第七章 新型功能材料 材料化学 李奇

一、超导材料的种类
按成分可将超导材料分为元素超导体、合金和化合物超导体、 有机高分子超导体三类。现在已知的有24种元素具有超导性。 除碱金属、碱土金属、铁磁金属、贵金属外几乎全部金属元 素都具有超导性。合金和化合物超导体包括二元、三元和多 元的合金及化合物。组成可以是全为超导元素，也可以部分 为超导元素、部分为非超导元素。有机高分子超导体主要是 非碳高分子(SN)X。
(3) 非晶超导材料
(6) 有机超导材料
7.2 能源转换与储能材料 一.能源转换
能源转换是改变能源物理形态的能源生产
化石燃料、水能等
一次能源
直接或间接转变
电能、热能、汽油、煤油、柴油、煤气等 二次能源
例如： 水的势能使水轮机运转，水轮机带动发电机而转变为电能； 煤通过燃烧转换为热能，热能产生蒸汽驱动汽轮机转换为机 械能，再带动发电机转换为电能。
化物超导体是钇系氧化物YBa2Cu3O7- (YBCO)超导体，随后 开发的是铋系氧化物 Bi2Sr2Ca2Cu3Ox(BSCCO)超导体和铊系 氧化物TlBaCaCuO超导体。少数的非氧化物高温超导体主要
是C60化合物。
(1) 氧化物超导体
(4) 复合超导材料
(2) 非氧化物超导体
(5) 重费米子超导体
超导的应用 从目前的研究情况来看，超导技术的应用可分成三类：
① 用超导材料做成磁性极强的超导磁铁，用于核聚变研究和制造大容量储能 装置、高速加速器、超导发电机和超导列车，以解决人类的能源和交通问题。
超导磁流体发电机
超导磁浮列车
② 用超导材料薄片制作Josephson器件，用于制造高速电子计 算机和灵敏度极高的电磁探测设备。
火力发电厂之“乌龙戏珠”
转换后的二次能源比一次能源具有更高的终端利用效率，使 用时更方便、更清洁。但是在有热转换的过程中，不可避免 地会伴有转换损失。例如，用一定量的煤来发电时，煤的有 些能量将残存在未燃尽的煤粒中，有些将以热的形式从烟囱 中损失掉或成为锅炉或蒸汽管道的辐射热而散发掉，有些以 废热的形态失去，有些成为摩擦损失，剩下的部分转变为电 能。所有这些能量加在一起等于煤完全燃烧所应释放的能量。 在研究能源转换的问题时，不仅要注意能量的数量，还应注 意能量的质量。
(2) 合金超导体
在目前的合金超导材料中，Nb—Ti系合金实用线材的使用最 为广泛，原因之一是在于它与铜很易复合。复合的目的是防止 超导态受到破坏时，超导材料自身被毁。这种合金线材虽然不 是当前最佳的超导材料，但由于这种线材的制造技术比较成熟， 性能也较稳定，生产成本低，所以目前仍是实用线材中的主导。 20世纪70年代中期，在Nb—Zr，Nb—Ti合金的基础上又发展 了一系列具有很高临界电流的三元超导合金材料，如Nb— 40Zr—10Ti，Nb—Ti—Ta等，它们是制造磁流体发电机大型 磁体的理想材料。
具体又可分为: 元素超导体 合金超导体 化合物超导体
(1) 元素超导体
目前已查明 常压下具有超导电性的金属元素有32种（如上图元素周期表中青色方框所示） 高压下或制成薄膜状时具有超导电性的金属元素有14种（如上图元素周期表中绿色 方框所示）
(1)元素超导体
常压下，已发现具有超导电性的金属元素有32种。其中过渡 元素占22种，如Ti，V，Zr，Nb，Mo，Ta，W，Re等。非过 渡族元素10种，如Bi，Al，Sn，Cd，Pb等。按临界温度高低 排列，铌居首位，临界温度为9.24K；其次是人造元素锝，临 界温度为7.8K；第三是铅，7.197K；第四是镧，6.00K。然后 是钒，5.4K；钽，4.47K；汞，4.15K；以下依次为锡、铟、 铊、铝。研究发现，在施以30Gpa的条件下，超导元素的最高 临界温度可达13K。 元素超导体除V，Nb，Ta以外均属于第一类超导体，很难实 用化。超导现象发现后，Onnes曾试验用铅丝绕制超导磁体， 但其临界电流、临界磁场均较小，无法实用。1950年前后， 研究者又采用纯铌线制作超导磁体，最终也宣告失败。
人类对能源的利用主要有三次大转换： 第一次是煤炭取代木材等成为主要能源； 第二次是石油取代煤炭而居主导地位； 第三次是20世纪后半叶开始出现的向多能源结构的过渡转换。
(3) 化合物超导体
超导化合物的超导临界参量均较高，是性能良好的强磁场超导 材料。但质脆，不易直接加工成线材或带材，需要采用特殊的 加工方法。目前能够实用的超导材料，如Nb—Ti合金、V3Ga 所产生的磁场均不超过20T。而其他材料，如Nb3Al和 Nb3(AlGe)等临界温度及上临界磁场均高于Nb3Sn，V3Ga。近 年来，日本采用熔体急冷法、激光和电子束辐照等新方法进行 试验，取得了重要进展。如用电子束和激光束辐照Nb3(AlGe)， 在4.2K，25T的磁场下，临界电流密度达到3×104A·cm-2。 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。
1. 低温超导材料
(1)元素超导体 (2) wenku.baidu.com金超导体
(3) 化合物超导材料
2. 高温超导材料
(1) 氧化物超导体 (2) 非氧化物超导体 (3) 非晶超导材料
(4) 复合超导材料 (5) 重费米子超导体 (6) 有机超导材料
二、超导材料的性能
1. 低温超导材料 这种材料的超导转变温度较低，大约在30K以下。
材料化学
1 7.1 超导材料 2 7.2 能源转换与储能材料 3 7.3 生物材料 4 7.4信息功能材料
第七章
新型功能材料
7.1 超导材料
1911年，荷兰物理学家Onnes在研究水银低温电阻时首 先发现了超导现象。后来又陆续发现一些金属、合金和化合 物在低温时电阻也变为零，即具有超导现象。物质在超低温 下，失去电阻的性质称为超导电性；相应的具有这种性质的 物质就称为超导体。超导体在电阻消失前的状态称为常导状 态；电阻消失后的状态称为超导状态。
超导射频滤波器
高能量粒子超导加速器及碰撞器
③ 用超导体产生的磁场来研究生物体内的结构及用于对人的 各种复杂疾病的治疗。
头部及足部MRI 影像图
心 脏 血 管 检 查 影 像 图
2. 高温超导材料 这种材料大多具有较高的临界转变温度，超过了77K，可
在液氮的温度下工作。它们大多为氧化物陶瓷，首先开发的氧