1、超导材料 福建农林大学材料科学与工程系,超导材料主要内容,本节需掌握的重点,超导体两个基本特征：零电阻效应和迈斯纳效应；超导体零电阻和完全抗磁性的原因；超导体的三个临界条件；超导体的两种基本类型；超导体的主要应用。,1.4.1. 零电阻现象,常规导体电阻的成因： 常规导体在传输电流时，电子会与导体原子组成的晶体点阵发生相互作用，将能量传递给晶格原子，晶格原子振动产生热量，造成电能的损失。常规导体电阻的负面作用： 电力传输中电阻发热，浪费资源，增加用电成本；,超导零电阻现象的发现,1.4.1. 零电阻现象,1911年荷兰的卡茂林昂尼斯教授用液氦将水银冷凝成固态导线（-40），并将温度降低到269
2、左右时，水银导线的电阻突然完全消失，首次发现了超导体的零电阻现象。,迈斯纳效应的发现：1933年德国物理学家迈斯纳发现在超导态下，超导体内部的磁场强度H总为零，即具有完全抗磁性，这种现象就称为迈斯纳效应。,1.4.2. 迈斯纳效应,完全抗磁性的原因,1.4.2. 迈斯纳效应,常规导体,超导体,外加磁场使超导体表面产生感应电流，该电流在超导体内产生的磁场和外磁场抵消，使超导体内部磁场为零。,零电阻现象是超导现象的必要条件，但是电阻为零叫理想导体超导体。零电阻现象和完全抗磁性是超导体两个最基本，而且互相独立的属性。只有同时具有零电阻和完全抗磁性才能称为超导体。,1.4.2. 迈斯纳效应,1.4.2
3、. 迈斯纳效应,北京有色金属研究总院研制的超导材料显示的迈斯纳效应,1.4.3. 超导隧道效应,量子隧道效应：电子具有穿过比其自身能量还要高的势垒的本领。当然，穿透几率随势垒的高度和宽度的增加而迅速减小。例如：在两块常规导体Al中间夹入一层很薄的势垒（10-10m的绝缘层），在两块Al之间加上电势差，就有电流流过绝缘层，该电流是有电阻的，这是正常导体的量子隧道效应。,约瑟夫森预言 1962年，剑桥大学的博士后,在极薄绝缘层（厚度约为1nm）隔开的两个超导体断面处，电流可以穿过绝缘层。 只要电流不超过某一临界值，则电流穿过绝缘层时将不产生电压，该电流是没有电阻的，称为超导隧道电流。 超导隧道电流
4、与库柏电子对相关，且电子对穿越势垒后仍保持为配对形式，这种不同于单电子隧道效应的新现象称为约瑟夫森效应。,1.4.3. 超导隧道效应,1.4.4. 产生超导电性的原因,当在超导临界温度以下时，通过晶格振动（声子）为媒介的间接作用使电子之间产生某种吸引力，克服库伦排斥从而导致自由电子将不再无序地“单独行动”，并形成“电子对”。,BCS理论：,BCS理论不能解释30K以上的超导现象，特别是高温超导。,电子对概念,当温度TTc时，热运动使库珀对被拆散为正常电子，超导态转变为正常态。,1.4.4. 产生超导电性的原因,声子的交互作用使得库伦排斥的两个电子产生吸引形成电子对。 两个电子组成电子对后，其中
5、一个即使受到晶格振动或杂质的阻碍，另一个电子也会起调节作用，使电子通路不受影响，从而产生超导现象。,温度对超导电性的影响：温度愈低，结成的电子对愈多，电子对的结合愈牢固，超导电性越显著。温度越高，电子对因受热运动的影响而遭到破坏，就失去了超导性。,1.4.4. 产生超导电性的原因,BCS Theory (1957)解释了超导电性现象的本质 Bardeen, Cooper, Schrieffer分享了1972年Nobel物理学奖,1.4.4. 产生超导电性的原因,1.4.5. 超导体的临界条件,温度T临界温度Tc,磁场强度HHc的磁场作用于超导体时，磁力线将穿入超导体，超导态被破坏而转入正常态。
6、,电流密度J临界电流密度Jc同时,电流密度产生的磁场与外加磁场的 矢量和应小于临界磁场强度Hc。,1.4.5. 超导体的临界条件,超导临界参数之间的关系,三个性能指标，相互制约；一般来说，指标越高越好。,Jc,1.4.5. 超导体的临界条件,超导临界温度Tc,超导体从常导态转变为超导态的温度；即电阻突然变为零时的温度。由于组织结构不同，超导临界温度不是一个特定的数值，而是跨越一个温度区域；因此实际超导材料的临界温度用四个参数表征。,1.4.5. 超导体的临界条件,实际超导材料的临界温度参数,超导材料的临界温度,起始转变温度Tc(onset),零电阻温度Tc(R=0),转变温度宽度Tc,中间临界
7、温度Tc(mid),1.4.5. 超导体的临界条件,超导临界磁场强度Hc,对于超导体，当外加磁场足够强时，会破坏其超导性；破坏超导态所需的最小的磁场强度称为超导临界磁场强度。,1.4.5. 超导体的临界条件,超导临界磁场强度Hc,临界磁场强度为温度的函数，表达式为：,Hc0为绝对零度时的临界磁场；,T,Hc,Hc0,Tc,0,1.4.5. 超导体的临界条件,超导临界电流Jc,破坏超导态所需的最小电流密度;J=I/A,单位A/m2超导临界电流与临界温度的关系：,1.4.6. 第I类和第II类超导体,第I类超导体只有一个临界磁场Hc；当HHc时，正常态。,常温下具有良好导电性的纯金属，如铝、锌、锡
8、等;熔点较低、质地较软，亦被称作“软超导体”；临界电流密度和临界磁场较低，没有很好的实用价值。,第II类超导体有两个临界磁场当HHc2时，正常态。钒、铌、钽和大多数超导合金及超导化合物。 第II类超导体比第I类超导体有更高的临界参数。,1.4.6. 第I类和第II类超导体,1.4.7. 金属超导材料的类型,金属元素超导体：合金超导体：金属化合物超导体：,除钒、铌、钽大多数金属元素都是第I类超导体；钒、铌、钽为第II类超导体。,绝大多数为第II类超导体；,绝大多数为第II类超导体；,1.4.7. 金属超导材料的类型,金属元素超导体,常压下有28种超导金属元素，超导临界温度Tc排行为：铌 9.24
9、K；锝 7.8K 铅 7.197K镧 6.06K钒 5.4K钽 4.47K常压下不表现超导性的金属元素，高压下可能呈现超导性。,1.4.7. 金属超导材料的类型,合金超导体成本低、便于大量生产,Ni-Ti合金目前使用最广泛的合金超导材料；制造技术成熟，性能稳定，成本低；用于磁流体发电机大型磁体的理想材料；Ni-Zr合金最早使用的合金超导材料；具有低磁场，高电流的优点；高磁场下能够承受很大的临界电流；制造成本较高，逐渐被NiTi合金取代。,两类常见的超导合金为：,1.4.7. 金属超导材料的类型,金属化合物超导体,三个临界参量(Tc, Hc, Jc) 均较高，是性能良好的强磁场材料。具有代表性的
10、为Nb3Sn超导化合物，是制造8.015.0T超导磁体的主要材料。,0 K: All motion ceases,100oC = 373 K,0oC = 273 K,-135oC = 138 K,Current High Temperature Superconductors,77 K,Nitrogen liquifies,4 K,Helium liquifies,1.4.8. 超导材料的发展历史,1.4.8. 超导材料的发展历史,1911年，Hg，Tc4.2K 1911-20年代，24种纯金属，(Nb，Tc9.13K) 1952, 硅化钒，Tc=17K 1957年，BCS理论 1960，第I
11、I类超导体铌锡合金 1973年，Nb3Ge，Tc23.2K 1987年，Y-Ba-Cu-O，Tc90K，超过液氮温度77K 1993年，Hg-Ba-Ca-Cu-O，Tc=135K（高压下164K),1.4.8. 超导材料的发展历史,超导材料的发展及其临界温度,钇钡铜氧化物（ YBa2Cu3O7-x ) 超导体,高温超导材料的例子,1987年朱经武、吴茂昆、赵忠贤等发现，Tc90K,超导转变温度打破了液氦，解决了阻碍超导技术应用的瓶颈问题。,美国贝尔实验室采用快中子辐射氧化钇钡铜单晶体，使临界电流密度提高了100倍，达610 A/cm2，美国马萨诸萨理工学院用在超导材料中掺入银等加热处理的方法，
12、解决了材料的脆弱问题，使强度比超导陶瓷提高了10倍，适用于作输电线.我国则早已制成零电阻为837 K的超导材料和零电阻为77 K的超导薄膜.,高温超导材料的例子,1.4.9. 超导材料的应用,零电阻效应,完全抗磁性,超导隧道效应,1.4.9. 超导材料的应用,超导电力传输(零电阻的应用）,超导输电电缆：将超导电缆放于液氦冷却介质管道内，保证整条输电线路在超导状态下运行。超导电力传输的优点： 超导输电电缆比普通的地下电缆容量大25倍,电能消耗仅为所输送电能的万分之几。 传统输电需要高压，因而有升压，降压设备。用超导线就不需要升压降压设备。 重量轻、体积小，输 送大功率的超导传输线可铺设在地下管道
13、内，从而省去了许多传输线的架设铁塔。,从内到外，依次为： 管状支撑物（内通液氮）； 超导导体层（为电缆载流导体）； 电气绝缘层（工作在液氮低温环境下）； 超导屏蔽层（为超导带材绕制）； 液氮回流层（与管状支撑物内的液氮构成液氮回流循环）； 热绝缘层（为真空隔热套件）； 常规电缆屏蔽层和护层（与常规电力电缆类似） 。,1.4.9. 超导材料的应用,2004年4月19日在昆明普吉变电站投入运行，7月10日正式并网，是我国第一组、世界上第三组并网试运行的超导电缆。,1.4.9. 超导材料的应用,1.4.9. 超导材料的应用,超导发电机（强磁场的应用）,在超导体截面较小的线圈通以大电流，形成强磁场，这
14、就是超导磁体。,超导发电机的优点：磁场强度大：磁场强度达20万高斯，常规磁体最高10万高斯。 耗电少：不产生热量，除维持低温外不消耗电能，通入一次电 流就可以一劳永逸。 重量轻：5万高斯的常规电磁体重达20吨，而用超导磁体重量还不到1千克。,1.4.9. 超导材料的应用,超导储能（零电阻效应的应用）,用电需求在时间上是不平衡的，白天 晚上不一样。最佳的解决办法就是有一种储存和调 节手段。然而，电力的储藏非常困难。,充电：合上开关S1，打开S2和S3时，超导线圈Ls充电； 储能：合上S2，打开S1，在电路2中就有一个持续电流； 放电：合上S3，打开S2，储存的电能就传输到外部负载。,1.4.9.
15、 超导材料的应用,超导储能基本原理示意图,R,S1,S2,S3,负载,电源,Ls,超导温度,1.4.9. 超导材料的应用,超导磁悬浮列车是运用超导体的完全抗磁性，使列车完全脱离轨道而悬浮行驶，成为“无轮”列车。,超导磁悬浮列车,两种磁悬浮列车系统,(a)常导磁吸型； (b)超导磁斥型,日本开发的磁悬浮列车MAGLEV 于 1997年12月在山梨县的试验线上创造 出每小时550公里的世界最高纪录。,日本超导磁斥型，悬浮气隙较大，一般为100mm,上海常导磁吸型，悬浮气隙较小，一般为10mm,上海磁悬浮列车时速430公里, 从浦东龙阳路站到浦东国际 机场，三十多公里只需6分钟。,1.4.9. 超导
16、材料的应用,1.4.9. 超导材料的应用,核聚变反应时，内部温度高达100200M，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，使受控核聚变能源成为入类取之不尽的新能源。,受控热核聚变人造太阳,我国研制的“托卡马克”装置（等离子体温度高达5000万度），能够提供清洁无限的能源。,1.4.9. 超导材料的应用,1.4.9. 超导材料的应用,超导量子干涉仪（SQUID),作为灵敏度极高的磁传感器,超导量子干涉仪(即SQUID)在生物磁测量,大地测量,无损探伤等方面获得了广泛的应用.,5.8.6 冷子管和超导
17、计算机,冷子管是一种电流开关。当控制线圈没有电流，门线超导；当控制线圈通过一定电流时，它的磁场使门线从超导态转变到正常态。,门线的临界磁场较低，临界磁场较高的控制线（Nb）， 操作温度稍低于门线临界温度，远低于控制线临界温度。,冷子管与超导计算机,1.4.9. 超导材料的应用,在1935年，产生了第一个这种类型的开关元件。1956年巴克把这种装置命名为“冷子管”，并指出它可以用来开发超导计算机。当时绕线冷子管的开关速度在10-5秒左右，功耗也较大，但与晶体管的第二代计算机相比，其优越性还是很明显的。,1.4.9. 超导材料的应用,IBM公司发明的隧道冷子管具有极高的开关速度（约为10-12秒数量级，速度是半导体器件的百倍以上）和极低的功耗（只有半导体器件的千分之一左右），生产的逻辑器件能以惊人的速度执行“与”功能，从而为制造亚纳秒电子计算机提供了一条途径。,1.4.9. 超导材料的应用,1.4.9. 超导材料的应用,l966年，美国温特伯格教授提出了在电磁炮上使用超导体的概念。,贮电装置，采用液氦冷却铌线圈在零电阻的状态下通电，铌线圈贮存电能。通过开关控制就能使积存的电能驱动炮，以高速射出弹头。,超导电磁炮,
