超導材料(課堂PPT)

超導材料,2015級材料物化六組演講：陸永發(fā)高璐鮑舒婷幻燈片制作：高璐鄭長天資料收集：樸星鮑習科戴憲軍信息整理：郭世銘潘影盛云,1,01,02,03,04,引言,超導材料的性質及超導現(xiàn)象的機理,氧化物基超導陶瓷,超導材料的應用,目錄/contents,2,1.引言,1.1超導現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)1911年，荷蘭萊頓大學的H卡茂林昂內斯（HeikeKamerlinghOnnes，18531926綽號“絕對零度先生”）意外地發(fā)現(xiàn)，將汞冷卻到4.35K(-268.98)時，汞的電阻突然消失；后來他又發(fā)現(xiàn)許多金屬和合金都具有與上述汞相類似的低溫下失去電阻的特性，由于它的特殊導電性能，H卡茂林昂內斯稱之為超導態(tài)。卡茂林由于他的這一發(fā)現(xiàn)獲得了1913年諾貝爾獎?？衷谥Z貝爾獎領獎演說中指出：低溫下金屬電阻的消失“不是逐漸的，而是突然的”，水銀在4.2K進入了一種新狀態(tài)，由于它的特殊導電性能，可以稱為超導態(tài)”。,3,1.引言,圖1.1Hg在4.2K附近的R-T曲線,超導體從正常態(tài)轉變?yōu)槌瑢B(tài)(0電阻)時的溫度稱為超導轉變溫度TC從圖1.1中可見：超導轉變前后電阻變化超過104倍。,TC,4,1.引言,1.2邁斯納效應的發(fā)現(xiàn)1933年德國物理學家邁斯納（W.Meissner）和奧森菲爾德（R.Ochsebfekd）對錫單晶球超導體做磁場分布測量時發(fā)現(xiàn)：在小磁場中把金屬冷卻進入超導態(tài)時，體內的磁力線一下被排出，磁力線不能穿過它的體內，也就是說超導體處于超導態(tài)時，體內的磁場恒等于零。邁斯納效應的具體現(xiàn)象和機理將在2.1.2節(jié)解釋。,圖1.2邁納斯效應示意圖,5,1.引言,1.3超導材料的早期研究進展在超導現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)的1911年之后的70多年里，人們所制備出的超導材料一直處在低溫下，最高不過23.2K上世紀80年代后期，發(fā)現(xiàn)了鑭鋇銅氧化物（TC=35K，在當時是不折不扣的“高溫超導體”）后，“高溫超導體”的研究掀起了高潮。1986年之后發(fā)現(xiàn)的多元系氧化物超導體使TC值在10年時間里提高到160K值得一提的是：并不是所有的金屬單質在極低的溫度下都有超導性?！纠纾簤A金屬、堿土金屬、貴金屬在10-3K下也沒有表現(xiàn)出超導性】,6,1.引言,1.4超導體的分類,超導體,第一類超導體：所有元素超導體（首先被發(fā)現(xiàn)的超導體，但其TC太低，應用價值有限）,第二類超導體：所有合金和化合物超導體（80年代后新發(fā)現(xiàn)的超導體，相比第一類超導體，TC大大提高，具有廣闊的應用前景）,7,2.超導材料的性質及超導現(xiàn)象的機理,2.1超導體的宏觀性質2.2超導態(tài)轉變的熱力學機理2.3超導體的宏觀模型（唯象理論）2.4超導體的微觀性質2.5超導體的微觀模型BCS理論,8,2.超導材料的性質及超導現(xiàn)象的機理,2.1超導體的宏觀性能2.1.1超導體的電性能（零電阻效應）1.1節(jié)中已經提到超導體在TC溫度以下電阻率會突然變?yōu)?，這種現(xiàn)象即為零電阻效應。但零電阻效應的發(fā)生是有前提條件的?！皩嵺`是檢驗真理的唯一標準”，大量的實驗結果已證實：當超導體處于超導態(tài)時，只有電流為直流或低頻交流，且電流產生的磁場不至于太高時才會產生零電阻效應。換句話說，對于一段超導體，電流存在一個臨界值IC（相應地，電流密度也存在著臨界值JC），當電流超過IC時，超導體的超導態(tài)就會被破壞而轉變會正常態(tài)。,9,2.超導材料的性質及超導現(xiàn)象的機理,臨界電流密度存在的原因西爾斯比定則西爾斯比指出，臨界電流JC與臨界磁場Hc之間存在內在的聯(lián)系，他認為電流之所以能夠破環(huán)超導電性，純粹是電流所產生的磁場引起的。并作如下假設，在無外加磁場的情況下，臨界電流在超導體表面所產生的磁場恰好等于Hc，許多人的實驗證實了這一點，并把它稱為西爾斯比定則。“學而時習之，不亦說乎”，根據大家上高中物理時學到的電流磁效應的知識，電流會產生磁場，導體表面的磁場強度H與電流密度J以及導體截面半徑R的關系為：（2.1）將臨界磁場強度HC代入公式（2.1）得：（2.2）,10,2.超導材料的性質及超導現(xiàn)象的機理,2.1.2超導體的磁性能（邁斯納效應）在超導電性發(fā)現(xiàn)后二十年來，都是把超導體的磁性歸結為超導體的無限導電性的結果，把超導體歸結為電阻等于零的“理想導體”。由于超導態(tài)的零電阻，在超導態(tài)的物體內部電場E=0；所以當外加磁場改變時，根據楞次定律，在金屬表面將感生一個感生電流，以抵消外磁場的變化，這個感生電流密度J不受到電場的作用，同時金屬又是無阻的，所以這個電流不消失，永遠保持著金屬內的磁通不變。把這種磁性看作是零電阻的結果。這種解釋有一個重大局限：按這種理論感生電流密度J在外磁場H00時也不消失，那超導體將因此產生磁性。這與事實不符，因為，當外磁場H00時。超導體沒有磁性。直到1933年，邁斯納（Meissner）對超導圓柱Pb和Sn在外加磁場作用下測量磁通密度分布時，發(fā)現(xiàn)了一個驚人的想象：不管外加磁場次序如何，超導體內磁場感應強度總是等于零，超導體即使處在外磁場中，也永遠沒有內部磁場，它與外加磁場的歷史無關，這個效應稱之為邁斯納效應。,圖2.1邁納斯效應示意圖,11,2.超導材料的性質及超導現(xiàn)象的機理,邁納斯效應的機理：邁斯納效應，常常概括說成：超導體具有“完全的抗磁性”，即在超導體內部保持磁感強度B=0，應該注意到的是，完全抗磁性并不是說磁化強度M和磁場強度H均為0。根據B=0（H+M），有（2.3）以球形樣品為例，球形樣品均勻外磁場中將沿磁場方向均勻磁化。如果磁化強度為M，則各處磁場強度可以根據M所引起的表面“磁荷”分布計算，這樣磁荷應在球內產生均勻磁場強度（即退磁場）為（2.4）加上外磁場，得到球內磁場強度（2.5）將公式（2.5）代入（2.3）（2.6）即（2.7）將公式（2.7）代入（2.5）（2.8）,12,2.超導材料的性質及超導現(xiàn)象的機理,根據公式（2.7）（2.8）可得知球內的磁感強度B由于磁化強度M和磁場強度H的抵消而等于0，而且磁化強度M和磁場強度H的大小均與外磁場成比例關系球外的磁場就等于外磁場再加上等于整個球體的磁矩的磁偶極子的磁場。最后我們要著重指出零電阻效應和邁斯納效應是超導體的兩個相互獨立而又緊密聯(lián)系的基本特性，單純的=0，并不能保證有邁斯納效應，而B=0必須要求=0。因為=0是存在邁斯納效應的必要條件，為了保證超導體內B=0，必須有一個無阻（即=0）的表面電流以屏蔽超導體內部，這個屏蔽外磁場的電流也叫做邁斯納電流，這樣似乎B=0比=0更重要，其實不然，因為=0，則要求超導體內E=0。而B=0只保證在超導體內沒有感應電場，并不能保證任何情況下式E=0都成立。,13,2.超導材料的性質及超導現(xiàn)象的機理,2.2從熱力學的角度看超導轉變2.2.1超導轉變過程中的自由能變化根據在同溫度下，磁場強度變化后的自由能計算公式(2.9)由于gs(HC,T)=gn(HC,T)(2.10)式中：gn(HC,T)表示正常態(tài)在臨界磁場中，溫度為T時的單位體積自由能（正常態(tài)自由能與外磁場無關）；gs(0,T)表示超導態(tài)在無外界磁場時，溫度為T時單位體積自由能；HC(T)表示臨界磁場與溫度的關系，可以用以下公式計算：,圖2.2Pb在0K時gs、gn與外磁場H的關系圖,gn（H）,gs（H）,HC,從圖2.2中可見：在T一定的前提下，HHC時，gsgn,14,2.超導材料的性質及超導現(xiàn)象的機理,2.2.2超導轉變過程中熵的變化根據有關熱力學方程可推得：（2.11）由公式（2.10）可得將HC(T)對T求導一定小于0，這已經有實驗結果證實（見圖2.3）。故sn-ss0所以超導轉變后，超導態(tài)的熵值一定小于正常態(tài)，這說明超導態(tài)比正常態(tài)有序程度更高。（這一點將在2.5節(jié)中說明其微觀機理）,圖2.3一些元素超導體的HC-T圖線,15,2.超導材料的性質及超導現(xiàn)象的機理,2.2.3超導轉變過程中比熱的變化根據我們在固體物理中學到的晶格振動理論，比熱的微觀機理由兩部分組成：晶格貢獻和電子貢獻。超導態(tài)時的比熱與正常態(tài)一樣，也是由這兩部分組成。但由于超導態(tài)通常在低溫下出現(xiàn)，所以電子貢獻占主導。主要的區(qū)別在于：當超導體由正常態(tài)過渡到超導態(tài)時，晶格（或聲子）比熱基本不變，電子比熱發(fā)生了較大變化。從圖2.4可見：在T略低于TC時，超導態(tài)比熱大于正常態(tài)比熱，由C=T(S/T)可知，當超導態(tài)金屬在這一溫度被冷卻時，其傳導電子的熵比在同一溫度區(qū)正常態(tài)的熵減小速率更快，這與2.2節(jié)中sn-ss0的結果相一致。,圖2.4Al在超導態(tài)時的比熱Cs與正常態(tài)比熱Cn的C-T曲線,Cs,Cn,Tc,16,2.超導材料的性質及超導現(xiàn)象的機理,2.2.4從熱力學角度看超導態(tài)轉變小結（1）從自由能來看，物質能否自發(fā)轉變?yōu)槌瑢B(tài)與外磁場強度H0以及環(huán)境溫度T有關。（見圖2.5）（2）從超導態(tài)轉變前后熵和比熱的變化來看，相同溫度下，超導態(tài)熵值低于正常態(tài)。這說明：在冷卻超導體時，除正常金屬被冷卻時通常出現(xiàn)的傳導電子熵減小之外，在小于TC的溫度下，必然開始形成某種額外形式的電子有序。,圖2.5某種超導體在一定H0、T下的熱力學穩(wěn)定態(tài)示意圖,以上兩點和超導態(tài)的電學性質結合起來，使人相信，超導態(tài)是由于電子以某種方式組織和結合起來，使它們可以不受散射在TTC時，這種超導電子有序狀態(tài)隨溫度增加而不斷瓦解。,17,2.超導材料的性質及超導現(xiàn)象的機理,2.3超導體唯象理論的發(fā)展：2.3.1二流體模型1934年，戈特和卡西米爾根據超導電性的某些熱力學性質提出了超導態(tài)的二流體模型，認為超導態(tài)比正常態(tài)更為有序是由共有化電子發(fā)生某種有序轉變而引起的。該理論提出超導電子的概念，指出：超導電子不受晶格振動的影響，用NS表示其濃度，用秩序度(T)表示超導電子占總電子濃度N的比例：當TTC時，NS(T)=0，(T)=0；當TTC時，0(T)1；當T=0K時，NS(T)=N，(T)=1。這是一個不成熟的模型，無法從根本上解釋超導機制，基本假設為超導相中共有電子凝聚成高度有序的超導電子，但卻對凝聚過程沒有加以說明。,18,2.超導材料的性質及超導現(xiàn)象的機理,2.3.2倫敦方程1935年，F(xiàn).倫敦(FritzLondon)和H.倫敦(HeinzLondon)建立了超導體的電動力學方程，成功地解釋了超導體一系列奇特的電磁性質。其中（2.12a）描述了超導體的零電阻性；（2.12b）描述了超導體的抗磁性。式中JS是超導電流,C是光速,稱為倫敦穿透深度，其計算式為(2.13)，ns是超導電子的密度，m、e為電子的質量和電荷。,（2.12a）,（2.12b）,（2.13）,19,2.超導材料的性質及超導現(xiàn)象的機理,如果是直流電流,由方程(2.12a)可直接得出電阻率為零,因此方程(2.12a)反映了理想導電性的事實。由方程(2.12b)可得出在超導體表面附近，磁場是按指數規(guī)律衰減的。穿透層的深度約為，其數量級為10-16cm。在超導體內部磁場為零。因此方程(2.12b)反映了理想抗磁性的事實。倫敦方程預言了表面透入層的存在。而且當超導體的尺寸與相近時,磁場會透入到樣品中心。因此小尺寸超導體不具有完全抗磁性，它在磁場中的能量就比大塊超導體低，從而臨界磁場會高于大塊樣品。另一方面，倫敦方程有一定的局限性：實驗發(fā)現(xiàn)，對于錫、銦等超導體，的測量值以及臨界磁場與樣品尺寸的關系，與倫敦理論只是定性的符合，在數量上并不一致，有的甚至定性的關系也不符合。,20,2.超導材料的性質及超導現(xiàn)象的機理,2.3.3金茲堡-朗道方程1950年，VL金茲堡和LD朗道在二級相變理論的基礎上提出了金茲堡朗道理論（簡稱GL理論）。超導態(tài)與正常態(tài)間的相互轉變是二級相變（相變時無體積變化，也無相變潛熱）。1937年朗道曾提出二級相變理論，認為兩個相的不同全在于秩序度的不同，并引進序參量來描述不同秩序度的兩個相，=0時為完全無序，=1時為完全有序。,(2.14a),(2.14b),21,2.超導材料的性質及超導現(xiàn)象的機理,GL理論把二級相變理論應用于正常態(tài)與超導態(tài)的相變過程，其獨到之處是引進一個有效波函數作為復數序參量，|2則代表超導電子的數密度，應用熱力學理論建立了關于的金茲堡-朗道方程。根據GL理論可得到許多與實驗相符的結論，例如臨界磁場、相干長度及穿透深度與溫度的關系等。GL理論還給出了區(qū)分第一類超導體和第二類超導體的判據：第一類超導體表面能為正；第二類超導體表面能為負。,22,2.超導材料的性質及超導現(xiàn)象的機理,2.4超導體的微觀性質2.4.1超導能隙超導體最低激發(fā)態(tài)與基態(tài)之間存在一定的能量間隙。19611962年間，美籍挪威人賈埃瓦(I.Giaever)用鋁做成了Al-Al2O3-Al隧道元件進行超導實驗，直接觀測到了超導能隙。拆散一個電子對（庫珀對，將在2.6節(jié)介紹）產生兩個單電子至少需要能隙寬度2的能量。熱運動可以拆散電子對產生單電子。能隙的存在使得在溫度T遠低于臨界溫度TC時,超導體中單電子（正常電子）的數目按exp(-2/kT)變化。這就導致超導體的電子比熱容和熱導率按溫度指數規(guī)律變化。當電磁波（微波或遠紅外線）的頻率足夠高(hv2)時，同樣可以激發(fā)出單電子。此時超導體會強烈地吸收電磁波。這種現(xiàn)象都證明能隙的存在，并可用來測定能隙值2。,23,2.超導材料的性質及超導現(xiàn)象的機理,2.4.2同位素效應同位素效應是指超導體的臨界溫度依賴于同位素質量的現(xiàn)象。1950年英國H.弗羅利希指出，金屬中電子通過交換聲子（點陣振動）可以產生吸引作用。他預言超導體的臨界溫度（就是超導轉變溫度TC）與同位素的質量之間存在一定的關系。果然,弗羅里希的預言得到了實驗的證實。同年麥克斯韋（E.Maxwell）和雷諾（C.A.Rayhold）各自獨立測量了水銀同位素的臨界轉變溫度。實驗發(fā)現(xiàn)TC-1/2，其中為同位素質量。同位素效應把晶格振動（其量子稱為聲子）與電子聯(lián)系起來了。它告訴人們電子-聲子的相互作用與超導電性密切相關。同位素效應為BCS理論的建立指明了研究方向,24,2.超導材料的性質及超導現(xiàn)象的機理,2.4.3超導隧道效應把兩塊正常態(tài)金屬電極中間夾一層很薄的絕緣層的結構叫做隧道結（記為NIN結）。根據量子力學原理，在隧道結兩端有電壓(V)時，電子可以通過這樣薄的絕緣層，并產生足夠大的可觀測的電流(I)，而且IV。這是正常態(tài)金屬的隧道效應。當溫度遠低于超導體的臨界溫度時，對于一個電極是超導體S的隧道結（記為SIN結），結電阻猛增。在V達到某一臨界值之前，I很小且增加很慢；當V超過這一值后，I迅速增加。對于二個電極都是超導體的隧道結（記為SIS結），I(V)曲線在某一值V1處有一個極大值，在某一值V2處有一個極小值，而在V大于某一值V3后電流陡然上升。,圖2.6不同隧道結中的隧道電流,25,2.超導材料的性質及超導現(xiàn)象的機理,2.4.4約瑟夫森效應約瑟夫森效應是指：SIS結中，當絕緣介質較薄時（1nm左右），配對的電子（庫伯對，2.5節(jié)中將說明）穿過位壘后仍保持配位狀態(tài)。1962年，B.D.約瑟夫森計算了SIS結的隧道效應，得到以下重要結果：在超導結中電子對可以通過氧化層形成超導電流，而結上并不出現(xiàn)電壓，稱為直流約瑟夫遜效應。在外磁場中，超導結的最大超導電流隨磁場出現(xiàn)規(guī)律性的變化。當結上加有電壓U時，產生高頻超導電流,效率為2eV/h（h為普朗克常數)，這稱為交流約瑟夫遜效應。1963年，C.D.安德森和J.H.羅厄爾在實驗中觀察到直流約瑟夫遜效應。羅厄爾又在實驗中證實了最大超導電流與磁場的關系，約瑟夫遜的理論遂得到完全的證實。,26,2.超導材料的性質及超導現(xiàn)象的機理,2.5超導體的微觀模型BCS理論第一個被廣泛接受的完整的超導微觀理論是1957年由三位美國物理學家巴丁、庫伯和施里弗創(chuàng)建的，他們的這一超導理論被稱為BCS理論。該理論認為：超導電性是電子與晶格振動相互作用而產生的，金屬中的電子在點陣中被正離子所包圍，正離子被電子吸引而影響到正離子振動，并吸引其他電子形成了超導電流，在超導態(tài)金屬中電子以晶格波(聲子)為媒介相互吸引而形成電子對（稱為庫伯對），無數電子對相互重迭又常?；Q搭配對象形成一個整體，電子對作為一個整體的流動產生了超導電流，由于拆開電子對需要一定能量，因此超導體中基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間存在能量差，即能隙。這一理論預言了電子對能隙的存在，成功地解釋了超導現(xiàn)象。,巴丁,庫伯,施里弗,27,2.超導材料的性質及超導現(xiàn)象的機理,用類比法解釋BCS理論：首先用類比法解釋正常態(tài)下導電的情況：假設導體是一個巨大的舞廳，其中摩肩接踵的擠滿了跳舞者（每個舞者是一個電子）。假設每一位跳舞者都在精力充沛地跳他自己的舞，那么這些跳舞者不僅會相互碰撞而且還會碰到舞場的設施(這代表正常金屬中電子彼此互相碰撞并與不規(guī)則的晶格和雜質發(fā)生碰撞)。此時如果對整個人群施加一個向一邊去的力（即施加外電場），整個人群施隨著外力而運動，這一集體運動顯然是無規(guī)則、無秩序的，因而大量的能量會在碰撞中消耗掉(這表示對正常態(tài)導體加上一個電場引起電流，導流子與晶格和雜質發(fā)生碰撞將消耗能量并產生一個電阻率)。按BCS理論：現(xiàn)在假設跳舞者都是成對的，每對在一起跳（這代表庫伯對）?！镜浜铣蓪Φ淖饔昧苋?，以致配對的兩成員之間有一個距離，這一距離的平均值恰好是相干波長。由于兩個不在同一對中的電子之間的平均距離比此要小百倍】構成每一對的舞伴并非面對面的跳，而是隔離著其他舞者。因此，如果每一對要一起跳舞，則很顯然所有的人必須一起共舞。結果形成單一相干的運動，整個舞廳變的很有秩序。超導態(tài)中電子的集體漂移就近似如此。,28,2.超導材料的性質及超導現(xiàn)象的機理,BCS理論的證實：19611962年間，美籍挪威人賈埃瓦用鋁做成了Al-Al2O3-Al隧道元件進行超導實驗，直接觀測到了超導能隙，很好地證明了BCS理論。巴丁、庫伯和施里弗因此而獲得1972年度諾貝爾物理獎。雖然BCS理論于1957年建立，但是其突破傳統(tǒng)的思維一直難以被人接受。直到后來它所預言的物理現(xiàn)象一一被實驗證實，BCS理論才被人們普遍接受。這是為何在理論出現(xiàn)15年之后才獲得諾貝爾獎的原因。,BCS理論對于傳統(tǒng)的超導體解釋是很成功的，但對于高溫超導體中出現(xiàn)的一些特性，諸如d波對稱性、預配對后凝聚等，BCS理論就無能為力了。目前尚未有一個令人滿意的解釋高溫超導體的理論。,29,3.氧化物基超導陶瓷,前面所介紹的各種理論模型均是基于第一類超導體，但第一類超導體TC太低，難以在常溫下產生使用價值，上世紀80年代后期，發(fā)現(xiàn)了鑭鋇銅氧化物（TC=35K）后，“高溫超導體”的研究掀起了高潮。很明顯鑭鋇銅氧化物是結構、組成均與純金屬超導體不同的氧化物基陶瓷超導體。在性質方面，除完全導電性、完全抗磁性外，氧化物陶瓷超導材料與其它超導材料相比最大的特點是具有高超導臨界溫度(TC)，是最有應用前景的超導材料，將在電力與電子、交通、能源、航天、醫(yī)療及物理化學基礎研究等領域得到廣泛應用，如用于超導輸電、電力貯存、超導發(fā)電機、磁懸浮列車、核聚變、陀螺儀、核磁共振成像、超導量子干涉器件等等。,圖3.1高溫超導電纜的構造,目前已發(fā)現(xiàn)的氧化物基超導陶瓷臨界溫度TC已達到150K以上，甚至有報道聲稱：在室溫下產生短時超導的材料被制備出來。,30,3.氧化物基超導陶瓷,3.1超導陶瓷的結構（以YBa2Cu3O7超導陶瓷為例）如圖3.2所示，YBa2Cu3O7超導陶瓷晶體為正交結構，CuO層、BaO層、CuO2層、Y離子層按一定規(guī)律沿c軸堆砌而成。此外，晶體中存在一定量的空穴。研究表明，不同的原子層有不同的功能：（1）CuO2層是包含載流子（空穴）的金屬性的超導層。（2）CuO層是空穴的產生者，為CuO2層提供空穴。（3）Y離子層是絕緣層，為CuO2層提供電子。（4）BaO層主要當作屏障出現(xiàn)，使CuO2層之間相互絕緣。,圖3.2YBa2Cu3O7超導陶瓷晶體結構,31,3.氧化物基超導陶瓷,3.2結構、組成對超導陶瓷超導性能的影響盡管目前尚未有成熟的理論能夠解釋超導陶瓷微觀機理。但組成和結構對超導陶瓷超導性能（特別是臨界溫度TC）的影響已經有了部分研究成果。首先，當單胞內CuO2層數n增加時，臨界溫度TC也隨之增加。例如：La2-xSrxCuO4(n=1)的TC=40K、YBa2Cu3O7(n=2)的TC=92K、HgBa2Ca2Cu3O8(n=3)的TC=135K。然后，由于摻雜或成分的不同，TC也會不同。例如：對于La2-xSrxCuO4，x=0.16時TC=40K，這是該體系的最高臨界溫度，x0.05時和x0.26時均無法發(fā)生超導轉變。最后，由于超導陶瓷材料是一種單晶體材料（因為晶界的存在不利于導電性），和單晶體的其它性質一樣，超導性能也有各向異性,32,4.超導材料的應用,超導電性現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)之后，如何應用就成為重要的問題。隨著近年來研究工作的深入，超導體的某些特性已具實用價值，例如超導磁懸浮列車已在某些國家進行實驗，超導量子干涉器也研制成功，超導船，用約瑟夫森器件制成的超級計算機等研制過程中，超導體材料已深入到科研、工業(yè)和人們的生活之中。,超導磁懸浮列車,超導量子干涉器件,超導船,33,4.超導材料的應用,超導材料的用途非常廣闊，大致可分為三類：大電流應用(強電應用).電子學應用(弱電應用)和抗磁性應用。大電流應用即前述的超導發(fā)電、輸電和儲能；電子學應由包括超導計算機、超導天線、超導微波器件等；抗磁性主要應用于磁懸浮列車和熱核聚變反應堆等。超導材料的主要應用領域如下：4.1能源領域4.2交通領域4.3研究領域4.4電子信息領域4.5軍事領域4.6醫(yī)學領域,34,4.超導材料的應用,4.1在能源領域的應用4.1.1開發(fā)新能（1）超導受控熱核反應堆人類面臨著能源危機，受控熱核反應的實現(xiàn)，將從根本上解決人類的能源危機。如果想建立熱核聚變反應堆，利用核聚變能量來發(fā)電，首先必須建成大體積、高強度的大型磁場（磁感應強度約為105T)。這種磁體儲能應達4X1010J。只有超導磁體才能滿足要求；若用常規(guī)磁體，產生的全部電能只能維持該磁體系統(tǒng)的電力消耗。目前，世界上主要研究兩種核聚變裝置：托卡馬克型和串列磁鏡式裝置。用于制造核聚變裝置中超導磁體的超導材料主要是Nb2Sn、Nb-Ti合金，NbN，Nb3Al，Nb3（Al，Ge）等。核聚變反應時，內部溫度高達100200M，沒有任何常規(guī)材料可以包容這些物質。而超導體產生的磁場可以作為“磁封團體”，將熱核反應堆中的超高溫度等離子體包圍、約束起來，然后慢慢釋放，從而使受控核聚變能源成為人類取之不盡的新能源。,35,4.超導材料的應用,（2）超導磁流體發(fā)電磁流體發(fā)電是一種靠燃料產生高溫等離子氣體，使這種氣體通過磁場而產生電流的發(fā)電方式。磁流體發(fā)電機的主體部分由三個部分組成：燃燒室、發(fā)電通道和電極，其輸出功率與發(fā)電通道體積及磁場強度平方成正比。如使用常規(guī)導體，不僅磁場的大小受到限制，而且勵磁損耗大，發(fā)電機產生的電能將有很大一部分自身消耗掉，尤其是磁場較強時。而超導磁體可以產生較大磁場，且勵磁損耗小，體積、重量也可以大大減小。美國和日本對磁流體發(fā)電機進行了大規(guī)模的研究。日本制造的磁流體發(fā)電超導磁體產生磁場4.5T，儲能60MJ，發(fā)電500KW,目前,采用超導磁體的磁流體發(fā)電機已經開始工作。磁流體發(fā)電機特別適用于軍事上大功率脈沖電源和艦艇電力推進。美國將磁流體裝置用于潛艇，己進入實驗。,36,4.超導材料的應用,4.1.2節(jié)能方面（1）超導輸電超導體的零電阻特性使超導輸電引起人們極大的興趣。用用超導材料作為輸電線，可以把電力幾乎無損耗的輸送給用戶。據統(tǒng)計，目前的銅或鋁導線輸電，約有15%的電能損耗在輸電線路上，光是在中國，每年的電力損耗及達1000多億度。若改為超導輸電，節(jié)約的電能相當于新建數十個大型發(fā)電廠。但目前使用的超導材料臨界溫度低，因此，對于超導輸電必須考慮冷卻電纜所需成本。近年，隨著高溫超導體的發(fā)現(xiàn)，日本研制了360KV，50m長的具有柔性絕熱液氮管的電纜模型和50m長的導體繞在柔性芯子的電纜，其交流截流能力為2000A，有望用于地下電力傳輸系統(tǒng)，美國也研制了直流臨界電流為900A的電纜。,37,4.超導材料的應用,（2）超導發(fā)電機和電動機超導發(fā)電機的優(yōu)點是小型、輕量、輸出功率高、損耗小。據計算，電極采用超導材料線圈，磁感應強度可提高510倍。一般常規(guī)電機允許的電流密度為102103A/cm2，超導電機可達到104A/cm2以上?？梢姵瑢щ姍C單機輸出功率可大大增加，換句話說，同樣輸出功率下，電機重量可大大減輕。目前超導單極直流電機和同步發(fā)電機是人們研究的主要對象。,超導發(fā)電機,38,4.超導材料的應用,（3）超導變壓器在傳統(tǒng)的變壓器中，繞組中的銅損占變壓器滿負荷運行時總損耗的絕大部分，而采用高溫超導繞組即可大大降低這部分損耗，大大提高變壓器運行的經濟性。同時，由于在相同容量下超導變壓器的體積比常規(guī)變壓器小4060%，因此，超導變壓器可直接安裝在現(xiàn)有變電站內，從而節(jié)省重建經費。正因為超導變壓器具有效率高、體積小、無環(huán)境污染隱患等優(yōu)點，它被公認為最有可能取代常規(guī)變壓器的高新技術。日本已研制成5000KV*A的高溫超導變壓器，美國已研制出1MV*A的高溫超導變壓器。,超導變電站,39,4.超導材料的應用,4.2在交通領域的應用利用超導材料的抗磁性，將超導材料放在一塊永久磁體的上方，由于磁性的磁力線不能穿過超導體，磁體和超導通之間會產生排斥力，使超導體懸浮在磁體上方，利用這種效應可以制作高速超導磁懸浮列車。為超導磁懸浮列車的懸浮裝置。日本在1991年又研制除了一種水路兩棲磁懸浮列車，已完成模擬實驗。4.3在研究領域中的應用超導磁體的應用，最早是在研究領域展開的。目前，在實驗室中,用銅與Nb3Sn超導磁體制成的混合磁體，產生了30.7T的磁場。在高能物理方面，超導體在同步加速器中的應用，已取得了很大成績。在加速器中使用的超導磁體有兩種，一種是使離子束偏離的二極磁體，一種是使粒子束聚焦的四極磁體。美國研制了一個由Nb3Sn和Nb-Ti兩層線圈組成的二極磁體和一個四層的Nb3Sn二極磁體。另外，日本、德國、荷蘭在這方面也做了大量工作。,40,4.超導材料的應用,4.4電子信息領域應用4.4.1超導計算機高速計算機要求集成電路芯片上的元件和連接線密集排列，但密集排列的電路在工作時會發(fā)生大量的熱，而散熱是超大規(guī)模集成電路面臨的難題。超導計算機中的超大規(guī)模集成電路，其元件間的互連線用接近零電阻和超微發(fā)熱的超導器件來制作，不存在散熱問題，同時計算機的運算大大提高（將是現(xiàn)在計算機的100倍到1000倍）。實驗結果表面，有若干高溫超導材料如鋁系、銀系等，可以經過鐳射技術或蒸發(fā)技術在極厚的絕緣體上形成薄膜，并制成約瑟夫森器件。在一定限度內電流可以無阻礙的通過介質，超過一定限度則會產生電壓，可進行二進制運算。日本1983年11月研制了一種實驗性的約瑟夫森邏輯電路，開關速度為516PS。,41,4.超導材料的應用,這種具有高速開關特性的器件是制作高速電子計算機不可多得的元件。其結果將使電子計算機的體積大大減小，能耗大大降低，計算機速度大大提高。把超導數據處理器與外存儲芯片組裝成的約瑟夫森式計算機，可以獲得高速處理能力，在1S內可進行10億次的高速運算，是現(xiàn)有大型電子計算機速度的15倍。此外，科學家正在研究用半導體或超導體來制造晶體管，甚至完全用超導體來制作晶體管。4.4.2超導電磁測量裝置利用超導器件對磁場和電磁輻射進行測量，靈敏度非常高。超導電磁測量裝備使極微弱的電磁信號都能被采集、處理和傳遞，實現(xiàn)