纳米材料与超导材料小论文

材料科学技术前沿——纳米材料

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。纳米（nm）是长度单位，1纳米是10-9米（十亿分之一米），对宏观物质来说，纳米是一个很小的单位，不如，人的头发丝的直径一般为7000-8000nm，人体红细胞的直径一般为3000-5000nm，一般病毒的直径也在几十至几百纳米大小，金属的晶粒尺寸一般在微米量级；对于微观物质如原子、分子等以前用埃来表示，1埃相当于1个氢原子的直径，1纳米是10埃。一般认为纳米材料应该包括两个基本条件：一是材料的特征尺寸在1-100nm之间，二是材料此时具有区别常规尺寸材料的一些特殊物理化学特性。

由于它尺寸特别小，它就产生了两种效应，即小尺寸引起的表面效应和量子效应，即它的表面积比较大，处于表面上的原子数目的百分

比显著增加，当材料颗粒直径只有1纳米时，原子将全部暴露在表面，因此原子极易迁移，使其物理性能发生极大变化。一是它对光的反射能力

变得非常低，低到<1%；二是机械、力学性能成几倍增加；三是其熔点会大大降低；四是有特殊的磁性。

1．纳米结构材料:包括纯金属、合金、复合材料和结构陶瓷，具有十分优异的机械、力学及热力性能。可使构件重量大大减轻。

2．纳米催化、敏感、储氢材料：用于制造高效的异质催化剂、气体敏感器及气体捕获剂，用于汽车尾气净化、石油化工、新型洁净能源等领域。

3．纳米光学材料：用于制作多种具有独特性能的光电子器件。如量子阱型蓝光二极管、量子点激光器、单电子晶体管等。

4．纳米结构的巨磁电阻材料：磁场导致物体电阻率改变的现象称为磁电阻效应，对于一般金属其效应常可忽略。但是某些纳米薄膜具有巨磁电阻效应。在巨磁电阻效应发现后的第6年，1994年IBM公司研制成巨磁电阻效应的读出磁头，将磁盘记录密度一下子提高了17倍。这种材料还可以制作测量位移、角度的传感器，广泛应用于数控机床、汽车测速、非接触开关、旋转编码器中。

5．纳米微晶软磁材料用于制作功率变压器、脉冲变压器、扼流圈、互感器等。

6．纳米微晶稀土永磁材料，将晶粒做成纳米级，可使钕铁硼等稀土永磁材料的磁能积进一步提高，并有希望制成兼备高饱和磁化强度、高矫顽力的新型永磁材料。

材料科学技术前沿——超导材料

超导材料是具有在一定的低温条件下呈现出电组等于零以及排斥磁力线的性质的材料。现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。

一、超导材料的特性

1 零电阻性：超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。如果用磁场在超导环中引发感生电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。这种“持续电流”已多次在实验中观察到。超导现象是20世纪的重大发明之一。科学家发现某物质在温度很低时，如铅在7.20K以下，电阻就变成了零。

2 完全抗磁性：超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力的线不能透入，超导材料内的磁场恒为零。

3 约瑟夫森效应

两超导材料之间有一薄绝缘层（厚度约1nm）而形成低电阻连接时，会有电子对穿过绝缘层形成电流，而绝缘层两侧没有电压，即绝缘层也成了超导体。当电流超过一定值后，绝缘层两侧出现电压U（也可加一电压U），同时，直流电流变成高频交流电，并向外辐射电磁波，其频率为，其中h为普朗克常数，e为电子电荷。这些特性构成了超导材料在科学技术领域越来越引人注目的各类应用的依据

超导材料研究历史

1911年，荷兰物理学家(1853～1926)发现，水银的电阻率并不象预料的那样随温度降低逐渐减小，而是当温度降到4.15K附近时，水银的电阻突然降到零。某些金属、合金和化合物，在温度降到绝对零度附近某一特定温度时，它们的电阻率突然减小到无法测量的现象叫做超导现象，能够发生超导现象的物质叫做超导体。超导体由正常态转变为超导态的温度称为这种物质的转变温度(或临界温度)TC。现已发现大多数金属元素以及数以千计的合金、化合物都在不同条件下显示出超导性。如钨的转变温度为0.012K，锌为0.75K，铝为1.196K，铅为7.193K。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士实验室科学家柏诺兹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。

超导材料应用到37K；12月30日，美国宣布，美籍华裔科学家又将超导温度提高到40．2K。1987年1月初，日本川崎国立分子研究所将超导温度提高到43K；不久日本综合电子研究所又将超导温度提高到46K和53K。中国科学院物理研究所领导的研究组，获得了48．6K的锶镧铜氧系超导体，并看到这类物质有在70K发生转变的迹象。2月15日美国报道朱经武获得了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。

二、超导材料的分类

合金材料

超导元素加入某些其他元素作合金成分，可以使超导材料的全部性能提高。如最先应用的铌皓合金，其Tc为10.8K，Hc为8.7特。继后发展了铌钛合金，虽然Tc稍低了些，但Hc高得多，在给定磁场能承载更大电流。其性能是Nb-33Ti，Tc=9.3K，Hc=11.0特；

超导化合物

超导元素与其他元素化合常有很好的超导性能。如已大量使用的Nb3Sn，其Tc=18.1K，Hc=24.5特。其他重要的超导化合物还有V3Ga，Tc=16.8K，Hc=24特；Nb3Al，Tc=18.8K，Hc=30特。

超导陶瓷

20世纪80年代初，米勒和贝德诺尔茨开始注意到某些氧化物陶瓷材料可能有超导电性，他们的小组对一些材料进行了试验，于1986年在镧－钡－铜－氧化物中发现了Tc=35K的超导电性。1987年，中国、美国、日本等国科学家在钡－钇－铜氧化物中发现Tc处于液氮温区有超导电性，使超导陶瓷成为极有发展前景的超导材料。

三、超导材料应用

超导材料具有的优异特性使它从被发现之日起，就向人类展示了诱人的应用前景。但要实际应用超导材料又受到一系列因素的制约，这首先是它的临界参量，其次还有材料制作的工艺等问题（例如脆性的超导陶瓷如何制成柔细的线材就有一系列工艺问题）。到80年代，超导材料的应用主要有：①利用材料的超导电性可制作磁体，应用于电机、高能粒子加速器、磁悬浮运输、受控热核反应、储能等；可制作电力电缆，用于大容量输电（功率可达10000MV A）；可制作通信电缆和天线，其性能优于常规材料。②利用材料的完全抗磁性可制作无摩擦陀螺仪和轴承。③利用约瑟夫效应可制作一系列精密测量仪表以及辐射探测器、微波发生器、逻辑元件等。利用约瑟夫森结作计算机的逻辑和存储元件，其运算速度比高性能集成电路的快10～20倍，功耗只有四分之一。