精品课程《功能材料》ppt课件第二讲 超导材料与贮氢合金
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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。
.
3
2） 完全抗磁性 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
.
7
周期表中的超导元素
.
8
2） 合金及化合物超导体
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。
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。
.
4
源自文库
2.1.2 超导材料的发展
在l986年之前，由于当时己知的所有超导体都 要在液氯冷却的条件下才能“工作”，这些不利因 素给超导技术的实际应用范围带来了很多限制。因 此，关于如何提高材料的Tc以及寻求高Tc材料，一 直是科学家们的研究课题。下图列出了人们探索提 高超导转变温度的历程。
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，
有效利月各种废热形式的低质热源。因此．储氢合金
的众多应用己受到人们的待. 别关注。
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2.2.1 金属贮氢原理 ★ 金属(M)与氢生成金属氢化物(MHx) 。
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。
.
15
2.2 贮氢合金
氢能是未来能源最佳选择之一。氢能的利用涉及氢
的储存、输运和使用。自20世纪60年代中期发现
LaNi5和FeTi等金属间化合物的可逆储氢作用以来， 储氢合金及其应用研究得到迅速发展。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
.
5
超导体的发展. 历程
6
2.1.3 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)，其超导 机理基本上能在BCS理论的框架内进行解释，因而通 常又枝称为常规超导体或传统超导体。
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。
功能材料
.
1
第二讲 超导材料与贮氢合金
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。
2.1.1 超导体的基本物理性质
1） 零电阻效应
A.临界温度Tc:电阻突然消失的温度被称为超导体的
临界温度Tc。
.
2
B.临界磁场超Hc导(T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。
★ 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。
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（一）贮 氢 原 理
1、金属与氢气生成金属氢化物的反应 2、金属氢化物的能量贮存、转换 3、金属氢化物的相平衡和热力学
.
18
1、金属与氢气生成金属氢化物的反应
.
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此外超,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。
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9
一些合金及化合物的临界温度
.
10
一些合金及化合物的临界温度 （续）
.
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2. 1. 4 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。BCS理论是目前能解释所有这些现象的 唯—理论，但这并不意味高温超导体就是BCS超导 体。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天系。
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高温 超导 体系 列
.
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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。
金属和氢的化合物统称为金属氢化物。元 素周期表中所有金属元素的氢化物在20世纪60 年代以前就已被探明，并被汇总于专著中。
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元素周期表中IA族元素(碱金属) 和IIA族元素(碱土金属)分别与氢形 成MH、MH2化学比例成分的金属氢 化物。
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2） 完全抗磁性 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
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周期表中的超导元素
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2） 合金及化合物超导体
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。
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。
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源自文库
2.1.2 超导材料的发展
在l986年之前，由于当时己知的所有超导体都 要在液氯冷却的条件下才能“工作”，这些不利因 素给超导技术的实际应用范围带来了很多限制。因 此，关于如何提高材料的Tc以及寻求高Tc材料，一 直是科学家们的研究课题。下图列出了人们探索提 高超导转变温度的历程。
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，
有效利月各种废热形式的低质热源。因此．储氢合金
的众多应用己受到人们的待. 别关注。
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2.2.1 金属贮氢原理 ★ 金属(M)与氢生成金属氢化物(MHx) 。
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。
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2.2 贮氢合金
氢能是未来能源最佳选择之一。氢能的利用涉及氢
的储存、输运和使用。自20世纪60年代中期发现
LaNi5和FeTi等金属间化合物的可逆储氢作用以来， 储氢合金及其应用研究得到迅速发展。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
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超导体的发展. 历程
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2.1.3 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)，其超导 机理基本上能在BCS理论的框架内进行解释，因而通 常又枝称为常规超导体或传统超导体。
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。
功能材料
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第二讲 超导材料与贮氢合金
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。
2.1.1 超导体的基本物理性质
1） 零电阻效应
A.临界温度Tc:电阻突然消失的温度被称为超导体的
临界温度Tc。
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B.临界磁场超Hc导(T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。
★ 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。
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（一）贮 氢 原 理
1、金属与氢气生成金属氢化物的反应 2、金属氢化物的能量贮存、转换 3、金属氢化物的相平衡和热力学
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1、金属与氢气生成金属氢化物的反应
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此外超,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。
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一些合金及化合物的临界温度
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一些合金及化合物的临界温度 （续）
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2. 1. 4 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。BCS理论是目前能解释所有这些现象的 唯—理论，但这并不意味高温超导体就是BCS超导 体。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天系。
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高温 超导 体系 列
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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。
金属和氢的化合物统称为金属氢化物。元 素周期表中所有金属元素的氢化物在20世纪60 年代以前就已被探明，并被汇总于专著中。
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元素周期表中IA族元素(碱金属) 和IIA族元素(碱土金属)分别与氢形 成MH、MH2化学比例成分的金属氢 化物。