功能材料(超导材料)-课件PPT(精)

要升压降压设备。 重量轻、体积小，输 送大功率的超导传输线可铺设在地下管
道内，从而省去了许多传输线的架设铁塔。
1.4.9. 超导材料的应用
从内到外，依次为： 管状支撑物（内通液氮）； 超导导体层（为电缆载流导体）； 电气绝缘层（工作在液氮低温环境下）； 超导屏蔽层（为超导带材绕制）； 液氮回流层（与管状支撑物内的液氮构成液氮回流循环）； 热绝缘层（为真空隔热套件）； 常规电缆屏蔽层和护层（与常规电力电缆类似） 。
1.4.4. 产生超导电性的原因
• BCS理论：
当在超导临界温度以下时，通过晶格振动（声子）为媒介 的间接作用使电子之间产生某种吸引力，克服库伦排斥从而导 致自由电子将不再无序地“单独行动”，并形成“电子对”。
BCS理论不能解释30K以上的超导现象，特别是高温超导。
电子对概念
❖当温度T<Tc时，超导体内存在大量的库珀
1.4.9. 超导材料的应用
零电阻效应 完全抗磁性 超导隧道效应
1.4.9. 超导材料的应用
超导电力传输(零电阻的应用）
✓ 超导输电电缆： 将超导电缆放于液氦冷却介质管道内，保证整条输电线路 在超导状态下运行。
✓ 超导电力传输的优点： 超导输电电缆比普通的地下电缆容量大25倍,电能消耗仅为所
输送电能的万分之几。 传统输电需要高压，因而有升压，降压设备。用超导线就不需
S1
S3
电 源
负
Ls S2
载
超导温度
超导储能基本原理示意图
❖充电：合上开关S1，打开S2和S3时，超导线圈Ls充电； ❖储能：合上S2，打开S1，在电路2中就有一个持续电流； ❖放电：合上S3，打开S2，储存的电能就传输到外部负载。
1.4.9. 超导材料的应用

第一类超导体在低于临界磁场HC的磁场H重处于超导态，表现出完全抗磁性，即在超导内部B=0；
原19因87：年B，C中S理国论科认学为家，赵正忠是贤由在于钇超-钡导-铜电-子氧C系o材o当p料e通r上对把的以临关低界联超效于导应临温，度使界提外电高磁到场流9很0值难K以进IC上入时，，液，从氮而在的导禁绝致区了缘（迈7薄斯7K纳层）效也上应被的突破电了压，这为使超导转变温
仍处于超导态，此称为混合态。
1第9二91类年超发导现体了有球两状个碳临分界子磁碳场60：在下掺临入界钾磁、场铯H、高C钕1和速等上元计临素界算后磁，机场也H等有C超2场。导合性。。 类1☆9似8同6分年子位，束米素外勒延效和这贝应种德先诺进尔薄茨膜发生现长了技一术种也氧已化经物发（展镧得-钡很-铜好-。氧化物陶瓷超导材料）
1987年底铊-钡-钙-铜-氧系材料又把临界超导温度的纪录提高到125K。
1991年发现了球状碳分子碳60在掺入钾、铯、钕等元素后，也有超导性。
1993年，人们发现了超导临界转变温度为133K的汞-钡-钙-氧系材料。
近年来，人们对超导电性的研究又不断取得新的进展，如 发现了新型超导体C60，C60被誉为21世纪新材料的“明星”， 由于它弹性较大，比质地脆硬的氧化物陶瓷易于加工成型，而 且它的临界电流、临界磁场和相干长度均较大，这些特点使 C60超导体更有望实用化。这种材料已展现了机械、光、电、 磁、化学等多方面的新奇特性和应用前景。有人预言巨型C240、 C540合成如能实现，还可能成为室温超导体。
若属想超利 导用材热料核的反临应界来温发度电范，围首为先0. 必须解决大体的非线性电
这种材料已展现了机械、光、电、
C当e外C磁u2场Si达2）到有H机C1超时导，材就料失（去如完富全勒抗烯磁等性），磁阻力线特开性始穿，过可超导制体成内部高，灵在达敏到度HC的2之磁前敏，超感导器体内件的，部分应区用域转在变超为正常态，其余

功能材料与结构材料相对，后者主要关注材料的强度、硬度、耐久性等结构特性，而功能材料则更注重 材料的特殊功能和用途。
功能材料的特性包括电、磁、热、光、化学、生物等性质，这些性质在特定的外部刺激下会发生改变， 从而实现对外部环境的响应和调控。
分类
根据功能性质，功能材料可以分为电子 功能材料、磁功能材料、热功能材料、 光学功能材料、化学功能材料和生物功 能材料等。
功能材料在水力发电、海洋能利用等领域 应用广泛，如水轮机叶片材料、海洋能转 换材料等。
生物医学领域
生物医学领域概述
功能材料在生物医学领域中具有广泛的应用前景，涉及医疗器械、生 物医用材料、药物载体等多个方向。
医疗器械领域应用
功能材料在医疗器械制造中应用广泛，如人工关节、心脏起搏器等医 疗设备材料。
根据应用领域，功能材料可以分为能源领域 功能材料、环境领域功能材料、医疗领域功 能材料、信息领域功能材料等。
根据材料的组成和结构，功能材料 可以分为金属功能材料、无机非金 属功能材料、有机功能材料和高分 子功能材料等。
02 功能材料的特性与性能
特性
物理特性
功能材料通常具有独特的物理特性，如超导性、半导性、 磁性、光学性能等。这些特性使得功能材料在特定条件下 能够表现出与众不同的性质。
化学特性
功能材料的化学特性包括稳定性、抗氧化性、耐腐蚀性等 。这些特性决定了材料在各种环境下的稳定性和使用寿命 。
生物特性
某些功能材料具有生物相容性，可以用于生物医学领域， 如人工关节、牙齿等。这些材料需要与人体组织有良好的 相容性，以减少排斥反应。
性能
力学性能
功能材料的力学性能包括硬度、 强度、韧性等。这些性能决定了 材料在受力条件下的表现，对于 材料的加工和使用具有重要意义 。

Ns
N
1
T Tc
4
一种从无序到有序的转变过程。超导态
有序度用 T
Ns T
N
描述。当T=Tc时，Ns=0，ω(Tc)=0；
T=0K时，Ns=N，ω(0)=1
超导现象的宏观解释-伦敦方程
超导现象的微观解释
同位素效应 电子-声子相互作用 库柏电子对 超导能隙
超导现象的微观解释-同位素效应
电阻率
含有杂质和缺陷的常导体 纯净常导体 超导体
温度（K）
超导现象的宏观解释-二流体模型
1934年，荷兰物理学家戈特和卡西米尔合 作提出了简单的二流体物理模型，模型认 为超导体中存在两种电子：
超导电子 正常电子
超导现象的宏观解释-二流体模型
二流体模型的要点
金属发生超导转变后，开始有一部份自由电子凝聚 为超导电子，因而全部电子N划分为两大类：一类 是超导电子Ns，另一类是正常电子Nn，这两部分 电子占据同一体积，在空间上相互渗透，彼此独立 运动。二者的关系可表示为 N=Ns+Nn ns=ω=Ns/N nn=1- ω=Nn/N
超导体会排斥磁场，这使得小的永久磁铁能够漂浮在大块 的高温超导体上。
发现者
Leon N. Cooper
1951年获文学学士 1953年获理学硕士 1954年获哲学博士 1956年，库珀提出了电子在运动过程中通常是
两个电子结伴而行的理论
两个电子之间通过交换声子（Phonon，晶格振动 的能量子）形成束缚态，同时，这两个电子之间
超导现象的解释
Cooper pair，superconductor，phonon
超导现象的宏观解释-二流体模型
物质产生电阻的原因在于两个方面：一是 原子的热运动（声子）对电子的散射，这 种电阻随温度的下降而降低；二是晶体缺 陷和杂质原子对电子的散射，它与温度无 关。在高温时以声子贡献为主；在低温时 ，不纯金属以杂质贡献为主，称为剩余电 阻。因此，要验证低温下金属电阻与温度 的关系，就要求金属愈纯愈好。

超导体发展简史
1986年: LaBaCuO(铜氧化物超导体); Tc达35K;
1987年: YBaCuO; Tc为92K,进入液氮温区;
1993年: HgBaCaCuO; Tc为135K(高压下163K);
有机超导体 1、 电荷转移复合物:最高Tc为12、5K; 2、 掺杂C60:钾掺杂—18K;铷掺杂— 28K;铯铷掺杂— 33K; 氯仿与溴仿结合C60— 117K; 3、 氧化聚丙烯:300K —700K; 4、 掺杂了钾与铷得菲:5K
B B0
Bx B0exp - x
B0 e
X O
磁场强度降为B0/e处距离超导体表面距离,称为穿透深度,通常用 表示; 在X > 区间:认为磁感应强度衰减到零;在0 < X < 区域,磁场可以穿透;
穿透深度约为10-5 ~10-6 cm。
由于超导体得完全抗磁性,在 X > 区域,磁力线不能穿过,因此电流不能由 超导体内通过,只能在表面穿透深度 得范围内流动;
Superconductor
② Hc1< H < Hc2: 超导体失去完全抗磁性,磁力线开始穿过超导体内部;并且随着外磁场得增大,
进入超导体内得磁力线逐渐增多;
Superconductor
H
超导区
正常区
磁力线进入超导体内,说明超导体内部分区域转变为正常态,其余部分仍处于 超导态,称这时得超导体处于混合态;
Schrieffer将电子对得物理图像与当时流行得舞蹈Frug作了类比,在这种 舞蹈中跳舞者在舞池中相互分离,中间隔了许多其它人,但就是她们始终就是一对 。
钉扎作用可以有效得提高临界电流密度Jc,在第二类超导体中产生晶格缺陷或 掺入杂质: ➢ 用各种粒子(中子或各种离子)辐照高温超导体后,其Jc可提高两个数量级; ➢工业生产得NbTi线,临界电流密度2×10-4 ~ 10-5A/cm2,一根没有缺陷得NbTi线, 临界电流密度几乎为零。

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而后朱经武发现的铊钡钙铜氧系合金的超导温度更 接近室温，达120K。使超导温度从极为寒冷的液氦区 进入到比较温暖的液氮区。
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二 超导基本原理
• 二流体模型
·BCS理论
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二流体模型
比热：
金属晶体的基本组成单位是原子，而原子又是
由原子核和核外电子组成，电子在金属内共有
外电子的吸引作用。这样两个电子通过晶格点阵发生
间接的吸引作用。
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库柏电子对
• 库柏(Cooper)证明：当2个 电子间存在净的吸引作用 时，在费米面附近就存在 一个动量大小相等、方向 相反且自旋相反的束缚态 ；它的能量比2个独立的电 子总能量低，这种2个电子 对的束缚态称为库柏对。
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BCS超导微观理论
1. 超导电性来源于电子间通过晶格作媒介所产生的相互吸引 作用，
2. 当这种作用超过电子间的库仑排斥作用时，电子会形成 束缚对，也就是库柏电子对，从而导致超导电性的出现。
3. 库柏对会导致能隙存在，超导临界场、热力学性质和大 多数电磁学性质都是这种库相对活动的结果。
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机理解释
L. N. Cooper认为超导态是由正则动量(机械 动量与场动量之和)为零的超导电子组成的，它是 动量空间的凝聚现象。要发生凝聚现象，必须有 吸引力的作用存在。
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电子在晶格点阵中运动，它对周围的正离子有吸
引作用，从而造成局部正离子的相对集中，导致对另
4.
5. 元素或合金的超导转变温度与费米面附近电子能态密度 N(EF)和电子-声子相互作用能U有关，可用电阻率来估计。

图2.1 迈纳斯效应示意图
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2. 超导材料的性质及超导现象的机理
☼ 迈纳斯效应的机理：
迈斯纳效应，常常概括说成：超导体具有“完全的抗磁性”，即在超导体内部保
持磁感强度B=0，应该注意到的是，完全抗磁性并不是说磁化强度M和磁场强度H均
为0。
根据B=μ0（H+M），有
（2.3）
以球形样品为例，球形样品均匀外磁场中将沿磁场方向均匀磁化。如果磁化强度
从图2.2中可见： 在T一定的前提下，H<HC时，gs<gn； H>HC时，gs>gn
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2. 超导材料的性质及超导现象的机理
2.2.2 超导转变过程中熵的变化
根据有关热力学方程可推得：
sn ss 0HC dHC(T )
dT
（2.11）
由公式（2.10）可得将HC(T)对T求导一定 小于0，这已经有实验结果证实（见图2.3）。
序状态随温度增加而不断瓦解。
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2. 超导材料的性质及超导现象的机理
☼ 2.3 超导体唯象理论的发展： 2.3.1 二流体模型
1934年，戈特和卡西米尔根据超导电性的某些热力学性质提出了超导态的二 流体模型，认为超导态比正常态更为有序是由共有化电子发生某种有序转变而引 起的。
该理论提出超导电子的概念，指出：超导电子不受晶格振动的影响，用NS表 示其浓度，用秩序度ω(T)表示超导电子占总电子浓度N的比例：
(T ) NS(T )
N
当 T>TC 时，NS(T)=0，ω(T)=0；当 T<TC 时，0<ω(T)<1；当 T=0K 时， NS(T)=N，ω(T)=1。
这是一个不成熟的模型，无法从根本上解释超导机制，基本假设为超导相中共 有电子凝聚成高度有序的超导电子，但却对凝聚过程没有加以说明。

图3 Sn在正常态和超导态下的比热
二、第二类超导体的特征 1. 临界温度Tc
一般情况下，第二类超导体的临界温 度比第一类超导体的临界温度高。 2. 临界磁场Hc
第二类超导体有两个临界磁场：下临 界磁场(Hc1)和上临界磁场(Hc2)。Hc1值较 小，Hc2比Hc1高一个数量级，而且大部分 第二类超导体的Hc2比第一类超导体的Hc 要高得多。在温度低于Tc条件下，外磁场 小于Hc1时，第二类超导体的性能与第一 类超导体相同，处于完全抗磁性状态。
为正常态。此时，单位截面积上承载的电流值 称为临界电流密度Jc。 根据西尔斯比定则，对半径为a的超导丝所形 成的回路，有如下关系：
Ic

1 2
aHc
由于第一类超导体的Hc都不大，Ic也较小，
使第一类超导体不能实用。
2. 零电阻率 零电阻率是超导体的一重要的特性。当超
导体的温度接近临界温度时，其电导率可视为 无限大，因而可承载很大的电流，只要这个电 流不超过临界电流Ic，超导体内电流的流动就 可看成是无阻的，热损耗也可忽略不计。若用 这样的超导体组成一个闭合回路，一旦回路中 激发起电流，该回路内的电流将持续下去。由 于超导体的电阻为零，所以电流在超导体内流 动时，导体内任意两点间的电势差为零，则整 个导体是一个等势体。
3. 临界电流Ic 对于第二类超导体，在Hc1以下行为与第
一类超导体相同，其Ic也可以按第一类超导体 考虑。当第二类超导体处于混合态时，超导体 中正常导体部分通过的磁力线与电流作用，产 生了洛伦兹力，使磁通在超导体内发生运动， 要消耗能量。在这种形式下，只能以电功率的 损失补充这部分能量，换句话说，等于产生了 电阻，临界电流为零。但超导体内总是存在阻 碍磁通运动的“钉扎点”，如缺陷、杂质、第 二相等。随着电流的增加，洛伦兹力超过了钉 扎力，磁力线开始运动，此状态下的电流是该 超导体的临界电流。

☆超导电机 在大型发电机或电动机中，一旦由超导体取代铜材则可望实现电阻损耗极小的大功率传输 。在高强度磁场下，超导体的电流密度超过铜的电流密度，这表明超导电机单机输出功率 可以大大增加。在同样的电机输出功率下，电机重量可以大大下降。小型、轻量、输 出功率高、损耗小等超导电机的优点，不仅对于大规模电力工程是重要的，而且对于航海 、航空的各种船舶、飞机特别理想。 ☆在核能开发中的应用 若想利用热核反应来发电，首先必须解决大体积、高强度的磁场问题。产生这样磁场的磁 体能量极高，结构复杂，电磁和机械应力巨大，常规磁体无法承担这一任务。只有通过超 导磁体产生强大的磁场，将高温等离子体约束住，并且达到一个所要求的密度，这样才可 以实现受控热核反应。
超导理论能较好的说明超导现象和第一类超导体的性质，但是尚不能完满解决完全抗 磁性的问题，随着超导材料的发展，BCS理论出现很多不足，超导理论尚不成熟。
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四.超导材料分类
☆超导材料包括的材料大类：常规超导体（如铌钛合金）高温超导体（如YBa2Cu3O7-x）、 非晶超导材料、复合超导材料（如超导线带材料）、重费米子超导体（如 CeCu2Si2）有机超导材料（如富勒烯等） ☆按临界转变温度来分 1.低温超导材料 具有低临界转变温度（TC＜30K＝在液氦温度条件下工作)的超导材料，分为金属、合金 和化合物 。在常压下有28中元素具有超导特性，其中铌和铅在实际中应用较广.合金系低 温超导材料是以为基的二元或三元合金组成的β相固溶体，TC在9K以上。如铌锆合金，铌 钛合金。超导化合物有如Nb3Sn ，V3Ga 等。 2.高温超导材料 具有高临界转变温度(TC>77K)在液氮温度条件下工作的超导材料,主要为多元系氧化物 包括铋系、钇系、铊系、汞系等高温超导体系，如钇钡铜氧系材料。 ☆按超导体的磁化特性不同可分为两类： 第一类超导体在低于临界磁场HC的磁场H重处于超导态，表现出完全抗磁性，即在超导内 部B=0；在高于HC的磁场中则处于正常态。 第二类超导体有两个临界磁场：下临界磁场HC1和上临界磁场HC2。当外加磁场低于HC1时， 第二类超导体也表现出完全抗磁性；当外磁场达到HC1时，就失去完全抗磁性，磁力线开 始穿过超导体内部，在达到HC2之前，超导体内的部分区域转变为正常态，其余仍处于超 10 导态，此称为混合态。在混合态时，超导体既具有抗磁性（不完全），又仍没有电阻 。当H=HC2时，超导区消失，整个材料都变为正常态。

物质就称为超导体 ( superconductor ) 。
超导体在刚刚进入超导态的温度叫作 超导临
界温度 ( superconducting critical temperature )，
用 Tc 表示。即T<Tc 时，电阻为零，T>Tc时，超
导体出于正常态。 2020/12/27
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如何理解超导体的”零电阻”
2.临界磁场效应（Hc ）
当超H导c (体T处) 于= 超Hc导(态0 时) [，1当－外(磁T场／强T度c )超2 ]过某一数
值Hc时，超导电性被破坏，超导体会突然就变成正常导
体，出现了电阻。Hc被称为临界磁场强度。
实验表明对一定的超导体
临界磁场是温度的函数。
Hc ( T ) = Hc ( 0 ) [ 1 － ( T ／Tc ) 2 ]
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零电阻是超导体最基本的特性，它意味 着电流可以在超导体内无损耗地流动，使电 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 载流密度，可用以形成强磁场或超强磁场。
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发现超导电性后，昂内斯即着手用超导体来 绕制强磁体，但出乎他的意料，超导体在通上不 大的电流后，超导电性就被破坏了，即超导体具 有临界电流Ic。
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在临界温度Tc，临界电流为零，这个现象可 以从磁场破坏超导电性来说明。
当通过样品的电流在样品表面产生的磁场达 到Hc时，超导电性就被破坏．这个电流的大小就 是样品的临界电流。
临界电流随温度变化的关系有
T2 IC(T) IC0[1TC2]
式中，Ｉc０是绝对零度时的临界电流。
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