第四章 超导材料
超导材料概念
超导材料概念超导材料是指在特定条件下，电阻突然降为零的材料。
这种神奇的现象在科学研究和工程应用中具有广泛的应用前景。
超导材料的发现和研究是近代物理学的一个重要成果，也是材料科学和工程学领域的一个热点。
本文将从超导材料的基本概念、发现历程、物理机制、应用前景等方面进行详细介绍和分析。
一、超导材料的基本概念超导材料是指在低温、高压、强磁场等条件下，电阻突然降为零的材料。
这种现象是在1911年由荷兰物理学家海克·卡末林发现的。
他在将汞冷却到近绝对零度时，发现汞的电阻突然降为零。
这种现象被称为超导现象。
在随后的研究中，人们发现不仅是汞，其他金属、合金和化合物也具有超导性。
目前已经发现的超导材料种类很多，包括铜氧化物、铁基超导体、镁二硼等。
超导材料具有独特的物理性质，如零电阻、零磁场、激发态等。
这些性质使得超导材料在电力输送、电子学、磁学、量子计算等领域具有广泛应用前景。
例如，超导电缆可以大大提高电力输送效率，减少能源浪费；超导磁体可以产生极强的磁场，用于医学成像、磁悬浮列车等领域；超导量子比特可以用于量子计算，实现超高速计算等。
二、超导材料的发现历程超导材料的发现历程可以追溯到19世纪末期。
当时，人们已经知道了电阻的存在和电流的磁效应。
在1895年，荷兰物理学家洛伦兹提出了电动力学方程，揭示了电流和磁场之间的关系。
这为超导现象的发现奠定了理论基础。
1908年，英国物理学家奥本海默首次提出了“超导”这个概念，指的是在某些条件下，电阻可能会降为零。
随后，荷兰物理学家卡末林在1911年通过实验证实了这一理论。
他将汞冷却到4.2K 以下，发现汞的电阻突然降为零，而且磁场也会被完全排斥，这就是超导现象。
这个发现引起了广泛的关注和研究。
在随后的几十年里，人们陆续发现了铝、铅、锡等金属和合金也具有超导性。
然而，这些材料只能在极低温度下才能表现出超导性，限制了其实际应用。
直到1986年，美国IBM研究团队发现了第一种高温超导体——氧化铜。
超导材料的结构与特性分析
超导材料的结构与特性分析超导材料是指在低温下电阻为零的材料。
在超导体中，电子会以无阻力的方式流动，因此电流可以在其中流动无限长的时间。
这使超导材料在许多领域中具有重要应用，例如在MRI医疗成像和在电力输送中节省能源。
本文将介绍超导材料的结构与特性，帮助读者了解这种材料的基本原理和应用。
1. 超导材料的结构超导材料的结构可以分为两类：金属超导体和氧化物超导体。
1.1 金属超导体金属超导体是由固态金属制成的。
这种材料在超过临界温度时表现出金属性质，而在低于临界温度时表现出超导性质。
金属超导体的晶体结构类似于钻石结构，其中原子按照一定的规则排列。
金属超导体的临界温度通常较低，一般在个位数经ˍơ。
1.2 氧化物超导体氧化物超导体是由氧化物构成的复杂结构材料。
这种材料通常具有复杂的晶体结构，由于原子之间的相互作用而表现出超导性质。
例如，一种氧化物超导体是由铜、氧和铁组成的，其晶体结构非常复杂，并且原子之间形成了许多不同的结构。
氧化物超导体的临界温度通常较高，可以达到数十开尔文。
2. 超导材料的特性超导材料具有许多独特的特性，这些特性是当今科学和工程中广泛应用超导材料的重要原因之一。
以下是超导材料的一些主要特性。
2.1 零电阻超导材料不会在流动电流时损失能量，即电阻为零。
这意味着电流可以在其中流动无限长的时间，因此超导材料被广泛用于需要高电流密度的应用，例如电动汽车和磁共振成像。
2.2 磁通排斥超导材料对磁场表现出强烈的反抗力。
当材料降至超导状态时，它对磁场形成了一种称为磁流体的排斥力，这意味着磁通不能穿透材料。
这种特性使超导材料适用于制造高磁场强度的磁体，例如MRI扫描器和核磁共振仪。
2.3 超导泄漏材料的超导状态不是永久的，当磁场密度超过材料能承受的临界值时，它将失去超导性。
这种现象称为超导泄漏，它限制了超导材料在强磁场应用中的使用。
2.4 临界温度超导材料的临界温度是指材料必须降至的温度，以便表现出超导性质。
超导材料
4.2 超导材料的分类
2.第二类超导体
该类超导体的磁化曲线如图 4.2 中实线所示。当外磁场小于 第一临界磁场 Hc1 时，超导体内磁感应强度 B ＝ 0 为完全超导态； 当外磁场超过Hcl时，则有部分磁通穿入导体内，其中B从0迅速 增强。当外磁场大于Hc时，这类超导体并没有完全变成正常体， 它门能把一部分磁通排斥于体外，直到外磁场为Hc2时，超导电 性才消失。当外磁场介于 Hc1 与Hc2 之间时，超导体状态并不是 迈斯纳态，但也不是正常态，即处于超导态的小区与常态的小 区嵌镶结构，此态为混合态（Mixed State）。这类超导体在混 合态时仍保持一定的超导性。只有当外磁场强度大于Hc2时，零 电阻的现象才消失。具有这一特性的超导体即为第二类超导体。 很多合金以及 Nb、V等元素金属均属于此类超导体。Y－Ba － Cu－O系高温超导陶瓷亦属于第二类超导体。一般来说，第二 类超导体的Tc、Hc、Jc要比第一类超导体的高得多。
4.1.2 超导研究的历史回顾
1973年，发现Nb3Ge具有超导性，Tc为23.2K。 1973年，约翰斯通(D.C.Johnston)发现Li1+xTi2-xO4 具有超导性，其临界超导温度Tc达到13.7K。斯 赖特(A.S.Sleight)等发现BaPbxBi1-XO3(x=0.27)具 有超导性，其义为Tc=13K。这些奇异的氧化物 超导体的发现，使人们开发高温超导材料的注意 力转向了金属氧化物。 1975年，对超导材料的应用研究又迈出了新的一 步，时速达500km/h的超导磁悬浮列车试制成功。
4.1.1 超导性及其产生条件机理 超导材料：具有超导性的材料。要成 为超导状态，除了温度T要处于临界温 度Tc以下外，磁场强度H和电流密度J 也必须分别处于临界值Hc、Jc以下， 如图4.1所示。其临界值越高，用作超 导体时越有利。-H-J临界面（临界面内为超导状态；临界面外为正常状态）
超导材料 物理
超导材料物理超导材料是指在低温下表现出零电阻、完全抗磁性和迈克尔逊效应的材料。
超导材料的研究在物理学领域具有重要的意义，不仅为探索新的物理现象提供了平台，也为实现高效能电子设备和能源传输系统提供了可能性。
超导材料的发现可以追溯到1911年，当时荷兰物理学家海克·卡末林·奥尼斯（Heike Kamerlingh Onnes）首次将汞冷却到接近绝对零度（-273.15℃）时，发现汞的电阻消失了。
这一发现引起了科学界的广泛关注，随后的几十年里，科学家们陆续发现了一系列表现出超导性的材料。
超导材料的超导性是由其电子对特殊的库珀对（Cooper pair）效应引起的。
库珀对是由两个自旋相反的电子组成的，它们通过晶格振动（声子）来传递相互吸引的库伦力。
低温下，晶格振动减弱了电子之间的散射，使电子能够以较低的能量通过晶格。
这种电子的集体运动形成了超流体，电子可以无阻碍地通过材料，从而表现出零电阻特性。
超导材料的超导转变温度是一个重要的性能指标。
早期的超导材料的超导转变温度非常低，甚至接近绝对零度，限制了超导技术的应用。
但随着研究的深入，科学家们不断发现新的超导材料，并成功合成了一系列具有较高超导转变温度的化合物，如铜基、铁基和镧系等超导材料。
超导材料的高温超导现象成为了超导物理研究的热点之一。
高温超导材料的超导转变温度通常在液氮温度（-196℃）以上，这使得它们在实际应用中具有更大的潜力。
高温超导材料的发现不仅推动了超导技术的发展，也为理解超导现象的本质提供了新的线索。
超导材料的研究不仅关注其基本物理性质，还关注其实际应用。
超导技术在能源传输、磁共振成像、粒子加速器等领域具有广泛的应用。
超导电缆可以实现电能的高效传输，超导磁体可以产生强大的磁场用于医学成像和粒子加速。
此外，超导材料还有潜在的应用于量子计算和量子通信等领域。
虽然超导材料的研究取得了重要的进展，但仍然存在一些挑战。
目前已知的高温超导材料仍需要低温冷却才能实现超导转变，这限制了其在实际应用中的推广。
超导材料
超导材料超导材料超导材料是指在超导态下能够实现零电阻和完全磁通排斥的物质。
这是一种非常特殊的材料，在低温下具有很高的电导率。
超导材料的发现对科学和工业领域都产生了巨大的影响。
本文将介绍超导材料的概念、发现历史、特性和应用等方面的内容。
超导材料的概念最早可以追溯到1911年，当时荷兰物理学家海克·卡末林·奥恩斯和海尔曼·科内斯发现了汞在低温下的超导性质。
自那以后，科学家们一直在寻找更多的超导材料，并不断探索和研究超导现象的原理。
超导材料的最大特点是零电阻。
当超导材料被冷却到临界温度以下时，材料内的电流可以在不损耗能量的情况下持续流动。
这意味着超导材料可以实现高电流密度和高电导率，可以在电力输送、磁共振成像等方面发挥巨大的潜力。
除了零电阻外，超导材料还具有完全磁通排斥的特性。
当磁场穿过超导材料时，超导电子将把磁力线排斥出材料，形成所谓的“迈斯纳效应”。
这种特性使超导材料在磁悬浮、磁阻限制等领域具有广泛的应用。
超导材料的发现和研究对科学产生了巨大的影响。
它不仅突破了传统材料的电阻极限，也为解决能源和环境问题提供了新的思路。
例如，在能源输送方面，超导材料可以大大减少电能损耗，提高输电效率。
在磁共振成像方面，超导磁体可以提供极强的磁场，使成像更加精确并缩短检查时间。
此外，超导材料还在科学研究中发挥着重要作用。
它在粒子物理学、高能物理学和凝聚态物理学等领域有广泛的应用。
例如，在核聚变研究中，超导材料可以用于制造超导磁体，产生强大的磁场来控制等离子体。
超导材料的应用还延伸至工业领域。
在交通运输方面，超导磁悬浮技术可以实现高速列车的悬浮和推进，提供更快、更安全、更节能的交通方式。
在能源领域，超导磁能储存技术可以在低谷电力储能和紧急供电方面发挥重要作用。
虽然超导材料在理论和实验研究中取得了重要进展，但目前仍面临着一些挑战。
首先是超导材料的高温超导问题。
迄今为止，大多数超导材料的超导转变温度都在很低的液氮温度以下，这限制了超导材料应用于实际场景的可能性。
超导材料 PPT
超导性质和相关理论
观察迈纳斯效应的磁悬浮试 验
超导性质和相关理论
超导隧道效应
弱连接超导体：S-I-S
02 超导性质和相关理论
零电阻效应
超导性质和相关理论
A) 临界温度: 电阻突然消失的温度被称为超导体的临界温度Tc。超导临界 温度与样品纯度无关，但是越均匀纯净的样品超导转变时的电阻陡降 越尖锐。
B)临界磁场: 超导电性可以被外加磁场所破坏, 对于温度为T (T<Tc)的超导 体, 当外磁场超过某一数值Hc (T)的时候，超导电性就被破坏了，Hc (T)称为临界磁场。在临界温度Tc，临界磁场为零。Hc(T)随温度的变化 一般可以近似地表示为抛物线关系:
(2) 正常电子的性质与正常金属自由电子气体相同，受到振动晶格的散射而产生 电阻，对熵有贡献。
超导性质和相关理论
(3) 超流电子处在一种凝聚状态，即某一低能态，所以超导态是比正常态 更加有序的状态。这个假设的依据是：超导态在H＝Hc 的磁场中将转变 为正常态，而超导态的自由能要比正常态低 0Hc2V/2 (V是超导材料的体 积)。超导态的电子不受晶格散射，所以超流电子对熵没有贡献。
超导性质和相关理论
伦敦电磁学方程
1935年，伦敦兄弟在二流体模型的基础上，提出两个描述超导电流
其中Hc0是绝对零度时的临界磁场。
大家学习辛苦了，还是要坚持
继续保持 安静
超导性质和相关理论
C) 临界电流: 在不加磁场的情况下，超导体中通过足够强的电流也会破 坏超导电性, 导致破坏超导电性所需要的电流称作临界电流Ic(T)。在临界 温度Tc，临界电流为0。 临界电流随温度变化的关系有：
超导材料
材料类型
01 技术原理
03 科学研究 05 应用领域
目录
02 主要产品 04 发展历史 06 研发产品
超导材料，是指具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。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。
技术原理
零电阻 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应电流，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。 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，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零。 临界温度 外磁场为零时超导材料由正常态转变为超导态(或相反)的温度，以Tc表示。Tc值因材料不同而异。已测得超 导材料的最低Tc是钨，为0.012K。到1987年，临界温度最高值已提高到100K左右。 临界磁场 使超导材料的超导态破坏而转变到正常态所需的磁场强度，以Hc表示。Hc与温度T的关系为Hc=H0[1(T/Tc)2]，式中H0为0K时的临界磁场。
研发产品
2014年3月28日，日本物质材料研究机构研究小组研究、合成了含有金和硅元素的新型超导化合物。
研究小组在1500度、6万个大气压的高温高压条件下，使金和硅以及二硅化锶等发生化学反应，生成了被称 为“SrAuSi3”的新型超导体，在1.6K绝对温度下达到超导状态。经理论计算分析，该新型超导体电子结构与原 子序号较大的金元素相比，电子数有增加、电子磁性和自旋轨道耦合均较强，属于BaNiSn3构造的化合物。该研 究成果已在美国化学学会主编的《材料化学》上发表。
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。
超导材料介绍ppt课件
精品课件 1
超导材料简介
超导概述 超导电性的基本特征 超导材料的种类 超导材料的应用
精品课件 2
一、超 导 概 述
昂内斯(1853～1926) 荷兰低温物理学家 1908年成功地液化了氦气，1911年发现了某 些金属在液氦温度下电阻突然消失，即“超 导电性”现象，于 1913年获诺贝尔奖。
赵忠贤
陈立泉
锶镧铜氧(1987年初，48.精6K品)课、件钡镧铜氧、钇钡铜氧系材料，
铋系超导体
8
二、超导电性的基本特征
Zero Resistance -
Meissner Effect -
Critical Properties
Josephson Effects Tunnelling
No Power Loss Act as Magnet - Tc, Jc, Hc - Electron
精品课件 9
1. 零电阻效应
不同导体的电阻-温度曲线
水银的零电阻效应
在特定的温度下材料的电阻突然消失的现象称为超导（电）现象，发生这
一现象的温度叫超导转变温度Tc，也叫临界温度。材料失去电阻的状态称
为超导态，存在电阻的状态称为正常态。具有超导态的材料称为超导材料。 零电阻效应是超导态的一个基本特征。
精品课件 24
科学家2002年发现以钚为基础的新的超导体族
美国能源部洛斯阿拉莫斯科学实验室、佛罗里达大学和德国铀后元 素研究所，以约翰·尔拉奥博士为首的科学家小组首次发现钚的超 导效应，证实钚、钴和镓的合金在温度为18.5K时会变成超导体。
精品课件 12
超导体与理想导体的磁性质的区别
精品课件
超导态是一个 热力学平衡现 象，抗磁性可 逆；理想导体 的这种磁性质 与加场过程有 关，不可逆。
超导材料的电磁特性课件
超导材料主要分为两类：低温超导材料和高温超导材料。低温超导材料是指在 液氦温度下呈现超导性的材料，如金属汞和铅。而高温超导材料则是指在液氮 温度下呈现超导性的材料，如氧化物陶瓷和金属合金。
超导材料的应用前景
总结词
超导材料在能源、交通、医疗等领域具有广泛的应用 前景。
详细描述
超导材料具有零电阻、高磁导率等特性，因此在能源 、交通、医疗等领域具有广泛的应用前景。例如，在 电力传输领域，超导电缆可以大幅度提高输电效率， 减少能源损失。在交通领域，超导磁悬浮列车可以实 现高速、无摩擦的运行，提高交通效率。在医疗领域 ，超导核磁共振成像技术可以为患者提供更准确的诊 断。随着科学技术的不断发展，超导材料的应用前景 将更加广阔。
超导材料的稳定性问题
总结词
超导材料的稳定性是另一个关键问题，它关系到超导材料在实际应用中的可靠性和持久 性。
详细描述
超导材料在受到高温、强磁场或机械应力的作用时，其超导性能可能会受到影响。因此 ，需要进一步研究和改进超导材料的稳定性。
超导材料在新能源领域的应用前景
总结词
随着新能源领域的快速发展，超导材料的应 用前景广阔，特别是在高效能源传输和储存 方面。
03
超导材料的制备方法
液氮温区超导材料的制备
粉末冶金法
通过混合、压制和烧结超导粉末，制备出 块状超导材料。
熔融法
将超导材料加热至熔融状态，然后进行冷 却和结晶，制备出单晶超导材料。
化学合成法
通过化学反应制备超导材料，通常用于制 备薄膜和纳米材料。
高温超导材料的制备
氧化物高温超导材料
通过高温高压合成法制备 ，如YBaCuO和 BiSrCaCuO等。
详细描述
超导材料在超导态时，内部的磁感应强度为零，对外表现出完全抗磁性。当外部 有磁场作用时，超导体内部会产生与外磁场相反的磁场，从而抵消外磁场的影响 。
《材料导论》-超导材料
电力储藏
提到电力储藏，总会让人联想到电池， 能量的储藏以能量密度作为标准。10升石 油所产生的能量相当于2.5吨铅电池的能量， 必须使用像小山一样多的铅。
零电阻现象和完全抗磁性 是超导体两个最基本、互相 独立的特性。
在常温下，金属原子失去外层电子，自由电 子无序地充满在正离子周围。在电压作用下，自 由电子的定向运动就成为电流。自由电子在运动 中受到的阻碍称为电阻。
当超导临界温度以下时，自由电子将不再完 全无序地“单独行动”，会形成“电子对”（即 “库珀电子对”）。温度愈低，结成的电子对愈 多，电子对的结合愈牢固，不同电子对之间相互 的作用力愈弱。在电压的作用下，这种有秩序的 电子对按一定方向畅通无阻地流动起来。
为什么生物磁的研究远远落后于生物电的研究呢?
因为生物磁极其微弱（10－10～10－13 特斯拉），开始还没有检测如此低磁场强 度的检测手段。
用超导量子干涉现象所制成的磁强计， 可以探测到10－15特斯拉的磁场变化，极 大地促进了生物磁学的进程。
1970年首次应用超导量子干涉仪测出 人体完善的心磁图，打开了生物磁的窗口。
Kelvin Temperature Scale
100oC = 373 K
0oC = 273 K
“High” Temperature Superconductors
-145oC = 138 K
Air (Nitrogen) liquifies
77 K Helium liquifie4sK
超导材料原理
超导材料原理超导材料是指在低温下表现出零电阻和完全排斥磁场的材料。
超导现象最早于1911年被荷兰物理学家海克·卡末林·奥冯·赫尔维茨发现，他发现当汞的温度降到4.2K以下时，其电阻突然消失。
这一发现引起了世界范围内的关注，使得科学家们对超导现象进行了深入研究。
超导材料的原理可以通过两个主要的理论来解释：电子对理论和BCS理论。
这两个理论描述了在超导材料中电子如何协同工作以形成超导现象。
电子对理论是由J. Bardeen、L.N. Cooper和J.R. Schrieffer于1957年提出的，他们被授予了1972年的诺贝尔物理学奖。
该理论认为，在超导材料中，电子会通过声子相互作用形成电子对。
声子是一种晶格振动的量子，具有能量和动量。
当电子与晶格振动相互作用时，会产生一个吸引力，使得两个电子可以形成一个电子对。
这个电子对可以通过波函数描述，其波函数是对称的，这意味着电子对的自旋是相反的。
由于电子对的形成，它们在超导材料中可以以一种协同的方式移动，而不受到散射的影响。
这就是为什么超导材料在低温下可以表现出零电阻的原因。
BCS理论是基于电子对理论的进一步发展。
BCS理论解释了超导材料中的电子配对是如何发生的。
它认为，超导材料中的晶格振动导致了电子之间的吸引力，从而促使电子形成电子对。
在超导材料中，电子配对的能量非常低，几乎可以认为是稳定的。
这种低能量使得电子对可以在超导材料中自由移动，形成超流。
超流体现为无阻力电流，可以在超导材料中无限传导。
超导材料的应用潜力巨大。
由于超导材料在低温下表现出零电阻，可以大大提高电能传输的效率。
目前，已经有一些超导电缆和超导磁体在实际应用中取得了成功。
此外，超导材料还可以用于制造高灵敏度的传感器、高速计算机和更强大的磁体等。
然而，超导材料的应用受到了低温要求的限制，因此目前的挑战是开发出更高温度下工作的超导材料。
总结一下，超导材料的原理是基于电子对理论和BCS理论的。
超导材料(课堂PPT)
图2.1 迈纳斯效应示意图
11
2. 超导材料的性质及超导现象的机理
☼ 迈纳斯效应的机理：
迈斯纳效应，常常概括说成：超导体具有“完全的抗磁性”，即在超导体内部保
持磁感强度B=0，应该注意到的是，完全抗磁性并不是说磁化强度M和磁场强度H均
为0。
根据B=μ0（H+M），有
（2.3）
以球形样品为例，球形样品均匀外磁场中将沿磁场方向均匀磁化。如果磁化强度
从图2.2中可见： 在T一定的前提下，H<HC时，gs<gn； H>HC时，gs>gn
14
2. 超导材料的性质及超导现象的机理
2.2.2 超导转变过程中熵的变化
根据有关热力学方程可推得：
sn ss 0HC dHC(T )
dT
（2.11）
由公式（2.10）可得将HC(T)对T求导一定 小于0，这已经有实验结果证实（见图2.3）。
序状态随温度增加而不断瓦解。
17
2. 超导材料的性质及超导现象的机理
☼ 2.3 超导体唯象理论的发展： 2.3.1 二流体模型
1934年，戈特和卡西米尔根据超导电性的某些热力学性质提出了超导态的二 流体模型，认为超导态比正常态更为有序是由共有化电子发生某种有序转变而引 起的。
该理论提出超导电子的概念，指出：超导电子不受晶格振动的影响，用NS表 示其浓度，用秩序度ω(T)表示超导电子占总电子浓度N的比例：
(T ) NS(T )
N
当 T>TC 时，NS(T)=0，ω(T)=0；当 T<TC 时，0<ω(T)<1；当 T=0K 时， NS(T)=N，ω(T)=1。
这是一个不成熟的模型，无法从根本上解释超导机制，基本假设为超导相中共 有电子凝聚成高度有序的超导电子，但却对凝聚过程没有加以说明。
材料科学与工程学导论—第四章—功能材料
学
Cd，Pb
……
……
Cu-O
组
……
……
成
功能材料
超导材料
?
超
(K)
导
180
材
160
料
140
Ba-Ca-Cu-O# Hg-Ba-Ca-Cu-O
Hg-Ba-Ca-Cu-O 甲烷
Tc
120
Tl-Ba-Ca-Cu-O
Ba-Ca-Cu-O
提
100
Bi-Sr-Ca-Cu-O
高
转变温度,TC
年
80
Y-Ba-Cu-O
功能材料
纳 米 材 料 的 应 用
纳米材料
纳米TiO2光催化 纳米Ag的消毒杀菌
功能材料
约200年
约25 年 约50年
石油 天然气
煤炭
按2000年需求，主要 能源预计可开采年限
能源材料
能源危机
新能源
功能材料
能源材料
材料在新能源发展中的作用
把习用已久的能源变为新能源； 提高储能和能量转化效果； 确保新能源系统运行的安全和环境保 护，尤指核反应堆的安全和废料处理； 决定新能源的投资和运行成本；
制
备
方
球磨法
法
球磨法可以降低粉粒尺寸，固态合金化、混合或
融合，以及改变粉粒的形状。球磨法可以制备纳
米晶纯金属、不互溶体系的固溶体纳米晶、纳米
非晶、纳米金属间化合物以及纳米金属－陶瓷复
合材料等。
功能材料
纳米材料
纳 非晶晶化法
米
材
先将原料用急冷技术制成非晶薄带或薄膜，控
料
制晶化退火时间和温度，使非晶全部或部分晶
材
超导材料ppt
☆超导电机 在大型发电机或电动机中，一旦由超导体取代铜材则可望实现电阻损耗极小的大功率传输 。在高强度磁场下，超导体的电流密度超过铜的电流密度，这表明超导电机单机输出功率 可以大大增加。在同样的电机输出功率下，电机重量可以大大下降。小型、轻量、输 出功率高、损耗小等超导电机的优点，不仅对于大规模电力工程是重要的，而且对于航海 、航空的各种船舶、飞机特别理想。 ☆在核能开发中的应用 若想利用热核反应来发电，首先必须解决大体积、高强度的磁场问题。产生这样磁场的磁 体能量极高，结构复杂，电磁和机械应力巨大，常规磁体无法承担这一任务。只有通过超 导磁体产生强大的磁场，将高温等离子体约束住，并且达到一个所要求的密度，这样才可 以实现受控热核反应。
超导理论能较好的说明超导现象和第一类超导体的性质，但是尚不能完满解决完全抗 磁性的问题，随着超导材料的发展，BCS理论出现很多不足，超导理论尚不成熟。
9
四.超导材料分类
☆超导材料包括的材料大类：常规超导体（如铌钛合金）高温超导体（如YBa2Cu3O7-x）、 非晶超导材料、复合超导材料（如超导线带材料）、重费米子超导体（如 CeCu2Si2）有机超导材料（如富勒烯等） ☆按临界转变温度来分 1.低温超导材料 具有低临界转变温度（TC＜30K＝在液氦温度条件下工作)的超导材料，分为金属、合金 和化合物 。在常压下有28中元素具有超导特性，其中铌和铅在实际中应用较广.合金系低 温超导材料是以为基的二元或三元合金组成的β相固溶体，TC在9K以上。如铌锆合金，铌 钛合金。超导化合物有如Nb3Sn ，V3Ga 等。 2.高温超导材料 具有高临界转变温度(TC>77K)在液氮温度条件下工作的超导材料,主要为多元系氧化物 包括铋系、钇系、铊系、汞系等高温超导体系，如钇钡铜氧系材料。 ☆按超导体的磁化特性不同可分为两类： 第一类超导体在低于临界磁场HC的磁场H重处于超导态，表现出完全抗磁性，即在超导内 部B=0；在高于HC的磁场中则处于正常态。 第二类超导体有两个临界磁场：下临界磁场HC1和上临界磁场HC2。当外加磁场低于HC1时， 第二类超导体也表现出完全抗磁性；当外磁场达到HC1时，就失去完全抗磁性，磁力线开 始穿过超导体内部，在达到HC2之前，超导体内的部分区域转变为正常态，其余仍处于超 10 导态，此称为混合态。在混合态时，超导体既具有抗磁性（不完全），又仍没有电阻 。当H=HC2时，超导区消失，整个材料都变为正常态。
超导材料的应用举例课件
VS
详细描述
超导储能系统利用超导线圈在磁场中快速 旋转的原理，实现大容量电能的储存和释 放。由于超导材料的零电阻特性，电能传 输效率极高，充电和放电过程迅速且高效。 超导储能系统在电网调峰、分布式能源并 网等领域具有广泛的应用前景。
超导材料在磁悬浮列车中的应
04
用
磁悬浮列车的原理
磁悬浮列车利用磁场力克 服重力，使车体悬浮于轨 道之上。
超导量子计算
总结词
超导量子计算是利用超导材料实现量子比特的一种技术路线，具有可扩展性强、操作精 度高、稳定性好等优点。
详细描述
超导量子计算利用超导材料的磁通量子化和约瑟夫森效应等特性，实现量子比特的控制 和操作。由于超导材料成熟的半导体制造工艺，使得超导量子计算成为目前最有前景的
技术路线之一。
超导计算机的未来展望
利用超导材料的特殊性质，可以构建能耗极低的计算机，有 助于实现高效能计算。
超导材料在电力传输与存储中
03
的应用
超导电缆
总结词
超导电缆利用超导材料在低温下电阻为零的特性，实现电能的高效传输。
详细描述
超导电缆采用超导材料作为导体，在低温环境下，超导材料电阻为零，因此电能传输过程中几乎无损 耗，相比传统电缆能够显著提高传输效率。此外，超导电缆还具有体积小、重量轻、高可靠性等优点。
总结词
随着超导材料和技术的不断发展，超导计算 机有望在未来成为高性能计算的重要选择。
详细描述
目前，超导计算机已经在一些特定领域展现 出强大的计算能力，如天气预报、大数据分 析、人工智能等。未来，随着超导材料性能 的不断提升和制造工艺的改进，超导计算机 有望在更多领域得到应用，成为下一代高性
能计算的重要选择。
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1911年，荷兰科学家昂纳斯 在研究极低温度下金属导电性时 发现，当温度降到4.2K时，汞的 电阻率突然降低到接近于零。这 种现象称为汞的超导现象。
昂纳斯, 1913年获诺贝尔物理奖
超导电现象：材料的电阻随温度降低而减小并 最终出现零电阻的现象。
超导体：低于某一温度出现超导电性的物质。
高温超导体YBCO的电阻-温度曲线
2. 完全抗磁性(迈斯纳效应)
迈斯纳效应
当超导体冷却到临界温度以下 而转变为超导态后，只要周围 的外加磁场没有强到破坏超导 性的程度，超导体就会把穿透 到体内的磁力线完全排斥出体 外，在超导体内永远保持磁感 应强度为零。超导体的这种特 殊性质被称为“迈斯纳效应”。
1. 元素超导体
目前已查明:在常压下具有超导电性的元素金属有32种 （如右图元素周期表中青色方框所示），而在高压下 或制成薄膜状时具有超导电性的元素金属有14种（如 右图元素周期表中绿色方框所示）。
由于这类超导 体临界温度太 低，无太大实 用价值
Nb 的 Tc 最 高 ， 仅为9.5K
2.合金超导体
根据这种原理，可以利用超导体做成无摩擦轴承 、高精度的导航用超导陀螺仪、磁悬浮列车等。
3. 超导态的临界参数
➢临界温度（TC） 超导体必须冷却至某一临界温度以下才能保持其超导性。
➢临界电流密度（JC） 通过超导体的电流密度必须小于某一临界电流密度才能保 持超导体的超导性。
➢临界磁场（HC） 施加给超导体的磁场必须小于某一临界磁场才能保持超导 体的超导性。
迈斯纳效应表明，处于超导态的超导体是一 个具有完全抗磁性的抗磁体
实际上磁场强度 B 有一穿透深度
x
B B0e
: 穿透深度
电阻为零和完全抗磁性是超导体最基本的两个 性质 ，衡量一种材料是否具有超导性 必须看 是否同时有零电阻和迈斯纳效应。
迈斯纳效应产生的原因:
当超导体处于超导态时，在 磁场作用下，表面产生一个 无损耗感应电流。这个电流 产生的磁场恰恰与外加磁场 大小相等、方向相反，因而 总合成磁场为零。换句话说， 这个无损耗感应电流对外加 磁场起着屏蔽作用，因此称 它为抗磁性屏蔽电流。
库柏电子对在晶格中运动没有阻力，这是因为两个电子 在电场作用下运动时，受到晶格的散射时，发生相反的 动量改变，结果电子的总动量不变，所以晶格的散射不 能加快也不能减慢电子的运动，宏观上表现为直流电阻 为零的超导形式。
BCS理论针对金属的超导，无法成功的解释高温超导的现象
4.2 超导体分类
元素超导体 合金超导体 金属间化合物超导体 陶瓷超导体 高分子超导体
4.1超导研究历史
1911年——Onnes发现Hg，现已有5000种。 1911～1932年——元素超导体，Pb、Sn、In、Ta、Nb、Ti等。 1933年——迈斯纳（ Meissner ）和奥森菲尔德发现迈斯纳效应。 1933—1953年——合金、过渡金属碳化物和氮化物。 1953 ～ 1973年——Tc>17K的V3Si、Nb3Sn等
1957年，BCS理论被提出 1969年，超导纤维研制成功 1973年—— Nb3(Al0.75Ge0.25)，Nb3Ga、 NbGe等，最高 Tc=23.2 K。
金属氧化物超导体被发现，BaPbxBi1-xO3。 1975年——500Km/h的磁悬浮列车研制成功。
1986年——Muller(缪勒)和Bednorz(柏诺兹)发现高温超体。
Tc、Hc、Jc
任一条件变化都会从超导态变成正常态
4 超导体的机理—BCS理论
该理论以其发明者 巴丁（Bardeen） 库珀（Cooper） 施里弗（Schrieffer） 的名字首字母命名。 超导现象于1911年发现，但直 到1957年，美国科学家巴丁、 库珀和施里弗在《物理学评论 》提出BCS理论，其微观机理 才得到一个令人满意的解释。
1987年——赵忠贤、陈立泉研制成功Tc=93K的 YBaCuO。 1988~至今——高温超导迅猛发展，Tc不断升高。
一些超导材料 的临界温度
4.2 超导材料的基本性质与理论基础
1：完全导电性（零电阻），超导体进入超导态时，其电阻
率实际上等于零。例如：室温下将超导体放入磁场中，冷却到低 温进入超导状态，去掉外加磁场后，线圈产生感生电流，由于没 有电阻，此电流将永不衰减。即超导体的“持久电流”。
巴丁、库珀和施里弗因为提出 超导电性的BCS理论而获得
1972年的诺贝尔物理学奖
BCS理论：
金属晶体是有周期型排列的金属正离子和可以自由移动 的自由电子构成。金属晶体中的电子处于带正电的原子 核环境中，当温度处于超导体的临界温度以下时T<Tc， 电子不再单独一个一个存在，带负电的电子吸引原子核 向它靠拢，那么在电子周围形成局域正电势密集区，吸 引第二个自旋相反的电子。和原来的电子以一定的结合 能相结合配对，成为库柏电子对。两个电子自旋方向相 反，动量大小相等，方向相反，总能量为零。库柏电子 对的能量低于两个单独电子的能量。
临界温度（Tc）、临界磁场（Hc）、临界电流JC是约
束超导现象的三大临界条件。只有当上述三个条件均满
足超导材料本身的临界值时，才能发生超导现象。
（由Tc、Hc，Jc形成的闭合曲面内为超导态）
H
正常态
Hc
V失 超超导态来自Tc TIc(V) I
临界电流：即当每厘米样品长度上 出现电压为1V时所输送的电流
观察迈纳斯效应的磁悬浮试验
现象：在锡盘上放一条永久磁铁， 当温度低于锡的转变温度时，小磁 铁会离开锡盘飘然升起，升至一定 距离后，便悬空不动了。
原因：由于磁铁的磁力线不能穿过 超导体，在锡盘感应出持续电流的 磁场，与磁铁之间产生了排斥力， 磁体越远离锡盘，斥力越小，当斥 力减弱到与磁铁的重力相平衡时， 就悬浮不动了。
合金超导体是机械强度最高、应力应变较小、磁场强度 低、临界电流密度高的超导体，在早期得到实际应用。 超导合金主要有Ti-V、Nb-Zr、Mo-Zr、Nb-Ti等合金 系，其中Ge-Nb3的临界温度最高（23.2K）。
3. 金属间化合物超导体
金属间化合物超导体的临界温度与临界磁场一般比合金 超导体的高，但此类超导体的脆性大，不易直接加工成 带材或线材。