1、超导材料超导材料福建农林大学材料科学与工程系超导材料主要内容零电阻现象零电阻现象1 完全抗磁性迈斯纳效应完全抗磁性迈斯纳效应2 产生超导电性的原因产生超导电性的原因BCS理论理论 3超导临界条件超导临界条件4第一类和第二类超导体第一类和第二类超导体5超导材料的发展历史超导材料的发展历史6超导材料的应用超导材料的应用7本节需掌握的重点 超导体两个基本特征：零电阻效应和迈斯纳效应；超导体两个基本特征：零电阻效应和迈斯纳效应；超导体零电阻和完全抗磁性的原因；超导体零电阻和完全抗磁性的原因；超导体的三个临界条件；超导体的三个临界条件；超导体的两种基本类型；超导体的两种基本类型；超导体的主要应用。超导体
2、的主要应用。1.4.1.零电阻现象p常规导体电阻的成因：常规导体在传输电流时，电子会与导体原子组成的常规导体在传输电流时，电子会与导体原子组成的晶体点阵发生相互作用，将能量传递给晶格原子，晶体点阵发生相互作用，将能量传递给晶格原子，晶格原子振动产生热量，造成电能的损失。晶格原子振动产生热量，造成电能的损失。p常规导体电阻的负面作用：电力传输中电阻发热，浪费资源，增加用电成本；电力传输中电阻发热，浪费资源，增加用电成本；v超导零电阻现象的发现1.4.1.零电阻现象1911年荷兰的年荷兰的卡茂林卡茂林昂尼斯昂尼斯教授用液氦将水银冷凝成固态导教授用液氦将水银冷凝成固态导线（线（-40），并将温度降低
3、到），并将温度降低到269左右时左右时，水银导线的水银导线的电阻突然完全消失，首次发现了超导体的零电阻现象。电阻突然完全消失，首次发现了超导体的零电阻现象。迈斯纳效应的发现：1933年德国物理学家迈斯纳发现在超导态下，超导体内部的磁场强度H总为零，即具有完全抗磁性，这种现象就称为迈斯纳效应。1.4.2.迈斯纳效应v完全抗磁性的原因完全抗磁性的原因1.4.2.迈斯纳效应常规导体NorthSouth超导体NorthSouth 外加磁场使超导体表面产生感应电流，该电流在超导体内产生的磁场外加磁场使超导体表面产生感应电流，该电流在超导体内产生的磁场和外磁场抵消，使超导体内部磁场为零。和外磁场抵消，使超
4、导体内部磁场为零。零电阻现象是超导现象的必要条件，但是电阻为零叫理想导体超导体。零电阻现象和完全抗磁性是超导体两 个最基本，而且互相独立的属性。只有同时具有零电阻和完全抗磁性才 能称为超导体。1.4.2.迈斯纳效应1.4.2.迈斯纳效应 北京有色金属研究总院研制的超导材料显示的迈斯纳效应北京有色金属研究总院研制的超导材料显示的迈斯纳效应1.4.3.超导隧道效应量子隧道效应：电子具有穿过比其自身能量还要高的势垒的本领。当然，穿透几率随势垒的高度和宽度的增加而迅速减小。例如：在两块常规导体Al中间夹入一层很薄的势垒（10-10m的绝缘层），在两块Al之间加上电势差，就有电流流过绝缘层，该电流是有电
5、阻的，这是正常导体的量子隧道效应。约瑟夫森预言 1962年，剑桥大学的博士后p 在极薄绝缘层（厚度约为在极薄绝缘层（厚度约为1nm1nm）隔开的两个超导体断面处，电）隔开的两个超导体断面处，电流可以穿过绝缘层。流可以穿过绝缘层。p 只要电流不超过某一临界值，则电流穿过绝缘层时将不产生只要电流不超过某一临界值，则电流穿过绝缘层时将不产生电压，该电流是没有电阻的，称为超导隧道电流。电压，该电流是没有电阻的，称为超导隧道电流。p 超导隧道电流与库柏电子对相关，且电子对穿越势垒后仍保超导隧道电流与库柏电子对相关，且电子对穿越势垒后仍保持为配对形式，这种不同于单电子隧道效应的新现象称为约持为配对形式，这
6、种不同于单电子隧道效应的新现象称为约瑟夫森效应。瑟夫森效应。1.4.3.超导隧道效应1.4.4.产生超导电性的原因当在超导临界温度以下时，通过晶格振动（声子）为媒介的间接作用使电子之间产生某种吸引力，克服库伦排斥从而导致自由电子将不再无序地“单独行动”，并形成“电子对”。BCS理论：lBCS理论不能解释理论不能解释30K以上的超导现象，特别是高温超导。以上的超导现象，特别是高温超导。v当温度TTc时，热运动使库珀对被拆散为正常电子，超导态转变为正常态。1.4.4.产生超导电性的原因声子的交互作用使得库伦排斥的两个电子产生吸引形成声子的交互作用使得库伦排斥的两个电子产生吸引形成电子对电子对。两个
7、电子组成电子对后，其中一个即使受到晶格振动或杂质的两个电子组成电子对后，其中一个即使受到晶格振动或杂质的阻碍，另一个电子也会起调节作用，使电子通路不受影响，从而阻碍，另一个电子也会起调节作用，使电子通路不受影响，从而产生超导现象。产生超导现象。v温度对超导电性的影响：v 温度愈低，结成的电子对愈多，电子对的结合愈牢固，超导电性越显著。v 温度越高，电子对因受热运动的影响而遭到破坏，就失去了超导性。1.4.4.产生超导电性的原因BCS Theory(1957)解释了超导电性现象的本质解释了超导电性现象的本质Bardeen,Cooper,Schrieffer分享了分享了1972年年Nobel物理学
8、奖物理学奖1.4.4.产生超导电性的原因1.4.5.超导体的临界条件n温度T临界温度Tcn磁场强度HHc的磁场作用的磁场作用 于超导体时，磁力线将穿入超导体，超导态被破于超导体时，磁力线将穿入超导体，超导态被破 坏而转入正常态。坏而转入正常态。n电流密度J临界电流密度Jc 同时同时,电流密度产生的磁场与外加磁场的电流密度产生的磁场与外加磁场的 矢量和应小于临界磁场强度矢量和应小于临界磁场强度Hc。电流强度电流强度I单位时间通过某截面电荷的量；单位时间通过某截面电荷的量；电流密度电流密度J单位面积上通过的电流强度；单位面积上通过的电流强度；注意区分：注意区分：1.4.5.超导体的临界条件超导临界
9、参数之间的关系v三个性能指标，相互制约；三个性能指标，相互制约；v一般来说，指标越高越好。一般来说，指标越高越好。Jc1.4.5.超导体的临界条件超导临界温度Tcv超导体从常导态转变为超导态的温度；即电阻突超导体从常导态转变为超导态的温度；即电阻突然变为零时的温度。然变为零时的温度。v由于组织结构不同，超导临界温度不是一个特定由于组织结构不同，超导临界温度不是一个特定的数值，而是跨越一个温度区域；因此实际超导的数值，而是跨越一个温度区域；因此实际超导材料的临界温度用四个参数表征。材料的临界温度用四个参数表征。1.4.5.超导体的临界条件实际超导材料的临界温度参数超导材料的临界温度超导材料的临界
10、温度起始转变温度起始转变温度Tc(onset)零电阻温度零电阻温度Tc(R=0)转变温度宽度转变温度宽度Tc中间临界温度中间临界温度Tc(mid)1.4.5.超导体的临界条件超导临界磁场强度Hcn对于超导体，当外加磁场足够强时，会破对于超导体，当外加磁场足够强时，会破坏其超导性；坏其超导性；n破坏超导态所需的最小的磁场强度称为破坏超导态所需的最小的磁场强度称为 超导临界磁场强度超导临界磁场强度。1.4.5.超导体的临界条件超导临界磁场强度Hc临界磁场强度为温度的函数，表达式为：)(1220ccccTTTTHHHc0为绝对零度时的临界磁场；THcHc0Tc01.4.5.超导体的临界条件超导临界电
11、流Jcv破坏超导态所需的最小电流密度破坏超导态所需的最小电流密度;J=I/A,J=I/A,单位单位A/mA/m2 2v超导临界电流与临界温度的关系：超导临界电流与临界温度的关系：220/1cccTTJJ1.4.6.第I类和第II类超导体第I类超导体只有一个临界磁场Hc；当HHc时，正常态。u 常温下具有良好导电性的纯金属，如铝、锌、锡等常温下具有良好导电性的纯金属，如铝、锌、锡等;u 熔点较低、质地较软，亦被称作熔点较低、质地较软，亦被称作“软超导体软超导体”；u 临界电流密度和临界磁场较低，没有很好的实用价值。临界电流密度和临界磁场较低，没有很好的实用价值。第II类超导体有两个临界磁场l 当
12、当HHc1时，零电阻且完全禁止时，零电阻且完全禁止磁场线进入磁场线进入,迈斯纳态。迈斯纳态。l 当当 Hc1 HHc2时，正常态。时，正常态。l 钒、铌、钽和大多数超导合金及钒、铌、钽和大多数超导合金及超导化合物超导化合物。l第第II类超导体比第类超导体比第I类超导体有更类超导体有更高的临界参数。高的临界参数。1.4.6.第I类和第II类超导体1.4.7.金属超导材料的类型金属元素超导体：合金超导体：金属化合物超导体：除钒、铌、钽大多数金属元素除钒、铌、钽大多数金属元素都是第都是第I类超导体；类超导体；钒、铌、钽为第钒、铌、钽为第II类超导体。类超导体。绝大多数为第绝大多数为第II类超导体；类
13、超导体；绝大多数为第绝大多数为第II类超导体；类超导体；1.4.7.金属超导材料的类型金属元素超导体n 常压下有常压下有28种超导金属元素，超导临界温度种超导金属元素，超导临界温度Tc排行为：排行为：铌铌 9.24K；锝锝 7.8K 铅铅 7.197K 镧镧 6.06K 钒钒 5.4K 钽钽 4.47Kn 常压下不表现超导性的金属元素，高压下可能呈现超导性。常压下不表现超导性的金属元素，高压下可能呈现超导性。1.4.7.金属超导材料的类型合金超导体成本低、便于大量生产n Ni-Ti合金合金 目前使用最广泛的合金超导材料；目前使用最广泛的合金超导材料；制造技术成熟，性能稳定，成本低；制造技术成熟
14、，性能稳定，成本低；用于磁流体发电机大型磁体的理想材料；用于磁流体发电机大型磁体的理想材料；n Ni-Zr合金合金 最早使用的合金超导材料；最早使用的合金超导材料；具有低磁场，高电流的优点；具有低磁场，高电流的优点；高磁场下能够承受很大的临界电流；高磁场下能够承受很大的临界电流；制造成本较高，逐渐被制造成本较高，逐渐被NiTi合金取代。合金取代。两类常见的超导合金为：两类常见的超导合金为：1.4.7.金属超导材料的类型金属化合物超导体三个临界参量三个临界参量(Tc,Hc,Jc)均较高，是性能良好的均较高，是性能良好的 强磁场材料。强磁场材料。具有代表性的为具有代表性的为Nb3Sn超导化合物，是
15、制造超导化合物，是制造 8.015.0T超导磁体的主要材料。超导磁体的主要材料。0 K:All motion ceases100oC=373 K0oC=273 K-135oC=138 KCurrent High Temperature Superconductors77 KNitrogen liquifies4 KHelium liquifies1.4.8.超导材料的发展历史1.4.8.超导材料的发展历史 1911年，年，Hg，Tc4.2K 1911-20年代，年代，24种纯金属，种纯金属，(Nb，Tc9.13K)1952,硅化钒，硅化钒，Tc=17K 1957年，年，BCS理论理论 1960
16、，第，第II类超导体铌锡合金类超导体铌锡合金 1973年，年，Nb3Ge，Tc23.2K 1987年，年，Y-Ba-Cu-O，Tc90K，超过液氮温度，超过液氮温度77K 1993年，年，Hg-Ba-Ca-Cu-O，Tc=135K（高压下（高压下164K)1.4.8.超导材料的发展历史超导材料的发展及其临界温度超导材料的发展及其临界温度钇钡铜氧化物（钇钡铜氧化物（YBa2Cu3O7-x)超导体超导体1987年朱经武、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。美国贝尔实验室采用快中子辐射氧化钇钡美国贝尔实验室采用快中子辐射氧化钇钡铜单晶体，使临界
17、电流密度提高了铜单晶体，使临界电流密度提高了100100倍，倍，达达6 61010 A/cm2A/cm2，美国马萨诸萨理工学院，美国马萨诸萨理工学院用在超导材料中掺入银等加热处理的方法，用在超导材料中掺入银等加热处理的方法，解决了材料的脆弱问题，使强度比超导陶解决了材料的脆弱问题，使强度比超导陶瓷提高了瓷提高了1010倍，适用于作输电线倍，适用于作输电线.我国则早我国则早已制成零电阻为已制成零电阻为83837 K7 K的超导材料和零电的超导材料和零电阻为阻为77 K77 K的超导薄膜的超导薄膜.1.4.9.超导材料的应用零电阻效应完全抗磁性超导隧道效应1.4.9.超导材料的应用超导电力传输(零
18、电阻的应用）超导输电电缆：将超导电缆放于液氦冷却介质管道内，保证整条输电线路将超导电缆放于液氦冷却介质管道内，保证整条输电线路 在超导状态下运行。在超导状态下运行。超导电力传输的优点：n 超导输电电缆比普通的地下电缆超导输电电缆比普通的地下电缆容量大容量大2525倍倍,电能消耗仅为所电能消耗仅为所输送电能的万分之几。输送电能的万分之几。n 传统输电需要高压，因而有升压，降压设备。用超导线就传统输电需要高压，因而有升压，降压设备。用超导线就不需不需要升压降压设备要升压降压设备。n 重量轻、体积小，输重量轻、体积小，输 送大功率的超导传输线送大功率的超导传输线可铺设在地下可铺设在地下管管道内，从而
19、省去了许多传输线的架设铁塔。道内，从而省去了许多传输线的架设铁塔。从内到外，依次为：从内到外，依次为：管状支撑物（内通液氮）；管状支撑物（内通液氮）；超导导体层（为电缆载流导体）；超导导体层（为电缆载流导体）；电气绝缘层（工作在液氮低温环境下）；电气绝缘层（工作在液氮低温环境下）；超导屏蔽层（为超导带材绕制）；超导屏蔽层（为超导带材绕制）；液氮回流层（与管状支撑物内的液氮构成液氮回流循环）；液氮回流层（与管状支撑物内的液氮构成液氮回流循环）；热绝缘层（为真空隔热套件）；热绝缘层（为真空隔热套件）；常规电缆屏蔽层和护层常规电缆屏蔽层和护层（与常规电力电缆类似）（与常规电力电缆类似）。1.4.9.
20、超导材料的应用1.4.9.超导材料的应用1.4.9.超导材料的应用超导发电机（强磁场的应用）在超导体截面较小的线圈通以大电流，形成强磁场，这就在超导体截面较小的线圈通以大电流，形成强磁场，这就是超导磁体。是超导磁体。超导发电机的优点：磁场强度大磁场强度大：磁场强度达：磁场强度达20万高斯，常规磁体最高万高斯，常规磁体最高10万高斯。万高斯。耗电少耗电少：不产生热量，除维持低温外不消耗电能，通入一次电：不产生热量，除维持低温外不消耗电能，通入一次电 流就可以一劳永逸。流就可以一劳永逸。重量轻重量轻：5万高斯的常规电磁体重达万高斯的常规电磁体重达20吨，而用超导磁体重量吨，而用超导磁体重量 还不到
21、还不到1千克。千克。1.4.9.超导材料的应用超导储能（零电阻效应的应用）v用电需求在时间上是不平衡的，白天用电需求在时间上是不平衡的，白天晚上不一样。晚上不一样。v最佳的解决办法就是有一种储存和调最佳的解决办法就是有一种储存和调节手段。然而，电力的储藏非常困难。节手段。然而，电力的储藏非常困难。v充电：合上开关合上开关S1S1，打开打开S2S2和和S3S3时，超导线圈时，超导线圈LsLs充电；充电；v储能：合上合上S2S2，打开打开S1S1，在电路在电路2 2中就有一个持续电流；中就有一个持续电流；v放电：合上合上S3S3，打开打开S2S2，储存的电能就传输到外部负载。储存的电能就传输到外部
22、负载。1.4.9.超导材料的应用超导储能基本原理示意图RS1S2S3负负载载电源电源Ls超导温度超导温度1.4.9.超导材料的应用 超导磁悬浮列车是运用超导体的完全抗磁性，使列车完全脱超导磁悬浮列车是运用超导体的完全抗磁性，使列车完全脱离轨道而悬浮行驶，成为离轨道而悬浮行驶，成为“无轮无轮”列车。列车。超导磁悬浮列车 两种磁悬浮列车系统(a)常导磁吸型；常导磁吸型；(b)超导磁斥型超导磁斥型 日本开发的磁悬浮列车日本开发的磁悬浮列车MAGLEV 于于2019年年12月在山梨县的试验线上创造月在山梨县的试验线上创造出每小时出每小时550公里公里的世界最高纪录。的世界最高纪录。日本超导磁斥型，悬浮
23、气隙较大，一般为100mm上海常导磁吸型，悬浮气隙较小，一般为10mm上海磁悬浮列车时速上海磁悬浮列车时速430公里公里,从从浦东浦东龙阳路站到龙阳路站到浦东国际浦东国际机场机场，三十多公里只需，三十多公里只需6分钟。分钟。1.4.9.超导材料的应用1.4.9.超导材料的应用 核聚变反应时，内部温度高达核聚变反应时，内部温度高达100200M，没有任何常规材料可以包容这些物质。而超导体没有任何常规材料可以包容这些物质。而超导体产生的强磁场可以作为产生的强磁场可以作为“磁封闭体磁封闭体”，将热核反，将热核反应堆中的超高温等离子体包围、约束起来，然后应堆中的超高温等离子体包围、约束起来，然后慢慢释
24、放，使受控核聚变能源成为入类取之不尽慢慢释放，使受控核聚变能源成为入类取之不尽的新能源。的新能源。受控热核聚变人造太阳我国研制的我国研制的“托卡马克托卡马克”装置（等装置（等离子体温度高达离子体温度高达5000万度），能够万度），能够提供清洁无限的能源。提供清洁无限的能源。1.4.9.超导材料的应用1.4.9.超导材料的应用超导量子干涉仪（SQUID)作为灵敏度极高的磁传感器磁传感器,超导量子干涉仪(即SQUID)在生物磁测量,大地测量,无损探伤等方面获得了广泛的应用.5.8.6 冷子管和超导计算机冷子管是一种电流开关电流开关。当控制线圈没有电流，门线超导；当控制线圈通过一定电流时，它的磁场使
25、门线从超导态转变到正常态。门线的临界磁场较低，临界磁场较高的控制线（Nb），操作温度稍低于门线临界温度，远低于控制线临界温度。冷子管与超导计算机1.4.9.超导材料的应用 在在19351935年，产生了第一个这种类型的开关元件。年，产生了第一个这种类型的开关元件。1956 1956年年巴克把这种装置命名为把这种装置命名为“冷子管冷子管”，并，并指出它可以用来开发超导计算机。指出它可以用来开发超导计算机。当时当时绕线冷子管的开关速度在的开关速度在10-5秒左右，功耗左右，功耗也较大，但与晶体管的第二代计算机相比，其也较大，但与晶体管的第二代计算机相比，其优越性还是很明显的。1.4.9.超导材料的
26、应用 IBMIBM公司发明的公司发明的隧道冷子管具有具有极高的开关速度（约为（约为10-12秒数量级，速度是半导体器件的数量级，速度是半导体器件的百倍以上）和以上）和极低的功耗（只有半导体器件的（只有半导体器件的千分之一左右），生产的逻辑器件能以惊人的速度），生产的逻辑器件能以惊人的速度执行执行“与与”功能，从而为制造功能，从而为制造亚纳秒电子计算机电子计算机提供了一条途径。提供了一条途径。1.4.9.超导材料的应用1.4.9.超导材料的应用 l966年，美国温特伯格温特伯格教授提出了在电磁炮上使用超导体的概念。贮电装置贮电装置，采用液氦冷却铌线圈在零电阻的状态下通电，铌线圈贮存电能。通过开关控制就能使积存的电能驱动炮，以高速射出弹头。超导电磁炮
