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1、超导材料 专 业：材料科学与工程 班 级：材料一班 姓 名：张广宇 学 号：201002040102 指导老师：李峻峰 2013.11.30超导材料摘要：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 ；超导材料 ；临界温度 ；进展Superconducting materialZhang guangyu Abstract：Supercondu
2、cting metal or alloy under the low temperature properties of resistance to zero. Superconducting material is an important active in contemporary materials science frontier, its development will promote the further development of functional materials science. High temperature superconducting material
3、 after nearly 20 years of research and development, has entered the preliminary large-scale practical application and industrialization. With the improvement of critical temperature superconducting materials and materials processing technology development, it will gain important application in many
4、high-tech fields.Key words:superconductivity;superconducting materials;stagnation temperature;trends0引言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。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。超导体另外一个性质是宏观的量子现象。这两个特点，就是超导体最基本的性质。自超导发现至今，超导的研究和超导材料的研制已迅速发展，超导的临界温度已从开始的几开升至几十开甚至一百多开；而且超导材料的物质结构及性质已逐渐研究清楚。近年来
5、，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，已引起全世界的广泛关注。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。超导材料技术是21世纪具有战略意义的高新技术，极具发展潜力和市场前景。世界各主要国家政府纷纷制订相关计划和加大研发投资，推动基础研究和产业化发展，竞争十分激烈。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
6、整个元素周期表，从轻元素硼、锂到过渡重金属铀系列等。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。随着研究的深入，人们已经看到了一个现象：良导体的金属材料随着环境温度降低，电阻是逐渐减小的。1911年，荷兰科学家卡茂林昂纳斯发现汞在4.2K时的零电阻。随后，人们在多种材料中也发现这种特性：在满足临界条件(临界温度T、临界电流 J、临界磁场H)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。这是1933年迈斯纳和奥赫森费耳德同时发现的，同时还发现了迈斯纳效应。零电阻效应和迈斯纳效应是超导态两个独立的基本性质。1.什么是超导超导
7、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。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。超导体另外一个性质是宏观的量子现象。这两个特点，就是超导体最基本的性质。2.超导研究与制备 将超导体冷却到某一临界温度（TC）以下时电阻突然降为零的现象称为超导体的零电阻现象。不同超导体的临界温度各不相同。例如，汞的临界温度为4.15K（K为绝对温度，0K相当于零下273），而高温超导体YBCO的临界温度为94K。 当超导体冷却到临界温度以下而转变为超导态后，只要周围的外加磁场没有强到破坏超导性的程度，超导体就会把穿透到体内的磁力线完
8、全排斥出体外，在超导体内永远保持磁感应强度为零。超导体的这种特殊性质被称为迈斯纳效应。 迈斯纳效应与零电阻现象是超导体的两个基本特性，它们既互相独立，又密切联系。 迈斯纳和奥克森费尔特于1933年发现超导体具有完全抗磁性，即 迈斯纳效应。迈斯纳效应的发现使人们认识到超导体的行为并不是不可逆的。在此之后人们才比较全面地了解了超导体的基本性质。 后来人们还做过这样一个实验：在一个浅平的锡盘中，放入一个体积很小但磁性很强的永久磁体，然后把温度降低，使锡盘出现超导性，这时可以看到，小磁铁竟然离开锡盘表面，慢慢地飘起，悬浮不动。 迈斯纳效应有着重要的意义，它可以用来判别物质是否具有超性。 为了使超导材料
9、有实用性，人们开始了探索高温超导的历程，从1911年至1986年，超导温度由水银的4.2K提高到23.22K（0K=-273.15C；K开尔文温标，起点为绝对零度）。1986年1月发现钡镧铜氧化物超导温度是30K，12月30日，又将这一纪录刷新为40.2K，1987年1月升至43K，不久又升至46K和53K，2月15日发现了98K超导体。高温超导体取得了巨大突破，使超导技术走向大规模应用。在超导的研究史上有着几个不可忽视的重大发现的突破： 2.1约瑟夫森效应 1962年英国物理学家约瑟夫森在研究超导电性的量子特性时提出了量子隧道效应理论，也就是今天人们所说的约瑟夫森效应。该理论认为：电子对能够
10、以隧道效应穿过绝缘层，在势垒两边电压为零的情况下，将产生直流超导电流，而在势垒两边有一定电压时，还会产生特定频率的交流超导电流。在该理论的基础上诞生了一门新的学科-超导电子学。 2.2 NbTi和Nb3Sn 在超导材料的探索过程中，不能不提及的超导材料是NbTi和Nb3Sn。Nb3Sn化合物超导材料于1954年由马赛厄斯等人发现，而NbTi合金具有超导电性则于1961年由孔茨勒发现。它们是目前应用最为广泛的两种超导材料。至今，用NbTi合金线材绕制一个8T的超导磁体，用Nb3Sn化合物线材绕制一个15T的超导磁体已经不存在任何的技术问题。 2.3 高温超导体 为了使超导材料有实用性，人们开始了
11、探索高温超导的历程，二十世纪八十年代是超导电性的探索与研究的黄金年代。1981年合成了有机超导体，1986年缪勒和柏诺兹发现了一种成分为钡、镧、铜、氧的陶瓷性金属氧化物LaBaCuO4，其临界温度约为35K。由于陶瓷性金属氧化物一般来说是绝缘物质，因此这个发现意义非常重大，他们获得了1987年的诺贝尔物理学奖。1987年在超导材料的探索中又有新的突破，美国休斯顿大学物理学家朱经武小组与中国科学院物理研究所赵忠贤等人先后宣布制成临界温度约为90K的超导材料YBCO。1988年初日本宣布制成临界温度达110K的Bi-Sr-Ca-Cu-O超导体。至此，实现了科学史上的重大突破。这类超导体由于其临界温
12、度在液氮温度（77K）以上，因此被称为高温超导体。 高温超导体取得了巨大突破，使超导技术走向大规模应用。 自从高温超导材料发现以后，一阵超导热席卷了全球。科学家还发现铊系化合物超导材料的临界温度可达125K，汞系化合物超导材料的临界温度则可达135K。如果将汞置于高压条件下，其临界温度将能达到难以置信的164K。1997年，研究人员发现，金铟合金在接近绝对零度时既是超导体同时也是磁体。1999年科学家发现钌铜化合物在45K时具有超导电性。由于该化合物独特的晶体结构，它在计算机数据存贮中的应用潜力将非常巨大。 3.超导的分类 目前已查明在常压下具有超导电性的元素金属有32种，而在高压下或制成薄膜
13、状时具有超导电性的元素金属有14种。 超导体方可以分为两类：第一类超导体和第二类超导体。第I类超导体主要包括一些在常温下具有良好导电性的纯金属，如铝、锌、镓、镉、锡、铟等，该类超导体的溶点较低、质地较软，亦被称作软超导体。其特征是由正常态过渡到超导态时没有中间态，并且具有完全抗磁性。第I类超导体由于其临界电流密度和临界磁场较低，因而没有很好的实用价值。除金属元素钒、锝和铌外，第II类超导体主要包括金属化合物及其合金。第II类超导体根据其是否具有磁通钉扎中心而分为理想第II类超导体和非理想第II类超导体。 理想第II类超导体的晶体结构比较完整，不存在磁通钉扎中心，并且当磁通线均匀排列时，在磁通线
14、周围的涡旋电流将彼此抵消，其体内无电流通过，从而不具有高临界电流密度。非理想第II类超导体的晶体结构存在缺陷，并且存在磁通钉扎中心，其体内的磁通线排列不均匀，体内各处的涡旋电流不能完全抵消，出现体内电流，从而具有高临界电流密度。在实际上，真正适合于实际应用的超导材料是非理想第II类超导体。4.超导的应用 超导现象自从20世纪初被发现以来，就以其独特的魅力持续不断的吸引着广大科学家的关注，这不仅因为它能完美地展示物理学的一些重要规律，更重要的是它具有很多应用领域可以开拓，超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。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。 综合目前超导技术的发展情况，超导技术可以在以下行业得到应用和拓展： 4.1电力 超导技术与电力技术的结合将给电力行业的发、输、配电带来革命性的改变，电力行业是超导产业最重要的应用场所与市场。4.2医疗 核磁共振人体成像仪（MRI）： 4.3运输 磁悬浮列车： 4.4军工 高精度
