超导材料新进展

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1、Seminar I高温高温超导材料的研究进展的研究进展报告人： 周海指导老师：周正有班级： 金属051班目录目录研究背景研究背景高温超导材料的简介高温超导材料的简介高温超导材料的制备高温超导材料的制备超导材料的最新进展超导材料的最新进展高温超导材料的应用和发展前景高温超导材料的应用和发展前景研究背景研究背景v 1911年，荷兰莱顿实验室的卡末林昂纳斯(Karner lngh Onns) 首次在42K时发现水银零电阻现象即超导现象。他于1913获得诺 贝尔奖。v 柏诺兹(Bednorz)和缪勒(Miiller)于1986年发现超导转变温度 在3O K温区的高温铜氧化物超导体，为进一步发现在液氮温

2、区值 的高温超导体开辟了道路。他们于1987年获诺贝尔奖。v 钇系YBCO(YBa2Cu3O7-x )和铋系BSCCO(Bi2Sr2Ca2Cu3Oy)材 料的发现使高温超导材料走入实用化阶段。v 超导材料的研究在当今与纳米科技相结合走入一个全新的时代。v我国在中长期科技规划中把高温超导材料列为重点发展的前沿 课题（2006-2020）。研究背景研究背景一些高温超导体之Tc值 研究背景研究背景高温超导材料的简介高温超导材料的简介超导材料的基本物理特征：v零电阻现象v完全抗磁性（ 迈斯纳效应）v超导态并非仅取决于温度( 临界电流和临界磁场)普通 导体超导体零电阻零电阻是超导体的一 个重要特性，实验

3、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 高温超导材料的简介高温超导材料的简介迈斯纳效应迈斯纳效应迈斯纳效应又叫完全抗 磁性，1933年迈斯纳发现 ，超导体一旦进入超导状 态，体内的磁通量将全部 被排出体外，磁感应强度 恒为零，且不论对导体是 先降温后加磁场，还是先 加磁场后降温，只要进入 超导状态，超导体就把全 部磁通量排出体外。NNS降温降温加场加场S注：S表示超导态N表示正常态高温超导材料的简介高温超导材料的简介观察迈纳斯效应的磁悬浮试验在锡盘上放一条永久磁铁，当温度 低于

4、锡的转变温度时，小磁铁会离 开锡盘飘然升起，升至一定距离后 ，便悬空不动了，这是由于磁铁的 磁力线不能穿过超导体，在锡盘感 应出持续电流的磁场，与磁铁之间 产生了排斥力，磁体越远离锡盘， 斥力越小，当斥力减弱到与磁铁的 重力相平衡时，就悬浮不动了。高温超导材料的简介高温超导材料的简介观察迈纳斯效应的磁悬浮试验在锡盘上放一条永久磁铁，当温度 低于锡的转变温度时，小磁铁会离 开锡盘飘然升起，升至一定距离后 ，便悬空不动了，这是由于磁铁的 磁力线不能穿过超导体，在锡盘感 应出持续电流的磁场，与磁铁之间 产生了排斥力，磁体越远离锡盘， 斥力越小，当斥力减弱到与磁铁的 重力相平衡时，就悬浮不动了。高温超

5、导材料的简介高温超导材料的简介观察迈纳斯效应的磁悬浮试验在锡盘上放一条永久磁铁，当温度 低于锡的转变温度时，小磁铁会离 开锡盘飘然升起，升至一定距离后 ，便悬空不动了，这是由于磁铁的 磁力线不能穿过超导体，在锡盘感 应出持续电流的磁场，与磁铁之间 产生了排斥力，磁体越远离锡盘， 斥力越小，当斥力减弱到与磁铁的 重力相平衡时，就悬浮不动了。高温超导材料的简介高温超导材料的简介逐渐增大磁场到达一定值 后，超导体会从超导态变为 正常态，把破坏超导电性所 需的最小磁场称为临界磁场 ，记为Hc。有经验公式：Hc(T)=Hc(0)(1-T2/T c2)正常态HHc(0)Tc临界磁场临界磁场超导态高温超导材

6、料的简介高温超导材料的简介临界电流临界电流超导体无阻载流的能力也 是有限的，当通过超导体中 的电流达到某一特定值时， 又会重新出现电阻，使其产 生这一相变的电流称为临界 电流，记为Ic。目前，常用 电场描述Ic(V) ，即当每厘米 样品长度上出现电压为1V 时所输送的电流。Ic(V)IV失超高温超导材料的简介高温超导材料的简介超导材料的分类： 常规超导体(如Nb-Ti合金)高温超导体(如YBa2Cu3O7-x) 非晶超导材料复合超导材料(如超导线带材料)重费米子超导体(如CeCu2Si2)有机超导材料(如富勒烯等修饰的化合物)超导材料高温超导材料的简介高温超导材料的简介高温超导材料的简介高温超

7、导材料的简介BCS超导理论:（美国科学家巴丁、库 柏和施里弗提出） 库柏对1电子通过声子作为媒介产生相互吸引作用并逐渐 超过库仑斥力，相成束缚对即库柏对。 2 在超导基态各个电子的动量可以不同，但是每 个库柏对却集中在零动量上。2002年，诺贝尔奖得主Laughlin提出Gossamer超导理论。德国马克斯普朗克协会和普林斯顿大学1999年4月宣布，通过中 子散射实验，揭示了高 温超导金属氧化物电子自旋对的特殊行为。高温超导材料的结构特征:层状钙钛结构组元导电层 （铜氧层）Cu-O6八面体Cu-O5四方锥 Cu-O4平面四边形 载流子库层孔穴型电子型调节载流 子浓度提供耦 合机制高温超导材料的

8、简介高温超导材料的简介钇钡铜氧化物（ YBa2Cu3O7-x ) 超导体高温超导材料的例子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 ，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高温超导材料的例子铋锶钙铜氧化物（Bi-Sr-Ca-

9、Cu-O）超导体Bi2Sr2Can-1CunO2n+4 n=1 2201相n=2 2212相n=3 2223相n=4 2234相Cu-O 层Bi2O2层 钙钛矿层高温超导材料的例子高温超导材料的例子Tc100K;Tl-Ba-Ca-Cu系，Tc达到了125K;Hg-Ba-Ca-Cu系，Tc达到了135K, 高压下Tc达到了164K 。-Michael Vershinin, Shashank Misra, et al. Science,303,1995(2004).高温超导材料的例子高温超导材料的例子-Elbio Dagotto. Science,293,2410(2001).铜氧化物和C60超导

10、材料Y系高温氧化物超导体的制备高温超导材料的制备高温超导材料的制备原料(氧化物 或碳酸物)混合化学剂量比 烧结氧化处理熔融织构工艺克服大角晶界块 材带 材离子束辅助沉淀工艺轧制辅助双轴织构衬底工艺薄膜磁控溅射法激光沉淀法高温超导材料的制备高温超导材料的制备Bi系高温氧化物超导带材的制备:原材料 (氧化物或碳酸物)混 合化学剂量比 煅 烧研 磨粉末充管拉 拔Ag管 轧 制热处理压制/轧制热处理重复高温超导材料制备所面临的问题：高温超导材料的制备高温超导材料的制备 材料制造成本高, 价格昂贵。 在长距离超导线材的制造上面仍然 有很大的难度。（氧化物高温超导陶 瓷材料各向异性和短的电子相干长度 以及

11、大量晶界的存在严重影响线材的 超导电性。） 高温超导材料临界电流和临界磁场的 提高仍是科学家研究的难题。-Robert F. Serverce.Science,295,786(2002).高温超导材料的制备高温超导材料的制备-I. Chong, Z. Hiroi,* M. Izumi, J. Shimoyama, et al. Science,276,770(1997).Pb搀杂提高Bi2Sr2CaCu2O8+x的临界电流密度-Maciek Zgirski, Karri-Pekka Riikonen, et al. Nano letters, 5,6(2005)超导材料的最新进展超导材料的最新

12、进展纳米尺度对超导电性的制约作用超导材料的最新进展超导材料的最新进展Yang Guo, Yan-Feng Zhang, Xin-Yu Bao, et al. Science,306,1915(2004).量子尺寸效应对超导临界温度的调制作用 Atomic layersupercurrentsiPbS. Kang, A. Goyal, J. Li, A. A. Gapud, et al. Science, 311, 1911(2006).纳米材料和超导材料的结合超导材料的最新进展超导材料的最新进展超导材料的最新进展超导材料的最新进展-Robert F. Serverce.Science,295,

13、786(2002).2001年1月日本东京青山学院的教授Jun kimitsu宣布了这一发现。MgB2的临界 超导温度Tc=40k.二硼化镁超导材料的新发现超导材料的应用 在电力工程方面的应用超 导输电在原则上可以做到 没有焦耳热的损耗，因而 可节省大量能源；用超导 线圈储存能量在军事上有 重大应用，超导线圈用于 发电机和电动机可以大大 提高工作效率、降低损耗 ，从而导致电工领域的重 大变革. 超导发电机，拥有两万千瓦的功率超导磁流体发电机 超导磁流体发 电机以C-A5飞 机运往莫斯科超导材料的应用 超导技术在交通运输方面 的应用 动用超导体产生的强磁场 可以研制成磁悬浮列车，车 辆不受地面阻

14、力的影响，可 高速运行，车速达500 km/h 以上，若让超导磁悬浮列车 在真空中运行，车速可达1 600 km/h，利用超导体制成 无摩擦轴承，用于发射火箭 ，可将发射速度提高3倍以 上.超导电磁动力船 。此种实验船已于 日本有颇为成功之测试 。超导材料的应用 超导磁浮列车 计划中的加州超导磁浮列车超导材料的应用 超导材料的应用 超导技术在电子工程方面的应用 用超导技术制成各种仪器，具有灵敏度高、噪 声低、反应快、损耗小等特点，如用超导量子干 涉仪可确定地热、石油、各种矿藏的位置和储量 ，并可用于地震预报.超导 量子 干涉 仪超导材料的应用 应用于原子融合之超导科技8 T 阴阳超导磁铁 超导

15、材料的应用 应用超导体制成计算机元件，开关速度可达 到10-12 s，比半导体快1 000倍左右，而 功耗仅为微瓦级，体积比半导体元件小1 000倍.用超导芯片制成超级计算机速度快 、容量大、体积小、功耗低，美国IBM公司 研制的一台运速为8 000万次的超导计算机 ，体积只有电话机那么大.超导材料的应用 高能量粒子超導加速器及碰撞器 （Fig. I-1） CEBAF的 电子质谱仪超导材料的应用 高能量粒子超導加速器及碰撞器 （Fig. I-2） 超导回旋加速 器等离子源超导材料的应用 高能量粒子超導加速器及碰撞器 （Fig. I-3） Axion超导材料的应用 超导技术在生物医疗方面的应用

16、超导磁体在医学上的重要应用是核磁共振成像 技术，可分辨早期肿瘤癌细胞等，还可做心电图 ，脑磁图、肺磁图，研究气功原理等. 核磁共 振断层 扫描仪 与人体 断层扫 描图超导材料的应用 医疗用MRI2.0 T MRI 超导材料的应用 超导材料的应用 医疗用MRI王氏科技公司 1.0 T 开放式MRI超导材料的应用 NMR 可磁共振质谱仪 超导材料的应用 超导技术在军事上的应用 超导储能装置在定向武器上的应用使定向 武器发生飞跃的发展.超导发电机，推进器 在飞机上的应用可大大提高飞机的生存能 力，在航海中的应用，可大大减小甚至没 有噪音，推进速度快，可大大提高舰艇的 生存、作战能力，超导计算机应用于C3I指 挥系统，可使作战指挥能力迅速改善提高 等等.超导材料的应用 超导铣矿磁分离机 （Fig. III-1）Copper Coil 超导材料的应用 应用于高等光源之超导科技（Fig. II-1） Wavelength Shifter 超导材料的应用