1、超導材料新進展第1頁，共51頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三目錄 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(fā)展前景第2頁，共51頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三研究背景 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(fā)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(fā)現超導轉變溫度在3O K溫區(qū)的高溫銅氧化物超導體，為進一步發(fā)現在液氮溫區(qū)值的高溫超導體開辟了道路。他們于1987年獲諾貝爾獎。 釔系YBC

2、O(YBa2Cu3O7-x )和鉍系BSCCO(Bi2Sr2Ca2Cu3Oy)材料的發(fā)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(guī)劃中把高溫超導材料列為重點發(fā)展的前沿課題（2006-2020）。第3頁，共51頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三研究背景第4頁，共51頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三一些高溫超導體之Tc值 研究背景第5頁，共51頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三高溫超導材料的簡介超導材料的基本物理特征：零電阻現象完全抗磁性（邁斯納效應）超導態(tài)并非僅取決于溫度(臨界電流和臨界磁

3、場)普通導體超導體第6頁，共51頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三 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(tài)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第7頁，共51頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三邁斯納效應 邁斯納效應又叫完全抗磁性，1933年邁斯納發(fā)現，超導體一旦進入超導狀態(tài)，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(tài)，超導體就把全部磁通量排出體外。NNS降溫降溫加場加場S

4、注：S表示超導態(tài)N表示正常態(tài)高溫超導材料的簡介第8頁，共51頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三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(xù)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第9頁，共51頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三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，

5、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(xù)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第10頁，共51頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三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(xù)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第11頁，共51頁，2022年

6、，5月20日，17點34分，星期三 逐漸增大磁場到達一定值后，超導體會從超導態(tài)變?yōu)檎B(tài)，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(tài)HHc(0)Tc臨界磁場超導態(tài)高溫超導材料的簡介第12頁，共51頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三臨界電流 超導體無阻載流的能力也是有限的，當通過超導體中的電流達到某一特定值時，又會重新出現電阻，使其產生這一相變的電流稱為臨界電流，記為Ic。目前，常用電場描述Ic(V) ，即當每厘米樣品長度上出現電壓為1V時所輸送的電流。Ic(V)IV失超高溫超導材料的簡介第13頁，共51頁，2

7、022年，5月20日，17點34分，星期三超導材料的分類：常規(guī)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物)超導材料高溫超導材料的簡介第14頁，共51頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三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(tài)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Laughli

8、n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。第15頁，共51頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三高溫超導材料的結構特征:層狀鈣鈦結構組元 導電層（銅氧層）Cu-O6八面體Cu-O5四方錐 Cu-O4平面四邊形 載流子庫層孔穴型電子型調節(jié)載流子濃度提供耦合機制高溫超導材料的簡介第16頁，共51頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三釔鋇銅氧化物（ 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(fā)現，Tc90K,超導轉變溫度打破了

9、液氦，解決了阻礙超導技術應用的瓶頸問題。第17頁，共51頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三 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第18頁，共51頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三鉍鍶鈣銅氧化物（Bi-Sr-Ca-Cu-O）超導體Bi2Sr2Can-1CunO2n+4 n=1 2201相n=2

10、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，Tc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).第19頁，共51頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三高溫超導材料的例子 -Elbio Dagotto. Science,293,2410(2001).銅氧化物和C60超導材料第20頁，共51頁，2022年，5月20日，17點

11、34分，星期三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第21頁，共51頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三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/軋制熱處理重復第22頁，共51頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三高溫超導材料制備所面臨的問題：高溫超導材料的制備 材料制造成本高, 價格昂貴。 在長距離超導線材的制造上面仍然有很

12、大的難度。（氧化物高溫超導陶瓷材料各向異性和短的電子相干長度以及大量晶界的存在嚴重影響線材的超導電性。） 高溫超導材料臨界電流和臨界磁場的提高仍是科學家研究的難題。-Robert F. Serverce.Science,295,786(2002).第23頁，共51頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三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的臨界電流密度第24頁，共51頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三

13、-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第25頁，共51頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三超導材料的最新進展Yang Guo, Yan-Feng Zhang, Xin-Yu Bao, et al. Science,306,1915(2004).量子尺寸效應對超導臨界溫度的調制作用 Atomic layersupercurrentsiPb第26頁，共51頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三S. Kang, A. Goyal, J

14、. Li, A. A. Gapud, et al. Science, 311, 1911(2006).納米材料和超導材料的結合超導材料的最新進展第27頁，共51頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三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(fā)現。MgB2的臨界超導溫度Tc=40k.二硼化鎂超導材料的新發(fā)現第28頁，共51頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三超導材料的應用 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(jié)

15、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(fā)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(fā)電機，擁有兩萬千瓦的功率第29頁，共51頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三超導磁流體發(fā)電機 超導磁流體發(fā)電機以C-A5飛機運往莫斯科超導材料的應用 第30頁，共51頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三 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

16、于發(fā)射火箭，可將發(fā)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 第31頁，共51頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三超導磁浮列車 計劃中的加州超導磁浮列車超導材料的應用 第32頁，共51頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三超導材料的應用 第33頁，共51頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三 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 第34頁，共51頁，2

17、022年，5月20日，17點34分，星期三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 第35頁，共51頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三 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 第36頁，共51頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三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

18、料的應用 第37頁，共51頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三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 第38頁，共51頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三高能量粒子超導加速器及碰撞器 （Fig. I-3）Axion超導材料的應用 第39頁，共51頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三 超導技術在生物醫(yī)療方面的應用 超導磁體在醫(yī)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 第40頁，共51頁，2022年，5

19、月20日，17點34分，星期三醫(yī)療用MRI 2.0 T MRI 超導材料的應用 第41頁，共51頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三超導材料的應用 第42頁，共51頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三醫(yī)療用MRI 王氏科技公司 1.0 T 開放式MRI超導材料的應用 第43頁，共51頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三NMR 可磁共振質譜儀 超導材料的應用 第44頁，共51頁，2022年，5月20日，17點34分，星期三 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(fā)生飛躍的發(fā)展.超導發(fā)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，可大大減小甚至沒有噪音，推進速度快，可大大提高艦艇的生存、作戰(zhàn)能力，超導計算機應用于C3I指揮系統(tǒng)，可使作戰(zhàn)指揮能力迅速改善提高等等.超導材料的應用 第45頁，共51頁，2022年，5月2