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1、 我“高温超导磁悬浮实验车”不用一块国外高温超 导块材 敖宏 孕育多年的世界上第一辆载人“高温超导磁悬浮实验车”前不久 在西南交通大学研制成功，标志着我国在高温超导磁悬浮科学研究 与试验技术领域达到了世界领先水平。其所使用的总共344块超导 材料全部是国内研制的，其中342块由北京有色金属研究总院提供 。 有研总院超导材料研究中心的钇系块材课题组是一个由老中青 科技人员结合的研究集体。近年来，该课题组主要承担国家863计 划“实用钇系超导块材研究”的课题。其研究方向是采用一种被称为“ 熔融织构生长”法的工艺，将钇系氧化物超导材料制成具有一定结晶 取向的准单晶体。由于这种材料极具潜在的应用价值，
2、近年来已成 为国内外超导材料研究开发领域的重点研究课题之一。 2000年初，国家863计划“高温超导磁悬浮实验车”课题提出要 完成能承载1人、总悬重350公斤磁浮车的任务，需要直径约30毫米 、磁浮力性能超过95Ncm2（悬浮距离接近零、外加磁场约0 5特斯拉的条件下）的准单晶钇系超导材料约400块。当时，德国、 美国的有关研究单位纷纷报价，表示愿意提供超导材料。但国家超 导专家委员会和超导中心决定，该实验车在保证完成预定指标的前 提下要尽可能地使用国内有关研究单位研制的超导材料，以带动国 内超导材料研究的发展。这无疑是对课题研究人员的一个挑战。钇 系块材课题组团结一心、全力以赴，首先着手进行
3、了设备改造，以 适应批量制备氧化物超导粉末和块材晶体生长的需要；同时分工负 责解决工艺中遇到的难题。 经西南交大实验车课题组测量，其超导材料的性能达到甚至大 大超过预定指标，366块直径30毫米的超导块，其单块磁悬浮力在5 毫米悬浮间隙下平均89牛顿，最高达到125牛顿，近一半样品的性 能达到和超过国外提供样品的最好性能，这一成果为钇系高温超导 材料的实际应用打下了坚实的基础。 低温超导除铁器 新华网北京11月2日电(记者吴晶晶)记 者2日从中科院高能物理研究所了解到， 我国已成功研制出第一台低温超导除铁器 ，这标志着我国已具备将低温超导技术应 用于工业生产的能力。 由中国科学院理化技术研究所
4、周远院 士担任组长的专家鉴定组认为，由中国科 学院高能物理研究所与山东华特磁电科技 股份有限公司联合研制的低温超导除铁器 ，主要技术指标达到国际水平，填补了国 内空白，这将彻底打破我国超导磁体长期 以来完全依赖从美国进口的局面。 据介绍，该除铁器的关键核心部件低温超导磁体 ，是中国科学院高能物理研究所运用建造大科学装置“北 京谱仪”所掌握的超导技术，继成功建造我国最大的单体 超导磁铁后，经过近两年的攻关研制成功的。这一工业 实用超导磁体具有0.93米的大口径，最高磁场场强高达 5.6特斯拉，中心磁场场强3特斯拉，储能为3.4兆焦耳。 由它来产生去除煤炭等原料中的铁磁性杂质所需的强大 磁场，优点
5、是在超导状态下(-269)线圈导体无电阻， 大电流通过超导线圈产生超强磁场，具有磁场强度高， 磁场梯度大，吸铁能力强、重量轻、能耗低、运行节能 环保等普通电磁除铁器无法比拟的优点。 专家表示，低温超导除铁器的研制成功，再一次证 明国家大科学工程是科技创新的沃土。低温超导除铁器 的研制成功也为我国研制3特斯拉的核磁共振超导磁铁 提供了经验。 图第十章 超导材料首次发现于1911年,直到1986年发现液氮温 区的超导材料-高温超导陶瓷,超导材料 及其应用进入一个崭新的历史阶段. 10.1 超导性及其产生条件与机理 一.超导性当温度降到某一温度以下时,材料的电阻突然降 为零的特性,称为超导性(以零电
6、阻和零磁感应强 度为主要特征)二.产生的条件:三个基本参数: TC-超导临界转变温度,与材料纯度无关 HC-临界磁场IC-临界电流三.超导机理 1.低温超导体二流体模型:电子由超流电子和正常电子两部分组 成,超流电子可在晶格中无阻流动,两种电 子的比例与温度有关,当温度较低时,超流 电子比例较高,对正常电子起短路作用.BCS理论:电子与声子(晶格)相互作用,间接使相 邻电子产生吸引作用,当吸引作用大于库仑 排斥力时,形成库柏电子对,电子对无阻流 动.2.高温超导体 在原有BCS理论框架中进行尝试,如认为铜 氧层对电子的相互作用很强;存在局部的声 子软化等 强调载流子和铜离子的自旋相互作用 认为
7、载流子配对所需的吸引作用来源于电 荷的涨落 载流子的统计性质是“半”子，非玻色子和 费米子10.2 超导材料的特性 一.零电阻效应在某一温度下电阻降为零,但仅对直流电而言,在 通交流电时,不再具有完全导电性,出现交流损耗, 当频率增大到一定值时,此损耗开始显著,直到从 超导态转变为正常态. 二.迈斯纳效应定义: 进入超导态后,导体内部的磁通为零,这种 完全的抗磁效应, 称为迈斯纳效应.解释: 导体一定厚度的表面层内,感生一个分布和 大小刚好使其内部磁通为零的抗磁超导电流,沿 表面层流动,将其内部磁屏幕起来.三. 约瑟夫逊效应-超导隧道效应NIN结与NIS结SIS结具有超导电性-约瑟夫逊效应 隧
8、道结中有隧道电流通过而不产生电位降的现象 ,称为直流约瑟夫逊效应原因：电子对波函数中穿过弱连接而耦合，当 与耦合相关的能量超过热涨落时，两块超导体间 将有固定的位相差，其间可建立超导电流： 若在结上加上直流电压V，则产生交变电流，此 即交流约瑟夫逊效应四.同位素效应同位素的原子量愈小,Tc温度愈高的现象,称为 同位素效应13.2 超导材料的分类 按材料在磁场中的磁化行为,可分为两类(纵标为磁矩-0M):第一类超导体:只有一个临界磁场,在临界磁场以下具有 迈斯纳效应.非金属、过渡金属(Nb,V除外)及按化学计 量比组成的化合物均属于此类 第二类超导体:有上、下两个临界磁场，小于下临界磁场 时进入
9、超导体，在两个临界磁场之间时为 混合态，大于上临界磁场时进入正常态。合金、Nb,V和部分高温超导超导混合态的磁通分布(引入缺陷有利于提高临界电 流)10.3 超导材料的类型、特点及制备工艺( 按材质分)元素超导体合金超导体化合物超导体高温超导体(陶瓷超导体) 一.元素超导体特点：除Nb和V外，临界温度均很低。超导元素及其在元素周期表中的分布二.合金超导体Nb-25Zr,Nb-75Zr,Nb-40Zr-10TiNb-25Ti,Nb-60Ti,Nb-60Ti-4TaMo-50RePb-35Bi,Pb-40TlNb-15Hf共同特点：机械强度高，应力应变小，临 界磁场强度高，易于生产，成本低Nb-T
10、i系：Nb-Zr系：Nb-Ti系合金超导体的生产方法： 电弧炉或电子轰击炉中熔化，铸锭； 1000-1200oC热加工处理； 冷却后加工成圆棒； 合金棒置于铜管中制成复合体； 深度拉拔成材(复合体的作用：防止粘模， 提高机械强度，稳定化，使用时在紧急情 况下可分流)； 350oC-450oC时效处理(锚固磁感应线，使 临界电流密度大幅度增加)临界电流的影响因素：超导体的失稳问题：实际应用的超导体中存在锚固力薄弱部分 ，量子磁感应线受到某种干扰而运动，产 生发热，造成局部温升，促进磁感受应线 进入超导体内，形成恶性循环，导致出现 正常导电区，正常导电区的电阻率一般比 较大，一旦出现，便向磁体全面
11、传播，超 导状态很快被破坏。稳定化方法： 把超导体制成超细芯(10m左右)，以减少发热 量； 把大量超细芯套入断面积为其12倍的铜或铝管 中，形成复合结构； 把超细多芯线扭绞起来； 用大量铜或铝将超导线包覆起来(较少用)。 三.化合物超导材料Nb3Sn,V3Ga,Nb3Al,Nb3(Al,Ge),Nb3Ge,V2(Hf,Zr),V2(Hf,Nb),NbN,PbMo6S81.特点：较高的临界温度，临界磁场和临界电流密度，性 能良好的强磁场超导材料(10T以上磁场必用),但 脆性大,加工困难,无法直接绕制成磁体. 2.制备方法 A.表面扩散法Nb带在熔融Sn中通过镀上一层Sn 900oC950oC
12、扩散处理形成Nb3Sn 钎焊Cu带 V带上扩散Ga形成富Ga的化合物层镀Cu 600oC700oC热处理(Cu有促进扩散催化作用)B. 复合加工法(青铜法)Nb-Sn系：Cu-Nb系：Ga-V系：Cu-V系：C.原位(In-Situ)法和粉末法 定义：由Cu-Nb-Sn和Cu-V-Ga三元合金锭制备 含有大量Nb3Sn和V3Ga化合物超细纤维的方法 叫做原位法 三元合金的组织特征：Cu-Sn和Cu-Ga合金基体 和弥散分布于其中的Nb和V丝(细树枝状晶) 后处理：经反复轧制和拔丝加工成细线材后， Nb和V大部分将紧密接触，并规则排列于线材中 ，经适当温度热处理后，便可形成Nb3Sn和 V3Ga
13、的超细纤维，分布于Cu基体上四.陶瓷超导材料(高温超导体)根据其中Cu的不同配位数，可分为三类：4配位数：以La2CuO4为代表的K2NiF4结构5配位数：以YBa2Cu2Oy为代表的畸变钙钛矿型 结构6配位数：Ti系和Bi系化合物 陶瓷超导材料的共性 畸变钙钛矿(ABO3)结构(有缺陷的钙钛矿型化合 物)：通过替代，使组份可在很宽的范围内变化， 导致导电性能、磁性、超导性发生很大的变化；ABO3钙钛矿结构示意图氧缺位和A位阳离子缺位导致不同程度 的晶格畸变，B位阳离子一般不会缺位； 层状结构，a,b接近，但c随结构中层输电 改变而变化； 均有CuO6八面体，CuO5正四方锥，共有 CuO4平
14、行四边形组成的铜氧平面(结构和 性能上具有二维特点)； 所有铜氧配位多面体共顶连接； 对称性仅限于四方或正交晶系； 氧含量及其分布对性能影响很大 性能上的共同特点:临界转变温度和临界磁场强度均很高,但它们 的载流能力却很低脆性大,强度低,加工性能不好 2. 陶瓷超导材料的种类 A.镧系陶瓷超导材料性能: La2-xBaxCuO4:2040K(最先发现)可用Ca或Sr转换BaLa1.8-xSmxSr2CuO4:20K可用Eu,Gd,Tb,Dy转换SmLa-Sr-Ni-O:约90K结构特点: 存在CuO6八 面体和Cu-O 平面; 每一个Cu-O 平面被两层 La(M)-O平面 夹在中间,其 超导
15、性主要 与Cu-O平面 有关性能特点: 在0.030.34范围内出现超导性( 相图)B.钇系陶瓷超导体典型例子:YBa2Cu3O7-x(YBCO或123相)目前水平:陶瓷: 在10T下Jc77K=3105A/cm2单晶体: Jc=3105A/cm2线材:Jc77K=104A/cm2薄膜: Jc77K=5106A/cm2(10T)结构特点: 氧有四种位置; Y层无氧,其上下两侧 铜离子与周围四个氧 形成CuO2弯曲面; Ba层有氧,两Ba层之 间的Cu与氧的配位情 况与氧含量有密切关 系,随氧含量的降低, 其结构由正交相转变 为四方相C. 铋系氧化物陶瓷超导材料通式:Bi2Sr2Can-1Cun
16、O2n+4(n=1,2,3)结构特点:CuO4层,并被碱土金属离子(Sr 和Ca)和Bi2O3所分开,结构复杂,所公布的 参数分散性大 D.铊系氧化物超导体通式: Tl2Ba2Can-1CunO2n+4Tc: 0122K四种高温超导体的比较:四种高温超导体的比较:10-5 超导材料的应用 一.新能源方面的应用 1.热核反应堆用超导磁体 2.超导磁流体发电:燃烧产生高温等离子体等离子体气体通 过磁场产生电流较核发电装置安全. 二.节能方面 1.超导输电 2.超导发电机和电动机 3.超导变压器三.超导磁悬浮列车利用路面上的超导线圈和列车上的超导线圈磁场 间的排斥力使列车悬浮起来,消除了普通列车车轮 与道轨之间的磨擦,车速大幅度提高.但须带上致 冷机组. 四.超导贮能R=0
