功能金属材料第二章超导材料.ppt

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1、,第二章 超导材料,第一节 超导现象及超导材料的基本性质,第二节 超导体的理论基础和微观机制,第三节 超导材料的种类及其性能,第四节 超导材料的应用,内容：,1911年，荷兰物理学家昂纳斯发现汞的直流电阻在4.2K时突然消失，首次观察到超导电性。,第一节 超导现象及超导材料的基本性质,超导材料,一、超导体的基本物理现象,（1）零电阻效应,图2.1 电阻率与温度T的关系,1纯金属晶体 2含杂质和缺陷的金属晶体 3超导体,正常态温度高于Tc的状态；超导态温度低于Tc的状态。,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。确实也有人做了：将一个铅环冷却到7.25K以下，用磁铁在铅环中感应

2、出几百安培的电流，从1954年3月16日直到1956年9月5日，铅环中的电流不停流动，数值也没有变化。,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。Onnes由于在超导方面的卓越贡献，获得了1913年诺贝尔物理学奖。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。从正常电阻转变为零电阻的温度称为超导临界温度Tc。,我国目前15的电能损耗在输电线路上，达900多亿千瓦时。将超导电缆放在绝缘、绝热的冷却管里，管里盛放冷却介质，如液氦等，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通的地下电缆容量大25倍，可以传输几万安培的电流，电能消耗仅为所

3、输送电能的万分之几。,超导电缆,我国第一组超导电缆并网运行 输电能力增数倍,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。据悉，这组超导电缆于4月19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50%至60%，传输电力的能力是传统常规电缆的3至5倍。所以使用

4、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。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“西电东送”提供支持。,世界第一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

5、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用，但才刚刚进入实验阶段。,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用，但才刚刚进入实验阶段。美国超导公司CEO Greg Yurek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。埋在地下的一条超导电缆就能够代替

6、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，所谓的高温超导电缆，实际上运行在65至75开尔文之间（大概-210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技术就是电力输送的未来方向。除了经济性，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，使电流衰减。美国超导公司现在正在联合爱迪生

7、公司合作开发纽约的超导输电故障电流限制系统，预计2010年进入运行，美国国土安全部为该项目提供了补助。,图：细小的超导体（右）与常规的铜导线（左）,制造超导通信电缆。人们对通信电缆的主要要求是信号传递准确、迅速、容量大、重量轻，超导通信电缆正好能满足上述要求。因为超导通信电缆的电阻接近于零，允许用较小截面的电缆进行话路更多的通信，因此节约材料，降低电缆自重。更重要的是超导通信电缆基本上没有信号的衰减，不论距离远近，接收方都能准确无误地收到发出方发出的信号，所以在线路上不必增设中间放大器，就能进行远距离通信。,超导材料,（2）迈斯纳效应（完全抗磁性）,只要超导体材料的温度低于临界温度而进入超导态

8、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，这种现象称为“迈斯纳效应”,图2.2 迈斯纳效应,第一节 超导现象及超导材料的基本性质,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，只要外磁场|B0|小于临界磁场Bc，超导体内磁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=0M/B0=-1由此可见，超导体是一个“完全的逆磁体”。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。,超导材料,二、超导体的临界参数,1、临界温度Tc,图2.3 超导转变温度展宽示意图,（1）起始转变温度Tc(on set),（2）零电阻温

9、度Tc(n=0),（3）转变温度宽Tc,（4）中间临界温度宽Tc(mid),第一节 超导现象及超导材料的基本性质,超导材料,2、临界磁场Hc,3、临界电流Ic,4、三个临界参数的关系,图2.4 三个临界参数的关系,第一节 超导现象及超导材料的基本性质,超导材料,三、两类超导体的基本特征,1、第一类超导体,图2.5 第一类超导体的磁化曲线,Hc 和Ic 很低，几乎没有实用的可能性,第一节 超导现象及超导材料的基本性质,超导材料,2、第二类超导体,图2.6 第二类超导体的M-H曲线,第一节 超导现象及超导材料的基本性质,超导材料,图2.7 磁通线的三角形点阵排列,第一节 超导现象及超导材料的基本性

10、质,第二节 超导电性的理论基础和微观机制,超导材料,一、唯象理论,1、超导体的热力学理论二流体模型,（1）超导体的热力学性质,超导体由常态转变为超导态时,样品发生了一定的有序化,比热容发生了突变，电子热容发生了C的变化,熵减小,形成某种额外的的电子有序,（2）二流体模型：,包括以下三个假设：,超导材料,(a)超导体超导态时，传导电子分为两部分，一部分叫常导电子，另一部分叫超流电子，两种电子占据同一体积，彼此独立运动，在空间上互相渗透；,(b)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。,(c)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

11、常态更加有序的状态。超导中的电子不受晶格散射，又因为超导态是低能量状态，所以超流电子对熵没有贡献。,2、超导体的电磁理论伦敦方程,第二节 超导电性的理论基础和微观机制,1935年，伦敦兄弟提出，超导电子产生的电流密度为js+(nse*2/m*)A=0式中：超导电子的电荷为-e*，有效质量为m*，浓度为ns，A为超导电子运动的矢势。利用伦敦方程可以得到穿透深度L=（m*/0 nse*2）1/2对于大多数超导电性的金属元素，穿透深度约为10-810-7米。,第二节 超导电性的理论基础和微观机制,超导材料,穿透深度的变化实际上说明超导电流的电子数ns并不是固定的，在接近0K时最大，随温度增加而减小，

12、到转变温度时，ns减小到0。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性。通常将表层的超导电流称为逆磁电流或屏蔽电流。,第二节 超导电性的理论基础和微观机制,超导材料,临界温度Tc依赖于同位素质量的现象。当M时，Tc应趋于零，没有超导电性。当原子质量M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，由此可知：电子-晶格振动的相互作用是超导电性的根源。,第二节 超导电性的理论基础和微观机制,超导材料,二、超导的微观图像与机制,1、同位素效应,超导材料,2、电子声子相互作用,图2.8 电子使离子产生位移，从而吸引其它电子,第二节 超导电性的理论基础和微观机制,晶

13、体中电子是处于正离子组成的晶格环境中，带负电荷的电子吸引正离子向它靠拢；于是在电子周围又形成正电荷聚集的区域，它又吸引附近的电子。电子间通过交换声子能够产生吸引作用。,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库柏对。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库柏对。,第二节 超导电性的理论基础和微观机制,超导材料,3、库柏（Cooper)电子对,第二节 超导电性的理论基础和微观机制,超导材料,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外界提供能量。库柏对

14、吸收能量变成两个独立的正常电子的过程称为准粒子激发。由于受热激发，有一些库柏对被拆开成为正常电子，这样就使得超导体内有两种载流子：超导电子和被激发到能隙之上单粒子态中的正常电子。这正赋予了二流体模型新的意义。,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。自由电子在运动中受到的阻碍称为电阻。当超导临界温度以下时，自由电子将不再完全无序地“单独行动”，由于晶格的振动，会形成“电子对”（即“库珀电子对”）。温度愈低，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

15、用下，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：,可以这样简单地理解：,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。以上就是由J Bardeen、L N Cooper、J R Schrieffer在1957年提出的著名的BCS理论，它表现了目前许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需要人们进一步探索超导的奥秘。,Bardeen,Cooper,Schrieffer Theory(1957),超导材料,4、超导能隙,图2.9 绝对零度下的电子能谱,第二节 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,超导材料,5、BCS超导微

16、观理论,核心：（1）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能态密度N（EF）和电子声子相互作用能U有关。,第二节 超导电性的理论基础和微观机制,隧道效应：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道效应。,三、超导隧道效应,经典量子,U,EU,EU,如果其中

17、的Al进入超导态，就称为约瑟夫森结（下图）。1962年，剑桥大学的博士后约瑟夫森（B D Josephson）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，仍保持其配对的形式。这种不同于单电子隧道效应的新现象，称为约瑟夫森效应。,约瑟夫森结,超导体,超导体,通过计算表明，当绝缘层小于1.52um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，仍保持其配对的形式。这种不同于单电子隧道效应的新现象，称为约瑟夫森效应。,超导材料,图2.

18、10 正常金属N、绝缘层I和超导体S组成的结,第二节 超导电性的理论基础和微观机制,超导材料,图2.11 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b-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 超导电性的理论基础和微观机制,超导约瑟夫森元件示意图,第二节 超导电性的理论基础和微观机制,超导材料,超导量子干涉器（SQUID）和它的生医应用,流极大；为磁通量子的半整数倍时，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。,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环路的磁通量：磁

19、通量为磁通量子的整数倍时，电,人体中不仅存在着生物电，也存在着生物磁。超导量子干涉器优点：（1）非接触测量。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。人体内部组织有了损伤，就会产生损伤电流，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。,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特斯拉），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强计，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

20、用超导量子干涉仪测出人体完善的心磁图，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。,已经发现近30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。1986年,德国科学家柏诺兹Georg Bednorz 和 瑞士科学家弥勒Alex Mller发现了第一个钡镧铜氧化物高温超导体,（La1.85Ba0.15CuO4，其转变温度“高达”35K！）使超导转变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。高温超导（

21、非常规超导）的发现立即激起了全世界科学家的强烈兴趣。他们于1988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）。在紧接下来的几年,不同的高温超导体系相继被发现,超导温度也迅速攀升至160K(0 oC=273.15 K)。然而不幸的是高温超导的机理至今仍然是一个谜。,第三节 超导材料的种类及其性能,Mller&Bednorz,High Temperature Superconductors(1986),0 K:All motion ceases,100oC=373 K,0oC=273 K,-145oC=138 K,“High”Temperature

22、Superconductors,77 K,Air(Nitrogen)liquifies,4 K,Helium liquifies,Kelvin Temperature Scale,第三节 超导材料的种类及其性能,在l986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“工作”，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。因此，关于如何提高材料的Tc以及寻求高Tc材料，一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变温度的历程。,1986年12月，中国科学院的赵忠贤研究组获得了临界温度为48.6K的锶镧铜氧化物。（可能是最接近诺贝尔奖了）1987年2月，美籍华裔科学家

23、、美国休斯顿大学的朱经武教授获得了起始转变温度为90K的高温超导陶瓷。1987年3月，中国科学院宣布发现了起始转变温度为93K的8种钇钡铜氧化物。1988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。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。,第三节 超导材料的种类及其性能,第三节 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、合金和化合物超导体的超导转变温度较低(Tc30K)，其超导机理基本上能在BCS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。,一、元素超导体,已发现的超导元素近50种，如下图所示。除一些元素在常压及高压下具有超导电性

24、外，另部分元素在经过持殊工艺处理(如制备成薄膜，电磁波辐照，离子注入等)后显示出超导电性。其中Nb的Tc最高(9.2 K)，与一些合金超导体相接近，而制备工艺要简单得多。,周期表中的超导元素,第三节 超导材料的种类及其性能,超导材料,表2.1 一些元素的超导转变温度,第三节 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Tc(最大值)。其中A15超导体Nb3Sn是20世纪50年代马梯阿斯(BTMatthias)首次发现的。在1986年以前发现的超导体中，这类化合物中的Tc居于领先地位，它们之中临界温度最高的是Nb3Ge薄

25、膜，为23.2K。此外，c15超导体的临界温度约l0K，上临界场Hc2(约1.6107Am)高于超导合金NbTi，而在力学性质方面优于Nb3Sn，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磁体的理想材料。,超导材料,二、合金超导体,1、Nb-Zr合金,优点：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,缺点：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,2、Nb-Ti合金,优点：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，提高热稳定性,缺点：不易轧制成扁

26、线,第三节 超导材料的种类及其性能,超导材料,图3.12 Nb-Ti合金制造的典型工艺流程图,图2.13 Ni-Ti线的芯结构,第三节 超导材料的种类及其性能,超导材料,3、三元合金,Nb-Zr-Ti；Nb-Ti-Ta；Nb-Zr-Hf；V-Zr-Hf,三、超导化合物,超导化合物超导临界参数均较高，是性能良好的强磁场超导材料,一般超过10T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，不易直接加工成线材或带材。Nb3Sn V3Ga,第三节 超导材料的种类及其性能,图2.14 复合法制备Nb3SnV3Ga线材,图2.15 Nb3Sn线的芯结构,第三节 超导材料的种类及其性能,超导材料,

27、第三节 超导材料的种类及其性能,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其合金，和非晶态过渡金属及其合金，它们具有高度均匀性，高强度、高耐磨、高耐腐蚀等优点非晶态超导体的临界转变温度比相应的晶态超导体高。,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、磁通量子化和约瑟夫森效应。BCS理论是目前能解释所唯理论，但这并不意味高温超导体就是BCS超导体。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、较强的各向异性以及Tc对载流子浓度的强依赖

28、天系。,五、高温超导体,氧化锆（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。,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。,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高温超导基片晶体固有的畴结构

29、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,第四节 超导材料的应用,超导材料,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；电子学应用包括超导计算机、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。,第四节 超导材料的应用,超导材料,一、能源领域的应用,1、开发新能源,（1）核聚变反应堆“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

30、变的能量来发电具有能量释放大、实验资源丰富、成本低、安全可靠等优点。,核聚变反应堆“磁封闭体”利用超导体产生的巨大磁场，应用于受控制热核反应。核聚变反应时，内部温度高达1亿2亿，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可以作为“磁封闭体”，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，从而使受控核聚变能源成为21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卡马克HT-7巨大的电感线圈原子弹爆炸蘑菇云,第四节 超导材料的应用,超导材料,磁约束的应用,目前，磁约束主要应用在核聚变上，实现受控(热)核聚变。,著名的托卡马克装置即是利用磁约束原理实现受控核聚

31、变。它是一种形如面包圈的环流器，依靠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聚变物质约束在环形容器里，以此来实现聚变反应。,托卡马克装置:,第四节 超导材料的应用,超导材料,（2）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）做导体，并高速通过磁场强度为5万6万高斯的强磁场而发电。磁流体发电机的结构非常简单，用于磁流体发电的高温导电性气体还可重复利用。”,2、节能方面,（1）超导输电,（2）超导发电机和电动机,（3）超导变压器,第四节 超导材料的应用,超导材料,第四节 超导材料的应用,超导材料,热绝缘型和冷绝缘型高温超导电力电缆,热绝缘结构电缆基本结构示意图,从内到

32、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）。,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。,二、交通领域的应用,超导材料,图2.16 超导磁浮列车内部结构示意图,第四节 超导材料的应用,用 超 导 材 料 制 造 的 磁 悬 浮 列

33、车，速 度 可 达 550千 米/小 时，与 民 航 飞 机 差 不 多；如 果 磁 悬 浮 列 车 在 真 空 隧 道 中 运 行，其 速 度 可 达 1 600千 米/小 时，比 超 音 速 飞 机 还 快。,磁悬浮列车的不足,1.由于磁悬浮系统是以电磁力完成悬浮、导向和驱动功能的，断电后磁悬浮的安全保障措施，尤其是列车停电后的制动问题仍然是要解决的问题。其高速稳定性和可靠性还需很长时间的运行考验。2.常导磁悬浮技术的悬浮高度较低，因此对线路的平整度、路基下沉量及道岔结构方面的要求较超导技术更高。3.超导磁悬浮技术由于涡流效应悬浮能耗较常导技术更大，冷却系统重，强磁场对人体与环境都有影响。

34、,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？,首先，磁浮铁路的造价十分昂贵。与高速铁路相比，修建磁浮铁路费用昂贵。根据日本方面的估计，磁浮铁路的造价每公里约需60亿日元，比新干线高20。如果规划中的从东京到大阪之间的中央新干线修建为磁浮铁路，全线造价约需3万亿日元，而为了对建造磁浮铁路这一方案进行可行性研究而计划建造的一条42.8公里长的试验线，其初步预算就达3000亿日元。德国也认为磁浮铁路的造价远远高于高速铁路。根据德国在80年代初的这一项估算认为，修建一条复线磁浮铁路其造价每公里约为659万美元，而法国的巴黎至里昂和意大利的罗马至佛罗伦萨的高速铁路每公里的造价只分别

35、为226万和236万美元。现在，德国规划中的汉堡至柏林292公里长的铁路如果建造成为磁浮铁路，其初步预算就达59亿美元，约合每公里2000万美元。磁浮铁路所需的投入较大，利润回收期较长，投资的风险系数也较高，从而也在一定程度上影响了投资者的信心，制约了磁浮铁路的发展。,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？,其次，磁浮铁路无法利用既有的线路，必须全部重新建设。由于磁浮铁路与常规铁路在原理、技术等方面完全不同，因而难以在原有设备的基础上进行利用和改造。高速铁路则不同，可以通过加强路基、改善线路结构、减少弯度和坡度等方面的改造，某些既有线路或某些区段就可以达到高速铁路的行

36、车标准。如，日本1964年投入运营并大受欢迎的东京至大阪的新干线，在没有对机车做重大改进的情况下，仅通过修建曲线半径较大，即没有急转弯和陡坡较小的铁路等方法，从而使列车速度大大提高。再如德国的汉堡至柏林既有铁路线，经过技术改造后，某些区段的最高速度每小时可达230公里。此外，欧洲一些国家如德国、瑞典、意大利等国的设计人员，还采用使车厢在转向架上转动和倾斜的升降技术来对付铁路弯道（即采用摆式车体），这样在无须对既有线路进行改造和更新的情况下，也使列车行驶速度提高到每小时220公里。在对既有线路进行高速铁路改造的过程中，还可以实现高、中速混跑，列车根据不同区段的最高限速以不同的速度行驶。因而，与磁

37、浮铁路的全部重新建设相比，高速铁路的线路和运行成本就大大降低了。,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？,再次，磁浮铁路在速度上的优势并没有凸显出来。30多年前，许多人认为轮轨粘着式铁路的极限速度为每小时250公里，后来又认为是300-380公里。但是现在，法国的“高速列车”(TGV)、德国的“城际快车”(ICE)和穿越英吉利海峡的“欧洲之星”列车以及日本的新干线，其运行速度都达到或接近每小时300公里。1990年，在巴黎西部地区运行的法国第二代高速列车TGVA“大西洋”号更是创下了试验时速515.3公里的世界纪录。更何况，既便是磁浮铁路的行车速度达到每小时450-5

38、00公里，在典型的500公里区间内的运行中，也只比时速为300公里的高速铁路节约半小时，其优势不是特别明显。,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，已对低速常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。,我国的磁悬浮列车,继1994年西南交大成功地进行了4个座位、自重4吨、悬浮高度为8毫米、时速为30公里的磁悬浮列车试验之后，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，共同研制的长为6.5米、宽为3米、自

39、重4吨、内设15个座位的6吨单转向架磁悬浮试验车在铁科院环行试验线的轨距为2米、长36米、设计时速为100公里的室内磁悬浮实验线路上成功地进行了试验，并于1998年12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。,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29863公里，设计时速和运行时速分别为505公里和430公里；由中国与德国合作，2002年12月31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

40、折返运行方式。双列车会车实验在2003年7月18日已经完成。根据中德的协议，双线折返试运行原计划今年9月完成并接受安全认证，12月底工程验收，全线正式通车进行商业运行。,四、电子信息领域的应用,超导材料,1、超导计算机,第四节 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，甚至完全用超导体来制作晶体管。,三、研究领域的应用

41、,冷子管和超导计算机,一种电流开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态。,1935年，卡西米尔和哈斯用PbTi合金做门线，用Pb绕制控制线圈，做出了第一个开关元件，1956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。,半导体机速度与发热的尖锐矛盾，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年发明的隧道冷子管中，约瑟夫逊结具有极高的开关速度（约为10-12秒数量级，速度是半导体器件的百倍以上）和极低的功耗（只有半导体器件的千分之一左右），对应逻辑器件能

42、以惊人的速度执行“与”功能，从而为制造亚纳秒电子计算机提供了一条途径。,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分之一秒，比半导体元件快10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，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35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。使用铌系列超导材料，不但速度快，而且耗电少,第四节 超导材料的应用,超导材料,2、超导电磁测量装置,五、军事领域

43、的应用,1、超导贮能系统,3、超导电磁炮,2、超导粒子束武器和自由电子激光器,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。,合上开关S1，打开S2和S3时，超导线圈Ls充电；合上S2，打开S1，在电路2中就有一个持续电流；合上S3，打开S2，储存的能量

44、就消耗在外部负载上。,超导线圈电能储放电路,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。,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 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

45、 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，其 前 景 甚 为 可 观。,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

46、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 热 损 耗，增 加 弹 丸 的 动 能，达 到 提 高 电 磁 炮 系 统 效 率 的 目 的。,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

47、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 特 性，可 制 成 超 导 陀 螺 仪，能 大 大 提 高 飞 机 的 飞 行 精 度。,超导材料,图2.17 磁脑照相术中的超导量子干涉器件,第四节 超导材料的应用,六、医学领域,超导材料,图2.18 超导磁分离装置,第四节 超导材料的应用,第二章 超导材料,作业：,1、什么叫库柏电子对？利用BCS理论解释 超导的微观机制。,2、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,