo)體有3個(gè)基本臨界參數(shù)： 臨界溫度 Tc、臨界磁場(chǎng) Hc 和臨界電流 Ic。.功能材料及其應(yīng)用 4. 超導(dǎo)體的臨界參數(shù) (1) 臨界溫度Tc 超導(dǎo)體從常導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)的溫度就叫做臨界溫度，以Tc表示。即臨界溫度是電阻突變?yōu)榱銜r(shí)的溫度。 目前已知的金屬超導(dǎo)材料中銠的臨界溫度最低，為0.0002K，Nb3Ge最高，為23.3K。.功能材料及其應(yīng)用.功

21、能材料及其應(yīng)用 為了便于超導(dǎo)材料的使用，希望臨界溫度越高越好。實(shí)際情況中，由于材料的組織結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致臨界溫度不是一個(gè)特定的數(shù)值，而是跨越了一個(gè)溫度區(qū)域。從而引入下面4個(gè)臨界溫度參數(shù)： 起始轉(zhuǎn)變溫度Tc(on set)，即材料開(kāi)始偏離常常導(dǎo)態(tài)線性關(guān)系時(shí)的溫度。 零電阻溫度Tc(n=0)，即在理論材料電阻R=0時(shí)的溫度。 轉(zhuǎn)變溫度寬度Tc，即取(1/109/10)Rn(Rn為起始轉(zhuǎn)變時(shí)材料的電阻值)對(duì)應(yīng)的溫度區(qū)域?qū)挾取c越窄，說(shuō)明材料的品質(zhì)越好。 中間臨界溫度Tc(mid)，即取1/2Rn對(duì)應(yīng)的溫度值。對(duì)于一般常規(guī)超導(dǎo)體，這溫度值有時(shí)可視為臨界溫度。 下圖下圖為4個(gè)臨界溫度參數(shù)及相互關(guān)系。.功

22、能材料及其應(yīng)用 (2) 臨界磁場(chǎng) Hc 對(duì)于處于超導(dǎo)態(tài)的物質(zhì)，若外加足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)，則可以破壞其超導(dǎo)性使其由超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌?dǎo)態(tài)。 一般將可以破壞超導(dǎo)態(tài)所需的最小磁場(chǎng)強(qiáng)度叫做臨界磁場(chǎng)，以Hc表示。Hc是溫度的函數(shù)即 HcHc0(1-T2/Tc2) ( T Tc ) 式中，Hc0為絕對(duì)零度時(shí)的臨界磁場(chǎng)，當(dāng) T = Tc 時(shí)，Hc0。隨著溫度的下降，Hc升高，到絕對(duì)零度時(shí)達(dá)到最高。.功能材料及其應(yīng)用可見(jiàn)在絕對(duì)零度附近超導(dǎo)材料并沒(méi)有實(shí)用意義，超導(dǎo)材料的使用都要在臨界溫度以下的較低溫度使用。在超導(dǎo)材料中，第二類超導(dǎo)體有兩個(gè)臨界磁場(chǎng)。.功能材料及其應(yīng)用(3)臨界電流 Ic 產(chǎn)生臨界磁場(chǎng)的電流，也就是超導(dǎo)態(tài)允

23、許流動(dòng)的最大電流，叫做臨界電流，即破壞超導(dǎo)電性所需的最小極限電流，以 Ic 表示。根據(jù)西爾斯比定則，對(duì)于半徑為 的超導(dǎo)體所形成的回路中，有以下關(guān)系：Ic = Hc/2 Ic 與溫度的關(guān)系也有拋物線關(guān)系：Ic = Ic0 (-T2/Tc2)式中Ic0為絕對(duì)零度時(shí)的臨界電流。.功能材料及其應(yīng)用 (4) 三個(gè)臨界參數(shù)的關(guān)系 要使超導(dǎo)體處于超導(dǎo)狀態(tài)，必須將其置于三個(gè)臨界值Tc、Hc、Ic 之下。三者缺一不可，任何一個(gè)條件遭到破壞，超導(dǎo)狀態(tài)隨即消失。 其中 Tc、Hc 只與材料的電子結(jié)構(gòu)有關(guān)，是材料的本征參數(shù)。而 Hc、Ic 不是相互獨(dú)立的，彼此有關(guān)并依賴于溫度。三者關(guān)系可用下圖所示曲面來(lái)表示。在臨界界

24、面以下的狀態(tài)為超導(dǎo)態(tài)，其余均為常導(dǎo)態(tài)。.功能材料及其應(yīng)用.功能材料及其應(yīng)用4.兩類超導(dǎo)體(1) 第一類超導(dǎo)體 第一類超導(dǎo)體在磁場(chǎng)H到達(dá)臨界磁場(chǎng)之前，具有完全的導(dǎo)電性和可逆的邁斯納效應(yīng)。 因?yàn)槌瑢?dǎo)體內(nèi)磁感強(qiáng)度為 H + M，當(dāng)此處 H Hc 時(shí)，超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)為常導(dǎo)態(tài)，B = 0H，M 0。下圖所示曲線是這類超導(dǎo)體在溫度 T Tc 時(shí)的磁化曲線。.功能材料及其應(yīng)用.功能材料及其應(yīng)用 除釩、鈮、鉭以外的其它超導(dǎo)元素都屆于第一類超導(dǎo)體，這類超導(dǎo)體 Hc、Ic 很低，幾乎沒(méi)有實(shí)用的可能性。(2) 第二類超導(dǎo)體 第二類超導(dǎo)體的主要特征是有兩個(gè)臨界磁場(chǎng)，即下臨界磁場(chǎng) Hc1 和上臨界磁場(chǎng) Hc2。當(dāng)磁場(chǎng)H低于

25、Hc1 時(shí)，超導(dǎo)體處于零電阻和完全抗磁性的超導(dǎo)態(tài)，即與第一類超導(dǎo)體一樣。 當(dāng)H加大至 Hc1 并從 Hc1 逐步增強(qiáng)時(shí)，磁場(chǎng)部分進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)，并隨著H的增加，透人深度增大，直到H = Hc2，磁場(chǎng)完全透入超導(dǎo)體內(nèi)，使其回復(fù)到具有正常電阻的常導(dǎo)態(tài)。.功能材料及其應(yīng)用 超導(dǎo)體在 Hc H Tc 時(shí)，無(wú)凝聚；T = Tc 時(shí)，開(kāi)始凝聚; T = 0 時(shí)，超流電子成分占100。 這一模型成功地解釋了超導(dǎo)體在超導(dǎo)態(tài)時(shí)的零電阻現(xiàn)象，同時(shí)也為倫敦方程提供了理論基礎(chǔ)。.功能材料及其應(yīng)用2) 倫敦方程 為了解釋超導(dǎo)電流與電磁場(chǎng)的關(guān)系，倫敦兄弟(FLondon，HLondon)于1935年在二流模型的基礎(chǔ)上提出了

26、超導(dǎo)電流與電磁場(chǎng)關(guān)系的方程，與著名的麥克斯韋(Maxwcll)方程一起，構(gòu)成了超導(dǎo)體的電動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)。.功能材料及其應(yīng)用(2) 超導(dǎo)的微觀機(jī)制 1) 超導(dǎo)能隙 當(dāng)金屬處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，超導(dǎo)態(tài)的電子能譜與正常金屬不同，它的顯著特點(diǎn)就是：在費(fèi)米能級(jí) EF 附近，有一個(gè)半寬度為 的能量間隔，在這個(gè)間隔內(nèi)不能有電子存在。這個(gè) 2 或 叫做超導(dǎo)能隙。.功能材料及其應(yīng)用 下圖所爾為在絕對(duì)零度時(shí)的電子能譜示意。能隙大約在10-310-4 eV數(shù)量級(jí)。 在絕對(duì)零度，能量處于能隙下邊緣以下的狀態(tài)全部占滿，而能隙上邊緣以上的狀態(tài)全部空著，這種狀態(tài)就是超導(dǎo)基態(tài)。當(dāng) T = 0 時(shí)，能量E在費(fèi)米能級(jí)附近 |E| hD，(D

27、為德拜頻率)范圍的電子全部配成庫(kù)柏對(duì)，超導(dǎo)態(tài)處于能量最低的狀態(tài)(基態(tài))，基態(tài)相應(yīng)的系統(tǒng)能量小于系統(tǒng)處于正常態(tài) T = 0 時(shí)的能量。.功能材料及其應(yīng)用2) 電子-聲子相互作用 在溫度高于絕對(duì)零度時(shí)，晶格點(diǎn)陣上的離子并不是固定不動(dòng)的，而是要在各自的平衡位置附近振動(dòng)。每個(gè)離子振動(dòng)通過(guò)類似彈性力相互耦合在一起。.功能材料及其應(yīng)用 因此，任何局部的擾功或激發(fā)，都會(huì)通過(guò)格波的傳遞，導(dǎo)致晶格點(diǎn)陣集體振動(dòng)。這種集體振功，可以看成若干個(gè)相互獨(dú)立、頻率各異的簡(jiǎn)正振動(dòng)的疊加。每一個(gè)簡(jiǎn)正振動(dòng)的能量量子稱為聲子，以 h(q) 表示。q 表示該頻率下晶格振動(dòng)引起的格波動(dòng)量(也叫格波矢量)。聲子頻率上限值叫做德拜頻率。 聲子就像粒子一樣，與電子發(fā)生相互作用。電子與晶格點(diǎn)陣的相互作用稱為電子-聲子相互作用。 當(dāng)一個(gè)電子通過(guò)相互作用，把能量、動(dòng)量轉(zhuǎn)移結(jié)晶格點(diǎn)陣，從而激起它的某個(gè)簡(jiǎn)正頻率的振動(dòng)，叫做產(chǎn)生一個(gè)聲子。相反，通過(guò)相互作用，使振動(dòng)的晶格點(diǎn)陣獲得能量、動(dòng)量，同時(shí)又減弱