電氣材料基礎(chǔ) 課件 第5章 導(dǎo)電材料（4學(xué)時(shí)）

1《電氣材料基礎(chǔ)》第5章導(dǎo)電材料25.1

導(dǎo)電材料分類5.2

導(dǎo)電材料基本性質(zhì)5.3

常用導(dǎo)電材料5.4

超導(dǎo)材料5.5半導(dǎo)電材料主要內(nèi)容3

導(dǎo)電材料指允許電流持續(xù)流通的材料。

導(dǎo)電過(guò)程有三個(gè)要素：導(dǎo)電通路本質(zhì)是材料中的載流子在電場(chǎng)作用下貫穿電極間的定向遷移。導(dǎo)電通路：由材料本征結(jié)構(gòu)和特性決定。導(dǎo)帶電子、電子/離子遷移通道等載流子：電子或離子通常以一種類型的電荷載體為主。電場(chǎng)：外界作用。載流子電場(chǎng)5.1導(dǎo)電材料分類4良導(dǎo)體、不良導(dǎo)體及超導(dǎo)體良導(dǎo)體ρ<10–8Ω·m,主要功能:傳輸電能及電信號(hào)，要求在傳輸過(guò)程中能量損失盡可能少。良導(dǎo)體包括銀、銅、金和鋁。金和銀是貴金屬，只用于特殊場(chǎng)合，如用于高頻的鍍銀銅線、鍍金的印刷線路板等。大量應(yīng)用銅和鋁，銅的導(dǎo)電性能和機(jī)械加工性能都優(yōu)于鋁，但它在自然界的蘊(yùn)藏量遠(yuǎn)少于鋁，因此在一般應(yīng)用中有以鋁代銅的趨勢(shì)。5.1導(dǎo)電材料分類按電導(dǎo)率大小不良導(dǎo)體ρ>10–8Ω·m，不良導(dǎo)體不宜應(yīng)用于電能傳輸與良導(dǎo)體組成復(fù)合材料，如鋁包鋼、不銹鋼包銅等，用于增加強(qiáng)度、耐腐蝕、耐高溫以及降低價(jià)格等；用于能量轉(zhuǎn)換，例如，作為電熱絲用的鎳鉻合金主要用于把電能轉(zhuǎn)換成熱能，而制造白熾燈的鎢絲、鉬絲用于把電能轉(zhuǎn)換成光能；用于信號(hào)轉(zhuǎn)換，例如制造熱電偶及各種傳感器；用于和導(dǎo)電無(wú)直接相關(guān)的其他目的，如用作磁性材料、導(dǎo)熱材料及結(jié)構(gòu)材料等。55.1導(dǎo)電材料分類按導(dǎo)電機(jī)理分類（載流子）電子導(dǎo)電材料、離子導(dǎo)電材料和混合型導(dǎo)體。-典型材料的電導(dǎo)率導(dǎo)電類型材料類型電導(dǎo)率/

-1·m-1離子導(dǎo)電離子晶體10-16~10-2快離子導(dǎo)體10-1~103強(qiáng)（液）電解質(zhì)10-1~103電子導(dǎo)電金屬103~107半導(dǎo)體10-3~104絕緣體＜10-1065.1導(dǎo)電材料分類按化學(xué)成分分類

金屬：銀、銅、鋁。常見(jiàn)的良導(dǎo)體為金屬材料。電導(dǎo)率107~108S/m

合金：黃銅、鎳鉻合金。滿足其他應(yīng)用性能要求。如增加強(qiáng)度、耐腐蝕、耐高溫、降低價(jià)格等。電導(dǎo)率105~107S/m

無(wú)機(jī)非金屬：酸、堿、鹽的溶液、熔體，石墨等。電導(dǎo)率范圍寬。電導(dǎo)率105~108S/m

種類多，應(yīng)用廣。高分子導(dǎo)電材料：共軛高分子聚合物，聚乙炔、聚苯胺等。電導(dǎo)率范圍寬；必須摻雜。Al高電導(dǎo)率材料用于傳輸電流。高電阻率材料將電能轉(zhuǎn)換成其它能量。75.1

導(dǎo)電材料分類5.2

導(dǎo)電材料基本性質(zhì)5.3

常用導(dǎo)電材料5.4

超導(dǎo)材料5.5半導(dǎo)電材料主要內(nèi)容85.2導(dǎo)電材料基本性能5.2.1導(dǎo)電特性金屬如何具有導(dǎo)電性？金屬中的金屬鍵（金屬陽(yáng)離子和自由電子）金屬鍵的鍵能低，原子核對(duì)電子束縛小電場(chǎng)作用下自由電子的定向遷移，并碰撞晶格發(fā)熱溫度升高：電子熱運(yùn)動(dòng)加劇，難以定向，電阻率升高。溫度降低？？？經(jīng)典電子理論電子在金屬內(nèi)的運(yùn)動(dòng)用波動(dòng)力學(xué)解釋——量子力學(xué)觀點(diǎn)電子沿金屬的晶格傳播，晶格骨架是障礙電子波傳遞能量，晶格振動(dòng)使金屬發(fā)熱溫度升高：晶格振動(dòng)

，晶格的規(guī)整性

，電子波的傳播阻礙

，電阻率

溫度降低：晶格振動(dòng)

，對(duì)電子波的阻礙

9比例系數(shù)

v稱為體積電阻率用以表征材料的導(dǎo)電特性電阻率的單位

·m。導(dǎo)體的體積電阻R與導(dǎo)體的長(zhǎng)度l成正比，與導(dǎo)體的截面積A成反比體積電阻率——材料導(dǎo)電性的表征參數(shù)電阻（R）是材料形狀、尺寸的函數(shù)。電阻率（

v）是材料的固有性質(zhì)，只與材料的組成結(jié)構(gòu)有關(guān)，與材料的尺寸無(wú)關(guān)。電阻率（

v）是微觀水平上阻礙電流流動(dòng)的度量，微觀結(jié)構(gòu)對(duì)電阻率有很大影響。5.2.1導(dǎo)電特性表面電阻率單位？10（a）金屬；（b）半導(dǎo)體微觀結(jié)構(gòu)電阻率隨著溫度升高而升高——導(dǎo)體的特征。影響金屬導(dǎo)電性的因素對(duì)于金屬導(dǎo)體，雜質(zhì)元素會(huì)引起晶格畸變，造成電子散射，導(dǎo)致電阻率增大。對(duì)金屬導(dǎo)體材料的冷變形與熱處理，均會(huì)引起引起金屬晶格的變形，導(dǎo)致電阻率增大。空穴、位錯(cuò)、晶粒的界面，都會(huì)阻礙電子的運(yùn)動(dòng)而使電阻率升高。溫度導(dǎo)體中，溫度升高使金屬原子振動(dòng)加劇，電子難以定向，電阻率增大。半導(dǎo)體帶隙窄，溫度升高使得載流子數(shù)目增加，導(dǎo)電性增加。11合金元素溶質(zhì)原子，溶劑原子導(dǎo)致晶格畸變，引起電子散射電阻率增加ρi取決于晶格缺陷的多少，缺陷越多，ρi越大，一般與溫度無(wú)關(guān)；ρT取決于晶格的熱振動(dòng)。

雜質(zhì)——引起電子散射冷變形——彈性變形，塑性變形

熱處理——退火，減少晶格缺陷

表面狀態(tài)——污染、氧化、水分、腐蝕

在不同電場(chǎng)DC/AC中的導(dǎo)體電阻？12電導(dǎo)率電導(dǎo)率（σ）是電阻率的倒數(shù)，表征電流通過(guò)材料的難易程度。定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)單位立方體積的電量。影響電導(dǎo)率的因素：?jiǎn)挝惑w積材料中載流子數(shù)目（n）每個(gè)載流子的電荷量（q）載流子的遷移率（μ）離子導(dǎo)電材料的電導(dǎo)依賴于離子的運(yùn)動(dòng)，帶電離子的遷移滿足：上述三個(gè)因素的乘積就是電導(dǎo)率：σ=nqμ(單位S/m)普適公式

D：擴(kuò)散系數(shù)k：Boltzmann常數(shù)T：絕對(duì)溫度q：電量Z：離子的價(jià)位離子體積大、遷移率低。因此離子導(dǎo)電材料的電導(dǎo)率比金屬導(dǎo)體低若干個(gè)數(shù)量級(jí)；離子晶體基本上都是絕緣體。135.2.2導(dǎo)熱特性1.熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）

導(dǎo)電材料的熱導(dǎo)率是熱能在材料內(nèi)部流動(dòng)能力的度量

。對(duì)于電機(jī)、電纜及一些電力設(shè)備的熱性能計(jì)算十分重要。例如：電纜芯線的熱導(dǎo)率大，則電纜的溫升低，同樣截面的金屬芯線，熱導(dǎo)率大的載流量也大。k=（q/A）/（

T/

d）單位：W/（m·K）或W·m

1·K

1

非金屬材料的熱導(dǎo)率——聲子金屬材料的熱導(dǎo)率——聲子+自由電子金屬的雜質(zhì)、空穴、缺陷影響熱導(dǎo)率銀：4.1，鋼：0.5，玻璃：0.01，聚乙烯：0.00414產(chǎn)生原因：不同金屬的自由電子濃度不同，接觸時(shí)電子向低濃度區(qū)擴(kuò)散，則因得到和失去電子而形成電位差。兩物體間距小于0.25nm，出現(xiàn)雙電層和接觸電位差。2.接觸電位差和熱電勢(shì)接觸電位差：沒(méi)有電流的情況下，兩種不同物質(zhì)接觸面兩側(cè)的電位差，即兩種不同的金屬互相接觸時(shí)所產(chǎn)生的電位差。VA、VB為金屬A、B的接觸電位；NOA、NOB為金屬A、B的單位體積的自由電子數(shù)；e為電子電荷；k為波爾茲曼常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度；接觸電位差152.接觸電位差和熱電勢(shì)熱電勢(shì)與兩種金屬的性質(zhì)及接觸面的溫度有關(guān)；而與接觸面的大小和接觸時(shí)間的長(zhǎng)短無(wú)關(guān)。

0.1~幾伏，因所處的溫度而不同。16抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率退火——抗拉強(qiáng)度低，伸長(zhǎng)率高未退火——抗拉強(qiáng)度高，伸長(zhǎng)率低淬火——改善晶格結(jié)構(gòu)5.2.3力學(xué)性能導(dǎo)電材料除了電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率外，力學(xué)性能也起著十分重要的作用。

例如：架空線，其力學(xué)性能與電學(xué)性能同樣重要。架空線要承受很大的拉力，如果抗拉強(qiáng)度不夠，就會(huì)導(dǎo)致掉線事故，造成重大損失，因此有必要對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。導(dǎo)電材料的力學(xué)性能表征與電介質(zhì)材料類似，用應(yīng)力應(yīng)變曲線。拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率可以用拉伸試驗(yàn)曲線來(lái)表示。175.1

導(dǎo)電材料分類5.2

導(dǎo)電材料基本性質(zhì)5.3

常用導(dǎo)電材料5.4

超導(dǎo)材料5.5半導(dǎo)電材料主要內(nèi)容185.3常用導(dǎo)電材料5.3.1銅及銅合金1.銅

導(dǎo)電性好：Ag>Cu>Au>Al>Mg；導(dǎo)熱性好：Au>Ag>Cu；化學(xué)穩(wěn)定抗腐蝕：潮濕的空氣中其表面可生成Cu2(OH)2CO3，耐海水腐蝕。無(wú)磁性，反磁物質(zhì)：電磁屏蔽機(jī)械性能較好：純銅抗拉強(qiáng)度是245~315MPa塑性好：延展性好，易加工，易焊接來(lái)源可靠，冶煉技術(shù)發(fā)達(dá)：天然單質(zhì)銅、銅礦石（黃銅礦、輝銅礦、斑銅礦、赤銅礦和孔雀石）19

銅的性質(zhì)和影響因素電阻率：0.017241Ω

mm2/m密度：8.9g/cm3

電導(dǎo)率的相對(duì)值：IEC規(guī)定在20℃時(shí)比重為8.89g/cm3，長(zhǎng)1m，截面積為1mm2，電阻為0.017241Ω，電阻溫度系數(shù)為0.00393的退火軟銅，電導(dǎo)率為100%IACS。（標(biāo)準(zhǔn)退火純銅）電線電纜的導(dǎo)體選用銅含量高于99.90%的純銅，國(guó)際上廣泛采用電導(dǎo)率為102%IACS的無(wú)氧銅。IACS——InternationalAnnealedCopperStandard。表征金屬或合金的導(dǎo)電率。

雜質(zhì)對(duì)銅的影響

電導(dǎo)率：P、As、Al、Fe等——電導(dǎo)率降低機(jī)械性能：能溶解于銅，提高強(qiáng)度——Ag、Cd、Zn、Ni

不溶解于銅，使銅變脆——Bi、Pb、O退火：一般在400℃以上，與銅的成分有關(guān)（580±20℃）。202.銅合金以純銅為基體加入一種或幾種其他元素所構(gòu)成的合金。銀銅合金——有良好的導(dǎo)電性、流動(dòng)性和浸潤(rùn)性、較好的機(jī)械性能、耐磨性和抗熔焊性。鎘銅合金——1%的鎘，冷拉后具有較高的抗拉強(qiáng)度，制造大跨度架空導(dǎo)線、高強(qiáng)度絕緣導(dǎo)線、滑接導(dǎo)線。稀土銅合金——加入釔，使晶粒細(xì)化、改善工藝性能，提高導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度，可與銀銅合金媲美。3.銅和銅合金的應(yīng)用電力輸送

電線電纜、匯流排、變壓器、開(kāi)關(guān)、接插元件和聯(lián)接器中傳導(dǎo)電流。與鋁相比，具有導(dǎo)電性和尺寸上的優(yōu)點(diǎn)。

21電機(jī)制造

廣泛使用高導(dǎo)電和高強(qiáng)度的銅合金。主要用于定子、轉(zhuǎn)子和軸頭等。在大型電機(jī)中，繞組要用水或氫氣冷卻，稱為雙水內(nèi)冷或氫氣冷卻電機(jī)，這就需要大長(zhǎng)度的中空導(dǎo)線。電機(jī)內(nèi)部的能量消耗，主要來(lái)源于繞組的電阻損耗，因此，增大銅線截面是發(fā)展高效電機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵措施。電真空器件

高頻和超高頻發(fā)射管、波導(dǎo)管、磁控管等，需要高純度無(wú)氧銅和彌散強(qiáng)化無(wú)氧銅。

通訊電纜

相較于光纖電纜，以銅為導(dǎo)體的同軸電纜具有成本低、易于安裝、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)成熟的優(yōu)點(diǎn)，在廣播電視、有線網(wǎng)絡(luò)和局域網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用。22印刷電路銅箔為表面粘貼在支撐塑料板上，用照相的辦法把電路布線圖印制在覆銅板上，浸蝕多余部分留下相互連接的電路。把分立元件的接頭或其它部分的終端焊接在電路上。集成電路用于集成電路的導(dǎo)電層，連接集成電路中的不同元器件。用銅的新型微芯片，可獲得30%的效能增益，電路的線尺寸可以減小到0.12微米，可使在單個(gè)芯片上集成的晶體管數(shù)目達(dá)到200萬(wàn)個(gè)。半導(dǎo)體集成電路的發(fā)展，為銅的應(yīng)用開(kāi)拓了新領(lǐng)域。235.3.2鋁和鋁合金1.鋁是地殼中含量最豐富的金屬元素（7.73%），價(jià)格便宜。地殼中的元素含量24泰國(guó)國(guó)王的表鏈;來(lái)自黏土的白銀；門捷列夫的獎(jiǎng)杯。拿破侖三世的皇冠1884耗電量：電解鋁約為13500度/噸硅鐵為8500度/噸電解銅為240度/噸電解鋁實(shí)驗(yàn),大幅降低鋁的價(jià)格原因：還原電位，Cu(-0.34V)

Al(-1.67V)鋁的電阻高為保證生產(chǎn)效率需要更高電壓電流255.3.2鋁和鋁合金用途：純鋁大量用于電纜——架空輸電線用鋼芯鋁絞線、母線、鋁護(hù)套、電容器中的鋁箔電極等。特點(diǎn)：電阻率低，0.029Ω

mm2/m，

比重小，重量輕：2.7g/cm3

導(dǎo)電能力約為銅的2/3，密度為銅的1/3，等質(zhì)量和等長(zhǎng)度的鋁線和銅線相比，鋁的導(dǎo)電能力約為銅的二倍，且價(jià)低。

耐熱性好

耐腐蝕性好，Al2O3膜保護(hù)

抗拉強(qiáng)度低，70~95MPa

不易焊接262.鋁合金

鋁鎂合金：（中強(qiáng)度）主要元素是鋁，再摻入少量的鎂或是其它的金屬材料來(lái)加強(qiáng)其硬度。質(zhì)堅(jiān)量輕、散熱性較好、抗壓性較強(qiáng)，其硬度是傳統(tǒng)塑料的數(shù)倍，但重量?jī)H為后者的三分之一。鋁鎂硅合金：（高強(qiáng)度）用作架空線。3.氧化鋁化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，絕緣性能優(yōu)良

機(jī)械強(qiáng)度高，耐高溫27

性能鐵的電阻率高，約為銅的五倍多?；瘜W(xué)穩(wěn)定性低，易氧化。在頻率較高時(shí)集膚效應(yīng)明顯，所以很少用作導(dǎo)電材料。應(yīng)用架空線中的鋼芯鋁絞線，既有高的機(jī)械強(qiáng)度，又有足夠的電導(dǎo)率。電工中用的鋼線為低碳鋼（含碳0.l%-0.15%）。農(nóng)村用的布線：廣播線，也有將鍍鋅軟鋼線裸露使用或外面包以絕緣后應(yīng)用，這種線價(jià)格較低。

鋁包鋼線與銅包鋼線也可以用于架空通訊與輸電線路。2024/6/55.3.3鐵和鋼28是電力設(shè)備中實(shí)現(xiàn)電壓、電流的通、斷控制及負(fù)載電流電器（如開(kāi)關(guān)、繼電器、起動(dòng)器及儀器儀表等）的關(guān)鍵材料。

又稱電觸頭材料或電接觸材料。有強(qiáng)電觸頭和弱電觸頭兩大類5.3.4電觸頭材料類別材料品種強(qiáng)電用復(fù)合觸頭材料銀-氧化鎘，銀-鎢，銅-鎢，銀-鐵，銀-鎳，銅-石墨，銀-碳化鎢真空開(kāi)關(guān)觸頭材料銅鉍鈰，銅鉍銀，銅碲硒，鎢-銅鉍鋯，銅鐵鎳鈷鉍弱電用鉑族合金鉑銥，鈀銀，鈀銅，鈀銥金基合金金鎳，金銀，金鋯銀及其合金銀，銀銅鎢及其合金鎢，鎢鉬292024/6/51.電接觸形式

固定接觸：其結(jié)構(gòu)通常是在修理時(shí)才需要斷開(kāi)接觸。接插件：實(shí)現(xiàn)可拆電氣連接?？煞趾辖佑|：“閉合”、“斷開(kāi)”狀態(tài)?；瑒?dòng)接觸：指接觸組件間的平移或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)從靜止接觸件到運(yùn)動(dòng)接觸件（或相反）的電能轉(zhuǎn)換，是一種特殊的電接觸形式，空間上只有“閉合導(dǎo)通”一種狀態(tài)。按接觸傳導(dǎo)時(shí)有無(wú)電弧產(chǎn)生，又可將電接觸分為無(wú)弧電接觸、有弧電接觸及滑動(dòng)電接觸。是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程！302024/6/5在開(kāi)關(guān)電器中，電接觸材料性能決定了開(kāi)斷能力和接觸可靠性。接觸電阻：兩個(gè)導(dǎo)體接觸面的電阻，遠(yuǎn)高于其它部位電阻。2.電觸點(diǎn)操作過(guò)程中的物理現(xiàn)象集中電阻或收縮電阻：電流通過(guò)實(shí)際接觸面時(shí)，由于電流線收縮（或稱集中）顯示出來(lái)的電阻。ρA、ρB導(dǎo)體電阻；n，接觸點(diǎn)數(shù)；f，臨界彈性值；

F，接觸力。界面電阻(表面膜電阻)：由接觸表面膜層及其他污染物所構(gòu)成的電阻。從接觸表面狀態(tài)分析，表面污染膜可分為較堅(jiān)實(shí)的薄膜層和較松散的雜質(zhì)污染層。31機(jī)械磨損：機(jī)械力沖擊，造成變形、裂開(kāi)或剝落，影響觸頭的壽命。電弧耐蝕：電弧會(huì)使觸頭表面金屬熔融飛濺而散失。決定觸頭的壽命。觸頭的發(fā)熱與熔焊：發(fā)生高熱而形成熔焊。例如：焊接強(qiáng)度大于機(jī)械分?jǐn)嗔?，那么觸頭就不能斷開(kāi)，這將造成嚴(yán)重事故。

剩余電流：與觸頭材料的滅弧能力有關(guān)。例如：鎢和石墨等在高溫下會(huì)發(fā)射電子，剩余電流較大；銅和銀合金的剩余電流較小，故滅弧能力大。

電擊穿：當(dāng)觸頭間的開(kāi)距小而電場(chǎng)強(qiáng)度較大時(shí)，觸頭表面的一些聯(lián)系較弱的顆粒在強(qiáng)場(chǎng)作用下被拉出吸引至對(duì)面觸頭，導(dǎo)致觸頭間的電擊穿。材料轉(zhuǎn)移：在直流情況下觸頭動(dòng)作時(shí)，出現(xiàn)觸頭材料從觸頭的一方轉(zhuǎn)移到另一方的現(xiàn)象。如果觸頭分離時(shí)陽(yáng)極上的接點(diǎn)溫度高，陽(yáng)極面上的熔融金屬粘附在較冷陰極上，陽(yáng)極失去部分金屬而出現(xiàn)凹坑，而陰極卻凸起一塊，破壞了觸頭表面的平整，影響正常操作。323.開(kāi)關(guān)電器對(duì)觸頭材料的要求良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性?？谷酆感?。耐電弧燒蝕性。

大電流分?jǐn)鄷r(shí)不易發(fā)生電弧重燃。低截流水平低的氣體含量化學(xué)穩(wěn)定性抗環(huán)境介質(zhì)污染電觸點(diǎn)操作過(guò)程中的物理現(xiàn)象：接觸電阻、機(jī)械磨損、電弧、發(fā)熱與熔焊、剩余電流、電擊穿、材料轉(zhuǎn)移銅鎢系觸頭材料銀鎢系觸頭材料銅鉻系觸頭材料銀鎳、銀墨觸頭材料銀氧化錫觸頭材料常用觸頭材料335.3.5電碳材料電碳材料是以碳和石墨為基體的電工材料。優(yōu)點(diǎn)：導(dǎo)電及導(dǎo)熱性能好；具有較好的耐蝕性；易加工為各種形態(tài)及不同形狀的電極；價(jià)廉、易得。缺點(diǎn)：由于石墨在較低溫度下機(jī)械強(qiáng)度較低、易磨損，易氧化。天才少年曹原：在魔角石墨烯中實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)345.1

導(dǎo)電材料分類5.2

導(dǎo)電材料基本性質(zhì)5.3

常用導(dǎo)電材料5.4

超導(dǎo)材料5.5半導(dǎo)電材料主要內(nèi)容355.4超導(dǎo)材料1911年4月8日，荷蘭萊頓大學(xué)的HeikeKamerlinghOnnes打算在當(dāng)時(shí)新制備出來(lái)的液氦（-268.98℃，4.2K）中研究固態(tài)汞的低溫電阻特性時(shí)發(fā)現(xiàn)，在溫度降低到4.2K時(shí)，汞的電阻突然消失。在同一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，他還觀察到了液氦在2.2K時(shí)出現(xiàn)了超流動(dòng)性。19131913年，鉛，7K1941年，氮化鈮，16K1933年，發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體的抗磁性在電阻為零的同時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度也為零。36超導(dǎo)電性：物質(zhì)在低溫條件下呈現(xiàn)電阻為零和排斥磁力線的性質(zhì)，稱為超導(dǎo)電性。具有超導(dǎo)電性的物質(zhì)稱為超導(dǎo)體。5.4.1超導(dǎo)基本概念超導(dǎo)體在電阻消失前的狀態(tài)稱為常導(dǎo)狀態(tài)。超導(dǎo)體在電阻消失后的狀態(tài)稱為超導(dǎo)狀態(tài)。零電阻5.4超導(dǎo)材料超導(dǎo)體的零電阻現(xiàn)象與常導(dǎo)體的零電阻在實(shí)質(zhì)上截然不同。常導(dǎo)體：在理想的金屬晶體中，由于電子運(yùn)動(dòng)暢通無(wú)阻因此沒(méi)有電阻；超導(dǎo)體：臨界溫度以下電阻突然變?yōu)榱?，超?dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度為零。當(dāng)溫度下降到某一特定溫度時(shí)，超導(dǎo)體電阻突然下降到零的現(xiàn)象。375.4.1超導(dǎo)基本概念完全抗磁性邁斯納效應(yīng)(Meissner和Ochsenfeld，1933)將超導(dǎo)體在磁場(chǎng)中冷卻，在達(dá)到臨界溫度以下時(shí)，超導(dǎo)體內(nèi)的磁通線一下子被排斥出去。將超導(dǎo)體冷卻至臨界溫度以下，再通以磁場(chǎng)，這時(shí)磁通線也被排斥出去。在超導(dǎo)狀態(tài)下，超導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度為零（B≡0），表現(xiàn)出完全排斥磁力線的現(xiàn)象。這就是邁斯納效應(yīng)（Meissner效應(yīng)）。產(chǎn)生邁斯納效應(yīng)的原因當(dāng)超導(dǎo)體處于超導(dǎo)狀態(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，因而總和顯示磁場(chǎng)為零。零電阻和邁斯納效應(yīng)是超導(dǎo)體的兩大基本屬性！38超導(dǎo)體的完全抗磁性39臨界溫度Tc超導(dǎo)體從常導(dǎo)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)狀態(tài)的溫度稱為臨界溫度，以Tc表示。超導(dǎo)體的臨界參數(shù)超導(dǎo)體有三個(gè)基本的臨界參數(shù)：臨界溫度Tc臨界磁場(chǎng)Hc臨界電流Ic必須同時(shí)滿足！由于材料的不純，零電阻轉(zhuǎn)變前后，跨越了一個(gè)溫度區(qū)域。從而引入了四個(gè)區(qū)域溫度參數(shù)：起始轉(zhuǎn)變溫度Tc(onset)：材料開(kāi)始偏離常導(dǎo)狀態(tài)時(shí)的溫度。零電阻溫度Tc(n=0)：材料電阻R=0時(shí)的溫度。轉(zhuǎn)變溫度寬度ΔTc：起始轉(zhuǎn)變時(shí)材料電阻值Rn的10~90%對(duì)應(yīng)的溫度區(qū)域?qū)挾?。中間臨界溫度Tc(mid)：Rn的1/2對(duì)應(yīng)的溫度值。40臨界磁場(chǎng)Hc使超導(dǎo)狀態(tài)的物質(zhì)由超導(dǎo)狀態(tài)變?yōu)槌?dǎo)狀態(tài)時(shí)所需的最小磁場(chǎng)強(qiáng)度，稱為臨界磁場(chǎng)，以Hc表示。Hc是溫度的函數(shù)，可以近似表示為：

Hc0：絕對(duì)零度時(shí)的臨界磁場(chǎng)臨界電流Ic破壞超導(dǎo)電性所需的最小極限電流就是臨界電流，以Ic表示。Ic是溫度的函數(shù)，可以近似表示為：

Ic0：絕對(duì)零度時(shí)的臨界電流超導(dǎo)體的臨界參數(shù)三個(gè)臨界參數(shù)Tc，Hc，Ic

的關(guān)系超導(dǎo)體處于超導(dǎo)狀態(tài)，必須置于三個(gè)臨界值之下，任何一個(gè)條件遭到破壞，超導(dǎo)狀態(tài)隨即消失。Tc和Hc是材料的本征參數(shù)，只與材料的電子結(jié)構(gòu)有關(guān)。Ic與Hc有關(guān)。41唯象模型——二流體模型超導(dǎo)態(tài)時(shí)，傳導(dǎo)電子分為：超導(dǎo)電子和常導(dǎo)電子。兩種電子占據(jù)同一體積，在空間上互相滲透又彼此獨(dú)立地運(yùn)動(dòng)。常導(dǎo)電子的導(dǎo)電與常規(guī)導(dǎo)體一樣，受晶格的散射而產(chǎn)生電阻，且運(yùn)動(dòng)雜亂對(duì)熱力學(xué)熵有貢獻(xiàn)。超導(dǎo)電子處于某種凝聚狀態(tài)，即它們凝聚在某個(gè)最低能量狀態(tài)，其特點(diǎn)是電子不受晶格散射，且對(duì)熵?zé)o貢獻(xiàn)，它在晶格中無(wú)阻地流動(dòng)，電阻為零。這兩種電子的相對(duì)數(shù)目與溫度有關(guān)：5.4.2超導(dǎo)電性的物理機(jī)理

（1）T＝0時(shí)，所有自由電子都凝聚在這個(gè)態(tài)中成為超導(dǎo)電子；

（2）0<T<Tc時(shí)，部分傳導(dǎo)電子從凝聚態(tài)中激發(fā)出來(lái)，成為常導(dǎo)電子，T越高激發(fā)出的電子也越多；

（3）T>Tc時(shí)，全部自由電子從凝聚態(tài)中激發(fā)出來(lái)，成為常導(dǎo)電子，進(jìn)入無(wú)序化的常導(dǎo)態(tài)。42超導(dǎo)的微觀理論——BCS理論5.4.2超導(dǎo)電性的物理機(jī)理1911年發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象。1950年，H.Frilich和J.Bardeen推斷電子和聲子相互作用，能夠?qū)蓚€(gè)電子耦合在一起。1956年，Cooper發(fā)現(xiàn)了0K時(shí)金屬中單個(gè)電子對(duì)的形成。1957年，Bardeen

(巴丁)、Cooper

(庫(kù)珀)和Schrieffer

(施里弗)將Cooper的方法推廣到描述大量界面電子的行為，證明了電聲作用形成“庫(kù)伯電子對(duì)”——提出BCS理論。

（1）電子在晶格中移動(dòng)時(shí)會(huì)吸引鄰近格點(diǎn)上的正電荷，導(dǎo)致晶格的局部畸變，形成局域高正電荷區(qū)。

（2）高正電荷區(qū)吸引自旋相反的電子，和原來(lái)的電子相結(jié)合形成電子對(duì)。

（3）在很低溫度下，該結(jié)合能低于兩個(gè)單獨(dú)電子的能量，電子對(duì)不會(huì)和晶格發(fā)生能量交換，沒(méi)有電阻，形成“超導(dǎo)”。1972BCS理論無(wú)法解釋高溫超導(dǎo)的現(xiàn)象。435.4.3超導(dǎo)體的分類按磁化特性第一類超導(dǎo)體和第二類超導(dǎo)體。第一類超導(dǎo)體：只有一個(gè)臨界磁場(chǎng)Hc，具有邁斯納效應(yīng)。除鈮（Nb）、釩（V）、锝（Tc）外，元素超導(dǎo)體都是第一類超導(dǎo)體。第二類超導(dǎo)體：有兩個(gè)臨界磁場(chǎng)Hc1和Hc2。H<Hc1時(shí)，B=0，排斥外磁場(chǎng)，同第一類。Hc1<H<Hc2時(shí)，0<B<μH，磁場(chǎng)部分穿透。H>Hc2時(shí)，B=μH，磁場(chǎng)完全穿透。存在混合態(tài)。大多數(shù)合金或化合物超導(dǎo)體。445.4.3超導(dǎo)體的分類按成分元素超導(dǎo)體、合金和化合物超導(dǎo)體、有機(jī)和高分子超導(dǎo)體三類。元素超導(dǎo)體：除貴金屬、部分堿金屬、鐵磁金屬和鎂外，幾乎全部金屬元素都具有超導(dǎo)性。P161，表5-11列出了一些超導(dǎo)金屬的臨界溫度。鉛臨界溫度最高，7.196K;銠的臨界溫度最低，0.000325K。455.4.4超導(dǎo)體的分類合金和化合物超導(dǎo)體：合金和化合物超導(dǎo)體包括二元、三元和多元的合金及化合物。如氮化鈮(NiN)，鈮鈦鋯三元合金（NiTiZr），典型123型超導(dǎo)體YBa2Cu3O7-x等。組成可以是全為超導(dǎo)元素，也可以部分為超導(dǎo)元素，部分為非超導(dǎo)元素。提高了元素超導(dǎo)體的臨界溫度限定。J.G.Bendorz和K.A.Muller因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了高溫超導(dǎo)陶瓷（Tc=35K）La2-xBaxCuO4而獲得諾貝爾獎(jiǎng)。為高溫超導(dǎo)材料的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。TiBa2Ca3Cu4O11，Tc>100K!（表5-12）46氧化物超導(dǎo)體早在1964年人們就發(fā)現(xiàn)在一些金屬氧化物材料中也存在超導(dǎo)現(xiàn)象。但在1986年前，超導(dǎo)體還被局限在液氦溫區(qū)。1986年發(fā)現(xiàn)了一系列陶瓷材料，臨界溫度超過(guò)了77K，將超導(dǎo)帶入了液氮溫區(qū)。合金和化合物超導(dǎo)體：47

1987年2月我國(guó)科學(xué)家趙忠賢等人獲得臨界溫度在93K的YBaCu系超導(dǎo)體，化學(xué)計(jì)量式為YBa2Cu3O7，即所謂的123材料，通常材料都有氧空位，因此寫成YBa2Cu3O7-x。從結(jié)構(gòu)上看，具有以下特征：（1）鈣鈦礦式的層狀結(jié)構(gòu)；（2）同時(shí)存在Cu2+和Cu3+；（3）存在氧空位。48這些新材料的性質(zhì)已不完全能用BCS理論解釋。各國(guó)學(xué)者開(kāi)展理論和實(shí)驗(yàn)研究工作。提出了共振價(jià)鍵理論、雙極化子機(jī)制、激子機(jī)制、等離子體機(jī)制、雜質(zhì)躍遷機(jī)制等。合金和化合物超導(dǎo)體：49有機(jī)超導(dǎo)體主要有摻堿金屬的C60，其中K3C60的Tc為18K，Cs-Rb-C60的Tc為33K。高分子超導(dǎo)體主要是非碳高分子(SN)x，Tc為0.26K。有機(jī)和高分子超導(dǎo)體：5.4.3超導(dǎo)體的分類50各種超導(dǎo)材料發(fā)現(xiàn)的時(shí)間515.4.3超導(dǎo)體的分類按應(yīng)用條件低溫超導(dǎo)體和高溫超導(dǎo)體。低溫超導(dǎo)體：超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度較低，大約在30K以下。元素超導(dǎo)體：所有的元素超導(dǎo)體都屬于低溫超導(dǎo)體。合金超導(dǎo)體：Ni-Ti系合金實(shí)用線材的使用最為廣泛，它與銅很容易復(fù)合。技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定、成本低，是目前實(shí)用線材中的主導(dǎo)。具有很高臨界電流（Ic）的三元超導(dǎo)合金材料，如Nb-40Zr-10Ti，Nb-Ti-Ta等。是制造磁流體發(fā)電機(jī)大型磁體的理想材料。化合物超導(dǎo)體：超導(dǎo)臨界參量均較高，是性能良好的強(qiáng)磁場(chǎng)超導(dǎo)材料。質(zhì)脆、不易直接加工成線材或帶材，需要采用特殊的加工方法。合金及化合物超導(dǎo)體多達(dá)幾千種，真正能夠?qū)嶋H應(yīng)用的并不多。525.4.3超導(dǎo)體的分類高溫超導(dǎo)體：超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度較高，超過(guò)了77K，可在液氮的溫度下工作。氧化物超導(dǎo)體：

高溫超導(dǎo)體大多為氧化物陶瓷。有釔系氧化物YBa2Cu3O7-x（YBCO）超導(dǎo)體，鉍系氧化物Bi2Sr2Ca2Cu3Ox（BSCCO）超導(dǎo)體和鉈系氧化物TlBaCaCuO超導(dǎo)體。具有層狀的類鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)組元，導(dǎo)電層是銅氧層骨架，決定了氧化物超導(dǎo)體在結(jié)構(gòu)上和物理特性上的二維特點(diǎn)。超導(dǎo)主要發(fā)生在導(dǎo)電層上。晶格參數(shù)變化伴隨載流子濃度的變化，臨界溫度對(duì)載流子濃度有強(qiáng)依賴關(guān)系。非氧化物超導(dǎo)體：主要是C60化合物C60特殊的球形結(jié)構(gòu)和大尺寸使其具有獨(dú)特的摻雜性質(zhì)。當(dāng)構(gòu)成固體時(shí)，球外殼之間較大的空隙提供了豐富的結(jié)構(gòu)因素。C60及其衍生物具有巨大的應(yīng)用前景。非晶超導(dǎo)體：主要包括非晶態(tài)簡(jiǎn)單金屬及其合金和非晶態(tài)過(guò)渡金屬及其合金

具有高度均勻性、高強(qiáng)度、高耐磨、高耐蝕等有點(diǎn)。超導(dǎo)電性主要是由于電子和聲子之間的相互作用而引起的。非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)程無(wú)序性對(duì)其超導(dǎo)性的影響很大，使有些物質(zhì)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度提高。大多數(shù)非晶態(tài)超導(dǎo)體的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度比相應(yīng)的晶態(tài)超導(dǎo)體高約5K。535.4.3超導(dǎo)體的分類復(fù)合超導(dǎo)體：由許多超導(dǎo)線（或帶）與良導(dǎo)體復(fù)合而來(lái)。

優(yōu)點(diǎn)：可承載更大的電流，減少退化效應(yīng)，增加超導(dǎo)的穩(wěn)定性，提高機(jī)械強(qiáng)度和超導(dǎo)性能。復(fù)合超導(dǎo)體大致有：超導(dǎo)電纜、復(fù)合線、復(fù)合帶、超導(dǎo)細(xì)絲復(fù)合線、編織線和內(nèi)冷復(fù)合超導(dǎo)體六種。重費(fèi)米子超導(dǎo)體：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。

目前發(fā)現(xiàn)的重費(fèi)米子超導(dǎo)體臨界溫度都較低，無(wú)實(shí)用價(jià)值。在理論上存在兩種不同的基態(tài)，反鐵磁態(tài)和超導(dǎo)電態(tài)。重費(fèi)米子體系具有非常規(guī)的超導(dǎo)機(jī)制。有機(jī)超導(dǎo)材料：都屬于第二類超導(dǎo)體具有低維特性、低電子密度。優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)量輕、容易進(jìn)行分子水平上的剪裁與設(shè)計(jì)54超導(dǎo)的應(yīng)用，基本上可以分為強(qiáng)電強(qiáng)磁和弱電弱磁兩大類。1.超導(dǎo)強(qiáng)電強(qiáng)磁應(yīng)用原理：基于超導(dǎo)體的零電阻特性和完全抗磁性以及非理想第二類超導(dǎo)體所特有的高臨界電流密度和高臨界磁場(chǎng)。應(yīng)用：超導(dǎo)電纜，超導(dǎo)限流器，超導(dǎo)磁體如超導(dǎo)磁懸浮列車，巨大環(huán)形超導(dǎo)磁體、超導(dǎo)磁分離等。5.4.4超導(dǎo)的應(yīng)用55大型城市電力系