神奇的超导材料

超导材料简介及其应用神奇的超导材料万君2018.10.10254321何为超导材料超导材料的分类超导材料的基本特性超导材料的发展历程超导材料的应用何为超导材料一分钟理解超导45ONE•超导材料，是指具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料TWO•现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体简介作为20世纪最伟大的科学发现之一，超导体具有零电阻和完全抗磁性等一系列神奇的物理特性，在科学研究、信息通讯、工业加工、能源存储、交通运输、生物医学乃至航空航天等领域均有重大的应用前景。6超导材料的分类81324•第一类超导体和第二类超导体。从宏观物理性能上看，第一类超导体只存在单一的临界磁场强度；第二类超导体有两个临界磁场强度值，在两个临界值之间，材料允许部分磁场穿透材料。在已发现的元素超导体中，第一类超导体占大多数，只有钒、铌、锝属于属于第二类超导体；但很多合金超导体和化合物超导体都属于第二类超导体。根据材料对于磁场的响应：•传统超导体（可以用BCS理论或其推论解释）和非传统超导体（不能用BCS理论解释）。根据解释理论：•高温超导体和低温超导体。高温超导体通常指临界温度高于液氮温度（大于77K）的超导体，低温超导体通常指临界温度低于液氮温度（小于77K）的超导体。根据临界温度：•元素超导体（如铅和水银）、合金超导体（如铌钛合金）、氧化物超导体（如钇钡铜氧化物）、有机超导体（如碳纳米管）。根据材料类型：超导材料的基本特性10-25基本特性完全电导性又称零电阻效应，指温度降低至某一温度以下，电阻突然消失的现象完全抗磁性又称迈斯纳效应，“抗磁性”指在磁场强度低于临界值的情况下，磁力线无法穿过超导体，超导体内部磁场为零的现象通量量子化又称约瑟夫森效应，指当两层超导体之间的绝缘层薄至原子尺寸时，电子对可以穿过绝缘层产生隧道电流的现象，即在超导体—绝缘体—超导体结构可以产生超导电流基本特性详解：11完全抗磁性•“完全”指降低温度达到超导态、施加磁场两项操作的顺序可以颠倒。完全抗磁性的原因是，超导体表面能够产生一个无损耗的抗磁超导电流，这一电流产生的磁场，抵消了超导体内部的磁场。•超导体电阻为零的特性为人们所熟知，但超导体并不等同于理想导体。从电磁理论出发，可以推导出如下结论：若先将理想导体冷却至低温，再置于磁场中，理想导体内部磁场为零；但若先将理想导体置于磁场中，再冷却至低温，理想导体内部磁场不为零。对于超导体而言，降低温度达到超导态、施加磁场这两种操作，无论其顺序如何，超导体超导体内部磁场始终为零，这是完全抗磁性的核心，也是超导体区别于理想导体的关键。通量量子化•通量量子化分为直流约瑟夫森效应和交流约瑟夫森效应。直流约瑟夫森效应指电子对可以通过绝缘层形成超导电流。交流约瑟夫森效应指当外加直流电压达到一定程度时，除存在直流超导电流外，还存在交流电流，将超导体放在磁场中，磁场透入绝缘层，超导结的最大超导电流随外磁场大小作有规律的变化。完全电导性•完全电导性适用于直流电，超导体在处于交变电流或交变磁场的情况下，会出现交流损耗，且频率越高，损耗越大。交流损耗是超导体实际应用中需要解决的一个重要问题，在宏观上，交流损耗由超导材料内部产生的感应电场与感生电流密度不同引起；在微观上，交流损耗由量子化磁通线粘滞运动引起。交流损耗是表征超导材料性能的一个重要参数，如果交流损耗能够降低，则可以降低超导装置的制冷费用，提高运行的稳定性。1.零电阻效应12在特定的温度下材料的电阻突然消失的现象称为超导（电）现象，发生这一现象的温度叫超导转变温度Tc，也叫临界温度。材料失去电阻的状态称为超导态，存在电阻的状态称为正常态。具有超导态的材料称为超导材料。零电阻效应是超导态的一个基本特征。2.迈斯纳效应13超导体排斥力使永久磁环悬浮处在超导态的物体完全排斥磁场，即磁力线不能进入超导体内部，这一特征叫完全抗磁性，通常也叫做迈斯纳效应，是超导态的另一个基本特征。超导材料的发展历程公司的柏诺（J.Bednorz）和缪勒（K.Müller）独辟蹊径，在一般认为导电性不好的陶瓷材料中去探索超导电性。结果他们在La-Ba-Cu-O体系中首次发现了可能存在超导电性，其Tc（临界转变温度）高达35K。这一发现引发了世界范围高温超导研究热潮。美国休斯顿大学的朱经武、吴茂昆研究组和中国科学院物理研究所的赵忠贤研究团队分别独立发现在YBa2Cu3O6+体系存在90K以上的Tc。超导研究首次成功突破了液氮温区(液氮的沸点为77K)，使得超导的大规模研究和应用成为可能。荷兰物理学家昂尼斯(H.K.Onnes)发现，汞的电阻率并不像预料的那样随温度降低逐渐减小，而是当温度降到4.15K附近时，汞的电阻突然降到零。超导现象和超导体被第一次发现了。朱经武研究组在高压条件下把Hg2Ba2Ca2Cu3O10体系的Tc提高到了164K，这一最高Tc纪录一直保持至今。日本的细野秀雄（H.Hosono）发现LaFePO存在4K左右的超导电性，随后他们于2008年一月又发现LaFeAsO1-xFx中存在26K的超导电性。开创了铁基超导的先河。之后在国际上引发了以铁基超导研究领衔的高温超导研究的第二波热潮。在近100年的超导材料发展历史中，有10位科学家凭借杰出的研究获得了诺贝尔物理学171、荷兰低温物理学家昂内斯(1853～1926)于1908年成功地液化了氦气，1911年发现了某些金属在液氦温度下电阻突然消失，即“超导电性”现象，于1913年获诺贝尔奖。2、1957年巴丁、库珀和施里弗合作创建了超导微观理论(BCS)，于1972年获诺贝尔奖。这一理论能对超导电性作出正确的解释，并极大地促进了超导电性和超导磁体的研究与应用。183、约瑟夫森和贾埃弗的发现，对于研制高性能的半导体和超导体元器件具有很高的应用价值，并导致超导电子学的建立。194、1986年缪勒和柏德诺兹发现了钡镧铜氧体系高温超导化合物，于1987年获得若贝尔奖。这一研究成果导致了多种液氮温区高温超导体材料的出现，并宣告了超导技术开发应用时代即将到来。20金兹伯格莱格特阿布里科索夫2003年诺贝尔物理学奖授予美国阿尔贡国家实验室的阿力克谢·阿布里科索夫、俄国莫斯科莱伯多夫物理研究所的维塔利·金兹伯格和美国伊利诺斯大学教授安东尼·莱格特，以奖励他们在超导和超流理论方面的先驱性贡献。超导材料的应用22超导电缆：可大幅降低输电线路损耗，大幅提高线路输送容量超导变压器：可有效降低变压器损耗，减小体积和重量超导（发）电机：可大幅提高电机容量，减小体积和重量超导储能：可有效提高电网的安全可靠性，减小电网波动超导限流器：可在突发故障发生时限制最大电流，保证切除故障电力方面使用Bi系高温超导线材的超导磁悬浮列车，悬浮间隙大，速度高，相对于低温超导的磁悬浮列车而言，制冷费用低，智能设备简单。超导磁悬浮列车的最主要特征就是其超导元件在相当低的温度下所具有的完全导电性和完全抗磁性。超导磁铁是由超导材料制成的超导线圈构成，它不仅电流阻力为零，而且可以传导普通导线根本无法比拟的强大电流，这种特性使其能够制成体积小功率强大的电磁铁。交通运输方面国际热核聚变实验堆（ITER，又称“人造太阳”）计划是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，该项目由欧盟、中国、美国、印度、俄罗斯、韩国和日本七方合作完成，中方承建项目占比约为9%。项目从2006年启动到2017年3月13号中国超导股线竣工，历时大约10年时间。ITER装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托克马克，俗称“人造太阳”，该装置使用了大量的低温超导材料。科技实验方面用超导芯片(约瑟夫森器件)代替普通芯片制成超导计算机，可以大大提高运算速度，减小计算机体积。美国研制的一台运算速度为800万次/秒的超导计算机，只有一部电话机那么大，运算速度提高了10～1000倍，而且元件不发热、功耗非常小、无故障、高效率运行时间要长得多。电子学方面1.超导磁体23超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能。由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就可以获得10万高斯以上的稳态强磁场。而用常规导体做磁体，要产生这么大的磁场，需要消耗3.5兆瓦的电能及大量的冷却水，投资巨大。超导磁体可用于制作交流超导发电机、磁流体发电机和超导输电线路等。242.磁悬浮列车日本超导磁悬浮列车MAGLEV上海磁悬浮列车3.超导量子干涉仪25利用超导量子干涉元件（SQUID）结合电子、机械、低温、真空等技术来测量磁化率的精密仪器。4.超导计算机26超导计算机是利用超导技术生产的计算机及其部件，其开关速度达到几微微秒，运算速度比现在的电子计算机快，电能消耗量少。超导计算机对人类文明的发展可以起到极大作用。我国在超导领域的位置27我国在超导材料及其应用领域总体上处于国际先进行列，基本掌握了各种实用化超导材料的制备技术，在多个应用方面也取得了良好的发展。今后，我国超导材料及其应用领域应进一步加强超导材料及其应用装置的制备工艺研究，不断探索更高临界温度的超导体，并加强与超导技术应用密切相关的低温制冷技术和低温系统的研究，以进一步全面提升我国的超导材料及其应用技术的发展水平。例如目前，国内外从事铁基超导线带材研究的主要单位为中国科学院电工研究所、美国佛罗里达州立大学、日本国立材料研究所、东京大学、意大利热那亚大学、日本产业技术综合研究所、澳大利亚卧龙岗大学等。其中，中国科学院电工研究所在高性能铁基超导材料的研制中一直走在世界前列。2014年，中国科学院电工研究所首次将铁基超导线带材的临界电流密度提高到105A/cm2（4.2K，10T），达到实用化水平。最近，中国科学院电工研究所通过优化工艺，制备的铁基超导线带材Jc达到1.5×105A/cm2（4.2K，10T），这是目前国际关于铁基超导线带材文献中报道的最高纪录值。另外，通过对制备过程中涉及的相组分与微结构控制、界面复合体均匀加工等关键技术的系统研究，解决了铁基超导线规模化制备中的均匀性、稳定性和重复性等技术难点，并于2016年成功制备出长度达到115m的7芯铁基百米长线该工作被誉为是铁基超导材料从实验室研究走向产业化进程的里程碑，奠定了铁基超导材料在工业、医学、国防等诸多领域的应用基础。感谢一起制作PPT的同伴以及各位的倾听.万君2018.10.10