磁性材料与超导材料.pptx

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1、n 5000年前：天然磁石年前：天然磁石(Fe3O4)n 2300年年前前：天天然然磁磁石石，“司司南南”，指指南南仪仪 n 1086年：年：沈括沈括，梦溪笔谈梦溪笔谈，指南针，指南针 n 1119年：年：朱或朱或，萍洲可谈萍洲可谈，罗盘，航海，罗盘，航海 n 1405-1432年：年：郑和郑和，指南仪，航海，指南仪，航海 n 1488-1521年：年：哥伦布，伽马，麦哲伦哥伦布，伽马，麦哲伦，指南，指南 仪，航海发现仪，航海发现磁学发展史磁学发展史第1页/共139页u 十七世纪：英国，威廉十七世纪：英国，威廉.吉伯吉伯，磁体磁体 u 十八世纪：法国，库仑，十八世纪：法国，库仑，库仑定律库仑定

2、律 u 十九世纪十九世纪 1820年：丹麦，年：丹麦，奥斯特奥斯特，电流产生磁场，电流产生磁场 1831年：英国，年：英国，法拉第法拉第，电磁感应现象，电磁感应现象 1873年：英国，年：英国，麦克斯韦麦克斯韦，统一电磁理论，统一电磁理论 1899年：法国，年：法国，居里居里，居里温度，磁性转变，居里温度，磁性转变第2页/共139页u 二十世纪二十世纪 1905：法国，：法国，郎之万郎之万基于统计力学理论解释了基于统计力学理论解释了顺磁性随温度的变化。顺磁性随温度的变化。1907：法国，：法国，外斯外斯提出分子场理论，扩展了郎提出分子场理论，扩展了郎之万的理论。之万的理论。1921：奥地利，：

3、奥地利，泡利泡利提出玻尔磁子作为原子磁提出玻尔磁子作为原子磁矩的基本单位。美国，矩的基本单位。美国，康普顿康普顿提出电子也具有提出电子也具有自旋相应的磁矩。自旋相应的磁矩。第3页/共139页1928：英英国国，狄狄拉拉克克用用相相对对论论量量子子力力学学完完美美地地解解释释了了电电子子的的内内禀禀自自旋旋和和磁磁矩矩，并并与与德德国国物物理理学学家家海海森森伯伯一一起起证证明明了了静静电电起起源源的的交交换换力力的的存存在在，奠奠定了现代磁学的基础定了现代磁学的基础。1936：苏苏联联，郎郎道道完完成成了了巨巨著著“理理论论物物理理学学教教程程”，其其中中包包含含全全面面而而精精彩彩地地论论述

4、述现现代代电电磁磁学学和和铁铁磁学磁学的篇章。的篇章。1936-1948：法法国国，奈奈耳耳提提出出反反铁铁磁磁性性和和亚亚铁铁磁磁性性的概念和理论。的概念和理论。第4页/共139页1967：奥奥地地利利，斯斯奈奈特特在在量量子子磁磁学学的的指指导导下下发发现现了了磁磁能能积积空空前前高高的的稀稀土土磁磁体体(SmCo5)，从从而而揭揭开开了永磁材料发展的新篇章了永磁材料发展的新篇章。1974：第二代稀土永磁：第二代稀土永磁Sm2Co17问世。问世。1982：第三代稀土永磁：第三代稀土永磁Nd2Fe14B问世。问世。1990：原子间隙磁体：原子间隙磁体Sm-Fe-N问世。问世。1991：德德国

5、国，克克内内勒勒提提出出了了双双相相复复合合磁磁体体交交换换作作用的理论基础，用的理论基础，指出了纳米晶磁体的发展前景指出了纳米晶磁体的发展前景。第5页/共139页 磁性材料的分类磁性材料的分类 按化学组成分类按化学组成分类金属磁性材料、非金属金属磁性材料、非金属(铁氧体铁氧体)磁性磁性材料材料 按磁化率大小分类按磁化率大小分类顺磁性、反磁性、铁磁性、反铁磁顺磁性、反磁性、铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性性、亚铁磁性第6页/共139页 按功能分类按功能分类软磁材料、硬磁材料、半硬磁材料、矩软磁材料、硬磁材料、半硬磁材料、矩磁材料、旋磁材料、压磁材料、磁材料、旋磁材料、压磁材料、泡磁材料、泡磁材料、磁

6、光材料、磁记录材料磁光材料、磁记录材料 第7页/共139页 磁化强度磁化强度M宏观磁体由许多具有固有磁矩的原子宏观磁体由许多具有固有磁矩的原子组成。组成。当原子磁矩同向平行排列时，宏观磁当原子磁矩同向平行排列时，宏观磁体对外体对外显示显示的磁性最强。的磁性最强。当原子磁矩紊乱排列时，宏观磁体对当原子磁矩紊乱排列时，宏观磁体对外外不显示不显示磁性。磁性。第8页/共139页宏观磁体单位体积在某一方向宏观磁体单位体积在某一方向的磁矩称为磁化强度的磁矩称为磁化强度M：M=原子原子/V第9页/共139页 磁化率磁化率 及磁导率及磁导率 任何物质在外磁场作用下，除了任何物质在外磁场作用下，除了外外磁场磁场

7、H外，由于物质内部原子磁矩的有外，由于物质内部原子磁矩的有序排列，还要产生一个序排列，还要产生一个附加的磁场附加的磁场M。第10页/共139页在物质内部外磁场和附加磁场的总和在物质内部外磁场和附加磁场的总和称为称为磁感应强度磁感应强度B。B=o(H+M)o-真空磁导率真空磁导率 =M/H -磁化率磁化率 =B/H -磁导率磁导率 第11页/共139页 铁磁性物质铁磁性物质 具有极高的磁化具有极高的磁化率，磁化易达到饱和率，磁化易达到饱和的物质。的物质。如如Fe，Co，Ni，Gd等金属及其合金称等金属及其合金称为铁磁性物质。为铁磁性物质。磁矩的排列与磁性的关系磁矩的排列与磁性的关系 铁磁性铁磁性

8、 m=10-2 106磁磁场场 磁性的起源磁性的起源第12页/共139页 亚铁磁性物质亚铁磁性物质磁矩的排列与磁性的关系磁矩的排列与磁性的关系 亚铁磁性亚铁磁性 m=10-2 106磁磁场场 如铁氧体如铁氧体(M2+Fe23+O4)等，等，是一些复杂的金属化合物，是一些复杂的金属化合物，比铁磁体更常见。比铁磁体更常见。它们相邻原子的磁矩反向平它们相邻原子的磁矩反向平行，但彼此的强度不相等，行，但彼此的强度不相等，具有高磁化率和居里温度。具有高磁化率和居里温度。第13页/共139页 顺磁性物质顺磁性物质 存在未成对电子存在未成对电子 永久永久磁矩。磁矩。La，Pr，MnAl，FeSO47H2O，

9、Gd2O3；在居里温度以上的铁磁性在居里温度以上的铁磁性金属金属Fe,Co,Ni等。等。居里温度居里温度 由铁磁性或亚由铁磁性或亚铁磁性转变为顺磁性的临铁磁性转变为顺磁性的临界温度称为居里温度界温度称为居里温度(Tc)。顺磁性顺磁性 m=10-6 10-5磁磁场场 磁矩的排列与磁性的关系磁矩的排列与磁性的关系磁矩的排列与磁性的关系磁矩的排列与磁性的关系 第14页/共139页 反磁性物质反磁性物质 不存在不存在未成对电子未成对电子 没有永没有永久磁矩。惰性气体，不久磁矩。惰性气体，不含过渡元素的离子晶体，含过渡元素的离子晶体，共价化合物和所有的有共价化合物和所有的有机化合物，某些金属和机化合物，

10、某些金属和非金属。非金属。磁矩的排列与磁性的关系磁矩的排列与磁性的关系 反磁性反磁性 m=-10-5-10-6磁磁场场 第15页/共139页 反反铁铁磁磁性性物物质质 FeO，FeF3，NiF3，NiO，MnO，各各 种种锰锰盐盐以以及及部部分分铁铁氧氧体体ZnFe2O4等等，它它们们相相邻邻原原子子的的磁磁矩矩反反向向平平行行，而而且且彼彼此此的的强强度度相相等等，没没有有磁性。磁性。反铁磁性反铁磁性 m=10-2 10-5磁磁场场 磁矩的排列与磁性的关系磁矩的排列与磁性的关系 第16页/共139页第17页/共139页 磁性材料（按功能分）磁性材料（按功能分）第18页/共139页硬硬磁性材料

11、磁性材料 外磁场撤去后，不易去磁，具有外磁场撤去后，不易去磁，具有很强的剩磁很强的剩磁 应用：永磁体应用：永磁体软软磁性材料磁性材料 外磁场撤去后，容易去磁，外磁场撤去后，容易去磁，没有明显的剩磁没有明显的剩磁 应用：电磁铁应用：电磁铁第19页/共139页退磁退磁原来有磁性的物体，失去磁性的现象原来有磁性的物体，失去磁性的现象方法：方法：（1 1）高温）高温（2 2）剧烈振动）剧烈振动（3 3）逐渐减弱的交变磁场的作用）逐渐减弱的交变磁场的作用第20页/共139页稀土永磁材料稀土永磁材料钴钴基永磁材料基永磁材料铁铁基永磁材料基永磁材料:代表是代表是R-Fe-BR-Fe-B，如，如NdFeBNd

12、FeB1:51:5型型 R-CoR-Co，R R代表稀土，如：代表稀土，如：SmCoSmCo5 52:17型型R-Co，R代表稀土，如：代表稀土，如：Sm2Co17第21页/共139页下面下面重点介绍一下永磁重点介绍一下永磁 NdFeBNdFeB，其典型合金成份为，其典型合金成份为NdNd1515FeFe8 8B B7777 19831983年日本住友特种金属公司和美国年日本住友特种金属公司和美国GMGM公司几乎同时研制公司几乎同时研制出出NdFeBNdFeB合金。后来又用合金。后来又用CoCo替代部分替代部分FeFe，提高居里温度；用，提高居里温度；用DyDy或或TbTb取代部分取代部分Nd

13、 Nd，提高矫顽力，改善磁体的高温性能。这类，提高矫顽力，改善磁体的高温性能。这类稀土永磁材料的稀土永磁材料的性能特点是性能特点是：磁能积比非稀土永磁大磁能积比非稀土永磁大4 4倍以倍以上上,因此在相同磁能积条件下因此在相同磁能积条件下,使用稀土永磁可缩小体积使用稀土永磁可缩小体积,便于便于设备、仪表小型化、轻量化；设备、仪表小型化、轻量化；矫顽力是铁氧体的矫顽力是铁氧体的3-53-5倍倍,利用利用此性质可以制作较薄的磁体此性质可以制作较薄的磁体;剩磁与剩磁与AlNiCoAlNiCo相当相当,比铁氧体高比铁氧体高二倍。二倍。目前目前,稀土永磁的应用已遍及电动机械、电器仪表与电音稀土永磁的应用已

14、遍及电动机械、电器仪表与电音设备，如扬声器、传感器；磁轴承和强力磁选机；电子及离子设备，如扬声器、传感器；磁轴承和强力磁选机；电子及离子束控制装置，如磁控制管和粒子加速器；医疗保键，如核磁共束控制装置，如磁控制管和粒子加速器；医疗保键，如核磁共振层析仪、心脏起博器及磁疗设备等。整个西方世界产量的一振层析仪、心脏起博器及磁疗设备等。整个西方世界产量的一半用于硬盘驱动器用电机。半用于硬盘驱动器用电机。第22页/共139页（6 6）磁性功能材料磁性功能材料应用领域应用领域第23页/共139页第24页/共139页我国磁性材料的生产在国际上占有重要的地位我国磁性材料的生产在国际上占有重要的地位.其中其中

15、,永磁铁永磁铁氧体的产量达氧体的产量达111011104 4,居世界首位居世界首位;软磁铁氧体产量软磁铁氧体产量4104104 4,居世界前列居世界前列;稀土永磁产量稀土永磁产量43004300,居世界第二居世界第二.但是但是,目前我国生产的磁性材料基本上是低性能、低附加值目前我国生产的磁性材料基本上是低性能、低附加值材料材料,与发达国家存在较大的差距，产值与产量不相称与发达国家存在较大的差距，产值与产量不相称.我国磁性材料的产量与需求我国磁性材料的产量与需求第25页/共139页在在传传统统工工业业中中的应用的应用磁性材料磁性材料的应用的应用生生物物界界和和医医学学界的磁应用界的磁应用军军事事

16、领领域域的的磁磁应用应用考考古古天天文文地地址址采采矿矿界领域的磁应用界领域的磁应用第26页/共139页 磁盘存储磁盘存储 所谓磁存储就是以记录磁场方向的方式或磁场的有无来储存资料。所谓磁存储就是以记录磁场方向的方式或磁场的有无来储存资料。数据在磁片上以磁化的点来表示，数据在磁片上以磁化的点来表示，被磁化的点代表被磁化的点代表1 1，没有被磁化的点代表，没有被磁化的点代表0 0第27页/共139页电饭锅 日常使用的电饭锅利用了磁性材料的居里点的特性。在电饭锅的底部中央装了一块磁铁和一块居里点为105的磁性材料。当锅里的水分干了以后，食品的温度将从100度上升。当温度到达大约105度时，由于被磁

17、铁吸住的磁性材料的磁性消失，磁铁就对它失去了吸力，这时磁铁和磁性材料之间的弹簧就会把它们分开，同时带动电源开关被断开，停止加热。第28页/共139页电磁炉电磁炉 电磁炉的内部有一个金属线圈，当电流通过线圈时，会产生磁场。这电磁炉的内部有一个金属线圈，当电流通过线圈时，会产生磁场。这一随时间变化的磁场导致在金属煲内产生一感应电场。金属煲内的电子受一随时间变化的磁场导致在金属煲内产生一感应电场。金属煲内的电子受电场影响进行运动。由于有电阻，电子运动时会放出大量热能，这些热能电场影响进行运动。由于有电阻，电子运动时会放出大量热能，这些热能便可用作煮食。便可用作煮食。金属煲的电阻必须足够大，才能产生足

18、够的热量，所以一般只能选用金属煲的电阻必须足够大，才能产生足够的热量，所以一般只能选用铁和不锈钢煲，铜煲就不大可能，更不能用玻璃、陶瓷、塑料等。铁和不锈钢煲，铜煲就不大可能，更不能用玻璃、陶瓷、塑料等。特点：直接发热，热效率高达90%炉面无明火，无烟无废气 电磁火力强劲，安全可靠第29页/共139页传统传统工业工业第30页/共139页在在医医学学上上，利利用用核核磁磁共共振振可可以以诊诊断断人人体体异异常常组组织织，判判断断疾疾病病，这这就就是是我我们们比比较熟悉的核磁共振成像。较熟悉的核磁共振成像。利利用用磁磁性性纳纳米米材材料料表表面面功功能能基基团团与与可可识识别别病病兆兆的的功功能能分

19、分子子进进行行耦耦联联，是是实实现现磁磁性性纳纳米米晶晶体体在在疾疾病病鉴鉴别别诊诊断断中中应应用的最可行的手段之一。用的最可行的手段之一。生物生物医学医学第31页/共139页电电磁磁炮炮是是把把炮炮弹弹放放在在螺螺线线管管中中，螺螺线线管管产产生生的的磁磁场场对对炮炮弹弹将将产产生生巨巨大大的的推推动动力力将将炮炮弹弹射射出出的的一一种种新新型型武武器器“电电磁磁式式武武器器”。类类似似的的还还有有电电磁导弹等磁导弹等。军事军事领域领域第32页/共139页磁性是从宇宙天体到基本粒子普存的学科磁性是从宇宙天体到基本粒子普存的学科地球磁场地球磁场地球就是一块巨大的磁铁，它的地球就是一块巨大的磁铁

20、，它的N N极在极在地理的南极附近，而地理的南极附近，而S S极在地理的北极极在地理的北极附近附近.第33页/共139页北北极极光光是是太太阳阳风风中中的的粒粒子子（高高能能带带电电粒粒子子流流）和和地地磁磁场场相相互互作作用用的的结结果果。当当它它们们到到达达地地球球时时，与与地地磁磁场场发发生生相相互互作作用用，使使得得这这些些粒粒子子向向南南北北极极运运动动和和聚聚集集，并并且且和和地地球球高高空空的的稀稀薄薄气气体体相相碰碰撞撞，结结果果使使气气体体分分子子受受激发，从而发光。激发，从而发光。第34页/共139页太太阳阳黑黑子子是是太太阳阳上上磁磁场场活活动动非非常常剧剧烈烈的的区区域

21、域。太太阳阳黑黑子子的的爆爆发发对对我我们们的的生生活活会会产产生生影影响响，例例如如使使得得无无线线电电通通信信暂暂时时中中断断等等。因因此此，研研究究太太阳阳黑黑子子对我们有重要意义。对我们有重要意义。第35页/共139页磁悬浮列车 上海上海磁磁悬浮列车悬浮列车 平均时速平均时速300300公里公里/小时，最高时速小时，最高时速430430公里公里/小时小时第36页/共139页 磁悬浮列车是运用磁铁“同性相斥，异性相吸”的性质，使磁铁具有抗拒地心引力的能力，使列车完全脱离轨道而悬浮行驶，成为“无轮”列车。磁悬浮列车也有两种相应的形式：一种是电磁型，也称吸力型、常导型。另一种是电动型，也称斥

22、力型、超导型。磁悬浮列车原理磁悬浮列车原理 两种磁悬浮列车系统的结构示意图：(a)电磁型；(b)电动型 第37页/共139页磁制冷冰箱磁制冷冰箱磁制冷是一种以磁性材料磁制冷是一种以磁性材料为工质的制冷技术为工质的制冷技术，基本，基本原理是借助磁制冷材料的原理是借助磁制冷材料的磁热效应即磁制冷材料等磁热效应即磁制冷材料等温磁化时向外界放出热量，温磁化时向外界放出热量，而等温退磁时从外界吸取而等温退磁时从外界吸取热量，以达到制冷目的热量，以达到制冷目的 第38页/共139页第二节超导材料第二节超导材料超导材料是一种超导材料是一种没有电阻没有电阻的材料，既的材料，既能能节约能量节约能量，减少电能因电

23、阻而消耗的能，减少电能因电阻而消耗的能量，还能把量，还能把电流储存电流储存起来，供急需时使用。起来，供急需时使用。第39页/共139页自从世界上以自从世界上以电力电力电力电力作为作为主要动力主要动力主要动力主要动力以来，就遇以来，就遇到两个令人头痛的到两个令人头痛的问题问题问题问题：、是在输送电流时，不少、是在输送电流时，不少电力因导线有电电力因导线有电电力因导线有电电力因导线有电阻阻阻阻而发热，白白损失了相当的能量。而发热，白白损失了相当的能量。、白天白天白天白天的电力常常严重不足，而的电力常常严重不足，而深夜深夜深夜深夜的电的电力又大大富余，使得发电机常常白天超负荷运转，力又大大富余，使得

24、发电机常常白天超负荷运转，深夜时却空转，电力白白浪费了。深夜时却空转，电力白白浪费了。第40页/共139页能不能把夜间富余的能不能把夜间富余的电力储存电力储存起来用以起来用以弥补白天电力不足的难题呢弥补白天电力不足的难题呢?自从有了自从有了超导材料超导材料以来，解决这个问题以来，解决这个问题就大有希望了。就大有希望了。第41页/共139页 一、超导材料的发展历程一、超导材料的发展历程1911年，科学家发现，金属的年，科学家发现，金属的电阻电阻和和它的它的温度温度条件有很大关系：条件有很大关系：温度高时，它的电阻就增加，温度低温度高时，它的电阻就增加，温度低时电阻减少。并总结出一个时电阻减少。并

25、总结出一个金属电阻与温金属电阻与温度之间的关系度之间的关系的理论公式。的理论公式。第42页/共139页当时，荷兰物理学家当时，荷兰物理学家昂尼斯昂尼斯昂尼斯昂尼斯为检验为检验金属电阻与金属电阻与温度之间的关系的理论公式温度之间的关系的理论公式的正确性，就用的正确性，就用水银水银水银水银作作试验。试验。将水银冷却到将水银冷却到-40时，亮晶晶的液体水银变成时，亮晶晶的液体水银变成了固体；然后，他把水银拉成细丝，并继续降低温了固体；然后，他把水银拉成细丝，并继续降低温度，同时测量不同温度下固体水银的电阻，当温度度，同时测量不同温度下固体水银的电阻，当温度降低列降低列4 K4 K时时时时，水银的，水

26、银的电阻突然变成了零电阻突然变成了零电阻突然变成了零电阻突然变成了零。第43页/共139页开始他不太相信这一结果、于是反复试验，开始他不太相信这一结果、于是反复试验，但都是一样。这一发现轰动了世界的物理学界，但都是一样。这一发现轰动了世界的物理学界，后来科学家把这个现象叫后来科学家把这个现象叫超导现象超导现象超导现象超导现象，把，把电阻等电阻等电阻等电阻等于零的材料于零的材料于零的材料于零的材料称称超导材料超导材料超导材料超导材料，而把出现超导现象的，而把出现超导现象的温度称作超导材料的温度称作超导材料的“临界温度临界温度”。第44页/共139页昂尼斯和许多科学家后来又发现了昂尼斯和许多科学家

27、后来又发现了2828种超导种超导种超导种超导元素元素元素元素和和80008000多种超导化合物多种超导化合物多种超导化合物多种超导化合物材料。但出现超导现材料。但出现超导现象的临界温度大多在象的临界温度大多在接近绝对零度接近绝对零度接近绝对零度接近绝对零度的极低温，没的极低温，没有什么经济价值，因为制造这种极低的温度，本有什么经济价值，因为制造这种极低的温度，本身就很花钱而又很困难。身就很花钱而又很困难。第45页/共139页为了寻找为了寻找临界温度比较高临界温度比较高临界温度比较高临界温度比较高的的没有电阻没有电阻没有电阻没有电阻的材的材料，世界上无数科学家奋斗了近料，世界上无数科学家奋斗了近

28、60年，也没年，也没有取得什么进展。有取得什么进展。直到直到1973年，英、美一些科学家才找到年，英、美一些科学家才找到一种在一种在23K23K出现超导现象的出现超导现象的铌锗合金铌锗合金铌锗合金铌锗合金。此后这。此后这一记录又保持了一记录又保持了10多年。多年。第46页/共139页到了到了1986年，在瑞士年，在瑞士IBM公司研究室工作的公司研究室工作的贝特诺茨贝特诺茨贝特诺茨贝特诺茨和和缪勒缪勒缪勒缪勒从别人多次失败中总结教训，放从别人多次失败中总结教训，放弃了在弃了在金属和合金金属和合金金属和合金金属和合金中寻找超导材料的老观念，终中寻找超导材料的老观念，终于发现一种于发现一种钇钡铜氧陶

29、瓷氧化物钇钡铜氧陶瓷氧化物钇钡铜氧陶瓷氧化物钇钡铜氧陶瓷氧化物材料在材料在43K43K这一这一较高温度下出现超导现象。这是一个了不起的成较高温度下出现超导现象。这是一个了不起的成就，因此他们两人同时获得了就，因此他们两人同时获得了1987年的诺贝尔物年的诺贝尔物理学奖。理学奖。第47页/共139页此后，美籍华人学者此后，美籍华人学者朱经武朱经武，中国物理，中国物理学家学家赵忠贤赵忠贤在在1987年相继发现了在年相继发现了在78.5 K 和和98 K时出现超导现象的时出现超导现象的钇钡铜氧系钇钡铜氧系高温超导高温超导材料。材料。不久又发现不久又发现铋锶钙铜氧系铋锶钙铜氧系高温超导合金，高温超导合

30、金，在在110K的温度就有超导现象。的温度就有超导现象。第48页/共139页而后而后朱经武朱经武发现的发现的铊钡钙铜氧系铊钡钙铜氧系合金合金的超导温度更接近室温，达的超导温度更接近室温，达120K。第49页/共139页 199l年，美国和日本的科学家又发现了年，美国和日本的科学家又发现了球状碳分子球状碳分子-60在掺在掺钾钾、铯铯、钕钕等元素后，等元素后，也有也有超导性超导性。科学家预料，球状碳分子科学家预料，球状碳分子-60掺杂金掺杂金属后，有可能在属后，有可能在室温下出现超导室温下出现超导现象，那时，现象，那时，超导材料就有可能超导材料就有可能像半导体材料一样像半导体材料一样，在世，在世界

31、引起一场工业和技术革命。界引起一场工业和技术革命。第50页/共139页1995年年美美国国国国立立洛洛斯斯阿阿拉拉莫莫斯斯实实验验室室的的科科学学家家已已经经把把高高温温超超导导体体制制成成柔柔韧韧的的细细带带状状，由于没有电阻，其导电性是铜丝的由于没有电阻，其导电性是铜丝的1200多倍。多倍。第51页/共139页1996年，日本电气公司制出年，日本电气公司制出长一千米长一千米的高温超导线材的高温超导线材，电流密度达到，电流密度达到6000A/cm2，这种线材已达到了实用化的，这种线材已达到了实用化的水平。水平。第52页/共139页超导材料超导材料在液氮以上温度在液氮以上温度工作，可以说工作，

32、可以说是是20世纪内科学技术上的重大突破，也是超世纪内科学技术上的重大突破，也是超导技术发展史上的一个新的里程碑。至今，导技术发展史上的一个新的里程碑。至今，对高温超导材料的研究仍然方兴未艾。对高温超导材料的研究仍然方兴未艾。第53页/共139页二、二、超导体的三个临界参数超导体的三个临界参数1911年，荷兰物理学家昂内斯年，荷兰物理学家昂内斯(Onnes H K)在成功地将氦气液化、获得在成功地将氦气液化、获得4.2K的的超低温超低温超低温超低温后，开后，开始研究超低温条件下始研究超低温条件下金属电阻的变化金属电阻的变化金属电阻的变化金属电阻的变化，结果发现：，结果发现：当温度下降至当温度下

33、降至4.2K时，汞电阻突然消失了！时，汞电阻突然消失了！这就这就是超导现象，此时的温度称为是超导现象，此时的温度称为超导临界温度超导临界温度超导临界温度超导临界温度TcTc。第54页/共139页零电阻零电阻是超导体最基本的特性，它意味是超导体最基本的特性，它意味着着电流可以在超导体内无损耗地流动电流可以在超导体内无损耗地流动，使电，使电力的无损耗传输成为可能；力的无损耗传输成为可能；同时，零电阻允许有远高于常规导体的同时，零电阻允许有远高于常规导体的载流密度载流密度，可用以形成，可用以形成强磁场强磁场或或超强磁场超强磁场。第55页/共139页发发现现超超导导电电性性后后，昂昂昂昂内内内内斯斯斯

34、斯即即着着手手用用超超超超导导导导体体体体来来绕绕制制强强强强磁磁磁磁体体体体，但但出出乎乎他他的的意意料料，超超导导体体在在通通上上不不大大的的电电流流后后，超超导导电电性性就就被被破破坏坏了了，即即超超超超导导导导体体体体具具具具有临界电流有临界电流有临界电流有临界电流IcIc。此后，又发现了超导体的此后，又发现了超导体的临界磁场临界磁场临界磁场临界磁场HcHc。Ic和和Hc也也是是超超导导体体的的基基本本特特性性，是是实实现现超超导导体强电应用的必要条件。体强电应用的必要条件。第56页/共139页临界临界临界临界温度（温度（温度（温度（Tc）、）、临界电流（临界电流（临界电流（临界电流（

35、IcIc）和和临界磁场临界磁场临界磁场临界磁场（HcHc）是是“约束约束”超导现象的三大临界条件。超导现象的三大临界条件。三者具有明显的相关性，只有三者具有明显的相关性，只有当超导体同时处当超导体同时处当超导体同时处当超导体同时处于三个临界条件以内于三个临界条件以内于三个临界条件以内于三个临界条件以内，即处于如图所示的，即处于如图所示的三角锥形三角锥形三角锥形三角锥形曲面内侧曲面内侧曲面内侧曲面内侧，才具有超导电性。，才具有超导电性。第57页/共139页三角锥形曲面内侧三角锥形曲面内侧超导电性的超导电性的超导电性的超导电性的T-I-HT-I-H临界面临界面临界面临界面第58页/共139页超导材

36、料基本物理特性：超导材料基本物理特性：临界温度临界温度Tc、临界磁场临界磁场Hc和和临界电流临界电流Ic三个临界值。三个临界值。超导材料只有处在这些临界值以下的状态时超导材料只有处在这些临界值以下的状态时才显示超导性，所以才显示超导性，所以临界值越高临界值越高，实用性就，实用性就强，利用价值就越高。强，利用价值就越高。第59页/共139页三、超导材料的基本特性三、超导材料的基本特性1零电阻效应零电阻效应2超导体的完全抗磁性（迈斯纳效应）超导体的完全抗磁性（迈斯纳效应）第60页/共139页1零电阻效应零电阻效应 当温度当温度T下降至某一数值下降至某一数值以下时，超导体以下时，超导体的电阻突然变为

37、零，这就称为超导体的的电阻突然变为零，这就称为超导体的零电阻零电阻效应效应，也称为，也称为超导电性超导电性。下图是汞在液氦温度附近电阻的变化行为。下图是汞在液氦温度附近电阻的变化行为。第61页/共139页汞在液氦温度附近电阻的变化行为汞在液氦温度附近电阻的变化行为超导临界温度超导临界温度Tc虽然与样品纯度虽然与样品纯度无关无关,但是越均匀但是越均匀纯净的样品超导转纯净的样品超导转变时的变时的电阻陡降电阻陡降电阻陡降电阻陡降越越尖锐。尖锐。第62页/共139页2超导体的完全抗磁性（迈斯纳效应）超导体的完全抗磁性（迈斯纳效应）指超导体处于外界磁场中，指超导体处于外界磁场中，磁力线磁力线无法穿无法穿

38、透，超导体内的透，超导体内的磁通量磁通量为零。为零。第63页/共139页1933年，年，迈斯纳迈斯纳迈斯纳迈斯纳(Meissner W)发现，只要温发现，只要温度低于超导临界温度，则置于度低于超导临界温度，则置于外磁场中的超导体外磁场中的超导体外磁场中的超导体外磁场中的超导体就始终保持其就始终保持其内部磁场为零内部磁场为零内部磁场为零内部磁场为零，外部磁场的磁力线，外部磁场的磁力线统统被排斥在超导体之外。统统被排斥在超导体之外。第64页/共139页即便是原来处在磁场中的即便是原来处在磁场中的正常态正常态正常态正常态样品，当温度样品，当温度下降使它变成下降使它变成超导体超导体超导体超导体时，也会

39、把原来在体内的磁场时，也会把原来在体内的磁场完全排出去，即完全排出去，即超导体具有完全抗磁性超导体具有完全抗磁性超导体具有完全抗磁性超导体具有完全抗磁性。这一现象。这一现象被称为被称为迈斯纳效应迈斯纳效应迈斯纳效应迈斯纳效应，它是超导体的另一个独立的基，它是超导体的另一个独立的基本特性。本特性。第65页/共139页超导体内超导体内磁感应强度磁感应强度磁感应强度磁感应强度B B总是等于零，即金属在超导电总是等于零，即金属在超导电状态的状态的磁化率磁化率磁化率磁化率为为=M/H=-1,B=0(1+)H=0。超导体内的磁化率为超导体内的磁化率为-1(M为磁化强度，为磁化强度，B0 0 H)超导体的完

40、全抗磁性如下图所示：超导体的完全抗磁性如下图所示：第66页/共139页液液氮氮环环境境下下的的超超导导实实验验由迈斯纳效应可知，超导体由迈斯纳效应可知，超导体在静磁场中的行为在静磁场中的行为在静磁场中的行为在静磁场中的行为可可以近似地用以近似地用“完全抗磁体完全抗磁体完全抗磁体完全抗磁体”来描述。利用这一特性，来描述。利用这一特性，可以实现可以实现磁悬浮磁悬浮磁悬浮磁悬浮。第67页/共139页第68页/共139页仅从超导体的仅从超导体的零电阻现象零电阻现象出发，得不到出发，得不到迈斯纳效应迈斯纳效应。同样，用。同样，用迈斯纳效应迈斯纳效应也不能描也不能描述述零电阻现象零电阻现象。因此，因此，迈

41、斯纳效应迈斯纳效应和和零电阻性质零电阻性质是超导是超导态的态的两个独立的基本属性两个独立的基本属性，衡量一种材料是，衡量一种材料是否具有超导电性必须看是否否具有超导电性必须看是否同时具有同时具有零电阻零电阻和和迈斯纳效应迈斯纳效应。第69页/共139页根据上述超导材料的两个基本特征，可根据上述超导材料的两个基本特征，可以看出：以看出：超导体超导体是指某种物质冷却到某一温度时是指某种物质冷却到某一温度时电阻突然变为零电阻突然变为零，同时物质内部，同时物质内部失去磁通失去磁通成成为完全抗磁性的物质。为完全抗磁性的物质。第70页/共139页超导材料的超导材料的组成元素组成元素组成元素组成元素有有金属

42、金属金属金属、类金属类金属类金属类金属和和非金属非金属非金属非金属元素，在元素周期表上的位置如图所示。元素，在元素周期表上的位置如图所示。第71页/共139页在元素周期表相应位置的元素中，有的在元素周期表相应位置的元素中，有的可由可由单一元素单一元素制成超导材科，但绝大多数超制成超导材科，但绝大多数超导材料是由多种元素构成的导材料是由多种元素构成的合金合金、化合物化合物或或陶瓷陶瓷。下表中列出了代表性的下表中列出了代表性的超导材料超导材料及及c值值。第72页/共139页超导材料及超导材料及c值值第73页/共139页在上述在上述超导特性超导特性被发现后，对超导电性被发现后，对超导电性的的理论研究

43、理论研究即已开始，但直到即已开始，但直到20世纪世纪50年代年代建立了建立了超导电性的微观理论超导电性的微观理论，人们才对金属，人们才对金属超导体的超导行为获得了满意的解释。超导体的超导行为获得了满意的解释。第74页/共139页四、传统超导电体的超导电性理论四、传统超导电体的超导电性理论(1)唯象理论唯象理论二流体模型二流体模型伦敦方程伦敦方程金兹堡金兹堡-朗道理论朗道理论第75页/共139页(2)传统超导体的微观机制传统超导体的微观机制 同位素效应同位素效应超导能隙超导能隙库柏电子对库柏电子对 相干长度相干长度 BCS理论理论第76页/共139页六、六、超导材料的分类超导材料的分类 常规超导

44、体常规超导体 高温超导体高温超导体(HTS)其它类型超导体其它类型超导体第77页/共139页 常规超导体常规超导体相对于相对于高温超导体高温超导体而言，而言，元素元素、合金和合金和化合物化合物的的超导转变温度较低超导转变温度较低(以液氮温度以液氮温度77K为界为界)，因此这类超导体被称为，因此这类超导体被称为常规超导体常规超导体。第78页/共139页 元素超导体元素超导体(50多种多种)一些元素一些元素在常压或高压下在常压或高压下具有超导电具有超导电性能，另外一些元素性能，另外一些元素经特殊处理后经特殊处理后显示出显示出超导电性。由于超导电性。由于临界电流和临界磁场均较临界电流和临界磁场均较小

45、小，所以元素超导体很难实用化。，所以元素超导体很难实用化。第79页/共139页第80页/共139页 合金超导体合金超导体超导合金超导合金在技术上有重要价值，它们具有在技术上有重要价值，它们具有较高的临界温度较高的临界温度和和特别高的临界磁场特别高的临界磁场以及以及临临界电流界电流。超导合金具有。超导合金具有塑性好塑性好，易于大量生易于大量生产产，成本低成本低等优点。等优点。第81页/共139页最早出售的最早出售的超导线材超导线材超导线材超导线材是是Nb-Zr系，用于制造系，用于制造超导磁体超导磁体超导磁体超导磁体。Nb-Zr合金具有合金具有低磁场高电流低磁场高电流低磁场高电流低磁场高电流的特点

46、。的特点。1965年后被年后被加工性能好加工性能好加工性能好加工性能好、临界磁场高临界磁场高临界磁场高临界磁场高、成本低成本低成本低成本低的的Nb-Ti所取代。所取代。目前目前Nb-Ti系合金实用的线材使用最广，系合金实用的线材使用最广，Nb-Zr-Ti，Nb-Ti-Ta，Nb-Ti-Zr-Ta用于用于磁磁流体发电机流体发电机大型磁体大型磁体大型磁体大型磁体。第82页/共139页 化合物超导体化合物超导体Nb3 Sn 和和 V3 Ga 是最先引起人们的注意的，是最先引起人们的注意的，其次是其次是Nb3 Ga、Nb3 Al、Nb3(Al Ga)。实际能够实用的只有实际能够实用的只有Nb3 Sn和

47、和V3 Ga两种。两种。其它的化合物因其它的化合物因难于加工线材难于加工线材还不能实用。还不能实用。第83页/共139页复复合合法法制制备备Nb3Sn,V3Ga线线材材第84页/共139页 高温超导体高温超导体(HTS)一些复杂的一些复杂的氧化物陶瓷氧化物陶瓷具有具有高的转变温高的转变温度度，其临界温度超过了，其临界温度超过了77K，可在液氮的温，可在液氮的温度下工作，称为度下工作，称为高温超导体高温超导体。第85页/共139页(C)萤石萤石(F型型)(AX2)(a)岩盐岩盐(R型型)(AX)(b)钙钛矿钙钛矿(P型型)(ABX)超导体的晶体结构超导体的晶体结构第86页/共139页许多许多铜氧

48、化物超导体铜氧化物超导体是由是由R型、型、P型与型与F型型基本结构单元基本结构单元依次联结依次联结构筑而成，通常都构筑而成，通常都是是沿沿c轴平行地重复构造轴平行地重复构造而得，每个单元中而得，每个单元中有有二维的二维的“CuO2席位席位”两个以上。两个以上。第87页/共139页(a)(Nd1-xSrx)(Nd1-yCey)CuO4-x(b)(La1-xAx)CuO4(A=Ca,Sr,Ba)(c)YBa2Cu4O8第88页/共139页第89页/共139页 其它类型超导体其它类型超导体 碱金属掺杂的碱金属掺杂的C60超导体超导体 有机超导体有机超导体非晶超导材料非晶超导材料重费米子超导体重费米子

49、超导体金属间化合物金属间化合物(RTB)超导体超导体 复合超导材料复合超导材料 超导陶瓷材料超导陶瓷材料第90页/共139页 碱金属掺杂的碱金属掺杂的C60超导体超导体C60具有极高的稳定性，当具有极高的稳定性，当C60中中掺入碱金属掺入碱金属掺入碱金属掺入碱金属时，时，人们发现人们发现在一些特定成分上在一些特定成分上可以形成富勒烯结构。可以形成富勒烯结构。通过与各种碱金属原子的结合，通过与各种碱金属原子的结合，AxC60的的超导转超导转超导转超导转变温度变温度变温度变温度已经提高到已经提高到30K30K以上，超导温度最高以上，超导温度最高RbCs2C60的临界转变温度为的临界转变温度为33K

50、。第91页/共139页 有机超导体有机超导体第一个被发现的第一个被发现的有机超导体有机超导体有机超导体有机超导体是是(TMTSF)2PF6，尽，尽管这种有机盐的管这种有机盐的超导转变温度超导转变温度超导转变温度超导转变温度只有只有0.9K0.9K，但是，它，但是，它的发现预示了一个的发现预示了一个新的超导电性研究领域新的超导电性研究领域新的超导电性研究领域新的超导电性研究领域的出现。的出现。第92页/共139页(TMTSF)2PF6The first organic superconductor discovered.第93页/共139页组成有机超导体的四类化合物组成有机超导体的四类化合物：第