磁性材料與超導(dǎo)材料

關(guān)于磁性材料與超導(dǎo)材料第一節(jié)磁性材料具有強磁性的材料稱為磁性材料。

磁性材料具有能量轉(zhuǎn)換，存儲或改變能量狀態(tài)的功能，是重要的功能材料。磁性材料廣泛地應(yīng)用于計算機、通訊、自動化、音像、電視、儀器和儀表、航空航天、農(nóng)業(yè)、生物與醫(yī)療等技術(shù)領(lǐng)域。第2頁,共141頁，2024年2月25日，星期天5000年前：天然磁石(Fe3O4)

2300年前：天然磁石，“司南”，指南儀

1086年：沈括，《夢溪筆談》，指南針

1119年：朱或，《萍洲可談》，羅盤，航海1405-1432年：鄭和，指南儀，航海1488-1521年：哥倫布，伽馬，麥哲倫，指南儀，航海發(fā)現(xiàn)磁學(xué)發(fā)展史第3頁,共141頁，2024年2月25日，星期天

十七世紀(jì)：英國，威廉.吉伯，《磁體》

十八世紀(jì)：法國，庫侖，庫侖定律

十九世紀(jì)1820年：丹麥，奧斯特，電流產(chǎn)生磁場1831年：英國，法拉第，電磁感應(yīng)現(xiàn)象1873年：英國，麥克斯韋，統(tǒng)一電磁理論1899年：法國，居里，居里溫度，磁性轉(zhuǎn)變第4頁,共141頁，2024年2月25日，星期天

二十世紀(jì)1905：法國，郎之萬基于統(tǒng)計力學(xué)理論解釋了順磁性隨溫度的變化。1907：法國，外斯提出分子場理論，擴展了郎之萬的理論。1921：奧地利，泡利提出玻爾磁子作為原子磁矩的基本單位。美國，康普頓提出電子也具有自旋相應(yīng)的磁矩。第5頁,共141頁，2024年2月25日，星期天1928：英國，狄拉克用相對論量子力學(xué)完美地解釋了電子的內(nèi)稟自旋和磁矩，并與德國物理學(xué)家海森伯一起證明了靜電起源的交換力的存在，奠定了現(xiàn)代磁學(xué)的基礎(chǔ)。1936：蘇聯(lián)，郎道完成了巨著“理論物理學(xué)教程”，其中包含全面而精彩地論述現(xiàn)代電磁學(xué)和鐵磁學(xué)的篇章。1936-1948：法國，奈耳提出反鐵磁性和亞鐵磁性的概念和理論。

第6頁,共141頁，2024年2月25日，星期天1967：奧地利，斯奈特在量子磁學(xué)的指導(dǎo)下發(fā)現(xiàn)了磁能積空前高的稀土磁體(SmCo5)，從而揭開了永磁材料發(fā)展的新篇章。1974：第二代稀土永磁Sm2Co17問世。1982：第三代稀土永磁Nd2Fe14B問世。1990：原子間隙磁體Sm-Fe-N問世。1991：德國，克內(nèi)勒提出了雙相復(fù)合磁體交換作用的理論基礎(chǔ)，指出了納米晶磁體的發(fā)展前景。第7頁,共141頁，2024年2月25日，星期天⑴磁性材料的分類①按化學(xué)組成分類金屬磁性材料、非金屬(鐵氧體)磁性材料②按磁化率大小分類順磁性、反磁性、鐵磁性、反鐵磁性、亞鐵磁性第8頁,共141頁，2024年2月25日，星期天③按功能分類軟磁材料、硬磁材料、半硬磁材料、矩磁材料、旋磁材料、壓磁材料、泡磁材料、磁光材料、磁記錄材料

第9頁,共141頁，2024年2月25日，星期天⑵磁化強度M

宏觀磁體由許多具有固有磁矩的原子組成。當(dāng)原子磁矩同向平行排列時，宏觀磁體對外顯示的磁性最強。當(dāng)原子磁矩紊亂排列時，宏觀磁體對外不顯示磁性。第10頁,共141頁，2024年2月25日，星期天宏觀磁體單位體積在某一方向的磁矩稱為磁化強度M：

M=∑

原子/V第11頁,共141頁，2024年2月25日，星期天⑶磁化率及磁導(dǎo)率

任何物質(zhì)在外磁場作用下，除了外磁場H外，由于物質(zhì)內(nèi)部原子磁矩的有序排列，還要產(chǎn)生一個附加的磁場M。第12頁,共141頁，2024年2月25日，星期天在物質(zhì)內(nèi)部外磁場和附加磁場的總和稱為磁感應(yīng)強度B。

B=o(H+M)o--真空磁導(dǎo)率

=M/H

--磁化率

=B/H

--磁導(dǎo)率

第13頁,共141頁，2024年2月25日，星期天①鐵磁性物質(zhì)具有極高的磁化率，磁化易達到飽和的物質(zhì)。如Fe，Co，Ni，Gd等金屬及其合金稱為鐵磁性物質(zhì)。磁矩的排列與磁性的關(guān)系鐵磁性

m=10-2~106磁場

⑷磁性的起源第14頁,共141頁，2024年2月25日，星期天②亞鐵磁性物質(zhì)磁矩的排列與磁性的關(guān)系亞鐵磁性

m=10-2~106磁場

如鐵氧體(M2+Fe23+O4)等，是一些復(fù)雜的金屬化合物，比鐵磁體更常見。它們相鄰原子的磁矩反向平行，但彼此的強度不相等，具有高磁化率和居里溫度。第15頁,共141頁，2024年2月25日，星期天③順磁性物質(zhì)存在未成對電子→永久磁矩。La，Pr，MnAl，F(xiàn)eSO4·7H2O，Gd2O3…；在居里溫度以上的鐵磁性金屬Fe,Co,Ni等。

居里溫度由鐵磁性或亞鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判缘呐R界溫度稱為居里溫度(Tc)。順磁性

m=10-6~10-5磁場

磁矩的排列與磁性的關(guān)系第16頁,共141頁，2024年2月25日，星期天④反磁性物質(zhì)不存在未成對電子→沒有永久磁矩。惰性氣體，不含過渡元素的離子晶體，共價化合物和所有的有機化合物，某些金屬和非金屬。磁矩的排列與磁性的關(guān)系反磁性

m=-10-5~-10-6磁場

第17頁,共141頁，2024年2月25日，星期天⑤反鐵磁性物質(zhì)FeO，F(xiàn)eF3，NiF3，NiO，MnO，各種錳鹽以及部分鐵氧體ZnFe2O4等，它們相鄰原子的磁矩反向平行，而且彼此的強度相等，沒有磁性。反鐵磁性

m=10-2~10-5磁場

磁矩的排列與磁性的關(guān)系第18頁,共141頁，2024年2月25日，星期天第19頁,共141頁，2024年2月25日，星期天⑸磁性材料（按功能分）

第20頁,共141頁，2024年2月25日，星期天硬磁性材料外磁場撤去后，不易去磁，具有很強的剩磁應(yīng)用：永磁體軟磁性材料外磁場撤去后，容易去磁，沒有明顯的剩磁應(yīng)用：電磁鐵第21頁,共141頁，2024年2月25日，星期天退磁原來有磁性的物體，失去磁性的現(xiàn)象方法：（1）高溫（2）劇烈振動（3）逐漸減弱的交變磁場的作用第22頁,共141頁，2024年2月25日，星期天稀土永磁材料鈷基永磁材料鐵基永磁材料:代表是R-Fe-B，如NdFeB1:5型R-Co，R代表稀土，如：SmCo52:17型R-Co，R代表稀土，如：Sm2Co17第23頁,共141頁，2024年2月25日，星期天下面重點介紹一下永磁NdFeB，其典型合金成份為Nd15Fe8B77

1983年日本住友特種金屬公司和美國GM公司幾乎同時研制出NdFeB合金。后來又用Co替代部分Fe，提高居里溫度；用Dy或Tb取代部分Nd，提高矯頑力，改善磁體的高溫性能。這類稀土永磁材料的性能特點是：①磁能積比非稀土永磁大4倍以上,因此在相同磁能積條件下,使用稀土永磁可縮小體積,便于設(shè)備、儀表小型化、輕量化；②矯頑力是鐵氧體的3-5倍,利用此性質(zhì)可以制作較薄的磁體;③剩磁與AlNiCo相當(dāng),比鐵氧體高二倍。

目前,稀土永磁的應(yīng)用已遍及電動機械、電器儀表與電音設(shè)備，如揚聲器、傳感器；磁軸承和強力磁選機；電子及離子束控制裝置，如磁控制管和粒子加速器；醫(yī)療保鍵，如核磁共振層析儀、心臟起博器及磁療設(shè)備等。整個西方世界產(chǎn)量的一半用于硬盤驅(qū)動器用電機。

第24頁,共141頁，2024年2月25日，星期天（6）磁性功能材料應(yīng)用領(lǐng)域第25頁,共141頁，2024年2月25日，星期天第26頁,共141頁，2024年2月25日，星期天我國磁性材料的生產(chǎn)在國際上占有重要的地位.其中,永磁鐵氧體的產(chǎn)量達11×104ｔ,居世界首位;軟磁鐵氧體產(chǎn)量4×104ｔ,居世界前列;稀土永磁產(chǎn)量4300ｔ,居世界第二.但是,目前我國生產(chǎn)的磁性材料基本上是低性能、低附加值材料,與發(fā)達國家存在較大的差距，產(chǎn)值與產(chǎn)量不相稱.我國磁性材料的產(chǎn)量與需求第27頁,共141頁，2024年2月25日，星期天在傳統(tǒng)工業(yè)中的應(yīng)用磁性材料的應(yīng)用生物界和醫(yī)學(xué)界的磁應(yīng)用軍事領(lǐng)域的磁應(yīng)用考古天文地址采礦界領(lǐng)域的磁應(yīng)用第28頁,共141頁，2024年2月25日，星期天?磁盤存儲

所謂磁存儲就是以記錄磁場方向的方式或磁場的有無來儲存資料。數(shù)據(jù)在磁片上以磁化的點來表示，被磁化的點代表1，沒有被磁化的點代表0第29頁,共141頁，2024年2月25日，星期天電飯鍋

日常使用的電飯鍋利用了磁性材料的居里點的特性。在電飯鍋的底部中央裝了一塊磁鐵和一塊居里點為105℃的磁性材料。當(dāng)鍋里的水分干了以后，食品的溫度將從100度上升。當(dāng)溫度到達大約105度時，由于被磁鐵吸住的磁性材料的磁性消失，磁鐵就對它失去了吸力，這時磁鐵和磁性材料之間的彈簧就會把它們分開，同時帶動電源開關(guān)被斷開，停止加熱。第30頁,共141頁，2024年2月25日，星期天電磁爐

電磁爐的內(nèi)部有一個金屬線圈，當(dāng)電流通過線圈時，會產(chǎn)生磁場。這一隨時間變化的磁場導(dǎo)致在金屬煲內(nèi)產(chǎn)生一感應(yīng)電場。金屬煲內(nèi)的電子受電場影響進行運動。由于有電阻，電子運動時會放出大量熱能，這些熱能便可用作煮食。金屬煲的電阻必須足夠大，才能產(chǎn)生足夠的熱量，所以一般只能選用鐵和不銹鋼煲，銅煲就不大可能，更不能用玻璃、陶瓷、塑料等。

特點：直接發(fā)熱，熱效率高達90%

爐面無明火，無煙無廢氣電磁火力強勁，安全可靠第31頁,共141頁，2024年2月25日，星期天傳統(tǒng)工業(yè)第32頁,共141頁，2024年2月25日，星期天在醫(yī)學(xué)上，利用核磁共振可以診斷人體異常組織，判斷疾病，這就是我們比較熟悉的核磁共振成像。利用磁性納米材料表面功能基團與可識別病兆的功能分子進行耦聯(lián)，是實現(xiàn)磁性納米晶體在疾病鑒別診斷中應(yīng)用的最可行的手段之一。生物醫(yī)學(xué)第33頁,共141頁，2024年2月25日，星期天電磁炮是把炮彈放在螺線管中，螺線管產(chǎn)生的磁場對炮彈將產(chǎn)生巨大的推動力將炮彈射出的一種新型武器“電磁式武器”。類似的還有電磁導(dǎo)彈等。軍事領(lǐng)域第34頁,共141頁，2024年2月25日，星期天磁性是從宇宙天體到基本粒子普存的學(xué)科地球磁場地球就是一塊巨大的磁鐵，它的N極在地理的南極附近，而S極在地理的北極附近.第35頁,共141頁，2024年2月25日，星期天北極光是太陽風(fēng)中的粒子（高能帶電粒子流）和地磁場相互作用的結(jié)果。當(dāng)它們到達地球時，與地磁場發(fā)生相互作用，使得這些粒子向南北極運動和聚集，并且和地球高空的稀薄氣體相碰撞，結(jié)果使氣體分子受激發(fā)，從而發(fā)光。第36頁,共141頁，2024年2月25日，星期天太陽黑子是太陽上磁場活動非常劇烈的區(qū)域。太陽黑子的爆發(fā)對我們的生活會產(chǎn)生影響，例如使得無線電通信暫時中斷等。因此，研究太陽黑子對我們有重要意義。第37頁,共141頁，2024年2月25日，星期天磁懸浮列車

上海磁懸浮列車平均時速300公里/小時，最高時速430公里/小時第38頁,共141頁，2024年2月25日，星期天

磁懸浮列車是運用磁鐵“同性相斥，異性相吸”的性質(zhì)，使磁鐵具有抗拒地心引力的能力，使列車完全脫離軌道而懸浮行駛，成為“無輪”列車。

磁懸浮列車也有兩種相應(yīng)的形式：一種是電磁型，也稱吸力型、常導(dǎo)型。另一種是電動型，也稱斥力型、超導(dǎo)型。磁懸浮列車原理

兩種磁懸浮列車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖：(a)電磁型；(b)電動型

第39頁,共141頁，2024年2月25日，星期天磁制冷冰箱磁制冷是一種以磁性材料為工質(zhì)的制冷技術(shù)，基本原理是借助磁制冷材料的磁熱效應(yīng)即磁制冷材料等溫磁化時向外界放出熱量，而等溫退磁時從外界吸取熱量，以達到制冷目的

第40頁,共141頁，2024年2月25日，星期天

第二節(jié)超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料是一種沒有電阻的材料，既能節(jié)約能量，減少電能因電阻而消耗的能量，還能把電流儲存起來，供急需時使用。

第41頁,共141頁，2024年2月25日，星期天自從世界上以電力作為主要動力以來，就遇到兩個令人頭痛的問題：１、是在輸送電流時，不少電力因?qū)Ь€有電阻而發(fā)熱，白白損失了相當(dāng)?shù)哪芰?。２、白天的電力常常?yán)重不足，而深夜的電力又大大富余，使得發(fā)電機常常白天超負荷運轉(zhuǎn)，深夜時卻空轉(zhuǎn)，電力白白浪費了。第42頁,共141頁，2024年2月25日，星期天能不能把夜間富余的電力儲存起來用以彌補白天電力不足的難題呢?自從有了超導(dǎo)材料以來，解決這個問題就大有希望了。第43頁,共141頁，2024年2月25日，星期天

一、超導(dǎo)材料的發(fā)展歷程

1911年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，金屬的電阻和它的溫度條件有很大關(guān)系：溫度高時，它的電阻就增加，溫度低時電阻減少。并總結(jié)出一個金屬電阻與溫度之間的關(guān)系的理論公式。第44頁,共141頁，2024年2月25日，星期天當(dāng)時，荷蘭物理學(xué)家昂尼斯為檢驗金屬電阻與溫度之間的關(guān)系的理論公式的正確性，就用水銀作試驗。將水銀冷卻到-40℃時，亮晶晶的液體水銀變成了固體；然后，他把水銀拉成細絲，并繼續(xù)降低溫度，同時測量不同溫度下固體水銀的電阻，當(dāng)溫度降低列4K時，水銀的電阻突然變成了零。第45頁,共141頁，2024年2月25日，星期天開始他不太相信這一結(jié)果、于是反復(fù)試驗，但都是一樣。這一發(fā)現(xiàn)轟動了世界的物理學(xué)界，后來科學(xué)家把這個現(xiàn)象叫超導(dǎo)現(xiàn)象，把電阻等于零的材料稱超導(dǎo)材料，而把出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的溫度稱作超導(dǎo)材料的“臨界溫度”。第46頁,共141頁，2024年2月25日，星期天昂尼斯和許多科學(xué)家后來又發(fā)現(xiàn)了28種超導(dǎo)元素和8000多種超導(dǎo)化合物材料。但出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的臨界溫度大多在接近絕對零度的極低溫，沒有什么經(jīng)濟價值，因為制造這種極低的溫度，本身就很花錢而又很困難。

第47頁,共141頁，2024年2月25日，星期天

為了尋找臨界溫度比較高的沒有電阻的材料，世界上無數(shù)科學(xué)家奮斗了近60年，也沒有取得什么進展。直到1973年，英、美一些科學(xué)家才找到一種在23K出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的鈮鍺合金。此后這一記錄又保持了10多年。第48頁,共141頁，2024年2月25日，星期天

到了1986年，在瑞士IBM公司研究室工作的貝特諾茨和繆勒從別人多次失敗中總結(jié)教訓(xùn)，放棄了在金屬和合金中尋找超導(dǎo)材料的老觀念，終于發(fā)現(xiàn)一種釔鋇銅氧陶瓷氧化物材料在43K這一較高溫度下出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象。這是一個了不起的成就，因此他們兩人同時獲得了1987年的諾貝爾物理學(xué)獎。第49頁,共141頁，2024年2月25日，星期天此后，美籍華人學(xué)者朱經(jīng)武，中國物理學(xué)家趙忠賢在1987年相繼發(fā)現(xiàn)了在78.5K

和98K時出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的釔鋇銅氧系高溫超導(dǎo)材料。不久又發(fā)現(xiàn)鉍鍶鈣銅氧系高溫超導(dǎo)合金，在110K的溫度就有超導(dǎo)現(xiàn)象。第50頁,共141頁，2024年2月25日，星期天而后朱經(jīng)武發(fā)現(xiàn)的鉈鋇鈣銅氧系合金的超導(dǎo)溫度更接近室溫，達120K。第51頁,共141頁，2024年2月25日，星期天

199l年，美國和日本的科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了球狀碳分子Ｃ-60在摻鉀、銫、釹等元素后，也有超導(dǎo)性?？茖W(xué)家預(yù)料，球狀碳分子Ｃ--60摻雜金屬后，有可能在室溫下出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象，那時，超導(dǎo)材料就有可能像半導(dǎo)體材料一樣，在世界引起一場工業(yè)和技術(shù)革命。第52頁,共141頁，2024年2月25日，星期天

1995年美國國立洛斯阿拉莫斯實驗室的科學(xué)家已經(jīng)把高溫超導(dǎo)體制成柔韌的細帶狀，由于沒有電阻，其導(dǎo)電性是銅絲的1200多倍。第53頁,共141頁，2024年2月25日，星期天

1996年，日本電氣公司制出長一千米的高溫超導(dǎo)線材，電流密度達到6000A/cm2，這種線材已達到了實用化的水平。第54頁,共141頁，2024年2月25日，星期天超導(dǎo)材料在液氮以上溫度工作，可以說是20世紀(jì)內(nèi)科學(xué)技術(shù)上的重大突破，也是超導(dǎo)技術(shù)發(fā)展史上的一個新的里程碑。至今，對高溫超導(dǎo)材料的研究仍然方興未艾。第55頁,共141頁，2024年2月25日，星期天二、超導(dǎo)體的三個臨界參數(shù)

1911年，荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯(OnnesHK)在成功地將氦氣液化、獲得4.2K的超低溫后，開始研究超低溫條件下金屬電阻的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)溫度下降至4.2K時，汞電阻突然消失了！這就是超導(dǎo)現(xiàn)象，此時的溫度稱為超導(dǎo)臨界溫度Tc。第56頁,共141頁，2024年2月25日，星期天

零電阻是超導(dǎo)體最基本的特性，它意味著電流可以在超導(dǎo)體內(nèi)無損耗地流動，使電力的無損耗傳輸成為可能；同時，零電阻允許有遠高于常規(guī)導(dǎo)體的載流密度，可用以形成強磁場或超強磁場。

第57頁,共141頁，2024年2月25日，星期天發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性后，昂內(nèi)斯即著手用超導(dǎo)體來繞制強磁體，但出乎他的意料，超導(dǎo)體在通上不大的電流后，超導(dǎo)電性就被破壞了，即超導(dǎo)體具有臨界電流Ic。此后，又發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的臨界磁場Hc。

Ic和Hc也是超導(dǎo)體的基本特性，是實現(xiàn)超導(dǎo)體強電應(yīng)用的必要條件。

第58頁,共141頁，2024年2月25日，星期天

臨界溫度（Tc）、臨界電流（Ic

）和臨界磁場（Hc

）是“約束”超導(dǎo)現(xiàn)象的三大臨界條件。三者具有明顯的相關(guān)性，只有當(dāng)超導(dǎo)體同時處于三個臨界條件以內(nèi)，即處于如圖所示的三角錐形曲面內(nèi)側(cè)，才具有超導(dǎo)電性。

第59頁,共141頁，2024年2月25日，星期天三角錐形曲面內(nèi)側(cè)超導(dǎo)電性的T--I--H臨界面第60頁,共141頁，2024年2月25日，星期天超導(dǎo)材料基本物理特性：臨界溫度Tc、臨界磁場Hc和臨界電流Ic三個臨界值。超導(dǎo)材料只有處在這些臨界值以下的狀態(tài)時才顯示超導(dǎo)性，所以臨界值越高，實用性就強，利用價值就越高。第61頁,共141頁，2024年2月25日，星期天三、超導(dǎo)材料的基本特性

1．零電阻效應(yīng)

2．超導(dǎo)體的完全抗磁性（邁斯納效應(yīng)）第62頁,共141頁，2024年2月25日，星期天1．零電阻效應(yīng)當(dāng)溫度T下降至某一數(shù)值以下時，超導(dǎo)體的電阻突然變?yōu)榱悖@就稱為超導(dǎo)體的零電阻效應(yīng)，也稱為超導(dǎo)電性。下圖是汞在液氦溫度附近電阻的變化行為。第63頁,共141頁，2024年2月25日，星期天汞在液氦溫度附近電阻的變化行為超導(dǎo)臨界溫度Tc雖然與樣品純度無關(guān),但是越均勻純凈的樣品超導(dǎo)轉(zhuǎn)變時的電阻陡降越尖銳。第64頁,共141頁，2024年2月25日，星期天2．超導(dǎo)體的完全抗磁性（邁斯納效應(yīng)）

指超導(dǎo)體處于外界磁場中，磁力線無法穿透，超導(dǎo)體內(nèi)的磁通量為零。第65頁,共141頁，2024年2月25日，星期天

1933年，邁斯納(MeissnerW)發(fā)現(xiàn)，只要溫度低于超導(dǎo)臨界溫度，則置于外磁場中的超導(dǎo)體就始終保持其內(nèi)部磁場為零，外部磁場的磁力線統(tǒng)統(tǒng)被排斥在超導(dǎo)體之外。第66頁,共141頁，2024年2月25日，星期天即便是原來處在磁場中的正常態(tài)樣品，當(dāng)溫度下降使它變成超導(dǎo)體時，也會把原來在體內(nèi)的磁場完全排出去，即超導(dǎo)體具有完全抗磁性。這一現(xiàn)象被稱為邁斯納效應(yīng)，它是超導(dǎo)體的另一個獨立的基本特性。第67頁,共141頁，2024年2月25日，星期天超導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強度B總是等于零，即金屬在超導(dǎo)電狀態(tài)的磁化率為

=M/H=-1,B=0(1+)H=0。超導(dǎo)體內(nèi)的磁化率為-1(M為磁化強度，B0＝

0H)超導(dǎo)體的完全抗磁性如下圖所示：第68頁,共141頁，2024年2月25日，星期天液氮環(huán)境下的超導(dǎo)實驗由邁斯納效應(yīng)可知，超導(dǎo)體在靜磁場中的行為可以近似地用“完全抗磁體”來描述。利用這一特性，可以實現(xiàn)磁懸浮。第69頁,共141頁，2024年2月25日，星期天第70頁,共141頁，2024年2月25日，星期天僅從超導(dǎo)體的零電阻現(xiàn)象出發(fā)，得不到邁斯納效應(yīng)。同樣，用邁斯納效應(yīng)也不能描述零電阻現(xiàn)象。因此，邁斯納效應(yīng)和零電阻性質(zhì)是超導(dǎo)態(tài)的兩個獨立的基本屬性，衡量一種材料是否具有超導(dǎo)電性必須看是否同時具有零電阻和邁斯納效應(yīng)。第71頁,共141頁，2024年2月25日，星期天根據(jù)上述超導(dǎo)材料的兩個基本特征，可以看出：

超導(dǎo)體是指某種物質(zhì)冷卻到某一溫度時電阻突然變?yōu)榱?，同時物質(zhì)內(nèi)部失去磁通成為完全抗磁性的物質(zhì)。第72頁,共141頁，2024年2月25日，星期天超導(dǎo)材料的組成元素有金屬、類金屬和非金屬元素，在元素周期表上的位置如圖所示。第73頁,共141頁，2024年2月25日，星期天在元素周期表相應(yīng)位置的元素中，有的可由單一元素制成超導(dǎo)材科，但絕大多數(shù)超導(dǎo)材料是由多種元素構(gòu)成的合金、化合物或陶瓷。下表中列出了代表性的超導(dǎo)材料及Ｔc值。第74頁,共141頁，2024年2月25日，星期天超導(dǎo)材料及Ｔc值第75頁,共141頁，2024年2月25日，星期天在上述超導(dǎo)特性被發(fā)現(xiàn)后，對超導(dǎo)電性的理論研究即已開始，但直到20世紀(jì)50年代建立了超導(dǎo)電性的微觀理論，人們才對金屬超導(dǎo)體的超導(dǎo)行為獲得了滿意的解釋。第76頁,共141頁，2024年2月25日，星期天四、傳統(tǒng)超導(dǎo)電體的超導(dǎo)電性理論(1)唯象理論①二流體模型②倫敦方程③金茲堡--朗道理論第77頁,共141頁，2024年2月25日，星期天(2)傳統(tǒng)超導(dǎo)體的微觀機制①同位素效應(yīng)②超導(dǎo)能隙③庫柏電子對④相干長度⑤BCS理論第78頁,共141頁，2024年2月25日，星期天六、超導(dǎo)材料的分類⑴常規(guī)超導(dǎo)體⑵高溫超導(dǎo)體(HTS)⑶其它類型超導(dǎo)體第79頁,共141頁，2024年2月25日，星期天

⑴常規(guī)超導(dǎo)體相對于高溫超導(dǎo)體而言，元素、合金和化合物的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度較低

(以液氮溫度77K為界)，因此這類超導(dǎo)體被稱為常規(guī)超導(dǎo)體。第80頁,共141頁，2024年2月25日，星期天①元素超導(dǎo)體(50多種)

一些元素在常壓或高壓下具有超導(dǎo)電性能，另外一些元素經(jīng)特殊處理后顯示出超導(dǎo)電性。由于臨界電流和臨界磁場均較小，所以元素超導(dǎo)體很難實用化。

第81頁,共141頁，2024年2月25日，星期天第82頁,共141頁，2024年2月25日，星期天②合金超導(dǎo)體

超導(dǎo)合金在技術(shù)上有重要價值，它們具有較高的臨界溫度和特別高的臨界磁場以及臨界電流。超導(dǎo)合金具有塑性好，易于大量生產(chǎn)，成本低等優(yōu)點。第83頁,共141頁，2024年2月25日，星期天

最早出售的超導(dǎo)線材是Nb--Zr系，用于制造超導(dǎo)磁體。Nb--Zr合金具有低磁場高電流的特點。1965年后被加工性能好、臨界磁場高、成本低的Nb--Ti所取代。目前Nb-Ti系合金實用的線材使用最廣，Nb--Zr--Ti，Nb--Ti--Ta，Nb--Ti--Zr--Ta用于磁流體發(fā)電機大型磁體。第84頁,共141頁，2024年2月25日，星期天③化合物超導(dǎo)體

Nb3Sn

和V3Ga

是最先引起人們的注意的，其次是Nb3Ga、Nb3Al、Nb3(AlGa)。實際能夠?qū)嵱玫闹挥蠳b3Sn和V3Ga兩種。其它的化合物因難于加工線材還不能實用。第85頁,共141頁，2024年2月25日，星期天復(fù)合法制備Nb3Sn,V3Ga線材第86頁,共141頁，2024年2月25日，星期天⑵高溫超導(dǎo)體(HTS)

一些復(fù)雜的氧化物陶瓷具有高的轉(zhuǎn)變溫度，其臨界溫度超過了77K，可在液氮的溫度下工作，稱為高溫超導(dǎo)體。第87頁,共141頁，2024年2月25日，星期天(C)螢石(F型)(AX2)

(a)巖鹽(R型)(AX)(b)鈣鈦礦(P型)(ABX３)超導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)

第88頁,共141頁，2024年2月25日，星期天許多銅氧化物超導(dǎo)體是由R型、P型與F型基本結(jié)構(gòu)單元依次聯(lián)結(jié)構(gòu)筑而成，通常都是沿c軸平行地重復(fù)構(gòu)造而得，每個單元中有二維的“CuO2席位”兩個以上。第89頁,共141頁，2024年2月25日，星期天

(a)(Nd1-xSrx)(Nd1-yCey)CuO4-x

(b)(La1-xAx)CuO4(A=Ca,Sr,Ba)(c)YBa2Cu4O8

第90頁,共141頁，2024年2月25日，星期天第91頁,共141頁，2024年2月25日，星期天⑶其它類型超導(dǎo)體

①堿金屬摻雜的C60超導(dǎo)體

②有機超導(dǎo)體

③非晶超導(dǎo)材料

④重費米子超導(dǎo)體

⑤金屬間化合物(R—T—B—Ｃ)超導(dǎo)體

⑥復(fù)合超導(dǎo)材料⑦超導(dǎo)陶瓷材料第92頁,共141頁，2024年2月25日，星期天①堿金屬摻雜的C60超導(dǎo)體

C60具有極高的穩(wěn)定性，當(dāng)C60中摻入堿金屬時，人們發(fā)現(xiàn)在一些特定成分上可以形成富勒烯結(jié)構(gòu)。通過與各種堿金屬原子的結(jié)合，AxC60的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度已經(jīng)提高到30K以上，超導(dǎo)溫度最高RbCs2C60的臨界轉(zhuǎn)變溫度為33K。第93頁,共141頁，2024年2月25日，星期天②有機超導(dǎo)體

第一個被發(fā)現(xiàn)的有機超導(dǎo)體是(TMTSF)2PF6，盡管這種有機鹽的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度只有0.9K，但是，它的發(fā)現(xiàn)預(yù)示了一個新的超導(dǎo)電性研究領(lǐng)域的出現(xiàn)。第94頁,共141頁，2024年2月25日，星期天

(TMTSF)2PF6

Thefirstorganicsuperconductordiscovered.

第95頁,共141頁，2024年2月25日，星期天組成有機超導(dǎo)體的四類化合物：第96頁,共141頁，2024年2月25日，星期天③非晶超導(dǎo)材料

非晶態(tài)超導(dǎo)體的研究主要包括非晶態(tài)簡單金屬及其合金和非晶態(tài)過渡金屬及其合金。它們具有高度均勻性、高強度、耐磨、耐腐蝕等優(yōu)點。第97頁,共141頁，2024年2月25日，星期天非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的長程無序性對其超導(dǎo)電性的影響很大，能使有些物質(zhì)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc提高，這是由于非晶態(tài)超導(dǎo)體與晶態(tài)超導(dǎo)體的不同所引起的。

非晶態(tài)過渡金屬及合金的性質(zhì)比簡單金屬更為復(fù)雜。第98頁,共141頁，2024年2月25日，星期天④重費米子超導(dǎo)體

重費米子超導(dǎo)體是20世紀(jì)70年代末期發(fā)現(xiàn)的，它的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度只有0.7K。

第99頁,共141頁，2024年2月25日，星期天由于這類超導(dǎo)體的低溫電子比熱系數(shù)非常大，是普通金屬的幾百甚至幾千倍。因此，推斷出這類超導(dǎo)體的電子有效質(zhì)量比自由電子(費米子)的質(zhì)量重幾百甚至幾千倍，因此稱為重費米子超導(dǎo)體。

重費米子超導(dǎo)體的研究對于超導(dǎo)電機制研究有重大意義。第100頁,共141頁，2024年2月25日，星期天⑤金屬間化合物(R-T-B-Ｃ)超導(dǎo)體

20世紀(jì)70年代，人們發(fā)現(xiàn)稀土--過渡元素--硼組成的金屬間化合物具有超導(dǎo)電性。這類超導(dǎo)體表現(xiàn)出鐵磁性與超導(dǎo)電性共存的復(fù)雜現(xiàn)象，因此又稱為磁性超導(dǎo)體。第101頁,共141頁，2024年2月25日，星期天在金屬間化合物(R—T—B—Ｃ)超導(dǎo)體中，以鉛鉬硫(PbMoS8)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度最高。后來人們又制備出YNi4B超導(dǎo)體和YNi2B2C超導(dǎo)體等等，四元素硼碳金屬間化合物的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度達到23K。第102頁,共141頁，2024年2月25日，星期天⑥復(fù)合超導(dǎo)材料

許多超導(dǎo)體與良導(dǎo)體可以進行復(fù)合，進而形成復(fù)合超導(dǎo)材料。

復(fù)合超導(dǎo)材料可以承載更大的電流、減少退化效應(yīng)、增加超導(dǎo)的穩(wěn)定性、提高機械強度和超導(dǎo)性能等。第103頁,共141頁，2024年2月25日，星期天

復(fù)合超導(dǎo)體有超導(dǎo)電纜、復(fù)合線、復(fù)合帶、超導(dǎo)細線復(fù)合線等等，其主要由超導(dǎo)材料以及良導(dǎo)體、填充料、絕緣層以及高強度材料包覆層和屏蔽層六部分組成。第104頁,共141頁，2024年2月25日，星期天

⑦超導(dǎo)陶瓷材料人們在探索具有高臨界轉(zhuǎn)變溫度的超導(dǎo)陶瓷材料方面取得突破，發(fā)現(xiàn)Ba-La-Cu-O體系和Ba-Y-Cu-O體系的超導(dǎo)陶瓷材料，實現(xiàn)了液氮溫度超導(dǎo)?，F(xiàn)在許多人正在研究更高臨界溫度的超導(dǎo)陶瓷材料。第105頁,共141頁，2024年2月25日，星期天

七、高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用

高溫超導(dǎo)材料的用途，大致可分為以下三類：（１）大電流應(yīng)用（強電應(yīng)用）；（２）電子學(xué)應(yīng)用（弱電應(yīng)用）；（３）抗磁性應(yīng)用。第106頁,共141頁，2024年2月25日，星期天

大電流應(yīng)用主要是指超群的超導(dǎo)磁體用于超導(dǎo)發(fā)電、輸電和儲能等三方面。

電子學(xué)應(yīng)用包括超導(dǎo)計算機、超導(dǎo)天線、超導(dǎo)微波器件等；

抗磁性主要應(yīng)用于磁懸浮列車和熱核聚變反應(yīng)堆等。第107頁,共141頁，2024年2月25日，星期天超群的超導(dǎo)磁體

超導(dǎo)材料最誘人的應(yīng)用是發(fā)電、輸電和儲能。由于超導(dǎo)材料在超導(dǎo)狀態(tài)下具有零電阻和完全的抗磁性，因此只需消耗極少的電能，就可以獲得10萬高斯以上的穩(wěn)態(tài)強磁場。而用常規(guī)導(dǎo)體做磁體，要產(chǎn)生這么大的磁場，需要消耗3.5兆瓦的電能及大量的冷卻水，投資巨大。第108頁,共141頁，2024年2月25日，星期天

超導(dǎo)磁體可以制作:

A、交流超導(dǎo)發(fā)電機Ｂ、磁流體發(fā)電機Ｃ、超導(dǎo)輸電線路第109頁,共141頁，2024年2月25日，星期天A、交流超導(dǎo)發(fā)電機在電力領(lǐng)域，利用超導(dǎo)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，并且?guī)缀鯖]有能量損失，這種發(fā)電機便是交流超導(dǎo)發(fā)電機。第110頁,共141頁，2024年2月25日，星期天

超導(dǎo)發(fā)電機的單機發(fā)電容量比常規(guī)發(fā)電機提高5～10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％。第111頁,共141頁，2024年2月25日，星期天Ｂ、磁流體發(fā)電機

磁流體發(fā)電機同樣離不開超導(dǎo)強磁體的幫助。磁流體發(fā)電機發(fā)電，是利用高溫導(dǎo)電性氣體（等離子體）作導(dǎo)體，并高速通過磁場強度為5萬～6萬高斯的強磁場而發(fā)電。第112頁,共141頁，2024年2月25日，星期天磁流體發(fā)電機的結(jié)構(gòu)非常簡單，用于磁流體發(fā)電的高溫導(dǎo)電性氣體還可重復(fù)利用。第113頁,共141頁，2024年2月25日，星期天Ｃ、超導(dǎo)輸電線路

超導(dǎo)材料還可以用于制作超導(dǎo)電線和超導(dǎo)變壓器，從而把電力幾乎無損耗地輸送給用戶。第114頁,共141頁，2024年2月25日，星期天據(jù)統(tǒng)計，目前的銅或鋁導(dǎo)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(dǎo)輸電，節(jié)省的電能相當(dāng)于新建數(shù)十個大型發(fā)電廠。第115頁,共141頁，2024年2月25日，星期天超導(dǎo)貯能

超導(dǎo)材料在輸送電流時，不會損耗電力，故用它可把作發(fā)電機可以做得很小。第116頁,共141頁，2024年2月25日，星期天例如一臺普通大型發(fā)電機需用15~20噸銅絲繞成線圈，如果用超導(dǎo)材料作線圈，只要幾百克就夠了，而發(fā)出的電力卻一樣。因此，超導(dǎo)材料是一種極好的節(jié)能材料和儲能材料。第117頁,共141頁，2024年2月25日，星期天

1987年，美國國防部為適應(yīng)“星球大戰(zhàn)”的需要，決定建立一個用超導(dǎo)材料儲能的蓄電裝置。在和平時期可向居民供電，在有導(dǎo)彈襲來時，可為激光武器供電，用激光摧毀導(dǎo)彈。

第118頁,共141頁，2024年2月25日，星期天

因為超導(dǎo)材料沒有電阻，它的蓄能效率高，可以回收98％的多余電力，而且反應(yīng)速度快。一旦需要電力，在0.3秒內(nèi)就可從超導(dǎo)儲能線圈中把電流引出來送到任何電網(wǎng)。這對星球大戰(zhàn)時所需電力是非常重要的。第119頁,共141頁，2024年2月25日，星期天美國已設(shè)計并著手建造一個可以儲存500萬千瓦小時的巨型圈。它的直徑有1568米，儲存的電力足以供幾十萬人口的城市照明用電。第120頁,共141頁，2024年2月25日，星期天超導(dǎo)材料之所以能儲存電能是因為它沒有電阻，只要把電“注入”超導(dǎo)線圈，電流就可以無休止地在線圈中流動也不會有損耗。第121頁,共141頁，2024年2月25日，星期天超導(dǎo)計算機

高速計算機要求集成電路芯片上的元件和連接線密集排列，但密集排列的電路在工作時會發(fā)生大量的熱，而散熱是超大規(guī)模集成電路面臨的難題。第122頁,共141頁，2024年2月25日，星期天超導(dǎo)計算機中的超大規(guī)模集成電路，其元件間的互連線用接近零電阻和超微發(fā)熱的超導(dǎo)器件來制作，不存在散熱問題，同時計算機的運算速度大大提高。此外，科學(xué)家正研究用半導(dǎo)體和超導(dǎo)體來制造晶體管，甚至完全用超導(dǎo)體來制作晶體管。第123頁,共141頁，2024年2月25日，星期天超導(dǎo)磁懸浮列車

利用超導(dǎo)材料的抗磁性，將超導(dǎo)材料放在一塊永久磁體的上方，由于磁體的磁力線不能穿過超導(dǎo)體，磁體和超導(dǎo)體之間會產(chǎn)生排斥力，使超導(dǎo)體懸浮在磁體上方。利用這種磁懸浮效應(yīng)可以制作高速超導(dǎo)磁懸浮列車。第124頁,共141頁，2024年2月25日，星期天磁懸浮列車上的磁鐵不是常見的那種永久磁鐵，而是電磁鐵。

電磁鐵外有一個用導(dǎo)線繞成的線圈，線圈中有電流通過時，鐵就產(chǎn)生磁力，只要線圈中一斷電，鐵就立即失去磁力。第125頁,共141頁，2024年2月25日，星期天

電磁鐵的線圈有兩種，一種是普通的銅導(dǎo)線繞成的，另一種則是用超導(dǎo)材料導(dǎo)線制成的。要想把幾十上百噸的列車懸空浮起來，電磁鐵之間的排斥力起碼得有幾十上百噸。而電磁鐵之間的排斥力和通過電磁線圈中的電流有直接關(guān)系，也就是說，只有通過很大的電流，才能產(chǎn)生很大的磁力。第126頁,共141頁，2024年2月25日，星期天

但普通的銅導(dǎo)線有電阻，電流一大，銅導(dǎo)線就會發(fā)熱，電流過大時，還可能使導(dǎo)線燒毀。所以銅導(dǎo)線通過的電流大小受到限制，例如直徑1毫米的銅導(dǎo)線，只能通過6安培左右的電流，否則就會過熱燒毀。

第127頁,共141頁，2024年2月25日，星期天為了使銅導(dǎo)線通過更大的電流，需要加大導(dǎo)線直徑，增加冷卻設(shè)備，這樣就會使磁懸浮列車本身的重量加重，這對提高