金属类功能材料简介
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超导体与电阻无 限小的理想导体有 本质的区别。
1933年，德国物理学家迈斯纳(W．Meissner)和奥 森菲尔德(R．Ochsenfeld)对锡单晶球超导体做磁场 分布测量时发现在小磁场中把金属冷却进入超导态时， 超导体内的磁通线似乎一下子被排斥出去．保持体内 磁感应强度B等于零，超导体的这一性质被称为迈斯纳 效应。即:超导体内磁感应强度B总是等于零。
★ 具有实用价值的吸氢合金，一般应具备下列条件：
1）易活化，吸氢量大； 2）储氢时生成热尽量小，蓄热时生成热尽量大； 3）在一个很宽的组成范围内应具有稳定的合适平衡分
解压（室温储氢的分解压约2—3个大气压为宜）； 4）氢吸收和分解过程中的平衡压差(即滞后)小； 5）氢的俘获和释放速度快； 6）金属氢化物的有效热导率大； 7）在反复吸放氢的循环过程中，合金的粉化小，性能
3）约瑟夫森效应: 两超导材料之间有一薄绝缘 层（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），同时， 直流电流变成高频交流电，并向外辐射电磁波。
2.1.2 常规超导体
相对于氧化物高温超导体而言，元素、合金和化 合物超导体的超导转变温度较低(Tc＜30K)，因而通 常又枝称为常规超导体或传统超导体。
2.2 贮氢合金
储氢合金能以金属氢化物的形式吸 收氢，是一种安全、经济而有效的 储氢方法。金属氢化物不仅具有储 氢特性，而且具有将化学能与热能 或机械能相互转化的机能，从而能 利用反应过程中的焓变开发热能的 化学储存与输送，有效利用各种废 热形式的低质热源。
2.2.1 金属贮氢原理
★ 金属(M)与氢生成金属氢化物(MHx) 。
具有超导电性的合金及化合物多达几千种，真正能 够实际应用的并不多。下表列出了一些典型合金及化 合物的Tc(最大值)。其中A—15超导体Nb3Sn是20世 纪50年代马梯阿斯(B．T．Matthias)首次发现的。 在1986年以前发现的超导体中，这类化合物中的Tc居 于领先地位，它们之中临界温度最高的是Nb3Ge薄膜， 为23.2K。此外，c—15超导体的临界温度约l0K，上 临界场Hc2(约1.6×107A／m)高于超导合金NbTi，而 在力学性质方面优于Nb3Sn，易于加工成型，中子辐 照对它的超导电性影响较小，因而是目前受控热核反 应用高场超导磁体的理想材料。
界磁场。在临界温度Tc，临界磁场为零。 C.临界电流Ic(T):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，临界电流为零。
2 超导材料的三个基本效应： 1） 零电阻效应：电阻为零，能够无损耗的传输电能。
2） 完全抗磁性
第二章 金属类功能材料简介
2.1 超导材料 2.2 贮氢合金 2.3 形状记忆合金 2.4 非晶态合金 2.5 磁性材料 2.6 半导体材料 2.7 热电材料
2.1 超导材料
• 1911年，荷兰物理学家昂纳斯发现汞的 直流电阻在4.2K时突然消失，首次观察 到超导电性。
• 定义：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 。
高温 超导 体系
列
2.1.5 超导材料的应用
超导体的零电阻效应显示了其无损耗输送电流的性质，大 功率发电机、电动机如能实现超导化将会大大降低能耗，并 使其小型化。如将超导体应用于潜艇的动力系统，可以大大 提高它的隐蔽性和作战能力。在交通运输方面，负载能力强， 速度快的超导悬浮列车和超导船的应用，都依赖于磁场强、 体积小、重量轻的超导磁体。
一些合金及化合物的临界温度
一些合金及化合物的临界温度 （续）
2. 1. 3 高温超导体
高温超导体有着与传统超导体相同的超导特性， 即：零电阻特性、迈斯纳效应、磁通量子化和约瑟 夫森效应。高温超导体的配对机理目前还不清楚。 新型的氧化物高温超导体与传统超导体相比较，有 其独持的结构和物理特征。主要表现在它们具有明 显的层状结构、较短的超导相干长度、较强的各向 异性以及Tc对载流子浓度的强依赖关系。
2.1.1 超导体的基本物理性质
1 超导材料的三个基本物理参量为： Tc，Hc和Ic。
A.临界温度Tc:指电流磁场以及其他外部条件相当低的情况下超导 体由正常态转变到超导态的温度，即电阻突然消失的温度。主要
取决于材料的化学成分、晶体结构和有序度。 B.临界磁场Hc(T)：一般指在给定温度条件下材料由超导态转变到 正常态所需要的最小磁场，通常随Tc值的提高而增加。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
此超外导, 体在电工、交通、国防、地质探矿和科学 研究(回旋加速器、受控热核反应装置)中的大工程上 都有很多应用。
利用超导隧道效应，人们可以制造出世界上最灵敏 的电磁信号的探测元件和用于高速运行的计算机元件。 用这种探测器制造的超导量子干涉滋强计可以测量地 球磁场几十亿分之一的变化，能测量人的脑磁图和心 磁图，还可用于探测深水下的潜水艇；放在卫星上可 用于矿产资源普查；通过测量地球磁场的细微变化为 地震预报提供信息。超导体用于微波器件可以大大改 善卫星通讯质量。超导材料的应用显示出巨大的优越 性。
1）元素超导体
已发现的超导元素近50种，如下图所示。除一些 元素在常压及高压下具有超导电性外，另部分元素在 经过持殊工艺处理(如制备成薄膜，电磁波辐照，离 子注入等)后显示出超导电性。其中Nb的Tc最高(9.2 K)，与一些合金超导体相接近，而制备工艺要简单得 多。
周期表中的超导元素
Leabharlann Baidu
2） 合金及化合物超导体
M + xH2 → MH+H（生成热）
金属与氢的反应，是一个可逆过程。正向反应， 吸氢、放热；逆向反应，释氢、吸热。改变温度 与压力条件可使反应按正向、逆向反复进行，实 现材料的吸释氢功能。
★ 目前在研和已投入使用的合金成分有：Mg, Ti, Nb, V, Zr和稀土类金属，添加成分有：Cr, Fe, Mn, Co, Ni, Cu等。
1933年，德国物理学家迈斯纳(W．Meissner)和奥 森菲尔德(R．Ochsenfeld)对锡单晶球超导体做磁场 分布测量时发现在小磁场中把金属冷却进入超导态时， 超导体内的磁通线似乎一下子被排斥出去．保持体内 磁感应强度B等于零，超导体的这一性质被称为迈斯纳 效应。即:超导体内磁感应强度B总是等于零。
★ 具有实用价值的吸氢合金，一般应具备下列条件：
1）易活化，吸氢量大； 2）储氢时生成热尽量小，蓄热时生成热尽量大； 3）在一个很宽的组成范围内应具有稳定的合适平衡分
解压（室温储氢的分解压约2—3个大气压为宜）； 4）氢吸收和分解过程中的平衡压差(即滞后)小； 5）氢的俘获和释放速度快； 6）金属氢化物的有效热导率大； 7）在反复吸放氢的循环过程中，合金的粉化小，性能
3）约瑟夫森效应: 两超导材料之间有一薄绝缘 层（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），同时， 直流电流变成高频交流电，并向外辐射电磁波。
2.1.2 常规超导体
相对于氧化物高温超导体而言，元素、合金和化 合物超导体的超导转变温度较低(Tc＜30K)，因而通 常又枝称为常规超导体或传统超导体。
2.2 贮氢合金
储氢合金能以金属氢化物的形式吸 收氢，是一种安全、经济而有效的 储氢方法。金属氢化物不仅具有储 氢特性，而且具有将化学能与热能 或机械能相互转化的机能，从而能 利用反应过程中的焓变开发热能的 化学储存与输送，有效利用各种废 热形式的低质热源。
2.2.1 金属贮氢原理
★ 金属(M)与氢生成金属氢化物(MHx) 。
具有超导电性的合金及化合物多达几千种，真正能 够实际应用的并不多。下表列出了一些典型合金及化 合物的Tc(最大值)。其中A—15超导体Nb3Sn是20世 纪50年代马梯阿斯(B．T．Matthias)首次发现的。 在1986年以前发现的超导体中，这类化合物中的Tc居 于领先地位，它们之中临界温度最高的是Nb3Ge薄膜， 为23.2K。此外，c—15超导体的临界温度约l0K，上 临界场Hc2(约1.6×107A／m)高于超导合金NbTi，而 在力学性质方面优于Nb3Sn，易于加工成型，中子辐 照对它的超导电性影响较小，因而是目前受控热核反 应用高场超导磁体的理想材料。
界磁场。在临界温度Tc，临界磁场为零。 C.临界电流Ic(T):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，临界电流为零。
2 超导材料的三个基本效应： 1） 零电阻效应：电阻为零，能够无损耗的传输电能。
2） 完全抗磁性
第二章 金属类功能材料简介
2.1 超导材料 2.2 贮氢合金 2.3 形状记忆合金 2.4 非晶态合金 2.5 磁性材料 2.6 半导体材料 2.7 热电材料
2.1 超导材料
• 1911年，荷兰物理学家昂纳斯发现汞的 直流电阻在4.2K时突然消失，首次观察 到超导电性。
• 定义：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 。
高温 超导 体系
列
2.1.5 超导材料的应用
超导体的零电阻效应显示了其无损耗输送电流的性质，大 功率发电机、电动机如能实现超导化将会大大降低能耗，并 使其小型化。如将超导体应用于潜艇的动力系统，可以大大 提高它的隐蔽性和作战能力。在交通运输方面，负载能力强， 速度快的超导悬浮列车和超导船的应用，都依赖于磁场强、 体积小、重量轻的超导磁体。
一些合金及化合物的临界温度
一些合金及化合物的临界温度 （续）
2. 1. 3 高温超导体
高温超导体有着与传统超导体相同的超导特性， 即：零电阻特性、迈斯纳效应、磁通量子化和约瑟 夫森效应。高温超导体的配对机理目前还不清楚。 新型的氧化物高温超导体与传统超导体相比较，有 其独持的结构和物理特征。主要表现在它们具有明 显的层状结构、较短的超导相干长度、较强的各向 异性以及Tc对载流子浓度的强依赖关系。
2.1.1 超导体的基本物理性质
1 超导材料的三个基本物理参量为： Tc，Hc和Ic。
A.临界温度Tc:指电流磁场以及其他外部条件相当低的情况下超导 体由正常态转变到超导态的温度，即电阻突然消失的温度。主要
取决于材料的化学成分、晶体结构和有序度。 B.临界磁场Hc(T)：一般指在给定温度条件下材料由超导态转变到 正常态所需要的最小磁场，通常随Tc值的提高而增加。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
此超外导, 体在电工、交通、国防、地质探矿和科学 研究(回旋加速器、受控热核反应装置)中的大工程上 都有很多应用。
利用超导隧道效应，人们可以制造出世界上最灵敏 的电磁信号的探测元件和用于高速运行的计算机元件。 用这种探测器制造的超导量子干涉滋强计可以测量地 球磁场几十亿分之一的变化，能测量人的脑磁图和心 磁图，还可用于探测深水下的潜水艇；放在卫星上可 用于矿产资源普查；通过测量地球磁场的细微变化为 地震预报提供信息。超导体用于微波器件可以大大改 善卫星通讯质量。超导材料的应用显示出巨大的优越 性。
1）元素超导体
已发现的超导元素近50种，如下图所示。除一些 元素在常压及高压下具有超导电性外，另部分元素在 经过持殊工艺处理(如制备成薄膜，电磁波辐照，离 子注入等)后显示出超导电性。其中Nb的Tc最高(9.2 K)，与一些合金超导体相接近，而制备工艺要简单得 多。
周期表中的超导元素
Leabharlann Baidu
2） 合金及化合物超导体
M + xH2 → MH+H（生成热）
金属与氢的反应，是一个可逆过程。正向反应， 吸氢、放热；逆向反应，释氢、吸热。改变温度 与压力条件可使反应按正向、逆向反复进行，实 现材料的吸释氢功能。
★ 目前在研和已投入使用的合金成分有：Mg, Ti, Nb, V, Zr和稀土类金属，添加成分有：Cr, Fe, Mn, Co, Ni, Cu等。