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1、第五章 超导材料及其应用光电子材料Content一、超导体的基本知识（1）研究历史（2）三个基本物理特性（3）BCS理论二、超导体的分类（1）类和类超导体按照磁化特性分类（2）低温超导体和高温超导体按照工作温度分类三、低温超导体（符合BCS理论）（1）元素超导体（2）合金及化合物超导体（3）其他类型超导体四、高温超导体（1）第一代超导体镧系（2）第二代超导体亿系（3）第三代超导体铋系、铊系、汞系五、超导材料的应用（1）磁悬浮列车（2）SQUID量子干涉传感器一、 超导体的基本知识研究历史1、 1973年以前超导研究过程1911年 Onnes发现Hg在4.2K电阻突然下降为零1933年 Meis
2、sner效应的发现1911-1932年间, 以研究元素的超导电性。Hg、Pb、Sn、In、 Ta.1932-1953年，发现了许多具有超导电性的合金。如 Pb-Bi，NbC ，MoN，Mo-Re.1953-1973年，发现了一系列A15型超导体和三元系超导体。如 Tc17K的V3Si，Nb3Sn；特别是Nb3Ga，Nb3Ge Tc23.2K1957年提出了BCS理论 (1972年诺贝尔物理奖)1962年发现了Josephson效应 (1973年诺贝尔物理奖)卡末林昂内斯 H. Kamerlingh-Onnes (1853-1926)1913年，诺贝尔物理学奖， 因对物质低温性质的 研究和液氦的
3、制备而获奖。2、1973-1986年 超导临界温度的提高，停滞不前。Tc=23.2K Nb3Ge (1973年发现) 非常规超导体研究得到了蓬勃发展重Fermi子超导体 非晶态超导体低载流子密度超导体 磁性超导体低维无机超导体超晶格超导体有机超导体3 高温超导体研究的重大突破1986年 Mller (缪勒 )和Bednorz (柏诺兹 ) 发现高温超导体1986.1 La2-xBaxCuO4 35K1987.2 YBa2Cu3O7 90K1988.1 Bi-Sr-Ca-Cu-O 80K,110K1988.3 Tl-Ba-Ca-Cu-O 130K1992 Hg-Ba-Ca-Cu-O 135K高温
4、超导体的机理研究 1987年两人获得诺贝尔物 理学奖高温超导理论: 下一个诺贝尔奖? 一、 超导体的基本知识三个基本特性l完全导电性零电阻效应l完全抗磁性迈斯纳效应l超导隧道效应约瑟夫森效应l同位素效应完全导电性定义：将超导体冷却到某一临界温度以下时电阻突然降为零的现象称为超导体的零电阻现象，即超导体的完全导电性。高温超导体YBCO的电阻-温度曲线铅环中的电流不停地流动，形成一 个永久的磁场，使一枚磁针悬浮在 空中如果将这种导 线做成闭合电路， 电流就可以永无休 止地流动下去。确 实有人做了：将一 个铅环冷却到 7.25K以下，用磁 铁在铅环中感应出 几百安培的电流， 从1954年3月16日
5、直到1956年9月5日 ，铅环中的电流不 停流动，数值也没 有变化 。零电阻零电阻是超导体的一个 重要特性，实验表明 ：超导状态中零电阻 现象不仅与超导体温 度有关，还与外磁场 强度和通过超导体的 电流有关，这意味着 存在临界电流，超过 临界电流就会出现电 阻.零电阻 对于温度为T(T0.5 时，为正方四方结构，属半导体。高温超导材料p钇系陶瓷超导材料晶体结构晶体结构ABO3型层状钙钛矿结构氧含量的变化将引起超导陶瓷中铜-氧原子面结构的变化，从而导 致临界超导温度 Tc 的变化。改变陶瓷的氧含量，将使载流子浓度发生变化，对超导性有较大的影响。 因此在制备 YBCO超导体过程中，必须严格控制各种
6、工艺条件，如烧结温度、烧结气氛和降温速率等，以保证样晶中氧含量为最 佳值。在 YBCO化合物中， 7 个氧原子对于超导性起到特别关键 的作用。当氧含量从 7 减至 6 时，就形成 YB2Cu3O6绝缘体。高温超导材料p铋系氧化物超导材料 主要有三种Bi2Sr2CuO6(Bi-2201)、Bi2Sr2CaCu2O8(Bi-2212) 、Bi2Sr2Ca2Cu3O10(Bi-2223)。这三种相的晶体结构密切相关，也具有其他氧化物超导体 共有的结构特点，即 CuO4层。这些CuO4层被碱土金属离 子(Sr、Ca)和 Bi2O2层所分开，形成了层状钙钛矿型结构的一种变体。p铊系氧化物超导材料 Tl-
7、Ba-Ca-Cu-OTl-2201、Tl-2212、 Tl-2223高温超导材料p二硼化镁(MgB2)超导材料（39K）MgB2是常规超导体中临界温度最高的。其超导机制可以用BCS理论解释。构成氧化物高温超导体的化学元素昂贵，合成超导材料脆性大，难以加工成线材。而硼元素和镁元素的价格低廉，容易制成线材。高临界温度的简单化合物超导体。具有较高的临界电流密度。西北有色金属研究院和中科院电工研究所五、 超导材料的应用美国能源部认为高温超导电力技术是21世纪电力工业唯一的高技术储备，是检验美国将科学转化为应用技术的能力的重大实践。专家认为21世纪的超导技术会如同20世纪的半导体技术一样具有重要意义。超
8、导技术可广泛应用于能源、信息、医疗、交通、国防、科学研究及国防军工等重大工程方面电力方面的应用u 高温超导电缆传统的城市地下输电电缆存在着通量小、损耗大、对土壤和地下水有热污染及油污染、土建费用高等问题，城市电力扩容变得越来越困难。高温超导电缆具有体积小、造价低、高节能、无污染等优点，具有巨大的经济效益和环保效益，将来一定会替代传统电缆。电力方面的应用u 超导电机与传统的电机相比，超导电机具有以下优点：具有节能性好、体积小、单机容量大、造价及运营成本低、稳定性能好等优点，具有很好的经济效益和环保效益。供给同样的功率，超导电机的尺寸是常规电机的 1/3，制造成本可降低40%，电流损耗可减少50%
9、，运行成本可降低50%。美国能源部估计，高温超导电动机的低损耗每年可减少数十亿美元的运行费用。超导变压器超导限流器超导储能装置电力方面的应用医疗方面的应用核磁共振人体成像仪（MRI）检测脑内血肿、脑外血肿、脑肿瘤、颅内动脉瘤、动静脉血管畸形、脑缺血、椎管内肿瘤、脊髓空洞症和脊髓积水等颅脑常见疾病非常有效，同时对腰椎椎间盘后突、原发性肝癌等疾病的诊断也很有效。目前，该仪器中采用低温超导体，维护费用很高。1998年，Oxford磁体技术公司和西门子公司合作研制了一个用于人体MRI的高温超导磁体。交通运输方面应用磁悬浮列车上海磁悬浮列车是世界第一段投入商业运行的高速磁悬浮列车，设计最高运行速度为每小时430公里，仅次于飞机的飞行时速。优点：高速、安全、噪音低和占地小未来的交通工具不足：主要是低温超导材料英纳公司和清华大学(高温超导)超导量子干涉仪(SQUID)Super Conducting Quantum Interference Device1、磁梯度计具有极高的磁场灵敏度，用于检测极其微弱的电磁信号。2、生物磁、心磁测量人体生物电流产生的生物磁场信号一般很微弱。某些心脏疾病的早期诊断。3、材料的无损检测飞机、轮船、金属构件等体积大的结构的缺陷检测，避免重大损失。4、大地电磁测量用于地质学的科学研究。Thank you for attention
