特种陶瓷 课件 6.5 超导陶瓷（2009.11.13）

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6.5超导陶瓷本章主要内容：1历史发展2超导体及其分类3超导体的性质和测试4超导陶瓷的制造工艺5超导陶瓷的应用 1.历史发展1911年荷兰物理学家卡麦琳·翁纳斯(Kamerlingh·Onnes)研究水银在低温下的电阻时，发现当温度降低至4.2K以下，水银的电阻突然消失，呈现超导状态。后来又陆续发现了十多种金属（如Nb、Tc、Pb、La、V等）都有这种现象。1986年9月，IBM公司苏黎士研究实验室的科学家贝德尔茨（J.G.Bednorz）和米勒（K.A.Miller）成功地合成氧化物陶瓷超导体，临界温度一下突破30K，从而掀起了超导始上，也是物理学始上的发展浪潮。1987年10月，瑞士苏黎士研究所的这两位物理学家，由于在超导陶瓷材料研究中作出重大突破而获得诺贝尔物理学奖。 1987年2月，美国的朱经武、吴茂恩小组首先发现Y-Ba-Cu-O系统陶瓷超导体，Tc为98K。1988年1月，日本的米塔（Maeda）小组发现Bi-Si-Ca-Cu-O系统陶瓷超导体，Tc达到110K。1988年3月，美国的盛正直和荷曼（Herman）发现了Ti-Ba-Ca-Cu-O系统陶瓷超导体，Tc达125K。 由此可见，超导材料从发现至今的临界转变温度，两年内超导陶瓷的临界温度提高了近100K，为区别于低温的金属超导材料，这类陶瓷超导材料也被称为高温超导陶瓷。铊系超导材料的临界转变温度已高于120K，而通常人造地球卫星所处的太空层的空间温度恰为100~120K左右，所以如果采用铊系材料做成超导器件就有可能在卫星上直接工作。因此高温氧化物超导陶瓷的发现为超导材料的实用化迈出了具有历史意义的一步，也为超导体的理论研究提供了新的素材。 2.超导体及其分类2.1超导体超导体，是指当某种物质冷却到低温时电阻突然变为零，同时物质内部失去磁通成为完全抗磁性的物质。物质由常态转变为超导态的温度称其为超导临界温度，用Tc表示。判断材料是否具有超导性，有两个基本的特征：超导电性，指材料在低温下失去电阻的性质；完全抗磁性，指超导体处于外界磁场中，磁力无法穿透，超导体内的磁通为零。2.2超导体的分类（1）从材料来分，可分为三大类，即元素超导体、合金或化合物超导体、氧化物超导体（即陶瓷超导体）。（2）从低温处理方法来分，可分为液氦温区超导体（4.2K以下），液氢温区超导体（20K以下），液氮温区超导体（77K以下）和常温超导体。 3.超导体的性质和测试3.1超导体的性质超导材料有两个非常重要的性质：1）超导体的完全导电性。通常，电流通过导体时，由于存在电阻，不可避免地会有一定的能量损耗。而所谓超导体的完全导电性即在超导态下（在临界温度以下）电阻为零，电流通过超导体时没有能量的损耗。2）超导体的完全抗磁性。超导体的完全抗磁性是指超导体处于外界磁场中，能排斥外界磁场的影响，即外加磁场全被排除在超导体之外，这种特性也称为迈斯纳效应。 3.2超导体性能的测试超导体的性能很多，但表征超导材料的基本参量有：临界温度TC、临界磁场HC、临界电流IC和磁化强度M。其中TC、HC是材料所固有的性能，由材料基体电子结构所决定，是组织结构不敏感的超导性能参量。而IC对组织结构极为敏感。测量临界温度有不同的方法，主要有：1）电阻测量法。它是基于当样品进入超导态时，电阻变为零的一种测量方法。2）磁测量法。由常导态向超导态转变时，样品从顺磁性转变为抗磁性，磁化率将发生很大的变化。用这种方法可以测出任何形态，任何状态下的样品的临界温度。 4.超导陶瓷的制造工艺超导陶瓷的制备与一般陶瓷制造工艺相似。如原料的制备与处理，成型和烧成等。在工艺上，预烧处理，成型方法以及烧结程度对超导陶瓷有很大的影响。比如，以Y-Ba-Cu-O系超导体为例，烧结时若烧结温度过低，反应不完全；过高又会出现相分解。烧结时间也要合适，过长（如超过30小时）则出现宏观的相分凝现象，不同部位呈现不同颜色。例如，黑色区域是BaCuO2，灰黑色区域是Ba2YCu3O7-x，而绿色区域则是BaY2CuO5，只有Ba2YCu3O7-x才有高温超导性。 下面就Bi-Sr-Ca-Cu-O系统的高温超导陶瓷的制造工艺方法进行介绍：采用Bi2O3、SrCO3、CaCO3和CuO作原料。按Bi：Sr：Ca：Cu=1：1：1：2的比例进行配料。加乙醇在球磨筒内进行湿磨混料，干燥后压成大块进行预合成。预合成分两次进行：第一次在800℃/12小时下进行；第二次在820℃/12小时下进行。合成块料经粉碎、粉磨后，加PVD粘结剂进行造粒，压成圆片，放在氧化铝坩埚中，在860℃/12小时温度下进行烧结。 5.超导陶瓷的应用5.1在电力系统方面（1）输配电。根据超导陶瓷的零电阻的特性，可以无损耗地远距离的输送极大的电流和功率。（2）超导线圈。能制成超导储能线圈，用其制成的储能设备可以长期无损耗地储存能量，而且直接储存电磁能。（3）超导发电机。由于超导陶瓷的电阻为零，因而没有热损耗，可以制造大容量、高效率的超导发电机及磁流体发电机等。 5.2在交通运输方面（1）制造超导磁悬浮列车由于超导陶瓷的强抗磁性，磁悬浮列车没有车轮，靠磁力在铁轨上“漂浮”滑行，它是利用超导磁体和路基导体中感应涡流之间的磁性排斥力把列车悬浮起来，具有速度高，运行平稳，无噪声，安全可靠等特点。（2）超导电磁性推进器和空间推进系统。例如船舶电磁推进装置。其推进原理是：在船体内部，安装一个超导磁体，在海水中产生强大的磁场。同时，在船体侧面放一电极，在海水中产生了强大的电流。在船尾后的海水中，磁力线和电流发生交互作用，海水在后面对船体产生了强大的推动力。 5.3在选矿和探矿等方面在矿冶方面，由于一切物质都具有抗磁性或顺磁性，可以利用超导体来进行选矿和探矿等。5.4在环保和医药方面（1）在环保方面可以利用超导体对造纸厂、石油化工厂等的废水进行净化处理。（2）在医药卫生方面，生物体大都具有抗磁性，可以利用超导体作废水处理，以去除细菌、病毒、重金属等毒物。医学上可把磁分离用于将红血球从血浆中分离出。 5.5在高能核实验和热核聚变方面利用超导体的强磁场，使粒子加速以获得高能粒子，以及利用超导体制造探测粒子运动径迹的仪器。使用大体积高强度超导磁体，可以用于约束带电粒子的活动范围。比如受控核聚变研究产生的极端高温的等离子体就是用超导磁场约束在磁笼中。5.6在电子工程方面（1）利用超导体的性质（如约瑟夫逊效应）提高电子计算机的运算速度和缩小体积。（2）制成超导体的器件，如超导二极管，超导量子干涉器，超导场效应晶管，超导磁通量子器件等。 此外，用Y-Ba-Cu-O系超导做成的天线和发射机，其灵敏度是同样尺寸铜天线的十几倍。实验表明，高温超导应用于超高频可作毫米波通信，具有很宽的频带和很高的灵敏度，卫星系统可能只需几英寸直径的超导天线，电视画面也将更清晰。