電性材料-超導(dǎo)材料

電性材料—超導(dǎo)材料學(xué)院班級(jí)：姓名：組號(hào)學(xué)號(hào):

一．引言電性材料的分類，按電性性能可分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體和絕緣材料等四類；從應(yīng)用角度可分為導(dǎo)電材料、電阻材料、電熱材料和絕緣材料等。電性材料性能的差異與其成分、組織、結(jié)構(gòu)、以及外界環(huán)境（如溫度、壓力、磁場(chǎng)）都密切相關(guān)。電性材料在日常的生活中應(yīng)用十分廣泛，再此主要介紹一下超導(dǎo)材料。二?超導(dǎo)材料（SuperconductorMaterials）1．緒論超導(dǎo)材料是近40年發(fā)展起來的高科技技術(shù)，它在電工、交通、醫(yī)療、工業(yè)、國(guó)防和科學(xué)實(shí)驗(yàn)等高科技領(lǐng)域都有著重要的現(xiàn)實(shí)意義和巨大的發(fā)展前景。許多科學(xué)家認(rèn)為超導(dǎo)技術(shù)將是21世紀(jì)具有經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略意義的高新技術(shù)，極具發(fā)展?jié)摿褪袌?chǎng)前景。是本世紀(jì)高新技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。我國(guó)自20世紀(jì)60年代末即開始超導(dǎo)技術(shù)的研究，經(jīng)30多年的努力，在超導(dǎo)磁體技術(shù)及其應(yīng)用、超導(dǎo)材料研究、超導(dǎo)電子學(xué)以及超導(dǎo)基礎(chǔ)研究方面都取得很大成績(jī)。2?超導(dǎo)材料的發(fā)展歷程⑴1908年荷蘭萊頓（Leiden）大學(xué)的卡末林?昂尼斯（KamerlinghOnnes）教授成功地將氦氣液化，達(dá)到4.2K的低溫。1911年，昂尼斯發(fā)現(xiàn)，水銀（Hg）的電阻在液氦低溫條件下（4.15K）突然降為零。隨后的持續(xù)電流實(shí)驗(yàn)證實(shí)，此時(shí)的電阻率約為10-23Q?cm。而良導(dǎo)體銅在4.2K以下時(shí)的、現(xiàn)超KQ045At4.2K,the0」25resistance of0.10Hg0、現(xiàn)超KQ045At4.2K,the0」25resistance of0.10Hg01**?U.0750.05In、Ta、Nb等In、Ta、Nb等年純?cè)爻瑢?dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，例如Pb、⑶1933年，邁斯納（W^Peissner，）和奧森菲爾德（R^WhHSff導(dǎo)體具有完全抗磁性，又稱為邁斯納效應(yīng)。⑷1933?1953年發(fā)現(xiàn)了合金、過渡金屬碳化物和氮化物的超導(dǎo)體。⑸1953?1973年Tc>17K的VSi、NbSn等。1969年，超導(dǎo)纖維研制成功。3 31957年，巴丁、庫柏和施里弗（JohnBardeen,LeonCooper,andJohnSchrieffer）等人基于同位素效應(yīng)、超導(dǎo)能隙等重要實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出了超導(dǎo)微觀理論，即著名的BCS理論，從而解決了超導(dǎo)微觀機(jī)理的問題，但是由于BCS理論是弱耦合理論，對(duì)描述強(qiáng)耦合作用的情況有所缺失，伊里士伯格和麥克米蘭等人又發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)的強(qiáng)耦合理論。⑹1973年NbGa、NbGe等，最高Tc=23.2K。金屬氧化物超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)。33⑺1975年500Km/h的磁懸浮列車研制成功。⑻1986年，繆勒和貝德羅茲發(fā)現(xiàn)BaLaCuO鋇鑭銅氧化物中“可能存在高溫超導(dǎo)電性”，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度降低到35K時(shí)BaLaCuO的電阻徒降，到13K時(shí)的電阻完全消失。這就揭開了高溫超導(dǎo)電性研究的新篇章，將超導(dǎo)體媽的范圍從金屬材料擴(kuò)展到氧化物陶瓷材料。⑼1987年，隨后美籍華人朱經(jīng)武和中國(guó)科學(xué)院的趙忠賢等各自獨(dú)立地研制出YBaCuO釔鋇銅氧化物系的陶瓷超導(dǎo)體，其臨界溫度Tc達(dá)到90K，液氮的禁區(qū)（77K）奇跡般地被突破了。⑽1988?2000年高溫超導(dǎo)迅猛發(fā)展，Tc不斷升高，已達(dá)132K。3?超導(dǎo)材料的有關(guān)概念⑴超導(dǎo)材料的概念又稱為超導(dǎo)體（superconductor）,指可以在在特定溫度以下，呈現(xiàn)電阻為零的導(dǎo)體。零電阻和完全抗磁性是超導(dǎo)體的兩個(gè)重要特性。零電阻：卡末林?昂尼斯指出：在4.2K以下，水銀進(jìn)入一種新的物態(tài)。在這種新的物態(tài)中，通常用超導(dǎo)體一詞表示當(dāng)冷卻到一定溫度以下時(shí)，能表現(xiàn)出超導(dǎo)電性的材料。當(dāng)超導(dǎo)體顯示出超導(dǎo)電性時(shí)，超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，否者處于正常態(tài)。完全抗磁性：指超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，只要外加磁場(chǎng)強(qiáng)度不超過一定值，磁力線不能透入，超導(dǎo)材料內(nèi)的磁場(chǎng)恒為零的現(xiàn)象。根據(jù)這兩個(gè)特性有許多應(yīng)用。⑵臨界溫度Tc外磁場(chǎng)為零時(shí)超導(dǎo)材料由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)（或相反）的溫度，使超導(dǎo)體電阻為零的溫度，叫超導(dǎo)臨界溫度，以T表示。T值因材料不同而異。已C C測(cè)得超導(dǎo)材料的最低T是鎢，為0.012K。目前，臨界溫度最高值已提高到C150K左右。臨界溫度T的測(cè)量主要有電測(cè)法和磁測(cè)法兩種：電測(cè)法是利用零電阻C效應(yīng)，磁測(cè)法是利用超導(dǎo)體的磁性來測(cè)量T。電阻也有不是徒降的情況，存在電阻轉(zhuǎn)變區(qū)間，即零電阻溫度和起始轉(zhuǎn)變溫度。由正常態(tài)向超導(dǎo)態(tài)的過渡是在一個(gè)有限的溫度間隔內(nèi)完成的，稱這個(gè)溫度間隔為轉(zhuǎn)變寬度厶T。C⑶臨界磁場(chǎng)Hc零電阻現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)之后，卡末林?昂尼斯隨后又發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體在一定的外磁場(chǎng)作用下會(huì)失去超導(dǎo)電性。卡末林?昂尼斯發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體之后，就立刻想到做一個(gè)沒有損耗的磁體，但是他用一個(gè)磁場(chǎng)加到超導(dǎo)體上之后，當(dāng)磁場(chǎng)達(dá)到一定值時(shí)，超導(dǎo)體就恢復(fù)了電阻，回到正常態(tài)。是超導(dǎo)體電阻恢復(fù)的磁場(chǎng)值稱為臨界磁場(chǎng)Hc。⑷邁斯納效應(yīng)當(dāng)超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，其內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，且與先加磁場(chǎng)在降溫至超導(dǎo)態(tài)，或是先進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)在加磁場(chǎng)的過程無關(guān)。這與理想導(dǎo)體的性能不太一樣。在邁斯納效應(yīng)發(fā)現(xiàn)之前，人們一直將超導(dǎo)體視為理想導(dǎo)體。這一發(fā)現(xiàn)表明，超導(dǎo)體除了具有零電阻特性外，還具有完全抗磁性。這兩個(gè)特性就是超導(dǎo)體的兩個(gè)基本特性。邁斯納效應(yīng)還表明，超導(dǎo)態(tài)是一種熱力學(xué)狀態(tài)，可利用熱力學(xué)的研究方法進(jìn)行研究。不論開始時(shí)有無外磁場(chǎng)，只要TVTC，超導(dǎo)體變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)后，體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度恒為零，即超導(dǎo)體能把磁力線全部排斥到體外，這種現(xiàn)象稱為邁斯納效應(yīng)。如圖1所示。從上圖可以的結(jié)論：材料進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)后，不允許磁場(chǎng)存在它的體內(nèi)，這樣超導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的行為，將與加磁場(chǎng)的次序無關(guān)，或者說與歷史無關(guān)，不同于理想導(dǎo)體。⑷BCS理論1957年美國(guó)物理學(xué)家巴丁、庫柏和施里弗(JohnBardeen,LeonCooper,andJohnSChrieffer)找到了超導(dǎo)電性的起因，解釋金屬超導(dǎo)現(xiàn)象的重要理論就是建立的電聲作用形成庫柏電子對(duì)的理論，簡(jiǎn)稱BCS理論，較圓滿的解釋了超導(dǎo)現(xiàn)象。BCS理論的機(jī)理：電子在晶格中移動(dòng)時(shí)會(huì)吸引臨近格點(diǎn)上的正電荷，導(dǎo)致格點(diǎn)的局部畸變，形成一個(gè)局域的高正電荷區(qū)。這個(gè)局域的高正電荷區(qū)會(huì)吸引自旋相反的電子，和原來的電子以一定的結(jié)合能相結(jié)合配對(duì)。在很低的溫度下，這個(gè)結(jié)合能可能高于晶格原子振動(dòng)的能量，這樣，電子對(duì)將不會(huì)和晶格發(fā)生能量交換，也就沒有電阻，形成所謂“超導(dǎo)”。BCS理論的缺陷：BCS理論并無法成功解釋所謂第二類超導(dǎo)，或高溫超導(dǎo)的現(xiàn)象。4．超導(dǎo)材料的分類⑴第I類超導(dǎo)體概念：大多數(shù)純超導(dǎo)金屬元素的界面能為正，稱為第一類超導(dǎo)體。主要包括一些在常溫下具有良好導(dǎo)電性的純金屬，如鋁、鋅、鎵、鎘、錫、銦等，該類超導(dǎo)體的熔點(diǎn)較低，質(zhì)地較軟，亦被稱作軟超導(dǎo)體。特征：由正常態(tài)過渡到超導(dǎo)態(tài)時(shí)沒有中間態(tài)，并且具有完全抗磁性。局限性：由于其臨界電流密度和臨界磁場(chǎng)較低，因而沒有很好的實(shí)用價(jià)值。⑵第II類超導(dǎo)體概念：對(duì)于許多超導(dǎo)合金和少數(shù)幾種純超導(dǎo)金屬元素來說，其界面能為負(fù)，稱為第二類超導(dǎo)體。特征：第二類超導(dǎo)體由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)時(shí)有一個(gè)混合態(tài)。第二類超導(dǎo)體的混合態(tài)中有磁通線存在，而第一類超導(dǎo)體沒有。一般來說，第二類超導(dǎo)體的臨界溫度T要比第一類超導(dǎo)體的高得多。、 C⑶低溫超導(dǎo)體（（Low-temperatureSuperconductors）。概念：將臨界溫度Tc在液氦沸點(diǎn)以下的超導(dǎo)體稱為低溫超導(dǎo)體。分類：強(qiáng)電超導(dǎo)材料可可承受大電流和強(qiáng)磁場(chǎng)。弱電超導(dǎo)材料僅涉及小電流和若磁場(chǎng)。⑷高溫超導(dǎo)體（（High-temperatureSuperconductors）概念：將臨界溫度Tc在液氦沸點(diǎn)以上的超導(dǎo)體稱為高溫超導(dǎo)體。特征：高溫超導(dǎo)體屬于第二類超導(dǎo)體，且具有比低溫超導(dǎo)體更高的臨界磁場(chǎng)和臨界電流，因此是更接近于實(shí)用的超導(dǎo)材料。特別是在低溫下的性能比傳統(tǒng)超導(dǎo)體高得多。分類：目前，高溫超導(dǎo)材料指的是：鑭系、釔系、鉍系、鉈系（125K）和汞系（135K）以及2001年1月發(fā)現(xiàn)的新型超導(dǎo)體二硼化鎂（39K）。其中最有實(shí)用價(jià)值的是鉍系、釔系（YBC0）和二硼化鎂（MgB）有鈣鈦礦層2狀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜物質(zhì)，在正常態(tài)它們都是不良導(dǎo)體。同低溫超導(dǎo)體相比，高溫超導(dǎo)材料具有明顯的各向異性，在垂直和平行于銅氧結(jié)構(gòu)層方向上的物理性質(zhì)差別很大。1987年發(fā)現(xiàn)釔系的高溫超導(dǎo)氧化物的Tc約為90K,鉍系的高溫超導(dǎo)氧化物的Tc約為110K。高溫超導(dǎo)氧化物的Tc>77K,即在液氮（77K）條件下具有超導(dǎo)電性。因此，高溫超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)，使超導(dǎo)電性的實(shí)驗(yàn)研究和超導(dǎo)裝置的運(yùn)行操作，擺脫了昂貴和苛刻的液氦低溫條件。2001年3月初，日本科學(xué)家報(bào)道，二元材料MgB在39K左右表現(xiàn)2出超導(dǎo)特性。這個(gè)發(fā)現(xiàn)迅速激起了世界范圍內(nèi)的研究熱潮。對(duì)MgB超導(dǎo)2體性質(zhì)的研究進(jìn)展非常迅速，對(duì)其超導(dǎo)機(jī)理的認(rèn)識(shí)也不斷深化。理論計(jì)算表明，在MgB中有不只一個(gè)能帶跨越費(fèi)米面，而且電聲耦合所造成的2費(fèi)米面失穩(wěn)完全可能在兩個(gè)能帶來費(fèi)米面處產(chǎn)生能隙，這一點(diǎn)是MgB超2導(dǎo)體與傳統(tǒng)導(dǎo)體的不同之處。4．超導(dǎo)材料的制備工藝⑴對(duì)于塊體材料：混合原料粉體一成型一燒結(jié)一磨削一成型一燒成。⑵陶瓷超導(dǎo)材料：制備工藝有固相法、液相法和氣相法。陶瓷超導(dǎo)材料制備工藝介內(nèi)容簡(jiǎn)滬適宜制作的就卑彩上粉未盅金管閔電護(hù)法h粘塔趙｛謝梅反應(yīng)序艶析出!等觥區(qū)游褪，熔附體生長(zhǎng)袪｛煙駐體急播烏聯(lián)體覘枸張導(dǎo)）用機(jī)如野繪（電干讎訂子束樸『離乎東麗血IHHtlt學(xué)氣相加亂|際神敷光栢丸學(xué)罪寵陸尊L觀o o5．超導(dǎo)材料的應(yīng)用⑴開發(fā)新能源①核聚變反應(yīng)堆“磁封閉體”熱核反應(yīng)堆是利用氫的同位素氘和氚的原子核實(shí)現(xiàn)核聚變的核反應(yīng)堆。與目前核電站利用核裂變發(fā)電相比，用受控核聚變的能量釋放大、實(shí)驗(yàn)資源豐富、成本低、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。核聚變反應(yīng)堆“磁封閉體”利用超導(dǎo)體產(chǎn)生的巨大磁場(chǎng)，應(yīng)用于受控制熱核反應(yīng)。核聚變反應(yīng)時(shí)，內(nèi)部溫度高達(dá)1億到2億攝氏度，沒有任何常規(guī)材料可以包容這些物質(zhì)。而超導(dǎo)體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)可以作為“磁封閉體”，將熱核反應(yīng)堆中的超高溫等離子體包圍、約束起來，然后慢慢釋放，從而使受控核聚變能源成為21世紀(jì)前景廣闊的新能源。②超導(dǎo)磁流體發(fā)電由于超導(dǎo)材具有零電阻和完全的抗磁性，因此只需消耗極少的電能，就可以獲得的穩(wěn)定強(qiáng)磁場(chǎng)，可用于制交流超導(dǎo)發(fā)電機(jī)，利用超導(dǎo)線圈磁體可以將發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)提高到5萬?6萬高斯并沒有能量損失，且單機(jī)發(fā)電容量比常規(guī)發(fā)電機(jī)提高5?10倍達(dá)1兆瓦，而體積卻減少1/2,整機(jī)重量減輕1/3，發(fā)電效率提高50%?？捎糜诖帕靼l(fā)電機(jī)磁流體發(fā)電。磁流體發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，用于磁流體發(fā)電的高溫導(dǎo)電性氣體還可重復(fù)利用。⑵節(jié)約能源①超導(dǎo)輸電超導(dǎo)輸電線和超導(dǎo)變壓器可以把電力幾乎無損耗地輸送給用戶。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前的銅或鋁導(dǎo)線輸電，約有15%的電能損耗在輸電線上，在中國(guó)每年的電力損失達(dá)1000多億度，若改為超導(dǎo)輸電，節(jié)省的電能相當(dāng)于新建數(shù)十個(gè)大型發(fā)電廠。根據(jù)超導(dǎo)電纜絕緣介質(zhì)的工作溫度,電纜可分為室溫介質(zhì)絕緣電纜和低溫介質(zhì)絕緣電纜。室溫介質(zhì)電纜的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,它具有和常規(guī)電纜相似的絕緣結(jié)構(gòu),輸送容量比常規(guī)電纜大3倍以上。室溫介質(zhì)電纜在液氮溫度條件下,電纜的絕緣層則工作在室溫條件下,其絕緣的加工和安裝也相對(duì)簡(jiǎn)單。同時(shí),絕緣材料的選擇具有較大的空間,加工技術(shù)比較成熟。相對(duì)于低溫介質(zhì)電纜,室溫介質(zhì)電纜具有損耗較大,運(yùn)行費(fèi)用較高等缺點(diǎn)。室溫介質(zhì)電纜絕緣加工在電纜低溫容器上,電纜整體尺寸較大,通常為單芯電纜。低溫介質(zhì)絕緣電纜的電絕緣層和超導(dǎo)帶均工作在液氮溫度下。液氮作為復(fù)合電絕緣的一部分起著一定的絕緣作用。相對(duì)于室溫介質(zhì)電纜,低溫介質(zhì)絕緣電纜傳輸容量更大,損耗更小,運(yùn)行成本較低。其輸送容量可達(dá)常規(guī)電纜大5倍以上,但存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜,耗用的超導(dǎo)帶材較多等不足,低溫下絕緣材料的長(zhǎng)期可靠性等方面尚缺乏足夠的驗(yàn)證。低溫介質(zhì)電纜設(shè)計(jì)有單芯和三芯兩種結(jié)構(gòu)。三芯電纜的3根導(dǎo)體工作在同一個(gè)低溫容器中。三芯電纜還可設(shè)計(jì)為三相軸電纜⑶超導(dǎo)懸浮列車磁懸浮列車是由無接觸的電磁懸浮、導(dǎo)向和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成的新型交通工具，磁懸浮列車分為超導(dǎo)型和常導(dǎo)型兩大類。單地說，從內(nèi)部技術(shù)而言，兩者在系統(tǒng)上存在著是利用磁斥力、還是利用磁吸力的區(qū)別。從外部表象而言，兩者存在著速度上的區(qū)別：超導(dǎo)型磁懸浮列車最高時(shí)速可達(dá)500公里以上（高速輪軌列車的最高時(shí)速一般為300—350公里），在1000至1500公里的距離內(nèi)堪與航空競(jìng)爭(zhēng)；而常導(dǎo)型磁懸浮列車時(shí)速為400?500公里，它的中低速則比較適合于城市間的長(zhǎng)距離快速運(yùn)輸。這兩種類型在經(jīng)濟(jì)技術(shù)等指標(biāo)上各有高下。而超導(dǎo)型磁懸浮列車也稱超導(dǎo)磁斥型，以日本MAGLEV為代表。它是利用超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)，列車運(yùn)行時(shí)與布置在地面上的線圈相互作用，產(chǎn)生電動(dòng)斥力將列車懸起，懸浮氣隙較大，一般為100毫米左右，速度可達(dá)每小時(shí)500公里以上。如果磁懸浮列車在真空隧道中運(yùn)行，其速度可達(dá)1600km/h，比超音速飛機(jī)還快。⑷其他領(lǐng)域的應(yīng)用超導(dǎo)材料在研究領(lǐng)域的應(yīng)用、電子信息領(lǐng)域的應(yīng)用、軍事領(lǐng)域的應(yīng)用、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用前景。如高速計(jì)算機(jī)要求集成電路芯片上的元件和