功能材料超導(dǎo)材料

功能材料超導(dǎo)材料第1頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月1908年，荷蘭物理學(xué)家萊頓大學(xué)的昂納斯(HeikeKamerlinghOnnes)首次成功地把稱為“永久氣體”的氦液化，因而獲得4.2K(-268.8℃)的低溫源，為超導(dǎo)準(zhǔn)備了條件。第一章超導(dǎo)材料第2頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月1911年，昂納斯在測試純金屬電阻率的低溫特性時，他又發(fā)現(xiàn)，汞的直流電阻在4.2K左右低溫時突然消失，他認(rèn)為這時汞進(jìn)入了一種以零阻值為特征的新物態(tài)，并稱為“超導(dǎo)態(tài)”，稱這種處于超導(dǎo)狀態(tài)的導(dǎo)體為超導(dǎo)體。超導(dǎo)體電阻突然變?yōu)榱愕臏囟冉谐瑢?dǎo)臨界溫度(Tc)。昂納斯在1911年12月28日宣布了這一發(fā)現(xiàn)。由于他的這一發(fā)現(xiàn)獲得了1913年的諾貝爾獎。第3頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1超導(dǎo)材料的基礎(chǔ)特性超導(dǎo)體可分為兩類：第一類超導(dǎo)體——包括除Nb、Ta、V以外的純金屬第二類超導(dǎo)體——Nb、Ta、V和所有超導(dǎo)合金及化合物第4頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月一、第一類超導(dǎo)體的特性1.超導(dǎo)體的臨界參數(shù)(1)臨界溫度Tc在無外磁場的情況下，超導(dǎo)體由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)或相反轉(zhuǎn)變時的溫度稱為臨界溫度。為了便于超導(dǎo)材料使用，希望臨界溫度越高越好。但是第一類超導(dǎo)體的臨界溫度一般都比較低。第5頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)臨界磁場Hc當(dāng)金屬已處于超導(dǎo)態(tài)時，若施以足夠強(qiáng)的磁場，便能破壞其超導(dǎo)性，使它由超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉浅瑢?dǎo)態(tài)，電阻重新恢復(fù)。臨界磁場（Hc）即是指這種破壞超導(dǎo)態(tài)所需的最小磁場強(qiáng)度。Hc和溫度T有如下關(guān)系：Hc=Hc0(1-T2/Tc2)（T≤Tc）式中Hc0為0K時的臨界磁場。當(dāng)T=Tc時Hc=0；隨溫度的降低，Hc漸增，至0K時達(dá)到最大值Hc。第一類超導(dǎo)體Hc值不太大，約為10-2T（特斯拉）的數(shù)量級。第6頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)臨界電流Ic和臨界電流密度Jc產(chǎn)生臨界磁場的電流，即超導(dǎo)態(tài)允許流動的最大電流，稱為臨界電流Ic。通過超導(dǎo)體的電流達(dá)到一定數(shù)值時，可使超導(dǎo)態(tài)破壞而轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)。此時，單位截面積上承載的電流值稱為臨界電流密度Jc。根據(jù)西爾斯比定則，對半徑為a的超導(dǎo)絲所形成的回路，有如下關(guān)系：由于第一類超導(dǎo)體的Hc都不大，Ic也較小，使第一類超導(dǎo)體不能實用。第7頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月2.零電阻率零電阻率是超導(dǎo)體的一重要的特性。當(dāng)超導(dǎo)體的溫度接近臨界溫度時，其電導(dǎo)率可視為無限大，因而可承載很大的電流，只要這個電流不超過臨界電流Ic，超導(dǎo)體內(nèi)電流的流動就可看成是無阻的，熱損耗也可忽略不計。若用這樣的超導(dǎo)體組成一個閉合回路，一旦回路中激發(fā)起電流，該回路內(nèi)的電流將持續(xù)下去。由于超導(dǎo)體的電阻為零，所以電流在超導(dǎo)體內(nèi)流動時，導(dǎo)體內(nèi)任意兩點間的電勢差為零，則整個導(dǎo)體是一個等勢體。第8頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月大家都知道，若將金屬線圈放在磁場中，則線圈內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電流，對于正常金屬線圈來說，當(dāng)磁場去掉后，線圈內(nèi)電流很快衰減為零，而對于超導(dǎo)線圈，情況卻完全不同，圖1是著名的持續(xù)電流實驗。將一超導(dǎo)線圈放在磁場中并冷卻到臨界溫度以下，突然撤去磁場，則在超導(dǎo)線圈中產(chǎn)生感生電流。圖1著名的持續(xù)電流實驗

第9頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月實驗發(fā)現(xiàn)，此電流可以持續(xù)存在，觀察幾年也未發(fā)現(xiàn)電流有明顯變化。應(yīng)該指出的是，超導(dǎo)體只有在直流情況下才有零電阻現(xiàn)象，若電流隨時間變化，將會有功率耗散。超導(dǎo)材料的零電阻特性可以用來輸電和制造大型磁體。超高壓輸電會有很大的損耗，而利用超導(dǎo)體則可最大限度地降低損耗，但由于臨界溫度較高的超導(dǎo)體還未進(jìn)入實用階段，從而限制了超導(dǎo)輸電的采用。隨著技術(shù)的發(fā)展，新超導(dǎo)材料的不斷涌現(xiàn)，超導(dǎo)輸電的希望能在不久的將來得以實現(xiàn)。第10頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月3.邁斯納效應(yīng)(完全抗磁性)邁斯納(Meissner)于1933年通過實驗證明，當(dāng)金屬在外磁場中冷卻而從非超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)時，體內(nèi)原有的磁力線立即被推出體外，磁感應(yīng)強(qiáng)度恒等丁零，這種現(xiàn)象稱為邁斯納效應(yīng)。邁斯納效應(yīng)又叫完全抗磁性。而且若對超導(dǎo)體施以強(qiáng)外磁場(小于等于Hc)，體內(nèi)亦將沒有磁力線透過。也就是說，超導(dǎo)體不僅是一個理想的導(dǎo)電體，而且也是一個理想的抗磁體?，F(xiàn)常用邁斯納效應(yīng)這個重要性質(zhì)來判別物質(zhì)是否具有超導(dǎo)性。第11頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月自1911年超導(dǎo)電現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)到1933年，二十多年間，人們一直把超導(dǎo)體單純看成理想導(dǎo)體，即除電阻為零之外，其他一切性質(zhì)都和普通金屬相同。邁斯納效應(yīng)展示了超導(dǎo)體與理想導(dǎo)體完全不同的磁性質(zhì)，使人們對超導(dǎo)體有了全新的認(rèn)識。所謂理想導(dǎo)體，即它的電導(dǎo)率σ=∞，由歐姆定律j=σE得知，理想導(dǎo)體內(nèi)部電場強(qiáng)度E必然處處為零。否則電流密度j將趨于無窮大，而與j恒定有限的實驗事實不符。第12頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月此外超導(dǎo)體作為電磁系統(tǒng)，應(yīng)遵守麥克斯韋方程：因為E=0，所以這說明超導(dǎo)體內(nèi)，磁感應(yīng)強(qiáng)度（又稱磁通密度）B應(yīng)由初始條件(或?qū)嶒炦^程)決定，原來體內(nèi)有多大磁通就維持多大磁通不變。因此，B≡B0，這是由理想導(dǎo)電性推出的結(jié)論，B0表示某一確定的初始值。但實驗結(jié)果不同，如圖2所示。第13頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月圖2邁斯納效應(yīng)與理想導(dǎo)體情況比較

第14頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月邁斯納實驗表明，不論是先降溫后加磁場，還是先加磁場后降溫，只要進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)(圖中符號:S表示超導(dǎo)態(tài)，N表示正常態(tài))，超導(dǎo)體就把全部磁通排出體外，與初始條件無關(guān)，也與過程無關(guān)。即超導(dǎo)體內(nèi)部B不僅恒定不變，而且恒定為零。B≡0，這是邁斯納效應(yīng)的實驗結(jié)論。

因此,衡量一種材料是否是超導(dǎo)體,必須同時具備零電阻效應(yīng)和邁斯納效應(yīng),而僅僅滿足零電阻效應(yīng)只能稱為理想導(dǎo)體。零電阻和邁斯納效應(yīng)是超導(dǎo)電性的兩個基本特性，這兩個基本特性既相互獨立又相互聯(lián)系。第15頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月磁懸浮現(xiàn)象就是超導(dǎo)體具有完全抗磁性的證明。人們做過這樣一個實驗，在一個淺平的錫盤中，放入一個體積很小磁性很強(qiáng)的永久磁鐵，然后把溫度降低，使錫出現(xiàn)超導(dǎo)性。這時可以看到，小磁鐵竟然離開錫盤表面，飄然升起，與錫盤保持一定距離后，便懸空不動了。第16頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因，是由于超導(dǎo)體的完全抗磁性，使小磁鐵的磁力線無法穿透超導(dǎo)體，磁場發(fā)生畸變，便產(chǎn)生了一個向上的浮力。進(jìn)一步的研究表明：處于超導(dǎo)態(tài)的物體，外加磁場之所以無法穿透它的內(nèi)部，是因為在超導(dǎo)體的表面感生一個無損耗的抗磁超導(dǎo)電流，這一電流產(chǎn)生的磁場，恰巧抵消了超導(dǎo)體內(nèi)部的磁場。第17頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月4.同位素效應(yīng)超導(dǎo)體的臨界轉(zhuǎn)變溫度和其同位素質(zhì)量有關(guān)。同位素質(zhì)量愈大，轉(zhuǎn)變溫度便愈低。例如，原子量為199.5的汞同位素，它的臨界轉(zhuǎn)變溫度是4.18K，而原子量為203.4的汞同位素，臨界溫度卻為4.146K。這種同位素效應(yīng)可用下式表示：Tc·M1/2＝常數(shù)由于同一元素各同位素的差別在于原子核的質(zhì)量，因此，同位素效應(yīng)表明在超導(dǎo)現(xiàn)象中，電子和晶格振動的相互作用是一個重要的原因。第18頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月此外，在超導(dǎo)過渡（Tc）時，物質(zhì)的某些物理性質(zhì)亦將改變。如熱電動勢消失，霍爾效應(yīng)和超聲吸收都改變了，還觀察到對紅外線的吸收等。5.比熱容突變第一類超導(dǎo)體在磁場中過渡到超導(dǎo)態(tài)時，有潛熱(即相變熱)發(fā)生，屬一級相變。若外磁場為零，物質(zhì)在臨界溫度Tc下轉(zhuǎn)入超導(dǎo)態(tài)時，將沒有潛熱產(chǎn)生，為二級相變。但物質(zhì)的比熱容在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變時將發(fā)生突變，如圖3所示。第19頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3Sn在正常態(tài)和超導(dǎo)態(tài)下的比熱

第20頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月二、第二類超導(dǎo)體的特征1.臨界溫度Tc一般情況下，第二類超導(dǎo)體的臨界溫度比第一類超導(dǎo)體的臨界溫度高。2.臨界磁場Hc第二類超導(dǎo)體有兩個臨界磁場：下臨界磁場(Hc1)和上臨界磁場(Hc2)。Hc1值較小，Hc2比Hc1高一個數(shù)量級，而且大部分第二類超導(dǎo)體的Hc2比第一類超導(dǎo)體的Hc要高得多。在溫度低于Tc條件下，外磁場小于Hc1時，第二類超導(dǎo)體的性能與第一類超導(dǎo)體相同，處于完全抗磁性狀態(tài)。第21頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)外磁場介于Hc1與Hc2之間時，第二類超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)與正常態(tài)的混合狀態(tài)。磁場部分地穿透到超導(dǎo)體內(nèi)部，如圖4所示。圖4超導(dǎo)態(tài)與正常態(tài)的混合狀態(tài)

第22頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月電流在超導(dǎo)部分流動。隨著外加磁場的增加，正常導(dǎo)體部分會漸漸擴(kuò)大，當(dāng)外加磁場等于Hc2時，超導(dǎo)部分消失，導(dǎo)體轉(zhuǎn)為正常態(tài)。由于第二類超導(dǎo)體的下臨界磁場比上臨界磁場要小得多，所以除個別極低的磁場外，上臨界磁場以下的大部分磁場都可以形成混合態(tài)。某些第二類超導(dǎo)體（如Nb3Sn、V3Ga、Nb3Ge等）的上臨界磁場Hc2能高達(dá)數(shù)十特斯拉。其實第二類超導(dǎo)體不存在邁斯納效應(yīng)。第23頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月3.臨界電流Ic對于第二類超導(dǎo)體，在Hc1以下行為與第一類超導(dǎo)體相同，其Ic也可以按第一類超導(dǎo)體考慮。當(dāng)?shù)诙惓瑢?dǎo)體處于混合態(tài)時，超導(dǎo)體中正常導(dǎo)體部分通過的磁力線與電流作用，產(chǎn)生了洛倫茲力，使磁通在超導(dǎo)體內(nèi)發(fā)生運動，要消耗能量。在這種形式下，只能以電功率的損失補(bǔ)充這部分能量，換句話說，等于產(chǎn)生了電阻，臨界電流為零。但超導(dǎo)體內(nèi)總是存在阻礙磁通運動的“釘扎點”，如缺陷、雜質(zhì)、第二相等。隨著電流的增加，洛倫茲力超過了釘扎力，磁力線開始運動，此狀態(tài)下的電流是該超導(dǎo)體的臨界電流。第24頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月實際上，一般制得的第二類超導(dǎo)體（如Nb-Zr、Nb-Ti合金和Nb3Sn、V3Ga化合物等）均存在超過原子尺度的化學(xué)和物理的不均勻性（如第二相析出物、位錯等）。這種不均勻的第二類超導(dǎo)體稱為硬超導(dǎo)體。它除了具有表征第二類超導(dǎo)體的全部性質(zhì)外，還表現(xiàn)出如下特性：第25頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）硬超導(dǎo)體在磁場中能通過電流而不破壞超導(dǎo)性。有時臨界電流（Ic）可以很高。超導(dǎo)體的臨界電流與其形變程度有關(guān)，形變程度越大，它的臨界電流也越高。但對于理想的第二類超導(dǎo)體而言，當(dāng)處于與傳輸電流相垂直的磁場大于Hc1而小于Hc2時，它不能既承載電流而又不破壞其超導(dǎo)性。第26頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）超導(dǎo)體中的臨界電流與其橫截面的面積成正比。（3）硬超導(dǎo)體的磁化曲線與理想的第二類超導(dǎo)體不同，它存在著磁滯回線。所以，在某些場合稱硬超導(dǎo)體為第三類超導(dǎo)體或強(qiáng)磁場超導(dǎo)體。第27頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月一、元素超導(dǎo)體已發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)元素近50種，如下圖所示。除一些元素在常壓及高壓下具有超導(dǎo)電性外，另部分元素在經(jīng)過持殊工藝處理(如制備成薄膜，電磁波輻照，離子注入等)后顯示出超導(dǎo)電性。其中Nb的Tc最高(9.24K)，與一些合金超導(dǎo)體相接近，而制備工藝要簡單得多。1.2低溫超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料按其化學(xué)組成可分為：元素超導(dǎo)體、合金超導(dǎo)體、化合物超導(dǎo)體。它們均屬于低溫超導(dǎo)體。第28頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月周期表中的超導(dǎo)元素第29頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月常壓下，在目前所能達(dá)到的低溫范圍內(nèi)，已發(fā)現(xiàn)具有超導(dǎo)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、Ta、W等；非過渡族元素10種，如Bi、Al、Sn、Pb等。按臨界溫度高低排列，Nb居首位，Tc＝9.24K；其次是元素Tc（锝），Tc＝7.8K；第三是Pb，Tc＝7.197K；第四是La，Tc＝6.00K。研究發(fā)現(xiàn)，在施以30GPa壓力的條件下，超導(dǎo)元素的最高臨界溫度可達(dá)13K。元素超導(dǎo)體除V、Nb、Ta以外均屬于第一類超導(dǎo)體，很難實用化。第30頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月二、合金超導(dǎo)體合金系超導(dǎo)材料具有塑性好，易于大量生產(chǎn)，成本低等優(yōu)點，所以它是繞制大型磁體的最合適材料。Nb-Zr合金是最先發(fā)展起來的超導(dǎo)合金材料，在1965年以前它曾是超導(dǎo)合金中最主要的產(chǎn)品，用于制做超導(dǎo)磁體。Nb-Zr合金具有低磁場高電流的持點，后來逐漸被加工性能好，臨界磁場高，成本低的Nb-Ti合金所取代。第31頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月在目前的合金超導(dǎo)材料中，Nb-Ti系合金實用線材的使用最為廣泛，原因之一是它與銅很容易復(fù)合。復(fù)合的目的是防止超導(dǎo)態(tài)受到破壞時，超導(dǎo)材料自身被毀。Nb-Ti合金線材雖然不是當(dāng)前最佳的超導(dǎo)材料，但由于這種線材的制造技術(shù)比較成熟，性能也較穩(wěn)定，生產(chǎn)成本低，所以目前仍是實用線材中的主導(dǎo)。70年代中期，在Nb-Zr、Nb-Ti合金的基礎(chǔ)上又發(fā)展了一系列具有很高臨界電流的三元超導(dǎo)合金材料，如Nb-40Zr-10Ti，Nb-Ti-Ta等，它們是制造磁流體發(fā)電機(jī)大型磁體的理想材料。第32頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月Nb-Ti合金的制備工藝：Nb、Ti均為難熔金屬，故其制備工藝要考慮難熔合金的特點，即材料的熔點高和在高溫下易于氧化。同時為了適應(yīng)超導(dǎo)磁體的要求必須進(jìn)行一些特殊的處理。Nb-Ti合金的典型工藝流程如下：電子束轟擊熔煉→真空電弧爐熔煉→熱鍛或冷加工→均勻化處理→冷加工→固溶處理→包銅→冷加工→拉絲→時效熱處理。第33頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月為了防止合金在高溫下被氧化和排除氣體，以獲得良好的加工性能和較純凈的合金，需要在真空或惰性保護(hù)氣氛中熔煉。先在電子轟擊爐中熔煉成初錠，作為真空電弧熔煉的自耗電極。再經(jīng)真空自耗熔煉成Nb-Ti合金錠。有時為了得到均勻的Nb-Ti合金錠，需經(jīng)多次重熔。但是，從超導(dǎo)性來看，雜質(zhì)的存在有利于Jc的提高（作為強(qiáng)磁場超導(dǎo)合金材料要求其Jc高）。一定含量的雜質(zhì)，常常是改善超導(dǎo)性能所必要的。所以未必重熔次數(shù)愈多、純度愈高愈好。第34頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月為了得到成分更均勻的合金線，可在高溫(1300℃)下進(jìn)行均勻化處理。固溶處理的目的在于改善塑性。然后進(jìn)行包銅，合金棒經(jīng)表面清潔處理后，插入銅管內(nèi)，銅管的內(nèi)外徑之比約為1∶2。再經(jīng)冷加工制成復(fù)合線。然后進(jìn)行拉絲。最后經(jīng)時效熱處理，目的在于脫溶出α相以提高臨界電流值。第35頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月為了防止這種超導(dǎo)材料在使用時產(chǎn)生局部磁通急劇變化而引起材料由超導(dǎo)向常導(dǎo)轉(zhuǎn)變，把超導(dǎo)材料用優(yōu)良導(dǎo)體(如銅、鎳或鋁等)包覆，情況可以得到改善。因為在超導(dǎo)體受干擾的區(qū)域恢復(fù)之前，這些導(dǎo)體可以作為電流通過的路徑。即使超導(dǎo)合金性能穩(wěn)定，也可以采用銅、鎳或鋁等良導(dǎo)體包覆超導(dǎo)線或?qū)⒊瑢?dǎo)合金制成多股多芯線，以進(jìn)一步減小磁化、磁滯而得到性能穩(wěn)定的、即使使用交流電也能使用的超導(dǎo)線材。第36頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月Nb-Zr合金的加工工藝類似于Nb-Ti合金，均屬于難熔合金范疇。Nb-Zr合金的超導(dǎo)臨界溫度Tc在Zr的原子百分含量為10~30時，出現(xiàn)一較寬的平臺形最大值，約11K。當(dāng)Zr的原子百分含量繼續(xù)增加時，Tc將逐漸下降。它的臨界磁場Hc2亦主要決定于Zr的原子百分含量，對冷加工及熱處理等并不敏感，在Zr的原子百分?jǐn)?shù)為65~75時達(dá)最大值。第37頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月Nb-Zr合金的H-Jc特性對結(jié)構(gòu)非常敏感。它不僅與合金成分、雜質(zhì)含量有關(guān)，并也與冷加工、熱處理等密切相關(guān)。在富Zr范圍內(nèi)，Jc隨Zr含量的下降而增加，而當(dāng)Zr的原子百分?jǐn)?shù)為25~35時，Jc達(dá)最大值。若Zr含量再下降，則Jc將同時很快下降。冷加工和短時間的熱處理都能提高Nb-Zr合金的Jc，兩種效應(yīng)是疊加的。故把冷加工和熱處理適當(dāng)?shù)亟Y(jié)合使用，可獲得最高的Jc。含Zr原子百分?jǐn)?shù)為28的Nb-Zr合金在800℃下進(jìn)行熱處理，可使Jc提高十倍。第38頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月在超導(dǎo)合金中，有些材料在降低溫度使用時，其上臨界磁場和臨界電流可以有大幅度提高；而且合金超導(dǎo)體的臨界溫度在超高壓下有所提高，如Nb-Zr合金，在30GPa壓力下，臨界溫度達(dá)到17K左右。常壓下Nb-Zr合金的超導(dǎo)臨界溫度最高達(dá)11K左右。第39頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月三、化合物超導(dǎo)材料化合物超導(dǎo)體與合金超導(dǎo)體相比，臨界溫度和臨界磁場(Hc2)都較高。一般超過10T的超導(dǎo)磁體只能用化合物系超導(dǎo)材料制造。如Nb3Sn、V3Ga、Nb3Ge、Nb3Al，Nb3(AlGe)等。但這些化合物超導(dǎo)材料都非常脆，加工困難，往往無法直接繞成磁體，必須采用特殊的制備方法。就這點來說，它不如超導(dǎo)合金。實際能夠使用的超導(dǎo)化合物只有Nb3Sn和V3Ga兩種，其它化合物由于加工成線材較困難，尚不能實用。第40頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月1、Nb3Sn超導(dǎo)化合物Nb3Sn化合物具有高臨界溫度Tc(~18K)、高臨界磁場Hc(4.2K下，~22.1T)和在強(qiáng)磁場下能承載很高的超導(dǎo)電流密度Jc(10T下，~4.5×105A/cm2)的特性。它是用來制作8.0~15.0T超導(dǎo)磁體的主要材料。第41頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月制備Nb3Sn線圈時，主要通過兩種途徑來克服其脆性問題：(1)先制成Nb3Sn超導(dǎo)帶(線),再繞制線圈在Nb基底帶上，表面鍍Sn，再經(jīng)900～950℃的熱處理，由于擴(kuò)散反應(yīng)，則在表面生成Nb3Sn層，而獲得Nb3Sn帶材，使其仍具有一定的柔性，再繞成線圈。第42頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)先繞成線圈，再生成Nb3Sn在尚未生成Nb3Sn化合物時，材料允許變形，將它繞成線圈，然后將整個線圈加熱，通過擴(kuò)散反應(yīng)生成Nb3Sn。這樣Nb3Sn便不需要變形了，以避免其脆性問題。但由于擴(kuò)散反應(yīng)是在1000℃左右的高溫下進(jìn)行的，故一般適用于中小型磁體。對于大型磁體，整體加熱處理將有困難。第43頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月2、V3Ga超導(dǎo)化合物V3Ga具有良好的超導(dǎo)性，在4.2K時，Hc≈24T，尤其在強(qiáng)磁場(10T)下，它的Jc值比Nb3Sn還高。用它可繞制15.0~20.0T超導(dǎo)磁體是較適宜的。V3Ga帶材的制法：在V基底帶上沉積Ga，生成含Ga高的化合物層，再在帶面上鍍Cu，并經(jīng)600～700℃的熱處理，使其形成V3Ga超導(dǎo)化合物層。第44頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月為了克服超導(dǎo)化合物材料性能的不穩(wěn)定性，也可以用銅合金裹在化合物上形成極細(xì)的多芯線。Nb3Sn和V3Ga極細(xì)多芯線的制造加工過程如下圖所示。第45頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月首先在Cu-Sn(或Cu-Ga)合金錠上鉆出多孔，再用多根Nb棒(或V棒)均勻地插入Cu-Sn(或Cu-Ga)合金中，形成Nb-(Cu-Sn)[或V-(Cu-Ga)]的復(fù)合體，然后對復(fù)合體進(jìn)行擠壓加工。第46頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月用拉拔方法將Nb-(Cu-Sn)[或V-(Cu-Ga)]復(fù)合體加工成線狀，通過再組合把很多這種線狀復(fù)合體再插入到Cu-Sn(或Cu-Ga)合金管中，然后進(jìn)行拔絲加工(中間退火)和扭絞加工制成線狀，再對加工后的線材進(jìn)行熱處理（600-700℃），即可形成Nb3Sn(或V3Ga)極細(xì)多芯線。第47頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月制造這類極細(xì)多芯線復(fù)合材料時，基體材料中如果含Sn或Ga愈多，經(jīng)熱處理后，生成的Nb3Sn或V3Ga超導(dǎo)化合物層就愈厚，超導(dǎo)特性也就愈好，但是復(fù)合材料的加工性能有所下降。通?；w合金的成分以使用Cu-(7~8)%atomSn或Cu-(19~20)%atomGa的綜合性能為佳。第48頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月1986年12月15日，美國休斯敦大學(xué)的朱經(jīng)武等人在La-Ba-Cu-O系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)了40.2K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。12月26日中國科學(xué)院物理研究所的趙忠賢等人發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)變溫度為48.6K的Sr-La-Cu-O，轉(zhuǎn)變溫度為70K的Ba-La-Cu-O。1987年2月16日，朱經(jīng)武領(lǐng)導(dǎo)的阿拉巴馬大學(xué)和休斯敦大學(xué)組成的實驗小組，發(fā)現(xiàn)Y-Ba-Cu-O的Tc為92K。2月24日，趙忠賢等人獲得液氮溫區(qū)的超導(dǎo)體Y-Ba-Cu-O，Tc在100K以上，出現(xiàn)零電阻的溫度為78.5K。人們終于實現(xiàn)了獲得液氮溫區(qū)超導(dǎo)體的多年夢想。1.3高溫超導(dǎo)陶瓷第49頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月1、高溫超導(dǎo)體的特征高溫氧化物超導(dǎo)體，從結(jié)構(gòu)上都是從鈣鈦礦結(jié)構(gòu)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)；Bi-Sr-Ca-O(Tc＝80K)；Tl-Ba-Cu-O(Tc＝120K)。在一定壓力范圍內(nèi)，加壓可以提高超導(dǎo)體的Tc。晶格中原子的無序是影響材料超導(dǎo)持性的一個重要因素。在大多數(shù)高溫超導(dǎo)體中，都發(fā)現(xiàn)了邁斯納效應(yīng)和約瑟夫森效應(yīng)，在超導(dǎo)態(tài)時電阻率低于10-18Ω·cm。第50頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月所有高溫氧化物超導(dǎo)體都是第二類超導(dǎo)體。空穴配對是高溫超導(dǎo)體的一個基本特征。高溫超導(dǎo)體在結(jié)構(gòu)和物性方面具有以下特征：(1)晶體結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的低維特點，三個晶格常數(shù)往往相差3~4倍；(2)輸運系數(shù)(電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率等)具有明顯的各向異性；(3)磁場穿透深度遠(yuǎn)大于相干長度，是第二類超導(dǎo)體；(4)載梳子濃度低，且多為空穴型導(dǎo)電；(5)同位素效應(yīng)不顯著；(6)邁斯納效應(yīng)不完全；(7)隧道實驗表明能隙存在，且為庫柏型配對。第51頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月目前，在高溫超導(dǎo)研究領(lǐng)域中，著重進(jìn)行三個方面的探索，一是繼續(xù)提高Tc，爭取獲得室溫超導(dǎo)體；二是尋找適合高溫超導(dǎo)的微觀機(jī)理；三是加緊進(jìn)行高溫超導(dǎo)材料與器件的研制，進(jìn)一步提高材料的Jc和Hc，改善各種性能，降低成本，以適應(yīng)實用化的要求。第52頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月2、高溫超導(dǎo)材料日本科學(xué)家成功地使鉍系氧化物超導(dǎo)體線材化，芯體由1330條超導(dǎo)線材集束而成，臨界溫度為102K，不加磁場時，在液氮溫度下，所測臨界電流密度為1000~2000A／cm2。線材厚度0.16mm，寬1.8mm，斷面呈扁平形狀。第53頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月在鉍系高溫超導(dǎo)物質(zhì)外覆蓋銀后，燒制成寬4mm，厚0.4mm的帶狀線材，長度可達(dá)60m。目前已成功地完成使電流從一端流向另一端的通電試驗。在攝氏零下256度時流過電流的絕對值為10.5A，電流密度為2450A／cm2，已達(dá)到實用化的水平。第54頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月朱經(jīng)武領(lǐng)導(dǎo)的休斯敦大學(xué)研究小組，成功地把高溫超導(dǎo)體制成了棒材，這種棒材能夠載大電流，從而朝著使這項新技術(shù)達(dá)到實用化方向邁進(jìn)了一大步。該小組開發(fā)出一種“連續(xù)制造法”，應(yīng)用此法有可能制造出各種規(guī)格的超導(dǎo)體，諸如片狀、棒狀、線狀，甚至厚膜。新的超導(dǎo)棒材最大的載流能力約為60000A／cm2，足以驅(qū)動某些發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)。第55頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月一、開發(fā)新能源1．超導(dǎo)受控?zé)岷朔磻?yīng)堆人類面臨著能源危機(jī)，受控?zé)岷朔磻?yīng)的實現(xiàn)，將從根本上解決人類的能源危機(jī)。如果想建立熱核聚變反應(yīng)堆，利用核聚變能量來發(fā)電，首先必須建成大體積、高強(qiáng)度的大型磁場(磁感應(yīng)強(qiáng)度約為105T)。這種磁體貯能應(yīng)達(dá)4×1010J，只有超導(dǎo)磁體才能滿足要求，若用常規(guī)磁體，產(chǎn)生的全部電能只能維持該磁體系統(tǒng)的電力消耗。用于制造核聚變裝置中超導(dǎo)磁體的超導(dǎo)材料主要是Nb3Sn，Nb-Ti合金，NbN，Nb3Al，Nb3(A1,Ge)等。1.4超導(dǎo)材料的應(yīng)用第56頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月2．超導(dǎo)磁流體發(fā)電磁流體發(fā)電是一種靠燃料產(chǎn)生高溫等離子氣體，使這種氣體通過磁場而產(chǎn)生電流的發(fā)電方式。磁流體發(fā)電機(jī)的主體部分主要由三個部分組成：燃燒室，發(fā)電通道和電極，其輸出功率與發(fā)電通道體積及磁場強(qiáng)度的平方成正比。如使用常規(guī)磁體，不僅磁場的大小受到限制，而且勵磁損耗大，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能將有很大一部分為自身消耗掉，尤其是磁場較強(qiáng)時。而超導(dǎo)磁體可以產(chǎn)生較大磁場，且勵磁損耗小，體積，重量也可以大大減小。第57頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月美國和日本對磁流體發(fā)電進(jìn)行了大規(guī)模的研究。日本制造的磁流體發(fā)電超導(dǎo)磁體產(chǎn)生磁場4.5T，儲能60MJ，發(fā)電500kW。目前，采用超導(dǎo)磁體的磁流體發(fā)電機(jī)已經(jīng)開始工作，磁流體-蒸汽聯(lián)合電站正在進(jìn)行試驗。磁流體發(fā)電特別適合用于軍事上大功率脈沖電源和艦艇電力推進(jìn)。美國將磁流體推進(jìn)裝置用于潛艇，已進(jìn)行了實驗。第58頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月二、節(jié)能方面1．超導(dǎo)輸電超導(dǎo)體的零電阻特性使超導(dǎo)輸電引起人們極大的興趣。但目前實用的超導(dǎo)材料臨界溫度較低，因此，對于超導(dǎo)輸電必須考慮冷卻電纜所需成本。近年，隨著高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，日本研制了66kV，50m長的具有柔性絕熱液氮管的電纜模型和50m長的導(dǎo)體統(tǒng)在柔性芯子上的電纜，其交流載流能力為2000A，有望用于市內(nèi)地下電力傳輸系統(tǒng)。美國也研制了直流臨界電流為900A的電纜。第59頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月2．超導(dǎo)發(fā)電機(jī)和電動機(jī)超導(dǎo)電機(jī)的優(yōu)點是小型、輕量、輸出功率高、損耗小。據(jù)計算，電機(jī)采用超導(dǎo)材料線圈，磁感應(yīng)強(qiáng)度可提高5~10倍。一般常規(guī)電機(jī)允許的電流密度為l02~103A／cm2，超導(dǎo)電機(jī)可達(dá)到104A／cm2以上?？梢姵瑢?dǎo)電機(jī)單機(jī)輸出功率可大大增加，換句話說，同樣輸出功率下，電機(jī)重量可大大減輕。目前，超導(dǎo)單極直流電機(jī)和同步發(fā)電機(jī)是人們研究的主要對象。第60頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月3．超導(dǎo)變壓器超導(dǎo)材料用于制造變壓器，可大大降低磁損耗，縮小體積，減輕重量。日本已研制成500kV·A的高溫超導(dǎo)變壓器；美國為模擬全尺寸的30MV·A的高溫超導(dǎo)變壓器而研制了1MV·A的高溫超導(dǎo)變壓器。第61頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月三、超導(dǎo)磁懸浮列車第62頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月磁懸浮列車的設(shè)想是60年代提出的。這種高速列車?yán)寐访娴某瑢?dǎo)線圈與列車上超導(dǎo)線圈磁場間的排斥力使列車懸浮起來，消除了普通列車車輪與軌道的摩擦力，使列車速度大大提高。使用的超導(dǎo)磁體如下圖所示。日本在1979年就研制成了時速517km的超導(dǎo)磁懸浮實驗車。而1990年德國漢諾威-維爾茨堡高速磁浮列車線路正式投入運營，使德國在磁浮列車的實用化方面居領(lǐng)先地位。日本1991年又研制出一種水陸兩棲磁浮列車，已完成模擬試驗。第63頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月日本研制的磁浮列車上使用的超導(dǎo)磁體

第64頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月四、超導(dǎo)貯能由于超導(dǎo)體電阻為零，在其回路中通入電流，電流應(yīng)永不衰減。即可以將電能存貯于超導(dǎo)線圈中。目前，超導(dǎo)貯能的應(yīng)用研究主要集中于兩個方面：一方面，計劃用口徑幾百米的巨大線圈貯存電力，供電網(wǎng)調(diào)峰用。另一方面，是作為脈沖電源，如用作激光武器電源。目前，小型超導(dǎo)貯能裝置在美國已形成產(chǎn)品，下一步將用于變電所以提高電力質(zhì)量。第65頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月五、在研究領(lǐng)域超導(dǎo)磁體的應(yīng)用，最早是在研究領(lǐng)域展開的。目前，在實驗室中，用銅與Nb3Sn超導(dǎo)磁體制成的混合磁體，產(chǎn)生了30.7T的磁場。在高能物理方面，超導(dǎo)體在同步加速