新传感器与敏感材料课件：第四章 超导陶瓷（第一章）.ppt

1、第四章 超导陶瓷公衍生公衍生中国地质大学（武汉）中国地质大学（武汉） 材料与化学学院材料与化学学院76/2主主 要要 内内 容容 概述概述 超导的发现超导的发现 超导陶瓷材料超导陶瓷材料 超导的应用超导的应用76/3 陶瓷历来被视为典型的绝缘体，即使是氧化物半导体陶瓷历来被视为典型的绝缘体，即使是氧化物半导体陶瓷，它的电导率也介于金属和绝缘体之间。陶瓷，它的电导率也介于金属和绝缘体之间。而近年来给超而近年来给超导研究带来重大突破的却是氧化物陶瓷材料。导研究带来重大突破的却是氧化物陶瓷材料。陶瓷确实存在陶瓷确实存在许多诱人的有待深入研究开发的特性。许多诱人的有待深入研究开发的特性。 4.1 概述

2、概述 这种以零电阻为特征的、具有特殊的电性质的物质状这种以零电阻为特征的、具有特殊的电性质的物质状态称为超导态，而处于超导态的导体称为超导体。态称为超导态，而处于超导态的导体称为超导体。 76/4超导体与正常导体的区别超导体与正常导体的区别超导体从具有一定电阻的正常态超导体从具有一定电阻的正常态转变为电阻为零的超导态时所处转变为电阻为零的超导态时所处的温度称为临界温度的温度称为临界温度Tc，即，即Tc是是某种材料超导现象开始出现的温某种材料超导现象开始出现的温度。度。所谓正常态就是温度高于所谓正常态就是温度高于Tc时导体的状态。这种状态下的导时导体的状态。这种状态下的导体具有一定大小的电阻。右

3、图表体具有一定大小的电阻。右图表示正常态导体和超导体的电阻随示正常态导体和超导体的电阻随温度的变化情况。温度的变化情况。 超导体与正常导体的区别超导体与正常导体的区别76/5 1908 1908年，荷兰物理学家年，荷兰物理学家昂纳斯昂纳斯首次成功地把称为首次成功地把称为“永久气永久气体体”的氦液化，因而获得的氦液化，因而获得4.2K4.2K的低温源，的低温源，为超导准备了条件为超导准备了条件； 三年后即三年后即19111911年，在测试纯金属电阻率的低温特性时，他年，在测试纯金属电阻率的低温特性时，他又发现，汞的直流电阻在又发现，汞的直流电阻在4.2K4.2K时突然消失，多次精密测量表时突然消

4、失，多次精密测量表明，明，汞柱两端压降为零汞柱两端压降为零，他认为这时汞进入了一种以零阻，他认为这时汞进入了一种以零阻值为特征的新物态，并称为值为特征的新物态，并称为“超导态超导态”。76/6当绝对温度掉到当绝对温度掉到4.2K4.2K时，时，汞的电阻值几乎为零汞的电阻值几乎为零零电阻特性76/7 昂纳斯在昂纳斯在19111911年年1212月月2828日宣布了这一发现。但此时他还日宣布了这一发现。但此时他还没有看出这一现象的普遍意义，仅仅当成是有关水银的没有看出这一现象的普遍意义，仅仅当成是有关水银的特特殊现象殊现象。 19331933年，年，迈斯纳迈斯纳和和奥克森菲尔德奥克森菲尔德两位科学

5、家发现：如果两位科学家发现：如果把超导体放在磁场中冷却，则在材料电阻消失的同时，磁把超导体放在磁场中冷却，则在材料电阻消失的同时，磁感应线将从超导体中排出，不能通过超导体，这叫感应线将从超导体中排出，不能通过超导体，这叫抗磁性抗磁性。76/8 迈斯纳效应又叫迈斯纳效应又叫完完全抗磁性全抗磁性: : 超导体一旦超导体一旦进入超导状态，体内的进入超导状态，体内的磁通量将全部被排出体磁通量将全部被排出体外，磁感应强度恒为零，外，磁感应强度恒为零，超导体就把全部磁通量超导体就把全部磁通量排出体外。排出体外。NNS降温降温加场加场S注：注：S表示超导态表示超导态N表示正常态表示正常态76/9在锡盘上放一

6、条永久磁铁，在锡盘上放一条永久磁铁，当温度低当温度低于锡的转变温度时，于锡的转变温度时，小磁铁会离开锡小磁铁会离开锡盘飘然升起，升至一定距离后，便悬盘飘然升起，升至一定距离后，便悬空不动了，空不动了，这是由于这是由于：磁铁的磁力线：磁铁的磁力线不能穿过超导体，在锡盘感应出持续不能穿过超导体，在锡盘感应出持续电流的磁场，与磁铁之间产生了电流的磁场，与磁铁之间产生了排斥排斥力力，磁体越远离锡盘，斥力越小，当，磁体越远离锡盘，斥力越小，当斥力减弱到与磁铁的重力相斥力减弱到与磁铁的重力相平衡平衡时，时，就悬浮不动了。就悬浮不动了。观察迈纳斯效应的磁悬浮试验观察迈纳斯效应的磁悬浮试验76/10o 把一块

7、磁铁放在超导盘上，由于超导盘把磁感应把一块磁铁放在超导盘上，由于超导盘把磁感应线排斥出去，线排斥出去， 超导盘跟磁铁之间有排斥力，结果超导盘跟磁铁之间有排斥力，结果磁铁悬浮在超导盘的上面。磁铁悬浮在超导盘的上面。76/11 人们很快发现，处于临界温度人们很快发现，处于临界温度Tc以下的超导体，当以下的超导体，当外外磁场比较低时磁场比较低时，它是超导态的，即具有，它是超导态的，即具有零电阻零电阻和和迈斯纳效迈斯纳效应应。但是当。但是当外磁场高于某一值时外磁场高于某一值时，它就从超导态转变成正，它就从超导态转变成正常态，电阻恢复，和正常导体具有相同的性质。常态，电阻恢复，和正常导体具有相同的性质。

8、 这种使超导体从超导态转变为正常态的磁场称为这种使超导体从超导态转变为正常态的磁场称为临界临界磁场磁场Hc，即进入超导态的标志是在，即进入超导态的标志是在临界温度临界温度 (Tc)和临界磁和临界磁场场(Hc)以下。以下。 76/12 然而，人们又发现，然而，人们又发现，超导体能承载的电流是有限的超导体能承载的电流是有限的，当通过，当通过超导体的电流密度超过一定的数值超导体的电流密度超过一定的数值Jc时，超导电性也被破坏了，时，超导电性也被破坏了，这一电流密度称为这一电流密度称为临界电流密度临界电流密度Jc。Jc随温度的不同而不同。对随温度的不同而不同。对于一个实际的超导体来说，与于一个实际的超

9、导体来说，与Jc相对应的流经超导体的电流称相对应的流经超导体的电流称临临界电流界电流Ic。 临界温度临界温度(Tc)、临界磁场、临界磁场(Hc)和临界电流密度和临界电流密度(Jc)是是“约束约束”超导现象的三大临界条件。超导现象的三大临界条件。只有当上述三个条件均满足超导材料本身的临界值时，才只有当上述三个条件均满足超导材料本身的临界值时，才发生超导现象。发生超导现象。76/13超导态下的超导态下的T-H-J临界面临界面临界温度临界温度(Tc)、临界磁场、临界磁场(Hc)和和临界电流密度临界电流密度(Jc)三个量限制了三个量限制了材料的超导电性存在的范围。材料的超导电性存在的范围。右图表示右图

10、表示Tc、Hc和和Jc的相互关的相互关系。由系。由Tc、Hc和和Jc所围成的曲所围成的曲面，代表从正常态向超导态转面，代表从正常态向超导态转变的临界态。这就是说变的临界态。这就是说三个参三个参量必须在该曲面之下时，材料量必须在该曲面之下时，材料才处于超导态。才处于超导态。 76/14 逐渐增大磁场到达一逐渐增大磁场到达一定值后，超导体会从超导定值后，超导体会从超导态变为正常态，把破坏超态变为正常态，把破坏超导电性所需的最小磁场称导电性所需的最小磁场称为为临界磁场临界磁场，记为，记为Hc。有经验公式：有经验公式： Hc(T)=Hc(0)(1-T2/Tc2)正常态正常态HHc(0)TcT超导态超导

11、态76/15 超导体无阻载流的能力也超导体无阻载流的能力也是有限的，当通过超导体中是有限的，当通过超导体中的电流达到某一特定值时，的电流达到某一特定值时，又会重新出现电阻，使其产又会重新出现电阻，使其产生这一相变的电流称为生这一相变的电流称为临界临界电流，记为电流，记为Ic。目前，常用电目前，常用电场描述场描述Ic(V) ，即当每厘米样，即当每厘米样品长度上出现电压为品长度上出现电压为1 V时时所输送的电流。所输送的电流。Ic(V)IV失超76/16LiquidHeliumDiscovery of High Temperature Superconductors (HTS)高温超导材料发现的历

12、史高温超导材料发现的历史75 yrs1987朱经武朱经武(C.W.Chu)、吴茂昆、吴茂昆(M.K.Wu) discovered YBaCuO with Tc 77K Air = 78% N2HTS (still -150-200oC)Could it be you?76/1776/1876/1976/2076/2176/221911年年H. Kamerlingh Onnes发现汞发现汞(Hg)在绝对温度在绝对温度4.2度度附近呈现超导性附近呈现超导性(获获1913年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖) 1913年年发现发现Pb于温度于温度7.2K时具超导性。时具超导性。1914年年Onnes以铅以铅

13、(Pb)超导体制作线圈证明永久电流之存超导体制作线圈证明永久电流之存在在1930年年发现发现Nb，Tc=9.2K为所有纯金属最高者为所有纯金属最高者1932年年W. Meissner及及R. Oschenfeld发现超导体具有完全抗发现超导体具有完全抗磁性，证明超导性之相转变是热力学相变磁性，证明超导性之相转变是热力学相变1933年年Meissner & Ochsenfeld提出超导状态下之完全反磁提出超导状态下之完全反磁性性(Perfect Diamagnetic)，又称梅氏效应，又称梅氏效应1934年年C.J. Gorter及及H. B. Casimir提出二流体模型解释超提出二流体模型解

14、释超导现象导现象，说明超导体内的电子分超导电子和常超导电子两，说明超导体内的电子分超导电子和常超导电子两种。种。1934年年 F. London及及H. London由二流体模式提出所谓由二流体模式提出所谓London model，解释梅氏效应，定义穿透深度，解释梅氏效应，定义穿透深度 (penetration depth)为超导体的特性长度，即静磁场为超导体的特性长度，即静磁场下磁力线穿透超导体表面深度，在此深度范围内，下磁力线穿透超导体表面深度，在此深度范围内，磁力线密度呈现指数衰减。磁力线密度呈现指数衰减。76/231937年年L.D. Landau提出外磁场下的超导中间态的结构模型提出

15、外磁场下的超导中间态的结构模型1950年年E.Maxwell和和C.A.Reynolds发现超导体的同位素效应发现超导体的同位素效应Tc M- 1950年年Vitaly Ginzburg & Lev Landau首先提出超导体内的首先提出超导体内的超导电子并非局部化观念，即超导电子并非完全单超导电子并非局部化观念，即超导电子并非完全单独的存在，彼此间可能些关联。电子间可能有关联独的存在，彼此间可能些关联。电子间可能有关联的最长距离称为相干长度的最长距离称为相干长度(Coherent Length)。 (Landau1962年与年与Ginzburg2003年获诺贝尔物理奖年获诺贝尔物理奖) 19

16、56年年L. N. Cooper提出一对电子间如存在吸引力，即可形提出一对电子间如存在吸引力，即可形成一束缚态的概念成一束缚态的概念(s-wave电子对电子对)1957年年Alexei Abrkosov研究超导体在外加磁场下的行为发研究超导体在外加磁场下的行为发现两种不同性质，将其分类为第一类和第二类超导现两种不同性质，将其分类为第一类和第二类超导体体(Type-I and Type II Superconductor)。预测第二类超导体于高磁场下其磁通束以三角晶格预测第二类超导体于高磁场下其磁通束以三角晶格排列的点阵排列排列的点阵排列(Abrkosov2003年获诺贝尔物理奖年获诺贝尔物理奖

17、) 76/241957年年J. Bardeen, L. N. Cooper及及R. J. Schrieffer提出解释超提出解释超导现象的微观理论：导现象的微观理论：BCS理论理论，当超导体变成超导状，当超导体变成超导状态时，超导体内的的超导电子是以成对存在的，称古态时，超导体内的的超导电子是以成对存在的，称古柏对柏对(Cooper Pair)。超导电子在晶格间运动时没有能。超导电子在晶格间运动时没有能量损失因为成对的超导电子之一在运动时和晶格互撞量损失因为成对的超导电子之一在运动时和晶格互撞把能量传给晶格，随后晶格又将能量交给第二个电子，把能量传给晶格，随后晶格又将能量交给第二个电子，因此没

18、有能量损失。因此没有能量损失。(三人获三人获1972年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖)1958年年 J. Hulm及及B. T. Matthias发现发现A15结构超导体，得到结构超导体，得到Tc20K之超导材料。之超导材料。1959年年 J. G. Giaever发现导体的单电子隧道效应发现导体的单电子隧道效应1962年年B. D. Josephson提出超导电子对的穿隧效应提出超导电子对的穿隧效应(获获1973年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖) 1975年年首先发现金属氧化物首先发现金属氧化物BaPb1-xBixO具超导性，具超导性，Tc=13K。1979年年F. Steglich发现重费米子超导

19、体发现重费米子超导体76/251980年年 D. Jerome发现第一个有机超导体发现第一个有机超导体1986年年K. A. Mller及及 G. Bednorz发现第一个高温超导体发现第一个高温超导体 LaBaCuOTc 30K (两人获两人获1987年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖) 1987年年朱经武和吴茂昆发现第一个高于液态氮的超导体朱经武和吴茂昆发现第一个高于液态氮的超导体YBa2Cu3O7- Tc92K 1988年年 H. Maeda，发现，发现Bi系系(Bi2Sr2Ca2Cu3O10)铜氧化物铜氧化物 Tc110K 1988年年Sheng & Herman ，发现，发现Ti系系(Ti

20、2Ba2Ca2Cu3O10)铜氧铜氧化合物化合物 Tc125K 1993年年A.Schilling et. al. ，发现，发现Hg系系(HgBa2Ca2Cu3O8)铜氧铜氧化合物化合物 Tc134K (Hg系铜氧化合物为目前常压下系铜氧化合物为目前常压下Tc最最高之化合物高之化合物) ，在高压下为，在高压下为164K2001年年J.Nagamatsu et. al. ，发现，发现MgB2介金属化合物介金属化合物Tc 40K (为目前为目前Tc最高之介金属化合物最高之介金属化合物) 76/26 从现在已研究到的超导材料的组成来看，能构从现在已研究到的超导材料的组成来看，能构成超导材料的组成元素

21、是相当多的，有成超导材料的组成元素是相当多的，有金属金属、类金类金属属和和非金属元素非金属元素，在这些元素中，有一些可由单一，在这些元素中，有一些可由单一元素制成超导材料，但绝大多数超导材料是由多种元素制成超导材料，但绝大多数超导材料是由多种元素形成的元素形成的合金合金、化合物化合物或或陶瓷陶瓷。 4.3 超导陶瓷材料超导陶瓷材料76/28人们对是不是超导体提出四个标难：人们对是不是超导体提出四个标难：出现零出现零电阻电阻，有迈斯纳效应有迈斯纳效应，工艺的可重复性工艺的可重复性和和超导现超导现象的稳定性象的稳定性。 高温超导体高温超导体：临界温度在液氮温度（：临界温度在液氮温度（77K）以上材

22、料。以上材料。超导体的标准超导体的标准76/29超导材料的分类：超导材料的分类：常规超导体(如Nb-Ti合金)高温超导体高温超导体(如如YBaYBa2 2CuCu3 3O O7 7-x-x) ) 非晶超导材料复合超导材料(如超导线带材料)重费米子超导体(如CeCu2Si2)有机超导材料(如富勒烯等修饰的化合物)超导材料超导材料76/30超导陶瓷超导陶瓷1986年超导陶瓷的出现，使超导体的临界温度年超导陶瓷的出现，使超导体的临界温度Tc有了很大有了很大提高。超导陶瓷主要有：提高。超导陶瓷主要有：1. 镧系高温超导陶瓷：镧系高温超导陶瓷：以以La2CuO3为代表；为代表；2. 钇系高温超导陶瓷钇系

23、高温超导陶瓷：以：以YBa2Cu2Oy为代表；为代表；3. 铋系高温超导陶瓷铋系高温超导陶瓷：以：以Bi-Sr-Cu-O为代表；为代表；4. 铊系高温超导陶瓷铊系高温超导陶瓷：以：以Ta-Ba-Ca-Cu-O为代表；为代表；76/31La-Ba-Cu-O超导陶瓷是最早发现的具有超导特性的氧化物超导陶瓷是最早发现的具有超导特性的氧化物 超导材料。镧系超导材料的种类和性能见下表。超导材料。镧系超导材料的种类和性能见下表。La-Sr-Nb-O超导陶瓷的临界温度超导陶瓷的临界温度Tc较高，但较高，但抗磁性较弱抗磁性较弱。 1. 镧系高温超导陶瓷镧系高温超导陶瓷镧系超导材料镧系超导材料材料材料临界温度临

24、界温度Tc/K早期研究单位早期研究单位La-Ba-Cu-O30美国IBM公司La-Sr-Pb-Cu-O70美国ATT公司La-Cu-O91K发生超导现象日本九州大学La-Sr-Nb-O90K发生超导现象美国普度大学76/322. 钇系高温超导陶瓷钇系高温超导陶瓷 在在Y-Y-BaBa-Cu-O-Cu-O系中，成分为系中，成分为Y Y1 1BaBa2 2CuCu3 3O O7-x7-x的相的相( (简称简称123 123 相相) )具有超导性。自从具有超导性。自从19861986年美国科学家缪勒年美国科学家缪勒(K(KA AMuller) Muller) 等提出等提出Y-Y-BaBa-Cu-O-

25、Cu-O组成的氧化物可能是高临界温度的超导体组成的氧化物可能是高临界温度的超导体以来，对钇系超导体作了不少的研究。以来，对钇系超导体作了不少的研究。 Y-Y-系陶瓷为四方结构，低温下为正交结构。系陶瓷为四方结构，低温下为正交结构。Y Y可以被其可以被其它稀土元素，特别是重稀土元素取代它稀土元素，特别是重稀土元素取代，如，如 GdGd，DyDy，HoHo，ErEr，TmTm，YbYb，LuLu等，形成一系列高临界温度的超导材料。等，形成一系列高临界温度的超导材料。 76/333. 铋系高温超导陶瓷铋系高温超导陶瓷 由于由于Y-Ba-Cu-O系统都含有稀土和类稀土元素，因而系统都含有稀土和类稀土元

26、素，因而一时稀土元素身价升高，法国一时稀土元素身价升高，法国Caen大学的米歇尔大学的米歇尔(CMicheI)等人明智而大胆地逆潮流而动，等人明智而大胆地逆潮流而动，提出了不用提出了不用稀土元素制造高临界温度稀土元素制造高临界温度Tc的超导材料的超导材料，并于，并于1987年宣布年宣布新的新的Bi-Sr-Cu-O超导材料，其转变温度在超导材料，其转变温度在28K。尽管转变。尽管转变温度在当时比较低，但因其不含稀土元素且性能稳定，所温度在当时比较低，但因其不含稀土元素且性能稳定，所以引起人们注意。以引起人们注意。 76/344. 铊系铊系高温超导陶瓷高温超导陶瓷 在研究发展在研究发展Bi系氧化物

27、超导体的同时，美国阿肯州立系氧化物超导体的同时，美国阿肯州立大学的荷尔曼和盛中直发现了大学的荷尔曼和盛中直发现了第四代氧化物超导体第四代氧化物超导体，即铊，即铊系氧化物超导体系氧化物超导体Ta-Ba-Ca-Cu-O，其超导转变温度为，其超导转变温度为125K。 铊系氧化物超导体主要有铊系氧化物超导体主要有Ta2Ba2CuO6(简称铊简称铊2201相相)、Ta2Ba2CaCu2O8(简称铊简称铊2212相相)、Ta2Ba2Cu3O10(简称铊简称铊2223相相)等。等。 76/35总之，从总之，从19111911年发现水银的超导温度为年发现水银的超导温度为4.2K4.2K后，直到后，直到1986

28、1986年。人们发现了上干种超导材料，然而年。人们发现了上干种超导材料，然而临界温度临界温度T Tc c最高的最高的铌三锗铌三锗(Nb(Nb3 3Ge)Ge)，才达，才达23.2K23.2K。平均每平均每5 5年年TcTc才提高才提高11。超。超导材料的研究似乎显得太慢了。导材料的研究似乎显得太慢了。而在而在19861986年氧化物超导材料的发现，使超导材料的研究出年氧化物超导材料的发现，使超导材料的研究出现了高潮。到现了高潮。到19881988年底，在短短的两年多的时间内不但年底，在短短的两年多的时间内不但开发出了新型氧化物超导材料，而且开发出了新型氧化物超导材料，而且把把T Tc c从从3

29、0K30K提高到提高到125K125K。从而使超导体在液氮温区工作成为现实。从而使超导体在液氮温区工作成为现实。 76/36液氮的沸点为液氮的沸点为77.3K，其价格比液氦便宜，其价格比液氦便宜100倍，冷却效率倍，冷却效率高高63倍，所以大大扩展了超导的应用前景。倍，所以大大扩展了超导的应用前景。高温超导体的巨大突破，以液态氮代替液态氦作超导制冷高温超导体的巨大突破，以液态氮代替液态氦作超导制冷剂获得超导体，使超导技术走向大规模开发应用。剂获得超导体，使超导技术走向大规模开发应用。氮是空氮是空气的主要成分，液氮制冷机的效率比液氦至少高气的主要成分，液氮制冷机的效率比液氦至少高10倍。液倍。液

30、氮制冷设备简单，因此，现有的高温超导体虽然还必须用氮制冷设备简单，因此，现有的高温超导体虽然还必须用液氮冷却，但却被认为是世纪科学上最伟大的发现之液氮冷却，但却被认为是世纪科学上最伟大的发现之一。一。 76/37高温超导材料的结构特征高温超导材料的结构特征:层状钙钛矿结构组元层状钙钛矿结构组元 导电层导电层（铜氧层）（铜氧层）Cu-O6八面体八面体Cu-O5四方锥四方锥 Cu-O4平面四边形平面四边形 载流子库层载流子库层空穴型空穴型电子型电子型调节载流调节载流子浓度子浓度提供耦提供耦合机制合机制76/38钇钡铜氧化物（钇钡铜氧化物（ YBa2Cu3O7-x ) 超导体超导体1987年朱经武、

31、吴茂昆、赵忠贤等发现，Tc90K，超导转变温度打破了液氦，解决了阻碍超导技术应用的瓶颈问题。76/39铋锶钙铜氧化物（铋锶钙铜氧化物（Bi-Sr-Ca-Cu-O）超导体）超导体Bi2Sr2Can-1CunO2n+4 n=1 2201相n=2 2212相n=3 2223相n=4 2234相Cu-O 层Bi2O2层 钙钛矿层Tc100K;Ti-Ba-Ca-Cu系，Tc达到了125K;Hg-Ba-Ca-Cu系，Tc达到了135K, 高压下Tc达到了164K。-Michael -Michael VershininVershinin, , ShashankShashank MisraMisra, , e

32、t alet al. . Science,Science,303,1995(2004).303,1995(2004).76/40 - -ElbioElbio DagottoDagotto. Science,Science,293,2410(2001).293,2410(2001).铜氧化物和铜氧化物和C C6060超导材料超导材料76/41Y Y系高温氧化物超导体的制备系高温氧化物超导体的制备原料原料(氧化物氧化物或碳酸物或碳酸物)混合混合化学剂量比烧结烧结氧化处理氧化处理熔融织构工艺熔融织构工艺克服大角晶界块块材材带带材材离子束辅助沉淀工艺离子束辅助沉淀工艺轧制辅助双轴织构衬底工艺轧制辅助双

33、轴织构衬底工艺薄膜薄膜磁控溅射法磁控溅射法激光沉淀法激光沉淀法76/42BiBi系高温氧化物超导带材的制备系高温氧化物超导带材的制备: :原材料原材料(氧化物或碳酸物氧化物或碳酸物)混混 合合化学剂量比煅煅 烧烧研研 磨磨粉末充管粉末充管拉拉 拔拔Ag管轧轧 制制热处理热处理压制压制/轧制轧制热处理热处理重复76/43高温超导材料制备所面临的问题：高温超导材料制备所面临的问题： 材料制造成本高材料制造成本高, 价格昂贵价格昂贵。 在长距离超导线材的制造上面在长距离超导线材的制造上面仍然有很大的难度。仍然有很大的难度。（氧化物高（氧化物高温超导陶瓷材料各向异性和短的温超导陶瓷材料各向异性和短的电

34、子相干长度以及大量晶界的存电子相干长度以及大量晶界的存在严重影响线材的超导电性。）在严重影响线材的超导电性。） 高温超导材料临界电流和临界磁高温超导材料临界电流和临界磁场的提高仍是科学家研究的难题。场的提高仍是科学家研究的难题。-Robert F. Serverce.-Robert F. Serverce.ScienceScience,295,786(2002).,295,786(2002).76/44-I. Chong, Z. Hiroi,* M. Izumi, J. Shimoyama, et al. Science,Science,276,770(1997).276,770(1997).

35、Pb搀杂提高搀杂提高Bi2Sr2CaCu2O8+x的临界电流密度的临界电流密度76/45Yang Guo, Yan-Feng Zhang, Xin-Yu Bao, et al. Science,Science,306,1915(2004).306,1915(2004).量子尺寸效应对超导临界温度的调制作用量子尺寸效应对超导临界温度的调制作用 Atomic layersupercurrentsiPb76/46-Maciek Zgirski, Karri-Pekka Riikonen, et al. Nano letters, 5,6(2005)纳米尺度对超导电性的制约作用纳米尺度对超导电性的制约

36、作用76/47S. Kang, A. Goyal, J. Li, A. A. Gapud, et al. Science, 311, 1911(2006).纳米材料和超导材料的结合纳米材料和超导材料的结合76/48 - -Robert F. Serverce.-Robert F. Serverce.ScienceScience,295,786(2002).,295,786(2002). 2001 2001年年1 1月日本东京青山学院的教授月日本东京青山学院的教授Jun Jun kimitsukimitsu宣布了这一发现。宣布了这一发现。MgBMgB2 2的临界超导温度的临界超导温度T Tc c

37、= 40 K.= 40 K.二硼化镁超导材料的新发现二硼化镁超导材料的新发现76/49 在在液氮温区实现超导液氮温区实现超导，不仅是固体物理、高能物理和，不仅是固体物理、高能物理和材料科学的一场革命，而且必将带来一场新的工业革命，材料科学的一场革命，而且必将带来一场新的工业革命，对人类社会有不可估量的影响。对人类社会有不可估量的影响。超导材料广泛应用的最大超导材料广泛应用的最大障碍是障碍是“温度障碍温度障碍”。 氧化物陶瓷超导体在液氮温区实现超导，克服了这一氧化物陶瓷超导体在液氮温区实现超导，克服了这一障碍障碍。液氮非常便宜，容易获得和保存，它为广泛应用超。液氮非常便宜，容易获得和保存，它为广

38、泛应用超导材料提供了基础。氧化物高温超导陶瓷块材、线材和薄导材料提供了基础。氧化物高温超导陶瓷块材、线材和薄膜的研制成功，并且在一些特殊场合得到应用，为超导陶膜的研制成功，并且在一些特殊场合得到应用，为超导陶瓷的开发应用展示了美好的前景。瓷的开发应用展示了美好的前景。 4.4 超导材料的应用超导材料的应用76/50在信息领域：在信息领域：用作高速转换元件、通信元件和连接电路。用作高速转换元件、通信元件和连接电路。在生物医学领域：在生物医学领域：用于核磁共振断层摄像仪、量子干涉仪、用于核磁共振断层摄像仪、量子干涉仪、 粒子线治疗装置等。粒子线治疗装置等。在交通运输领域：在交通运输领域：完全抗磁体

39、制造的磁悬浮列车、电磁推进完全抗磁体制造的磁悬浮列车、电磁推进 器、飞机航天飞机发射台等。器、飞机航天飞机发射台等。在电子能源领域：在电子能源领域：用于超导磁体发电、超导输电、超导储能等用于超导磁体发电、超导输电、超导储能等在宇宙开发、军事领域：在宇宙开发、军事领域：潜艇的无螺旋浆无噪声电磁推进器、潜艇的无螺旋浆无噪声电磁推进器、 超导磁炮等。超导磁炮等。超导陶瓷的应用超导陶瓷的应用76/51在电力和能源领域中，超导材料可用在电力和能源领域中，超导材料可用于超导磁体发电、超导输电、超导储于超导磁体发电、超导输电、超导储能、超导限流等。能、超导限流等。利用一般导体输电，大约有利用一般导体输电，大

40、约有10的电的电力损耗在电阻上，采用超导线输电，力损耗在电阻上，采用超导线输电，由于零电阻性，电流不会损耗，输电由于零电阻性，电流不会损耗，输电损失可降到最低限度。损失可降到最低限度。1. 电力和能源领域电力和能源领域76/54用超导材料制成的用超导材料制成的超导电感储能线圈超导电感储能线圈，与一般铜导体相比，可，与一般铜导体相比，可使单位体积的储电能力提高使单位体积的储电能力提高100-10000倍，美国南加州已经用超倍，美国南加州已经用超导材料制成导材料制成30MJ（兆焦耳）的电网储能器。（兆焦耳）的电网储能器。利用超导材料制成的利用超导材料制成的发电机发电机，能产生比普通电机大，能产生比

41、普通电机大2-3倍的高磁倍的高磁通密度，并具有体积小、重量轻、能耗小、电抗小、功率大、通密度，并具有体积小、重量轻、能耗小、电抗小、功率大、单机容量高、稳定性能好等特点。单机容量高、稳定性能好等特点。超导电机超导电机的单机输出功率比常规电机提高的单机输出功率比常规电机提高10-l00倍，日本已经制倍，日本已经制造出功率造出功率50000kW的超导发电机。的超导发电机。 Comparison of Traditional Generator vs. SC generator.传统发电机和超导发电机的损耗比较传统发电机和超导发电机的损耗比较Advantage of SC Generator- Hi

42、gher Efficiency- Lower weight and volume76/56在交通运输领域中，超导材料的实用范围很宽而且效果好在交通运输领域中，超导材料的实用范围很宽而且效果好，如利用完，如利用完全抗磁性制造的全抗磁性制造的磁悬浮列车磁悬浮列车，可使车速超过，可使车速超过500KM/h，而且还具有无，而且还具有无摩擦、无噪声、运行平稳等特点。摩擦、无噪声、运行平稳等特点。美国政府为了实现磁悬浮列车技术，于美国政府为了实现磁悬浮列车技术，于1990年成立了国家磁悬浮列车年成立了国家磁悬浮列车创办组织创办组织 (NMl) ，每年投资几千万美元进行研究开发。，每年投资几千万美元进行研究

43、开发。日本日本TR铁路技术所已试制成超导直线电机驱动车辆。铁路技术所已试制成超导直线电机驱动车辆。磁悬浮列车磁悬浮列车、电磁推进器电磁推进器、飞机和航天飞机发射台飞机和航天飞机发射台等方面均可见到超等方面均可见到超导材料的应用。在交通、运输领域中推广应用超导材料，有可能对未导材料的应用。在交通、运输领域中推广应用超导材料，有可能对未来城市的规划和发展产生巨大的影响来城市的规划和发展产生巨大的影响。 2. 交通运输领域交通运输领域76/57超导磁悬浮列车的最主要特征就是其超导磁悬浮列车的最主要特征就是其超导元件超导元件在相当低的在相当低的温度下所具有的温度下所具有的完全导电性完全导电性和和完全抗

44、磁性完全抗磁性。超导磁悬浮列超导磁悬浮列车的车辆上装有车的车辆上装有车载超导磁体车载超导磁体并构成并构成感应动力集成设备感应动力集成设备，而而列车的驱动绕组列车的驱动绕组和和悬浮导向绕组悬浮导向绕组均安装在地面导轨两侧，均安装在地面导轨两侧，车辆上的车辆上的感应动力集成设备感应动力集成设备由动力集成绕组、感应动力集由动力集成绕组、感应动力集成超导磁铁和悬浮导向超导磁铁三部分组成成超导磁铁和悬浮导向超导磁铁三部分组成。当向轨道两。当向轨道两侧的驱动绕组提供与车辆速度频率相一致的三相交流电时，侧的驱动绕组提供与车辆速度频率相一致的三相交流电时，就会就会产生一个移动的电磁场产生一个移动的电磁场，因而

45、在列车导轨上产生电磁，因而在列车导轨上产生电磁波，这时列车上的波，这时列车上的车载超导磁体车载超导磁体就会受到一个与移动磁场就会受到一个与移动磁场相同步的推力，正是这种相同步的推力，正是这种推力推力推动列车前进。推动列车前进。76/58磁悬浮分类磁悬浮分类o 推斥式推斥式的就是日本的，属于高速类型的就是日本的，属于高速类型（超导型），（超导型），需要起落架，推斥式是利用两个需要起落架，推斥式是利用两个磁铁同极性磁铁同极性相对而相对而产生的排斥力，使列车悬浮起来。这种磁悬浮列车产生的排斥力，使列车悬浮起来。这种磁悬浮列车车厢的两侧，安装有磁场强大的超导电磁铁。车厢的两侧，安装有磁场强大的超导电磁

46、铁。o 吸引式吸引式的，就是德国的的，就是德国的（常导型），（常导型），也就是上海目也就是上海目前使用的吸引式，前使用的吸引式，轨道不存在任何的电磁铁轨道不存在任何的电磁铁，他是，他是用感应钢板安装在轨道外缘的，车上有电磁铁，使用感应钢板安装在轨道外缘的，车上有电磁铁，使用车载电源吸引感应钢板悬浮和导向，利用直线电用车载电源吸引感应钢板悬浮和导向，利用直线电机对感应钢板的作用，产生推进，停止和倒退等动机对感应钢板的作用，产生推进，停止和倒退等动力输出。力输出。 76/59日本、德国磁悬浮列车截面图日本、德国磁悬浮列车截面图 76/60特点特点：(1)省能源省能源(2)低噪音低噪音(3)高速高速

47、: (550 km/hr) 真空中真空中(1600 km/hr)日本日本Yamanachi (山梨線山梨線) 磁浮列車磁浮列車SC magnet76/61日本日本Yamanachi (山梨線山梨線) 超导磁浮列车超导磁浮列车-推进原理推进原理 被安装在轨道两旁墙上的推进线圈是由变电所提供之被安装在轨道两旁墙上的推进线圈是由变电所提供之3 3相交相交变电流，产生变换的磁场，使得轨道两旁之推进线圈的电流变电流，产生变换的磁场，使得轨道两旁之推进线圈的电流一正一反不断地流动，车上装设超导磁铁一正一反不断地流动，车上装设超导磁铁( (低温超导线圈低温超导线圈) )便会便会受到推进线圈产生的变换磁场有着

48、连续的吸引力与推进力，受到推进线圈产生的变换磁场有着连续的吸引力与推进力，速度的调整，则由可将电流做正反转的周波数来决定，周波速度的调整，则由可将电流做正反转的周波数来决定，周波数的转换，又由地上发电厂的周波数装置来操作数的转换，又由地上发电厂的周波数装置来操作。轨道两旁墙上的推进线圈轨道两旁墙上的推进线圈超导磁铁超导磁铁76/62http:/www.rtri.or.jp/rd/maglev/html/english/maglev_frame_E.html列车悬浮列车悬浮原理原理: :轨道轨道之側向力之側向力: :轨道上的磁浮线圈面对面的连结而轨道上的磁浮线圈面对面的连结而形成回路，当正在跑的

49、磁浮车形成回路，当正在跑的磁浮车(也就也就是超导磁铁是超导磁铁)产生产生侧向移动侧向移动时，回路时，回路会感应出电流，使得对于较靠近轨会感应出电流，使得对于较靠近轨道的超导磁铁产生推力，反之较远道的超导磁铁产生推力，反之较远离轨道的超导磁铁则产生吸引力，离轨道的超导磁铁则产生吸引力，如此便能使磁浮车车身安全的位在如此便能使磁浮车车身安全的位在轨道中心的位置。轨道中心的位置。安装在轨道旁之安装在轨道旁之8字形线圈字形线圈,当装当装有超导磁铁的车身以低于有超导磁铁的车身以低于8字形字形线圈轴心位置快速通过时，线圈轴心位置快速通过时， 8字字形线圈会因感应出电流而成为一形线圈会因感应出电流而成为一电

50、磁铁电磁铁，此结果使得超导磁铁会，此结果使得超导磁铁会有一推力及拉力使之向上有一推力及拉力使之向上,所以所以车身便可磁浮起。车身便可磁浮起。76/63磁悬浮列车的局限性磁悬浮列车的局限性o 磁悬浮的建造成本和运营成本较高磁悬浮的建造成本和运营成本较高，与轮轨，与轮轨建造成本相比，高出一倍以上，而运营成本建造成本相比，高出一倍以上，而运营成本则要高出则要高出1010倍左右。提高运行速度能源消耗倍左右。提高运行速度能源消耗成几何级数增加成几何级数增加, ,与功率消耗的与功率消耗的3 3次方成正比次方成正比，即速度增加一倍，能源消耗可达原来的，即速度增加一倍，能源消耗可达原来的8 8倍，相当于单位距