超导材料及其应用Word文档格式.docx

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1986年，高温超导体的研究取得了重大的突破。

掀起了以研究金属氧化物陶瓷材料为对象，以寻找高临界温度超导体为目标的“超导热”。

全世界有260多个实验小组参加了这场竞赛。

1986年1月，美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎世实验室科学家柏诺兹和缪勒首先发现钡镧铜氧化物是高温超导体，将超导温度提高到30K；

紧接着，日本东京大学工学部又将超导温度提高12月30日，美国休斯敦大学宣布，美籍华裔科学家朱经武又将超导温度提高到40．2K。

1987年1月初，日本川崎国立分子研究所将超导温度提高到43K；

不久日本综合电子研究所又将超导温度提高到46K和53K。

中国科学院物理研究所由赵忠贤、陈立泉领导的研究组，获得了48．6K的锶镧铜氧系超导体，并看到这类物质有在70K发生转变的迹象。

2月15日美国报道朱经武、吴茂昆获得了98K超导体。

2月20日，中国也宣布发现100K以上超导体。

3月3日，日本宣布发现123K超导体。

3月12日中国北京大学成功地用液氮进行超导磁悬浮实验。

3月27日美国华裔科学家又发现在氧化物超导材料中有转变温度为240K的超导迹象。

很快日本鹿儿岛大学工学部发现由镧、锶、铜、氧组成的陶瓷材料在14℃温度下存在超导迹象。

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。

氮是空气的主要成分，液氮制冷机的效率比液氦至少高10倍，所以液氮的价格实际仅相当于液氦的1／100。

液氮制冷设备简单，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20世纪科学上最伟大的发现之一。

（2）高温超导体

1986年Mü

ller和Bednorz发现高温超导体，是超导体研究的重大突破

（3）中国超导国家重点实验室

超导国家重点实验室于1987年经国家计委批准筹建，1991年4月通过验收，列入国家重点实验室系列，并正式向国内外开放。

1995年8月通过第一次评估，获B类第一名。

2000年5月通过第二次评估，被评为优秀（A类）国家重点实验室。

2002年1月，被人事部、中国科学院评为"

先进集体"

。

2004年12月，被科技部评为“国家重点实验室计划先进集体”。

作为国内超导研究的重要基地和国际学术合作与交流的重要窗口，超导国家重点实验室已经发展成为具有一定规模和综合实力并具有国际影响力的实验室。

在中国科学院"

知识创新工程"

、国家有关部门以及物理所的大力支持下，超导国家重点实验室从实验条件、人员结构到研究水准等各个层面正在迅速提高。

超导国家重点实验室的研究方向涵盖了超导体研究的各个方面，即新超导体的探索，高温超导机理和相关物理研究，薄膜制备以及超导薄膜器件应用研究等。

实验室的工作一直处于国际超导研究的前沿，频繁在国际权威杂志上发表有影响的论文并多次在国际超导大会上作邀请报告。

目前超导国家重点实验室正在进一步优化人员结构，招揽优秀年轻人才，发展独特的研究手段，努力开展原始创新性研究，同时与国际上知名的研究组进行长期、务实和富有成效的合作，这些将为实验室今后取得重大突破奠定基础。

二：

超导材料的性质：

（1）零电阻性：

超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。

如果用磁场在超导环中引发感生电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。

这种“持续电流”已多次在实验中观察到。

例如：

科学家发现铅在7.20K（-265.95摄氏度）以下，电阻就变成了零。

（2）完全抗磁性

超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零。

（3）约瑟夫森效应

两超导材料之间有一薄绝缘层（厚度约1nm）而形成低电阻连接相关书籍

时，会有电子对穿过绝缘层形成电流，而绝缘层两侧没有电压，即绝缘层也成了超导体。

当电流超过一定值后，绝缘层两侧出现电压U（也可加一电压U），同时，直流电流变成高频交流电，并向外辐射电磁波，其频率为，其中h为普朗克常数，e为电子电荷。

这些特性构成了超导材料在科学技术领域越来越引人注目的各类应用的依据。

（4）同位素效应

超导体的临界温度Tc与其同位素质量M有关。

M越大，Tc越低，这称为同位素效应。

例如，原子量为199.55的汞同位素，它的Tc是4.18开，而原子量为203.4的汞同位素，Tc为4.146开。

三：

超导材料的基本临界参量

（1）临界温度：

外磁场为零时超导材料由正常态转变为超导态（或相反）的温度，以Tc表示。

Tc值因材料不同而异。

已测得超导材料的最低Tc是钨，为0.012K。

到1987年，临界温度最高值已提高到100K左右。

（2）临界磁场：

使超导材料的超导态破坏而转变到正常态所需的磁场强度，以Hc表示。

Hc与温度T的关系为Hc=H0[1-（T/Tc）2]，式中H0为0K时的临界磁场。

（3）临界电流和临界电流密度：

通过超导材料的电流达到一定数值时也会使超导态破态而转变为正常态，以Ic表示。

Ic一般随温度和外磁场的增加而减少。

单位截面积所承载的Ic称为临界电流密度，以Jc表示。

四：

超导材料的研究

（1）非常规超导体磁通动力学和超导机理

主要研究混合态区域的磁通线运动的机理，不可逆线性质、起因及其与磁场和温度的关系，临界电流密度与磁场和温度的依赖关系及各向异性。

超导机理研究侧重于研究正常态在强磁场下的磁阻、霍尔效应、涨落效应、费米面的性质以及T<

Tc时用强磁场破坏超导达到正常态时的输运性质等。

对有望表现出高温超导电性的体系象有机超导体等以及在强电方面具有广阔应用前景的低温超导体等，也将开展其在强磁场下的性质研究。

（2）强磁场下的低维凝聚态特性研究

低维性使得低维体系表现出三维体系所没有的特性。

低维不稳定性导致了多种有序相。

强磁场是揭示低维凝聚态特性的有效手段。

主要研究内容包括：

有机铁磁性的结构和来源可用作超导材料的金属在周期表上的分布；

有机（包括富勒烯）超导体的机理和磁性；

强磁场下二维电子气中非线性元激发的特异属性；

低维磁性材料的相变和磁相互作用；

有机导体在磁场中的输运和载流子特性；

磁场中的能带结构和费米面特征等。

（3）强磁场下的半导体材料的光、电等特性

强磁场技术对半导体科学的发展愈益变得重要，因为在各种物理因素中，外磁场是唯一在保持晶体结构不变的情况下改变动量空间对称性的物理因素，因而在半导体能带结构研究以及元激发及其互作用研究中，磁场有着特别重要的作用。

通过对强磁场下半导体材料的光、电等特性开展实验研究，可进一步理解和把握半导体的光学、电学等物理性质，从而为制造具有各种功能的半导体器件并发展高科技作基础性探索。

（4）强磁场下极微细尺度中的物理问题

　　极微细尺度体系中出现许多常规材料不具备的新现象和奇异特性，这与这类材料的微结构特别是电子结构密切相关。

强磁场为研究极微细尺度体系的电子态和输运特性提供强有力的手段，不但能进一步揭示这类材料在常规条件下难以出现的奇异现象，而且为在更深层次下认识其物理特性提供丰富的科学信息。

主要研究强磁场下极微细尺度金属、半导体等的电子输运、电子局域和关联特性；

量子尺寸效应、量子限域效应、小尺寸效应和表面、界面效应；

以及极微细尺度氧化物、碳化物和氮化物的光学特性及能隙精细结构等。

（5）强磁场化学

　　强磁场对化学反应电子自旋和核自旋的作用，可导致相应化学键的松弛，造成新键生成的有利条件，诱发一般条件下无法实现的物理化学变化，获得原来无法制备的新材料和新化合物。

强磁场化学是应用基础性很强的新领域，有一系列理论课题和广泛应用前景。

近期可开展水和有机溶剂的磁化及机理研究以及强磁场诱发新化学反应研究等。

五：

超导材料分类

（1）超导元素：

在常压下有28种元素具超导电性，其中铌（Nb）的Tc最高，为9.26K。

电工中实际应用的主要是铌和铅（Pb，Tc=7.201K），已用于制造超导交流电力电缆、高Q值谐振腔等。

（2）合金材料：

超导元素加入某些其他元素作合金成分，可以使超导材料的全部性能提高。

如最先应用的铌锆合金（Nb-75Zr），其Tc为10.8K，Hc为8.7特。

继后发展了铌钛合金，虽然Tc稍低了些，但Hc高得多，在给定磁场能承载更大电流。

其性能是Nb-33Ti，Tc=9.3K，Hc＝11.0特；

Nb-60Ti，Tc超导材料性质研究=9.3K，Hc=12特（4.2K）。

目前铌钛合金是用于7～8特磁场下的主要超导磁体材料。

铌钛合金再加入钽的三元合金，性能进一步提高，Nb-60Ti-4Ta的性能是，Tc＝9.9K，Hc=12.4特（4.2K）；

Nb-70Ti-5Ta的性能是，Tc=9.8K，Hc=12.8特。

（3）超导化合物：

如已大量使用的Nb3Sn，其Tc=18.1K，Hc=24.5特。

其他重要的超导化合物还有V3Ga，Tc=16.8K，Hc=24特；

Nb3Al，Tc=18.8K，Hc=30特。

（4）超导陶瓷：

20世纪80年代初，米勒和贝德诺尔茨开始注意到某些氧化物陶瓷材料可能有超导电性，他们的小组对一些材料进行了试验，于1986年在镧－钡－铜－氧化物中发现了Tc=35K的超导电性。

1987年，中国、美国、日本等国科学家在钡－钇－铜氧化物中发现Tc处于液氮温区有超导电性，使超导陶瓷成为极有发展前景的超导材料。

六超导材料应用

到80年代，超导材料的应用主要有：

①利用材料的超导电性可制作磁体，应用于电机、高能粒子加速器、磁悬浮运输、受控热核反应、储能等；

可制作电力电缆，用于大容量输电（功率可达10000MVA）；

可制作通信电缆和天线，其性能优于常规材料。

②利用材料的完全抗磁性可制作无摩擦陀螺仪和轴承。

③利用约瑟夫森效应可制作一系列精密测量仪表以及辐射探测器、微波发生器、逻辑元件等。

利用约瑟夫森结作计算机的逻辑和存储元件，其运算速度比高性能集成电路的快10～20倍，功耗只有四分之一。

（1）超导发电机

在电力领域，利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强度提高到5万～6万高斯，并且几乎没有能量损失，这种发电机便是交流超导发电机。

超导发电机的单机发电容量比常规发电机提高5～10倍，达1万兆瓦，而体积却减少1/2，整机重量减轻1/3，发电效率提高50％。

磁流体发电机磁流体发电机同样离不开超导强磁体的帮助。

磁流体发电发电，是利用高温导电性气体（等离子体）作导体，并高速通过磁场强度为5万～6万高斯的强磁场而发电。

磁流体发电机的结构非常简单，用于磁流体发电的高温导电性气体还可重复利用。

下图为超导变压器：

其优点是：

1.不存在常规变压器中的发热损耗，节能潜力；

2.体积可以减少40-60%；

3.液氮代替变压器油，消除火灾隐患；

4.超导变压器的内阻极小，能够增大电压的可调节范围。

（2）超导输电线路

超导材料还可以用于制作超导电线和超导变压器，从而把电力几乎无损耗地输送给用户。

据统计，目前的铜或铝导线输电，约有15%的电能损耗在输电线路上，光是在中国，每年的电力损失即达1000多亿度

下图为高温超导电缆

1.高温超导电缆的电流密度可超过10000安培／平方厘米，（传统电缆由于有电阻，电流密度只有300－400安培／平方厘米）

2.传输容量比传统电缆要高5倍左右，功率损耗仅相当于后者的40％。

（3）超导磁悬浮列车

利用超导材料的抗磁性，将超导材料放在一块永久磁体的上方，由于磁体的磁力线不能穿过超导体，磁体和超导体之间会产生排斥力，使超导体悬浮在磁体上方。

利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车。

下图是日本磁浮列车MagLev的原理

（4）核聚变反应堆“磁封闭体”

核聚变反应时，内部温度高达1亿～2亿℃，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“磁封闭体”，将热核反应堆中的超高温等离子体包围、约束起来，然后慢慢释放，从而使受控核聚变能源成为21世纪前景广阔的新能源

（4）超导计算机

高速计算机要求集成电路芯片上的元件和连接线密集排列，但密集排列的电路在工作时会发生大量的热，而散热是超大规模集成电路面临的难题。

超导计算机中的超大规模集成电路，其元件间的互连线用接近零电阻和超微发热的超导器件来制作，不存在散热问题，同时计算机的运算速度大大提高。

此外，科学家正研究用半导体和超导体来制造晶体管，甚至完全用超导体来制作晶体管。