功能金属材料超导材料课件

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1、第二章第二章 超导材料超导材料第一节第一节 超导现象及超导材料的基本性质超导现象及超导材料的基本性质第二节第二节 超导体的理论基础和微观机制超导体的理论基础和微观机制第三节第三节 超导材料的种类及其性能超导材料的种类及其性能第四节第四节 超导材料的应用超导材料的应用内容：内容：功能金属材料超导材料课件功能金属材料超导材料课件19111911年，荷兰物理学家昂纳斯发现汞的直年，荷兰物理学家昂纳斯发现汞的直年，荷兰物理学家昂纳斯发现汞的直年，荷兰物理学家昂纳斯发现汞的直流电阻在流电阻在流电阻在流电阻在4.2K4.2K时突然消失，首次观察到超时突然消失，首次观察到超时突然消失，首次观察到超时突然消失

2、，首次观察到超导电性。导电性。导电性。导电性。功能金属材料超导材料课件第一节第一节 超导现象及超导材料的基本性质超导现象及超导材料的基本性质超导材料超导材料一、超导体的基本物理现象一、超导体的基本物理现象（1 1）零电阻效应）零电阻效应图图2.1电阻率电阻率与温度与温度T的关系的关系1纯金属晶体纯金属晶体2含杂质和缺陷的金属晶体含杂质和缺陷的金属晶体3超导体超导体正常态正常态温度温度高于高于Tc的状态；的状态；超导态超导态温度温度低于低于Tc的状态。的状态。功能金属材料超导材料课件如果将这种导线做如果将这种导线做成闭合电路，电流就可成闭合电路，电流就可以永无休止地流动下去。以永无休止地流动下去

3、。确实也有人做了：将一确实也有人做了：将一个铅环冷却到个铅环冷却到7.25K以以下，用磁铁在铅环中感下，用磁铁在铅环中感应出几百安培的电流，应出几百安培的电流，从从1954年年3月月16日直到日直到1956年年9月月5日，铅环中日，铅环中的电流不停流动，数值的电流不停流动，数值也没有变化。也没有变化。功能金属材料超导材料课件超导体中有电流而没有电阻，说明超导超导体中有电流而没有电阻，说明超导体是等电位的，超导体内没有电场。体是等电位的，超导体内没有电场。Onnes由于在超导方面的卓越贡献，获由于在超导方面的卓越贡献，获得了得了1913年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。注：无论哪一种超导体，只

4、有当温度降注：无论哪一种超导体，只有当温度降低到一定数值时，才会发生超导现象。从正低到一定数值时，才会发生超导现象。从正常电阻转变为零电阻的温度称为超导临界温常电阻转变为零电阻的温度称为超导临界温度度Tc。功能金属材料超导材料课件我国目前我国目前15的电能损耗在输电线路上，达的电能损耗在输电线路上，达900多亿千瓦时多亿千瓦时。将将超导电缆超导电缆放在绝缘、绝热的冷却管里，管放在绝缘、绝热的冷却管里，管里盛放冷却介质，如里盛放冷却介质，如液氦液氦等，保证整条输电线路等，保证整条输电线路都在超导状态下运行。这样的超导输电电缆比普都在超导状态下运行。这样的超导输电电缆比普通的地下电缆通的地下电缆容

5、量大容量大25倍倍，可以传输可以传输几万安培的几万安培的电流电流，电能消耗仅为所输送电能的电能消耗仅为所输送电能的万分之几万分之几。功能金属材料超导材料课件超导电缆超导电缆功能金属材料超导材料课件我国第一组超导电缆并网运行我国第一组超导电缆并网运行输电能力增数倍输电能力增数倍荆楚网消息（楚天金报）据新华社电荆楚网消息（楚天金报）据新华社电由国产超导线材制造的我国第一组超导由国产超导线材制造的我国第一组超导电缆，电缆，10日在昆明正式并网运行，昆明西北地区的几万户居民和多个工业企业开日在昆明正式并网运行，昆明西北地区的几万户居民和多个工业企业开始用上了通过超导电缆传输的电力。这标志着继美国、丹麦

6、之后，我国成为世界始用上了通过超导电缆传输的电力。这标志着继美国、丹麦之后，我国成为世界上第三个将超导电缆投入电网运行的国家。上第三个将超导电缆投入电网运行的国家。据悉，这组超导电缆于据悉，这组超导电缆于4月月19日在昆明普吉变电站投入运行，两个多月来经受日在昆明普吉变电站投入运行，两个多月来经受了多种气象条件的考验，运行状态良好，其部分性能指标优于目前已并网运行的了多种气象条件的考验，运行状态良好，其部分性能指标优于目前已并网运行的美国和丹麦的高温超导电缆。使用超导电缆传输电力，运行总损耗仅为常规电缆美国和丹麦的高温超导电缆。使用超导电缆传输电力，运行总损耗仅为常规电缆的的50%至至60%，

7、传输电力的能力是传统常规电缆的，传输电力的能力是传统常规电缆的3至至5倍。所以使用超导电缆还倍。所以使用超导电缆还可以节约输电系统的占地面积和空间，节省大量宝贵的土地资源。可以节约输电系统的占地面积和空间，节省大量宝贵的土地资源。该超导电缆的并网运行，表明我国在该领域的技术趋于成熟。超导电缆有利于该超导电缆的并网运行，表明我国在该领域的技术趋于成熟。超导电缆有利于提高我国电网的安全性和可靠性。其长距离大容量输电的优势，将为我国提高我国电网的安全性和可靠性。其长距离大容量输电的优势，将为我国“西电西电东送东送”提供支持。提供支持。功能金属材料超导材料课件世界第一个高温超导输电系统部署完成世界第一

8、个高温超导输电系统部署完成2008年7月2号，美国超导公司正式在一个商业电网中部署了世界上第一个高温超导输电系统。超导体能够快速、高效并且轻松地传输大量电力。相比同样粗细的铜导线，他们的输电能力高达150倍，但因为技术困难，超导体输电的商业应用发展缓慢。上周部署的这个系统收到了美国能源部的资助，是长岛电力局电网的一部分，由三根138千伏的电缆组成。它于2008年4月开始通电，在满负荷运转时能够满足30万户家庭的用电需求。然而要在电网中用超导体完全取代铜导线，目前仍然有一些技术障碍，最关键的问题是费用。现在在长岛运行的第一代电缆十分昂贵，因为它们都镀上了一层银。第二代镀铜导线能够省下五分之四的费

9、用，但才刚刚进入实验阶段。功能金属材料超导材料课件然而要在电网中用超导体完全取代铜导线，目前仍然有一些然而要在电网中用超导体完全取代铜导线，目前仍然有一些技术技术障碍，最障碍，最关键的问题是费用。现在在长岛运行的第一代电缆十分昂贵，因为它们都关键的问题是费用。现在在长岛运行的第一代电缆十分昂贵，因为它们都镀上了一层银。第二代镀铜导线能够省下五分之四的费用，但才刚刚进入镀上了一层银。第二代镀铜导线能够省下五分之四的费用，但才刚刚进入实验阶段。实验阶段。美国超导公司美国超导公司CEOGregYurek声称在长期看来，超导体传输电缆的费声称在长期看来，超导体传输电缆的费用将会低于增加新的地上铜电缆。

10、埋在地下的一条超导电缆就能够代替一用将会低于增加新的地上铜电缆。埋在地下的一条超导电缆就能够代替一套架在空中的传统铜电缆，长岛的超导电缆是通过一条宽一米左右的通道套架在空中的传统铜电缆，长岛的超导电缆是通过一条宽一米左右的通道进入地下的。进入地下的。超导电缆的另一部分费是用来将它们保持在一个很低的温度的，所谓超导电缆的另一部分费是用来将它们保持在一个很低的温度的，所谓的高温超导电缆，实际上运行在的高温超导电缆，实际上运行在65至至75开尔文之间（大概开尔文之间（大概-210摄氏度到摄氏度到-200摄氏度），已经是对之前几开尔文的温度下传统超导体的突破。而这摄氏度），已经是对之前几开尔文的温度下

11、传统超导体的突破。而这些超导体是通过液态氮来维持低温的。些超导体是通过液态氮来维持低温的。美国超导公司希望使公用事业部门相信他们的美国超导公司希望使公用事业部门相信他们的技术技术就是电力输送的未就是电力输送的未来方向。来方向。除了除了经济经济性，该公司宣传的另一个优点是这种电缆能够防止由电网短性，该公司宣传的另一个优点是这种电缆能够防止由电网短路造成的故障电流。超导体有一种天生的电流限制能力，一旦电流增强到路造成的故障电流。超导体有一种天生的电流限制能力，一旦电流增强到一定程度，它们就会失去超导性而变得像普通导体一样有电阻，使电流衰一定程度，它们就会失去超导性而变得像普通导体一样有电阻，使电流

12、衰减。减。美国超导公司现在正在联合爱迪生公司合作开发纽约的超导输电故障美国超导公司现在正在联合爱迪生公司合作开发纽约的超导输电故障电流限制系统，预计电流限制系统，预计2010年进入运行，美国国土安全部为该项目提供了补年进入运行，美国国土安全部为该项目提供了补助。助。功能金属材料超导材料课件图：细小的超导体（右）与常规的铜导线（左）图：细小的超导体（右）与常规的铜导线（左）功能金属材料超导材料课件制制造造超超导导通通信信电电缆缆。人人们们对对通通信信电电缆缆的的主主要要要要求求是是信信号号传传递递准准确确、迅迅速速、容容量量大大、重重量量轻轻，超超导导通通信信电电缆缆正正好好能能满满足足上上述述

13、要要求求。因因为为超超导导通通信信电电缆缆的的电电阻阻接接近近于于零零，允允许许用用较较小小截截面面的的电电缆缆进进行行话话路路更更多多的的通通信信，因因此此节节约约材材料料，降降低低电电缆缆自自重重。更更重重要要的的是是超超导导通通信信电电缆缆基基本本上上没没有有信信号号的的衰衰减减，不不论论距距离离远远近近，接接收收方方都都能能准准确确无无误误地地收收到到发发出出方方发发出出的的信信号号，所所以以在在线线路路上上不不必必增增设设中中间间放放大大器器，就就能能进进行行远远距距离通信。离通信。功能金属材料超导材料课件超导材料超导材料（2 2）迈斯纳效应（完全抗磁性）迈斯纳效应（完全抗磁性） 只

14、要超导体材料的温度低于临界温度而进入超只要超导体材料的温度低于临界温度而进入超导态后，超导材料就会将磁力线完全排斥于体外，导态后，超导材料就会将磁力线完全排斥于体外，因此，其体积内的磁感应强度总为零，这种现象因此，其体积内的磁感应强度总为零，这种现象称为称为“迈斯纳效应迈斯纳效应”图图2.2迈斯纳效应迈斯纳效应第一节第一节 超导现象及超导材料的基本性质超导现象及超导材料的基本性质功能金属材料超导材料课件不论在进入超导态之前金属体内有没有不论在进入超导态之前金属体内有没有磁感应线，当它进入超导态后，只要外磁感应线，当它进入超导态后，只要外磁场磁场|B0|小于临界磁场小于临界磁场Bc，超导体内磁超

15、导体内磁感应强度总是等于零，即感应强度总是等于零，即B=B0+ 0M=0由此求得金属在超导电状态的磁化率为由此求得金属在超导电状态的磁化率为 = 0M/ B0 =-1由此可见，超导体是一个由此可见，超导体是一个“完全的逆磁完全的逆磁体体”。超导态是一个热力学平衡的状态，。超导态是一个热力学平衡的状态，同怎样进入超导态的途径无关。同怎样进入超导态的途径无关。功能金属材料超导材料课件超导材料超导材料二、超导体的临界参数二、超导体的临界参数1 1、临界温度、临界温度Tc图图2.3超导转变温度展宽示意图超导转变温度展宽示意图（1）起始转变温度）起始转变温度Tc(onset)（2）零电阻温度）零电阻温度

16、Tc(n=0)（3）转变温度宽）转变温度宽Tc（4）中间临界温度宽）中间临界温度宽Tc(mid)第一节第一节 超导现象及超导材料的基本性质超导现象及超导材料的基本性质功能金属材料超导材料课件超导材料超导材料2 2、临界磁场、临界磁场H Hc c 3 3、临界电流、临界电流I Ic c 4 4、三个临界参数的关系、三个临界参数的关系图图2.4三个临界参数的关系三个临界参数的关系第一节第一节 超导现象及超导材料的基本性质超导现象及超导材料的基本性质功能金属材料超导材料课件超导材料超导材料三、两类超导体的基本特征三、两类超导体的基本特征1 1、第一类超导体、第一类超导体图图2.5第一类超导体的磁化曲

17、线第一类超导体的磁化曲线Hc和和Ic很低，几乎没有很低，几乎没有实用的可能性实用的可能性第一节第一节 超导现象及超导材料的基本性质超导现象及超导材料的基本性质功能金属材料超导材料课件超导材料超导材料2 2、第二类超导体、第二类超导体图图2.6第二类超导体的第二类超导体的M-H曲线曲线第一节第一节 超导现象及超导材料的基本性质超导现象及超导材料的基本性质功能金属材料超导材料课件超导材料超导材料图图2.7磁通线的三角形点阵排列磁通线的三角形点阵排列第一节第一节 超导现象及超导材料的基本性质超导现象及超导材料的基本性质功能金属材料超导材料课件第二节第二节 超导电性的理论基础和微观机制超导电性的理论基

18、础和微观机制超导材料超导材料一、唯象理论一、唯象理论1 1、超导体的热力学理论、超导体的热力学理论二流体模型二流体模型（1 1）超导体的热力学性质）超导体的热力学性质 超导体由常态转变为超导态时超导体由常态转变为超导态时 样品发生了一定的样品发生了一定的有序化有序化 比热容发生了突变，电子热比热容发生了突变，电子热容发生了容发生了C C的变化的变化熵减小熵减小 形成某种额外的的形成某种额外的的电子有序电子有序（2 2）二流体模型：）二流体模型：包括以下三个假设：包括以下三个假设：功能金属材料超导材料课件超导材料超导材料( (a)a)超导体超导态时，传导电子分为两部分，一部分叫超导体超导态时，传

19、导电子分为两部分，一部分叫常导电子，另一部分叫超流电子，两种电子占据同一常导电子，另一部分叫超流电子，两种电子占据同一体积，彼此独立运动，在空间上互相渗透；体积，彼此独立运动，在空间上互相渗透；( (b)b)常导电子的导电规律和常规导体一样，受晶格振常导电子的导电规律和常规导体一样，受晶格振动而散射，因而产生电阻，对热力学熵有贡献。动而散射，因而产生电阻，对热力学熵有贡献。( (c)c)超流电子处于某种凝聚状态，即凝聚到某一低能超流电子处于某种凝聚状态，即凝聚到某一低能态，所以超导态是比正常态更加有序的状态。超导态，所以超导态是比正常态更加有序的状态。超导中的电子不受晶格散射，又因为超导态是低

20、能量状中的电子不受晶格散射，又因为超导态是低能量状态，所以超流电子对熵没有贡献。态，所以超流电子对熵没有贡献。2 2、超导体的电磁理论、超导体的电磁理论伦敦方程伦敦方程第二节第二节 超导电性的理论基础和微观机制超导电性的理论基础和微观机制功能金属材料超导材料课件1935年，伦敦兄弟提出，超导电子产生年，伦敦兄弟提出，超导电子产生的电流密度为的电流密度为js+(nse*2/m*)A=0式中：超导电子的电荷为式中：超导电子的电荷为- e*，有效质有效质量为量为m*，浓度为浓度为ns ， A为超导电子运动为超导电子运动的矢势的矢势 。利用伦敦方程可以得到利用伦敦方程可以得到穿透深度穿透深度 L=（m

21、*/ 0 nse*2 ）1/2对于大多数超导电性的金属元素，穿透对于大多数超导电性的金属元素，穿透深度约为深度约为10-810-7米。米。第二节第二节 超导电性的理论基础和微观机制超导电性的理论基础和微观机制超导材料超导材料功能金属材料超导材料课件穿透深度的变化实际上说明超导电流的穿透深度的变化实际上说明超导电流的电子数电子数ns并不是固定的，在接近并不是固定的，在接近0K时最时最大，随温度增加而减小，到转变温度时，大，随温度增加而减小，到转变温度时，ns减小到减小到0。由于在表层流动的超导电流对外磁场起由于在表层流动的超导电流对外磁场起屏蔽作用，才使超导体具有完全的逆磁屏蔽作用，才使超导体具

22、有完全的逆磁性。通常将表层的超导电流称为逆磁电性。通常将表层的超导电流称为逆磁电流或屏蔽电流。流或屏蔽电流。第二节第二节 超导电性的理论基础和微观机制超导电性的理论基础和微观机制超导材料超导材料功能金属材料超导材料课件临界温度临界温度Tc依赖于同位素质量的现象。当依赖于同位素质量的现象。当M时，时， Tc应趋于零，没有超导电性。应趋于零，没有超导电性。当原子质量当原子质量M趋于无限大时，晶格原子就不可趋于无限大时，晶格原子就不可能运动，当然不会有晶格振动了，能运动，当然不会有晶格振动了，由此可知：电子由此可知：电子-晶格振动的相互作用是超导晶格振动的相互作用是超导电性的根源。电性的根源。第二节

23、第二节 超导电性的理论基础和微观机制超导电性的理论基础和微观机制超导材料超导材料二、超导的微观图像与机制二、超导的微观图像与机制1 1、同位素效应、同位素效应功能金属材料超导材料课件超导材料超导材料2 2、电子声子相互作用、电子声子相互作用图图2.8电子使离子产生位移，电子使离子产生位移，从而吸引其它电子从而吸引其它电子第二节第二节 超导电性的理论基础和微观机制超导电性的理论基础和微观机制晶体中电子是处于晶体中电子是处于正离子组成的晶格正离子组成的晶格环境中，带负电荷环境中，带负电荷的电子吸引正离子的电子吸引正离子向它靠拢；于是在向它靠拢；于是在电子周围又形成正电子周围又形成正电荷聚集的区域，

24、电荷聚集的区域，它又吸引附近的电它又吸引附近的电子。子。电子间通过交换声电子间通过交换声子能够产生吸引作子能够产生吸引作用。用。功能金属材料超导材料课件当电子间有净的吸引作用时，费密面附当电子间有净的吸引作用时，费密面附近的两个电子将形成束缚的电子对的状近的两个电子将形成束缚的电子对的状态，它的能量比两个独立的电子的总能态，它的能量比两个独立的电子的总能量低，这种电子对状态称为量低，这种电子对状态称为库柏对库柏对。考虑到电子的自旋，最佳的配对方式是考虑到电子的自旋，最佳的配对方式是动量相反同时自旋相反的两个电子组成动量相反同时自旋相反的两个电子组成库柏对。库柏对。第二节第二节 超导电性的理论基

25、础和微观机制超导电性的理论基础和微观机制超导材料超导材料3 3、库柏（、库柏（Cooper)Cooper)电子对电子对功能金属材料超导材料课件第二节第二节 超导电性的理论基础和微观机制超导电性的理论基础和微观机制超导材料超导材料库柏对之间通过交换声子耦合在一起，拆库柏对之间通过交换声子耦合在一起，拆散一个库柏对，产生两个正常态电子需要散一个库柏对，产生两个正常态电子需要外界提供能量外界提供能量。库柏对吸收能量变成两个库柏对吸收能量变成两个独立的正常电子的过程称为独立的正常电子的过程称为准粒子激发准粒子激发。由于受热激发，有一些由于受热激发，有一些库柏对被拆开成为库柏对被拆开成为正常电子，这样就

26、使得超导体内有两种载正常电子，这样就使得超导体内有两种载流子：流子：超导电子超导电子和被激发到能隙之上单粒和被激发到能隙之上单粒子态中的子态中的正常正常电子电子。这正赋予了二流体模。这正赋予了二流体模型新的意义。型新的意义。功能金属材料超导材料课件在常温下，金属原子失去外层电子成为正离在常温下，金属原子失去外层电子成为正离子规则排列在晶格的结点上作微小振动。自由电子规则排列在晶格的结点上作微小振动。自由电子无序地充满在正离子周围。在电压作用下，自子无序地充满在正离子周围。在电压作用下，自由电子的定向运动就成为电流。自由电子在运动由电子的定向运动就成为电流。自由电子在运动中受到的阻碍称为电阻。中

27、受到的阻碍称为电阻。当超导临界温度以下时，自由电子将不再完当超导临界温度以下时，自由电子将不再完全无序地全无序地“单独行动单独行动”，由于晶格的振动，会形，由于晶格的振动，会形成成“电子对电子对”（即（即“库珀电子对库珀电子对”）。温度愈低，）。温度愈低，结成的电子对愈多，电子对的结合愈牢固，不同结成的电子对愈多，电子对的结合愈牢固，不同电子对之间相互的作用力愈弱。在电压的作用下，电子对之间相互的作用力愈弱。在电压的作用下，这种有秩序的电子对按一定方向畅通无阻地流动这种有秩序的电子对按一定方向畅通无阻地流动起来。如下图：起来。如下图：可以这样简单地理解：可以这样简单地理解：功能金属材料超导材料

28、课件功能金属材料超导材料课件 当温度升高后，电子对因受热运动当温度升高后，电子对因受热运动的影响而遭到破坏，就失去了超导性。的影响而遭到破坏，就失去了超导性。 以上就是由以上就是由J BardeenJ Bardeen、L N L N CooperCooper、J R SchriefferJ R Schrieffer在在19571957年提年提出的著名的出的著名的BCSBCS理论，它表现了目前许理论，它表现了目前许多科学家对超导现象的理解，但这并多科学家对超导现象的理解，但这并不是最终答案，高温超导体的发现又不是最终答案，高温超导体的发现又需要人们进一步探索超导的奥秘。需要人们进一步探索超导的奥

29、秘。功能金属材料超导材料课件Bardeen,Cooper,SchriefferTheory(1957)功能金属材料超导材料课件超导材料超导材料4 4、超导能隙、超导能隙图图2.9绝对零度下的电子能谱绝对零度下的电子能谱第二节第二节 超导电性的理论基础和微观机制超导电性的理论基础和微观机制超导体能隙作为温度的函数超导体能隙作为温度的函数功能金属材料超导材料课件超导材料超导材料5 5、BCSBCS超导微观理论超导微观理论核心核心：（1）电子间的相互作用形成的库柏电子对会导致能）电子间的相互作用形成的库柏电子对会导致能隙存在。超导体临界场、热学性质及大多数电磁性质隙存在。超导体临界场、热学性质及大多

30、数电磁性质都是这种电子配对的结果都是这种电子配对的结果（2）元素或合金的超导转变温度与费米面附近电子）元素或合金的超导转变温度与费米面附近电子能态密度能态密度N（EF）和电子声子相互作用能和电子声子相互作用能U有关。有关。第二节第二节 超导电性的理论基础和微观机制超导电性的理论基础和微观机制功能金属材料超导材料课件隧隧道道效效应应：在微观世界中，电子具有穿过比其自身能量还要高的势垒的本领的量子效应。当然，穿透几率随势垒的高度和宽度的增加而迅速减小。如果在两块Al之间夹入一层很薄的势垒（绝缘层为Al2O3，厚度约10-10m），当在两块Al之间加上电势差后，就有电流流过绝缘层，这就是正常金属的隧

31、道效应。三、超导隧道效应三、超导隧道效应功能金属材料超导材料课件经典经典量子量子隧道隧道效应效应UEUEU功能金属材料超导材料课件如果其中的Al进入超导态，就称为约约瑟夫森结（下图）瑟夫森结（下图）。1962年，剑桥大学的博士后约瑟夫森（BDJosephson）理论计算表明，当绝缘层小于1.5210-9m时，除了前面所述的正常电子的隧道电流外，还会出现一种与库珀电子对相联系的隧道电流，而且库珀电子对穿越势垒后，仍仍保保持持其其配配对对的的形形式式。这种不同于单电子隧道效应的新现象，称为约瑟夫森效应。约瑟夫森效应。功能金属材料超导材料课件约瑟夫森结约瑟夫森结超导体超导体功能金属材料超导材料课件

32、通通过过计计算算表表明明，当当绝绝缘缘层层小小于于1.52um时时，除除了了前前面面所所述述的的正正常常电电子子的的隧隧道道电电流流外外，还还会会出出现现一一种种与与库库珀珀电电子子对对相相联联系系的的隧隧道道电电流流，而而且且库库珀珀电电子子对对穿穿越越势势垒垒后后，仍仍保保持持其其配配对对的的形形式式。这这种种不不同同于于单单电电子子隧隧道道效效应应的的新新现现象象，称称为为约约瑟瑟夫夫森效应。森效应。功能金属材料超导材料课件超导材料超导材料图图2.10正常金属正常金属N、绝缘层绝缘层I和超导体和超导体S组成的结组成的结第二节第二节 超导电性的理论基础和微观机制超导电性的理论基础和微观机制

33、功能金属材料超导材料课件超导材料超导材料图图2.11不同情形下的电流电压曲线不同情形下的电流电压曲线a-被氧化层隔开的正常金属结的电流电压关系被氧化层隔开的正常金属结的电流电压关系b-被氧化层隔开的正常金属与超导体结的电流电压关系被氧化层隔开的正常金属与超导体结的电流电压关系第二节第二节 超导电性的理论基础和微观机制超导电性的理论基础和微观机制功能金属材料超导材料课件超导约瑟夫森元件示意图超导约瑟夫森元件示意图第二节第二节 超导电性的理论基础和微观机制超导电性的理论基础和微观机制超导材料超导材料功能金属材料超导材料课件超导量子干涉器（超导量子干涉器（SQUIDSQUID）和它的和它的生医应用生

34、医应用流极大；为磁通量子的半整数倍半整数倍时，电流极小。由于磁通量子值很小，而且明显地和电流有关，所以可以用该设备测量弱磁场和弱电流弱磁场和弱电流。两个约瑟夫森结用超导通路并联起来，构成超导量子干涉器。通过这一器件的总电流决定于穿过总电流决定于穿过环路的磁通量环路的磁通量：磁通量为磁通量子的整数倍整数倍时，电功能金属材料超导材料课件功能金属材料超导材料课件人体中不仅存在着生物电，也存在着生物磁生物磁。超导量子干涉器优点：（1）非非接接触触测测量量。可监视人体内的直流电效应（在人体直流电压测量中常常被接触电势和表面电势接触电势和表面电势所掩盖）；（2）给出某些电测量无法给出的人体内部信息。人体内

35、部组织有了损伤，就会产生损伤电流损伤电流，可用体外磁场测定；（3）还可以探测与人体电位无关的磁性变化，而提供更多的医疗信息。功能金属材料超导材料课件为什么生物磁的研究远远落后于生物电的研究呢?因为生物磁极其微弱（10101013特特斯斯拉拉），开始还没有检测如此低磁场强度的检测手段。用超导量子干涉现象所制成的磁磁强强计计，可以探测到1015特斯拉的磁场变化，极大地促进了生物磁学的进程。1970年首次应用超导量子干涉仪测出人体完善的心磁图心磁图，打开了生物磁的窗口。使用磁强计可以不取肝样而准确地测量肝中含铁浓度。对脑神经磁场的研究能探测脑瘤的存在。功能金属材料超导材料课件已经发现近已经发现近30

36、种单质和几千种合金及化合物具有超导现象。种单质和几千种合金及化合物具有超导现象。但绝大多数超导材料的临界温度是难以达到的超低温，限制了超但绝大多数超导材料的临界温度是难以达到的超低温，限制了超导材料的应用。因此，超导材料的发展过程很大程度上就是研制导材料的应用。因此，超导材料的发展过程很大程度上就是研制高温超导体的过程。高温超导体的过程。1986年年,德国科学家柏诺兹德国科学家柏诺兹GeorgBednorz和和瑞士科学家瑞士科学家弥勒弥勒AlexMller发现了第一个钡镧铜氧化物高温超导体发现了第一个钡镧铜氧化物高温超导体,（La1.85Ba0.15CuO4La1.85Ba0.15CuO4，其

37、转变温度其转变温度“高达高达”35”35K K！）使超导转变）使超导转变温度提升到了液氮温区温度提升到了液氮温区,从而为超导研究带来了一场新的革命。从而为超导研究带来了一场新的革命。高温超导（非常规超导）的发现立即激起了全世界科学家的强烈高温超导（非常规超导）的发现立即激起了全世界科学家的强烈兴趣。兴趣。他们于他们于19881988年获得了诺贝尔物理奖（大概是历史上，从作年获得了诺贝尔物理奖（大概是历史上，从作出工作到获得奖之间隔最短的。从而也引发了许多争论）。出工作到获得奖之间隔最短的。从而也引发了许多争论）。在紧接下来的几年在紧接下来的几年,不同的高温超导体系相继被发现不同的高温超导体系相

38、继被发现,超超导温度也迅速攀升至导温度也迅速攀升至160K(0oC=273.15K)。然而不幸的是高温然而不幸的是高温超导的机理至今仍然是一个谜。超导的机理至今仍然是一个谜。第三节第三节 超导材料的种类及其性能超导材料的种类及其性能功能金属材料超导材料课件Mller&BednorzHighTemperatureSuperconductors(1986)功能金属材料超导材料课件0K:Allmotionceases100oC=373K0oC=273K-145oC=138K“High”TemperatureSuperconductors77KAir(Nitrogen)liquifies4KHeliu

39、mliquifiesKelvinTemperatureScale功能金属材料超导材料课件第三节第三节 超导材料的种类及其性能超导材料的种类及其性能 在在l986l986年之前，由于当时己知的所有超导体都年之前，由于当时己知的所有超导体都要在液氯冷却的条件下才能要在液氯冷却的条件下才能“工作工作”，这些不利因，这些不利因素给超导技术的实际应用范围带来了很多限制。因素给超导技术的实际应用范围带来了很多限制。因此，关于如何提高材料的此，关于如何提高材料的TcTc以及寻求高以及寻求高TcTc材料，一材料，一直是科学家们的研究课题。下图列出了人们探索提直是科学家们的研究课题。下图列出了人们探索提高超导转

40、变温度的历程。高超导转变温度的历程。功能金属材料超导材料课件1986年年12月，中国科学院的赵忠贤研究组获得月，中国科学院的赵忠贤研究组获得了临界温度为了临界温度为48.6K的锶镧铜氧化物。（可能是最接的锶镧铜氧化物。（可能是最接近诺贝尔奖了）近诺贝尔奖了）1987年年2月，美籍华裔科学家、美国休斯顿大学月，美籍华裔科学家、美国休斯顿大学的朱经武教授获得了起始转变温度为的朱经武教授获得了起始转变温度为90K的高温超导的高温超导陶瓷。陶瓷。1987年年3月，中国科学院宣布发现了起始转变温月，中国科学院宣布发现了起始转变温度为度为93K的的8种钇钡铜氧化物。种钇钡铜氧化物。1988年，中国科学院发

41、现了超导临界温度为年，中国科学院发现了超导临界温度为120K的钛钡钙铜氧化物。的钛钡钙铜氧化物。这些成就显示了我国高温超导材料的研究已经这些成就显示了我国高温超导材料的研究已经处于国际前列。处于国际前列。功能金属材料超导材料课件第三节第三节 超导材料的种类及其性能超导材料的种类及其性能功能金属材料超导材料课件第三节第三节 超导材料的种类及其性能超导材料的种类及其性能 相对于氧化物高温超导体而言，元素、合金和化相对于氧化物高温超导体而言，元素、合金和化相对于氧化物高温超导体而言，元素、合金和化相对于氧化物高温超导体而言，元素、合金和化合物超导体的超导转变温度较低合物超导体的超导转变温度较低合物超

42、导体的超导转变温度较低合物超导体的超导转变温度较低(Tc(Tc(Tc(Tc30K)30K)30K)30K)，其超导，其超导，其超导，其超导机理基本上能在机理基本上能在机理基本上能在机理基本上能在BCSBCSBCSBCS理论的框架内进行解释，因而通理论的框架内进行解释，因而通理论的框架内进行解释，因而通理论的框架内进行解释，因而通常又枝称为常规超导体或传统超导体。常又枝称为常规超导体或传统超导体。常又枝称为常规超导体或传统超导体。常又枝称为常规超导体或传统超导体。一、元素超导体一、元素超导体已发现的超导元素近已发现的超导元素近已发现的超导元素近已发现的超导元素近5050种，如下图所示。除一些元素

43、种，如下图所示。除一些元素种，如下图所示。除一些元素种，如下图所示。除一些元素在常压及高压下具有超导电性外，另部分元素在经过在常压及高压下具有超导电性外，另部分元素在经过在常压及高压下具有超导电性外，另部分元素在经过在常压及高压下具有超导电性外，另部分元素在经过持殊工艺处理持殊工艺处理持殊工艺处理持殊工艺处理( (如制备成薄膜，电磁波辐照，离子注入如制备成薄膜，电磁波辐照，离子注入如制备成薄膜，电磁波辐照，离子注入如制备成薄膜，电磁波辐照，离子注入等等等等) )后显示出超导电性。其中后显示出超导电性。其中后显示出超导电性。其中后显示出超导电性。其中NbNb的的的的TcTc最高最高最高最高(9.

44、2K)(9.2K)，与一，与一，与一，与一些合金超导体相接近，而制备工艺要简单得多。些合金超导体相接近，而制备工艺要简单得多。些合金超导体相接近，而制备工艺要简单得多。些合金超导体相接近，而制备工艺要简单得多。功能金属材料超导材料课件周期表中的超导元素周期表中的超导元素周期表中的超导元素周期表中的超导元素功能金属材料超导材料课件第三节第三节 超导材料的种类及其性能超导材料的种类及其性能超导材料超导材料表表2.1一些元素的超导转变温度一些元素的超导转变温度功能金属材料超导材料课件第三节第三节 超导材料的种类及其性能超导材料的种类及其性能 具有超导电性的合金及化合物多达几千种，真正具有超导电性的合

45、金及化合物多达几千种，真正具有超导电性的合金及化合物多达几千种，真正具有超导电性的合金及化合物多达几千种，真正能够实际应用的并不多。下面给出了一些典型合金及能够实际应用的并不多。下面给出了一些典型合金及能够实际应用的并不多。下面给出了一些典型合金及能够实际应用的并不多。下面给出了一些典型合金及化合物的化合物的化合物的化合物的Tc(Tc(Tc(Tc(最大值最大值最大值最大值) ) ) )。其中。其中。其中。其中A15A15A15A15超导体超导体超导体超导体NbNbNbNb3 3 3 3SnSnSnSn是是是是20202020世世世世纪纪纪纪50505050年代马梯阿斯年代马梯阿斯年代马梯阿斯年

46、代马梯阿斯(B(B(B(BT T T TMatthias)Matthias)Matthias)Matthias)首次发现的。在首次发现的。在首次发现的。在首次发现的。在1986198619861986年以前发现的超导体中，这类化合物中的年以前发现的超导体中，这类化合物中的年以前发现的超导体中，这类化合物中的年以前发现的超导体中，这类化合物中的TcTcTcTc居于居于居于居于领先地位，它们之中临界温度最高的是领先地位，它们之中临界温度最高的是领先地位，它们之中临界温度最高的是领先地位，它们之中临界温度最高的是NbNbNbNb3 3 3 3GeGeGeGe薄膜，为薄膜，为薄膜，为薄膜，为23.2K

47、23.2K23.2K23.2K。此外，。此外，。此外，。此外，c15c15c15c15超导体的临界温度约超导体的临界温度约超导体的临界温度约超导体的临界温度约l0Kl0Kl0Kl0K，上临界，上临界，上临界，上临界场场场场HcHcHcHc2 2 2 2( ( ( (约约约约1.6101.6101.6101.6107 7 7 7A A A Am)m)m)m)高于超导合金高于超导合金高于超导合金高于超导合金NbTiNbTiNbTiNbTi，而在力学，而在力学，而在力学，而在力学性质方面优于性质方面优于性质方面优于性质方面优于NbNbNbNb3 3 3 3SnSnSnSn，易于加工成型，中子辐照对它

48、的，易于加工成型，中子辐照对它的，易于加工成型，中子辐照对它的，易于加工成型，中子辐照对它的超导电性影响较小，因而是目前受控热核反应用高场超导电性影响较小，因而是目前受控热核反应用高场超导电性影响较小，因而是目前受控热核反应用高场超导电性影响较小，因而是目前受控热核反应用高场超导磁体的理想材料。超导磁体的理想材料。超导磁体的理想材料。超导磁体的理想材料。功能金属材料超导材料课件超导材料超导材料二、合金超导体二、合金超导体1 1、Nb-ZrNb-Zr合金合金 优点：优点：在高磁场下能够承受很大的超导临界电流，延性好，在高磁场下能够承受很大的超导临界电流，延性好，抗拉强度高，制作线圈工艺简单抗拉强

49、度高，制作线圈工艺简单 缺点：缺点：覆铜较困难，需采用镀铜或埋入法，工艺麻烦，制覆铜较困难，需采用镀铜或埋入法，工艺麻烦，制造成本高；与铜的结合性能较差造成本高；与铜的结合性能较差2 2、Nb-TiNb-Ti合金合金 优点：优点：线材价格便宜，机械性能优良，易于加工；并易于线材价格便宜，机械性能优良，易于加工；并易于通过压力加工在线上覆套铜层，获得良好的合金结合，提高通过压力加工在线上覆套铜层，获得良好的合金结合，提高热稳定性热稳定性缺点：缺点：不易轧制成扁线不易轧制成扁线第三节第三节 超导材料的种类及其性能超导材料的种类及其性能功能金属材料超导材料课件超导材料超导材料图图3.12Nb-Ti合

50、金制造的典型工艺流程图合金制造的典型工艺流程图图图2.13Ni-Ti线的芯结构线的芯结构第三节第三节 超导材料的种类及其性能超导材料的种类及其性能功能金属材料超导材料课件超导材料超导材料3 3、三元合金三元合金Nb-Zr-Ti；Nb-Ti-Ta；Nb-Zr-Hf；V-Zr-Hf三、超导化合物三、超导化合物 超导化合物超导临界参数均较高，是性能良好的超导化合物超导临界参数均较高，是性能良好的强磁场超导材料强磁场超导材料, ,一般超过一般超过10T10T的超导磁体只能用化的超导磁体只能用化合物系超导材料。但化合物超导材料质脆，不易直合物系超导材料。但化合物超导材料质脆，不易直接加工成线材或带材。接

51、加工成线材或带材。 Nb Nb3 3Sn VSn V3 3GaGa第三节第三节 超导材料的种类及其性能超导材料的种类及其性能功能金属材料超导材料课件图图2.14复合法制备复合法制备Nb3SnV3Ga线材线材图图2.15Nb3Sn线的芯结构线的芯结构第三节第三节 超导材料的种类及其性能超导材料的种类及其性能功能金属材料超导材料课件超导材料超导材料第三节第三节 超导材料的种类及其性能超导材料的种类及其性能四、非晶态超导体四、非晶态超导体非晶态超导材料主要包括非晶态简单金属及非晶态超导材料主要包括非晶态简单金属及其合金，和非晶态过渡金属及其合金，它们其合金，和非晶态过渡金属及其合金，它们具有高度均匀

52、性，高强度、高耐磨、高耐腐具有高度均匀性，高强度、高耐磨、高耐腐蚀等优点蚀等优点非晶态超导体的临界转变温度比相应的晶态非晶态超导体的临界转变温度比相应的晶态超导体高。超导体高。功能金属材料超导材料课件 高温超导体有着与传统超导体相同的超导特性，高温超导体有着与传统超导体相同的超导特性，高温超导体有着与传统超导体相同的超导特性，高温超导体有着与传统超导体相同的超导特性，即：零电阻有这些现象的特性、迈斯纳效应、磁通即：零电阻有这些现象的特性、迈斯纳效应、磁通即：零电阻有这些现象的特性、迈斯纳效应、磁通即：零电阻有这些现象的特性、迈斯纳效应、磁通量子化和约瑟夫森效应。量子化和约瑟夫森效应。量子化和约

53、瑟夫森效应。量子化和约瑟夫森效应。BCSBCSBCSBCS理论是目前能解释所理论是目前能解释所理论是目前能解释所理论是目前能解释所唯唯唯唯理论，但这并不意味高温超导体就是理论，但这并不意味高温超导体就是理论，但这并不意味高温超导体就是理论，但这并不意味高温超导体就是BCSBCSBCSBCS超导超导超导超导体。高温超导体的配对机理目前还不清楚。新型的体。高温超导体的配对机理目前还不清楚。新型的体。高温超导体的配对机理目前还不清楚。新型的体。高温超导体的配对机理目前还不清楚。新型的氧化物高温超导体与传统超导体相比较，有其独持氧化物高温超导体与传统超导体相比较，有其独持氧化物高温超导体与传统超导体相

54、比较，有其独持氧化物高温超导体与传统超导体相比较，有其独持的结构和物理特征。主要表现在它们具有明显的层的结构和物理特征。主要表现在它们具有明显的层的结构和物理特征。主要表现在它们具有明显的层的结构和物理特征。主要表现在它们具有明显的层状结构、较短的超导相干长度、较强的各向异性以状结构、较短的超导相干长度、较强的各向异性以状结构、较短的超导相干长度、较强的各向异性以状结构、较短的超导相干长度、较强的各向异性以及及及及TcTcTcTc对载流子浓度的强依赖天系。对载流子浓度的强依赖天系。对载流子浓度的强依赖天系。对载流子浓度的强依赖天系。五、高温超导体五、高温超导体功能金属材料超导材料课件 氧化锆（

55、ZrO2）单晶基片是最早被开发应用的高温超导基片之一。由于ZrO2单晶需掺入钇（Y）以稳定其结构，一般实际使用的是加入钇稳定剂的氧化锆单晶。它机械、化学稳定性好，价格较低，特别适于用在试验性薄膜制备工作中。功能金属材料超导材料课件 钛酸锶（SrTiO3）是当前应用最广的优秀高温超导单晶基片之一。它与YBaCuO等高温超导材料的晶格匹配好，物理、机械性能优良。SrTiO3是高温超导结技术（使用双晶基片或台阶状基片）及基片台阶化（按特定角度斜切并热处理）的首选单晶材料。功能金属材料超导材料课件LSAT单晶 LSAT（铝酸镧钽酸锶铝）是性能优良的高温超导基片材料。它可以克服LaAlO3高温超导基片晶

56、体固有的畴结构给薄膜生长带来的不利影响。LASAT没有畴结构，无孪晶，晶体结构完整，用作衬底材料可显著提高薄膜的质量。LSAT基片功能金属材料超导材料课件第四节第四节 超导材料的应用超导材料的应用超导材料超导材料超导材料的用途非常广阔，大致可分为三类：超导材料的用途非常广阔，大致可分为三类：大电流应用（强电应用）、电子学应用（弱大电流应用（强电应用）、电子学应用（弱电应用）和抗磁性应用。大电流应用即前述电应用）和抗磁性应用。大电流应用即前述的超导发电、输电和储能；电子学应用包括的超导发电、输电和储能；电子学应用包括超导计算机、超导天线、超导微波器件等；超导计算机、超导天线、超导微波器件等；抗磁

57、性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反抗磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。应堆等。功能金属材料超导材料课件第四节第四节 超导材料的应用超导材料的应用超导材料超导材料一、能源领域的应用一、能源领域的应用1 1、开发新能源、开发新能源（1 1）核聚变反应堆）核聚变反应堆“磁封闭体磁封闭体”热核反应堆是利用氢的同位素氘和氚的原子核实热核反应堆是利用氢的同位素氘和氚的原子核实现核聚变的核反应堆。与目前核电站利用核裂变现核聚变的核反应堆。与目前核电站利用核裂变发电相比，用受控核聚变的能量来发电具有能量发电相比，用受控核聚变的能量来发电具有能量释放大、实验资源丰富、成本低、安全可靠等优释放大、实验资

58、源丰富、成本低、安全可靠等优点。点。功能金属材料超导材料课件 核聚变反应堆核聚变反应堆“磁封闭体磁封闭体”利用超导体产生利用超导体产生的巨大磁场，应用于受控制热核反应。核聚变反的巨大磁场，应用于受控制热核反应。核聚变反应时，内部温度高达应时，内部温度高达1 1亿亿2 2亿亿，没有任何常规，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材料可以包容这些物质。而超导体产生的强磁场可以作为可以作为“磁封闭体磁封闭体”，将热核反应堆中的超高，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，从温等离子体包围、约束起来，然后慢慢释放，从而使受控核聚变能源成为而使受控核聚变能源成为212

59、1世纪前景广阔的新能世纪前景广阔的新能源。中国科学院合肥等离子体物理研究所超导托源。中国科学院合肥等离子体物理研究所超导托卡马克卡马克HT-7HT-7巨大的电感线圈原子弹爆炸蘑菇云巨大的电感线圈原子弹爆炸蘑菇云第四节第四节 超导材料的应用超导材料的应用超导材料超导材料功能金属材料超导材料课件磁约束的应用磁约束的应用 目前，磁约束主要应用在核聚变上，实现受控目前，磁约束主要应用在核聚变上，实现受控(热热)核聚变。核聚变。著名的托卡马克装置即是利用磁著名的托卡马克装置即是利用磁约束原理实现受控核聚变。它是约束原理实现受控核聚变。它是一种形如面包圈的环流器，依靠一种形如面包圈的环流器，依靠等离子体电

60、流和环形线圈产生的等离子体电流和环形线圈产生的强磁场，将极高温等离子状态的强磁场，将极高温等离子状态的聚变物质约束在环形容器里，以聚变物质约束在环形容器里，以此来实现聚变反应此来实现聚变反应。功能金属材料超导材料课件托卡马克装置托卡马克装置:第四节第四节 超导材料的应用超导材料的应用超导材料超导材料功能金属材料超导材料课件2006年9月28日，中国耗时8年、耗资2亿元人民币自主设计、自主建造而成的新一代热核聚变装置EAST首次成功完成放电实验，获得电流200千安、时间接近3秒的高温等离子体放电。EAST成为世界上第一个建成并真正运行的全超导非圆截面核聚变实验装置功能金属材料超导材料课件（2 2

61、）超导磁流体发电）超导磁流体发电磁流体发电，是利用高温导电性气体（等离子体）做磁流体发电，是利用高温导电性气体（等离子体）做导体，并高速通过磁场强度为导体，并高速通过磁场强度为5万万6万高斯的强磁场万高斯的强磁场而发电。磁流体发电机的结构非常简单，用于磁流体而发电。磁流体发电机的结构非常简单，用于磁流体发电的高温导电性气体还可重复利用。发电的高温导电性气体还可重复利用。”2 2、节能方面、节能方面（1 1）超导输电）超导输电（2 2）超导发电机和电动机）超导发电机和电动机（3 3）超导变压器）超导变压器第四节第四节 超导材料的应用超导材料的应用超导材料超导材料功能金属材料超导材料课件第四节第四

62、节 超导材料的应用超导材料的应用超导材料超导材料功能金属材料超导材料课件热绝缘型和冷绝缘型高温超导电力电热绝缘型和冷绝缘型高温超导电力电缆缆功能金属材料超导材料课件热绝缘结构电缆基本结构示意图 从内到外，依次为： 管状支撑物（一般为波纹管，内通液氮）； 超导导体层（为超导带材分层绕制）； 热绝缘层（为真空隔热套件）； 常规电气绝缘层（工作在常温下）； 电缆屏蔽层和护层（与常规电力电缆类似）。功能金属材料超导材料课件冷绝缘结构电缆基本结构示意图 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

63、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。功能金属材料超导材料课件二、交通领域的应用二、交通领域的应用超导材料超导材料图图2.16超导磁浮列车内部结构示意图超导磁浮列车内部结构示意图第四节第四节 超导材料的应用超导材料的应用功能金属材料超导材料课件用用 超超 导导 材材 料料 制制 造造 的的 磁磁 悬悬 浮浮 列列 车车 ， 速速 度度 可可 达达 550550千千 米米 / /小小 时时 ， 与与 民民 航航 飞飞 机机 差差 不不 多多 ； 如如 果果 磁磁 悬悬 浮浮 列列 车车 在在 真真 空空 隧隧 道道 中中 运运 行行

64、 ， 其其 速速 度度 可可 达达 1 1 600600千千 米米 / /小小 时时 ， 比比 超超 音音 速速 飞飞 机机 还还 快快 。功能金属材料超导材料课件功能金属材料超导材料课件功能金属材料超导材料课件磁悬浮列车的不足磁悬浮列车的不足1.1.由由于于磁磁悬悬浮浮系系统统是是以以电电磁磁力力完完成成悬悬浮浮、导导向向和和驱驱动动功功能能的的，断断电电后后磁磁悬悬浮浮的的安安全全保保障障措措施施，尤尤其其是是列列车车停停电电后后的的制制动动问问题题仍仍然然是是要要解解决决的的问问题题。其其高高速速稳稳定定性和可靠性还需很长时间的运行考验。性和可靠性还需很长时间的运行考验。2.2.常常导导

65、磁磁悬悬浮浮技技术术的的悬悬浮浮高高度度较较低低，因因此此对对线线路路的的平平整整度度、路路基基下下沉沉量量及及道道岔岔结结构构方方面面的的要要求较超导技术更高。求较超导技术更高。3.3.超超导导磁磁悬悬浮浮技技术术由由于于涡涡流流效效应应悬悬浮浮能能耗耗较较常常导导技技术术更大，冷却系统重，强磁场对人体与环境都有影响。更大，冷却系统重，强磁场对人体与环境都有影响。功能金属材料超导材料课件为什么磁浮铁路并没有出现人们所企望的那种成为主要交通工具的趋势？首首先先，磁磁浮浮铁铁路路的的造造价价十十分分昂昂贵贵。与与高高速速铁铁路路相相比比，修修建建磁磁浮浮铁铁路路费费用用昂昂贵贵。根根据据日日本本

66、方方面面的的估估计计，磁磁浮浮铁铁路路的的造造价价每每公公里里约约需需6060亿亿日日元元，比比新新干干线线高高2020。如如果果规规划划中中的的从从东东京京到到大大阪阪之之间间的的中中央央新新干干线线修修建建为为磁磁浮浮铁铁路路，全全线线造造价价约约需需3 3万万亿亿日日元元，而而为为了了对对建建造造磁磁浮浮铁铁路路这这一一方方案案进进行行可可行行性性研研究究而而计计划划建建造造的的一一条条42.842.8公公里里长长的的试试验验线线，其其初初步步预预算算就就达达30003000亿亿日日元元。德德国国也也认认为为磁磁浮浮铁铁路路的的造造价价远远远远高高于于高高速速铁铁路路。根根据据德德国国在

67、在8080年年代代初初的的这这一一项项估估算算认认为为，修修建建一一条条复复线线磁磁浮浮铁铁路路其其造造价价每每公公里里约约为为659659万万美美元元，而而法法国国的的巴巴黎黎至至里里昂昂和和意意大大利利的的罗罗马马至至佛佛罗罗伦伦萨萨的的高高速速铁铁路路每每公公里里的的造造价价只只分分别别为为226226万万和和236236万万美美元元。现现在在，德德国国规规划划中中的的汉汉堡堡至至柏柏林林292292公公里里长长的的铁铁路路如如果果建建造造成成为为磁磁浮浮铁铁路路，其其初初步步预预算算就就达达5959亿亿美美元元，约约合合每每公公里里20002000万万美美元元。磁磁浮浮铁铁路路所所需需

68、的的投投入入较较大大，利利润润回回收收期期较较长长，投投资资的的风风险险系系数数也也较较高高，从从而而也也在在一一定定程程度度上上影影响响了了投投资资者者的的信信心心，制制约约了了磁磁浮浮铁铁路的发展。路的发展。功能金属材料超导材料课件为什么磁浮铁路并没有出现人们所企望的那种成为主要交通工具的趋势？其其次次，磁磁浮浮铁铁路路无无法法利利用用既既有有的的线线路路，必必须须全全部部重重新新建建设设。由由于于磁磁浮浮铁铁路路与与常常规规铁铁路路在在原原理理、技技术术等等方方面面完完全全不不同同，因因而而难难以以在在原原有有设设备备的的基基础础上上进进行行利利用用和和改改造造。高高速速铁铁路路则则不不

69、同同，可可以以通通过过加加强强路路基基、改改善善线线路路结结构构、减减少少弯弯度度和和坡坡度度等等方方面面的的改改造造，某某些些既既有有线线路路或或某某些些区区段段就就可可以以达达到到高高速速铁铁路路的的行行车车标标准准。如如，日日本本1964年年投投入入运运营营并并大大受受欢欢迎迎的的东东京京至至大大阪阪的的新新干干线线，在在没没有有对对机机车车做做重重大大改改进进的的情情况况下下，仅仅通通过过修修建建曲曲线线半半径径较较大大，即即没没有有急急转转弯弯和和陡陡坡坡较较小小的的铁铁路路等等方方法法，从从而而使使列列车车速速度度大大大大提提高高。再再如如德德国国的的汉汉堡堡至至柏柏林林既既有有铁

70、铁路路线线，经经过过技技术术改改造造后后，某某些些区区段段的的最最高高速速度度每每小小时时可可达达230公公里里。此此外外，欧欧洲洲一一些些国国家家如如德德国国、瑞瑞典典、意意大大利利等等国国的的设设计计人人员员，还还采采用用使使车车厢厢在在转转向向架架上上转转动动和和倾倾斜斜的的升升降降技技术术来来对对付付铁铁路路弯弯道道（即即采采用用摆摆式式车车体体），这这样样在在无无须须对对既既有有线线路路进进行行改改造造和和更更新新的的情情况况下下，也也使使列列车车行行驶驶速速度度提提高高到到每每小小时时220公公里里。在在对对既既有有线线路路进进行行高高速速铁铁路路改改造造的的过过程程中中，还还可可

71、以以实实现现高高、中中速速混混跑跑，列列车车根根据据不不同同区区段段的的最最高高限限速速以以不不同同的的速速度度行行驶驶。因因而而，与与磁磁浮浮铁铁路路的的全全部部重新建设相比，高速铁路的线路和运行成本就大大降低了。重新建设相比，高速铁路的线路和运行成本就大大降低了。功能金属材料超导材料课件为什么磁浮铁路并没有出现人们所企望的那种成为主要交通工具的趋势？再再次次，磁磁浮浮铁铁路路在在速速度度上上的的优优势势并并没没有有凸凸显显出出来来。30多多年年前前，许许多多人人认认为为轮轮轨轨粘粘着着式式铁铁路路的的极极限限速速度度为为每每小小时时250公公里里，后后来来又又认认为为是是300-380公公

72、里里。但但是是现现在在，法法国国的的“高高速速列列车车”(TGV)、德德国国的的“城城际际快快车车”(ICE)和和穿穿越越英英吉吉利利海海峡峡的的“欧欧洲洲之之星星”列列车车以以及及日日本本的的新新干干线线，其其运运行行速速度度都都达达到到或或接接近近每每小小时时300公公里里。1990年年，在在巴巴黎黎西西部部地地区区运运行行的的法法国国第第二二代代高高速速列列车车TGVA“大大西西洋洋”号号更更是是创创下下了了试试验验时时速速515.3公公里里的的世世界界纪纪录录。更更何何况况，既既便便是是磁磁浮浮铁铁路路的的行行车车速速度度达达到到每每小小时时450-500公公里里，在在典典型型的的50

73、0公公里里区区间间内内的的运运行行中中，也也只只比比时时速为速为300公里的高速铁路节约半小时，其优势不是特别明显。公里的高速铁路节约半小时，其优势不是特别明显。功能金属材料超导材料课件我国的磁悬浮列车目前，中国对磁悬浮铁路技术的研究还处目前，中国对磁悬浮铁路技术的研究还处于初级阶段。经过中国铁道科学研究院、于初级阶段。经过中国铁道科学研究院、西南交大、国防科大、中科院电工所等单西南交大、国防科大、中科院电工所等单位对常导低速磁悬浮列车的悬浮、导向、位对常导低速磁悬浮列车的悬浮、导向、推进等关键技术的基础性研究，已对低速推进等关键技术的基础性研究，已对低速常导磁悬浮技术有了一定认识，初步掌握常

74、导磁悬浮技术有了一定认识，初步掌握了常导低速磁悬浮稳定悬浮的控制技术。了常导低速磁悬浮稳定悬浮的控制技术。功能金属材料超导材料课件我国的磁悬浮列车继继1994年西南交大成功地进行了年西南交大成功地进行了4个座位、自重个座位、自重4吨、悬浮高度为吨、悬浮高度为8毫米、时速为毫米、时速为30公里的磁悬公里的磁悬浮列车试验之后，由铁科院主持、长春客车厂、浮列车试验之后，由铁科院主持、长春客车厂、中科院电工所、国防科技大学参加，共同研制的中科院电工所、国防科技大学参加，共同研制的长为长为6.5米、宽为米、宽为3米、自重米、自重4吨、内设吨、内设15个座位个座位的的6吨单转向架磁悬浮试验车在铁科院环行试

75、验吨单转向架磁悬浮试验车在铁科院环行试验线的轨距为线的轨距为2米、长米、长36米、设计时速为米、设计时速为100公里公里的室内磁悬浮实验线路上成功地进行了试验，并的室内磁悬浮实验线路上成功地进行了试验，并于于1998年年12月通过了铁道部科技成果鉴定。月通过了铁道部科技成果鉴定。6吨单转向架磁悬浮试验车的研制成功，为低速常吨单转向架磁悬浮试验车的研制成功，为低速常导磁悬浮列车的研究提供了技术基础，填补了我导磁悬浮列车的研究提供了技术基础，填补了我国在磁悬浮列车技术领域的空白。国在磁悬浮列车技术领域的空白。功能金属材料超导材料课件我国的磁悬浮列车上海磁悬浮是中国第一条投入运行的磁悬浮铁路，全长上

76、海磁悬浮是中国第一条投入运行的磁悬浮铁路，全长29863公里，设计时速和运行时速分别为公里，设计时速和运行时速分别为505公里和公里和430公里；由中国与德国合作，公里；由中国与德国合作，2002年年12月月31日，中日，中国总理朱鎔基和德国总理施罗德成为上海磁悬浮的第一国总理朱鎔基和德国总理施罗德成为上海磁悬浮的第一批乘客体会首次试运行。当时采用的是已通过安全认证批乘客体会首次试运行。当时采用的是已通过安全认证的比较简单的单线折返运行方式。双列车会车实验在的比较简单的单线折返运行方式。双列车会车实验在2003年年7月月18日已经完成。根据中德的协议，双线折返日已经完成。根据中德的协议，双线折

77、返试运行原计划今年试运行原计划今年9月完成并接受安全认证，月完成并接受安全认证，12月底工月底工程验收，全线正式通车进行商业运行。程验收，全线正式通车进行商业运行。功能金属材料超导材料课件四、电子信息领域的应用四、电子信息领域的应用超导材料超导材料1 1、超导计算机、超导计算机第四节第四节 超导材料的应用超导材料的应用 高速计算机要求集成电路芯片上的元件和连接线密高速计算机要求集成电路芯片上的元件和连接线密集排列，但密集排列的电路在工作时会发生大量的集排列，但密集排列的电路在工作时会发生大量的热，而散热是超大规模集成电路面临的难题。超导热，而散热是超大规模集成电路面临的难题。超导计算机中的超大

78、规模集成电路，其元件间的互连线计算机中的超大规模集成电路，其元件间的互连线用接近零电阻和超微发热的超导器件来制作，不存用接近零电阻和超微发热的超导器件来制作，不存在散热问题，同时计算机的运算速度大大提高。此在散热问题，同时计算机的运算速度大大提高。此外，正在研究用半导体和超导体来制造晶体管，甚外，正在研究用半导体和超导体来制造晶体管，甚至完全用超导体来制作晶体管。至完全用超导体来制作晶体管。三、研究领域的应用三、研究领域的应用功能金属材料超导材料课件冷子管和超导计算机冷子管和超导计算机一种电电流流开开关关当控制线圈没有电流时，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

79、态。1935年，卡西米尔和哈斯用年，卡西米尔和哈斯用PbTi合金做门线，用合金做门线，用Pb绕制控制绕制控制线圈，做出了第一个开关元件，线圈，做出了第一个开关元件，1956年，巴克把这种装置命名年，巴克把这种装置命名为冷子管，指出它可以用来做计算机的开关元件。为冷子管，指出它可以用来做计算机的开关元件。功能金属材料超导材料课件半导体机速速度度与与发发热热的尖锐矛盾，从1965年开始，领导IBM公司的100多人共同奋战，终于使约瑟夫逊器件的超导计算机有了眉目。马梯索于1967年发明的隧隧道道冷冷子子管管中，约瑟夫逊结具有极高的开关速度（约为10-12秒秒数量级，速度是半导体器件的百百倍倍以上）和

80、极低的功耗（只有半导体器件的千千分分之之一一左左右右），对应逻辑器件能以惊人的速度执行“与”功能，从而为制造亚亚纳纳秒秒电子计算机提供了一条途径。功能金属材料超导材料课件超导计算机是使用超导体元器件的高速计算机超导计算机是使用超导体元器件的高速计算机用约瑟夫逊器件制成电子计算机，称为约瑟夫逊计算机，也用约瑟夫逊器件制成电子计算机，称为约瑟夫逊计算机，也就是超导计算机，又称超导电脑。这种电脑的耗电仅为用半导体就是超导计算机，又称超导电脑。这种电脑的耗电仅为用半导体器件制造的电脑所耗电的几千分之一，它执行一个指令只需十亿器件制造的电脑所耗电的几千分之一，它执行一个指令只需十亿分之一秒，比半导体元件

81、快分之一秒，比半导体元件快10倍。倍。日本电气技术研究所研制成世界上第一台完善的超导电脑，日本电气技术研究所研制成世界上第一台完善的超导电脑，它采用了它采用了4个约瑟夫逊大规模集成电路，每个集成电路芯片只有个约瑟夫逊大规模集成电路，每个集成电路芯片只有35立方毫米大小，每个芯片上有上千个约瑟夫逊元件。立方毫米大小，每个芯片上有上千个约瑟夫逊元件。约瑟夫逊超导元件。使用约瑟夫逊超导元件。使用铌系列超导材料，不但速铌系列超导材料，不但速度快，而且耗电少度快，而且耗电少功能金属材料超导材料课件第四节第四节 超导材料的应用超导材料的应用超导材料超导材料2 2、超导电磁测量装置、超导电磁测量装置五、军事

82、领域的应用五、军事领域的应用1 1、超导贮能系统、超导贮能系统3 3、超导电磁炮、超导电磁炮2 2、超导粒子束武器和自由电子激光器、超导粒子束武器和自由电子激光器功能金属材料超导材料课件用电需求的波动造成电力很大的浪费，据估计约50的能量付之东流。这就需要一种储存能量的方法。提到电力储藏，总会让人联想到电池，能量的储藏以能量密度能量密度作为标准。10升石油所产生的能量相当于2.5吨铅电池的能量，必须使用像小山一样多的铅。能量储存和调节手段还有很多，但各种方法都有很多局限和不便之处。相比之下，超导储能超导储能在技术上的魅力是难以抗拒的。它可以达到极高的能量密度，可以无损耗地贮存巨大的电能。功能金

83、属材料超导材料课件 合上开关S1，打开S2和S3时，超导线圈Ls充电充电；合上S2，打开S1，在电路2中就有一个持续电流持续电流；合上S3，打开S2，储存的能量就消耗消耗在外部负载上。超导线圈电能储放电路功能金属材料超导材料课件美国已经设计出一种大型超导磁能存储系统，采用NbTi电缆和液氦冷却，储能环的半径为750米，埋在地下洞穴内。可储存5000兆瓦小时的巨大电能（相当于4300吨吨TNT炸药爆炸时产生的能量），充放电的功率为1000兆瓦，转换时间为几分之一秒，其效率达到98。功能金属材料超导材料课件超导粒子束武器和自由电子激光武器 粒 子 束 武 器 和 自 由 电 子 激 光 武 器 是

84、 未 来 反 导 、 反 卫 星 的 新 星 ， 具 有 重 要 的 战 略 意 义 。 但 它 们 在 发 射 时 需 要 巨 大 的 能 量 ， 因 而 使 得 武 器 系 统 过 于 庞 大 ， 这 就 给 它 们 的 实 际 使 用 造 成 了 困 难 。 超 导 技 术 的 出 现 ， 为 这 两 种 武 器 带 来 了 新 生 。 利 用 磁 性 极 强 、 无 损 耗 的 超 导 磁 体 制 成 的 高 能 加 速 器 ， 不 仅 能 提 供 巨 大 的 能 量 ， 体 积 也 不 大 ， 使 这 两 种 原 本 威 力 巨 大 的 新 概 念 武 器 ， 又 倍 添 灵 活 ，

85、 其 前 景 甚 为 可 观 。功能金属材料超导材料课件超导电磁炮 电 磁 炮 是 利 用 电 磁 力 加 速 弹 丸 的 现 代 化 电 磁 发 射 系 统 。 美 国 将 它 作 为 下 一 代 坦 克 炮 方 案 之 一 。 超 导 技 术 使 它 拥 有 体 积 小 、 重 量 轻 、 可 重 复 使 用 的 电 源 ， 同 时 能 减 少 导 轨 的 磁 性 损 失 和 焦 耳 热 损 耗 ， 提 高 了 系 统 效 率 。 目 前 正 在 研 究 用 超 导 线 圈 产 生 磁 场 ， 以 便 减 小 通 过 导 轨 的 电 流 ， 从 而 减 小 导 轨 的 剩 磁 损 耗 和

86、热 损 耗 ， 增 加 弹 丸 的 动 能 ， 达 到 提 高 电 磁 炮 系 统 效 率 的 目 的 。功能金属材料超导材料课件超导电磁推进系统和超导陀螺仪 用 超 导 材 料 制 成 的 超 导 电 磁 推 进 系 统 取 代 舰 艇 的 传 统 推 进 系 统 ， 具 有 推 进 速 度 快 、 效 率 高 、 控 制 性 能 好 、 结 构 简 单 、 易 于 维 修 和 噪 声 小 等 特 点 ， 可 使 舰 艇 的 航 速 和 续 航 能 力 倍 增 ， 并 可 大 大 提 高 舰 艇 的 机 动 作 战 能 力 和 生 存 能 力 。 此 外 ， 利 用 超 导 体 的 抗 磁

87、特 性 ， 可 制 成 超 导 陀 螺 仪 ， 能 大 大 提 高 飞 机 的 飞 行 精 度 。 功能金属材料超导材料课件超导材料超导材料图图2.17磁脑照相术中的超导量子干涉器件磁脑照相术中的超导量子干涉器件第四节第四节 超导材料的应用超导材料的应用六、医学领域六、医学领域功能金属材料超导材料课件超导材料超导材料图图2.18超导磁分离装置超导磁分离装置第四节第四节 超导材料的应用超导材料的应用功能金属材料超导材料课件第二章第二章 超导材料超导材料作业：作业：1 1、什么叫库柏电子对？利用什么叫库柏电子对？利用BCS理论解释理论解释超导的微观机制。超导的微观机制。2 2、自己查资料，了解高温超导体材料、符合、自己查资料，了解高温超导体材料、符合超导材料和有机超导材料超导材料和有机超导材料超导材料超导材料功能金属材料超导材料课件