第5章 超导体陶瓷
第5章超导体陶瓷
温度降低到某值以下时， 材料电阻突然消失（电阻近似 为零）的现象。
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新型陶瓷材料
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第5章 超导体陶瓷
5.2 超导材料的基本性质
5.2.1 零电阻现象 几个概念
◆ 临界温度Tc—超导材料从正常态向超导态转变时的温度， 因此时电阻为零，亦称零电阻温度Tco 。 ◆ 起始转变温度Tconset—温度上升过程中使电阻开始偏离线 性时的温度。 ◆ Rn—电阻随温度上升过程中开始偏离线性时的值； ◆中点转变温度Tcm—电阻下降至起始转变点所对应电阻一 半处的温度 ◆ 零电阻温度Tc0 —电阻变为零时的温度 ◆ 转变宽度ΔT—电阻在0.1~0.9Rn范围所对应的温度范围。 超导相变—超导体从非超导态转变为超导态。
5.1 历史发展
1911.4，人类首次看到超导现象 昂内斯发现纯汞超导相变； 一年后发现锡、铅超导相变
昂内斯—荷兰Leiden大学学者 Kamerlingh Onnes 1913.3，首次使用超导电性
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第5章 超导体陶瓷
5.1 历史发展
1911.4， Tc：20K 1986.9，Tc达30K—IBM公司 合成氧化物超导体 1987.2，Tc达98K—美国 1988.1，Tc达110K—日本
高 温 超 导 陶 瓷
更正：D-O
1988.3，Tc达125K—美国
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第5章 超导体陶瓷
5.1 历史发展
5.2 超导材料的基本性质 5.3 超导材料的基本体系及超导晶相 5.4 超导陶瓷的制备 5.5 超导陶瓷的应用
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第5章 超导体陶瓷
半导体陶瓷的超导性能研究与应用
半导体陶瓷的超导性能研究与应用引言：半导体陶瓷是一种在高温超导领域备受关注的材料。
其具备高温超导的特性，能够在相对较高的温度下实现无损电流传输，具有广泛的应用前景。
本文将重点介绍半导体陶瓷的超导性能研究和应用领域，并分析其未来发展趋势。
一、超导性能研究1. 半导体陶瓷的超导机制半导体陶瓷的超导性能是由材料内部的电子对的库珀配对机制决定的。
在低温下，电子通过晶格的振动互相吸引而形成库珀对，实现了电流的无阻抗传输。
因此，研究半导体陶瓷材料的晶格结构以及电子对的行为对于理解超导机制至关重要。
2. 半导体陶瓷的超导转变温度与结构半导体陶瓷的超导转变温度是评价材料超导性能的重要指标。
超导转变温度取决于材料的结构和成分。
通过调控材料的结构和合适的掺杂等手段，可以提高半导体陶瓷的超导转变温度，从而提高其应用性能。
3. 超导性能的测试和评价为了准确评价半导体陶瓷的超导性能，需要进行一系列的测试和评价。
如临界温度的测量、电流传输能力的测试、磁敏感性的分析等。
这些测试结果可以为材料的应用提供指导，也有助于指导后续的材料设计和制备工作。
二、超导性能的应用领域1. 能源传输与储存半导体陶瓷的超导性能使其成为能源传输和储存领域的理想材料。
超导材料可以实现零电阻的能源传输，降低传输损耗，提高能源转换效率。
此外，超导材料还可以用于超导磁体，用于储存和释放大量电能。
2. 电子器件与电子通信半导体陶瓷的超导性能对于电子器件和电子通信领域具有重要意义。
超导电子器件可以实现高速、低功耗的计算和数据传输。
超导通信技术可以提高数据传输速度和容量，广泛应用于数据中心、通信基站等领域。
3. 医疗领域超导磁体在医疗领域有着广泛应用。
利用超导磁体可以实现高分辨率的核磁共振成像（MRI）技术，用于医学诊断和疾病监测。
同时，超导磁体还可以用于加速粒子在治疗癌症方面的应用。
4. 环境领域半导体陶瓷的超导性能在环境领域中也有着重要的应用。
超导材料可以用于高效的能源回收和利用，减少对环境的负面影响。
第5章 凝聚相章节要点及习题
固体
5.4 描述分子固体和离子固体中微粒间作用力类型以及宏观性质之间的差异。 5.5 指出下列固态物质的类型（离子、网络、金属或者分子/原子）。 （a）Br2 （b）KBr （c）Ba （d）SiO2 （c）CO2 5.6 请依据下列参数绘出 Br2 的粗略相图：正常熔点 265.9K，正常沸点 331.9K，三相点是：p=5.87×103Pa， T=265.7K。标出坐标轴并指出每一相能稳定存在的区域。
相变
物质由一相转变为另一相，称为相变。相变过程中可能需要提供或移走系统的能量。可以分别用摩尔蒸 发焓△ vapH 或摩尔熔化焓△ fusH 来量化 1mol 物质蒸发或熔化时发生的焓变。除了这些相变，固体直接变为气 体的升华过程也可以发生，升华和摩尔升华焓有关。与之相反的过程叫做凝固。
在密闭容器中加热液体能导致液体逐渐的蒸发和容器内压力的升高。最后，当容器内液相和气相不能区 分的时候，物质就以超临界流体状态存在。超临界流体形成时的温度和压力分别叫做临界温度和临界压力。
在玻璃中添加 Na2O、B2O3 和 CaO，能够改变玻璃的物理和化学性质。 晶体缺陷
晶体缺陷能够明显的改变固体的性质。少量杂质的引入能改变固体的导电性和颜色。替代掺杂是指掺杂 的原子会替代固体中的原子，间隙掺杂是指掺杂的原子只占据晶格中的间隙。
现代陶瓷
陶瓷是由经过热处理的氧化物和氮化物等无机成分组成的。大多数陶瓷具有高熔点，非常的坚硬，这主 要是因为网状固体中存在强共价键作用。现代陶瓷可用在很多方面，比如说：涂料、过滤器、化妆品和防弹 衣。压电陶瓷在电势改变时能够发生变形，以作为智能材料使用。高温超导体也是陶瓷，可以用于磁悬浮列 车。
美国10家著名能源企业及其前沿科技介绍
美国10家著名能源企业及其前沿科技介绍美国在经济的发展过程中，总是处于世界的前列，不仅仅使得一些知名的企业总部在美国选址，更是在推动科技的进步过程中起到了不可代替的作用。
推动了节能市场的发展，为节能设备的面世做出了自己的贡献。
一、Agrivida 公司及其“纤维素乙醇”技术据国外媒体报道，当人们考虑美国的新能源方式转换问题时，一般都会考虑到的方式是利用太阳能或新核能反应堆为美国提供电力支持。
但参加由美国能源部门分支机构ARPA-E 召开的能源革新峰会的与会者却不这样认为，他们不仅仅希望对为美国电力提供支持的能源利用系统进行革新，而且希望重塑整体的能源利用系统。
这些参加能源革新峰会的与会者认为，现有的美国电力系统整体需要技术革新，从传输电力的电线到制造电力过程中废弃热产品所有这些都需要技术革新。
目前，美国境内有十家能源再造公司及其研发的能源再造技术值得人们去关注。
或许任何一项能源再造技术并不能使得美国解决现有的原油危机，也不能减轻日益恶化的气候变暖问题，但如果把所有的能源再造技术整合成一个新的能源再造系统，那么人类或许真的可以战胜气候变暖危机，并拥有一个可持续发展的未来。
目前，人们已经可以利用玉米芯中所含的糖分来制造乙醇，但玉米芯中所含糖分甚少。
为此，数年前人们就开始尝试利用植物杆等富含纤维素的部分来制造乙醇燃料。
科学家将这项技术称为“纤维素乙醇”技术。
该技术的特点在于，其制造乙醇的主要原材料不是利用植物中的糖分，而是利用植物中富含的纤维素。
但事实证明，将玉米秸秆或玉米芯中的纤维素变为液体乙醇燃料并不是那么简单的一件事。
美国Agrivida公司的生物工程师迈克尔·拉布在植物中加入酶，这种酶将使整个植物(种子、茎和叶)更容易转变成乙醇。
在植物中加入酶不是新设想，但还不是很成功，因为酶对植物生长有副作用。
他们通过推迟酶的活性来避免这个问题，从而使植物正常生长。
这种酶能使每英亩植物的乙醇产量增加50%，同时使乙醇的成本降低大约30%。
稀土在超导陶瓷中的应用
稀土在超导陶瓷中的应用摘要：稀土元素被誉为新世纪最具有发展前景的新材料，因其在电、光、磁等方面具有独特性质，故在功能材料领域获得了广泛的关注。
而超导现象是电子系统在凝聚态物质中发生量子凝聚以后的现象，表现出很多优异的物理化学性质，超导可以在能源、交通、环境等方面有许多应用。
本文将介绍结合当前两项研究，介绍稀土超导材料的研究及其应用进展。
关键词：稀土；超导；功能陶瓷引言稀土有“工业维生素”的美称。
现如今已成为极其重要的战略资源。
稀土元素氧化物是指元素周期表中原子序数为57 到71 的15种镧系元素氧化物，以及与镧系元素化学性质相似的钪（Sc）和钇（Y）共17 种元素的氧化物。
稀土元素在石油、化工、冶金、纺织、陶瓷、玻璃、永磁材料等领域都得到了广泛的应用，随着科技的进步和应用技术的不断突破，稀土氧化物的价值将越来越大。
稀土元素独特的物理化学性质，决定了它们具有极为广泛的用途。
稀土元素具有独特的4f电子结构，大的原子磁距，很强的自旋轨道耦合等特性，与其它元素形成稀土配合物时，配位数可在3~12之间变化，并且稀土化合物的晶体结构也是多样化的[1]。
超导体的使用环境为其临界温度之下。
高温超导体一般界定为临界温度超过40 K的超导体，因为通常的电子-声子机制下超导临界温度的上限是40 K左右，即所谓麦克米兰极限。
因此，临界温度突破40 K的超导体的发现是极其重要的[2]。
为此寻找高温超导材料成为科技界多年来追逐的主要目标，其中稀土元素自然也成为寻找的对象。
空气中有丰富的氮气资源，人们可以生产最廉价的低温冷介质，即液氮，其沸点温度为77.3 K(约为-196℃)。
因此发现临界温度高于77.3 K的超导体具有重要意义。
1 超导材料的发展超导是指材料在满足临界温度(Tc)、临界电流(Ic)和临界磁场(Hc)的条件下失去电阻的性质，具有超导性质的材料称之为超导体。
超导的发现，与低温的获得密切相关。
传统的低温环境主要依靠液化气体来实现，比如液氢的沸点是20 K。
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超导体陶瓷项目可行性研究报告编制单位：北京中投信德国际信息咨询有限公司编制时间：高级工程师：高建关于编制超导体陶瓷项目可行性研究报告编制说明（模版型）【立项 批地 融资 招商】核心提示：1、本报告为模板形式，客户下载后，可根据报告内容说明，自行修改，补充上自己项目的数据内容，即可完成属于自己，高水准的一份可研报告，从此写报告不在求人。
2、客户可联系我公司，协助编写完成可研报告，可行性研究报告大纲（具体可跟据客户要求进行调整）编制单位：北京中投信德国际信息咨询有限公司专业撰写节能评估报告资金申请报告项目建议书商业计划书可行性研究报告目录第一章总论 (1)1.1项目概要 (1)1.1.1项目名称 (1)1.1.2项目建设单位 (1)1.1.3项目建设性质 (1)1.1.4项目建设地点 (1)1.1.5项目主管部门 (1)1.1.6项目投资规模 (2)1.1.7项目建设规模 (2)1.1.8项目资金来源 (3)1.1.9项目建设期限 (3)1.2项目建设单位介绍 (3)1.3编制依据 (3)1.4编制原则 (4)1.5研究范围 (5)1.6主要经济技术指标 (5)1.7综合评价 (6)第二章项目背景及必要性可行性分析 (7)2.1项目提出背景 (7)2.2本次建设项目发起缘由 (7)2.3项目建设必要性分析 (7)2.3.1促进我国超导体陶瓷产业快速发展的需要 (8)2.3.2加快当地高新技术产业发展的重要举措 (8)2.3.3满足我国的工业发展需求的需要 (8)2.3.4符合现行产业政策及清洁生产要求 (8)2.3.5提升企业竞争力水平，有助于企业长远战略发展的需要 (9)2.3.6增加就业带动相关产业链发展的需要 (9)2.3.7促进项目建设地经济发展进程的的需要 (10)2.4项目可行性分析 (10)2.4.1政策可行性 (10)2.4.2市场可行性 (10)2.4.3技术可行性 (11)2.4.4管理可行性 (11)2.4.5财务可行性 (11)2.5超导体陶瓷项目发展概况 (12)2.5.1已进行的调查研究项目及其成果 (12)2.5.2试验试制工作情况 (12)2.5.3厂址初勘和初步测量工作情况 (13)2.5.4超导体陶瓷项目建议书的编制、提出及审批过程 (13)2.6分析结论 (13)第三章行业市场分析 (15)3.1市场调查 (15)3.1.1拟建项目产出物用途调查 (15)3.1.2产品现有生产能力调查 (15)3.1.3产品产量及销售量调查 (16)3.1.4替代产品调查 (16)3.1.5产品价格调查 (16)3.1.6国外市场调查 (17)3.2市场预测 (17)3.2.1国内市场需求预测 (17)3.2.2产品出口或进口替代分析 (18)3.2.3价格预测 (18)3.3市场推销战略 (18)3.3.1推销方式 (19)3.3.2推销措施 (19)3.3.3促销价格制度 (19)3.3.4产品销售费用预测 (20)3.4产品方案和建设规模 (20)3.4.1产品方案 (20)3.4.2建设规模 (20)3.5产品销售收入预测 (21)3.6市场分析结论 (21)第四章项目建设条件 (22)4.1地理位置选择 (22)4.2区域投资环境 (23)4.2.1区域地理位置 (23)4.2.2区域概况 (23)4.2.3区域地理气候条件 (24)4.2.4区域交通运输条件 (24)4.2.5区域资源概况 (24)4.2.6区域经济建设 (25)4.3项目所在工业园区概况 (25)4.3.1基础设施建设 (25)4.3.2产业发展概况 (26)4.3.3园区发展方向 (27)4.4区域投资环境小结 (28)第五章总体建设方案 (29)5.1总图布置原则 (29)5.2土建方案 (29)5.2.1总体规划方案 (29)5.2.2土建工程方案 (30)5.3主要建设内容 (31)5.4工程管线布置方案 (32)5.4.1给排水 (32)5.4.2供电 (33)5.5道路设计 (35)5.6总图运输方案 (36)5.7土地利用情况 (36)5.7.1项目用地规划选址 (36)5.7.2用地规模及用地类型 (36)第六章产品方案 (38)6.1产品方案 (38)6.2产品性能优势 (38)6.3产品执行标准 (38)6.4产品生产规模确定 (38)6.5产品工艺流程 (39)6.5.1产品工艺方案选择 (39)6.5.2产品工艺流程 (39)6.6主要生产车间布置方案 (39)6.7总平面布置和运输 (40)6.7.1总平面布置原则 (40)6.7.2厂内外运输方案 (40)6.8仓储方案 (40)第七章原料供应及设备选型 (41)7.1主要原材料供应 (41)7.2主要设备选型 (41)7.2.1设备选型原则 (42)7.2.2主要设备明细 (43)第八章节约能源方案 (44)8.1本项目遵循的合理用能标准及节能设计规范 (44)8.2建设项目能源消耗种类和数量分析 (44)8.2.1能源消耗种类 (44)8.2.2能源消耗数量分析 (44)8.3项目所在地能源供应状况分析 (45)8.4主要能耗指标及分析 (45)8.4.1项目能耗分析 (45)8.4.2国家能耗指标 (46)8.5节能措施和节能效果分析 (46)8.5.1工业节能 (46)8.5.2电能计量及节能措施 (47)8.5.3节水措施 (47)8.5.4建筑节能 (48)8.5.5企业节能管理 (49)8.6结论 (49)第九章环境保护与消防措施 (50)9.1设计依据及原则 (50)9.1.1环境保护设计依据 (50)9.1.2设计原则 (50)9.2建设地环境条件 (51)9.3 项目建设和生产对环境的影响 (51)9.3.1 项目建设对环境的影响 (51)9.3.2 项目生产过程产生的污染物 (52)9.4 环境保护措施方案 (53)9.4.1 项目建设期环保措施 (53)9.4.2 项目运营期环保措施 (54)9.4.3环境管理与监测机构 (56)9.5绿化方案 (56)9.6消防措施 (56)9.6.1设计依据 (56)9.6.2防范措施 (57)9.6.3消防管理 (58)9.6.4消防设施及措施 (59)9.6.5消防措施的预期效果 (59)第十章劳动安全卫生 (60)10.1 编制依据 (60)10.2概况 (60)10.3 劳动安全 (60)10.3.1工程消防 (60)10.3.2防火防爆设计 (61)10.3.3电气安全与接地 (61)10.3.4设备防雷及接零保护 (61)10.3.5抗震设防措施 (62)10.4劳动卫生 (62)10.4.1工业卫生设施 (62)10.4.2防暑降温及冬季采暖 (63)10.4.3个人卫生 (63)10.4.4照明 (63)10.4.5噪声 (63)10.4.6防烫伤 (63)10.4.7个人防护 (64)10.4.8安全教育 (64)第十一章企业组织机构与劳动定员 (65)11.1组织机构 (65)11.2激励和约束机制 (65)11.3人力资源管理 (66)11.4劳动定员 (66)11.5福利待遇 (67)第十二章项目实施规划 (68)12.1建设工期的规划 (68)12.2 建设工期 (68)12.3实施进度安排 (68)第十三章投资估算与资金筹措 (69)13.1投资估算依据 (69)13.2建设投资估算 (69)13.3流动资金估算 (70)13.4资金筹措 (70)13.5项目投资总额 (70)13.6资金使用和管理 (73)第十四章财务及经济评价 (74)14.1总成本费用估算 (74)14.1.1基本数据的确立 (74)14.1.2产品成本 (75)14.1.3平均产品利润与销售税金 (76)14.2财务评价 (76)14.2.1项目投资回收期 (76)14.2.2项目投资利润率 (77)14.2.3不确定性分析 (77)14.3综合效益评价结论 (80)第十五章风险分析及规避 (82)15.1项目风险因素 (82)15.1.1不可抗力因素风险 (82)15.1.2技术风险 (82)15.1.3市场风险 (82)15.1.4资金管理风险 (83)15.2风险规避对策 (83)15.2.1不可抗力因素风险规避对策 (83)15.2.2技术风险规避对策 (83)15.2.3市场风险规避对策 (83)15.2.4资金管理风险规避对策 (84)第十六章招标方案 (85)16.1招标管理 (85)16.2招标依据 (85)16.3招标范围 (85)16.4招标方式 (86)16.5招标程序 (86)16.6评标程序 (87)16.7发放中标通知书 (87)16.8招投标书面情况报告备案 (87)16.9合同备案 (87)第十七章结论与建议 (89)17.1结论 (89)17.2建议 (89)附表 (90)附表1 销售收入预测表 (90)附表2 总成本表 (91)附表3 外购原材料表 (93)附表4 外购燃料及动力费表 (94)附表5 工资及福利表 (96)附表6 利润与利润分配表 (97)附表7 固定资产折旧费用表 (98)附表8 无形资产及递延资产摊销表 (99)附表9 流动资金估算表 (100)附表10 资产负债表 (102)附表11 资本金现金流量表 (103)附表12 财务计划现金流量表 (105)附表13 项目投资现金量表 (107)附表14 借款偿还计划表 (109) (113)第一章总论总论作为可行性研究报告的首章，要综合叙述研究报告中各章节的主要问题和研究结论，并对项目的可行与否提出最终建议，为可行性研究的审批提供方便。
超导材料
II类超导体磁通穿透
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二、超导研究的历史过程
1、 1986年以前超导研究过程
1911年 Onnes（昂内斯）发现Hg在4.2K电阻突然下降为零 1933年 Meissner（迈斯纳）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 Tc17K的V3Si，Nb3Sn； 特别是Nb3Ga，Nb3Ge Tc23.2K 其中1957年提出了BCS理论 (1972年诺贝尔物理奖) 1962年发现了Josephson（约瑟夫森）效应 (1973年诺贝尔物 理奖)
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第二类超导体相图
当 HC1<H<HC2, 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。 H
HC2
正常态
HC1
Meissner态
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第II类超导体分类
第II类超导体根据其是 否具有磁通钉扎中心 而分为 理想第II类超导体
有经验公式： Hc(T)=Hc(0)(1-T
2 2 /Tc )
H
正常态
Hc(0)
超导态
Tc
T
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临界电流
超导体无阻载流的能力 是有限的，当通过超导体中 的电流达到某一特定值时， 又会重新出现电阻，使其产 生这一相变的电流称为临界 电流（Ic）。 目前，常用电场描述 Ic(V) ，即当每厘米样品长度 上出现电压为1V时所输送 的电流。
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有机超导体
Little 激子模型
. . . . .
A
e
B
A 是导电高分子材料（如聚 乙炔）作为导电的主链， B是电子极化率大的侧链, (如：花青系色素分子)。当 电子沿着主链运动到A位时， 引起B处侧基的极化，
+
-
正电荷诱导电荷分离：靠近主链处感生正电荷，这个正电荷随着传 导电流的通过而变得极大，使随之而来的第二个电子被吸引到端部 的正电荷附近，形成相互维系着的激子，结果促进了两个传导电子 间的相互吸引。这个引力如果克服了传导电子间的库仑斥力，那么 两个电子仿佛相互成对，这有利于超导电状态的形成。 显然，这个模型类似与BCS理论的以“声子”为媒介的模型。应用 激子模型对BCS理论的公式Tc做适当修改后， Little 预言有机超导 体的转变温度可提高到2000K.
C60有机超导体的超导转变记录不断更新：
1991.4.
A.F.Hebard, A.R.Kortan K3-C60 Tc=18K; 1991.5. Rb-C60 Tc=28K; Cs-Rb-C60 Tc=33K; 1992.9. I2-C60 Tc=57K 科学家预言：当富勒烯的碳 原子数增加8倍，将会实现 室温超导，由此对未来世界 的各个领域产生不可估量的 影响。
高分子科学领域中下一个 诺贝尔奖会是谁呢？
谢谢大家！
超导态概述
1911年，荷兰物理学家昂尼(H.Kammerlingh-Onnes) 发现在4.2K附近，汞的电阻突然降为零，昂尼斯猜测 超导材料处于一种新的状态，他把这种状态叫超导态， 具有超导电性的材料叫超导体。超导体电阻降为零的 温度称为转变温度或临界温度Tc
昂尼斯因这一现象 的发现于1913年,获诺贝 尔物理学奖 o
超导体物理教案范文
超导体物理教案范文第一章：超导体的概念与历史1.1 超导体的定义解释超导体的概念，即在低温下电阻消失的物质。
强调超导体在特定条件下表现出无电阻的特性。
1.2 超导体的历史发展介绍超导体的发现历程，包括超导现象的首次观察和超导体的早期研究。
讨论超导体的重要发现和突破，如库珀对和超导体的BCS理论。
第二章：超导体的性质与特点2.1 超导体的零电阻性质解释超导体在低温下电阻消失的现象，并探讨其物理机制。
强调零电阻特性对于超导体应用的重要性。
2.2 超导体的完全抗磁性介绍超导体在低温下展现出的完全抗磁性，即迈斯纳效应。
讨论完全抗磁性的物理机制和超导体在磁场中的行为。
第三章：超导体的制备与冷却3.1 超导体的制备方法介绍超导体的制备方法，包括常规冷却和激光冷却等。
强调不同制备方法的特点和应用范围。
3.2 超导体的冷却过程解释超导体从室温到低温的冷却过程，包括冷却方法和冷却速度的选择。
强调冷却过程中超导体所经历的相变和超导态的稳定性。
第四章：超导体的应用与前景4.1 超导体的磁悬浮应用介绍超导体的磁悬浮应用，如磁悬浮列车和磁悬浮储存环。
强调磁悬浮应用的优势和超导体在实现高性能磁悬浮系统中的作用。
4.2 超导体的能源应用介绍超导体的能源应用，如超导磁体和超导电缆。
强调超导体在提高能源转换效率和减少能量损耗中的潜力。
第五章：超导体的实验与研究5.1 超导体的实验方法介绍超导体的实验方法，如电流穿透实验和迈斯纳实验。
强调实验中所需的实验设备和测量技术。
5.2 超导体的研究进展讨论超导体的最新研究进展，如高温超导体的发现和高临界温度超导体的研究。
强调超导体研究的挑战和发展方向。
第六章：超导体的实验现象6.1 迈斯纳效应详细解释迈斯纳效应，即超导体在低温下排斥外部磁场的影响。
通过实验现象讨论迈斯纳效应的观察和测量方法。
6.2 零电阻现象探讨超导体在低温下电阻突然下降至零的零电阻现象。
分析实验中如何检测和验证零电阻特性。
磁性陶瓷及超导陶瓷课件
03
磁性陶瓷与超导陶瓷的关 联
磁性陶瓷与超导陶瓷的共通点
两者都属于功能陶瓷 ，具有优异性能和应 用价值。
两者都可以通过掺杂 、合金化等方式进行 性能调控。
两者都涉及到材料内 部的电子行为和相互 作用。
磁性陶瓷与超导陶瓷的差异
磁性陶瓷主要关注材料的磁学性能，如磁导率、磁矩等，而超导陶瓷则关注材料在 低温下的超导特性。
原料处理
对原料进行破碎、筛分、除杂等 处理，确保原料的纯度和粒度符 合要求。
制备方法
固相法
将原料粉末混合均匀，通过压片、烧结等工艺制备成磁性陶 瓷。
化学法
通过化学反应制备前驱体，再经过热处理得到磁性陶瓷。
工艺参数对磁性陶瓷性能的影响
烧结温度
烧结温度的高低直接影响磁性陶 瓷的晶粒尺寸和磁性能。
烧结气氛
02
超导陶瓷概述
超导陶瓷的定义
总结词
超导陶瓷是指在低温下具有超导特性的陶瓷材料。
详细描述
超导陶瓷是指在低温下电阻为零，能够实现无损耗传输电流的陶瓷材料。这种 材料在一定的温度范围内，其内部电子的流动性被完全束缚，形成一种特殊的 电子态，使得电流可以在其内部无阻力临界电流密度和低热敏性等特性。
详细描述
超导陶瓷的临界温度是衡量其超导性能的重要参数，高临界温度意味着可以在更高的温度下保持超导状态，扩大 实际应用范围。同时，高临界电流密度意味着可以承载更大的电流而不发生磁通崩溃。此外，低热敏性也是超导 陶瓷的一个重要特性，它能够保持稳定的超导性能，不受外界环境温度变化的影响。
超导陶瓷的应用
要点一
不同的烧结气氛会影响磁性陶瓷的 成分和结构，进而影响其磁性能。
掺杂元素
掺杂元素可以调节磁性陶瓷的磁性 能，如提高矫顽力、降低损耗等。
材料表面与界面研究生教案
实例1：Si（111）面附近劈裂面在不同温度下实时转变状态的 STM图像；…..
实例2：GaAs在（100）、（111）、（111）极性表面有大量重 构发生，在（110）非极性表面未发现重构现象。
二、清洁表面 不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等物理
-化学效应的表面。 （表面的化学组成与体内相同，但结构可以不同于体内）
清洁表面可分为三种： 台阶表面、弛豫表面 、重构表面
1、台阶表面 --- 表面不是平面，由规则或不规则台阶组成。
晶面1
（平面）
晶面2
（立面）
晶面3
（连接面）
2、弛豫表面 --- 指表面层之间以及表面和体内原子层之间的垂直间距 ds和体内原子层间距d0相比有所膨胀和压缩的现象。 可能涉及几个原子层。
一、一维双端无限势垒模型
由于表面势垒，体内电子态的分布在表面将发生变化。该变化 可从体内波函数在表面区域的变化来分析。
1、波函数与能量本征值
波函数 (z)
电子运动轨迹
V(z)
Z=0
L
Z=L
一维无限势垒模型
电子在Z=0---L范围内且两端具有无限高势垒中运动，其 归一化波函数为：
n(z)
2 sin( n z)
第三部分 金属表面的电子态
胶体(Jellium)模型： 简单金属的价电子被共 有化成电子气，与离子实 的相互作用很小，因此， 把价电子看成是在均匀连 续分布的正背景电荷中运 动，即所谓的胶体模型。
3.1 局域能态密度及积分态密度
由于金属的价电子处于连续分布的正电荷背景中（胶体模型）， 平均势场为零，但要逸出表面必须克服相当高的势垒---表面势垒。
5-超导材料
2、超导合金 、
超导合金是超导材料中强度最高，磁场强度低的超导体 是 超导合金是超导材料中强度最高，磁场强度低的超导体,是 早期具有实用价值的超导材料。使用广泛的是 系和Nb早期具有实用价值的超导材料。使用广泛的是Nb-Zr系和 系和 Ti系。Nb-Zr合金加工性能较差，虽能拉制成线，但与铜的结 系 合金加工性能较差 合金加工性能较差，虽能拉制成线， 合性能差，覆铜较困难，须采用镀铜和埋入法 工艺较麻烦, 合性能差，覆铜较困难，须采用镀铜和埋入法, 工艺较麻烦 合金易于加工 制造成本高。 制造成本高。 Nb-Ti合金易于加工 与铜能获得良好的结合。 合金易于加工, 与铜能获得良好的结合。 但Nb-Ti合金轧成扁线后 JC降低。 合金轧成扁线后, 合金轧成扁线后 降低。
正常态 混合态 超导态 HC2(T) HC1(T)
第二类超导体混合态中 的磁通线阵
先利用液氮将超 导体冷却至超导 临界温度以下
将磁铁靠近超导体时， 会感受到反磁作用力且 磁束无法穿过超导体
迫使磁铁靠近超导体 使磁束贯穿超导体
手放开后，最后磁 浮情况通常会倾斜
磁鐵
S N S
S 磁鐵 N N 超导体 S
二硼化镁(MgB 二硼化镁(MgB2)
4、陶瓷超导体 、 1986年超导陶瓷的出现 使超导体的 C获得重大的突破， 年超导陶瓷的出现, 使超导体的T 获得重大的突破， 年超导陶瓷的出现 发现镧钡铜氧体 镧钡铜氧体的 发现镧钡铜氧体的 TC >30K。1987年美国休斯顿大学物理学家 。 年美国休斯顿大学物理学家 朱经武小组与中国科学院物理研究所赵忠贤等人先后宣布制成 的超导材料YBCO ，在液氮温度以上的复 临界温度约为 90K的超导材料 的超导材料 结构称123相。1988 相材料中观察到了超导性。YBa2Cu3O7-X结构称 相 年科学家发现铊系化合物TlBaCaCuO超导材料的零电阻温度 超导材料的零电阻温度 年科学家发现铊系化合物 可达125 K，1993年，汞系化合物超导材料的临界温度可达 可达 ， 年 135K。 。 • 用于液氮温度上(>77K)的超导材料称高温超导体 的超导材料称高温超导体. • 陶瓷超导体的最大问题是具有脆性，不易加工。 陶瓷超导体的最大问题是具有脆性，不易加工。
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超流（1930发现）：温度低于一定值时，液体会作完全
无粘滞的流动。如把液氦放在一个敞口的容器中，液氦 会顺着器璧自动爬升并溢出容器外——液体完全失去粘 性。
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第5章 超导体陶瓷
5.1 历史发展
5.2 超导材料的基本性质 5.3 超导材料的基本体系及超导晶相 5.4 超导陶瓷的制备 5.5 超导陶瓷的应用
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第5章 超导体陶瓷
★ 超导诺贝尔
阿列克谢· 阿布里科索夫主页 俄国/美国物理学家，美国阿贡国家实验室 维塔利· 金茨堡主页 俄国物理学家，俄国列别捷夫物理研究所 安东尼· 莱格特主页 英国/美国物理学家，美国依利诺大学乌班纳香槟分校物理系
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第5章 超导体陶瓷
迈斯纳尔效应是材料出现超导 电性的另一个重要判据，也是诸多 应用如超导磁屏蔽、磁悬浮等的理 论基础。 由迈斯纳尔效应超导性可表述为： 在温度降至Tc以下，材料的 电阻和体内磁感应强度都突然变 为零的现象。
/html/5/2009.03.29/U8MBI D03NSHQXHYXOL26I81355SQ25.html
Jc
Tc 、Jc、 Hc是约束超 导现象的三大临界条件。HcΒιβλιοθήκη 15第5章 超导体陶瓷
5.2 超导材料的基本性质
5.2.2 临界电流和临界磁场
临界电流密度和临界磁场是超导陶瓷应用的重要指标
应用意义：
临界电流密度——表明超导材料承载电流负荷的能力。只
有能承载一定负荷电流的超导材料才是有用的。 临界磁场——超导材料抗外界磁场干扰的能力。足够高的 临界磁场是材料能在一定外磁场干扰下稳定工作的先决条 件。
5.1 历史发展
1911.4，人类首次看到超导现象 昂内斯发现纯汞超导相变； 一年后发现锡、铅超导相变
昂内斯—荷兰Leiden大学学者 Kamerlingh Onnes 1913.3，首次使用超导电性
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新型陶瓷材料
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第5章 超导体陶瓷
5.1 历史发展
1911.4， Tc：20K 1986.9，Tc达30K—IBM公司 合成氧化物超导体 1987.2，Tc达98K—美国 1988.1，Tc达110K—日本
5.2 超导材料的基本性质
5.2.4 I类、II类超导体
氧化物高温超导陶瓷一 般Hc1较小，通常在混合态 （涡旋态）下使用。此时材 料的部分区域有磁力线穿过 属正常态，周围却是超导态， 但材料仍具有零电阻效应。 ∵磁力线与电流有相互作用， ∴希望超导材料中的磁力线是 固定不动的——磁力线钉扎。
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第5章 超导体陶瓷
★ 超导诺贝尔
瑞典皇家科学院03年10月7日宣布，2003年诺贝尔物
理学奖授予拥有俄罗斯和美国双重国籍的科学家阿列克 谢· 阿布里科索夫、俄罗斯科学家维塔利· 金茨堡以及拥有 英国和美国双重国籍的科学家安东尼· 莱格特，以表彰他 们在超导体和超流体领域中做出的开创性贡献。
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第5章 超导体陶瓷
5.2 超导材料的基本性质
5.2.2 临界电流和临界磁场 1. 临界电流 Ic—超导体因电流增大出现电阻时的电
流。即使超导电性破坏的最小电流。电阻的出现，
使材料从超导态变到正常态。 意义：
临界电流密度Jc—单位截面积流过的临界电流。
Jc＝Ic／A
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5.3.1 Y－Ba－Cu－O系统
Yttrium atoms are yellow;
Barium atoms are purple;
Copper atoms are blue; Oxygen atoms are red;
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第5章 超导体陶瓷
5.2 超导材料的基本性质
5.2.3 迈斯纳尔效应
温度降至Tc以下， 样品内部磁感应强度为 零 B=0 的现象。此时超 导体内的磁力线被完全 排除在外。
迈斯纳尔: Meissner，
德国物理学家
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第5章 超导体陶瓷
5.2 超导材料的基本性质
124超导：Y1Ba2Cu4O8 Tc—81K 247超导：Y2Ba4Cu7O15 Tc—40～55K
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第5章 超导体陶瓷
5.3 超导陶瓷的基本体系及超导晶相性质
5.3.1 Y－Ba－Cu－O系统
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新型陶瓷材料
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第5章 超导体陶瓷
5.3 超导陶瓷的基本体系及超导晶相性质
5.2.3 迈斯纳尔效应
迈斯纳尔效应体现了材 料的抗磁性。 宏观现象：可使超导体 在磁场中悬浮。
N—normal 正常态 S—superconduct 超导态
这种现象实 际生活中有 吗？ 超导材料的抗磁过程 新型陶瓷材料
S
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第5章 超导体陶瓷
5.2 超导材料的基本性质
5.2.3 迈斯纳尔效应
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第5章 超导体陶瓷
5.2 超导材料的基本性质
5.2.5 约瑟夫逊效应
约瑟夫逊效应的应用 3．高频方面的应用—以约瑟夫逊结为基本元件，已研制出 微波和远红外波段的检测器、混频器和参量放大器等器件， 有噪声低、灵敏度高，响应速度快，频率覆盖宽等优点。 4．超导计算机 利用结特性可作成计算机的开关 元件，其开关速度达几个10-12秒， 比半导体的快1000倍，而功耗比半 导体元件约小1000倍，因此，超导 计算机的特点是速度快，功耗小， 不存在散热问题。
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第5章 超导体陶瓷
5.2 超导材料的基本性质
5.2.5 约瑟夫逊效应
约瑟夫逊效应的应用 1 超导磁强计—探测微弱磁场广泛应用 (1) 探矿 飞机或卫星上用超导磁强 计对地磁分布作精确测量，寻找矿床和 弱磁性矿。 (2) 地震预报 超导重力仪预报地震。 地震因地壳应力集中导致，应力集中过 程重力会发生变化 (3) 生物磁的探测 疾病诊断。 (4) 军用 深水潜艇探测。 2 电压标准
三个重要的系统：
Y－Ba－Cu－O（YBCO） ；
B－Sr－Ca－Cu－O； Tl－Ba－Ca－Cu－O；
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新型陶瓷材料
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第5章 超导体陶瓷
5.3 超导陶瓷的基本体系及超导晶相性质
5.3.1 Y－Ba－Cu－O系统
钇系超导体通式：YBa2Cu3O7- δ 研究最多、最成熟
123超导： Y1Ba2Cu3O7 （Y:Ba:Cu= 1:2:3） Tc—90K以上， 两个变体：正交相（δ＝0）；四方相（δ＝1） δ增大意味着氧含量下降。直接影响电性能，随δ增大， 临界温度Tc下降。 Tc也因制备方法不同而异。
特种陶瓷材料
第5章 超导体陶瓷
北方民族大学 陆有军
第5章 超导体陶瓷
★ 教学目的和要求
1、超导体材料的基本性质 2、超导陶瓷的基本体系 3、超导陶瓷的制备
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新型陶瓷材料
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第5章 超导体陶瓷
★ 教学目的和要求
1、超导体陶瓷的发展 2、超导陶瓷的应用
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新型陶瓷材料
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第5章 超导体陶瓷
01:45 新型陶瓷材料
1nm
一个美丽 的传说： 穿墙而过
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第5章 超导体陶瓷
5.2 超导材料的基本性质
5.2.5 约瑟夫逊效应
约瑟夫逊效应两个重要结果
① 超导电流能够穿透极薄的 绝缘层不引起电压降。
② 直流电压U加在约瑟夫逊结两 端，会产生高频超导电流。
当超导电流频率与外部微波 辐射频率相等，就会发生混频而 获得基频、倍频及直流成分。I-V 曲线会出现电流台阶，称夏皮罗 台阶
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第5章 超导体陶瓷
5.2 超导材料的基本性质
5.2.4 I类、II类超导体
根据非超导态→超导态的相变状况分I、II两类： Ⅰ类超导体—相剧变 这类超导体的超导相变在临界磁场或相变温度点处发 生剧变，当外场或温度稍小于临界值，就发生完全的抗磁 效应。 主要包括一些金属，如铝、锌、镓、镉、锡、铟等 ， 该类超导体的溶点较低、质地较软，亦称“软超导体”。 由于其临界电流密度和临界磁场较低，因而没有很好的实 用价值。
• II类超导体转变有一个中间态（混合态），且混合态中有磁
通线存在； • II类比I类超导体的临界磁场、临界电流密度和临界温度高。
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第5章 超导体陶瓷
5.2 超导材料的基本性质
5.2.4 I类、II类超导体
上临界磁场
下临界磁场 零磁 / 阻
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新型陶瓷材料
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第5章 超导体陶瓷
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第5章 超导体陶瓷
5.2 超导材料的基本性质
5.2.4 I类、II类超导体
Ⅱ类超导体—相渐变 这类超导体超导相变在临界磁场或相变温度附近随外 磁场或温度的变化是一个渐变过程，在渐变过程中存在两 个临界场，上临界场Hc2和下临界场Hc1。 除钒、锝和铌外，第II类超导体主要包括氧化物及合 金。氧化物高温超导陶瓷研究应用很多。 I、II类超导体区别：
5.2.1 零电阻现象
温度降低到某值以下时， 材料电阻突然消失（电阻近似 为零）的现象。
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新型陶瓷材料
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第5章 超导体陶瓷
5.2 超导材料的基本性质
5.2.1 零电阻现象 几个概念
◆ 临界温度Tc—超导材料从正常态向超导态转变时的温度， 因此时电阻为零，亦称零电阻温度Tco 。 ◆ 起始转变温度Tconset—温度上升过程中使电阻开始偏离线 性时的温度。 ◆ Rn—电阻随温度上升过程中开始偏离线性时的值； ◆中点转变温度Tcm—电阻下降至起始转变点所对应电阻一 半处的温度 ◆ 零电阻温度Tc0 —电阻变为零时的温度 ◆ 转变宽度ΔT—电阻在0.1~0.9Rn范围所对应的温度范围。 超导相变—超导体从非超导态转变为超导态。