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超导材料及其应用

超导材料及其应用
超导材料及其应用

新材料技术

超导材料发展及其应用

一:超导材料的研究历史:

(1)超导材料历史:

1911年,荷兰物理学家昂尼斯(1853~1926)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0.75K,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4.2K提高到铌三锗的23.22K,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,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Müller 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

(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10000MV A);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

其优点是:

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。

超导材料的发展

超导材料的发展 摘要:超导材料的发现为人类诸多梦想的实现提供了可能,新型超导材料一直是人类追求的目标。该文主要从超导材料的探索与发现、制备技术、研究面临的挑战等几个方面来探讨超导材料的发展与研究现状。 关键词:超导材料高温超导 引言:超导材料是在低温条件下能出现超导电性的物质。超导材料最独特的性能是电能在输送过程中几乎不会损失。近年来,随着材料科学的发展,超导材料的性能不断优化,实现超导的临界温度也越来越高。正如半导体带来了资讯时代、光纤带来了传讯时代,高温超导材料将从根本上改变人类的用电方式,给电力、能源、交通以及其它与电磁有关的科技业带来革命性的发展。 1.超导材料的探索与发展 探索新型超导材料在超导材料研究中始终起着关键的作用,同时也是一项高风险、高投人的研究工作。自191 1年荷兰物理学家卡麦林·昂尼斯发现汞在4.2K 附近的超导电性以来,人们发现的新超导材料几乎遍布整个元素周期表,从轻元素硼、锂到过渡重金属铀系列等。超导材料的最初研究多集中在元素、合金、过渡金属碳化物和氮化物等方面。至1973年,发现了一系列A15型超导体和三元系超导体,如Nb3Sn、V3Ga、Nb3Ge,其中Nb3Ge超导体的临界转变温度(T c)值达到23.2K。以上超导材料要用液氦做致冷剂才能呈现超导态,因而在应用上受到很大限制。 1986年,德国科学家柏诺兹和瑞士科学家穆勒发现了新的金属氧化物超导材料即钡镧铜氧化物(La—BaCuO),其T c为35K,第一次实现了液氮温区的高温超导。铜酸盐高温超导体的发现是超导材料研究上的一次重大突破,打开了混合金属氧化物超导体的研究方向。l987年初,中、美科学家各自发现临界温度大于90K的YBaCuO超导体,已高于液氮温度(77K),高温超导材料研究获得重大进展。后来法国的米切尔发现了第三类高温超导体BiSrCuO,再后来又有人将Ca掺人其中,得到BiSrCaCuO超导体,首次使氧化物超导体的零电阻温度突破100K大关。

超导的研究现状及其发展前景

题目:超导的研究现状及其发展前景 作者单位:陕西师范大学物理学与信息技术学院物理学一班 作者姓名:杜瑞,程琳,党晓菲,闫甜,王福琼,刘洁,刘园,郭丽丽 学号:40606043,40606042,40606044,40606045,40606046,40606047,40606048,40606049 指导教师:郭芳侠 交论文时间:20007-11-28

超导的研究现状及其发展前景 (陕西师范大学物理学一班第七组 710062) 摘要:本文简单介绍了一些与超导相关的概念,超导材料,超导的简史,超导的研究现状及对超导应用的前景展望。 关键字:超导,超导体,超导现象,超导材料,临界参量,研究现状,前景 Superconductivity research present situation and prospects for development (Shaanxi normal university physics one class Seventh group 710062) Abstract: This article simply introduced some and the superconductivity correlation concept, the superconductivity material, the superconductivity brief history, the superconductivity research present situation and to the superconductivity application prospect forecast.

超导材料基础知识介绍

超导材料基础知识介绍 超导材料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。 特性超导材料和常规导电材料的性能有很大的不同。主要有以下性能。 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。 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。 基本临界参量有以下 3个基本临界参量。 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。 超导材料的这些参量限定了应用材料的条件,因而寻找高参量的新型超导材料成了人们研究的重要课题。以Tc为例,从1911年荷兰物理学家H.开默林-昂内斯发现超导电性(Hg,Tc=4.2K)起,直到1986年以前,人们发现的最高的 Tc才达到23.2K(Nb3Ge,1973)。1986年瑞士物理学家K.A.米勒和联邦德国物理学家J.G.贝德诺尔茨发现了氧化物陶瓷材料的超导电性,从而将Tc提高到35K。之后仅一年时间,新材料的Tc已提高到100K左右。这种突破为超导材料的应用开辟了广阔的前景,米勒和贝德诺尔茨也因此荣获1987年诺贝尔物理学奖金。 分类超导材料按其化学成分可分为元素材料、合金材料、化合物材料和超导陶

超导材料的现状及发展趋势分析

超导材料的现状及发展方向自1911年荷兰莱顿实验室的卡末林·昂纳斯首次在4.2K时发现水银零电阻现 象即超导现象以来。人们相继在超导 材料方面取得很多突破,后来在梅斯 勒发现超导体的抗磁性之后, 1934 —1985年后超导物理学理论逐步发 展,超导材料逐步应用于实际科学技 术领域。但由于种种原因,至今超导 物理学理论也不够完善。在这一阶段 人们研究的超导材料临界转变温度 较低。 后来进入高温超导研究阶段,高温超导材料指的是:钇系(92 K)、铋系(110 K)、铊系(125 K)和汞系(135 K)以及2001年1月发现的新型超导体二硼化镁(39 K)。高温超导体属于非理想的第II类超导体。临界磁场和临界电流且比低温超导体更高。同时已对高温超导材料进研究开发,氧化物复合超导材料具有耐用和稳定性好的特点。通过研究浸泡实验表明,超导电性的退化主要来自于杂相及时效过程中的析出相。为了改善薄膜对环境的敏感性,美国西北大学的Mirkin建议把分子单层表面化学改性引入到高温超导铜氧化合物中。 以铋锶钙铜氧系为第一代高温超导带材,它的可加工性优良,在超导强电应用领域占据重要位置。但铋系材料的实用临界电流密度较低,并且在77 K的应用磁场也很低。然而钇钡铜氧化物材料在77 K的超导电性比铋锶钙铜氧材料好的多;但它的可加工性极差,故要做出超导性好的带材通过传统的压力加工和热处理工艺就很难。 随着材料科学工艺技术的发展,近年来一种在轧制金属基带上制造钇钡铜氧超导带材的工艺被称作“第二代”带材。欧洲国家努力开展高温超导材料工艺及应用研究。丹麦已批量制造铋系超导带材。2003年11月我国第一个10m、 10.5kV/1.5kA 三相交流高温超导电缆系统日前在中国科学院电工研究所研制成功,并于成功地进行了试验运行。2011年5月信赢和公司团队研发的世界最大功率的超导限流器刚成功。2011年9月25日,特拉维夫大学的研究小组开发出了一种超导体材料——蓝宝石单晶体纤维,可用于高压电缆输电,输电量是相同直径铜线输电量的40倍。研究人员称这种超导材料将有可能彻底改变电力输送占空间、高损耗的状况。 高温超导材料主要有:膜材(薄膜、厚膜)、块材、线材和带材等类型。薄膜最常用、最有效的两种镀膜技术是:磁控溅射和脉冲激光沉积。还有金属有机

超导材料的未来应用前景

超导材料——当代科学的明珠 超导材料的未来应用前景 超导是超导电性的简称。是一种材料,如某种金属、合金或化合物在温度下降至某一临界温度时,其电阻完全消失,这种现象称为超导电性,具有这种现象的材料称为超导材料。超导体的另外一个特征是:当电阻消失时,磁感应线将不能通过超导体,这种现象称为抗磁性。 超导材料的用途非常广阔,大致可分为三类:大电流应用(强电应用)、电子学应用(弱电应用)和抗磁性应用。大电流应用即超导发电、输电和储能;电子学应用包括超导计算机、超导天线、超导微波器件等;抗磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。 超导体的巨大前景 ●超导材料不可思议 那么,为什么世界各国对“超导”技术的研究与开发如此重视呢?这主要是因为超导材料具有极其优越的物理特性:一是零电阻效应,二是约瑟夫逊效应,三是迈斯纳效应。超导体这些突出特性的重大意义,不亚于半导体的发现。甚至有专家预言,超导体的应用将导致一场新技术革命,特别是在军事领域的应用,将引起一系列巨大变革。 ●军事应用前景广阔 超导体在军事领域的应用将十分广泛。采用超导体材料,可使许多重要的军用装备,如C4I系统、聚能武器、舰艇、飞机、坦克、装甲车辆、导弹等武器的性能得到大幅度的改善。 超导飞机设计制造大功率、小体积的发动机,对提高飞机的作战性能至关重要。目前,飞机所采用的均是磁流体发电,但利用普通磁体,很难使磁场强度高于15高斯,而如果利用超导磁体就能产生数万至几十万高斯的磁场,从而大大提高磁体发电的输出功率。所以,超导技术的突破,为大容量、小型化磁流体发电机的研制成功提供了条件,这种超导发电机正在加速走向实用化。目前,有些国家已在研制几百至一千兆瓦的体积小、重量轻的超导发电机,预计机载大功率超导发电机将成为超导技术在军事上率先得到应用的重点项目。 超导舰船20世纪70年代以来,美、苏、英、日等国积极开展超导技术在海军舰船方面应用的研究,并不断取得成效。美国试制了7500马力的超导驱动系统;英国研制了650马力的超导电磁力推进装置;日本制成了世界上第一艘超导船。超导舰船由于取消了传统的螺旋桨推动部件,因而具有结构简单、维修方便、推力大、航速高、无震动、无噪声、无污染、造价低等诸多优点。潜艇应用超导推进系统后,能有效地消除噪音、降低红外辐射,从而不易被敌方发现,大大提高了舰船的快速机动能力和突防能力。

超导材料的性能与应用综述

超导材料的性能及应用综述 班级:10粉体(2)班学号:1003012003 姓名:徐明明 摘要:回顾了超导现象的发现及发展,综述了超导电性的微观机理,超导物理学研究的历史和主要成果,介绍了超导电性的几种突出的应用,并指出目前对于超导电性的认识在理论、实验、研究上都是初步的 ,还需要进行更多的和更深入全面的研究。 关键词:超导电性;超导应用;BCS理论;应用 一、超导现象的发现及发展 1908 年, 荷兰莱登实验室在卡茂林- 昂尼斯的指导下, 用液氢预冷的节流效应首次实现了氦气的液化,从而使实验温度可低到4~1K 的极低温区, 并开始在这样的低温区测量各种纯金属的电阻率。1911 年,卡茂林- 昂尼斯[1] 发现Hg 的电阻在4. 2K 时突降到当时的仪器精度已无法测出的程度, 即Hg 在一确定的临界温度T c= 4. 15K 以下将丧失其电阻,这是人们第一次看到的超导电性。昂尼斯也凭这一发现获得了1913 年的诺贝尔物理学奖。后来的实验证明,电阻突变温度与汞的纯度无关,只是汞越纯,突变越尖锐。随后,人们在Pb及其它材料中也发现这种特性:在满足临界条件(临界温度 Tc、临界电流 Ic、临界磁场 Hc)时物质的电阻突然消失,这种现象称为超导电性的零电阻现象。应该指出,只是在直流电情况下才有零电阻现象。从此,诞生了一门新兴的学科——超导。 一直到20世纪50年代,超导只是作为探索自然界存在的现象和规律在研究,1957年Bardeen、Cooper和Schrieffer[2]提出了著名的BCS理论,揭示了漫长时期不清楚的超导起因。1961年Kunzler将Nb3Sn制成高场磁体,开辟了超导在强电中的应用,特别是 1962 年Josephson效应的出现,将超导应用推广到一个崭新的领域。到20世纪70年代超导在电力工业和微弱信号检测应用方面的进展显示了它无比的优越性,但由于临界温度低,必须使用液氦,这就极大地限制了它的优越性。从20世纪70年代起人们就将注意力转向寻找高温超导体上,在周期表

超导材料研究现状及其应用

超导材料研究现状及其应用 [摘要]:本文主要介绍了超导现象,超导的应用及我国超导研究现状。 [关键词]:超导现象超导的应用超导研究现状 材料是人类赖以生存和发展的物质基础,某一种新材料的问世及其应用,往往会引起人类社会的重大变革因此使用什么样的材料制造工具往往成为人类文明发达程度的一个重要标志。人们把人类历史分为石器、青铜器和铁器时代。在群居洞穴的猿人旧石器时代,通过简单加工获得石器帮助人类狩猎护身和生存,随着对石器加工制作水平的提高,出现了原始手工业如制陶和纺织,人们称之为新石器时代。青铜时代大约源于4000-5000年前。青铜是铜锡铝等元素组成的合金,与纯铜相比,青铜熔点低,硬度高,比石器易制作且耐用。青铜器大大促进了农业和手工业的出现。铁器时代则被认为是始于2000多年前,春秋战国时代,由铁制作的农具、手工工具及各种兵器,得以广泛应用,大大促进了当时社会的发展。钢铁、水泥等材料的出现和广泛应用,人类社会开始从农业和手工业社会进入了工业社会。本世纪半导体硅、高集成芯片的出现和广泛应用,则把人类由工业社会推向信息和知识经济社会。 超导现象 1911年,荷兰物理学家昂尼斯发现,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.为了证实这一现象,他用磁铁在水银环路中感应出电流,经过长达一年多的观察发现,只要水银环路保持在4.15K的低温,环路中的电流就不会有能测量到的衰减,电流不断地沿着环路转起来,就像不知疲倦的一匹马一样.当温度降到某一温度时,金属的电阻变为零的现象叫超导现象,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) T C.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0.75K,铝为1.196K,铅为7.193K.而且超导临界温度的纪录不断地被打破,例如,1975年,有人发现铌三锗的超导临界温度为23.2K.1986年,又有人发现钡镧铜氧化物的超导临界温度为30K,这个现象引起了科学家对氧化物高温超导陶瓷的高度重视.1986年12月,中国科学院的赵忠贤研究组获得了起始转变温度为48.6K的锶镧铜氧化物.1987年2月,美籍华裔科学家、美国休斯敦大学的朱经武教授获得了起始转变温度为90K的高温超导陶瓷.1987年3月,中国科学院公布了起始转变温度为93K的8种钡钇铜氧化物.1988年,中国科学院发现了超导临界温度 为120K的钛钡钙铜氧化物.这些成就显示了我国高 温超导材料的研究已经名列世界前茅 超导应用 寻找工业应用永远是推动研究的推动力。从应用角 度看,初期的超导材料很容易被外界磁场所抑制。 实际应用困难较多。被称为I型超导材料。能在强 Fig.4, Hc2 vs Tc [17]

超导体的发展史

超导体的发展史 1911年: 1911年,荷兰科学家卡末林—昂内斯(Heike Kamerlingh-Onnes)用液氦冷却汞,当温度下降到4.2K(﹣268.95℃)时,水银的电阻完全消失,这种现象称为超导电性,此温度称为临界温度。根据临界温度的不同,超导材料可以被分为:高温超导材料和低温超导材料。 1933年: 1933年,迈斯纳和奥克森菲尔德两位科学家发现,如果把超导体放在磁场中冷却,则在材料电阻消失的同时,磁感应线将从超导体中排出,不能通过超导体,这种现象称为抗磁性。 1973年: 1973年,发现超导合金――铌锗合金,其临界超导温度为23.2K(﹣249.95℃),这一记录保持了近13年。 1986年: 1986年,设在瑞士苏黎世的美国IBM公司的研究中心报道了一种氧化物(镧钡铜氧化物)具有35K(﹣240.15℃)的高温超导性。此后,科学家们几乎每隔几天,就有新的研究成果出现。1986年,美国贝尔实验室研究的超导材料,其临界超导温度达到40K(﹣235.15℃)液氢的“温度壁垒”(40K)被跨越。 1987年: 1987年,美国华裔科学家朱经武以及中国科学家赵忠贤相继在钇-钡-铜-氧系材料上把临界超导温度提高到90K(﹣185.15℃)以上,液氮的“温度壁垒”(77K)也被突破了。1987年底,铊-钡-钙-铜-氧系材料又把临界超导温度的记录提高到125K(﹣150.15℃)。从1986-1987年的短短一年多的时间里,临界超导温度提高了近100K。 来自德国、法国和俄罗斯的科学家利用中子散射技术,在高温超导体的一个成员单铜氧层Tl2Ba2CuO6+δ中观察到了所谓的磁共振模式,进一步证实了这种模式在高温超导体中存在的一般性。该发现有助于对铜氧化物超导体机制的研究。 1988年:

超导材料应用与制备概况

摘要:新型超导材料一直是人类追求的目标。本文主要从超导材料的性质,制 备,应用等方面探索超导材料科学的发展概况。随着高温超导材料制备方法的不断成熟,超导材料将越来越多的应用于尖端技术中去,超导材料的应用将给电工技术带来质的飞跃,因此,超导材料技术有着重大的应用发展潜力,可解决未来能源,交通,医疗和国防事业中的重要问题。 关键词:超导材料强电应用弱电应用超导制备 1. 引言 1911年荷兰科学家onnes发现纯水银在附近电阻突然消失,接着发现其他一些金属也有这样的现象,随着人们在Pb和其它材料中也发现这种性质:在满足临界条件(临界温度Tc,临界电流Ic,临界磁场Hc)时物质的电阻突然消失,这种现象称为超导电性的零电阻现象。只是直流电情况下才有零电阻现象,这一现象的发现开拓了一个崭新的物理领域。 超导材料具有1)零电阻性2)完全抗磁效应3)Josephson效应。这些性质的研究与应用使得超导材料的性能不断优化,实现超导临界温度也越来越高。一旦室温超导达到实用化、工业化,将对现代科学技术产生深远的影响。 2. 超导材料主要制备技术 控制和操纵有序结晶需要充分了解原子尺度的超导相性能。有序、高质量晶体的超导转变温度较高 ,晶体质量往往强烈依赖于合成技术和条件。目前,常用作制备超导材料的技术主要有: 2.1.1单晶生长技术 新超导化合物单晶样品有多种生长方法。溶液生长和气相传输生长法是制备从金属间氧化物到有机物各类超导体的强有力工具。溶液生长的优点就是其多功能性和生长速度 ,可制备出高纯净度和镶嵌式样品。但是 ,它并不能生产出固定中子散射实验所需的立方厘米大小的样品。浮动熔区法常用来制备大尺寸的样品 ,但局限于已知的材料。这种技术是近几年出现的一些超导氧化物单晶生长的 主要技术。这种技术使La 2 - x Sr x CuO 4 晶体生长得到改善 ,允许对从未掺杂到高度 掺杂各种情况下的细微结构和磁性性能进行细致研究。在T 1Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 9+d 和 Bi 2Sr 2 CaCu 2 O 8 中 ,有可能削弱无序的影响从而提高临界转变温度。最近汞基化合 物在晶体生长尺寸上取得的进展 ,使晶体尺寸较先前的纪录高出了几个数量级。但应该指出的是即使是高 Tc的化合物 ,利用溶液生长技术也可制备出高纯度的YBCO等单晶。 2.1.2高质量薄膜技术 目前 ,薄膜超导体技术包括活性分子束外延(MBE ) 、溅射、化学气相沉积和脉冲激光沉积等。MBE能制造出足以与单个晶体性能相媲美的外延超导薄膜。在晶格匹配的单晶衬底上生长的外延高温超导薄膜 ,已经被广泛应用于这些材料物理性质的基础研究中。在许多实验中薄膜的几何性质拥有它的优势 ,如可用光刻技术在薄膜上刻画细微的特征;具备合成定制的多层结构或超晶格的潜能。 在过去的 20年里 ,多种高温超导薄膜生长技术快速发展。有些技术已经适用于其它超导体的制备。目前所使用主要方法有溅射和激光烧蚀(脉冲激光沉积)。类似分子束外延这种先进薄膜生长技术也已经发展得很好。臭氧或氧原

超导材料论文

超导材料的研究进展 陈志义 2011326690110 应用物理11(1)班 摘要:超导是金属或合金在较低温度下电阻变为零的性质。超导材料是当代材料科学领域一个十分活跃的重要前沿,其发展将推动功能材料科学的深入发展。高温超导材料经过近 20年的研发,已经初步进入了大规模实际应用和产业化。随着超导材料临界温度的提高和材料加工技术的发展,它将会在许多高科技领域获得重要应用。 关键词:超导高温超导体进展超导超导材料临界温度进展 引言:随着社会的进步,工业的发展,人们对能源的需求量越来越大。但是,像石油、煤等能源储备有限且不可再生。故而,如何在有限能源的条件下使社会健康稳步地发展,亦即如何做到可持续发展成了当今人们亟需解决的问题。对于这些问题的解决方法,超导材料表现出了巨大的潜力。长期以来,如何找到一种完全没有电阻,能消除电能损耗的导电材料,一直是物理学家和材料科学工作者梦寐以求的愿望。1911年,荷兰物理学家卡麦林·昂尼斯首次意外地发现了超导现象:将水银冷却到接近绝对零度时,其电阻突然消失。这一现象的发现为解决电路损耗带来了福音。从此,对于超导材料的研究如火如荼。 一、超导材料的概念 超导材料是在低温条件下能出现超导电性的物质。超导材料最独特的性能是电能在输送过程中几乎不会损失。超导材料的发展经历了从低温到高温的过程,经过无数科学家的努力,超导材料的研究已经取得了巨大的发展。近年来,随着材料科学的发展,超导材料的性能不断优化,实现超导的临界温度也越来越高。高温超导材料的制备工艺也得到了长足的发展,一些制备高温超导材料的材料陆续被科学家发现。现在,超导材料的研究主要集中在超导输电线缆,超导变压器等电力系统方面,还有,利用超导材料可以形成强磁场,是超导材料在磁悬浮列车的研究上有了用武之地,另外,超导材料在医学,生物学领域也取得了很大的成就。超导材料的研究未来,超导材料的研究将会努力向实用化发展。一旦室温超导体达到实用化、工业化,将对现代文明社会中的科学技术产生深刻的影响。 二、超导材料的分类 超导材料分为低温超导材料和高温超导材料。 1、低温超导材料 何谓低温超导材料?低温超导材料是具有低临界转变温度(T c<3OK=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),T c 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β相固溶体,T c在9K以上。低温超导材料一般都需在昂贵的液氦环境下工作,由于液氦制冷的方法昂贵且不方便,故低温超导体的应用长期得不到大规模的发展。低温超导材料的应用分为:强电应用,主要包括超导在强磁场中的应用和大电流输送;弱电应用,主要包括超导电性在微电子学和精密测量等方面的应用。 2、高温超导材料 高温超导体材料(HTS)具有超导电性和抗磁性两个重要特性。要让超导体得到现实的应用,首先要有容易找到的超导材料。即主要研究方向就是寻找能在较高温度下存在的超导体材料。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。大电流应用是由于超导材具有零电阻和完全的抗磁性,因此只需消耗极少的电能,就可以获得的稳定强磁场。超导体的基本特性之一是当它处于超导态时具有理想的导电性,同时由于其载流能力远远强于常规导体,因此,利用超导体可以传输大电流和产生强磁场,并且没有电阻热损耗。电工设备的基本特点是大电流、强磁场和高电压,因此在电工设备中使用超导材料可以减少电气损耗、提高效率、缩小体积、减轻重量、降低成本,还可以提高装置

超导材料发展状况综述

材料科学与工程进展课程论文 题目:超导材料发展状况综述 学院: 班级: 学号: 姓名:

目录 摘要 (2) 超导材料的特性 (2) 超导材料发展史 (4) 超导材料的制备 (5) 超导材料的应用 (7) 展望与建议 (9)

新能源材料——超导材料发展状况综述 摘要 随着人类社会的不断发展,人们对于自然能源的需求也与日俱增。然而自然资源是有限的,面对自然资源日渐紧缺、环境遭到破坏等状况的发生,在科学工作者的努力下,各种各样的新能源材料相继面世。本文将从特性、发展史、制备、应用这几个方面,对众多新能源材料中的一种材料——超导材料,做一个综述,以增进广大读者对超导材料的了解。 关键词:超导材料、特性、发展史、制备、应用。 超导材料的特性 超导材料是指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。超导材料具有以下特性: 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。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。 采用“四引线电阻测量法”可测出超导体的R-T特性曲线,如图所示。

图中的R n为电阻开始急剧减小时的电阻值,对应的温度称为起始转变温度T S;当电阻减小到R n/2时的温度称为中点温度T M;当电阻减小至零时的温度为零电阻温度T0。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。 完全抗磁性 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。 实验表明,超导态可以被外磁场所破坏,在低于T C的任一温度T下,当外加磁场强度H小于某一临界值H C时,超导态可以保持;当H大于H C时,超导态会被突然破坏而转变成正常态。临界磁场强度H C,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T C和临界磁场H C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。 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。如图所示。

超导材料的特性及应用

浅谈超导材料的超导特性及应用 摘要:作为一种新型材料,超导材料越来越广泛地应用到各个领域,人类对超导电性及其应用将越来越重视。超导材料的应用有着巨大的潜力和发展前景,这是不容置疑的。超导的实用前景似乎既近既远,近者,在人类的生活中已得到了超导电技术带来的好处,如医用的核磁共振成像的超导磁体;同时,在电子器件上的应用,近几年将会在市场上出现。远者,人们会看到例如在微波通讯、计算机器件、储能及平衡电网方面的应用。在总结超导电性的同时,本文将就超导材料的应用作简要的介绍。 关键字:超导、特性、应用、前景 1、超导材料的超导特性 导体在温度下降到某一值时,电阻会突然消失,即零电阻,这一现象称为“超导现象”,将具有超导性的物质,称为超导体,超导体如钛、锌、铊、铅、汞等,在超导状态,当温度降至温度(超导转变温度)时,皆显现出某些共同特征。1.1电阻为零。一个超导体环移去电源之后,还能保持原有的电流。有人做过实 验,发现超导环中的电流持续了二年半而无显著衰减。 1.2完全抗磁性。这一现象是1933年德国物理学家迈斯纳等人在实验中发现的, 只要超导材料的温度低于临界温度而进入超导态以后,该超导材料便把磁力线排斥体外,因此其体内的磁感应强度总是零。这种现象称为“迈斯纳效应”。 2、超导材料的应用 2.1 超导应用的巨大潜力 超导态是物质的一种独特的状态,它的新奇特性,立刻使人想到要将它们应用到技术上。超导体的零电阻效应显示其具有无损耗输运电流的性质。工业、国防、科研上用的大功率发电机、电动机如能实现超导化,将大大降低能耗并使其小型化。利用超导隧道效应,人们可以制造出世界上最灵敏的电磁信号的探测元件和用于高速运行的计算机元件。用这种探测器制造的超导量子干涉磁强计可以测量地球磁场几十亿分之一的变化,也能测量人的脑磁图和心磁图。超导体用于微波器件可以大大改善卫星通讯的质量。 因此,超导体显示了巨大的应用潜力。 2.2 超导材料在强电方面的应用

超导材料未来应用的前景

超导材料的未来应用前景 超导是超导电性的简称。是一种材料,如某种金属、合金或化合物在温度下降至某一临界温度时,其电阻完全消失,这种现象称为超导电性,具有这种现象的材料称为超导材料。超导体的另外一个特征是:当电阻消失时,磁感应线将不能通过超导体,这种现象称为抗磁性。 超导材料的用途非常广阔,大致可分为三类:大电流应用(强电应用)、电子学应用(弱电应用)和抗磁性应用。大电流应用即超导发电、输电和储能;电子学应用包括超导计算机、超导天线、超导微波器件等;抗磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。 超导体的巨大前景 ●超导材料不可思议 那么,为什么世界各国对“超导”技术的研究与开发如此重视呢?这主要是因为超导材料具有极其优越的物理特性:一是零电阻效应,二是约瑟夫逊效应,三是迈斯纳效应。超导体这些突出特性的重大意义,不亚于半导体的发现。甚至有专家预言,超导体的应用将导致一场新技术革命,特别是在军事领域的应用,将引起一系列巨大变革。 ●军事应用前景广阔 超导体在军事领域的应用将十分广泛。采用超导体材料,可使许多重要的军用装备,如C4I系统、聚能武器、舰艇、飞机、坦克、装甲车辆、导弹等武器的性能得到大幅度的改善。 超导飞机设计制造大功率、小体积的发动机,对提高飞机的作战性能至关重要。目前,飞机所采用的均是磁流体发电,但利用普通磁体,很难使磁场强度高于15高斯,而如果利用超导磁体就能产生数万至几十万高斯的磁场,从而大大提高磁体发电的输出功率。所以,超导技术的突破,为大容量、小型化磁流体发电机的研制成功提供了条件,这种超导发电机正在加速走向实用化。目前,有些国家已在研制几百至一千兆瓦的体积小、重量轻的超导发电机,预计机载大功率超导发电机将成为超导技术在军事上率先得到应用的重点项目。 超导舰船20世纪70年代以来,美、苏、英、日等国积极开展超导技术在海军舰船方面应用的研究,并不断取得成效。美国试制了7500马力的超导驱动系统;英国研制了650马力的超导电磁力推进装置;日本制成了世界上第一艘超导船。超导舰船由于取消了传统的螺旋桨推动部件,因而具有结构简单、维修方便、推力大、航速高、无震动、无噪声、无污染、造价低等诸多优点。潜艇应用超导推进系统后,能有效地消除噪音、降低红外辐射,从而不易被敌方发现,大大提高了舰船的快速机动能力和突防能力。 超导聚能武器聚能武器是把能量汇聚成极细的能束,沿着精确的方向,以接近或等于光速的速度发射出去,对目标进行杀伤。但目前在研制这些武器上几乎都遇到了能源问题。即如何在瞬间向聚能武器提供大量的能源,如激光武器,特别是大功率的战略激光武器耗能巨大,它要求在瞬间提供数十亿至数百亿焦耳的能量,而目前的储能装置储存的能量却非常有限,且体大笨重。而超导技术的发展,

超导体论文

超导体的电磁性质及其应用 院别:物理与电子工程学院 专业:09级物理学 姓名:王雪梅 完成日期:2014 年6 月3 日 摘要: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称为超导材料。从1911年荷兰物理学家翁奈首先发现超导现象以来,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。超导材料具有优越的物理性质和优越的性能,目前已被广泛接受和认同,具有良好的发展前景。 关键词:超导材料;分类;性质;应用;原理;展望 1、引言 1911年荷兰物理学家翁奈在研究水银低温电阻时首先发现了超导现象。后来又陆续发现了一些金属、合金和化合物在低温时电阻也变为零,即具有超导现象。物质在超低温下,失去电阻的性质称为超导电性;相应的具有这种性质的物质就称这超导体。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。目前,超导材料已被应用于很多领域,本文拟就超导材料的分类、性质、应用、原理等方面展开论述,以帮助人们更好的认识超导材料。 2、分类 元素超导体、合金和化合物超导体,有机高分子超导体三类。 3、性质 3.1零电阻性 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。 超导体的零电阻现象与常导体零电阻在实质上截然不同。常导体的零电阻是指在理想的金属晶体中,由于电子运动畅通无阻,因此没有电阻;而超导体零电阻是指当温度降至某一数值Tc或以下时,其电阻突然变为零。 3.2完全抗磁性 1933年迈斯纳和奥尔德首次发现了超导体具有完全抗磁性的特点。把锡单晶球超导体在磁场(H≦Hc)中冷却,在达到临界温度Tc以下时,超导体内的磁通线一下子被排斥出去;或者先把超导体冷却至Tc以下,再通以磁场,这时磁通线也被排斥出动;如图所示。即在超导状态下,超导体内磁感应强度B=0.这就是迈斯纳效应。 3.3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。 3.4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

超导技术及其发展历程

超导技术 超导技术的主体是超导材料。简而言之,超导材料就是没有电阻、或电阻极小的导电材料。超导材料最独特的性能是电能在输送过程中几乎不会损失。 1911年荷兰物理学家Onnes发现汞(水银)在4.2k附近电阻突然下降为零,他把这种零电阻现象称为超导电性。 海克·卡末林·昂内斯 海克·卡末林·昂内斯(Heike Onnes,1853年9月21日-1926年2月21日),荷兰物理学家,超导现象的发现者,低温物理学的奠基人。1853年出生于荷兰的格罗宁根,1894年创建了莱顿大学低温物理实验室,建立了大型液化气工厂,1904年液化了氧气,两年后又液化了氢气,并在1908年7月10日首次液化了氦气,以-269 °C(4K)刷新了人造低温的新纪录。1911年由于对物质在低温状态下性质的研究以及液化氦气,昂内斯被授予诺贝尔物理学奖。1923年,昂内斯退休,1926年在莱顿逝世。为纪念他,莱顿大学物理实验室1932年被命名为“卡末林·昂内斯实验室”。 汞的电阻突然消失时的温度称为转变温度或临界温度,常用Tc表示。在一定温度下具有超导电性的物体称为超导体。金属汞是超导体。进一步研究发现元素周期表中共有26种金属具有超导电性,它们的转变温度Tc列于表5-6。从表中可以看到,单个金属的超导转变温度都很低,没有应用价值。因此,人们逐渐转向研究金属合金的超导电性。表5-7列出一些超导合金的转变温度,其中Nb3Ge 的转变温度为23.2K,这在70年代算是最高转变温度超导体了。当超导体显示导材料都是在极低温下才能进入超导态,假如没有低温技术发展作为后盾,就发现不了超导电性,无法设想超导材料。这里又一次看到材料发展与科学技术互相促进的关系。低温超导材料要用液氦做致冷剂才能呈现超导态,因此在应用上受到很大的限制。 人们迫切希望找到高温超导体,在徘徊了几十年后,终于在1986年有了突破。(1)瑞士Bednorz和Müller发现他们研制的La-Ba-CuO混合金属氧化物具有超导电性,转变温度为35K。这是超导材料研究上的一次重大突破,打开了混合金

超导材料及应用

超导材料 摘要:简要介绍了超导材料的发展历史、现状,对未来的超导材料的发展作了展望,并对目前超导材料的主要研制方法进行了分析。 关键词:超导体研究进展高温低温应用 一前言 超导材料是在低温条件下能出现超导电性的物质。超导材料最独特的性能是电能在输送过程中几乎不会损失。超导材料的发展经历了从低温到高温的过程,经过无数科学家的努力,超导材料的研究已经取得了巨大的发展。近年来,随着材料科学的发展,超导材料的性能不断优化,实现超导的临界温度也越来越高。高温超导材料的制备工艺也得到了长足的发展,一些制备高温超导材料的材料陆续被科学家发现。现在,超导材料的研究主要集中在超导输电线缆,超导变压器等电力系统方面,还有,利用超导材料可以形成强磁场,是超导材料在磁悬浮列车的研究上有了用武之地,另外,超导材料在医学,生物学领域也取得了很大的成就。超导材料的研究未来,超导材料的研究将会努力向实用化发展。一旦室温超导体达到实用化、工业化,将对现代文明社会中的科学技术产生深刻的影响。 二研究现状 1.超导材料的探索与发展 探索新型超导材料在超导材料研究中始终起着关键的作用,同时也是一项高风险、高投入的研究工作。自1911年荷兰物理学家卡麦林·昂尼斯发现汞在4.2K附近的超导电性以来,人们发现的新超导材料几乎遍布整个元素周期表,从轻元素硼、锂到过渡重金属铀系列等。超导材料的最初研究多集中在元素、合金、过渡金属碳化物和氮化物等方面。至1973 年,发现了一系列A 15型超导体和三元系超导体,如Nb 3 Sn、V 3 Ga、Nb 3 Ge,其中Nb 3 Ge超导 体的临界转变温度(T c)值达到23.2K。以上超导材料要用液氦做致冷剂才能呈现超导态,因而在应用上受到很大限制。1986年,德国科学家柏诺兹和瑞士科学家穆勒发现了新的金属氧化物超导材料即钡镧铜氧化物(La-BaCuO),其T c为35K,第一次实现了液氮温区的高温超导。铜酸盐高温超导体的发现是超导材料研究上的一次重大突破,打开了混合金属氧化物超导体的研究方向。1987年初,中、美科学家各自发现临界温度大于90K的YBacuO超导体,已高于液氮温度(77K),高温超导材料研究获得重大进展。后来法国的米切尔发现了第三类高温超导体BisrCuO,再后来又有人将Ca掺人其中,得到Bis尤aCuO超导体,首次使氧化物超导体的零电阻温度突破100K大关。1988年,美国的荷曼和盛正直等人又发现了T 1 系高温超导体,将超导临界温度提高到当时公认的最高记录125K。瑞士苏黎世的希林等发现在HgBaCaCuO超导体中,临界转变温度大约为133K,使高温超导临界温度取得新的突破。 2.超导材料的研究 2.1低温超导阶段 在梅斯勒发现超导体的抗磁性之后(相继有荷兰物理学家埃伦弗斯特根据有关的超导体在液氦中比热不连续现象(提出热力学中二级相变的概念)柯特和卡西米尔提出超导的二流体模型)德国物理学家F·伦敦和H·伦敦兄弟提出超导电性的电动力学唯相理论(即伦敦

超导材料及其应用现状与发展前景培训讲学

超导材料及其应用现状与发展前景

超导材料及其应用现状与发展前景 作者:肖立业刘向宏王秋良马衍伟古宏伟 来源:《中国工业和信息化》2018年第08期 超导体不仅在临界温度下具有零电阻特性,而且在一定的条件下具有常规导体完全不具备的电磁特性,因而在电气与电子工程领域具有广泛的应用价值。我国在超导材料及其应用领域总体上处于国际先进行列,基本掌握了各种实用化超导材料的制备技术,在多个应用方面也取得了良好的发展。我国超导材料及其应用领域将不断探索更高临界温度的超导体,提升超导材料及其应用技术的发展水平。 1911年,荷兰莱登实验室的卡麦林·昂尼斯在测量低温下金属的电导率时发现,当温度下降到4.2K时,汞的电阻完全消失(如图1所示),他把具有这种现象的导体称为超导体。经过近50年的研究,科学家們陆续发现,超导体不仅在一定温度(也称为临界温度,简称Tc)之下具有零电阻特性,而且在一定的条件下具有高密度载流能力、完全抗磁性(迈斯纳效应)、约瑟夫森效应等常规导体完全不具备的电磁特性,因而在电气与电子工程领域具有广泛的应用价值(见表1)。根据应用的具体需求,工程师们可以将超导体制备成各种超导材料,如超导线材、超导带材、超导薄膜、复合超导体等。 经历了100多年的研究,人们已经发现了多达数万种超导体。按照超导体的临界温度,可以将超导体分为低温超导体和高温超导体,临界温度低于25K~30K超导体为低温超导体,临界温度高于25K~30K超导体为高温超导体。目前,基于低温超导材料的应用装置一般工作在液氦温度(4.2K及以下),基于高温超导材料的应用装置一般工作在液氢温度(约20K)至液氮温度(约77K)之间。探索出更高临界温度乃至室温的超导体是人类不断追求的梦想。 超导材料的发展现状与前景 尽管人们已经发现了数万种超导体,但真正具有实用价值的超导体并不多。目前得到应用的低温超导体主要包括NbTi、Nb3Sn、Nb3Al等,具有实用价值的高温超导体主要包括铋系(BSCCO,Tc约90K-110K,也称为第一代高温超导材料,主要包括BSCCO-2212和BSCCO-2223两种,也简称Bi-2212或Bi-2223)、钇系(Tc约90K,YBCO或ReBCO,也称为第二代高温超导材料)。进入21世纪以来,MgB2(Tc为39K)和铁基超导体(Tc最高为55K)相继被发现,成为两种新的具有实际应用潜力的超导体。 低温超导材料发展现状与前景 超导材料主要包括NbTi、Nb3Sn、Nb3Al等。自上世纪60年代以来,其制备技术与工艺已经相当成熟,并推动了如加速器磁体、核聚变工程用超导磁体、核磁共振(MRI和NMR)磁体、通用超导磁体等的发展,并由此形成了具有一定规模的超导产业。目前,美国、欧盟和日本等国家和地区已经有一大批的企业可以生产各种面向不同应用需求的低温超导材料。2006年,我国加入了国际热核聚变实验堆(ITER)计划,从而使我国低温超导材料的发展迎来了前所未有的机遇。作为国内极少的低温超导线材产业化公司,西部超导材料科技有限公司承担了174吨NbTi超导线和35吨Nb3Sn超导线的生产任务,通过自主开发,掌握了成套技术和工艺,并于2017年全部交付预订的产品,得到了国际同行的高度评价,总体上达到了国际先进水平。ITER项目极大推动了我国低温超导材料的发展,也为我国自主开发MRI、加速器和核聚变磁体提供了超导材料供应的保障。

超导材料的应用与前景展望

超导材料的应用与前景展望 摘要:超导是超导电性的简称,是指某些物体当温度下降至一定温度时,电阻突然趋近于零的现象。具有这种特性的材料称为超导材料。自从超导发现至今,超导的研究和超导材料的研制已迅速发展,超导材料的物质结构及性质已逐渐研究清楚,其具有优越的物理性质和优越的性能,目前已被广泛的接受和认同,超导材料也得到了广泛的应用,特别是高温超导材料的广泛应用将会给社会带来的巨大变革。 关键字:超导材料;临界参量;超导应用 Application and Prospect of superconducting materials Abstract: Superconducting superconductivity for short, refers to some object when the temperature drops to a certain temperature, resistance suddenly approaches zero phenomenon. With the characteristics of the material called superconducting materials. Since the superconducting found so far, the research and development of superconducting superconducting materials has developed rapidly, the material structure and properties of superconducting materials has been studied clearly, which has physical properties superior and superior performance, has been widely accepted and recognized, superconducting materials have been widely used, especially the great change widely used high temperature superconducting materials will bring to the society. Key words:Superconductor;Critical parameter;Superconducting application 1 引言 1911年荷兰物理学家翁奈在研究水银低温电阻时首先发现了超导现象。后来许多科学家又陆续发现了一些金属、合金和化合物在低温时电阻也变为零,即具有超导现象。超导现象是20世纪的重大探索发现之一。物质在超低温下,失去电阻的性质称为超导电性;相应的具有这种性质的物质就称这超导体。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。有专家预言,超导体的应用将导致一场新技术革命,尤其是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,人们将会很快感受到它给社会带来的巨大变革。目前,超导材料已被应用于很多领域,本文拟就超导材料的性质、临界参量、分类、应用及前景展望等几个方面展开论述,以帮助人们更好的认识超导材料。

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