高温超导材料及应用
高温超导材料及应用
《物理学在高新技术材料中的应用》
主要内容
.超导体的基本知识
.超导研究的历史
.高温超导体的发现和特性
.铁基高温超导体新进展
.超导材料的应用
一、超导体的基本知识
1、超导体的零电阻特性
.电阻为零R=0 （Superconductor）
TC：超导临界温
度，T 1911年荷兰科学家Onnes观测到Hg的电阻在 4.2K突然下降为零,首次发现了超导现象。 超导环中的永久电流实验：r.10-23W.cm 卡末林·昂内斯 H. Kamerlingh-Onnes (1853--1926) 1913年，诺贝尔物理学奖，因对物质低温性质的研究和液氦的制备而获奖。 R=0in superconductor超导体 高温超导体YBCO的电阻-温度曲线 2. Meissner效应 Meissner效应(完全抗磁性, 理想抗磁性) 完全抗磁性是指磁场中的金属处于超导状态时，体内的磁感应强度为零的现象。这一现象是荷兰科学家迈斯纳发现的，因此又称为迈斯纳效应。他在实验中发现，放在磁场中的球形的锡在过渡到超导态的时候，锡球周围的磁场都突然发生了变化，磁力线似乎一下子被排斥到导体之外。进一步研究发现，原来超导体表面能够产生一个无损耗的抗磁超导电流，这一电流产生的磁场，恰巧抵消了超导体内部的磁场。 磁感应强度B=0(超导体内) Meissner 和Ochsenfeld 1933年发现 ----和理想导体不同 ----存在一临界磁场 H> HC 超导态到.正常态 7 完全抗磁性 球体 置于外磁场中的超导体会表现出完全抗磁性，即超导体内部磁感应强度恒为零的现象—称为“迈斯纳效应” Meissner 效应 由于Meissner效应，磁铁和超导体之间存在很强的排斥作用，----磁悬浮 右图：小磁体悬浮在超导体上。 3. 表征超导体的重要物理量 .超导临界温度：Tc ~ 165 K (5万大气压), record, Hg-1223 .临界磁场：Hc .穿透深度：. λ磁场在超导体表面穿透进入超导体的深度，~ 10 –100 nm .相干长度：. ζ，电子配对（Cooper对）的尺寸，~1-50nm 临界电流：Jc，最大能通过的电流 .超导能隙：Δ.，超导态（基态）与激发态的能量差，或者 说，破坏一个Cooper对需要2Δ.的能量 .Ginzburg-Landau参量：κ=λ/ζ 4. Josephson(约瑟夫森)效应 Φ0=2x10-7Gauss/cm2 随磁通量变化类似光学衍射 约瑟夫森效应 （Josephson Effect） 1962年，Josephson 预言超导电子对隧道效应，并 被实验证实，在Josephson效应基础上形成“超导电子 学”。 1962年，英国剑桥大学超导物理学家皮帕德（A.B.Pippard）的研究生，年仅22岁 bd_josep .1973 Nobel Prize for Physics（with Leo Esaki and IvarGiaever） Completed the great work as a postgraduate!研究生 关于约瑟夫森 1969年约瑟夫森是剑桥大学的初级研究员，1965 －1966年到美国伊利诺伊大学访问，任究助理教授。1972年成为高级讲师，1974年成为物理教授。目前他仍然在剑桥大学卡文迪什实验室（物理系）的凝聚态研究组工作，负责“心物统一项目”的研究工作，即从事 一些不被主流科学界认可的“特异功能”研究，特别是对“遥视”的研究。 60年代末，他离开了主流科学领域，从事实智能、意识、超心理学的研究。他个人兴趣广泛，爱好登山、滑冰、摄影和天文学。 在漫长的超心理学研究中，他可没有象在超导研究中那么幸运，至今他仍然被科学界视为端。1994年8月12日约瑟夫森在《泰晤士报高教增刊》（Times Higher Education Supplement）上著文为科学上的异端作了辩护，特别提到大剂量服用维生素C、反引力和意念致动问题。他的观点很明确，总是为“弱者”辩护，并极力抱怨他们受到了科学界不公正的待遇。 超导量子干涉仪(SQUID) Φ0=2x10-7Gauss/cm2 5、超导理论： Bardeen、Cooper、Schrierfer理论（BCS理论） 1986年发现的铜氧化物超导体的超导电性不能用BCS理论解释 6、超导体的分类 I 类超导体： Pb, Sn, Hg等单质金属 B.Bc超导态.正常态 Bc一般很小, 中间态概念 I.Ic超导态.正常态 Ic一般很小(通常无用) 第一类超导体 .在超导态是理想的抗磁体(Meissner态)。 HC：临界磁场 当H>HC, 转变为正常态 超导态 完全抗磁性 正常态 一些元素的超导临界温度 Pb 7.2 K La 4.9 K Ta 4.47 K Hg 4.15 K Sn 3.72 K In 3.40 K Tl 1.70 K Rh 1.697 K Pr 1.4 K Th 1.38 K Al 1.175 K Ga 1.10 K Ga 1.083 K Mo 0.915 K Zn 0.85 K Os 0.66 K Zr 0.61 K Am 0.6 K Cd 0.517 K Ru 0.49 K Ti 0.40 K U 0.20 K Ha 0.128 K Ir 0.1125 K Lu 0.1 K Be 0.026 K W 0.0154 K Pt 0.0019 K Rh 0. K 已知的超导元素 超导体的分类 .第II类超导体 两个临界磁场HC1、HC2 H.Hc1Meissner态，完全抗磁通B=0 Hc1 .H .Hc2混合态，磁通格子态 磁通量子、磁通钉扎、流动、蠕动。 H.Hc2正常态 理想第II类超导体、非理想第II类超导体 第二类超导体相图 Meissner态 混合态 正常态 HC1 当HC1 处于混合态，磁通部分穿透进超导体，抗磁性不完全。在混合态的磁通线有规律地排列成三角或四方格子，称为磁通格子。 HC2 T H 混合态 NbSe2, STM .1957年，苏联物理学家阿布里科索夫提出存在第二类超导体，其主要特点是存在下临界场Hc1和上临界磁场Hc2。.当材料处于H 当H > Hc2, 变成正常态. Mixed State, vortices混合态涡流 II类超导体磁通穿透 合金及化合物超导体 Cs3C6040 K (Highest-Tc Fulleride) MgB239 K Ba0.6K0.4BiO330 K Nb3Ge 23.2K Nb3Si 19K Nb3Sn 18.1K Nb3Al 18K V3Si 17.1K Ta3Pb 17K V3Ga 16.8K Nb3Ga 14.5K V3In 13.9K Nb0.6Ti0.49.8 K (First superconductive wire) Nb 9.25K Tc 7.80K V 5.40 K Note: These 3 are the only elemental Type 2 superconductors. HoNi2B2C 7.5 K (Borocarbide) Fe3Re26.55K GdMo6Se85.6K (Chevrel) CoLa34.28K MnU6 2.32K (Heavy Fermion) AuZn3 1.21K Note: The above 6 compounds contain elements that are ferromagnetic or anti-ferromagnetic (as oxides). This makes them very reluctant (and unusual) superconductors. See the "Atypical" page for more. Sr.08WO3 2-4 K (Tungsten-bronze) Tl.30WO3 2.0-2.14 K (") Rb.27-.29WO31.98 K (") AuIn30.00005 K High-Tc cuprates: Tc, max ~ 135 K (常压), 165 K (高压) Fe(Ni) pnictides: Tc, max ~ 56 K 二、超导研究的历史过程 1、1986年以前超导研究过程 .1911年Onnes发现Hg在4.2K电阻突然下降为零 .1933年Meissner效应的发现 .1911-1932年间, 以研究元素的超导电性。Hg、Pb、Sn、In、Ta…. .1932-1953年，发现了许多具有超导电性的合金。 如Pb-Bi，NbC，MoN，Mo-Re……. .1953-1973年，发现了一系列A15型超导体和三元系超导体。 如Tc.17K的V3Si，Nb3Sn； 特别是Nb3Ga，Nb3Ge Tc.23.2K 其中1957年提出了BCS理论(1972年诺贝尔物理奖) 1962年发现了Josephson效应(1973年诺贝尔物理奖) 2、1973-1986年 .超导临界温度的提高，停滞不前。 Tc=23.2K Nb3Ge (1973年发现) 非常规超导体研究得到了蓬勃发展 重Fermi子超导体非晶态超导体低载流子密度超导体磁性超导体低维无机超导体超晶格超导体有机超导体 三、高温超导体研究的重大突破 1986年Müller 和Bednorz 发现高温超导体 1986.1 La2-xBaxCuO4 35K 1987.2 YBa2Cu3O7 90K 1988.1 Bi-Sr-Ca-Cu-O 80K,110K 1988.3 Tl-Ba-Ca-Cu-O 130K 1992 Hg-Ba-Ca-Cu-O 135K (几万个大气压165K) 高温超导体的机理研究 .1987年两人获得诺贝尔物理学奖 高温超导体难以用BCS理论解释 超导转变温度Tc大大超出BCS理论极限40K; 正常态非常反常（T > Tc)不符合通常金属的理论—郎道费米液体理论 高温超导体是强关联电子体系 .超导能隙.具有强的各向异性–d波对称性 .奇怪的同位素效应： BCS理论给出：Tc ∝M-α., α.=0.5, M为同位素质量 高温超导体：α.~ 0 高温超导体的结构 .在结构上看,是类钙钛矿结构, 铜和氧在ab方向上形成了CuO2平面, 层状结构特性. .CuO2平面是导电平面,是主要的.电子特性具有准二维特性. .有人说: 只要有CuO2平面和可移动的载流子,就必定是个超导体 高温超导体是II类超导体 .La系：La2-xXxCuO4(X=Ca, Sr, Ba) (也称214相) .Y系：YBa2Cu3O7 (也称123相)，Y可用其它稀 土元素替代。 稀土元素：(Sc), Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu。除Ce、Pr、Pm等以外，都能形成90K超导体。 .Bi系：有Bi 2201、2212、2223等系列。 .Tl系：有Tl 2201、2212、2223系列和Tl 1201、 1212、1223等系列。。 .Hg系：有Hg 1201、1212、1223等系列。 .其它，如(Sr,Ca)CuO2等。 Bi系氧化物超导体 CuO层增加, Tc逐步增加 2201: 1层CuO面, Tc -10 K Bi2Sr2CuO6, 2212: 2层CuO面, Tc -90 K Bi2Sr2CaCu2O8 2223: 3层CuO面, Tc -110-115 K Bi2Sr2Ca2Cu3O10110 K Bi1.6Pb0.6Sr2Ca2Sb0.1Cu3Ox115 K 2234: 4层CuO面, Tc -110 K 不稳定. Hg和Tl系铜氧化物超导体 Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8.33* 138 K (record-holder) HgBa2Ca2Cu3O8 133-135 K HgBa2Ca1-xSrxCu2O6+ 123-124 K HgBa2CuO4+ 94-98 K Tl1.6Hg0.4Ba2Ca2Cu3O10+ 130 K Tl2Ba2Ca2Cu3O10 127 K TlBa2Ca2Cu3O9+ 123 K Tl0.5Pb0.5Sr2Ca2Cu3O9 120 K TlBa2Ca3Cu4O11 112 K 高温超导体的电子态相图 欠掺杂最佳掺杂过掺杂 高温超导体的制备方法 多晶样品(陶瓷样品) 固相反应法: 例如: YBa2Cu3O7超导体的制备: 原料: Y2O3, BaCO3, CuO, 按比例称好,混合 烧结工艺: 900 C 烧结24小时, 重新研磨, 压片, 再930 C烧结24 小时. 高温超导体的制备方法 单晶样品的生长: (1) 助熔剂法(flux method) 1100 C左右(全部熔化成液体), 缓慢降温,结晶. (2) 光学加热法(光学熔融浮区法) (floating zone) 专门的单晶炉. 光学单晶炉 可以达到2000C. 日本Crystal System Co, 100 -150 万元. 高温超导体的制备方法 .超导薄膜的制备: (1) 磁控溅射法: 用磁场控制Ar离子轰击材料,汽化成等离子体,沉积成薄膜; (2) 脉冲激光沉积法(PLD法): 用激光轰击材料形成汽化的状态,沉积成薄膜. 实验设备:激光镀膜装置(PLD)DSC00800 KrF准分子激光器波长:248纳米单脉冲能量:250 mJ 脉冲宽度:25纳秒 四、其它奇异超导体 1。插水钴氧化物超导体：NaxCoO2.yH2O 2003年日本物质材料研究机构科学家发现。 NaxCoO2的奇异性质： （1）离子导体，离子电池的材料； （2）热电材料，热电势S很大； （3）插水后出现超导电性； （4）改变Na含量，甚至可以变绝缘体。 NaxCoO2—三角格子的钴氧平面 .准二维的体系，三角格子排列的 钴氧平面为导电平面 .电子也有强关联的特性 热电势和热电材料的要求 .热电材料的效率由一个无量纲参量ＺＴ表征,被称为品 质因子(figureofmerit): Ｚ=S2/κρT:温度，S:热电势，κ：热导，ρ：电阻率 Mg—Si，Bi2Te3，SiGe等半导体材料是目前应用广泛 的热电材料，高温时其ＺＴ值1 左右。 .一般认为载流子浓度n为1019cm-3是最佳的，Z最大。 .1997年日本早稻田大学的Terasaki教授首先发现 NaxCoO2的热电势反常大，引起了极大的关注。 .NaxCoO2是金属，电导率很大，却仍有这么大的热电 势，是一般金属所没有的现象。 插水后的NaxCoO2.yH2O 成为超导体！ .2003年3月《Nature》报道了日本物质材料研究所合成了插水化合物超导体－Na0.35CoO2-1.3H2O，Tc＝4.7K 。引起了又一浪研究热潮。 Na0.5CoO2：电荷有序现象 .2003年底普林斯顿大学Ong和Cava研究组又报道了 x=0.5时由于电荷有序化引起了金属-绝缘体相变。 Phys. Rev. Lett. 92, (2004). X=0.50, 电荷有序化 T=50K, 电阻率急剧增大；T=30K, 50K, 87K, 磁化率有变化 2、Ax-C60超导体 60个顶点和32个面，其中12个面为正五边形，20个面为正六边形. Fullerene: 富勒烯也称巴基球. 1985年9月，美国Rice大学和英国Sussex大学的研究小组在合作研究星际物质中可能存的碳原子团簇的一系列实验中，发现了球状C60分子的存在。 H. W. Kroto, et al., Nature 329, 529 (1987). 猜测C60分子结构直径0.7 nm R.E.Smalley, R.F.Kurl, H.W.Kroto获1996年诺贝尔化学奖。 1970年，日本科学家大泽映二预言，自然界中碳元素还应该有第四种同素异形体存在–球形碳分子。世界范围的C60研究热潮由此开始，并促成1996年的C60诺贝尔奖！ 1991年凝聚态物理领域的研究发现K3C60超导体（转变温度为18K）。A. F. Hebard, Nature 350, 600 (1991) . Smalley等用大功率的激光束轰击石墨使其汽化，用1MPa压力的氦气产生超声波，使被激光束汽化的碳原子通过一个小喷嘴进入真空膨胀，并迅速冷却形成新的碳原子，从而得 到了C60。在碱金属、碱土金属，稀土金属金属掺杂的C60固体中发现约二十种超导 A. F. Hebard, et al., Nature 350, 600 (1991)， K3C60超导转变温度18K;（最早） R. M. Fleming, et al., Nature 352, 787(1991), Rb2Cs1C60超导转变温度31K。(最高) 1997 在Eu掺杂的C60固体中发现铁磁体； 2002 在Eu掺杂的C60固体中发现巨磁电阻； 2003 在Sm掺杂的C60固体中发现近藤效应、负热膨胀。 3. Fe基超导体LnO1-xFxFeAs 日本小组2006年发现2个类似结构的低Tc超导体 * LaOFeP(Tc~ 5 K): Kamihara, Y. et al., J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 10012. * LaONiP(Tc~ 3 K) Watanabe, T. et al., Inorg. Chem.2007, 46, 7719 LaO1-xFxFeAs, Tc = 26 K Y. Kamihara, Tokyo Institute of Technology J. Am. Chem. Soc.,ASAP Article, 10.1021/jam S0002-863(80)00073-X February 23, 2008 54LnOFeAsZrCuSiAs-type 一类新的高温超导体横空出世！ FeAs平面是关键的导电平面。 中国的小组迅速跟进！ 2008-3-3：物理所王楠林组宣布合成Tc=26K的La1-xFxFeAs给出超导的基本性质，Hc2(0) ~60 T 2008-3-6: 物理所闻海虎组也宣布成功！ Hideo HosonoTokyo Institute of Technology Hideo Hosono Citation: "For his 2008 discovery of LaO1-xFxFeAs that has heralded in the era of Fe-pnictides for the search for and the unraveling of high temperature superconductivity." 注：Yoshiteru Maeno因为发现另一个超导体Sr2RuO4同时得奖。 (Sept. 2009, Tokyo) https://www.docsj.com/doc/8518895853.html,/award.html 浙江大学的成果之一(许祝安、曹光旱） 铁基高温超导体新材料探索 .中国科学家随后把Tc推高到40K以上 .电子型掺杂方法 （1）F dope on O site （2）O-vacancy 我们提出了新方法： Th4+ dope for Ln3+ ZrCuSiAs-type layered structure层结构 Th doping system：Gd1-xThxOFeAs, Tc = 56 K, 推向新高！（2008年4月） https://www.docsj.com/doc/8518895853.html,: 0804.2290, 2008-4-28 C Wang et al. EurophysLett. 83，67006(2008) 他人引用已超过24次.据 arXiv，已经50余次引用。 Thdopingsystem：Gd1-xThxOFeAs, Tc= 56 K, 推向新高！（2008年4月） Thdoping优点：对于重稀土，有利于改善LnO层与FeAs之间的晶格失配，比F掺杂容易实现。 受到国际同行的高度评价，如美国物理学会刊物《Physics》的评价；美国化学学会Chem& EnginNews整段报道。 这类超导体的临界温度在几月内不断升高 美国物理学会（APS）刊物《Physics》的评价 超导的“铁”时代 美国《化学与工程新闻》杂志（2008-10） 封面故事整段介绍我们的工作： 就在几周前，中国杭州的浙江大学曹光旱、许祝安报道了另外一种掺杂方法，把Tc推向新高。……与其他研究组不同，浙江大学团队利用Th 部分替代Gd获得Gd0.8Th0.2FeAsO. 浙大成就之二：（袁辉球） 铁基高温超导体的3D 超导态特性袁辉球及合作者：在二维层状晶体结构的铁 基超导体中发现超导态的“各向同性”, 这是首次在二维层状的超导材料中报道三维的超导特性。论文在Nature发表。 Yuan et al., Nature457，565（2009） 《自然》杂志评审专家认为，这是超导研究领域一项非常独特而重要的发现，将对研究铁基高温超导形成机理具有重要意义。 1111and 122structures各层比例关系 五、超导体的应用 1. 超导强电应用 物理基础: （1）r=0 (无焦尔热损耗) （2）(Tc，Jc, Hc2)高 如NbTi, Nb3Sn和V3Ga等超导线材在强磁场中, 能负载很高的临界电流 超导磁体 .能在大的空间内产生很高的磁场，所需的励磁功率很小，一个10Tesla的磁体只要汽车蓄电池充电即可。 .重量轻，体积小，稳定性好，均匀度高（1cm范围内达到10-8量级），也可以产生高梯度场（14T/cm） .和常规磁体相比，提高效率，节省费用。 美国Janis公司的14T超导磁体 美国国家强磁场实验室（NHMFL） 1990年建立，由三部分组成： .Florida State University, Tallahassee (总部）; .University of Florida, Gainesville; .Los Alamos National Laboratory, New Mexico the largest and highest-powered magnet 磁体laboratory in the world. .35 T 水冷磁体 .45T 混合磁体（hybrid magnet) .100 T脉冲磁场 45 tesla world-record hybrid混合magnet磁体 1999开始运行； 造价：144万美元； 重量：35吨； 高度：6.7米； 用水：15000公升/分； 用电：33兆瓦 运行费：4000美元/小时 超导悬浮高速列车 时速达500km/hrs，安全、稳定，为下一代的交通工具. 日本山梨试验线 .1975年在日本宫崎建立了一条7公里长的磁悬浮列车试验铁路。（1997年扩 展为42.8公里） .2003年12月2日, 一辆3车厢载人列车创造了最大时速581 km/h 的世界记录. 日本磁浮列车MagLev的原理princlevit每个车厢带4个超导线圈, 每边各2个, 传统超导材料制备,由液氦冷却. 超导线圈能够产生5 Tesla的强磁场. 超导线圈与导轨上的铜线圈之间的距离只有8 cm. 导轨线圈 导轨上有3套常规的铜线圈, 分别用于浮力, 推进力, 和侧面稳定.72MLU002N 于1993年建成，最高载人时速411公里/小时。 高温超导磁悬浮实验车―世纪号 .“九五”期间国家863计划项目. .西南交通大学2000年12月. .采用国产YBaCuO高温超导体块材,悬浮总重量为635公斤,在长15.5米的钕铁硼永磁导轨上自动运行. .“2001年中国高等学校十大科技进展”，排名第2. 超导贮能装置超导体强大的磁场可以贮存大量的电磁能,而且可以瞬间释放,在军事上有极大的用处,比如作为定向能武器,或者电磁炮的能量转换装置. 超导核磁共振成像 目前都采用超导磁体,提高分辨率. 液氦冷却! 零下269 度. 电力输送的新星超导电缆 .传统电缆由于有电阻，电 流密度只有 300－400安培／平方厘米， .高温超导电缆的电流密度可超过10000安培／平方厘米， .传输容量比传统电缆要高5倍左右，功率损耗仅相当于后者的40％。 由云电英纳承担研制的我国第一组实用型高温超导电缆，于2004年3月23日全部完成，并于4月19日在昆明普吉变电站挂网试运行成功。 高温超导电缆 人造小太阳: 超导托卡-马克核聚变实验装置(EAST) 合肥董铺科学岛 .国家“九五”重大科学工程项目,投资约4亿 .1克氘和氚碰撞聚合产生的能量相当于300升石油燃烧产生的热量；氘和氚两种元素为 海水中所富含，可谓取之不尽，用之不竭。 .核心: 超导电磁线圈围绕一个环形容器，把H+和电子组成的等离子体限制和控制在极小的 空间. 国际热核试验堆（ITER）计划 .1985年, 前苏联,美,欧,日提出 .2003年中国加入 7方: 美、俄、日、欧、中、韩、印、(加) 中国宣布承担总费用46亿欧元的10分之1,即大约46亿人民币. .2006年11月21日，ITER计划联合实施协定及相关文件已正式签署。 .选址法国南部的Cadarache ITER计划 .国际热核实验堆（简称ITER）计划是目前全球规模最大的国际科研合作计划之一，是为解决人类未来能源问题而开展的重大国际合作计划。 .我国于2006年底正式加入ITER计划，自2007年3月，国务院正式批准将ITER计划作为国家重大专项，由科技部总体负责实施 .教育部于2008年2月成立“磁约束核聚变教育部研究中心”，我校是中心九个成员单位之一。 .教育部投入6.9亿: 华中科大,交大, 浙大, …… 超导变压器1. 不存在常规变压器中的发热损耗，节能潜力； 2. 体积可以减少40-60%； 3. 液氮代替变压器油，消除火灾隐患； 4. 超导变压器的内阻极小，能够增大电压的可调节范围。 专家预计，超导变压器可望在5-10年内实现产业化. 其它强电应用 .超导电机 .超导故障限流器 .超导贮能 .超导电磁推进装置 超导舰艇电磁推进装置 .超导体的强电应用: 超导线圈产生强磁场 .原理:利用磁场对电流的作用—洛伦兹力 F= I* B 电磁推进器的原理 牛顿第3定律:作用力与反作用力大小相等,方向相反 电磁推进的优点 .取代了传统螺旋桨、轴系、减速齿轮机结构，极大地降低了噪声； .推进器的磁体、电极等相对静止的固定装置，不受旋转机械极限功率的限制，可制造超大功率的高速舰船，理论航行速度可达100 节； .操船简便灵活，改变电极电流的方向和大小就可以改变船推力的方向及大小； .布局灵活，没有贯穿大半船体的传动轴系，可充分利用舱室攻坚，可兼作水下电磁发射（鱼雷和导弹），没有了气动发射的巨大噪声，省去传统的气动发射装置。 试验船“大和1号” 日本造船振兴财团1985年成立“超导电磁推进船开发研究委员会” .1989开始研制,1992年1月试航. .主要参数: 中心磁场: 4.0 T 海水电极电流密度: 4000 A/m2 推力:4000牛顿*2台 船长:30m, 排水量: 185 吨 设计航速: 8节(海哩/时) 电磁流体推进试验船HEMS-1 .中科院电工所电磁推进技术研究组1998年研制成功. .船长为3.2 米，排水量约1 吨，乘员1 人，中心磁场为5 个特斯拉，采用不锈钢镀铂电极，推力可达40~50 牛顿，船速2 节。 .该成果获中国科学院2000 年科技进步二等奖。 PPMS系统：超导科学仪器 PPMS多功能物性测量系统,美国Quantum Design公司 温度: 1.8 -400 K (液氦) 磁场: 0-9 特斯拉(超导磁体) 超导核磁共振谱仪（NMR） 美国Varian INOV A 500NB 磁场：11.7T； 共振频率：500MHz 2、超导体的弱电应用 以Josephson效应为基础，建立极灵敏的电子测量装置为目标的超导电子学 .分辨率： 磁场磁通量磁场梯度电流电压位移加速度电磁能 10-15T 10-19Wb 10-11T/m 10-9A 10-15V 10-15m 10-11m/s210-14W 举例 1、SQUID磁强计：大面积探矿、测定地下水层的分布、地震预报 2、生物和医学上：探测心、肺、神经等活动引起的微弱电磁信号的变化 3、超导计算机 硅集成电路高性能化、小型化.发热 Josephson器件不发热，与非门（S-N） 超导滤波器CDMA高温超导滤波器样机 清华大学研制的两套高温超导滤波系统在中国联通CDMA移动通讯基 站已连续无故障商业运行一年以上。 高温超导滤波器可以显著提高通信基站的灵敏 度和选择性，提高通信容量，降低手机的辐射率并提高通话清晰度。 MPMS-5: SQUID磁强计 MPMS-5 Quantum Design 精度10-9emu 温度：1.9 –400 K 磁场：5 T 应用前景 能源、电力方面应用剧增， Conectus公司预测 预测: 2010年: 50亿美元 2020年: 380亿美元 复习思考题 1。超导量子干涉仪（SQUID）是利用了超导体的什么性质？B A 超导体的零电阻特性 B 超导体的Josephson效应 C 超导体的临界磁场大 D 超导体的同位素效应 2。下面哪个应用领域使用了超导磁体从而提高了性能和效率？A A 核磁共振； B 输电电缆 C 秦山核电站 D 超导滤波器 复习思考题（2） 判断一个化合物是否是超导体，首先要做哪两个低温物性测量？ （1）电阻率温度关系测量，是否在某温度以下下降到零； （2）抗磁性测量：测量磁化率，判别在Tc以下是否具有抗磁性（Meissner效应）。 改变世界——常温超导体 摘要： 火力发电厂可以建造在任何地方，但利用可再生能源的绿色电厂就要谨慎选址了，因为高原上才有强劲的风，沙漠中方能长沐日光，因此要向绿色能源转变，我们面临的最大挑战之一，就是如何跨越数百千米的距离，将这些来自偏远之地的电力输送至城市。何为超导： 超导是指导电材料在温度接近绝对零 度的时候，物体分子热运动下材料的电阻趋近于0的性质。“超导体”是指能进行超导 传输的导电材料。零电阻和抗磁性是超导体的两个重要特性。人类最初发现物体的超导现象是在1911年。当时荷兰科学家海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes，1853～1926）等人发现，某些材料在极低的温度下，其电阻完全消失，呈超导状态。使超导体电阻为零的温度，叫超导临界温度。（来自：必应） 发明经历： 1911年，荷兰莱顿大学的卡茂林-昂尼 斯意外地发现，将汞冷却到-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，由于它的特殊导电性能，卡茂林-昂尼斯称之为超导态。卡茂林由于他的 这一发现获得了1913年诺贝尔奖。 这一发现引起了世界范围内的震动。在他之后，人们开始把处于超导状态的导体称之为“超导体”。超导体的直流电阻率在一 定的低温下突然消失，被称作零电阻效应。导体没有了电阻，电流流经超导体时就不发生热损耗，电流可以毫无阻力地在导线中流大的电流，从而产生超强磁场。（来自：百 度百科） 常温超导体： 室温超导体，即为室温下电阻为零的导电体。电能因输电线存在电阻而变成热量白白损耗，是远距离电力传输中困扰人们的一大难题。随着低温超导体被发现，超导电缆逐渐投入应用，但是复杂的制冷设备和加工工艺，依然使输电成本难以降低。因此，科学家希望能找到一种可以在常温下就实现 超导的导电体。 在2014年以前，学术界认为室温超导 体是个理想化的概念，现实中基本不可能存在室温超导体，但是，在2014年12月，多家媒体突然报道常温超导被证实。尽管只能存在几皮秒，但是这也许就是真的突破的开始。以前的问题是怎么找到常温超导材料，现在的问题变了——怎么让常温超导材料 坚持久一点！（来自：百度百科） 工业应用背景： 常温超导技术可广泛应用于铁道、机动车、发电机、马达、蓄电池、变压器、航空、船舶、诊断装置、电脑等众多行业。应用常温超导技术的机动车，不使用一切石化燃料，可全自给动力且有超环保性能。应用常温超导技术的磁浮列车，车身轻、极低噪音、时速达500公里以上，可使列车浮上地面达 10厘米（其他磁浮列车浮上地面仅8毫米），除发生严重事故外，列车行驶时与轨道接触的危险性极小，故在安全性能上大大超过其他磁浮列车。 结语： 最先进的超导电缆可将电能输送几千 千米而仅有百分之几的损耗。但麻烦的是，电缆必须一直浸在77K(约-196℃)的液氮之中。因此，如果要架设这样的电缆，每隔一千米左右就必须安装泵机和冷却设备，大大增加了超导电缆方案的成本和复杂程度。 能在常温常压下工作的超导体，将使全球化电力供应梦想成真。通过横穿地中海底的超导电缆，非洲撒哈拉沙漠的太阳也可以给西欧供电。然而，制作室温超导体的秘诀至今依然成谜，与1986年时没有什么两样——研究人员就是在那一年，首次制备出了可在相对“高温”的液氮中实现超导的物质(此前的超导体需要冷却至23K以下)。 2008年，一大类以铁元素为基质的全 新超导体(铁基超导体)被人发现。理论学家 能够找到高温超导体工作机制的希望也因 此而大增(参见《环球科学》2009年第8期《高温超导“铁”的飞跃》)。如果掌握了 这一机制，室温超导体也许就不再遥不可及。 高温超导体及其研究近况 姓名:高卓班级:材料化学09-1 学号:200901130805 所谓超导,是指在一定温度、压力下,一些金属合金和化合物的电阻突然为零的性质.利用此次性质做成的材料称为超导材料. 超导材料按其化学组成可分为：元素超导体，合金超导体，化合物超导体。近年来，由于具有较高临界温度的氧化物超导体的出现，有人把临界温度Tc达到液氮温度（77K）以上的超导材料称为高温超导体，上述元素超导体，合金超导体，化合物超导体均属低温超导体。以下就高温超导体作一个简要介绍。 一材料特点 自1964年发现第一个超导体氧化物SrTiO3以来，至今已发现数十种氧化物超导体。这些氧化物超导体具有如下共同的特征：（1）超导温度相对而言比较高，但载流子浓度低；（2）临界温度Tc随组分成单调变化，且在某一组分时会过渡到绝缘态；（3）在Tc以上温度区，往往呈现类似半导体的电阻-温度关系；（４）Tc和其他超导参量对无需程度敏感。 高温超导体在结构和物性方面具有以下特征；(1)晶体结构具有很强的地维特点，三个晶格常数往往相差3-4倍；（2）输运系数（电导率、热导率等）具有明显的各向异性；（3）磁场穿透深度远大于相干长度，是第二类超导体；（4）载流子浓度低，且多为空穴型导电；（5）同位素效应不显著；（6）迈斯纳效应不完全；（7）隧道实验表明能隙存在，且为库柏型配对。氧化物超导体的这些特征，引起人们的兴趣和关注。 二发展趋势 目前,在高温超导研究领域中,各国科学家正着重进行三个方面的探索,一是继续提高Tc,争取获得室温超导体;二是寻找适合高温超导的微观机理;三是加紧进行高温超导材料与器件的研制,进一步提高材料的Jc和Tc,改善各种性能，降低成本，以适用实用化的要求。 三国内外发展现状 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。 一、美国 美国能源部（DOE）早在1988年就创建了超导计划，该计划将高科技公司、国家实验室和大学结合起来，进行具有高度复杂性的高温超导技术的应用研发工作，并在此基础上于1993年底制定了超导伙伴计划（Superconductivity Partnership Initiative，SPI）。SPI是整个超导计划的一部分，目的是加速高温超导（High temperature superconductors，HTS）电力设备走进市场。DOE 在2001年9月24日宣布了新一轮的高温超导计划——SPI二期，投入总资金达1.17亿美元，支持高温超导商业化示范电缆、100MVA高温超导发电机、1000英尺、3相长距离高温超导输电电缆、高温超导变压器、高温超导核磁共振成像装置、超导飞轮储能装置、高温超导磁分离器等7个项目的研发。 2003年7月，DOE在公布的《‘Grid 2030’A National Vision for Electricity’s Second 100 Years》报告中，把高温超导技术列为美国电力网络未来30年中发展的关键技术之一。该计划制订了2010年、2020年和2030年美国在电力方 探究高温超导电缆的研发现状和发展趋势辛国骥 发表时间：2018-08-13T17:09:51.327Z 来源：《电力设备》2018年第12期作者：辛国骥 [导读] 摘要：在我国快速发展的过程中，高温超导技术的发展，高温超导电缆已经在输电系统中有了实际应用。 （国网大同供电公司检修公司山西大同 037008） 摘要：在我国快速发展的过程中，高温超导技术的发展，高温超导电缆已经在输电系统中有了实际应用。与传统电缆相比，高温超导电缆具有传输容量大、损耗低、体积小、重量轻、可靠性高、节约资源、环境友好等优势，有望在未来电网发展中发挥重要作用。本文介绍了高温超导电缆的结构及特点、基本设计原理、传输电流与导体层电流分布及交流损耗等技术问题，并对高温超导电缆在交流和直流输电系统中的应用以及目前世界各国对高温超导电缆的研究及成果做了介绍。 关键词：高温超导电缆；现状；发展 引言 随着我国经济的快速发展，用电量在不断增长，对电网传输容量需求也日益增长。高温超导材料在液氮温度的传输电流密度比铜导体高至少两个量级，且采用无污染和火灾隐患的液氮作为冷却介质，因此高温超导电缆在提升电网输电能力，在现有电力系统升级和新电力系统建设中都具有重要应用前景。目前，国际上对高温超导交流电缆的研究已取得了很大的进展，技术较成熟，相继建成多条超导电缆示范工程。高温超导直流电缆起步较晚，所以目前国内外的直流电缆工程不多，但由于新能源的大量引入，高温超导直流电缆得到了越来越多的重视，各国也纷纷开展了对高温超导直流电缆的研究。本文简要介绍近十几年来国内外有关高温超导电缆研究和开发的进展情况，并对其未来发展趋势和关键技术进行简单介绍。 1高温超导电缆的原理结构 高温超导电缆与传统的普通电缆相比有比较大的差异，其主要结构包括：内支撑芯、电缆导体、绝热层、电气绝缘层、电缆屏蔽层和保护层。1）内支撑芯：通常为罩有密致金属网的金属波纹管，或一束铜绞线。内支撑芯的功能是作为超导带材排绕的基准支撑物。2）电缆导体：由高温超导带材绕制而成，一般为多层。3）绝热层：通常由同轴双层金属波纹管套制，两层波纹管间抽成真空并嵌有多层防辐射金属箔。绝热层的主要功能是实现电缆超导导体与外部环境的绝热，保证超导导体在低温环境下能够安全运行。4）电气绝缘层：高温超导电缆按绝缘层类型的不同可以分成热绝缘和冷绝缘两种，热绝缘超导电缆的电气绝缘层的结构和材料与常规电缆的电气绝缘层相同，位于绝热层外部；冷绝缘超导电缆的电气绝缘层浸泡在液氮的低温环境下。5）电缆屏蔽层和保护层：电缆屏蔽层和保护层的功能是电磁屏蔽、短路保护及物理、化学、环境保护等。 2发展现状 目前国内开展的直流超导电缆工程相对较少，只在河南中孚电解铝厂建有一条示范工程。2009年起，中国科学院电工所与河南中孚电解铝厂股份有限公司合作研制直流超导电缆，该电缆380m长、单相、电压/电流为1.3kV/10kA。电缆一端连接变电站的整流器，另一端连接电解铝厂的母线。2015年开始进行中低压、大电流直流高温超导电缆关键技术的研究。提出了一种新型的自磁屏蔽型高温超导直流电缆结构，旨在消除各层超导带材临界电流的衰减，进而提高直流电缆的电流容量。第一种自屏蔽电缆结构如图24所示，在此种结构的直流电缆中，相邻层的电流方向相反，能有效降低各层带材的磁场。例如，由于第1层与第2层的电流方向相反，它们产生的磁场在第3层处将相互抵消，这样，第3层带材的临界电流将不会受到第1、2层的影响。应用此结构，电缆各层无磁场影响，临界电流几乎等于自场临界电流，超导线利用率高，临界电流几乎无退化，且可以获得任意大的运行电流结构，无电磁泄露。另外，为减少电缆端部带材与电流引线的各层连接数目，降低接触电阻，按照相同思路，同时提出了另外一种结构。两种自屏蔽型结构电缆将有效地提高电缆的载流容量，无电磁辐射、无信息泄露的自磁屏蔽型低压大电流高温超导直流电缆在高保密要求、高稳定性要求的互联网数据中心、军用舰船上等低压大电流输电场合有着重要的应用。 3发展趋势 经过近20年发展，国际上对高温超导交流电缆的研究已取得了很大的进展，技术相对较为成熟，相继建成多条示范工程，国际上几组典型实验运行的高温超导电缆参数情况如图所示），交流高温超导电缆和常规电缆输送容量和电压等级的比较如图所示。对于交流高温超导电缆，冷绝缘结构是其实用结构。但是，电压等级不宜超过340kV，原因之一是电压等级太高，绝缘占据空间大，不能充分体现超导电缆高载流密度特性；原因之二是介质损耗太高，冷却费用大幅度增加，运行不经济。未来交流高温超导电缆技术主要是在220kV及以下电压等级，其传输容量比常规345kV交联聚乙烯电缆还高。此外，虽然国内也有几组超导电缆试验运行，但是长度都在100m及以下，且未见开发具有中间连接装置的超导电缆研发报道。电缆终端、套管、中间连接装置等附件也是未来超导电缆实用化研发的重要部件。 高温超导材料的发展及应用 摘要：现代社会高度物质文明和材料科学进步密切有关，本文通过介绍超导及高温超导材料的相关知识阐述目前高温超导材料的发展和应用。 Abstract: the modern social highly material civilization Closely relates to the material's science progress, this paper is about the knowledge of superconducting and HTS materials,and it introduces High temperature superconducting materials 's development and application. 关键词：超导、高温超导材料、材料、技术。 Keywords: superconductivity, high temperature superconducting materials, materials, technology. 正文：日新月异的现代技术的发展需要很多新型材料的支持。自从第三次科技浪潮席卷全球以来，新型材料同信息、能源一起，被称为现代科技的三大支柱。新材料的诞生会带动相关产业和技术的迅速发展，甚至会催生新的产业和技术领域。 超导体由于其得天独厚的特性，使它可能在各种领域得到广泛的应用。但由于早期的超导体存在于液氦极低温度条件下，极大地限制了超导材料的应用，因而需要探索新的高温超导材料。所谓高温超导材料是指具有高临界转变温度（Tc）的超导材料，目前高温超导材料主要有：钇系（92 K）、铋系（110K）、铊系（125K）和汞系（135K）以及2001年1月发现的新型超导体二硼化镁（39K）。其中最有实用前途的是铋系、钇系（YBCO）和二硼化镁（ Mg B）。氧化物高温超 2 导材料是以铜氧化物为组分的具有钙钦矿层状结构的复杂物质，在正常态它们都是不良导体。同低温超导体相比，高温超导材料具有明显的各向异性，在垂直和平行于铜氧结构层方向上的物理性质差别很大。高温超导体属于非理想的第II类超导体，且具有比低温超导体更高的临界磁场和临界电流，因此是更接近于实用的超导材料，特别是在低温下的性能比传统超导体高得多。 一、高温超导材料 1、高温超导线带材高温超导体在强电方面众多的潜在应用（如：磁体、电缆、限流器、电机等）都需要研究和开发高性能的长线带材（千米量级）。所以，人们先后在YBCO、BSCCO及 Mg B线材带化实 2 超导电力技术的运用 引言 超导电力技术将是21世纪具有经济战略意义的高新技术1。超导技术的实用化、产业化会对电力领域产生巨大影响。国际超导技术界普遍 认为，新一代高温超导带材(钇系高温超导带材)有望在5年后商品化，之后超导电力技术将会出现一个快速增长的时期，在2010年～2015年期间，各种高温超导电力装置将会陆续进入实用化阶段。据国际超导 工业界预测：2020年，全球超导电力技术产业的产值将达到750亿美元。目前，超导电力技术已进入高速发展时期2，若干超导电力设备，如超导电缆、超导变压器、超导限流器、超导储能装置等已在电力系 统试运行。采用超导电力技术，可以大大提升电力工业的发展水平、 促进电力工业的重大变革。广东电网是全国最大的省级电网，随着电 网的高速发展，系统短路电流水平稳步增大，威胁着电网的安全稳定 运行。变电站站址和线路走廊落实困难，电网建设滞后，已影响到电 力供应的安全性和可靠性。本文从超导电力设备的特点和优势出发， 初步探讨了超导电力装置在广东电网应用的可行性。 1超导电力技术简介 高温超导电缆采用无阻和高电流密度的高温超导材料作为载流导体， 具有载流能力大、损耗低和体积小的优点，其传输容量将比常规电缆 高3～5倍，而电缆本体的热损耗几乎为零。2005年4月，北京云电英纳电缆公司研发出75m、35kV/2kA三相交流高温超导电缆，安装在云 南普吉变电站试验运行。超导故障限流器的基本原理是将超导装置接 入电网，系统正常运行，电流在临界电流以下时，超导体电阻几乎为0，对系统运行无影响。发生故障时，短路电流急剧上升超过临界电流， 超导体失超，电阻迅速增加，从而限制短路电流。故障切除后一段时间，超导体又从正常态恢复到超导态。2000年ABB瑞士研究中心研制 出单相6.4MVA该型故障限流器。2009年，云南电力研究院、昆明供电局、云电英纳超导电缆有限公司等单位在云南普吉变对35kV超导限流 材料化学论文题目：高温超导材料研究 班级：2009级3班 姓名：梁秋菊 学号：200910140315 高温超导材料研究 摘要：简要介绍了高温超导材料及其发展历史，对超导材料的发展现状和用途进行说明，对目前超导材料的主要研制方法进行了分析。 关键词：超导材料研究进展高温应用 一、高温超导材料的发展历史 高温超导材料一般是指临界温度在绝对温度77K以上、电阻接近零的超导材料，通常可以在廉价的液氮（77K）制冷环境中使用，主要分为两种：钇钡铜氧（YBCO）和铋锶钙铜氧(BSCCO)。钇钡铜氧一般用于制备超导薄膜，应用在电子、通信等领域；铋锶钙铜氧主要用于线材的制造。 1911年，荷兰莱顿大学的卡末林·昂尼斯意外地发现，将汞冷却到-268.98°C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，由于它的特殊导电性能，卡末林·昂尼斯称之为超导态，他也因此获得了1913年诺贝尔奖。 1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质，当金属处在超导状态时，这一超导体内的磁感应强度为零，却把原来存在于体内的磁场排挤出去。对单晶锡球进行实验发现：锡球过渡到超导状态时，锡球周围的磁场突然发生变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了，人们将这种现象称之为“迈斯纳效应”。 超导材料的最初研究多集中在元素、合金、过渡金属碳化物和氮化物等方面。至1973 年，发现了一系列A 15型超导体和三元系超导体，如Nb 3 Sn、V 3 Ga、Nb 3 Ge，其中Nb 3 Ge超导 体的临界转变温度(T c)值达到23.2K。以上超导材料要用液氦做致冷剂才能呈现超导态，因而在应用上受到很大限制。1986年，德国科学家柏诺兹和瑞士科学家穆勒发现了新的金属氧化物超导材料即钡镧铜氧化物(La-BaCuO)，其T c为35K，第一次实现了液氮温区的高温超导。铜酸盐高温超导体的发现是超导材料研究上的一次重大突破，打开了混合金属氧化物超导体的研究方向。1987年初，中、美科学家各自发现临界温度大于90K的YBacuO超导体，已高于液氮温度(77K)，高温超导材料研究获得重大进展。后来法国的米切尔发现了第三类高温超导体BisrCuO，再后来又有人将Ca掺人其中，得到Bis尤aCuO超导体，首次使氧化物超导体的零电阻温度突破100K大关。1988年，美国的荷曼和盛正直等人又发现了T 1 系高温超导体，将超导临界温度提高到当时公认的最高记录125K。瑞士苏黎世的希林等发现在HgBaCaCuO超导体中，临界转变温度大约为133K，使高温超导临界温度取得新的突破。 二、高温超导体的发展现状 目前，高温超导材料指的是：钇系(92 K)、铋系(110 K)、铊系(125 K)和汞系(135 K)以及2001年1月发现的新型超导体二硼化镁(39 K)。其中最有实用价值的是铋系、钇系(YBCO) 实验 预习说明 1．附录不必看，因为示波器改用Kenwood CB4125A 型，它的使用指南见实验室说明资料。 2．测量B-H 曲线，用示波器直接测出R 1上的电压值u 1（3.11.1）式和电容上电压值u C （）式。 3．由于R 1、R 2和C 值不确定，仍需要用教材方法标定B 0、H 0，但是（3.11.7）、（）式中L x 、L y 分别用标 定时的电压u x 、u y 代替。u x 、u y 为电压的峰峰值。 选做实验 高温超导材料临界转变温度的测定 一．引言 1911年荷兰物理学家卡默林翁纳斯(Kamerling Onnes)首次发现了超导电性。这以后，科学家们在超导物理及材料探索两方面进行了大量的工作。二十世纪五十年代BCS 超导微观理论的提出，解决了超导微观机理的问题。二十世纪六十年代初，强磁场超导材料的研制成功和约瑟夫森效应的发现，使超导电技术在强场、超导电子学以及某些物理量的精密测量等实际应用中得到迅速发展。1986年瑞士物理学家缪勒(Karl Alex Muller)等人首先发现La-Ba-Cu-O 系氧化物材料中存在的高温超导电性，世界各界科学家在几个月的时间内相继取得重大突破，研制出临界温度高于90K 的 Y-Ba-Cu-O （也称YBCO ）系氧化物超导体。1988年初又研制出不含稀土元素的Bi 系和Tl 系氧化物超导体，后者的超导完全转变温度达125K 。超导研究领域的一系列最新进展，特别是大面积高温超导薄膜和临界电流密度高于105A/cm 2 Bi 系超导带材的成功制备，为超导技术在各方面的应用开辟了十分广阔的前景。测量超导体的基本性能是超导研究工作的重要环节，临界转变温度T C 的高低则是超导材料性能良好与否的重要判据，因此T C 的测量是超导研究工作者的必备手段。 二．实验目的 1．通过对氧化物超导材料的临界温度T C 两种方法的测定，加深理解超导体的两个基本特性； 2．了解低温技术在实验中的应用； 3．了解几种低温温度计的性能及Si 二极管温度计的校正方法； 4．了解一种确定液氮液面位置的方法。 三．实验原理 1．超导现象及临界参数 1）零电阻现象 我们知道，金属的电阻是由晶格上原子的热振动（声子）以及杂质原子对电子的散射造成的。在低温时，一般金属（非超导材料）总具有一定的电阻，如图1所示，其电阻率 与温度T 的关系可表示为： 50AT +=ρρ （1） 式中0是T ＝0K 时的电阻率，称剩余电阻率，它与金属的纯度和晶格的完整性有关，对于实际的金属，其内部总是存在杂质和缺陷，因此，即使使温度趋于绝对零度时，也总存在 0。 1911年，翁纳斯在极低温下研究降温过程中汞电阻的变化时，出乎意料地发现，温度在附近，汞的 电阻急剧下降好几千倍（后来有人估计此电阻率的下限为1023cm ，而迄今正常金属的最低电阻率 仅为1013cm ，即在这个转变温度以下，电阻为零（现有电子仪表无法量测到如此低的电阻），这就是零电阻现象，如图2所示。需要注意的是只有在直流情况下才有零电阻现象，而在交流情况下电阻不为零。 目前已知包括金属元素、合金和化合物约五千余种材料在一定温度下转变为具有超导电性。这种材料称为超导材料。发生超导转变的温度称为临界温度，以T C 表示。 图1 一般金属的电阻率温度关系 图2 汞的零电阻现象 T 0 105 电 阻 ︵ ︶ T (K) 四川理工学院 材料物理性能 高温超导材料论文 【摘要】 在本实验中我们的主要目的是通过通过氧化物高温超导材料特性的测量和演示，加深理解超导体的两个基本特性，即零电阻完全导电性和完全抗磁性。我们还通过此实验对不同的温度计（铂电阻温度计和硅二极管温度计）进行比较。我们采用的是四引线测量法，利用低温恒温器和杜瓦容器测量了超导电性，绘制了超导样品的电阻温度曲线，验证了超导在高温冷却电阻突然降为零的电特性。我们也绘制了磁悬浮力与超导体-磁体间距的关系曲线，对其进行了分析。在进行磁悬浮的实验中我们验证了超导体的混合态效应和完全抗磁性。 关键词： 超导体零电阻温度完全磁效应磁场 一、引言： 1911年H.K.Onnes首次发现在4.2K水银的电阻突然消失的超导现象，此温度也被称为临界温度。根据临界温度的不同，超导材料可以被分为：高温超导材料和低温超导材料。 但这里所说的高温，其实仍然是远低于冰点0℃的，对一般人来说算是极低的温度。1933年，迈斯纳和奥克森菲尔德两位科学家发现，如果把超导体放在磁场中冷却，则在材料电阻消失的同时，磁感应线将从超导体中排出，不能通过超导体，这种现象称为抗磁性。经过科学家们的努力，超导材料的磁电障碍已被跨越，下一个难关是突破温度障碍，即寻求高温超导材料1973年，发现超导合金――铌锗合金，其临界超导温度为23.2K，这一记录保持了近13年。此后，科学家们几乎每隔几天，就有新的研究成果出现。1987年底，铊－钡－钙－铜－氧系材料又把临界超导温度的记录提高到125K。 高温超导体具有更高的超导转变温度（通常高于氮气液化的温度），有利于超导现象在工业界的广泛利用。高温超导体的发现迄今已有16年，而对其不同于常规超导体的许多特点及其微观机制的研究，却仍处于相当“初级”的阶段。这一点不仅反映在没有一个单一的理论能够完全描述和解释高温超导体的特性，更反映在缺乏统一的、在各个不同体系上普遍存在的“本征”实验现象。 本实验中，我们通过对氧化物超导材料特性的测量和演示，加深理解超导体的两个基本特性；了解金属和半导体的电阻随温度的变化及温差电动势；了解超导磁悬浮的原理；掌握液氮低温技术。 二、原理： 物理原理： 1.超导现象及临界参数 (1)零电阻现象 1911年，卡麦林·翁纳斯用液氮冷却水银线并通以几毫安电流，在测量其电压时发现，当温度稍低于液氮沸点时，水银电阻突然降为零，这就是零电阻现象或超导现象。具有此现象的物体称为超导体。只有在直流条件下才会存在超导现象，在交流下电阻不为零。 临界温度是指当电流，磁场及其他外部条件保持为零或不影响测量时，超导体呈现超导态的最高温度。我们用电阻法测定超导临界温度。 （2）MERSSNER效应 1933年，迈斯纳和奥克森菲尔德两位科学家发现，如果把超导体放在磁场中冷却，则在材料电阻消失的同时，磁感应线将从超导体中排出，不能通过超导体，而且，不管加磁场的顺序如何，超导体内磁场总为零。这种现象称为抗磁性即MERSSNER效应。 3）超导体分类 超导体分为两类第1类超导体是随温度变化只分为超导态和正常态，第2类是在超导态和正常态中间部分还存在混合态。 纯金属材料的电阻特性 纯金属材料的电阻产生于晶体的电子被晶格本身和晶格中的缺陷的热振动所散射。ρ=ρL（T）+ρ R，其中ρL（T）表示晶格热振动对电子散射引起的电阻率，与温度有关。ρ r表示杂质和缺陷对电子的散射所引起的电阻率，不依赖与温度，与杂质和缺陷的密度成正比，称为剩余电阻率。 半导体材料电阻温度特性 ρi=1/nie(μe+μp) 本征半导体的电阻率ρi与载流子浓度ni及迁移率μ=μe+μp有关, 因ni随温度升高而成指数上升，迁移率μ随温度增高而下降较慢，故本证半导体电阻率随温度上升而电调下降。 实验仪器及其原理： 研究生课程考核试卷 科目：新型输电技术教师： 题目：超导输电的应用及问题 姓名：学号： 专业：电力系统类别：学术型上课时间：2015年5月~2015年7月 考生成绩： 卷面成绩平时成绩课程综合成绩阅卷评语： 阅卷教师(签名) 重庆大学研究生院制 超导输电的应用及问题 摘要：我国电力资源与负荷资源分布极度不匹配，电力的远距离输送不可避免，特别是未来可再生能源的规模开发与利用，将会进一步加剧这种不匹配的格局。因此大规模的电力远距离输送在我国尤其重要。超导输电技术由于其输送容量密度大、损耗极小，是实现大规模电力远距离输送的潜在解决方案之一。本文就超导输电技术发展现状，首先讲解了超导输电的原理，进一步，对国内外超导输电的应用发展情况做出详细介绍，并分析了超导输电技术的优点和大规模应用的实现问题。 关键词：超导输电高温超导超导电缆低温绝缘 1.引言 我国电力资源与负荷资源分布极度不匹配，电力的远距离传输不可避免，特别是未来可再生能源的规模开发与利用，将会进一步加剧这种不匹配的格局，大规模的电力远距离输送在我国尤其重要。但传统的电缆受铜、铝等基本导电材料的电导率限制，损耗不可避免。尤其在长距离输变电过程中，由于线缆造成的损耗约占总线路损耗的70%左右。同时，随着电能消费密度的不断增长，送电通道越来越紧张，常规技术以不能满足负荷中心高密度大容量送电的要求。在日本东京、大阪等大城市中，中心电力消费密度已达到80~100MW/km2，大容量高密度送电问题十分突出[1]。 为减少电能输变过程中的损失，也必须采用新型输电方式来实现资源节约型电能输送。超导输电技术是利用高密度载流能力的超导材料发展起来的新型输电技术。运用超导输电电缆作为电能传输媒介。由于超导材料的载流能力可以达到100~1000A/mm2，大约是普通铜或者铝的载流能力的50~500倍，且其传输损耗几乎为零（直流下损耗为零，工频交流下有少量交流损耗[2]。正是由于超导输电有诸多优点，且能够有效解决损耗和大容量大电流传输的问题，所以近年来超导输电技术受到各国的重视，先后有多个国家开展了超导输电技术的研究。 本文就超导输电的发展现状，重点介绍国内外超导输电的应用，并分析超导输电技术存在的问题。 2.超导输电技术的发展和应用 近几年来，关于超导技术的成果接连不断，让人们看到了超导技术的巨大作用和广阔的应用前景。至此，许多国家把超导技术当作21世纪具有经济战略意义的高新技术来重点发展，而重中之重就是加快超导电力技术的应用，以促进电力能源工业的重大变革。 2.1.超导原理及超导电缆结构 很低的温度下，物体会形成一个核外层电子公用的状态，这就是物质的超导态，核外层电子处于公用的状态的物体就是超导体。处于超导状态的物体电阻非常小，而电缆在传输电能过程中主要的损耗就是电阻造 兴义民族师范学院 2013届本科毕业生学位论文 高温超导材料的研究进展及 前景展望 姓 名： 马 关 爱 教 学 系： 物 理 系 专 业： 物 理 学 导师姓名： 张 星 中国﹒贵州﹒兴义 2013年5月 目录 摘要............................................................................................................................ I ABSTRACT .................................................................................................................. II 第一章绪论. (1) 1.1超导体的发现 (1) 1.2高温超导体的概述 (4) 第二章高温超导材料研究的内容 (6) 2.1高温超导材料的研究背景 (6) 2.2高温超导材料的特性 (7) 2.3高温超导材料的研究目标 (8) 2.4高温超导材料的研究状况 (9) 2.4.1高温超导的物理进展 (10) 2.4.2对BCS理论的修正[7] (11) 2.4.3RVB理论[7] (11) 2.4.4Luttinger液体理论[7] (12) 2.4.5铁磁自旋理论[7-10-11] (12) 2.4.6掺杂型高温超导体的研究进展 (12) 2.4.7高温超导材料其他方面的进展 (14) 2.5影响高温超导研究的因素 (14) 2.5.1交流损耗是一个影响高温超导材料应用的重要因素 (14) 2.5.2磁场是影响高温超导材料研究的一个重要因素 (15) 2.5.3量子限制效应对超导薄膜性质的影响 (15) 2.5.4超导体中的人工钉扎与磁通匹配效应 (15) 2.5.5薄膜表面等离子激元和增强透射效应 (15) 第三章高温超导材料的制备工艺 (16) 3.1高温超导材料的研究方法 (16) 3.1.1磁控溅射（MS）法 (16) 3.1.2脉冲激光沉积法 (16) 高温超导材料 高温超导材料，是具有高临界转变温度（Tc）能在液氮温度条件下工作的超导材料。因主要是氧化物材料，故又称高温氧化物超导材料。 1.结构 高温超导材料不但超导转变温度高，而且成分多是以铜为主要元素的多元金属氧化物，氧含量不确定，具有陶瓷性质。氧化物中的金属元素（如铜）可能存在多种化合价，化合物中的大多数金属元素在一定范围内可以全部或部分被其他金属元素所取代，但仍不失其超导电性。除此之外，高温超导材料具有明显的层状二维结构，超导性能具有很强的各向异性。 已发现的高温超导材料按成分分为含铜的和不含铜的。含铜超导材料有镧钡铜氧体系（Tc=35～40K）、钇钡铜氧体系（按钇含量不同，T发生复化。最低为20K ，高可超过90K）、铋锶钙铜氧体系（Tc=10～110K）、铊钡钙铜氧体系(Tc=125K）、铅锶钇铜氧体系（Tc约70K）。不含铜超导体主要是钡钾铋氧体系（Tc约30K）。已制备出的高温超导材料有单晶、多晶块材，金属复合材料和薄膜。高温超导材料的上临界磁场高，具有在液氦以上温区实现强电应用的潜力 2.特性 超导体得天独厚的特性，使它可能在各种领域得到广泛的应用。但由于早期的超导体存在于液氦极低温度条件下，极大地限制了超导材料的应用。人们一直在探索高温超导体，从1911年到1986年，75年间从水银的4．2K提高到铌三锗的23．22K，才提高了19K。 1986年，高温超导体的研究取得了重大的突破。掀起了以研究金属氧化物陶瓷材料为对象，以寻找高临界温度超导体为目标的“超导热”。全世界有260多个实验小组参加了这场竞赛。 1986年1月，美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎世实验室科学家柏诺兹和缪勒首先发现钡镧铜氧化物是高温超导体，将超导温度提高到30K；紧接着，日本东京大学工学部又将超导温度提高到37K；12月30日，美国休斯敦大学宣布，美籍华裔科学家朱经武又将超导温度提高到40．2K。 2月15日美国报道朱经武、吴茂昆获得了98K超导体.2月20日,中国也宣布发现100K以上超导体.3月3日,日本宣布发现123K超导体.3月12日中国北京大学成功地用液氮进行超导磁悬浮实验.3月27日美国华裔科学家又发现在氧化物超导材料中有转变温度为240K的超导迹象.很快日本鹿儿岛大学工学部发现由镧、锶、铜、氧组成的陶瓷材料在14℃温度下存在超导迹象.高温超导体的巨大突破,以液态氮代替液态氦作超导制冷剂获得超导体,使超导技术走向大规模开发应用.氮是空气的主要成分,液氮制冷机的效率比液氦至少高10倍,所以液氮的价格实际仅相当于液氦的1／100.液氮制冷设备简单,因此,现有的高温超导体虽然还必须用液氮冷却,但却被认为是20世纪科学上最伟大的发现之一. 高温超导体通常是指在液氮温度（77 K）以上超导的材料。人们在超导体被发现的时候（1911年），就被其奇特的性质（即零电阻，反磁性，和量子隧道效应）所吸引。但在此后长达七十五年的时间内所有已发现的 超导体的原理、性质及其应用 …（…） （..，南京 211189） 摘要：1911年，荷兰莱顿大学的卡末林—昂内斯意外地发现，将汞冷却到-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，由于它的特殊导电性能，卡末林—昂内斯称之为超导态。低温时，导体导电度急剧增加，即电阻值为零时，我们称之为超导状态。而处于超导状态的导体我们称之为超导体。超导电性和抗磁性是超导体的两个重要特性。为了实现超导材料的实用性，科学家们经过数十年的努力，跨越了超导材料的磁电障碍，开始了探索高温超导的历程。 关键词：超导应用原理 Principles, Properties and Applications of Superconductors … (…, Nanjing 210000) Abstract: In 1911, H.Kamerlingh Onnes from the University of Leiden finds that when the mercury cooled to -268.98 ℃, the resistance of it suddenly disappeared. Later he found that many metals and alloys are similar to the above mercury at low temperatures. Due to its special conductive properties H.Kamerlingh Onnes calls it the superconducting state. AT low temperatures, the conductor conductivity increased dramatically, we call it the superconducting state. While in the superconducting state, we call the conductor superconductors. Superconductivity and anti-magnetic superconductors are two important features. In order to achieve practical superconducting materials, scientists have spent decades exploring the course. key words: Superconductors Applications Principles 一般材料在温度接近绝对零度的时候，物体分子 热运动几乎消失，材料的电阻趋近于0，此时称为超导体，达到超导的温度称为临界温度。超导体的一系列应用与发展正是基于超导体这一特殊的性质。本文对超导体的原理、性质以及它在现代技术的广大应用进行具体的介绍。超导体原理的介绍 1911年，卡末林发现了零电阻的现象。1914年，他又发现，将超导体置于磁场中，当磁场增大到某一临界值B C时，或者在超导体中通过的电流密度超过某一临界值j C时，超导体都将从超导态转 高温超导材料 樊世敏 摘要自从1911年发现超导材料以来，先后经历了简单金属、合金，再到复杂化合物，超导转变温度也逐渐提高，目前，已经提高到164K(高压状态下)。本文主要介绍高温超导材料中的其中三类：钇系(YBCO)、铋系 )，以及高温超导材料的应用。与目前主要应用领(BSCCO)和二硼化镁(MgB 2 域相结合，对高温超导材料的发展方向提出展望。 关键词高温超导材料，超导特性，高温超导应用 1 引言 超导材料的发现和发展已经有将近百年的历史，前期超导材料的温度一直处于低温领域，发展缓慢。直到1986年，高温超导（HTS）材料的发现，才进一步激发了研究高温超导材料的热潮。经过20多年的发展，已经形成工艺成熟的第一代HTS带材--BSCCO带材，目前正在研发第二代HTS带材--YBCO涂层导体，近一步强化了HTS带材在强电领域中的应用。与此同时，HTS薄膜和HTS块材的制备工艺也在不断地发展和完善，前者己经在强电领域得到了很好的应用，后者则在弱电领域中得到应用，并且有着非常广阔的应用前景。 2 高温超导体的发现简史 20世纪初，荷兰莱顿实验室科学家卡默林昂尼斯（H K Onnes）等人的不断努力下，将氦气液化［1-7］，在随后的1911年，昂尼斯等人测量了金属汞的低温电阻，发现了超导电性这一特殊的物理现象。引起了科学家对超导材料的研究热潮。从1911到1932年间，以研究元素超导为主，除汞以 外，又发现了Pb 、Sn 、Nb 等众多的金属元素超导体；从1932到1953年间，则发现了许多具有超导电性的合金，以及NaCl 结构的过渡金属碳化合物和氮化物，临界转变温度（Tc ）得到了进一步提高；随后，在1953到1973年间，发现了Tc 大于17K 的Nb 3Sn 等超导体。直到1986年，美国国际商用机器 公司在瑞士苏黎世实验室的科学家柏诺兹（J. G. Bednorz ）和缪勒（K. üller）首先制备出了Tc 为35K 的镧-钡-铜-氧（La-Ba-Cu-O ）高温氧化物超导体，高温超导材料的研究才取得了重大突破［10,11］。临界转变温度超过90K 的钇-钡-铜-氧等一系列高温氧化物超导体被发现，成为了高温超导材料研究领域中一个划时代的标志，它使得高温超导材料的研究不只是停留在理论阶段［12］。到目前为止，人们已经发现了几千种超导材料，典型的超导材料临界转 变温度与发现时 间如图1所示。 一百多年来， 人们对于超导材 料的研究一直充 满兴趣。在2011 年，人们在全国 各地举行 了各种活动纪念超导 现象发现100周年，用以探讨超导材料的研究现状和发展方向。随着新超导材料被不断发现，超导材料的临界转变温度也不断被提高，理论机制获图1 超导体Tc 提高的历史简图 材料化学论文题高温超导材料研 班级：2009级3班 姓名：梁秋菊 学号：200910140315 高温超导材料研究 摘要：简要介绍了高温超导材料及其发展历史，对超导材料的发展现状和用途进行说明，对目前超导材料的主要研制方法进行了分析。 关键词：超导材料研究进展高温应用 一、高温超导材料的发展历史 高温超导材料一般是指临界温度在绝对温度77K以上、电阻接近零的超导材料，通常可以在廉价的液氮(77K)制冷环境中使用，主要分为两种：钇钡铜氧( YBCO和铋锶钙铜氧(BSCCO)钇钡铜氧一般用于制备超导薄膜，应用在电子、通信等领域；铋锶钙铜氧主要用于线材的制造。 1911年，荷兰莱顿大学的卡末林?昂尼斯意外地发现，将汞冷却到-268.98 ° C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，由于它的特殊导电性能，卡末林?昂尼斯称之为超导态，他也因此获得了1913年诺贝尔奖。 1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质，当金属处在超导状态时，这一超导体内的磁感应强度为零，却把原来存在于体内的磁场排挤出去。对单晶锡球进行实验发现：锡球过渡到超导状态时，锡球周围的磁场突然发生变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了，人们将这种现象称之为“迈斯纳效应”。 超导材料的最初研究多集中在元素、合金、过渡金属碳化物和氮化物等方面。至1973 年，发现了一系列A15型超导体和三元系超导体，如Nb s Sn V s Ga Nb s Ge,其中Nb s Ge超导体的临界转变温度(TJ值达到23.2K。以上超导材料要用液氦做致冷剂才能呈现超导态，因而在应用上受到很大限制。1986年，德国科学家柏诺兹和瑞士科学家穆勒发现了新的金属氧化物超导材料即钡镧铜氧化物(La-BaCuO),其T c为35K,第一次实现了液氮温区的高温超导。铜酸盐高温超导体的发现是超导材料研究上的一次重大突破，打开了混合金属氧化物超导体的研究方向。1987年初，中、美科学家各自发现临界温度大于90K的YBacuG g 导体，已高于液氮温度(77K) ，高温超导材料研究获得重大进展。后来法国的米切尔发现了第三类高温超导体BisrCu0,再后来又有人将Ca掺人其中，得到Bis尤aCuOg导体，首次使氧化物超导体的零电阻温度突破100K大关。1988年，美国的荷曼和盛正直等人又发现了「系高温超导体，将超导临界温度提高到当时公认的最高记录125&瑞士苏黎世的希林等 发现在HgBaCaCi超导体中，临界转变温度大约为133K,使高温超导临界温度取得新的突破。二、高温超导体的发展现状 目前，高温超导材料指的是：钇系(92 K)、铋系(110 K)、铊系(125 K)和汞系(135 K) 以及2001年1月发现的新型超导体二硼化镁(39 K)。其中最有实用价值的是铋系、钇系(YBCO) 和二硼化镁（MgB2）。氧化物高温超导材料是以铜氧化物为组分的具有钙钛矿层状结构的复杂物质，在正常态它们都是不良导体。同低温超导体相比，高温超导材料具有明显的各向异性，在垂科技小论文：常温超导体
高温超导体及其研究近况
探究高温超导电缆的研发现状和发展趋势 辛国骥
高温超导材料的发展及应用
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