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1、第二章第二章 超导材料超导材料第一节第一节 超导现象及超导材料的基本性质超导现象及超导材料的基本性质第二节第二节 超导体的理论基础和微观机制超导体的理论基础和微观机制第三节第三节 超导材料的种类及其性能超导材料的种类及其性能第四节第四节 超导材料的应用超导材料的应用内容：内容：19111911年，荷兰物理学家昂纳斯发现汞的直年，荷兰物理学家昂纳斯发现汞的直年，荷兰物理学家昂纳斯发现汞的直年，荷兰物理学家昂纳斯发现汞的直流电阻在流电阻在流电阻在流电阻在4.2K4.2K时突然消失，首次观察到超时突然消失，首次观察到超时突然消失，首次观察到超时突然消失，首次观察到超导电性。导电性。导电性。导电性。第
2、一节第一节 超导现象及超导材料的基本性质超导现象及超导材料的基本性质超导材料超导材料一、超导体的基本物理现象一、超导体的基本物理现象（1 1）零电阻效应）零电阻效应图图2.1电阻率电阻率与温度与温度T的关系的关系1纯金属晶体纯金属晶体2含杂质和缺陷的金属晶体含杂质和缺陷的金属晶体3超导体超导体正常态正常态温度温度高于高于Tc的状态；的状态；超导态超导态温度温度低于低于Tc的状态。的状态。如果将这种导线做如果将这种导线做成闭合电路，电流就可成闭合电路，电流就可以永无休止地流动下去。以永无休止地流动下去。确实也有人做了：将一确实也有人做了：将一个铅环冷却到个铅环冷却到7.25K以以下，用磁铁在铅环
3、中感下，用磁铁在铅环中感应出几百安培的电流，应出几百安培的电流，从从1954年年3月月16日直到日直到1956年年9月月5日，铅环中日，铅环中的电流不停流动，数值的电流不停流动，数值也没有变化。也没有变化。超导体中有电流而没有电阻，说明超导超导体中有电流而没有电阻，说明超导体是等电位的，超导体内没有电场。体是等电位的，超导体内没有电场。Onnes由于在超导方面的卓越贡献，获由于在超导方面的卓越贡献，获得了得了1913年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。注：无论哪一种超导体，只有当温度降注：无论哪一种超导体，只有当温度降低到一定数值时，才会发生超导现象。从正低到一定数值时，才会发生超导现象。从正
4、常电阻转变为零电阻的温度称为超导临界温常电阻转变为零电阻的温度称为超导临界温度度Tc。我国目前我国目前15的电能损耗在输电线路上，达的电能损耗在输电线路上，达900多亿千瓦时多亿千瓦时。将将超导电缆超导电缆放在绝缘、绝热的冷却管里，管放在绝缘、绝热的冷却管里，管里盛放冷却介质，如里盛放冷却介质，如液氦液氦等，保证整条输电线路等，保证整条输电线路都在超导状态下运行。这样的超导输电电缆比普都在超导状态下运行。这样的超导输电电缆比普通的地下电缆通的地下电缆容量大容量大25倍倍，可以传输可以传输几万安培的几万安培的电流电流，电能消耗仅为所输送电能的电能消耗仅为所输送电能的万分之几万分之几。超导电缆超导
5、电缆我国第一组超导电缆并网运行我国第一组超导电缆并网运行输电能力增数倍输电能力增数倍荆楚网消息（楚天金报）据新华社电荆楚网消息（楚天金报）据新华社电由国产超导线材制造的我国第一组超导由国产超导线材制造的我国第一组超导电缆，电缆，10日在昆明正式并网运行，昆明西北地区的几万户居民和多个工业企业开日在昆明正式并网运行，昆明西北地区的几万户居民和多个工业企业开始用上了通过超导电缆传输的电力。这标志着继美国、丹麦之后，我国成为世界始用上了通过超导电缆传输的电力。这标志着继美国、丹麦之后，我国成为世界上第三个将超导电缆投入电网运行的国家。上第三个将超导电缆投入电网运行的国家。据悉，这组超导电缆于据悉，这
6、组超导电缆于4月月19日在昆明普吉变电站投入运行，两个多月来经受日在昆明普吉变电站投入运行，两个多月来经受了多种气象条件的考验，运行状态良好，其部分性能指标优于目前已并网运行的了多种气象条件的考验，运行状态良好，其部分性能指标优于目前已并网运行的美国和丹麦的高温超导电缆。使用超导电缆传输电力，运行总损耗仅为常规电缆美国和丹麦的高温超导电缆。使用超导电缆传输电力，运行总损耗仅为常规电缆的的50%至至60%，传输电力的能力是传统常规电缆的，传输电力的能力是传统常规电缆的3至至5倍。所以使用超导电缆还倍。所以使用超导电缆还可以节约输电系统的占地面积和空间，节省大量宝贵的土地资源。可以节约输电系统的占
7、地面积和空间，节省大量宝贵的土地资源。该超导电缆的并网运行，表明我国在该领域的技术趋于成熟。超导电缆有利于该超导电缆的并网运行，表明我国在该领域的技术趋于成熟。超导电缆有利于提高我国电网的安全性和可靠性。其长距离大容量输电的优势，将为我国提高我国电网的安全性和可靠性。其长距离大容量输电的优势，将为我国“西电西电东送东送”提供支持。提供支持。世界第一个高温超导输电系统部署完成世界第一个高温超导输电系统部署完成2008年7月2号，美国超导公司正式在一个商业电网中部署了世界上第一个高温超导输电系统。超导体能够快速、高效并且轻松地传输大量电力。相比同样粗细的铜导线，他们的输电能力高达150倍，但因为技
8、术困难，超导体输电的商业应用发展缓慢。上周部署的这个系统收到了美国能源部的资助，是长岛电力局电网的一部分，由三根138千伏的电缆组成。它于2008年4月开始通电，在满负荷运转时能够满足30万户家庭的用电需求。然而要在电网中用超导体完全取代铜导线，目前仍然有一些技术障碍，最关键的问题是费用。现在在长岛运行的第一代电缆十分昂贵，因为它们都镀上了一层银。第二代镀铜导线能够省下五分之四的费用，但才刚刚进入实验阶段。然而要在电网中用超导体完全取代铜导线，目前仍然有一些然而要在电网中用超导体完全取代铜导线，目前仍然有一些技术技术障碍，最障碍，最关键的问题是费用。现在在长岛运行的第一代电缆十分昂贵，因为它们
9、都关键的问题是费用。现在在长岛运行的第一代电缆十分昂贵，因为它们都镀上了一层银。第二代镀铜导线能够省下五分之四的费用，但才刚刚进入镀上了一层银。第二代镀铜导线能够省下五分之四的费用，但才刚刚进入实验阶段。实验阶段。美国超导公司美国超导公司CEOGregYurek声称在长期看来，超导体传输电缆的费声称在长期看来，超导体传输电缆的费用将会低于增加新的地上铜电缆。埋在地下的一条超导电缆就能够代替一用将会低于增加新的地上铜电缆。埋在地下的一条超导电缆就能够代替一套架在空中的传统铜电缆，长岛的超导电缆是通过一条宽一米左右的通道套架在空中的传统铜电缆，长岛的超导电缆是通过一条宽一米左右的通道进入地下的。进
10、入地下的。超导电缆的另一部分费是用来将它们保持在一个很低的温度的，所谓超导电缆的另一部分费是用来将它们保持在一个很低的温度的，所谓的高温超导电缆，实际上运行在的高温超导电缆，实际上运行在65至至75开尔文之间（大概开尔文之间（大概-210摄氏度到摄氏度到-200摄氏度），已经是对之前几开尔文的温度下传统超导体的突破。而这摄氏度），已经是对之前几开尔文的温度下传统超导体的突破。而这些超导体是通过液态氮来维持低温的。些超导体是通过液态氮来维持低温的。美国超导公司希望使公用事业部门相信他们的美国超导公司希望使公用事业部门相信他们的技术技术就是电力输送的未就是电力输送的未来方向。来方向。除了除了经济经
11、济性，该公司宣传的另一个优点是这种电缆能够防止由电网短性，该公司宣传的另一个优点是这种电缆能够防止由电网短路造成的故障电流。超导体有一种天生的电流限制能力，一旦电流增强到路造成的故障电流。超导体有一种天生的电流限制能力，一旦电流增强到一定程度，它们就会失去超导性而变得像普通导体一样有电阻，使电流衰一定程度，它们就会失去超导性而变得像普通导体一样有电阻，使电流衰减。减。美国超导公司现在正在联合爱迪生公司合作开发纽约的超导输电故障美国超导公司现在正在联合爱迪生公司合作开发纽约的超导输电故障电流限制系统，预计电流限制系统，预计2010年进入运行，美国国土安全部为该项目提供了补年进入运行，美国国土安全
12、部为该项目提供了补助。助。图：细小的超导体（右）与常规的铜导线（左）图：细小的超导体（右）与常规的铜导线（左）制制造造超超导导通通信信电电缆缆。人人们们对对通通信信电电缆缆的的主主要要要要求求是是信信号号传传递递准准确确、迅迅速速、容容量量大大、重重量量轻轻，超超导导通通信信电电缆缆正正好好能能满满足足上上述述要要求求。因因为为超超导导通通信信电电缆缆的的电电阻阻接接近近于于零零，允允许许用用较较小小截截面面的的电电缆缆进进行行话话路路更更多多的的通通信信，因因此此节节约约材材料料，降降低低电电缆缆自自重重。更更重重要要的的是是超超导导通通信信电电缆缆基基本本上上没没有有信信号号的的衰衰减减，
13、不不论论距距离离远远近近，接接收收方方都都能能准准确确无无误误地地收收到到发发出出方方发发出出的的信信号号，所所以以在在线线路路上上不不必必增增设设中中间间放放大大器器，就就能能进进行行远远距距离通信。离通信。超导材料超导材料（2 2）迈斯纳效应（完全抗磁性）迈斯纳效应（完全抗磁性）只要超导体材料的温度低于临界温度而进入超只要超导体材料的温度低于临界温度而进入超导态后，超导材料就会将磁力线完全排斥于体外，导态后，超导材料就会将磁力线完全排斥于体外，因此，其体积内的磁感应强度总为零，这种现象因此，其体积内的磁感应强度总为零，这种现象称为称为“迈斯纳效应迈斯纳效应”图图2.2迈斯纳效应迈斯纳效应第
14、一节第一节 超导现象及超导材料的基本性质超导现象及超导材料的基本性质不论在进入超导态之前金属体内有没有不论在进入超导态之前金属体内有没有磁感应线，当它进入超导态后，只要外磁感应线，当它进入超导态后，只要外磁场磁场|B0|小于临界磁场小于临界磁场Bc，超导体内磁超导体内磁感应强度总是等于零，即感应强度总是等于零，即B=B0+0M=0由此求得金属在超导电状态的磁化率为由此求得金属在超导电状态的磁化率为=0M/B0=-1由此可见，超导体是一个由此可见，超导体是一个“完全的逆磁完全的逆磁体体”。超导态是一个热力学平衡的状态，。超导态是一个热力学平衡的状态，同怎样进入超导态的途径无关。同怎样进入超导态的
15、途径无关。超导材料超导材料二、超导体的临界参数二、超导体的临界参数1 1、临界温度、临界温度Tc图图2.3超导转变温度展宽示意图超导转变温度展宽示意图（1）起始转变温度）起始转变温度Tc(onset)（2）零电阻温度）零电阻温度Tc(n=0)（3）转变温度宽）转变温度宽Tc（4）中间临界温度宽）中间临界温度宽Tc(mid)第一节第一节 超导现象及超导材料的基本性质超导现象及超导材料的基本性质超导材料超导材料2 2、临界磁场、临界磁场H Hc c 3 3、临界电流、临界电流I Ic c 4 4、三个临界参数的关系、三个临界参数的关系图图2.4三个临界参数的关系三个临界参数的关系第一节第一节 超导
16、现象及超导材料的基本性质超导现象及超导材料的基本性质超导材料超导材料三、两类超导体的基本特征三、两类超导体的基本特征1 1、第一类超导体、第一类超导体图图2.5第一类超导体的磁化曲线第一类超导体的磁化曲线Hc和和Ic很低，几乎没有很低，几乎没有实用的可能性实用的可能性第一节第一节 超导现象及超导材料的基本性质超导现象及超导材料的基本性质超导材料超导材料2 2、第二类超导体、第二类超导体图图2.6第二类超导体的第二类超导体的M-H曲线曲线第一节第一节 超导现象及超导材料的基本性质超导现象及超导材料的基本性质超导材料超导材料图图2.7磁通线的三角形点阵排列磁通线的三角形点阵排列第一节第一节 超导现
17、象及超导材料的基本性质超导现象及超导材料的基本性质第二节第二节 超导电性的理论基础和微观机制超导电性的理论基础和微观机制超导材料超导材料一、唯象理论一、唯象理论1 1、超导体的热力学理论、超导体的热力学理论二流体模型二流体模型（1 1）超导体的热力学性质）超导体的热力学性质 超导体由常态转变为超导态时超导体由常态转变为超导态时 样品发生了一定的样品发生了一定的有序化有序化 比热容发生了突变，电子热比热容发生了突变，电子热容发生了容发生了C C的变化的变化熵减小熵减小 形成某种额外的的形成某种额外的的电子有序电子有序（2 2）二流体模型：）二流体模型：包括以下三个假设：包括以下三个假设：超导材料
18、超导材料(a)a)超导体超导态时，传导电子分为两部分，一部分叫超导体超导态时，传导电子分为两部分，一部分叫常导电子，另一部分叫超流电子，两种电子占据同一常导电子，另一部分叫超流电子，两种电子占据同一体积，彼此独立运动，在空间上互相渗透；体积，彼此独立运动，在空间上互相渗透；(b)b)常导电子的导电规律和常规导体一样，受晶格振常导电子的导电规律和常规导体一样，受晶格振动而散射，因而产生电阻，对热力学熵有贡献。动而散射，因而产生电阻，对热力学熵有贡献。(c)c)超流电子处于某种凝聚状态，即凝聚到某一低能超流电子处于某种凝聚状态，即凝聚到某一低能态，所以超导态是比正常态更加有序的状态。超导态，所以超
19、导态是比正常态更加有序的状态。超导中的电子不受晶格散射，又因为超导态是低能量状中的电子不受晶格散射，又因为超导态是低能量状态，所以超流电子对熵没有贡献。态，所以超流电子对熵没有贡献。2 2、超导体的电磁理论、超导体的电磁理论伦敦方程伦敦方程第二节第二节 超导电性的理论基础和微观机制超导电性的理论基础和微观机制1935年，伦敦兄弟提出，超导电子产生年，伦敦兄弟提出，超导电子产生的电流密度为的电流密度为js+(nse*2/m*)A=0式中：超导电子的电荷为式中：超导电子的电荷为-e*，有效质有效质量为量为m*，浓度为浓度为ns，A为超导电子运动为超导电子运动的矢势的矢势。利用伦敦方程可以得到利用伦
20、敦方程可以得到穿透深度穿透深度 L=（m*/0 nse*2）1/2对于大多数超导电性的金属元素，穿透对于大多数超导电性的金属元素，穿透深度约为深度约为10-810-7米。米。第二节第二节 超导电性的理论基础和微观机制超导电性的理论基础和微观机制超导材料超导材料穿透深度的变化实际上说明超导电流的穿透深度的变化实际上说明超导电流的电子数电子数ns并不是固定的，在接近并不是固定的，在接近0K时最时最大，随温度增加而减小，到转变温度时，大，随温度增加而减小，到转变温度时，ns减小到减小到0。由于在表层流动的超导电流对外磁场起由于在表层流动的超导电流对外磁场起屏蔽作用，才使超导体具有完全的逆磁屏蔽作用，
21、才使超导体具有完全的逆磁性。通常将表层的超导电流称为逆磁电性。通常将表层的超导电流称为逆磁电流或屏蔽电流。流或屏蔽电流。第二节第二节 超导电性的理论基础和微观机制超导电性的理论基础和微观机制超导材料超导材料临界温度临界温度Tc依赖于同位素质量的现象。当依赖于同位素质量的现象。当M时，时，Tc应趋于零，没有超导电性。应趋于零，没有超导电性。当原子质量当原子质量M趋于无限大时，晶格原子就不可趋于无限大时，晶格原子就不可能运动，当然不会有晶格振动了，能运动，当然不会有晶格振动了，由此可知：电子由此可知：电子-晶格振动的相互作用是超导晶格振动的相互作用是超导电性的根源。电性的根源。第二节第二节 超导电
22、性的理论基础和微观机制超导电性的理论基础和微观机制超导材料超导材料二、超导的微观图像与机制二、超导的微观图像与机制1 1、同位素效应、同位素效应超导材料超导材料2 2、电子声子相互作用、电子声子相互作用图图2.8电子使离子产生位移，电子使离子产生位移，从而吸引其它电子从而吸引其它电子第二节第二节 超导电性的理论基础和微观机制超导电性的理论基础和微观机制晶体中电子是处于晶体中电子是处于正离子组成的晶格正离子组成的晶格环境中，带负电荷环境中，带负电荷的电子吸引正离子的电子吸引正离子向它靠拢；于是在向它靠拢；于是在电子周围又形成正电子周围又形成正电荷聚集的区域，电荷聚集的区域，它又吸引附近的电它又吸
23、引附近的电子。子。电子间通过交换声电子间通过交换声子能够产生吸引作子能够产生吸引作用。用。当电子间有净的吸引作用时，费密面附当电子间有净的吸引作用时，费密面附近的两个电子将形成束缚的电子对的状近的两个电子将形成束缚的电子对的状态，它的能量比两个独立的电子的总能态，它的能量比两个独立的电子的总能量低，这种电子对状态称为量低，这种电子对状态称为库柏对库柏对。考虑到电子的自旋，最佳的配对方式是考虑到电子的自旋，最佳的配对方式是动量相反同时自旋相反的两个电子组成动量相反同时自旋相反的两个电子组成库柏对。库柏对。第二节第二节 超导电性的理论基础和微观机制超导电性的理论基础和微观机制超导材料超导材料3 3
24、、库柏（、库柏（Cooper)Cooper)电子对电子对第二节第二节 超导电性的理论基础和微观机制超导电性的理论基础和微观机制超导材料超导材料库柏对之间通过交换声子耦合在一起，拆库柏对之间通过交换声子耦合在一起，拆散一个库柏对，产生两个正常态电子需要散一个库柏对，产生两个正常态电子需要外界提供能量外界提供能量。库柏对吸收能量变成两个库柏对吸收能量变成两个独立的正常电子的过程称为独立的正常电子的过程称为准粒子激发准粒子激发。由于受热激发，有一些由于受热激发，有一些库柏对被拆开成为库柏对被拆开成为正常电子，这样就使得超导体内有两种载正常电子，这样就使得超导体内有两种载流子：流子：超导电子超导电子和
25、被激发到能隙之上单粒和被激发到能隙之上单粒子态中的子态中的正常正常电子电子。这正赋予了二流体模。这正赋予了二流体模型新的意义。型新的意义。在常温下，金属原子失去外层电子成为正离在常温下，金属原子失去外层电子成为正离子规则排列在晶格的结点上作微小振动。自由电子规则排列在晶格的结点上作微小振动。自由电子无序地充满在正离子周围。在电压作用下，自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。中受到的阻碍称为电阻。当超导临界温度以下时，自由电子将不再完当超导临界温度以下时，自由电子将不再完全无序地全无序
26、地“单独行动单独行动”，由于晶格的振动，会形，由于晶格的振动，会形成成“电子对电子对”（即（即“库珀电子对库珀电子对”）。温度愈低，）。温度愈低，结成的电子对愈多，电子对的结合愈牢固，不同结成的电子对愈多，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，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这种有秩序的电子对按一定方向畅通无阻地流动起来。如下图：起来。如下图：可以这样简单地理解：可以这样简单地理解：当温度升高后，电子对因受热运动当温度升高后，电子对因受热运动的影响而遭到破坏，就失去了超导性。的影响而遭到破坏，就失去了超导性。以
27、上就是由以上就是由J J BardeenBardeen、L L N N CooperCooper、J R J R SchriefferSchrieffer在在19571957年提年提出的著名的出的著名的BCSBCS理论，它表现了目前许理论，它表现了目前许多科学家对超导现象的理解，但这并多科学家对超导现象的理解，但这并不是最终答案，高温超导体的发现又不是最终答案，高温超导体的发现又需要人们进一步探索超导的奥秘。需要人们进一步探索超导的奥秘。Bardeen,Cooper,SchriefferTheory(1957)超导材料超导材料4 4、超导能隙、超导能隙图图2.9绝对零度下的电子能谱绝对零度下的
28、电子能谱第二节第二节 超导电性的理论基础和微观机制超导电性的理论基础和微观机制超导体能隙作为温度的函数超导体能隙作为温度的函数超导材料超导材料5 5、BCSBCS超导微观理论超导微观理论核心核心：（1）电子间的相互作用形成的库柏电子对会导致能）电子间的相互作用形成的库柏电子对会导致能隙存在。超导体临界场、热学性质及大多数电磁性质隙存在。超导体临界场、热学性质及大多数电磁性质都是这种电子配对的结果都是这种电子配对的结果（2）元素或合金的超导转变温度与费米面附近电子）元素或合金的超导转变温度与费米面附近电子能态密度能态密度N（EF）和电子声子相互作用能和电子声子相互作用能U有关。有关。第二节第二节
29、 超导电性的理论基础和微观机制超导电性的理论基础和微观机制隧隧道道效效应应：在微观世界中，电子具有穿过比其自身能量还要高的势垒的本领的量子效应。当然，穿透几率随势垒的高度和宽度的增加而迅速减小。如果在两块Al之间夹入一层很薄的势垒（绝缘层为Al2O3，厚度约10-10m），当在两块Al之间加上电势差后，就有电流流过绝缘层，这就是正常金属的隧道效应。三、超导隧道效应三、超导隧道效应经典经典量子量子隧道隧道效应效应UEUEU如果其中的Al进入超导态，就称为约约瑟夫森结（下图）瑟夫森结（下图）。1962年，剑桥大学的博士后约瑟夫森（BDJosephson）理论计算表明，当绝缘层小于1.5210-9m
30、时，除了前面所述的正常电子的隧道电流外，还会出现一种与库珀电子对相联系的隧道电流，而且库珀电子对穿越势垒后，仍仍保保持持其其配配对对的的形形式式。这种不同于单电子隧道效应的新现象，称为约瑟夫森效应。约瑟夫森效应。约瑟夫森结约瑟夫森结超导体超导体 通通过过计计算算表表明明，当当绝绝缘缘层层小小于于1.52um时时，除除了了前前面面所所述述的的正正常常电电子子的的隧隧道道电电流流外外，还还会会出出现现一一种种与与库库珀珀电电子子对对相相联联系系的的隧隧道道电电流流，而而且且库库珀珀电电子子对对穿穿越越势势垒垒后后，仍仍保保持持其其配配对对的的形形式式。这这种种不不同同于于单单电电子子隧隧道道效效应
31、应的的新新现现象象，称称为为约约瑟瑟夫夫森效应。森效应。超导材料超导材料图图2.10正常金属正常金属N、绝缘层绝缘层I和超导体和超导体S组成的结组成的结第二节第二节 超导电性的理论基础和微观机制超导电性的理论基础和微观机制超导材料超导材料图图2.11不同情形下的电流电压曲线不同情形下的电流电压曲线a-被氧化层隔开的正常金属结的电流电压关系被氧化层隔开的正常金属结的电流电压关系b-被氧化层隔开的正常金属与超导体结的电流电压关系被氧化层隔开的正常金属与超导体结的电流电压关系第二节第二节 超导电性的理论基础和微观机制超导电性的理论基础和微观机制超导约瑟夫森元件示意图超导约瑟夫森元件示意图第二节第二节
32、 超导电性的理论基础和微观机制超导电性的理论基础和微观机制超导材料超导材料超导量子干涉器（超导量子干涉器（SQUIDSQUID）和它的和它的生医应用生医应用流极大；为磁通量子的半整数倍半整数倍时，电流极小。由于磁通量子值很小，而且明显地和电流有关，所以可以用该设备测量弱磁场和弱电流弱磁场和弱电流。两个约瑟夫森结用超导通路并联起来，构成超导量子干涉器。通过这一器件的总电流决定于穿过总电流决定于穿过环路的磁通量环路的磁通量：磁通量为磁通量子的整数倍整数倍时，电人体中不仅存在着生物电，也存在着生物磁生物磁。超导量子干涉器优点：（1）非非接接触触测测量量。可监视人体内的直流电效应（在人体直流电压测量中
33、常常被接触电势和表面电势接触电势和表面电势所掩盖）；（2）给出某些电测量无法给出的人体内部信息。人体内部组织有了损伤，就会产生损伤电流损伤电流，可用体外磁场测定；（3）还可以探测与人体电位无关的磁性变化，而提供更多的医疗信息。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（10101013特特斯斯拉拉），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磁强强计计，可以探测到1015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心磁图，打开了生物磁的窗口。使用磁强计可以不取肝样而准确地测量肝中含铁浓度。对脑神
34、经磁场的研究能探测脑瘤的存在。已经发现近已经发现近30种单质和几千种合金及化合物具有超导现象。种单质和几千种合金及化合物具有超导现象。但绝大多数超导材料的临界温度是难以达到的超低温，限制了超但绝大多数超导材料的临界温度是难以达到的超低温，限制了超导材料的应用。因此，超导材料的发展过程很大程度上就是研制导材料的应用。因此，超导材料的发展过程很大程度上就是研制高温超导体的过程。高温超导体的过程。1986年年,德国科学家柏诺兹德国科学家柏诺兹GeorgBednorz和和瑞士科学家瑞士科学家弥勒弥勒AlexMller发现了第一个钡镧铜氧化物高温超导体发现了第一个钡镧铜氧化物高温超导体,（La1.85B
35、a0.15CuO4La1.85Ba0.15CuO4，其转变温度其转变温度“高达高达”35”35K K！）使超导转变）使超导转变温度提升到了液氮温区温度提升到了液氮温区,从而为超导研究带来了一场新的革命。从而为超导研究带来了一场新的革命。高温超导（非常规超导）的发现立即激起了全世界科学家的强烈高温超导（非常规超导）的发现立即激起了全世界科学家的强烈兴趣。兴趣。他们于他们于19881988年获得了诺贝尔物理奖（大概是历史上，从作年获得了诺贝尔物理奖（大概是历史上，从作出工作到获得奖之间隔最短的。从而也引发了许多争论）。出工作到获得奖之间隔最短的。从而也引发了许多争论）。在紧接下来的几年在紧接下来的
36、几年,不同的高温超导体系相继被发现不同的高温超导体系相继被发现,超超导温度也迅速攀升至导温度也迅速攀升至160K(0oC=273.15K)。然而不幸的是高温然而不幸的是高温超导的机理至今仍然是一个谜。超导的机理至今仍然是一个谜。第三节第三节 超导材料的种类及其性能超导材料的种类及其性能Mller&BednorzHighTemperatureSuperconductors(1986)0K:Allmotionceases100oC=373K0oC=273K-145oC=138K“High”TemperatureSuperconductors77KAir(Nitrogen)liquifies4KHe
37、liumliquifiesKelvinTemperatureScale第三节第三节 超导材料的种类及其性能超导材料的种类及其性能 在在l986l986年之前，由于当时己知的所有超导体都年之前，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要在液氯冷却的条件下才能“工作工作”，这些不利因，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此，关于如何提高材料的TcTc以及寻求高以及寻求高TcTc材料，一材料，一直是科学家们的研究课题。下图列出了人们探索提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。高超
38、导转变温度的历程。1986年年12月，中国科学院的赵忠贤研究组获得月，中国科学院的赵忠贤研究组获得了临界温度为了临界温度为48.6K的锶镧铜氧化物。（可能是最接的锶镧铜氧化物。（可能是最接近诺贝尔奖了）近诺贝尔奖了）1987年年2月，美籍华裔科学家、美国休斯顿大学月，美籍华裔科学家、美国休斯顿大学的朱经武教授获得了起始转变温度为的朱经武教授获得了起始转变温度为90K的高温超导的高温超导陶瓷。陶瓷。1987年年3月，中国科学院宣布发现了起始转变温月，中国科学院宣布发现了起始转变温度为度为93K的的8种钇钡铜氧化物。种钇钡铜氧化物。1988年，中国科学院发现了超导临界温度为年，中国科学院发现了超导
39、临界温度为120K的钛钡钙铜氧化物。的钛钡钙铜氧化物。这些成就显示了我国高温超导材料的研究已经这些成就显示了我国高温超导材料的研究已经处于国际前列。处于国际前列。第三节第三节 超导材料的种类及其性能超导材料的种类及其性能第三节第三节 超导材料的种类及其性能超导材料的种类及其性能 相对于氧化物高温超导体而言，元素、合金和化相对于氧化物高温超导体而言，元素、合金和化相对于氧化物高温超导体而言，元素、合金和化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合物超导体的超导转变温度较低合物超导体的超导转变温度较低合物超导体的超导转变温度较低(TcTcTcTc30K)30K)30K
40、)30K)，其超导其超导其超导其超导机理基本上能在机理基本上能在机理基本上能在机理基本上能在BCSBCSBCSBCS理论的框架内进行解释，因而通理论的框架内进行解释，因而通理论的框架内进行解释，因而通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。常又枝称为常规超导体或传统超导体。常又枝称为常规超导体或传统超导体。常又枝称为常规超导体或传统超导体。一、元素超导体一、元素超导体已发现的超导元素近已发现的超导元素近已发现的超导元素近已发现的超导元素近5050种，如下图所示。除一些元素种，如下图所示。除一些元素种，如下图所示。除一些元素种，如下图所示。除一些元素在常压及高压下具有超导电
41、性外，另部分元素在经过在常压及高压下具有超导电性外，另部分元素在经过在常压及高压下具有超导电性外，另部分元素在经过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持殊工艺处理持殊工艺处理持殊工艺处理(如制备成薄膜，电磁波辐照，离子注入如制备成薄膜，电磁波辐照，离子注入如制备成薄膜，电磁波辐照，离子注入如制备成薄膜，电磁波辐照，离子注入等等等等)后显示出超导电性。其中后显示出超导电性。其中后显示出超导电性。其中后显示出超导电性。其中NbNb的的的的TcTc最高最高最高最高(9.2K)(9.2K)，与一，与一，与一，与一些合金超导体相接近，而制备工艺要简单得多。些合金超导体相接近，而制备
42、工艺要简单得多。些合金超导体相接近，而制备工艺要简单得多。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周期表中的超导元素周期表中的超导元素周期表中的超导元素第三节第三节 超导材料的种类及其性能超导材料的种类及其性能超导材料超导材料表表2.1一些元素的超导转变温度一些元素的超导转变温度第三节第三节 超导材料的种类及其性能超导材料的种类及其性能 具有超导电性的合金及化合物多达几千种，真正具有超导电性的合金及化合物多达几千种，真正具有超导电性的合金及化合物多达几千种，真正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。下面给出了一些典型合金及能够实际应用的并不多。下面
43、给出了一些典型合金及能够实际应用的并不多。下面给出了一些典型合金及能够实际应用的并不多。下面给出了一些典型合金及化合物的化合物的化合物的化合物的TcTcTcTc(最大值最大值最大值最大值)。其中。其中。其中。其中A15A15A15A15超导体超导体超导体超导体NbNbNbNb3 3 3 3SnSnSnSn是是是是20202020世世世世纪纪纪纪50505050年代马梯阿斯年代马梯阿斯年代马梯阿斯年代马梯阿斯(B(B(B(BT T T TMatthias)Matthias)Matthias)Matthias)首次发现的。在首次发现的。在首次发现的。在首次发现的。在1986198619861986
44、年以前发现的超导体中，这类化合物中的年以前发现的超导体中，这类化合物中的年以前发现的超导体中，这类化合物中的年以前发现的超导体中，这类化合物中的TcTcTcTc居于居于居于居于领先地位，它们之中临界温度最高的是领先地位，它们之中临界温度最高的是领先地位，它们之中临界温度最高的是领先地位，它们之中临界温度最高的是NbNbNbNb3 3 3 3GeGeGeGe薄膜，为薄膜，为薄膜，为薄膜，为23.2K23.2K23.2K23.2K。此外，此外，此外，此外，c15c15c15c15超导体的临界温度约超导体的临界温度约超导体的临界温度约超导体的临界温度约l0Kl0Kl0Kl0K，上临界上临界上临界上临
45、界场场场场HcHcHcHc2 2 2 2(约约约约1.6101.6101.6101.6107 7 7 7A A A Am)m)m)m)高于超导合金高于超导合金高于超导合金高于超导合金NbTiNbTiNbTiNbTi，而在力学而在力学而在力学而在力学性质方面优于性质方面优于性质方面优于性质方面优于NbNbNbNb3 3 3 3SnSnSnSn，易于加工成型，中子辐照对它的易于加工成型，中子辐照对它的易于加工成型，中子辐照对它的易于加工成型，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电性影响较小，因而是目前受控热核反应用高场超导电性影响较小，因而是目前受控热核反应用高场超导电
46、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。超导磁体的理想材料。超导磁体的理想材料。超导磁体的理想材料。超导材料超导材料二、合金超导体二、合金超导体1 1、Nb-ZrNb-Zr合金合金 优点：优点：在高磁场下能够承受很大的超导临界电流，延性好，在高磁场下能够承受很大的超导临界电流，延性好，抗拉强度高，制作线圈工艺简单抗拉强度高，制作线圈工艺简单 缺点：缺点：覆铜较困难，需采用镀铜或埋入法，工艺麻烦，制覆铜较困难，需采用镀铜或埋入法，工艺麻烦，制造成本高；与铜的结合性能较差造成本高；与铜的结合性能较差2 2、Nb-TiNb-Ti合金合金 优点：优点：线材价格便宜，机械性能优良，易
47、于加工；并易于线材价格便宜，机械性能优良，易于加工；并易于通过压力加工在线上覆套铜层，获得良好的合金结合，提高通过压力加工在线上覆套铜层，获得良好的合金结合，提高热稳定性热稳定性缺点：缺点：不易轧制成扁线不易轧制成扁线第三节第三节 超导材料的种类及其性能超导材料的种类及其性能超导材料超导材料图图3.12Nb-Ti合金制造的典型工艺流程图合金制造的典型工艺流程图图图2.13Ni-Ti线的芯结构线的芯结构第三节第三节 超导材料的种类及其性能超导材料的种类及其性能超导材料超导材料3 3、三元合金三元合金Nb-Zr-Ti；Nb-Ti-Ta；Nb-Zr-Hf；V-Zr-Hf三、超导化合物三、超导化合物
48、超导化合物超导临界参数均较高，是性能良好的超导化合物超导临界参数均较高，是性能良好的强磁场超导材料强磁场超导材料,一般超过一般超过10T10T的超导磁体只能用化的超导磁体只能用化合物系超导材料。但化合物超导材料质脆，不易直合物系超导材料。但化合物超导材料质脆，不易直接加工成线材或带材。接加工成线材或带材。Nb Nb3 3Sn VSn V3 3GaGa第三节第三节 超导材料的种类及其性能超导材料的种类及其性能图图2.14复合法制备复合法制备Nb3SnV3Ga线材线材图图2.15Nb3Sn线的芯结构线的芯结构第三节第三节 超导材料的种类及其性能超导材料的种类及其性能超导材料超导材料第三节第三节 超
49、导材料的种类及其性能超导材料的种类及其性能四、非晶态超导体四、非晶态超导体非晶态超导材料主要包括非晶态简单金属及非晶态超导材料主要包括非晶态简单金属及其合金，和非晶态过渡金属及其合金，它们其合金，和非晶态过渡金属及其合金，它们具有高度均匀性，高强度、高耐磨、高耐腐具有高度均匀性，高强度、高耐磨、高耐腐蚀等优点蚀等优点非晶态超导体的临界转变温度比相应的晶态非晶态超导体的临界转变温度比相应的晶态超导体高。超导体高。高温超导体有着与传统超导体相同的超导特性，高温超导体有着与传统超导体相同的超导特性，高温超导体有着与传统超导体相同的超导特性，高温超导体有着与传统超导体相同的超导特性，即：零电阻有这些现
50、象的特性、迈斯纳效应、磁通即：零电阻有这些现象的特性、迈斯纳效应、磁通即：零电阻有这些现象的特性、迈斯纳效应、磁通即：零电阻有这些现象的特性、迈斯纳效应、磁通量子化和约瑟夫森效应。量子化和约瑟夫森效应。量子化和约瑟夫森效应。量子化和约瑟夫森效应。BCSBCSBCSBCS理论是目前能解释所理论是目前能解释所理论是目前能解释所理论是目前能解释所唯唯唯唯理论，但这并不意味高温超导体就是理论，但这并不意味高温超导体就是理论，但这并不意味高温超导体就是理论，但这并不意味高温超导体就是BCSBCSBCSBCS超导超导超导超导体。高温超导体的配对机理目前还不清楚。新型的体。高温超导体的配对机理目前还不清楚。