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1、,1,超导材料,2015级 材料物化六组演讲：陆永发 高璐 鲍舒婷幻灯片制作：高璐 郑长天资料收集：朴星 鲍习科 戴宪军信息整理：郭世铭 潘影 盛云,01,02,03,04,引言,超导材料的性质及超导现象的机理,氧化物基超导陶瓷,超导材料的应用,目 录 / contents,2,1. 引言,1.1 超导现象的发现1911年，荷兰莱顿大学的H卡茂林昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes，18531926 绰号“绝对零度先生”）意外地发现，将汞冷却到4.35K(-268.98)时，汞的电阻突然消失；后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电
2、性能，H卡茂林昂内斯称之为超导态。卡茂林由于他的这一发现获得了1913年诺贝尔奖。卡茂林在诺贝尔奖领奖演说中指出：低温下金属电阻的消失“不是逐渐的，而是突然的”，水银在4.2K进入了一种新状态，由于它的特殊导电性能，可以称为超导态” 。,3,1.引言,图1.1 Hg在4.2K附近的R-T曲线,超导体从正常态转变为超导态(0电阻)时的温度称为超导转变温度TC从图1.1中可见：超导转变前后电阻变化超过104倍。,TC,4,1. 引言,1.2 迈斯纳效应的发现1933年德国物理学家迈斯纳（W.Meissner）和奥森菲尔德（R.Ochsebfekd）对锡单晶球超导体做磁场分布测量时发现：在小磁场中把
3、金属冷却进入超导态时，体内的磁力线一下被排出，磁力线不能穿过它的体内，也就是说超导体处于超导态时，体内的磁场恒等于零。迈斯纳效应的具体现象和机理将在2.1.2节解释。,图1.2 迈纳斯效应示意图,5,1.引言,1.3 超导材料的早期研究进展在超导现象发现的1911年之后的70多年里，人们所制备出的超导材料一直处在低温下，最高不过23.2K上世纪80年代后期，发现了镧钡铜氧化物（TC=35K，在当时是不折不扣的“高温超导体”）后，“高温超导体”的研究掀起了高潮。1986年之后发现的多元系氧化物超导体使TC值在10年时间里提高到160K值得一提的是：并不是所有的金属单质在极低的温度下都有超导性。【
4、例如：碱金属、碱土金属、贵金属在10-3K下也没有表现出超导性】,6,1. 引言,1.4 超导体的分类,超导体,第一类超导体：所有元素超导体（首先被发现的超导体，但其TC太低，应用价值有限）,第二类超导体：所有合金和化合物超导体（80年代后新发现的超导体，相比第一类超导体，TC大大提高，具有广阔的应用前景）,7,2. 超导材料的性质及超导现象的机理,2.1 超导体的宏观性质2.2 超导态转变的热力学机理2.3 超导体的宏观模型（唯象理论）2.4 超导体的微观性质2.5 超导体的微观模型BCS理论,8,2. 超导材料的性质及超导现象的机理,2.1 超导体的宏观性能2.1.1 超导体的电性能（零电
5、阻效应）1.1节中已经提到超导体在TC温度以下电阻率会突然变为0，这种现象即为零电阻效应。但零电阻效应的发生是有前提条件的。“实践是检验真理的唯一标准”，大量的实验结果已证实：当超导体处于超导态时，只有电流为直流或低频交流，且电流产生的磁场不至于太高时才会产生零电阻效应。换句话说，对于一段超导体，电流存在一个临界值IC（相应地，电流密度也存在着临界值JC），当电流超过IC时，超导体的超导态就会被破坏而转变会正常态。,9,2. 超导材料的性质及超导现象的机理,临界电流密度存在的原因西尔斯比定则西尔斯比指出，临界电流JC与临界磁场Hc之间存在内在的联系，他认为电流之所以能够破环超导电性，纯粹是电流
6、所产生的磁场引起的。并作如下假设，在无外加磁场的情况下 ，临界电流在超导体表面所产生的磁场恰好等于Hc，许多人的实验证实了这一点，并把它称为西尔斯比定则。“学而时习之，不亦说乎”，根据大家上高中物理时学到的电流磁效应的知识，电流会产生磁场，导体表面的磁场强度H与电流密度J以及导体截面半径R的关系为： （2.1）将临界磁场强度HC代入公式（2.1）得： （2.2）,10,2. 超导材料的性质及超导现象的机理,2.1.2 超导体的磁性能（迈斯纳效应）在超导电性发现后二十年来，都是把超导体的磁性归结为超导体的无限导电性的结果，把超导体归结为电阻等于零的“理想导体”。由于超导态的零电阻，在超导态的物体
7、内部电场E=0；所以当外加磁场改变时，根据楞次定律，在金属表面将感生一个感生电流，以抵消外磁场的变化，这个感生电流密度J不受到电场的作用，同时金属又是无阻的，所以这个电流不消失，永远保持着金属内的磁通不变。把这种磁性看作是零电阻的结果。这种解释有一个重大局限：按这种理论感生电流密度J在外磁场H00时也不消失，那超导体将因此产生磁性。这与事实不符，因为，当外磁场H00时。超导体没有磁性。直到1933年，迈斯纳（Meissner）对超导圆柱Pb和Sn在外加磁场作用下测量磁通密度分布时，发现了一个惊人的想象：不管外加磁场次序如何，超导体内磁场感应强度总是等于零，超导体即使处在外磁场中，也永远没有内部
8、磁场，它与外加磁场的历史无关，这个效应称之为迈斯纳效应。,图2.1 迈纳斯效应示意图,11,2. 超导材料的性质及超导现象的机理,迈纳斯效应的机理：迈斯纳效应，常常概括说成：超导体具有“完全的抗磁性”，即在超导体内部保持磁感强度B=0，应该注意到的是，完全抗磁性并不是说磁化强度M和磁场强度H均为0。根据B=0（H+M），有 （2.3）以球形样品为例，球形样品均匀外磁场中将沿磁场方向均匀磁化。如果磁化强度为M，则各处磁场强度可以根据M所引起的表面“磁荷”分布计算，这样磁荷应在球内产生均匀磁场强度（即退磁场）为 （2.4）加上外磁场，得到球内磁场强度 （2.5）将公式（2.5）代入（2.3） （2
9、.6）即 （2.7）将公式（2.7）代入（2.5） （2.8）,12,2. 超导材料的性质及超导现象的机理,根据公式（2.7）（2.8）可得知球内的磁感强度B由于磁化强度M和磁场强度H的抵消而等于0，而且磁化强度M和磁场强度H的大小均与外磁场成比例关系球外的磁场就等于外磁场再加上等于整个球体的磁矩的磁偶极子的磁场。最后我们要着重指出零电阻效应和迈斯纳效应是超导体的两个相互独立而又紧密联系的基本特性，单纯的=0，并不能保证有迈斯纳效应，而B=0必须要求=0。因为=0是存在迈斯纳效应的必要条件，为了保证超导体内B=0，必须有一个无阻（即=0）的表面电流以屏蔽超导体内部，这个屏蔽外磁场的电流也叫做迈
10、斯纳电流，这样似乎B=0比=0更重要，其实不然，因为=0，则要求超导体内E=0。而B=0只保证在超导体内没有感应电场，并不能保证任何情况下式E=0都成立。,13,2. 超导材料的性质及超导现象的机理,2.2 从热力学的角度看超导转变2.2.1 超导转变过程中的自由能变化根据在同温度下，磁场强度变化后的自由能计算公式 (2.9)由于gs(HC,T)=gn(HC,T) (2.10)式中：gn(HC,T)表示正常态在临界磁场中，温度为T时的单位体积自由能（正常态自由能与外磁场无关）； gs(0,T)表示超导态在无外界磁场时，温度为T时单位体积自由能； HC(T)表示临界磁场与温度的关系，可以用以下公
11、式计算：,图2.2 Pb在0K时gs、gn与外磁场H的关系图,gn（H）,gs（H）,HC,从图2.2中可见：在T一定的前提下，HHC时，gsgn,14,2. 超导材料的性质及超导现象的机理,2.2.2 超导转变过程中熵的变化根据有关热力学方程可推得： （2.11） 由公式（2.10）可得将HC(T)对T求导一定小于0，这已经有实验结果证实（见图2.3）。故sn-ss0所以超导转变后，超导态的熵值一定小于正常态，这说明超导态比正常态有序程度更高。（这一点将在2.5节中说明其微观机理）,图2.3 一些元素超导体的HC-T图线,15,2. 超导材料的性质及超导现象的机理,2.2.3 超导转变过程中
12、比热的变化根据我们在固体物理中学到的晶格振动理论，比热的微观机理由两部分组成：晶格贡献和电子贡献。超导态时的比热与正常态一样，也是由这两部分组成。但由于超导态通常在低温下出现，所以电子贡献占主导。主要的区别在于：当超导体由正常态过渡到超导态时，晶格（或声子）比热基本不变，电子比热发生了较大变化。从图2.4可见：在T略低于TC时，超导态比热大于正常态比热，由C=T(S/T)可知，当超导态金属在这一温度被冷却时，其传导电子的熵比在同一温度区正常态的熵减小速率更快，这与2.2节中sn-ss0的结果相一致。,图2.4 Al在超导态时的比热Cs与正常态比热Cn的C-T曲线,Cs,Cn,Tc,16,2.
13、超导材料的性质及超导现象的机理,2.2.4 从热力学角度看超导态转变小结（1）从自由能来看，物质能否自发转变为超导态与外磁场强度H0以及环境温度T有关。（见图2.5）（2）从超导态转变前后熵和比热的变化来看，相同温度下，超导态熵值低于正常态。这说明：在冷却超导体时，除正常金属被冷却时通常出现的传导电子熵减小之外，在小于TC的温度下，必然开始形成某种额外形式的电子有序。,图2.5 某种超导体在一定H0、T下的热力学稳定态示意图,以上两点和超导态的电学性质结合起来，使人相信，超导态是由于电子以某种方式组织和结合起来，使它们可以不受散射在TTC时，这种超导电子有序状态随温度增加而不断瓦解。,17,2
14、. 超导材料的性质及超导现象的机理,2.3 超导体唯象理论的发展：2.3.1 二流体模型1934年，戈特和卡西米尔根据超导电性的某些热力学性质提出了超导态的二流体模型，认为超导态比正常态更为有序是由共有化电子发生某种有序转变而引起的。该理论提出超导电子的概念，指出：超导电子不受晶格振动的影响，用NS表示其浓度，用秩序度(T)表示超导电子占总电子浓度N的比例： 当 TTC 时，NS(T)=0，(T)=0；当 TTC 时，0(T)1；当 T=0K 时，NS(T)=N，(T)=1。这是一个不成熟的模型，无法从根本上解释超导机制，基本假设为超导相中共有电子凝聚成高度有序的超导电子，但却对凝聚过程没有加
15、以说明。,18,2. 超导材料的性质及超导现象的机理,2.3.2 伦敦方程1935年，F.伦敦(Fritz London)和H.伦敦(Heinz London)建立了超导体的电动力学方程，成功地解释了超导体一系列奇特的电磁性质。其中（2.12a）描述了超导体的零电阻性；（2.12b）描述了超导体的抗磁性。式中JS是超导电流,C是光速,称为伦敦穿透深度，其计算式为(2.13)，ns是超导电子的密度，m、e为电子的质量和电荷。,（2.12a）,（2.12b）,（2.13）,19,2. 超导材料的性质及超导现象的机理,如果是直流电流,由方程(2.12a)可直接得出电阻率为零,因此方程(2.12a)反
16、映了理想导电性的事实。由方程(2.12b)可得出在超导体表面附近，磁场是按指数规律衰减的。穿透层的深度约为，其数量级为10-16cm。在超导体内部磁场为零。因此方程(2.12b)反映了理想抗磁性的事实。伦敦方程预言了表面透入层的存在。而且当超导体的尺寸与相近时,磁场会透入到样品中心。因此小尺寸超导体不具有完全抗磁性，它在磁场中的能量就比大块超导体低，从而临界磁场会高于大块样品。另一方面，伦敦方程有一定的局限性：实验发现，对于锡、铟等超导体，的测量值以及临界磁场与样品尺寸的关系，与伦敦理论只是定性的符合，在数量上并不一致，有的甚至定性的关系也不符合。,20,2. 超导材料的性质及超导现象的机理,
17、2.3.3 金兹堡-朗道方程1950年，VL金兹堡和LD朗道在二级相变理论的基础上提出了金兹堡朗道理论（简称GL理论）。超导态与正常态间的相互转变是二级相变（相变时无体积变化，也无相变潜热）。1937年朗道曾提出二级相变理论，认为两个相的不同全在于秩序度的不同，并引进序参量来描述不同秩序度的两个相，=0时为完全无序，=1时为完全有序。,(2.14a),(2.14b),21,2. 超导材料的性质及超导现象的机理,GL理论把二级相变理论应用于正常态与超导态的相变过程，其独到之处是引进一个有效波函数作为复数序参量，|2 则代表超导电子的数密度，应用热力学理论建立了关于的金兹堡-朗道方程。根据GL理论
18、可得到许多与实验相符的结论，例如临界磁场、相干长度及穿透深度与温度的关系等。GL理论还给出了区分第一类超导体和第二类超导体的判据：第一类超导体表面能为正；第二类超导体表面能为负。,22,2. 超导材料的性质及超导现象的机理,2.4 超导体的微观性质2.4.1 超导能隙超导体最低激发态与基态之间存在一定的能量间隙。19611962年间，美籍挪威人贾埃瓦( I. Giaever)用铝做成了Al-Al2O3-Al隧道元件进行超导实验，直接观测到了超导能隙。拆散一个电子对（库珀对，将在2.6节介绍）产生两个单电子至少需要能隙宽度2的能量。热运动可以拆散电子对产生单电子。能隙的存在使得在温度T远低于临界
19、温度TC时,超导体中单电子（正常电子）的数目按 exp(-2/kT)变化。这就导致超导体的电子比热容和热导率按温度指数规律变化。当电磁波（微波或远红外线）的频率足够高 (hv2)时，同样可以激发出单电子。此时超导体会强烈地吸收电磁波。这种现象都证明能隙的存在，并可用来测定能隙值2。,23,2. 超导材料的性质及超导现象的机理,2.4.2 同位素效应同位素效应是指超导体的临界温度依赖于同位素质量的现象。1950年英国H.弗罗利希指出，金属中电子通过交换声子（点阵振动）可以产生吸引作用。他预言超导体的临界温度（就是超导转变温度TC）与同位素的质量之间存在一定的关系。果然,弗罗里希的预言得到了实验的
20、证实。同年麦克斯韦（E.Maxwell）和雷诺（C.A.Rayhold）各自独立测量了水银同位素的临界转变温度。实验发现TC-1/2，其中为同位素质量。同位素效应把晶格振动（其量子称为声子）与电子联系起来了。它告诉人们电子-声子的相互作用与超导电性密切相关。同位素效应为BCS理论的建立指明了研究方向,24,2. 超导材料的性质及超导现象的机理,2.4.3 超导隧道效应把两块正常态金属电极中间夹一层很薄的绝缘层的结构叫做隧道结（记为NIN结）。根据量子力学原理，在隧道结两端有电压(V)时，电子可以通过这样薄的绝缘层，并产生足够大的可观测的电流(I)，而且IV。这是正常态金属的隧道效应。当温度远低
21、于超导体的临界温度时，对于一个电极是超导体S的隧道结（记为SIN结），结电阻猛增。在V达到某一临界值之前，I很小且增加很慢；当V超过这一值后，I迅速增加。对于二个电极都是超导体的隧道结（记为SIS结），I(V)曲线在某一值V1处有一个极大值，在某一值V2处有一个极小值，而在V大于某一值V3后电流陡然上升。,图 2.6 不同隧道结中的隧道电流,25,2. 超导材料的性质及超导现象的机理,2.4.4 约瑟夫森效应约瑟夫森效应是指：SIS结中，当绝缘介质较薄时（1nm左右），配对的电子（库伯对，2.5节中将说明）穿过位垒后仍保持配位状态。1962年，B.D.约瑟夫森计算了SIS结的隧道效应，得到以下
22、重要结果：在超导结中电子对可以通过氧化层形成超导电流，而结上并不出现电压，称为直流约瑟夫逊效应。在外磁场中，超导结的最大超导电流随磁场出现规律性的变化。当结上加有电压U时，产生高频超导电流,效率为2eV/h（h为普朗克常数)，这称为交流约瑟夫逊效应。1963年，C.D.安德森和J.H.罗厄尔在实验中观察到直流约瑟夫逊效应。罗厄尔又在实验中证实了最大超导电流与磁场的关系，约瑟夫逊的理论遂得到完全的证实。,26,2. 超导材料的性质及超导现象的机理,2.5 超导体的微观模型BCS理论第一个被广泛接受的完整的超导微观理论是1957年由三位美国物理学家巴丁、库伯和施里弗创建的，他们的这一超导理论被称为
23、 BCS 理论。该理论认为：超导电性是电子与晶格振动相互作用而产生的，金属中的电子在点阵中被正离子所包围，正离子被电子吸引而影响到正离子振动，并吸引其他电子形成了超导电流，在超导态金属中电子以晶格波(声子)为媒介相互吸引而形成电子对（称为库伯对），无数电子对相互重迭又常常互换搭配对象形成一个整体，电子对作为一个整体的流动产生了超导电流，由于拆开电子对需要一定能量，因此超导体中基态和激发态之间存在能量差，即能隙。这一理论预言了电子对能隙的存在，成功地解释了超导现象。,巴丁,库伯,施里弗,27,2. 超导材料的性质及超导现象的机理,用类比法解释BCS理论：首先用类比法解释正常态下导电的情况：假设导
24、体是一个巨大的舞厅，其中摩肩接踵的挤满了跳舞者（每个舞者是一个电子）。假设每一位跳舞者都在精力充沛地跳他自己的舞，那么这些跳舞者不仅会相互碰撞而且还会碰到舞场的设施(这代表正常金属中电子彼此互相碰撞并与不规则的晶格和杂质发生碰撞)。此时如果对整个人群施加一个向一边去的力（即施加外电场），整个人群施随着外力而运动，这一集体运动显然是无规则、无秩序的，因而大量的能量会在碰撞中消耗掉(这表示对正常态导体加上一个电场引起电流，导流子与晶格和杂质发生碰撞将消耗能量并产生一个电阻率)。按BCS理论：现在假设跳舞者都是成对的，每对在一起跳（这代表库伯对）。【但配合成对的作用力很弱，以致配对的两成员之间有一个
25、距离，这一距离的平均值恰好是相干波长。由于两个不在同一对中的电子之间的平均距离比此要小百倍】构成每一对的舞伴并非面对面的跳，而是隔离着其他舞者。因此，如果每一对要一起跳舞，则很显然所有的人必须一起共舞。结果形成单一相干的运动，整个舞厅变的很有秩序。超导态中电子的集体漂移就近似如此。,28,2. 超导材料的性质及超导现象的机理,BCS理论的证实：19611962年间，美籍挪威人贾埃瓦用铝做成了Al-Al2O3-Al隧道元件进行超导实验，直接观测到了超导能隙，很好地证明了 BCS 理论。巴丁、库伯和施里弗因此而获得1972 年度诺贝尔物理奖。虽然BCS理论于1957年建立，但是其突破传统的思维一直
26、难以被人接受。直到后来它所预言的物理现象一一被实验证实，BCS理论才被人们普遍接受。这是为何在理论出现15年之后才获得诺贝尔奖的原因。,BCS 理论对于传统的超导体解释是很成功的，但对于高温超导体中出现的一些特性，诸如d波对称性、预配对后凝聚等，BCS 理论就无能为力了。目前尚未有一个令人满意的解释高温超导体的理论 。,29,3. 氧化物基超导陶瓷,前面所介绍的各种理论模型均是基于第一类超导体，但第一类超导体TC太低，难以在常温下产生使用价值，上世纪80年代后期，发现了镧钡铜氧化物（TC=35K）后，“高温超导体”的研究掀起了高潮。很明显镧钡铜氧化物是结构、组成均与纯金属超导体不同的氧化物基陶
27、瓷超导体。在性质方面，除完全导电性、完全抗磁性外，氧化物陶瓷超导材料与其它超导材料相比最大的特点是具有高超导临界温度(TC)，是最有应用前景的超导材料，将在电力与电子、交通、能源、航天、医疗及物理化学基础研究等领域得到广泛应用，如用于超导输电、电力贮存、超导发电机、磁悬浮列车、核聚变、陀螺仪、核磁共振成像、超导量子干涉器件等等。,图3.1 高温超导电缆的构造,目前已发现的氧化物基超导陶瓷临界温度TC已达到150K以上，甚至有报道声称：在室温下产生短时超导的材料被制备出来。,30,3. 氧化物基超导陶瓷,3.1 超导陶瓷的结构（以YBa2Cu3O7超导陶瓷为例）如图3.2所示，YBa2Cu3O7
28、超导陶瓷晶体为正交结构，CuO层、BaO层、CuO2层、Y离子层按一定规律沿c轴堆砌而成。此外，晶体中存在一定量的空穴。研究表明，不同的原子层有不同的功能：（1）CuO2层是包含载流子（空穴）的金属性的超导层。（2）CuO层是空穴的产生者，为CuO2层提供空穴。（3）Y离子层是绝缘层，为CuO2层提供电子。（4）BaO层主要当作屏障出现，使CuO2层之间相互绝缘。,图3.2 YBa2Cu3O7超导陶瓷晶体结构,31,3. 氧化物基超导陶瓷,3.2 结构、组成对超导陶瓷超导性能的影响尽管目前尚未有成熟的理论能够解释超导陶瓷微观机理。但组成和结构对超导陶瓷超导性能（特别是临界温度TC）的影响已经有
29、了部分研究成果。首先，当单胞内CuO2层数n增加时，临界温度TC也随之增加。例如： La2-xSrxCuO4(n=1)的TC=40K、YBa2Cu3O7(n=2)的TC=92K、HgBa2Ca2Cu3O8(n=3)的TC=135K。然后，由于掺杂或成分的不同，TC也会不同。例如：对于La2-xSrxCuO4，x=0.16时TC=40K，这是该体系的最高临界温度，x0.05时和x0.26时均无法发生超导转变。最后，由于超导陶瓷材料是一种单晶体材料（因为晶界的存在不利于导电性），和单晶体的其它性质一样，超导性能也有各向异性,32,4. 超导材料的应用,超导电性现象被发现之后，如何应用就成为重要的问
30、题。随着近年来研究工作的深入，超导体的某些特性已具实用价值，例如超导磁悬浮列车已在某些国家进行实验，超导量子干涉器也研制成功，超导船，用约瑟夫森器件制成的超级计算机等研制过程中，超导体材料已深入到科研、工业和人们的生活之中。,超导磁悬浮列车,超导量子干涉器件,超导船,33,4. 超导材料的应用,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； 电子学应由包括超导计算机、超导天线、超导微波器件等； 抗磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。 超导材料的主要应用领域如下：4.1 能源领域4.2 交
31、通领域4.3 研究领域4.4 电子信息领域4.5 军事领域4.6 医学领域,34,4. 超导材料的应用,4.1 在能源领域的应用4.1.1 开发新能（1）超导受控热核反应堆 人类面临着能源危机，受控热核反应的实现，将从根本上解决人类的能源危机。如果想建立热核聚变反应堆， 利用核聚变能量来发电，首先必须建成大体积、高强度的大型磁场（磁感应强度约为105T)。这种磁体储能应达4X1010J。 只有超导磁体才能满足要求；若用常规磁体，产生的全部电能只能维持该磁体系统的电力消耗。目前，世界上主要研究两种核聚变装置： 托卡马克型和串列磁镜式装置。用于制造核聚变装置中超导磁体的超导材料主要是Nb2Sn、N
32、b-Ti合金，NbN，Nb3Al，Nb3（Al，Ge）等。核聚变反应时，内部温度高达100200M，没有任何常规材料可以包容这些物质。而超导体产生的磁场可以作为“磁封团体”，将热核反应堆中的超高温度等离子体包围、约束起来，然后慢慢释放，从而使受控核聚变能源成为人类取之不尽的新能源。,35,4. 超导材料的应用,（2）超导磁流体发电磁流体发电是一种靠燃料产生高温等离子气体，使这种气体通过磁场而产生电流的发电方式。磁流体发电机的主体部分由三个部分组成：燃烧室、发电通道和电极，其输出功率与发电通道体积及磁场强度平方成正比。如使用常规导体，不仅磁场的大小受到限制，而且励磁损耗大，发电机产生的电能将有很
33、大一部分自身消耗掉，尤其是磁场较强时。而超导磁体可以产生较大磁场，且励磁损耗小，体积、重量也可以大大减小。美国和日本对磁流体发电机进行了大规模的研究。日本制造的磁流体发电超导磁体产生磁场4.5T，储能60MJ，发电500KW, 目前,采用超导磁体的磁流体发电机已经开始工作。磁流体发电机特别适用于军事上大功率脉冲电源和舰艇电力推进。美国将磁流体装置用于潜艇，己进入实验。,36,4. 超导材料的应用,4.1.2 节能方面 （1）超导输电超导体的零电阻特性使超导输电引起人们极大的兴趣。用用超导材料作为输电线，可以把电力几乎无损耗的输送给用户。据统计，目前的铜或铝导线输电，约有15%的电能损耗在输电线
34、路上，光是在中国，每年的电力损耗及达1000多亿度。若改为超导输电，节约的电能相当于新建数十个大型发电厂。但目前使用的超导材料临界温度低，因此，对于超导输电必须考虑冷却电缆所需成本。近年，随着高温超导体的发现，日本研制了360KV，50m长的具有柔性绝热液氮管的电缆模型和50m长的导体绕在柔性芯子的电缆，其交流截流能力为2000A，有望用于地下电力传输系统，美国也研制了直流临界电流为900A的电缆。,37,4. 超导材料的应用,（2）超导发电机和电动机超导发电机的优点是小型、轻量、输出功率高、损耗小。据计算，电极采用超导材料线圈，磁感应强度可提高510倍。一般常规电机允许的电流密度为10210
35、3A/cm2，超导电机可达到104A/cm2以上。可见超导电机单机输出功率可大大增加，换句话说，同样输出功率下，电机重量可大大减轻。目前超导单极直流电机和同步发电机是人们研究的主要对象。,超导发电机,38,4. 超导材料的应用,（3）超导变压器在传统的变压器中，绕组中的铜损占变压器满负荷运行时总损耗的绝大部分，而采用高温超导绕组即可大大降低这部分损耗，大大提高变压器运行的经济性。同时，由于在相同容量下超导变压器的体积比常规变压器小4060%，因此，超导变压器可直接安装在现有变电站内，从而节省重建经费。正因为超导变压器具有效率高、体积小、无环境污染隐患等优点，它被公认为最有可能取代常规变压器的高
36、新技术。日本已研制成5000KV*A的高温超导变压器，美国已研制出1MV*A的高温超导变压器。,超导变电站,39,4. 超导材料的应用,4.2 在交通领域的应用利用超导材料的抗磁性，将超导材料放在一块永久磁体的上方，由于磁性的磁力线不能穿过超导体，磁体和超导通之间会产生排斥力，使超导体悬浮在磁体上方，利用这种效应可以制作高速超导磁悬浮列车。为超导磁悬浮列车的悬浮装置。日本在1991年又研制除了一种水路两栖磁悬浮列车，已完成模拟实验。4.3 在研究领域中的应用超导磁体的应用，最早是在研究领域展开的。目前，在实验室中,用铜与Nb3Sn超导磁体制成的混合磁体，产生了30.7T的磁场。在高能物理方面，
37、超导体在同步加速器中的应用，已取得了很大成绩。在加速器中使用的超导磁体有两种，一种是使离子束偏离的二极磁体，一种是使粒子束聚焦的四极磁体。美国研制了一个由Nb3Sn和Nb-Ti两层线圈组成的二极磁体和一个四层的Nb3Sn二极磁体。另外，日本、德国、荷兰在这方面也做了大量工作。,40,4. 超导材料的应用,4.4 电子信息领域应用4.4.1 超导计算机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，不存在散热问题，同时计算机的运算
38、大大提高（将是现在计算机的100倍到1000倍）。实验结果表面，有若干高温超导材料如铝系、银系等，可以经过镭射技术或蒸发技术在极厚的绝缘体上形成薄膜，并制成约瑟夫森器件。在一定限度内电流可以无阻碍的通过介质，超过一定限度则会产生电压，可进行二进制运算。日本1983年11月研制了一种实验性的约瑟夫森逻辑电路，开关速度为516PS。,41,4. 超导材料的应用,这种具有高速开关特性的器件是制作高速电子计算机不可多得的元件。其结果将使电子计算机的体积大大减小，能耗大大降低，计算机速度大大提高。把超导数据处理器与外存储芯片组装成的约瑟夫森式计算机，可以获得高速处理能力，在1S内可进行10亿次的高速运算
39、，是现有大型电子计算机速度的15倍。此外，科学家正在研究用半导体或超导体来制造晶体管，甚至完全用超导体来制作晶体管。4.4.2 超导电磁测量装置利用超导器件对磁场和电磁辐射进行测量，灵敏度非常高。超导电磁测量装备使极微弱的电磁信号都能被采集、处理和传递，实现高精度的测量和对比。,美国正建超导计算机 可达百亿亿次运算,42,4. 超导材料的应用,4.5 军事领域的应用4.5.1 超导储能系统超导材料具有高载流能力和零电阻的特点，可长时间无损耗地存储大量电能，它的蓄能效率高，可以回收98%的多余电力，而且反应速度快。一旦需要电力，在0.3S内就可以从超导储能线圈中把电流引出来送到任何电网。这对“星
40、球大战”计划所需要的电力是非常重要的。1987年美国国防部为适应“星球大战”，“战略防御计划”办公室提出建立超导储能工程实验模型（ETM）计划，已投资2000万美元建成了一个储能系统，其最大储能量可达到104GWH（7.351010J）。超导储能系统容量虽然大的惊人，体积却很小。有了它，就能换掉军车、坦克上笨重的油箱和内燃机，这对军用武器装备来说将是一次革命。,43,4. 超导材料的应用,4.5.2 超导粒子束武器和自由电子激光器粒子束武器和自由电子激光武器是未来反导、反卫星的新星，具有重要的战略意义。但它们发射时需要巨大的能量，因而使得武器系统过于庞大，这就给它们的实际应用造成了困难。超导技
41、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，使这两种原本压力巨大的新概念武器，又新添灵活，其前景甚为可观。,粒子束武器,德国莱茵金属防务电子公司展示的一款激光武器,44,4. 超导材料的应用,4.5.3 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，质量轻，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，以便减少通过导轨的电流，从而减小导轨的剩余磁损耗和热损耗，增加弹丸的功能。达到提高电磁炮系统效率
42、的目的。另外还可以用于舰艇，使其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。,美军测试高能电磁轨道炮 射程可超400公里,电磁炮（电影中）,45,4. 超导材料的应用,4.6 在医学领域超导材料可以用来制造一种能测量极微小电压和电流的电子元件，叫超导量子干涉器件。（超导量子干涉仪，约瑟夫森效应，如果测量地球磁场，还可以对地震作出预报。）他可以测量小到100亿分之一伏特的电压差和100亿亿分之一安培的电流（每秒仅通过几个电子），也可以测量小于100万亿分之特斯拉的磁场（仅相当于地磁场的100亿分之一）。由于脑体的心脏细胞有病变时会改变脑电流和心电流信号，因此可以用超导电子干涉器件诊断心脏和脑部的疾病。磁脑照相技术就是利用超导量子器件这一性能，它可以检测出稍大于10万分之一特斯拉的脑电信号，并能确定几毫米内的神经信号源。由以上可以看出，超导材料应用时非常广泛的，对人类社会的影响很重要，但已应用于实际的超导器件还是比较少的。应用技术的发展，有待于更高级的基础技术的建立和进步，如线材薄膜的制备技术，制冷及冷却技术，超低温用结构材料和检测技术。,46,谢谢大家！,THANKS,47,
