高温超导材料的研究与应用进展-研究生课程PPT.ppt

二、高温超导体的研究现状
4.铊系超 导体
5.汞系超 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Tl2223相超导体具有最高Tc 值(1215K)。
2.铋系超 导体
铋系超导体是仅次于钇系、第二个研究较为透彻的高 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20～40K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。
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 (Φ250μm)，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
3.ห้องสมุดไป่ตู้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RABiTS／MOD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 A／cm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 A／cm宽的 要求。电缆应用感兴趣的4 mm宽带，最新结果为272 A／cm 宽，几乎相应为100A，采用双面结构会加倍到220 A，刚高于 目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。

超导技术在军事工业中也可 以发挥其特有的作用，超导扫雷 具就是其中之一。超导扫雷具的 工作原理是：超导扫雷具模拟舰 船磁场特性，采用两根大电流电 缆在海水中形成电极，并与海水 组成闭合电路产生磁场，或者在 船上安装一个电磁体产生磁场， 从而得以将磁水雷引爆
(6)科学工程和实验室应用
• 科学工程和实验室是超导技 术应用的一个重要方面，它 包括高能加速器、核聚变装 置等。高能加速器用来加速 粒子产生人工核反应以研究 物质内部结构，是基本粒子 物理学研究的主要装备。
当通过超导体中的电流达到某一特定值时， 又会重新出现电阻，使其产生这一相变的电 流称为临界电流 临界磁场(Hc): 逐渐增大磁场到达一定值后，超 导体会从超导态变为正常态，把破坏超导电 性所需的最小磁场
临 界 温 度
(Tc)
临界磁场
逐渐增大磁场到 H 达一定值后，超导体 会从超导态变为正常 Hc(0) 态，把破坏超导电性 所需的最小磁场称为 临界磁场，记为Hc。
超导发电机
在电力领域，利用超导线 圈磁体可以将发电机的磁场强 度提高到5万～6 万高斯，并且 几乎没有能量损失，这种发电 机便是交流超导发电机。超导 发电机的单机发电容量比常规 发电机提高5～10倍，达1万兆 瓦，而体积却减少1/2，整机重 量减轻1/3，发电效率提高50％
超导限流器
超导限流器是利用超 导体的超导/正常态转变 特性，有效限制电力系 统故障短路电流，能够 快速和有效地达到限流 作用的一种电力设备。 超导限流器集检测、触 发和限流于一体，反应 速度快，正常运行时的 损耗很低，能自动复位， 克服了常规熔断器只能 使用一次的缺点 。
巴丁、库柏、施里弗
巴丁、库柏、施里弗获得了1972年诺贝 尔物理奖
BCS理论的三个观点

高温超导材料
高温超导材料的研究与应用进展
汇 报 人： 学 号： 汇报时间：2017年1月8号
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高温超导材料的概念 高温超导材料的研究现状
影响高温超导材料研究的因素
高温超导材料的制备工艺 高温超导材料的应用和发展前景
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1、高温超导材料的概念
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。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。 高温超导材料：是指具有高临界的转变温度(Tc)，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，多 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、高临界转变温度等特殊性质，将使高 温超导材料在生活生产各个领域得到广泛的应用。
2、高温超导材料的研究现状
目前的高温超导材料 目前高温超导材料主要是：钇系(92 K)、 铋系(110 K)、铊系(125 K)和汞系(135 K) 以及新发现的新型超导体二硼化镁(39 K)。 其中最有实用价值的是铋系、钇系(YBCO) 和二硼化镁(MgB)。 近年来，超导材料和超导应用技术已经取 得了重大进展，铋系氧化物(铋锶钙铜氧， BSCCO)和钇系氧化物(钇钡铜氧，YBCO)材 料的发现使高温超导材料走入实用化阶段。 基于高温超导材料的交流损耗低及高载流 能力等特点，其在电力、通信、工业、国 防等诸多领域具有广阔的应用前景。
薄膜表面等离子激元和增强透射效应
体现象和增 强透射现象；用超导体做成的人造材料的增强透射谱随着超导体进入超导态 而发生改变。这可能将为研究物质的特性找到了一种新的研究方法。

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发展历程
• 1911年，荷兰科学家H. K. Ones 利用低温技术研究金属的电阻特性时发现Hg在温度 低至4.2K时电阻降为零。后人把这种状态叫超导态。并把电阻突然降为零的温度 称为临界温度，记为Tc。
• 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4.2K提高到铌 三锗的23．22K，才提高了19K,科学家们用乌龟来形容这个程度。
• 一个比较形象的理解：当一个电子在晶格中运动时，由于异性电荷相吸而导 致局域晶格畸变，当另外一个电子通过时，会感受到第一个电子通过时导致 的晶格畸变的影响，从而在两个电子之间产生间接吸引相互作用，这就是 “库珀对”，其总动量和总自旋为零。所有电子对在运动过程中能够保持 “步调一致”（相位相干，即相位相同），即使受到杂质等散射也将保持总 动量不变，从而在外加电场作用下能够不损失能量而运动——这种现象就是 超导。所以说，超导是微观量子凝聚态的宏观表现。
• （3）临界电流密度Jc：当通过超导体的电流密度超过临界电流密度Jc时， 超导体由超导体恢复为正常状态。临界电流密度Jc与温度、磁场强度有关。
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实验检验
为了证实（超导体）电阻为零，科学家将一 个铅制圆环，放入温度低于Tc=7.2K的空间， 利用电磁感应使环内激发起感应电流。结果 发现，环内电流能持续下去，从1954年3月16 日始，到1956年9月5日止，在两年半的时间 内的电流一直没有衰减，这说明圆环内的电 能没有损失，当温度升到高于Tc时，圆环由 超导状态变正常态，材料的电阻骤然增大， 感应电流立刻消失，这就是著名的昂尼斯持 久电流实验。
的崔田教授组在“传统
高温超导体”的研究上

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• 在最初发现超导体之后很多年，人们才 知道世界上存在不止一种类型的超导体。 那种不允许磁场穿过的，是第一类超导 体。而阿布里科索夫在1953年的研究表 明，还存在第二类超导体，这种超导体 允许磁场穿过。
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*超导体的分类
第一类超导体
• 在超导态是理想的 抗磁体 (Meissner态)。 HC：临界磁场 当H>HC, 转变为正常态
HoNi2B2C Fe3Re2 GdMo6Se8 CoLa3 MnU6 AuZn3
7.5 K (Borocarbide) 6.55K 5.6K (Chevrel) 4.28K 2.32K (Heavy Fermion) 1.21K
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1957年阿布里科索夫进一步求解GL方程，从而预见了第二类超导体混 合态的磁通结构。经过近十年的发 展，逐步形成了具有微观理论基础 的GLAG理论。其中，最后一个G代 表 戈 尔 柯 夫 （ Gor’kov ） ， 是 他 G-L 方程可有微观理论导出，并给出G-L 理论的有效适用条件
Magnetic levitation
Superconductor
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2008-9-11
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02 h e2.0710 15T eslam 2
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3.超导体电动力学的建立
• 伦敦兄弟于1935年提出的伦敦方程是第 一个对超导体的电动力学作统一描述的 理论。该理论不仅说明了超导体的各种 电磁性质，而且也解释了前述的迈斯纳 效应。该理论指出：在超导态，处于外 磁场中的超导体内并不是完全没有磁场， 实际上外磁场可以穿透到超导体表面附 近很薄的一层中，其穿透深度约为十万 分之一厘米。
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汞的电阻在4.2K附近消失

超导材料
高温超导基片
目前，我国高温超导技术已奠定了较好的基础，其中，钇系 块材料已成功地应用于世界首辆高温超导磁悬浮列车。虽然我国 铋系和钇系超导材料实现了批量化生产，但针对不同的应用，其 性能仍需进一步提高。
未来值得关注的研究内容包括：
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• 制备技术的低成本化。
6.5.10 微型元件制备技术
近年来微型元件制备技术，已成为一个重要的发展方向。 在21世纪，渗透到科学技术各个部门的一个关键技术就是微系 统技术（micro-system-technology），上海在2003年成立微系统 研究所。香港在2004年5月成立微技术制造科技中心。
有人认为微系统技术是纳米技术和人类社会的纽带。它在资 讯科技、通讯、光电子、医疗、汽车等领域有着广泛的应用。它 已成为提升竞争力的关键要素。它影响着人类生活的多方面。计 算机和手机中就利用微系统技术制造的万亿个元件完成其功能， 使人们可以在信息世界中遨游。
据报道，目前德国已经有三个单位（Research Centre in Karlruhe，Ulm Univerity，Fraunhofer Institute）进行微电子元件及微机研制。认为将来可能 发展出成吨的微型制品，微型结构与功能瓷之间的联结， 将创造很大的经济价值及发展机遇。
国际上已经发展出一些结构部件，如显微光学、显微驱动、显 微流动、显微医疗等以及微型泵、微混合器、吸附器、微型反应 器等，并实现连续生产。
微型技术中所用的陶瓷材料主要为压电铁电等功能陶瓷，但也 常涉及氧化铝瓷、氧化锆瓷及羟基磷灰石瓷等。
微型机械产品
微 型 探 针
微
型
加
热
微型昆虫
器
近日，美国伊利诺斯州立大学化学工程师研制出世界上最小的燃料 电池，只有3毫米大小。研究人员称这种微型氢燃料电池有望代替目前 便携式产品中的电池。

The problem
• The question is whether or not the magnetic field exist in a superconductivity ball hull ?• 源自he key :not exist.
The history of the superconductive
• People call this phenomenon“Meisner effect”。
• Two important characteristics of the superconductivity ： Zero electric resistances and anti- magnetisms。
In 1908, H. Kamerlingh- Onnes of an university of Holland carry out the liquefaction of He for the very first time, acquiring the low temperature of the 4.2 Ks(-268.8 ℃s), opening a convenient door for studying under the low temperature condition the material conducted electricity.
The detection of the heat superconductive
Since the super electrical conductivity was discovered, through the effort of more than 70 years, the critical temperature of the normal regulations superconductivity can raise only 23.22 Ks. Because only the liquid He appear the ability above superconductive phenomenon. But He, a kind of rare air, as a result， limitted the superconductive application consumedly.In the early 60's , the people are always at investigate about raising the liquid nitrogen (77 Ks) to the superconductive critical temperature above of way, this is the superconductive research of heat.But in 1986,the superconductive research of the beginning of year heats obtained breakthrough development. the physicist Mueller and Bednorzs discovered the heat copper oxide superconductivity La2xBaxCuO4,and the superconductive critical temperature amounts to the 40 Ks.

高温超导材料研究及应用引言高温超导材料的发现和应用，是超导技术领域中的一大突破。

20世纪80年代，高温超导材料首次发现于普通温度下，开创了超导材料制备的新时代。

高温超导材料因具有低电阻、强磁性、高传输电流密度等优点而备受关注，也被广泛应用于各个领域。

本文将系统地介绍高温超导材料的研究进展、特性及其应用。

一、高温超导材料的研究进展高温超导材料属于铜氧化物超导体系，与低温超导体系不同，其超导特性与晶格的输运有关，其相变温度高，一般在液氮温度（77K）以上，目前最高的属于氧化镧系列，可以达到135K。

高温超导材料研究始于20世纪80年代，该领域的突破取得了很多里程碑式的成果，以下为一些代表性的事件：1. 1986年，康普顿等人在氧气气氛下对氧化铜粉末进行了热处理，制备出了具有超导性能的样品。

这一发现拉开了高温超导材料研究的序幕。

2. 同年，霍尔与穆勒等人在YBa2Cu3O7材料中发现了高温超导现象，发现温度可以达到90K，这一事件是高温超导材料发展的里程碑式事件。

3. 1987年，约翰·巴德因在研究金属合金过程中，发现了一种新的金属氧化物超导材料Bi2Sr2CaCu2O8（BSCCO-2212），其耐高温性能远远优于前人研究成果。

4. 1993年，日本和美国的科学家分别在氧化铋中发现了高温超导现象，相变温度分别为110K和92K。

这一发现意味着高温超导材料的研究又迈上了一个新台阶。

以上事件仅是高温超导材料研究进展的冰山一角，目前，高温超导材料的研究正在不断深入，研究重点越来越多的转向超导机制、材料制备工艺及成分优化方面。

二、高温超导材料的特性1. 低电阻性能高温超导材料的最大特点是具备低电阻性能，当低温特定一档时，超导材料内的电阻将几乎为零，电流可以自由流动，材料具有极强导电性能。

2. 强磁性因为高温超导材料的超导能力强，因此具备较强的磁场排斥作用。

在外部磁场下，高温超导材料可以表现出强磁性。

涨落与关联：涨落与关联是高温超导物理机制中的重 要概念，涨落是指系统中的随机波动，而关联则是指 这些波动之间的相互作用。在高温超导中，涨落与关 联会影响电子的行为，促使它们形成库珀对。
涨落与关联
涨落
涨落是指系统中的随机波动，这些波 动可以影响电子的行为。在高温超导 中，涨落会影响电子的分布和运动状 态，促使它们形成库珀对。
高温超导机理的研究
深入理解高温超导的机理是推动其应用的关键，科研人员正在从微 观角度揭示高温超导的奥秘。
高温超导技术的应用研究
科研人员正在积极探索高温超导材料在不同领域的应用，以推动其 产业化进程。
THANKS
高温超导的特性
总结词
高温超导材料具有高临界温度、高载流能力、低能耗等特性。
详细描述
高温超导材料在临界温度以上表现为正常导体，而在临界温度以下则转变为超导体，实现零电阻状态。由于其高 载流能力，高温超导材料可以传输大电流而不会产生显著的能量损失。此外，由于其低能耗特性，高温超导材料 在电力传输和磁悬浮等领域具有广阔的应用前景。
传输的损耗。
医疗设备
高温超导材料在医疗设备领域也有 广泛应用，如核磁共振成像仪等， 可以提高设备的性能和精度。
交通领域
高温超导材料在交通领域的应用前 景广阔，如磁悬浮列车、高速列车 等，可以提高交通工具的运行速度 和稳定性。
高温超导的研究动态
新型高温超导材料的研发
科研人员正在不断探索新型的高温超导材料，以提高其超导温度 和稳定性。
高温超导课件
目录
• 高温超导简介 • 高温超导的物理机制 • 高温超导材料 • 高温超导的应用前景 • 高温超导的挑战与前景
01
高温超导简介
高温超导的定义

而 YBCO具有更为优异的磁场下性能，是真 第二代YBCO高温超导带材：
其中最有实用前途的是铋系、钇系（YBCO）和二硼化镁（MgB2）。 想得到性能优良的高温超导器件就必须有质量很好的薄膜，但由于种种因素使制备高质量高Tc超导薄膜具有相当大的困难。
正的液氮温区下强电应用的超导材料。 研究YBCO超导块材的目标之一是利用它在超导态下的迈斯纳效应及磁通钉扎特性导致的磁悬浮力，应用于超导轴承、贮能以及磁浮列车等。
有较好晶体取向的Bi系线带材,即把Bi（Pb）-Sr-Ca-CuO粉装入金属管（Ag或Ag合金）中进行加工和热处理的
方法。
• B. 第二代YBCO高温超导带材：
由于第一代Bi系带材 的高成本以及它的一些性能
问题如磁场下临界电流的急剧衰减等，使得基于 想得到性能优良的高温超导器件就必须有质量很好的薄膜，但由于种种因素使制备高质量高T系、钇系（YBCO）和二硼化镁（MgB2）。 其中最有实用前途的是铋系、钇系（YBCO）和二硼化镁（MgB2）。 高温超导体属于非理想的第II类超导体，且具有比低温超导体更高的临界磁场和临界电流，因此是更接近于实用的超导材料
• C. 新型MgB2超导线带材： 2001年1月，日本科学家发现了临界转变温度 为39 K的MgB2超导体。
3.薄膜
• 想得到性能优良的高温超导器件就必须有质量 很好的薄膜，但由于种种因素使制备高质量 高Tc超导薄膜具有相当大的困难。
高质量的外延YBCO薄膜的Tc在90K以上，零 磁场下77K时，临界电流密度已超过 1×106A/cm2，工艺已基本成熟，目前有了一 批高温超导薄膜电子器件问世。
综合制冷成本和材料成本，MgB2超导体在
20~30 K，低场条件下应用具有明显的价格优势，

《高温超导材料》PPT课 件
高温超导材料是当前物理学研究的热点之一，本课件将介绍高温超导材料的 结构、性质、制备方法和应用领域，深入探讨其可持续能源和电子技术的潜 力。
超导体的概念
1 定义与特点
介绍超导体及其独特的电性质，包括零电阻和磁场应和BCS理论。
阐述高温超导体的物理性能和工 程性能，如临界电流密度和强磁 场性能。
应用前景
探索高温超导体在可持续能源和 电子技术领域的应用前景，如电 力输送和能源存储。
高温超导体的应用
能源领域
介绍高温超导体在电力输送、 能源存储和超导发电等方面的 应用。
电子技术
探讨高温超导体在电子器件中 的应用，如量子比特和传感器 等。
高温超导体的结构与性质
晶体结构 电学性质 磁学性质
探讨高温超导体的晶体结构和相关物理性质，如 层状结构和关键杂质的作用。
介绍高温超导体的电导率、电阻率和超导临界温 度等相关电学性质。
分析高温超导体在不同磁场下的行为，包括磁化 曲线和磁通量量子。
高温超导体的制备与性能
制备方法
物理性能
探讨高温超导体的不同制备方法， 如固相法和溶液法。
其它领域
探索高温超导体在医学、航空 航天和超导磁悬浮等领域的潜 在应用。
总结
1 发展历程
回顾高温超导体的发展历程，从基础研究到实际应用的转变。
2 未来发展
展望高温超导体的未来发展方向，如材料优化和应用领域的拓展。
3 价值与意义
强调高温超导体的重要价值和对可持续发展和技术进步的意义。
3 常见超导体
列举一些常见的超导体材料，如铅、铁基和镧系超导体。
高温超导体的定义和发现历史
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定义与突破
解释高温超导体的概念和创造性突破，突破传统超导温度上限。

2023
REPORTING
高温超导材料的研究 与应用进展研究生课 程课件
2023
目录
• 高温超导材料的基本概念 • 高温超导材料的物理性质与机制 • 高温超导材料的应用领域与前景 • 高温超导材料的研究挑战与展望 • 案例研究：高温超导材料在电力传输中的实际
应用
2023
PART 01
高温超导材料的基本概念
2023
REPORTING
THANKS
感谢观看
高温超导材料的磁学性质
总结词
高温超导材料的磁学性质对其超导性能具有重要影响，也是研究其超导机制的重要手段。
详细描述
高温超导材料在正常态和超导态下都具有复杂的磁学性质，如反铁磁性、顺磁性和自旋涨落等。这些磁学性质与 材料的电子结构和晶格振动密切相关，对于理解高温超导材料的超导机制和优化其超导性能具有重要意义。
高温超导材料的超导机制
总结词
高温超导材料的超导机制涉及到复杂的电子相互作用和晶格振动，是当前物理学 研究的热点问题。
详细描述
高温超导材料的超导机制涉及到电子与晶格的相互作用，以及电子之间的库仑相 互作用。目前，尚无完整理论能够解释高温超导材料的所有实验现象，但已有一 些理论模型和实验结果为进一步研究提供了重要线索。
量子雷达
高温超导材料可以用于构建高分 辨率和高灵敏度的量子雷达系统
，实现目标探测和识别。
2023
PART 04
高温超导材料的研究挑战 与展望
REPORTING
高温超导材料的稳定性与可靠性问题
稳定性
高温超导材料在应用中需要保持稳定 的超导状态，研究如何提高其稳定性 是关键问题之一。
可靠性
高温超导材料的可靠性与其稳定性密 切相关，需要研究如何保证其在长期 使用中保持稳定的超导性能。