1、Seminar I高溫超導材料的研究進展 報告人： 周海 指導老師：周正有 班級： 金屬051班目錄 研究背景 高溫超導材料的簡介 高溫超導材料的制備 超導材料的最新進展 高溫超導材料的應用和發展前景研究背景 1911年，荷蘭萊頓實驗室的卡末林昂納斯(Karner lngh Onns)首次在42K時發現水銀零電阻現象即超導現象。他于1913獲得諾貝爾獎。 柏諾茲(Bednorz)和繆勒(Miiller)于1986年發現超導轉變溫度在3O K溫區的高溫銅氧化物超導體，為進一步發現在液氮溫區值的高溫超導體開辟了道路。他們于1987年獲諾貝爾獎。 釔系YBCO(YBa2Cu3O7-x )和鉍系BSC

2、CO(Bi2Sr2Ca2Cu3Oy)材料的發現使高溫超導材料走入實用化階段。 超導材料的研究在當今與納米科技相結合走入一個全新的時代。我國在中長期科技規劃中把高溫超導材料列為重點發展的前沿課題（2006-2020）。研究背景一些高溫超導體之Tc值 研究背景 零電阻 零電阻是超導體的一個重要特性，實驗表明：超導狀態中零電阻現象不僅與超導體溫度有關，還與外磁場強度和通過超導體的電流有關，這意味著存在臨界電流，超過臨界電流就會出現電阻.零電阻 高溫超導材料的簡介邁斯納效應 邁斯納效應又叫完全抗磁性，1933年邁斯納發現，超導體一旦進入超導狀態，體內的磁通量將全部被排出體外，磁感應強度恒為零，且不論對

3、導體是先降溫后加磁場，還是先加磁場后降溫，只要進入超導狀態，超導體就把全部磁通量排出體外。NNS降溫降溫加場加場S注：S表示超導態N表示正常態高溫超導材料的簡介觀察邁納斯效應的磁懸浮試驗在錫盤上放一條永久磁鐵，當溫度低于錫的轉變溫度時，小磁鐵會離開錫盤飄然升起，升至一定距離后，便懸空不動了，這是由于磁鐵的磁力線不能穿過超導體，在錫盤感應出持續電流的磁場，與磁鐵之間產生了排斥力，磁體越遠離錫盤，斥力越小，當斥力減弱到與磁鐵的重力相平衡時，就懸浮不動了。高溫超導材料的簡介觀察邁納斯效應的磁懸浮試驗在錫盤上放一條永久磁鐵，當溫度低于錫的轉變溫度時，小磁鐵會離開錫盤飄然升起，升至一定距離后，便懸空不動

4、了，這是由于磁鐵的磁力線不能穿過超導體，在錫盤感應出持續電流的磁場，與磁鐵之間產生了排斥力，磁體越遠離錫盤，斥力越小，當斥力減弱到與磁鐵的重力相平衡時，就懸浮不動了。高溫超導材料的簡介 逐漸增大磁場到達一定值后，超導體會從超導態變為正常態，把破壞超導電性所需的最小磁場稱為臨界磁場，記為Hc。有經驗公式： Hc(T)=Hc(0)(1-T2/Tc2)正常態HHc(0)Tc臨界磁場超導態高溫超導材料的簡介超導材料的分類：常規超導體(如Nb-Ti合金)高溫超導體(如YBa2Cu3O7-x) 非晶超導材料復合超導材料(如超導線帶材料)重費米子超導體(如CeCu2Si2)有機超導材料(如富勒烯等修飾的化合

5、物)超導材料高溫超導材料的簡介高溫超導材料的簡介 BCS超導理論:（美國科學家巴丁、庫柏和施里弗提出）庫柏對1電子通過聲子作為媒介產生相互吸引作用并逐漸超過庫侖斥力，相成束縛對即庫柏對。2 在超導基態各個電子的動量可以不同，但是每個庫柏對卻集中在零動量上。 2002年，諾貝爾獎得主Laughlin提出Gossamer超導理論。 德國馬克斯普朗克協會和普林斯頓大學1999年4月宣布，通過中子散射實驗，揭示了高 溫超導金屬氧化物電子自旋對的特殊行為。釔鋇銅氧化物（ YBa2Cu3O7-x ) 超導體高溫超導材料的例子1987年朱經武、吳茂昆、趙忠賢等發現，Tc90K,超導轉變溫度打破了液氦，解決了

6、阻礙超導技術應用的瓶頸問題。 美國貝爾實驗室采用快中子輻射氧化釔鋇銅單晶體，使臨界電流密度提高了100倍，達610 A/cm2，美國馬薩諸薩理工學院用在超導材料中摻入銀等加熱處理的方法，解決了材料的脆弱問題，使強度比超導陶瓷提高了10倍，適用于作輸電線.我國則早已制成零電阻為837 K的超導材料和零電阻為77 K的超導薄膜.高溫超導材料的例子鉍鍶鈣銅氧化物（Bi-Sr-Ca-Cu-O）超導體Bi2Sr2Can-1CunO2n+4 n=1 2201相n=2 2212相n=3 2223相n=4 2234相Cu-O 層Bi2O2層 鈣鈦礦層高溫超導材料的例子Tc100K;Tl-Ba-Ca-Cu系，T

7、c達到了125K;Hg-Ba-Ca-Cu系，Tc達到了135K, 高壓下Tc達到了164K。-Michael Vershinin, Shashank Misra, et al. Science,303,1995(2004).高溫超導材料的例子 -Elbio Dagotto. Science,293,2410(2001).銅氧化物和C60超導材料Y系高溫氧化物超導體的制備高溫超導材料的制備原料(氧化物或碳酸物)混合化學劑量比燒結氧化處理熔融織構工藝克服大角晶界塊材帶材離子束輔助沉淀工藝軋制輔助雙軸織構襯底工藝薄膜磁控濺射法激光沉淀法高溫超導材料的制備Bi系高溫氧化物超導帶材的制備:原材料(氧化物

8、或碳酸物)混 合化學劑量比煅 燒研 磨粉末充管拉 拔Ag管軋 制熱處理壓制/軋制熱處理重復高溫超導材料的制備-I. Chong, Z. Hiroi,* M. Izumi, J. Shimoyama, et al. Science,276,770(1997).Pb攙雜提高Bi2Sr2CaCu2O8+x的臨界電流密度-Maciek Zgirski, Karri-Pekka Riikonen, et al. Nano letters, 5,6(2005)超導材料的最新進展納米尺度對超導電性的制約作用S. Kang, A. Goyal, J. Li, A. A. Gapud, et al. Scien

9、ce, 311, 1911(2006).納米材料和超導材料的結合超導材料的最新進展超導材料的最新進展 -Robert F. Serverce.Science,295,786(2002). 2001年1月日本東京青山學院的教授Jun kimitsu宣布了這一發現。MgB2的臨界超導溫度Tc=40k.二硼化鎂超導材料的新發現超導材料的應用 在電力工程方面的應用超 導輸電在原則上可以做到沒有焦耳熱的損耗，因而可節省大量能源；用超導線圈儲存能量在軍事上有重大應用，超導線圈用于發電機和電動機可以大大提高工作效率、降低損耗，從而導致電工領域的重大變革. 超導發電機，擁有兩萬千瓦的功率超導磁流體發電機 超導

10、磁流體發電機以C-A5飛機運往莫斯科超導材料的應用 超導技術在交通運輸方面的應用 動用超導體產生的強磁場可以研制成磁懸浮列車，車輛不受地面阻力的影響，可高速運行，車速達500 km/h以上，若讓超導磁懸浮列車在真空中運行，車速可達1 600 km/h，利用超導體制成無摩擦軸承，用于發射火箭，可將發射速度提高3倍以上.超導電磁動力船 。此種實驗船已于日本有頗為成功之測試 。超導材料的應用 超導磁浮列車 計劃中的加州超導磁浮列車超導材料的應用 超導材料的應用 超導技術在電子工程方面的應用 用超導技術制成各種儀器，具有靈敏度高、噪聲低、反應快、損耗小等特點，如用超導量子干涉儀可確定地熱、石油、各種礦

11、藏的位置和儲量，并可用于地震預報.超導量子干涉儀超導材料的應用 應用于原子融合之超導科技 8 T 陰陽超導磁鐵 超導材料的應用 應用超導體制成計算機元件，開關速度可達到10-12 s，比半導體快1 000倍左右，而功耗僅為微瓦級，體積比半導體元件小1 000倍.用超導芯片制成超級計算機速度快、容量大、體積小、功耗低，美國IBM公司研制的一臺運速為8 000萬次的超導計算機，體積只有電話機那么大.超導材料的應用 高能量粒子超導加速器及碰撞器 （Fig. I-1）CEBAF的電子質譜儀超導材料的應用 高能量粒子超導加速器及碰撞器 （Fig. I-2）超導回旋加速器等離子源超導材料的應用 高能量粒子

12、超導加速器及碰撞器 （Fig. I-3）Axion超導材料的應用 超導技術在生物醫療方面的應用 超導磁體在醫學上的重要應用是核磁共振成像技術，可分辨早期腫瘤癌細胞等，還可做心電圖，腦磁圖、肺磁圖，研究氣功原理等. 核磁共振斷層掃描儀與人體斷層掃描圖超導材料的應用 醫療用MRI 2.0 T MRI 超導材料的應用 超導材料的應用 醫療用MRI 王氏科技公司 1.0 T 開放式MRI超導材料的應用 NMR 可磁共振質譜儀 超導材料的應用 超導技術在軍事上的應用 超導儲能裝置在定向武器上的應用使定向武器發生飛躍的發展.超導發電機，推進器在飛機上的應用可大大提高飛機的生存能力，在航海中的應用，可大大減

13、小甚至沒有噪音，推進速度快，可大大提高艦艇的生存、作戰能力，超導計算機應用于C3I指揮系統，可使作戰指揮能力迅速改善提高等等.超導材料的應用 超導銑礦磁分離機 （Fig. III-1）Copper Coil 超導材料的應用 應用于高等光源之超導科技（Fig. II-1）Wavelength Shifter 超導材料的應用 應用于高等光源之超導科技（Fig. II-2）Super Bend 超導材料的應用 隨著超導技術的不斷發展，高溫氧化物超導材料和有機物超導材料將不斷問世，目前超導還只應用在科學實驗和高技術中，例如中國科學院合肥等離子體物理研究所，采用超導技術建成托卡馬克實驗裝置(磁約束裝置)，放電3