新能源材料之超导材料综述论文

新能源材料课程论文题目：超导材料发展综述学院：材料学院班级：复材0901学号：姓名：目录摘要……………………………………………………………………2超导材料的定义………………………………………………………2超导材料发展历程……………………………………………………3特性及基本参量……………………………………………………4-6几类重要的超导材料………………………………………………6-7超导材料的制备……………………………………………………7-10超导材料的应用……………………………………………………10-12展望与建议………………………………………………………13参考文献……………………………………………………………13超导材料发展综述摘要:随着人类工业社会的不断发展,对能源的需求量不断增加.然而一方面由于自然资源的不可再生性,另一方面由于能源的不合理利用造成了大量的能源损耗,导致自然资源日益紧缺并带来了巨大的经济损失..本文主要介绍了一种新型节能减排材料:超导材料----它的特性,制备工艺,应用以及对未来的展望..关键词:超导材料，发展史，特性，制备工艺，实际应用Abstact:Withthecontinuousdevelopmentofthehumanindustrialsociety,thedemandforenergyhasbeenincreasing.However,thenon-renewablecharacteristicofthenaturalenergyaswellasagooddealoftheenergylosscausedbytheirrationaluseoftheenergyhasleadtoagrowingenergyshortageandhasbroughtaboutauncountableeconomicloss.Thispassagemainlypresentsanewenergysavingandmaterial:SuperconductingMaterial—it’scharacteristic,it’spreparationprocessanditsvisionforthefuture.一．引言超导材料最独特的性能是电能在输送过程中几乎不会损失。超导现象从1911年被发现到现在刚好一百零一年，在百年的发展史中，超导材料经历了从高温到低温的过程，实现超导的临界温度也越来越高，一旦室温超导达到实用化和工业化，将大大降低电能的损耗性，在电路运输，交通，医疗和国防事业带来革命性发展.二．超导材料的定义具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零及排斥磁力线的性质的材料。现在已经发现28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。三．超导材料的发展历程1911年荷兰物理学家卡米林·昂内斯(H.K.Onnes)首次发现汞在4.2K附近时其电阻性完全消失，第一次有了超导电性现象。1908年荷兰莱顿实验室在昂内斯领导下终于把地球上尚未被液化的最后一个自然界气体——氦气液化了。莱顿实验室在制成液氦的基础上,再用减压降温,获得了4K到1K的极低温区,从而具备了研究极低温下物性问题的基本条件。1911年昂内斯在实验中发现:当冷却到氦的沸点时(4.2K)电压突然降到零,并于1913年正式提出了超导电性的概念。1933年,德国的迈斯纳(W.Meissner)和奥赫森费尔德(R.Ochsenfeld)发现,当物体进入超导态后,超导体的磁导率为零,即超导进入一种完全抗磁性的状态。1973年，发现了一系列A15型超导体和三元系超导体，如Nb3Sn、V3Ga、Nb3Ge其中Nb3Ge超导体的临界转变温度(Tc)值达到23.2K。以上超导材料要用液氦做致冷剂才能呈现超导态，因而在应用上受到很大限制。1986年，IBM公司苏黎世实验室的科学家阿历克斯·（K.AlexMǖller）缪乐和乔治·贝诺兹（J.GeorgBednorz）发现了Tc达38K的La-Ba-Cu-O超导体，标志着氧化物高温超导研究的开始。1987年,亨茨维尔亚拉巴马大学的吴茂昆及其研究生与休斯顿大学的朱经武和他的学生共同发现了钇钡铜氧，这是首个超导温度在77K以上的材料，突破了液氮“温度壁垒”，也因此引发了对新高温超导材料的研究热潮。随后，中国科学家赵忠贤以及美国华裔科学家朱经武相继在钇--钡--铜--氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上。1987年底，又把临界温度提高到125K。2001年日本科学家发现新型MgB2超导体,其临界温度只有39K，但是能承受很高的电流，打破了非铜氧化合物超导体的临界温度记录。2008年，日本的HideoHosono团队发现在铁基氮磷族氧化物(iron-basedoxypnictide中，将部份氧以掺杂的方式用氟作部份取代，可使LaFeAsO1-xFx的临界温度达到26K，在加压后(4GPa)甚至可达到43K。其后，中国的闻海虎团队，发现在以锶取代稀土元素之后，La1-xSrxFeAsO亦可达到临界温度25K。其后，中国的科学家陈仙辉、赵忠贤等人，发现将镧以其他稀土元素作取代，则可得到更高的临界温度；其中，SmFeAs[O0.9F0.1]可达55K。另外，将铁以钴取代(LaFe1-xCoxAsO)，稀土元素以钍取代(Gd1-xThxFeAsO)，或是利用氧缺陷(LaFeAsO1-δ)等方式，也都可以引发超导。此系统被简称为“111系统”。此化合物的发现，不但打破了非铜氧化合物超导体临界温度记录，其含铁却又超导的特性也受人关注。2008年至今，随着材料科学工艺技术的发展，以美国，德国、丹麦等为代表努力开展高温超导材料工艺及应用研究。丹麦的NKT已批量制造铋系超导带材。长10m、2000A的超导电力电缆正在研制中，下一步开发三相、50～100m输电电缆。西门子公司计划到2003年制成20MVA的超导变压器。用于电子学方面探伤的RF-SQUID及卫星通讯用高温超导滤波器也在试制之中。四．特性及基本参量1.超导材料四大特性;(1)零电阻性超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。如果用磁场在超导环中引发感生电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。这种“持续电流”已多次在实验中观察到。超导现象是20世纪的重大发明之一。科学家发现某物质在温度很低时，如铅在7.20K（-265.95摄氏度）以下，电阻就变成了零。采用“四引线电阻测量法”可测出超导体的R－T特性曲线，如图所示--[6]图中的Rn为电阻开始急剧减小时的电阻值，对应的温度称为起始转变温度TS；当电阻减小到Rn/2时的温度称为中点温度TM；当电阻减小至零时的温度为零电阻温度T0。由于超导体的转变温度还与外部环境条件有关，定义在外部环境条件（电流，磁场和应力等）维持在足够低的数值时，测得的超导转变温度称为超导临界温度。(2).完全抗磁性1933年，迈斯纳（W.Meissner）发现：当置于磁场中的导体通过冷却过渡到超导态时，原来进入此导体中的磁力线会一下子被完全排斥到超导体之外（见下图），超导体内磁感应强度变为零，这表明超导体是完全抗磁体，这个现象称为迈斯纳效应。--[6]实验表明，超导态可以被外磁场所破坏，在低于TC的任一温度T下，当外加磁场强度H小于某一临界值HC时，超导态可以保持；当H大于HC时，超导态会被突然破坏而转变成正常态。临界磁场强度HC，其值与材料组成和环境温度等有关。超导材料性能由临界温度TC和临界磁场HC两个参数决定，高于临界值时是一般导体，低于此数值时成为超导体。(3)．约瑟夫森效应当在两块超导体之间存在一块极薄的绝缘层时，超导电子（对）能通过极薄的绝缘层，这种现象称为约瑟夫森（Josephson）效应，相应的装置称为约瑟夫森器件。--[6]当通以低于临界电流值I0时，在绝缘薄层上的电压为零，但当电流II0时，会从超导态转变为正常态，出现电压降，呈现有阻态，这种器件具有显著的非线性电阻特性，可制成高灵敏度的磁敏感器件，应用在超高速计算机等场合。(4).同位素效应超导体的临界温度Tc与其同位素质量M有关。M越大，Tc越低，这称为同位素效应。例如，原子量为199.55的汞同位素，它的Tc是4.18K，而原子量为203.4的汞同位素，Tc为4.146K。M与TC有近似关系常数21MTc2超导材料三大基本参量：（1）.临界温度(Tc):即在电场和外界磁场为零的条件下，超导材料出现超导电性的最高温度。已测得超导材料的最低Tc是钨，为0.012K。到1987年，临界温度最高值已提高到100K左右。（2）.临界磁场（Hc）：置于外磁场的超导体，当外磁场大于一定值时，材料就会失去超导电性，恢复正常状态。从超导态到正常态的转变磁场称为临界磁场（Hc）.只有一个临界磁场且超导态和正常态区别明显的称为第一类道题；大部分临界磁场有上临界磁场和下临界磁场两个磁场，称为二类导体。--[2]（3）．临界电流：在超导材料中通过过大的电流也会使材料从超导材料向正常态转变。此称为超导材料的临界电流。将超导材料单位面积所承载的临界电流称为临界电流密度（Jc）。五．几类重要的超导材料：1.钇系高温超导体（YBCO）：钇系高温超导体是当前已知的高温超导体中研究得最透彻的一种。目前已能从多种商业渠道获得优质的Y123粉、块材和薄膜。制备超导性能优异的粉末$高度致密块材或薄膜的方法和工艺条件已相当成熟。YBCO大约在92K显示出超导电性，并且超导相的比例极高。Y123薄膜的磁通钉扎性能甚佳。2.铋系高温超导体(BSCCO)：这是仅次于钇系研究得颇为透彻的高温超导体。1988年初日本人用便宜的Bi2O3代替稀土，用锶、钙代替钡在BSCCO系中发现了新的高温超导相。此后,美、日都宣布发现了Tc=110Ｋ的超导体，经研究BSCCO共有Bi2Sr2CaCu2O8(Bi2212)和(Bi，Pb)2Sr2Ca2Cu3O10(Bi2223)两个高温超导相,前者的Tc约80Ｋ,后者为110Ｋ。BSCCO粉具有极好的烧结特性和超导性能，目前已商品化生产用于制造和开发铋系线材。3.铊系高温超导体(TBCCO)铊系高温超导体是继钇系、铋系之后于1988年发现的第三种高温超导体。目前已合成出Tl1212、Tl1223、Tl2212和Tl2223四种超导相的粉末。近年来对TBCCO的研究表明,用它们有望获得高Tc的薄膜、多晶、厚膜和带材。4.其它超导体如汞系、镧系、Nb3Sn系及其它。六．超导材料的制备工艺1,按超导材料的形状制备：可依据超导材料外形的不同主要分为膜材(薄膜、厚膜)、块材、线材和带材四种类型（1）薄膜材料制备方法：高温超导体薄膜是构成高温超导电子器件的基础，制备出优质的高温超导薄膜是走向器件应用的关键。高温超导薄膜的制备几乎都是在单晶衬底(如SrTiO3、LaAlO3或MgO)上进行薄膜的气相沉积或外延生长的。经过十年的研究，高温超导薄膜的制备技术已趋于成熟，达到了实用化水平。目前，最常用、最有效的两种镀膜技术是：磁控溅射(MS)和脉冲激光沉积(PLD)。这两种方法各有其独到之处，磁控溅射法是适合于大面积沉积的最优生长法之一。脉冲激光沉积法能简便地使薄膜的化学组成与靶的化学组成达到一致，并且能控制薄膜的厚度。（2）厚膜材料制备方法：高温超导体厚膜主要用于HTS磁屏蔽、微波谐振器、天线等。它与薄膜的区别不仅仅是膜的厚度，还有沉积方式上的不同。其主要不同点在以下三个方面：a，通常，薄膜的沉积需要使用单晶衬底；b，沉积出的薄膜相对于衬底的晶向而言具有一定的取向度；c，一般薄膜的制造需要使用真空技术。获得厚膜的方法有很多：如热解喷涂和电泳沉积等，而最常用的技术是丝网印刷和刮浆法，这两种方法在电子工业中得到了广泛的应用（3）线材、带材的制备方法：超导材料在强电上的应用，要求高温超导体必须被加工成包含有超导体和一种普通金属的复合多丝线材或带材。但陶瓷高温超导体本身是很脆的，因此不能被拉制成细的线材。在众多的超导陶瓷线材的制备方法中，铋系陶瓷粉体银套管轧制法(AgPIT)是最成熟并且比较理想的方法。而压制出铋