高温超导材料课件.ppt

1、演示内容演示内容一、什么是高温超导材料？二、高温超导体的研究现状三、高温超导体的制备技术四、发展前景五、总结一、什么是高温超导体？n高温超导材料是指具有高临界的转变温度,并且能在液氮温度条件下工作的一种超导材料,这种材料性能非常好,用途非常广泛。这是一种氧化物材料,氧化物多是以铜为主要元素,具有陶瓷的性质。同时,也有不含铜的高温超导材料,主要是钡钾铋氧体系。高温超导材料有着其他普通材料不具有的特性,零电阻、完全抗磁性、宏观量子效应这些特殊的性质,使高温超导材料在生活生产各个领域都得到了广泛的应用。研发新的高温超导物质一、什么是高温超导体？n如果这种新材料预示着新事物的到来，那么这个世界将很快看

2、到超导体的实际应用，为医学、技术、运输以及能源等领域带来改善。n耐高温超导体在目前的医疗技术中找到了实际应用，比如说在诊断测试中使用的磁共振成像（MRI）以及超导量子干涉装置(SQUIDs)。借助电动力悬浮的磁悬浮列车也依靠耐高温超导材料进行工作。超导磁悬浮一、什么是高温超导体？n高温超导材料温度超导体得天独厚的特性，使它可能在各种领域得到广泛的应用。但由于早期的超导体存在于液氦极低温度条件下，极大地限制了超导材料的应用。人们一直在探索高温超导体，从1911年到1986年，75年间从水银的42K提高到铌三锗的2322K，才提高了19K。n 1986年1月，美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎世实验

3、室科学家柏诺兹和缪勒首先发现钡镧铜氧化物是高温超导体，将超导温度提高到30K；紧接着，日本东京大学工学部又将超导温度提高到37K；12月30日，美国休斯敦大学宣布，美籍华裔科学家朱经武又将超导温度提高到402K。二、高温超导体的研究现状1.钇系（YBCO）超导体在目前已知的各种高温超导体中，Y123(YBa2Cu3O7,YBCO)是研究得最为深入的一种。YBCO 在92K 左右显示出超导电性，且超导相的比例极高。YBa2Cu3O7-(YBCO)在液氮温区具有高的临界电流密度（Jc值），在外磁场下具有比Bi系超导体更好的性能，故其是当前的研究热点之一。2.铋系超导体铋系超导体是仅次于钇系、第二个

4、研究较为透彻的高温超导体。2.铋系超导体MgB2 是一种新发现的超导材料，2001 年MgB2 超导体被日本教授秋光纯发现，其晶体结构简单、原料成本低，超导转变温度为39K，且没有“晶界弱连接性”，被认为是应用于2040K磁场适中条件下的最佳超导材料。MgB2超导体是近年来超导材料领域的研究热点之一。二、高温超导体的研究现状4.铊系超导体1988年，第三种高温超导体铊系高温超导体被发现，铊的主要缺点是有毒，吸入、注射和皮肤接触都会危害健康，90年代以后，人们才对铊系材料的超导性能有所了解。铊系超导体是具有高转变温度的超导材料之一，具有多种工艺制备方法，其中Tl-2223相超导体具有最高Tc 值

5、(1215K)。5.汞系超导体1993 年，人们发现汞系超导体，和铊系超导相同，汞的毒性同样也影响了HBCCO 的发展。1995年，名古屋工学院采用溶液纺丝法(Solution spinning)制备出Hg-1223(HgBa2Ca2Cu3Ox)的超导丝(250m)，Tc值达127k，Jc(77k,0T)达103A/cm2，开辟了汞系超导体的制备新途径。三、高温超导体的制备技术1.超导层的沉积技术超导层的沉积技术 探索超导层的沉积方法的基本考虑是降低大规模生产的成本，包括：大型工业用激光器的初期成本；管子、窗口、工作气体和流出物的运行成本；真空系统和HTS靶材成本。采用MOCVD已制出相当长的

6、线材，性能水平还低于低成本的MOD技术。采用液相技术进行超导层的涂敷，由于沉积过程简单，先驱材料利用充分，将先驱物处理成超导态所用炉子的成本相对低，因此，比气相方法成本低得多。三、高温超导体的制备技术2.AMSC的的RABiTSMOD工艺工艺 AMSC进入第二代HTS线材领域是在1995年，目的是在第一代线材已取得的成绩的基础上，进一步降低超导线材的成本，提高其性能，以满足随时问推移用户对超导线材的日益增长的需求。在LANL，ORNL，斯坦福大学，威斯康星大学和MIT等单位合作，深入研究了各种工艺之后，AMSC认识到RABiTSMOD工艺从成本和性能上综合了基带和超导体加工两方面最诱人优势，是

7、低成本，规模制备超导线材的理想技术。三、高温超导体的制备技术3.连续工艺连续工艺 早期大多数的第二代线材是短样，从静态到连续工艺是一个挑战。必须改进所有材料的质量和工艺环境，控制沉积缓冲层时对线材的加热，掌握在线的拉力，处理好由于层间不同热收缩产生应力造成的拱形和卷曲。分解和热处理炉，需用多段炉。AMSC采用RABiTSMOD工艺制造的10 m长第二代高温超导带材的性能最近已达到250 Acm宽，这是工业规模连续生产线材的世界纪录，已接近商品化电缆应用的300 Acm宽的要求。电缆应用感兴趣的4 mm宽带，最新结果为272 Acm宽，几乎相应为100A，采用双面结构会加倍到220 A，刚高于目

8、前第一代导体达到的性能。更为重要的是这种带材的均匀性(标准偏差4)和4卷连续运行的重复能力。三、高温超导体的制备技术4.钉扎作用钉扎作用 强化钉扎是达到高电流密度的关键。通过在高温超导材料中引入与磁通线直径相近的纳米尺度的缺陷，可得到钉扎，为此AMSC等单位引人了高密度称作“纳米点”的极细小粒子，弥散分布，提高了在磁场下的电流密度，还找到了在MOD工艺中引入纳米点的专有途径。纳米点由纳米尺度的氧化钇或YBCO体系中非超导组分的夹杂组成。钉扎的另一个重要作用是改善临界电流密度的磁场角度关系，根据钉扎缺陷的种类和取向，在不同的磁场方向钉扎不同，使临界电流密度的磁场角度关系平滑一些，这一重要工作仅仅

9、开始，可以预计会有大的改进，使得第二代线材可以用在比第一代更高的温度下。n 超导技术将成为 21 世纪的宠儿，而超导材料也将深入千家万户。超导技术的发展、应用和普及将会在世界能源方面发挥不朽的作用，将会为世界每年免去不必要的边缘耗散。如果能用上超导材料，那每年消耗的能量将不可估量。如果这些能量被合理地利用起来对人类的发展不可谓不大，或者每年为这些能量的耗散而投入的不必要的资金，用于资助那些苦难的、急需救助的国家与人民，那意义不可谓不大。超导材料的普及必将是一场材料大革命，其意义并不会亚于其他科技革命。四、发展前景n 第一代超导线材铋氧化物线材已达到商业化水平。东京电力公司试制成功长 100 米

10、、3相、66 千伏的超导电缆，美国不久也将进行 100 米超导电缆的安装试验。日本正在加紧研究开发高性能的超导电缆、超导变压器、超导限流器和超导蓄电装置等，预计 5 年后达到目标。日本磁悬浮列车线圈的超导化目前也在计划当中，预计将从明年开始进行研究和试制。目前各国都在积极研究开发第二代超导线材钇系列线材。其中，包含钇的YBCO(钇钡铜氧)和包含钕的 NBCO(钕钡铜氧)这两种线材，由于有更好的磁场特性，将来有可能成为超导线材的主流。有人预言不久的将来将会出现室温超导体。四、发展前景n 超导技术的应用将会越来越广泛地造福人类，对超导电性机理的进一步的了解，将会对凝聚态物理学的发展以及相关边缘学科

11、的发展产生极为深远的影响。各国政府，特别是工业发达国家的政府，对超导研究极力支持，给以大量投资，这些国家有实力的公司对研究成果迅速引进，迅速转变为生产力，这些都有利于超导技术的发展。这也说明，政府、企业与超导专家、研究者，在对超导将起的作用的看法方面取得了共识。超导技术在 21 世纪必将占有重要地位。四、发展前景n 从高温超导材料的研究来看，经过近年我国的努力,超导材料已经开始大规模地生产利用。我国是较早进入超导技术研究领域的国家,我国也有着自己的优势,但是为了取得更大的进步,仍需要制备更符合我们发展实际情况的战略计划,仍需要在改进生产技术、提高产品应用率、降低生产成本等方面做更加深入的研究；而从制备工艺来看，线材下一步工作焦点在于，扩大长带制造规模，提高生产能力，满足商品化需要。该阶段成功的关键在于采用低成本大体积的制造方法。五、总结