超导材料的应用和发展.docx

1、超导材料的应用和发展论文选读与写作训练所属系别： 物理与电子工程系 专 业： 物理学 班 级： 1105 姓 名： 王鹏飞 学 号： 2011070563 日 期： 2014-6-10 超导材料的应用和发展 系 别： 物理与电子工程系 学科专业： 物理学 姓 名： 王鹏飞 运 城 学 院2014年 6 月目录1 引言 22 超导材料的研究进展 23 超导材料的主要特性 33.1 零电阻效应 332 迈斯纳效应 33.3 同位素效应 43.4 约瑟夫森效应 44 超导科学研究 44.1非常规超导体磁通动力学和超导机理 44.2强磁场下的低维凝聚态特性研究 44.3强磁场下的半导体材料的光、电等特

2、性 44.4强磁场下极微细尺度中的物理问题 54.5强磁场化学 55超导材料及应用 55.1低温超导材料 55.11、低温超导材料 55.12应用 65.2 高温超导材料 65.2.1高温超导 65.2.2应用 85.3高温超导材料进展 86 结语 8致谢 8参考文献 9 超导材料的应用和发展王鹏飞运城学院物理系1105班山西省运城市 044000摘要：自超导发现至今，超导的研究和超导材料的研制已迅速发展，超导的临界温度已从开始的几开升至几十开甚至一百多开；而且超导材料的物质结构及性质已逐渐研究清楚。以液态氮温度下低温超导材料的研究与发展获得了成功，且已实现商品化，在医疗、电子输送、运输等方面

3、获得应用；高温超导材料的发现，是最近几十年来物理学及材料科学领域中的重大突破之一，已引起全世界广泛关注，各国众多科学工作者参与超导的研究与发展工作，人们将很快会感受到它给社会带来的巨大变革。关键词：超导材料；高温超导材料 ；低温超导材料；超导材料应用1 引言具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体（superconducting material）。自超导发现至今，超导的研究和超导材料的研制已迅速发展，超导的临界温度已从开始的几开升至几十开甚至一百多开；而且超导材料的物质结构及性质已逐渐研究清楚。以液态氮温度下低温

4、超导材料的研究与发展获得了成功，且已实现商品化，在医疗、电子输送、运输等方面获得应用2 超导材料的研究进展1911年，荷兰物理学家昂尼斯(18531926)发现，水银的电阻率并不象预料的那样随温度降低逐渐减小，而是当温度降到4.15K附近时，水银的电阻突然降到零。某些金属、合金和化合物，在温度降到绝对零度附近某一特定温度时，它们的电阻率突然减小到无法测量的现象叫做超导现象，能够发生超导现象的物质叫做超导体。超导体由正常态转变为超导态的温度称为这种物质的转变温度(或临界温度)TC。现已发现大多数金属元素以及数以千计的合金、化合物都在不同条件下显示出超导性。如钨的转变温度为0.012K，锌为0.7

5、5K，铝为1.196K，铅为7.193K。 超导体得天独厚的特性，使它可能在各种领域得到广泛的应用。但由于早期的超导体存在于液氦极低温度条件下，极大地限制了超导材料的应用。人们一直在探索高温超导体，从1911年到1986年，75年间从水银的42K提高到铌三锗的2322K，才提高了19K。 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，

6、日本东京大学工学部又将超导温度提高到37K；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402K。 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486K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

7、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1100。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。3 超导材料的主要特性3.1 零电阻效应材料在一定温度以下，其电阻为零的现象称为材料的超导电现象。在一定温度下具有零电阻超导电现象的材料，称为超导体（Superconducto

8、r）。1911年荷兰著名低温物理学家昂纳斯（H.K.Onnes）发现在T4.1k下汞具有超导电性。采用“四引线电阻测量法”可测出超导体的RT特性曲线。 由于超导体的转变温度还与外部环境条件有关，定义在外部环境条件（电流，磁场和应力等）维持在足够低的数值时，测得的超导转变温度称为超导临界温度。超导现象是20世纪的重大发明之一。科学家发现某物质在温度很低时，如铅在7.20K（-265.95摄氏度）以下，电阻就变成了零。32 迈斯纳效应1933年，迈斯纳（W.Meissner）发现：当置于磁场中的导体通过冷却过渡到超导态时，原来进入此导体中的磁力线会一下子被完全排斥到超导体之外（见下图），超导体内磁

9、感应强度变为零，这表明超导体是完全抗磁体，这个现象称为迈斯纳效应。迈斯纳效应示意图，分别为正常态和超导态：实验表明，超导态可以被外磁场所破坏，在低于TC的任一温度T下，当外加磁场强度H小于某一临界值HC时，超导态可以保持；当H大于HC时，超导态会被突然破坏而转变成正常态。临界磁场强度HC，其值与材料组成和环境温度等有关。 超导材料性能由临界温度TC和临界磁场HC两个参数决定，高于临界值时是一般导体，低于此数值时成为超导体。3.3 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。论文参考。例如，原子量为199.55的汞同位素，它的TC是4.18开，而原子

10、量为203.4的汞同位素，TC为4.146开。有公式：3.4 约瑟夫森效应 当在两块超导体之间存在一块极薄的绝缘层时，超导电子（对）能通过极薄的绝缘层，这种现象称为约瑟夫森（Josephson）效应，相应的装置称为约瑟夫森器件。当通以低于临界电流值I0时，在绝缘薄层上的电压为零，但当电流II0时，会从超导态转变为正常态，出现电压降，呈现有阻态，这种器件具有显著的非线性电阻特性，可制成高灵敏度的磁敏感器件，应用在超高速计算机等场合。4 超导科学研究4.1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

11、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TTc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。4.2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；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

12、流子特性；磁场中的能带结构和费米面特征等。4.3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。4.4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

13、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。4.5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

14、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。5超导材料及应用超导材料具有的优异特性使它从被发现之日起，就向人类展示了诱人的应用前景。但要实际应用超导材料又受到一系列因素的制约，这首先是它的临界参量，其次还有材料制作的工艺等问题（例如脆性的超导陶瓷如何制成柔细的线材就有一系列工艺问题）。到80年代，超导材料的应用主要有：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。利用材料的完全抗磁性可制作无摩擦陀螺仪和轴承。利用约瑟夫森效应可

15、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1020倍，功耗只有四分之一。5.1低温超导材料5.11、低温超导材料具有低临界转变温度（Tc30K），在液氦温度条件下工作的超导材料。分为金属、合金和化合物。具有实用价值的低温超导金属是Nb( 铌 )，Tc 为9.3K已制成薄膜材料用于弱电领域。合金系低温超导材料是以Nb为基的二元或三元合金组成的相固溶体，Tc 在 9K 以上。最早研究的是NbZr合金，在此基础上又出现了 NbTi合金 。NbTi 合金的超导电性和加工性能均优于 NbZr 合金 ，其使用已占低温

16、超导合金的95 左右 。NbTi 合金可用一般难熔金属的加工方法加工成合金，再用多芯复合加工法加工成以铜（或铝）为基体的多芯复合超导线，最后用冶金方法使其最终合金由单相转变为具有强钉扎中心的两相（）合金，以满足使用要求。化合物低温超导材料有NbN (Tc16K)、Nb3Sn ( Tc18.1K) 和 V3Ga（Tc16.8K）。NbN多以薄膜形式使用 ，由于其稳定性好 ，已制成实用的弱电元器件 。Nb3Sn是脆性化合物 ，它和V3Ga可以纯铜或青铜合金为基体材料，采用固态扩散法制备 。为了提高 Nb3Sn（V3Ga）的超导性能和改善其工艺性能，有时加入一些合金元素，如Ti、Mg等。5.12应用

17、低温超导材料已得到广泛应用 。在强电磁场中 ，NbTi超导材料用作高能物理的加速器、探测器、等离子体磁约束、超导储能 、超导电机及医用磁共振人体成像仪等；Nb3Sn 超导材料除用于制作大量小型高磁场（710T）磁体外，还用于制作受控核聚变装置中数米口径的磁体 ；用Nb及NbN薄膜制成的低温仪器，已用于军事及医学领域检测极弱电磁信号 。低温超导材料由于Tc低，必须在液氦温度下使用，运转费用昂贵，故其应用受到限制。5.2 高温超导材料5.2.1高温超导具具有高临界转变温度（Tc）能在液氮温度条件下工作的超导材料。因主要是氧化物材料，故又称高温氧化物超导材料。高温超导材料不但超导转变温度高，而且成分

18、多是以铜为主要元素的多元金属氧化物，氧含量不确定，具有陶瓷性质。氧化物中的金属元素（如铜）可能存在多种化合价，化合物中的大多数金属元素在一定范围内可以全部或部分被其他金属元素所取代，但仍不失其超导电性。高温超导材料用途非常广泛，大致可分三大类：大电流应用、电子学应用和抗磁性应用. 5.2.2应用有高临界转变温度在液氮温度条件下工作的超导材料,主要为多元系氧化物，高温氧化物超导体的出现，突破了温度壁垒，把超导应用的温度从液氦提高到了液氮（77K）温区。同液氦相比，液氮是一种非常经济的冷媒，并且具有较高的热容量，给工程应用带来了极大的方便。另外，高温超导体都具有相当高的上临界场（Hc2（4K） 5

19、0T），能够用来产生20T以上的强磁场，这正好克服了常规低温超导材料的不足之处。高温超导材料用途非常广泛，大致可分三大类：大电流应用、电子学应用和抗磁性应用. 5.3高温超导材料进展目前高温超导材料指的是：钇系（92 K）、铋系（110K）、铊系（125K）和汞系（135K）以及2001年1月发现的新型超导体二硼化镁（39K）。其中最有实用前途的是铋系、钇系（YBCO）和二硼化镁（MgB2）。氧化物高温超导材料是以铜氧化物为组分的具有钙钦矿层状结构的复杂物质，在正常态它们都是不良导体。同低温超导体相比，高温超导材料具有明显的各向异性，在垂直和平行于铜氧结构层方向上的物理性质差别很大。高温超导体

20、属于非理想的第II类超导体，且具有比低温超导体更高的临界磁场和临界电流，因此是更接近于实用的超导材料，特别是在低温下的性能比传统超导体高得多。6 结语超导材料的研究是当今世界上一门新兴的科学技术由于超导材料能影响人类生存的许多重要领域，各国的材料科学家都在竞相探索它的结构，研究它的性能，以求率先找到具有高临界温度的超导材料。可以这样说，高温超导材料的突破，必将深刻地促进尖端科学技术的发展，从而加速人类文明的进程。含苞待放的超导之花，必将带来一个缤纷的世界。 致谢本论文是在苏晓琴老师的悉心指导下完成的。苏晓琴老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，平易近人的人

21、格魅力对我影响深远。不仅使我掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处事的道理。本论文从选题到完成，每一步都是在苏老师的指导下完成的，倾注了老师大量的心血。在此，谨向苏老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！参考文献1刘博,王惠敏. 室内电磁辐射污染与防护J. 环境污染治理技术与设备,2003,06:91-92.2李玉文,齐宇勃. 电磁辐射污染与防护J. 环境科学与管理,2006,04:65-67+88.3 郝雪红.工程力学.M.2010年9月第1版.北京邮电大学,2010.219.978-7-5635-2363-4. 4 Cirac J I, Zoller P, Kimble H J,

22、et al.Quantum state transfer in a quantum network: a quantum-optical implementationJ. Phys. Rev. Lett., 1997, 78(16): 32213224.5 Garcia-Maraver R, Corbalan R, Eckert K, et al. Generation of entangled photon pairs in optical cavity-QED: operating in the bad cavity limitJ. Phys. Rev. A, 2004, 70 (6):

23、062324. The application and development of superconducting material Abstract: since the superconducting found, superconductors research and development of superconducting material has developed rapidly, the superconducting critical temperature has been from the beginning of several open to open even

24、 one hundred rolled; And the material structure and properties of superconducting material research has gradually clear. With liquid nitrogen temperature low temperature superconducting material research and development a success, and has realized commercialization, in the medical, electronic transp

25、ort, transport applications; The discovery of high temperature superconducting materials, in recent decades is one of the major breakthrough in the field of physics and materials science, has aroused widespread attention around the world, many countries scientific workers involved in the research an

26、d development of superconducting, people will soon feel it brings great change to the society. Keywords: superconducting material high temperature superconducting material application of superconducting materials, superconducting materials in low temperature 作者简介：王鹏飞（1991-），山西省运城市盐湖区，学生，主要从事物理学习及教学研究。