《超导体陶瓷》PPT课件.ppt

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1、,特种陶瓷材料第5章 超导体陶瓷,北方民族大学 陆有军,2023/8/1,新型陶瓷材料,2,第5章 超导体陶瓷,应掌握的内容,1、超导体材料的基本性质 2、超导陶瓷的基本体系 3、超导陶瓷的制备,教学目的和要求,2023/8/1,新型陶瓷材料,3,应了解的内容：,1、超导体陶瓷的发展 2、超导陶瓷的应用,第5章 超导体陶瓷,教学目的和要求,2023/8/1,新型陶瓷材料,4,本章内容：,5.1 历史发展 5.2 超导材料的基本性质5.3 超导材料的基本体系及超导晶相5.4 超导陶瓷的制备5.5 超导陶瓷的应用,第5章 超导体陶瓷,2023/8/1,新型陶瓷材料,5,超导（1911发现）:温度低

2、于一定值时，材料中的电子可以自由无阻地移动，形成无电阻电流固体失去电阻。超流（1930发现）：温度低于一定值时，液体会作完全无粘滞的流动。如把液氦放在一个敞口的容器中，液氦会顺着器璧自动爬升并溢出容器外液体完全失去粘性。,第5章 超导体陶瓷,超导、超流 低温物理学中两个有趣的物理现象,2023/8/1,新型陶瓷材料,6,本章内容：,5.1 历史发展 5.2 超导材料的基本性质5.3 超导材料的基本体系及超导晶相5.4 超导陶瓷的制备5.5 超导陶瓷的应用,第5章 超导体陶瓷,2023/8/1,新型陶瓷材料,7,瑞典皇家科学院03年10月7日宣布，2003年诺贝尔物理学奖授予拥有俄罗斯和美国双重

3、国籍的科学家阿列克谢阿布里科索夫、俄罗斯科学家维塔利金茨堡以及拥有英国和美国双重国籍的科学家安东尼莱格特，以表彰他们在超导体和超流体领域中做出的开创性贡献。,第5章 超导体陶瓷,超导诺贝尔,2023/8/1,新型陶瓷材料,8,第5章 超导体陶瓷,超导诺贝尔,阿列克谢阿布里科索夫主页俄国/美国物理学家，美国阿贡国家实验室维塔利金茨堡主页俄国物理学家，俄国列别捷夫物理研究所 安东尼莱格特主页英国/美国物理学家，美国依利诺大学乌班纳香槟分校物理系,2023/8/1,新型陶瓷材料,9,第5章 超导体陶瓷,1911.4，人类首次看到超导现象昂内斯发现纯汞超导相变；一年后发现锡、铅超导相变昂内斯荷兰Lei

4、den大学学者Kamerlingh Onnes,1913.3，首次使用超导电性,5.1 历史发展,2023/8/1,新型陶瓷材料,10,第5章 超导体陶瓷,1911.4，Tc：20K,1988.3，Tc达125K美国,1987.2，Tc达98K美国,1986.9，Tc达30KIBM公司 合成氧化物超导体,5.1 历史发展,更正：D-O,1988.1，Tc达110K日本,高温超导陶瓷,2023/8/1,新型陶瓷材料,11,本章内容：,5.1 历史发展 5.2 超导材料的基本性质5.3 超导材料的基本体系及超导晶相5.4 超导陶瓷的制备5.5 超导陶瓷的应用,第5章 超导体陶瓷,2023/8/1,

5、新型陶瓷材料,12,5.2.1 零电阻现象,温度降低到某值以下时，材料电阻突然消失（电阻近似为零）的现象。,第5章 超导体陶瓷,5.2 超导材料的基本性质,2023/8/1,新型陶瓷材料,13,几个概念 临界温度Tc超导材料从正常态向超导态转变时的温度，因此时电阻为零，亦称零电阻温度Tco。起始转变温度Tconset温度上升过程中使电阻开始偏离线性时的温度。Rn电阻随温度上升过程中开始偏离线性时的值；中点转变温度Tcm电阻下降至起始转变点所对应电阻一半处的温度 零电阻温度Tc0 电阻变为零时的温度 转变宽度T电阻在0.10.9Rn范围所对应的温度范围。超导相变超导体从非超导态转变为超导态。,第

6、5章 超导体陶瓷,5.2 超导材料的基本性质,5.2.1 零电阻现象,2023/8/1,新型陶瓷材料,14,5.2.2 临界电流和临界磁场,临界电流 Ic超导体因电流增大出现电阻时的电流。即使超导电性破坏的最小电流。电阻的出现，使材料从超导态变到正常态。意义：临界电流密度Jc单位截面积流过的临界电流。,JcIcA 105A/cm2,第5章 超导体陶瓷,5.2 超导材料的基本性质,2023/8/1,新型陶瓷材料,15,外加磁场增至超导体出现电阻时的磁场。即破坏超导态的最小磁场。此时材料从超导态转变为正常态。,2.临界磁场 Hc,第5章 超导体陶瓷,5.2 超导材料的基本性质,5.2.2 临界电流

7、和临界磁场,Jc,Tc,Hc,Tc、Jc、Hc三个量限制了超导 范围；由三个量围成的曲面是正常态 向超导态转变的临界态。三个量必须处于该曲面之下 时，材料才处于超导态。,Tc、Jc、Hc是约束超导现象的三大临界条件。,2023/8/1,新型陶瓷材料,16,临界电流密度和临界磁场是超导陶瓷应用的重要指标应用意义：临界电流密度表明超导材料承载电流负荷的能力。只有能承载一定负荷电流的超导材料才是有用的。临界磁场超导材料抗外界磁场干扰的能力。足够高的临界磁场是材料能在一定外磁场干扰下稳定工作的先决条件。,第5章 超导体陶瓷,5.2 超导材料的基本性质,5.2.2 临界电流和临界磁场,2023/8/1,

8、新型陶瓷材料,17,温度降至Tc以下，样品内部磁感应强度为零 B=0 的现象。此时超导体内的磁力线被完全排除在外。,5.2.3 迈斯纳尔效应,第5章 超导体陶瓷,5.2 超导材料的基本性质,迈斯纳尔:Meissner，德国物理学家,2023/8/1,新型陶瓷材料,18,5.2.3 迈斯纳尔效应,第5章 超导体陶瓷,5.2 超导材料的基本性质,迈斯纳尔效应体现了材料的抗磁性。宏观现象：可使超导体在磁场中悬浮。,超导材料的抗磁过程,Ssuperconduct超导态,S,这种现象实际生活中有吗？,Nnormal正常态,2023/8/1,新型陶瓷材料,19,5.2.3 迈斯纳尔效应,第5章 超导体陶瓷

9、,5.2 超导材料的基本性质,迈斯纳尔效应是材料出现超导电性的另一个重要判据，也是诸多应用如超导磁屏蔽、磁悬浮等的理论基础。,由迈斯纳尔效应超导性可表述为：在温度降至Tc以下，材料的电阻和体内磁感应强度都突然变为零的现象。,2023/8/1,新型陶瓷材料,20,5.2.4 I类、II类超导体,根据非超导态超导态的相变状况分I、II两类：类超导体相剧变 这类超导体的超导相变在临界磁场或相变温度点处发生剧变，当外场或温度稍小于临界值，就发生完全的抗磁效应。主要包括一些金属，如铝、锌、镓、镉、锡、铟等，该类超导体的溶点较低、质地较软，亦称“软超导体”。由于其临界电流密度和临界磁场较低，因而没有很好的

10、实用价值。,第5章 超导体陶瓷,5.2 超导材料的基本性质,2023/8/1,新型陶瓷材料,21,5.2.4 I类、II类超导体,类超导体相渐变 这类超导体超导相变在临界磁场或相变温度附近随外磁场或温度的变化是一个渐变过程，在渐变过程中存在两个临界场，上临界场Hc2和下临界场Hc1。除钒、锝和铌外，第II类超导体主要包括氧化物及合金。氧化物高温超导陶瓷研究应用很多。,第5章 超导体陶瓷,5.2 超导材料的基本性质,I、II类超导体区别：II类超导体转变有一个中间态（混合态），且混合态中有磁通线存在；II类比I类超导体的临界磁场、临界电流密度和临界温度高。,2023/8/1,新型陶瓷材料,22,

11、第5章 超导体陶瓷,5.2 超导材料的基本性质,5.2.4 I类、II类超导体,上临界磁场,下临界磁场,零磁/阻,2023/8/1,新型陶瓷材料,23,第5章 超导体陶瓷,5.2 超导材料的基本性质,5.2.4 I类、II类超导体,氧化物高温超导陶瓷一般Hc1较小，通常在混合态（涡旋态）下使用。此时材料的部分区域有磁力线穿过属正常态，周围却是超导态，但材料仍具有零电阻效应。,磁力线与电流有相互作用，希望超导材料中的磁力线是固定不动的磁力线钉扎。,开始有磁力线穿过材料,正常态数目增多到彼此接触,2023/8/1,新型陶瓷材料,24,磁力线钉扎使超导材料中的磁力线固定不动的作用。形成钉扎之处称钉扎

12、中心，钉扎中心通常是结构中的缺陷。,钉扎,第5章 超导体陶瓷,5.2 超导材料的基本性质,增强超导体的磁通钉扎也就提高了材料的下临界场Hc1和临界电流密度Jc。,烧结过程中的晶界钉扎,5.2.4 I类、II类超导体,2023/8/1,新型陶瓷材料,25,钉扎,第5章 超导体陶瓷,5.2 超导材料的基本性质,5.2.4 I类、II类超导体,磁通流动产生电阻（流阻），钉扎可消除之。,为什么钉扎能提高Jc？,2023/8/1,新型陶瓷材料,26,5.2.5 约瑟夫逊效应,超导电子对借量子隧道效应通过两块超导体之间的绝缘层的现象。1962年英国物理学家约瑟夫逊Josephson研究隧道效应两块之间有极

13、小间隙或极薄绝缘层（如氧化层）的金属，当加有电压时，电子有一定的几率穿过势垒形成电流的现象。,第5章 超导体陶瓷,5.2 超导材料的基本性质,1nm,一个美丽的传说：穿墙而过,2023/8/1,新型陶瓷材料,27,约瑟夫逊效应两个重要结果,直流电压U加在约瑟夫逊结两端，会产生高频超导电流。当超导电流频率与外部微波辐射频率相等，就会发生混频而获得基频、倍频及直流成分。I-V曲线会出现电流台阶，称夏皮罗台阶,第5章 超导体陶瓷,5.2 超导材料的基本性质,5.2.5 约瑟夫逊效应,超导电流能够穿透极薄的绝缘层不引起电压降。,2023/8/1,新型陶瓷材料,28,约瑟夫逊效应的应用,1 超导磁强计探

14、测微弱磁场广泛应用(1)探矿 飞机或卫星上用超导磁强计对地磁分布作精确测量，寻找矿床和弱磁性矿。(2)地震预报 超导重力仪预报地震。地震因地壳应力集中导致，应力集中过程重力会发生变化(3)生物磁的探测 疾病诊断。(4)军用 深水潜艇探测。2 电压标准,第5章 超导体陶瓷,5.2 超导材料的基本性质,5.2.5 约瑟夫逊效应,2023/8/1,新型陶瓷材料,29,约瑟夫逊效应的应用,3高频方面的应用以约瑟夫逊结为基本元件，已研制出微波和远红外波段的检测器、混频器和参量放大器等器件，有噪声低、灵敏度高，响应速度快，频率覆盖宽等优点。,第5章 超导体陶瓷,5.2 超导材料的基本性质,5.2.5 约瑟

15、夫逊效应,4超导计算机利用结特性可作成计算机的开关元件，其开关速度达几个10-12秒，比半导体的快1000倍，而功耗比半导体元件约小1000倍，因此，超导计算机的特点是速度快，功耗小，不存在散热问题。,2023/8/1,新型陶瓷材料,30,本章内容：,5.1 历史发展 5.2 超导材料的基本性质5.3 超导材料的基本体系及超导晶相5.4 超导陶瓷的制备5.5 超导陶瓷的应用,第5章 超导体陶瓷,2023/8/1,新型陶瓷材料,31,5.3 超导陶瓷的基本体系及超导晶相性质,第5章 超导体陶瓷,超导陶瓷多由有缺陷的钙钛矿型化合物组成，多含有变价铜离子，CuO层在超导机制中起重要作用。三个重要的系

16、统：YBaCuO（YBCO）；BSrCaCuO；TlBaCaCuO；,2023/8/1,新型陶瓷材料,32,5.3.1 YBaCuO系统,5.3 超导陶瓷的基本体系及超导晶相性质,第5章 超导体陶瓷,钇系超导体通式：YBa2Cu3O7-研究最多、最成熟123超导：Y1Ba2Cu3O7（Y:Ba:Cu=1:2:3）Tc90K以上，,124超导：Y1Ba2Cu4O8 Tc81K247超导：Y2Ba4Cu7O15 Tc4055K,两个变体：正交相（0）；四方相（1）增大意味着氧含量下降。直接影响电性能，随增大，临界温度Tc下降。Tc也因制备方法不同而异。,2023/8/1,新型陶瓷材料,33,5.3

17、.1 YBaCuO系统,5.3 超导陶瓷的基本体系及超导晶相性质,第5章 超导体陶瓷,2023/8/1,新型陶瓷材料,34,5.3.1 YBaCuO系统,5.3 超导陶瓷的基本体系及超导晶相性质,第5章 超导体陶瓷,Yttrium atoms are yellow;Barium atoms are purple;Copper atoms are blue;Oxygen atoms are red;,2023/8/1,新型陶瓷材料,35,5.3.1 YBaCuO系统,5.3 超导陶瓷的基本体系及超导晶相性质,第5章 超导体陶瓷,钇系超导体特性目前研究最多、最透彻的氧化物超导 优点：由于该系统中只

18、是一个超导相，便于获得纯的123相，甚至于单晶123相样品，而且制备也较为方便。缺点：其临界转变温度过于接近介质（液氮）温度（77K），化学稳定性较差，易与空气中的水反应而失超。,2023/8/1,新型陶瓷材料,36,5.3.1 YBaCuO系统,5.3 超导陶瓷的基本体系及超导晶相性质,第5章 超导体陶瓷,钇系超导体研究情况 1986年美国科学家缪勒等提出Y-Ba-Cu-O组成的氧化物可能是高临界温度的超导体；1988年中国科学院物理研究所赵忠贤等首先获得了起始转变温度在100K以上的钡钇铜氧氧化物超导陶瓷；88年同年，日本国立金属研究所公布的钇钡铜氧陶瓷材料即YBa2Cu3O7-约在123

19、K开始具有超导性，93K成为全超导体。其中Y可由其他稀土（特别是重稀土）元素取代，如Gd、Dy、Er、Tm、Yb、Lu,2023/8/1,新型陶瓷材料,37,5.3.1 YBaCuO系统,5.3 超导陶瓷的基本体系及超导晶相性质,第5章 超导体陶瓷,钇系超导体研究情况 1986年美国科学家缪勒等提出Y-Ba-Cu-O组成的氧化物可能是高临界温度的超导体；1988年中国科学院物理研究所赵忠贤等首先获得了起始转变温度在100K以上的钡钇铜氧氧化物超导陶瓷；88年同年，日本国立金属研究所公布的钇钡铜氧陶瓷材料即YBa2Cu3O7-约在123K开始具有超导性，93K成为全超导体。其中Y可由其他稀土（特

20、别是重稀土）元素取代，如Gd、Dy、Er、Tm、Yb、Lu,2023/8/1,新型陶瓷材料,38,5.3.2 BiSrCaCuO系统,铋系超导体的通式Bi2Sr2Can-1CunO42n（n1，2，3），3个超导相：2201：Bi2Sr2CaCu1O 6y；2212：Bi2Sr2Ca1Cu2O 8y；2223：Bi2Sr2Ca2Cu3O 10y 结构图5.9n 每增加1，就多一个Ca层（Ca离子处于无氧环境）和Cu-O层，随 n 增加，Tc增高。,5.3 超导陶瓷的基本体系及超导晶相性质,第5章 超导体陶瓷,2023/8/1,新型陶瓷材料,39,5.3 超导陶瓷的基本体系及超导晶相性质,第5章

21、 超导体陶瓷,5.3.2 BiSrCaCuO系统,2023/8/1,新型陶瓷材料,40,5.3 超导陶瓷的基本体系及超导晶相性质,第5章 超导体陶瓷,铋系超导体特性优点：Bi系超导体中2223相的Tc温度比Y系稍高，但该系统处理时有多种超导相析出，因此实际材料的Tc要稍偏低些。缺点：热处理工艺周期特别长，这给实际应用带来了很大的麻烦。,5.3.2 BiSrCaCuO系统,2023/8/1,新型陶瓷材料,41,5.3 超导陶瓷的基本体系及超导晶相性质,第5章 超导体陶瓷,铋系超导体研究情况 法国Caen大学米歇尔CMichel等明智而大胆地逆潮流而动，提出不用稀土元素制造高临界温度Tc的超导材料

22、，并于1987年宣布新的超导材料Bi-Sr-Cu-O,Tc为28K,尽管低，但因不含稀土且性能稳定而引人注目。1988年日本的马以达等人宣布了超导温度在105K的Bi-Sr-Ca-Cu-O系超导陶瓷，使不用稀土元素制造超导陶瓷的设想变为现实易制造、易再现，即铋系陶瓷。1989年中国科技大学制备了Tc为132K的 Bi1.9-xPbxSb2Sr2Ca2Cu3Oy多相陶瓷超导体；,5.3.2 BiSrCaCuO系统,2023/8/1,新型陶瓷材料,42,5.3.3 TlBaCaCuO系统,铊系超导体的通式TlmBa2Ca nlCunO m2n2m1时，n1，2，3，4，5；m2时,n1，2，3。铊

23、系超导体均属四方相，图5.10。Ca离子亦处于无氧环境。n 每增加1，就多一Ca层和一个二维Cu-O层。随 n 增加，Tc亦增高。,5.3 超导陶瓷的基本体系及超导晶相性质,第5章 超导体陶瓷,2023/8/1,新型陶瓷材料,43,5.3 超导陶瓷的基本体系及超导晶相性质,第5章 超导体陶瓷,5.3.3 TlBaCaCuO系统,2023/8/1,新型陶瓷材料,44,铊系超导体特性优点：Tc最高、化学稳定性高可长时间在空气中使用实用价值高。用铊系薄膜微波器件已商品化。缺点：铊高毒！制备不变。纯的超导相单晶难得基本参数的测定受到一定的限制，给理论研究造成了一定的困难。,5.3 超导陶瓷的基本体系及

24、超导晶相性质,第5章 超导体陶瓷,5.3.3 TlBaCaCuO系统,2023/8/1,新型陶瓷材料,45,5.3 超导陶瓷的基本体系及超导晶相性质,第5章 超导体陶瓷,5.3.3 TlBaCaCuO系统,铊系超导体研究情况 研究铋系氧化物超导陶瓷的同时，美国阿肯州立大学的荷尔曼和盛中直发现了第四代氧化物超导体铊系超导体。之后人们改善条件，在高压气氛中成功地用Hg代替Tl合成了HgBa2Can-1CunO2n2系氧化物超导新材料。Tc为165K。,2023/8/1,新型陶瓷材料,46,超导陶瓷的发现和发展大大促进了陶瓷材料进步和发展。,高温氧化物超导陶瓷发现后掀起了“超导热”,5.3 超导陶瓷

25、的基本体系及超导晶相性质,第5章 超导体陶瓷,超导材料研究在1986年以后“柳暗花明”，各国科学家向更高温区、甚至室温区超导的方向进军。同时超导应用也在各个领域展开。,2023/8/1,新型陶瓷材料,47,本章内容：,5.1 历史发展 5.2 超导材料的基本性质5.3 超导材料的基本体系及超导晶相5.4 超导陶瓷的制备5.5 超导陶瓷的应用,第5章 超导体陶瓷,2023/8/1,新型陶瓷材料,48,5.4.1 超导陶瓷的制备投术,高温超导陶瓷的制备技术分三类：超导块材制备工艺；超导线、带材制备工艺；超导膜（包括薄膜、厚膜）制备工艺。,5.4 超导陶瓷的制备,第5章 超导体陶瓷,2023/8/1

26、,新型陶瓷材料,49,1 超导块材制备工艺,超导块材主要用于超导磁屏蔽筒、超导永久磁体等。,固相烧结法,液相烧结法,5.4 超导陶瓷的制备,第5章 超导体陶瓷,5.4.1 超导陶瓷的制备投术,主要有两种制备方法：,还有合金高温氧化法、自蔓延合成法、熔融织构法、溶胶凝胶法等。,2023/8/1,新型陶瓷材料,50,Y-Ba-Cu-O系：将Y2O3、BaCO3和CuO烘干，按摩尔比混合研磨，压块成型，在纯氧或有氧的气氛中高温合成，产生YBa2Cu3O7超导相，烧成后粉碎、重新压块后再烧结，如此循环几遍以提高反应速度和均匀性，然后将烧成的粉填充在模具中，采用干压、等静压等方法使之成型为所需形状，最后

27、再在900950高温下烧结成制品。,固相烧结法,1 超导块材制备工艺,5.4 超导陶瓷的制备,第5章 超导体陶瓷,5.4.1 超导陶瓷的制备投术,高温合成,2023/8/1,新型陶瓷材料,51,原料选择：Y2O3、BaCO3、CuO 高纯、超细、干燥研磨混合：球磨机中混料（介质为蒸馏水）、磨24h。高温合成：温度控制在850900，保温48h。合成反应：1/2 Y2O3+2 BaCO3+3 CuO YBa2Cu3O7-+2CO2,制备细节,1 超导块材制备工艺,5.4 超导陶瓷的制备,第5章 超导体陶瓷,5.4.1 超导陶瓷的制备投术,2023/8/1,新型陶瓷材料,52,工艺关键：烧结制度：

28、烧结温度波动不可超过1000，降温缓慢，在500600需维持较长时间氧气氛(可保温)。烧结气氛一般为氧气，流速0.3L/min，工艺条件控制严格，合成料为黑色超导相，若控制不当则会出现绿色的Y2BaCuO5(211)相。绿色或暗绿色是纯（211）或含有（211）相的非超导成分的体现，表明材料是非超导体或性能不好的超导体。严格控制组分YBa2Cu3O7、粉体均匀,避免杂质进入。,1 超导块材制备工艺,5.4 超导陶瓷的制备,第5章 超导体陶瓷,5.4.1 超导陶瓷的制备投术,2023/8/1,新型陶瓷材料,53,液相烧结法,常采用的方法：草酸盐法、柠檬酸盐法将YBa2Cu3O7的共沉淀物在800

29、900下加热处理可得到组成均匀的YBa2Cu3O7粉末。特点：组成可达分子级均匀，含杂质少。但若投入料的量偏离共沉淀物组成，烧结体中会析出直接影响超导体特性的Y2BaCuO5(211)、CuO、BaCuO2等杂相。,1 超导块材制备工艺,5.4 超导陶瓷的制备,第5章 超导体陶瓷,5.4.1 超导陶瓷的制备投术,2023/8/1,新型陶瓷材料,54,液相烧结法制得的块材,1 超导块材制备工艺,5.4 超导陶瓷的制备,第5章 超导体陶瓷,5.4.1 超导陶瓷的制备投术,釔鋇銅氧 Y B C O，Yttrium barium copper oxide,2023/8/1,新型陶瓷材料,55,2 超导

30、线、带材制备工艺,用得较多的制备方法有 5 种,（1）金属套管拉拔法 将充分热处理的超导粉末填充到金属管（多为银管）内，然后冷拔成细线或薄带，最后在氧气氛和高温中热处理。,5.4 超导陶瓷的制备,第5章 超导体陶瓷,5.4.1 超导陶瓷的制备投术,2023/8/1,新型陶瓷材料,56,（2）溶胶凝胶法 用金属醇盐或金属有机化合物为原料，使其产生聚合反应，黏度变大，在一定条件下拉成丝，然后在氧气氛中高温热处理，使有机物挥发分解成氧化物，然后烧结成所需的超导相。,（3）涂布法 用超导粉末加上有机试剂配成一定黏度的浆料涂布在金属银线或银带上，再进行高温热处理。,5.4 超导陶瓷的制备,第5章 超导体

31、陶瓷,5.4.1 超导陶瓷的制备投术,2 超导线、带材制备工艺,2023/8/1,新型陶瓷材料,57,（4）微晶玻璃法 将氧化物原料熔为玻璃相，当其黏度在一定范围内时，将其拉丝，并使其通过一个特定的温度区域产生析晶，析出所需的超导晶相。该法目前仅限于制备铋系超导线材。,（5）沉积法 包括溅射、化学气相沉积等多种方法。通常是先在作为衬底的银带上沉积一层过渡层，如SrTiO3等，然后再将超导氧化物沉积上去，最后进行热处理。该方法可以获得较高临界电流密度的带材。,5.4 超导陶瓷的制备,第5章 超导体陶瓷,5.4.1 超导陶瓷的制备投术,2 超导线、带材制备工艺,2023/8/1,新型陶瓷材料,58

32、,3 超导膜制备工艺,超导膜（包括薄膜、厚膜）的形成由沉积和热处理两个阶段组成。按热处理方式分两类：后处理法原料沉积到基片上以后再热处理形成超导体；原位处理法原料沉积到基片上的同时进行热处理，最后形成超导体。,5.4 超导陶瓷的制备,第5章 超导体陶瓷,5.4.1 超导陶瓷的制备投术,2023/8/1,新型陶瓷材料,59,（1）真空蒸发 在真空条件下，用高电压加速电子束或激光束轰击靶材，被电子束轰击出来的金属原子沉积在单晶衬底上，随后将沉积好的膜在一定的气氛中热处理使之形成超导相。如，Y系的靶分别为金属Y、Cu和BaF2，通常衬底为钇稳定的ZrO2。该方法的特点是简单，成分易控制，按其加热蒸发

33、的方式又可分为电子束蒸发和激光蒸发。,超导膜制备方法有 6 种,5.4 超导陶瓷的制备,第5章 超导体陶瓷,5.4.1 超导陶瓷的制备投术,3 超导膜制备工艺,2023/8/1,新型陶瓷材料,60,（2）分子束外延法 在超高真空系统中，单独分开的原料源加热蒸发后形成分子束射向旋转的衬底，在这一过程中，各种原料分子束相互混合，并发生化学反应，最后在衬底上沉积成膜。使用此方法可以制备高质量超导膜，但非常昂贵。,5.4 超导陶瓷的制备,第5章 超导体陶瓷,5.4.1 超导陶瓷的制备投术,3 超导膜制备工艺,？,2023/8/1,新型陶瓷材料,61,（3）溅射法 通过氩气在辉光放电或直流高压下电离形成

34、的离子被加速后轰击靶材，把靶内的原子溅射出来在衬底阴极上凝结成膜。目前运用最广泛的方法之一。通常为获得YBCO膜可以选用合成的YBCO超导块作为靶，由此可得表面光洁的高Tc、高Jc钇系超导膜。也可采用多个离子枪轰击多个靶，每个靶提供一种所需离子，被溅射出来的离子则沉积在对面的衬底上而形成超导膜。该方法的优点是可以比较灵活而精确地控制超导组成。,5.4 超导陶瓷的制备,第5章 超导体陶瓷,5.4.1 超导陶瓷的制备投术,3 超导膜制备工艺,2023/8/1,新型陶瓷材料,62,（4）化学气相沉积法（CVD）一种较为普遍的材料制备方法，通常是将有机金属盐蒸发后，沉积于温度较低的基片上，并在基片表面

35、发生固相反应而形成超导膜。该方法的特点是反应温度比较低，可直接形成结晶态的或外延生长的超导膜而不进行附加的热处理。缺点是金属有机盐比较昂贵，因而制备成本较高。,5.4 超导陶瓷的制备,第5章 超导体陶瓷,5.4.1 超导陶瓷的制备投术,3 超导膜制备工艺,2023/8/1,新型陶瓷材料,63,（5）热分解法 热分解法包括旋转热分解、喷雾热分解和浸涂热分解法。在该方法中，将各种原料按比例溶解在溶剂中，配成一定黏度的溶液，然后通过旋转甩涂、喷涂或浸涂使之在基片上成膜，最后进行热处理获得超导相。该方法简便易行，设备简单，成本低廉。,5.4 超导陶瓷的制备,第5章 超导体陶瓷,5.4.1 超导陶瓷的制

36、备投术,3 超导膜制备工艺,2023/8/1,新型陶瓷材料,64,（6）溶胶凝胶法 溶胶凝胶法采用金属有机醇盐作为原料，通过浸涂法使之镀在衬底（如Y系的ZrO2基片）上，在接近室温的条件下水解缩合成凝胶，经加热脱去水和醇，并使有机物分解，在比传统高温烧结低得多的温度下反应形成超导陶瓷膜。,5.4 超导陶瓷的制备,第5章 超导体陶瓷,5.4.1 超导陶瓷的制备投术,3 超导膜制备工艺,2023/8/1,新型陶瓷材料,65,5.4.2 影响超导陶瓷临界电流密度的因素,导致临界电流密度较低的原因有两个：晶界间的弱连接和晶粒中的磁力线运动。,5.4 超导陶瓷的制备,第5章 超导体陶瓷,2023/8/1

37、,新型陶瓷材料,66,弱连接：晶界两侧晶粒的生长方向相差较小晶粒连接，利于导电。晶体中导电能力各向异性。若能使晶体沿Jc高的方向择优生长，可获得高的临界电流密度。这里晶界起了重要作用。晶界弱连接利于导电，若非弱连接晶界两侧晶粒的生长方向相差很大（即出现高角晶界），将不利于导电。晶界附近的化学成分改变、裂纹、晶界处的位错也能导致晶界弱连接。,1.晶界弱连接,5.4.2 影响超导陶瓷临界电流密度的因素,5.4 超导陶瓷的制备,第5章 超导体陶瓷,2023/8/1,新型陶瓷材料,67,中子质子辐照。试验表明，中子质子辐照是增加磁通钉扎的有效手段，辐照后Jc可提高几十倍到几百倍。相分解。由YBa2Cu

38、4O8（124）分解成YBa2Cu3O7（123）时产生的缺陷引起钉扎。弥散相。在超导相中引入非超导性的第二相，分散于超导相中，起到钉扎中心的作用。如在123超导相中引人Y2BaCuO5相，在BiSrCaCuO系统中引人Ca2CuO3、CaSrPbO4等晶体。,2.磁通运动和钉扎,5.4.2 影响超导陶瓷临界电流密度的因素,5.4 超导陶瓷的制备,第5章 超导体陶瓷,2023/8/1,新型陶瓷材料,68,（1）氧气氛 氧化物超导陶瓷的超导电性与铜的高价态（Cu3）有关。而这种价态受氧含量影响，因此氧含量对超导性起重要作用。如YBa2Cu3O7-，01，当O.6时，材料才出现超导性。因此，超导体

39、的热处理过程除了使各种原料（如Y2O3、BaCO3、CuO等）固相反应形成YBa2Cu3O7-的晶相外，同时还要保证有氧气氛对晶相中的氧含量进行调节使之出现超导电性。,5.4 超导陶瓷的制备,第5章 超导体陶瓷,5.4.3 制备气氛对超导陶瓷的影响,2023/8/1,新型陶瓷材料,69,（2）铊气氛 在铊系超导体中，高温下各超导相的稳定区与一定大小的铊蒸气分压相对应，因此在铊系超导体的热处理中，须保持一定铊气氛分压不变，使相应的超导相稳定存在，否则超导体中的铊将不断分解挥发出来，使材料中的铊含量严重偏离组成，最终失去超导电性。故在铊系超导体的制备中，除了氧分压外，铊蒸气分压也是重要的影响因素。

40、,5.4 超导陶瓷的制备,第5章 超导体陶瓷,5.4.3 制备气氛对超导陶瓷的影响,2023/8/1,新型陶瓷材料,70,本章内容：,5.1 历史发展 5.2 超导材料的基本性质5.3 超导材料的基本体系及超导晶相5.4 超导陶瓷的制备5.5 超导陶瓷的应用,第5章 超导体陶瓷,2023/8/1,新型陶瓷材料,71,超导陶瓷的应用及其诱人。著名物理学家说：“如果在室温下，能够实现超导电现象，则现代文明的一切技术都将发生变化”欧姆定律不再适用！,应用分两类：强电应用、弱电应用。,5.5 超导陶瓷的应用,第5章 超导体陶瓷,2023/8/1,新型陶瓷材料,72,（1）利用超导电流进行 无阻传输 因

41、在传输过程中无损耗发生，因此与常规的电力传输相比可省去大量的变电设备，使得输电过程简单化。但要实现无损耗输电尚有一段漫长的道路要走。,5.5.1 强电应用,5.5 超导陶瓷的应用,第5章 超导体陶瓷,超導導線2120 根微米直徑鈮鈦合金纖維,2023/8/1,新型陶瓷材料,73,5.5.1 强电应用,5.5 超导陶瓷的应用,第5章 超导体陶瓷,高温超导体的发现使得超导技术的应用进一步延伸到电力工业中，也使人们期待那些过去无法实现的电力装备能够由于超导技术的应用而得到解决。,超导技术在电力中的应用主要包括：超导电缆、超导限流器、超导储能装置、超导电机等。,2023/8/1,新型陶瓷材料,74,5

42、.5.1 强电应用,5.5 超导陶瓷的应用,第5章 超导体陶瓷,超导储能示意,超导电机,2023/8/1,新型陶瓷材料,75,磁体应用 超导磁体的应用研究在国际上很活跃。随着超导强磁场技术的不断进展，一系列用于实验研究的强磁场实验装置（从几万高斯到十几万高斯）已经被研制出来并得到了广泛的应用，大大促进了强磁场与其它学科交叉所产生的新生长点的研究和应用，并在许多领域取得了重要进展。,5.5.1 强电应用,5.5 超导陶瓷的应用,第5章 超导体陶瓷,如环保、材料变性、育种、磁共振、磁拉单晶以及扫雷等。,育种,第5章 超导体陶瓷,材料变性,原料生产,航母，扫雷船？,2023/8/1,新型陶瓷材料,7

43、7,5.5.1 强电应用,（2）利用超导体产生强磁场 磁流体发电,5.5 超导陶瓷的应用,第5章 超导体陶瓷,超导发电机，功率：20000千瓦,当气体被加热到2500K时成为等离子体。等离子体通过有磁场的两块极板时，正负离子在磁场内受到洛仑兹力而分别向两极板偏转，结果使两个极板分别带正、负电，形成极板间电压而发电。,发电功率与磁场强度成正比。常规磁体磁场小，损耗大，用超导磁体磁场很强且损耗小。,2023/8/1,新型陶瓷材料,78,5.5.1 强电应用,（2）利用超导体产生强磁场 约束带电粒子的活动范围,5.5 超导陶瓷的应用,第5章 超导体陶瓷,如高能加速器、核聚变装置等。受控核聚变研究产生

44、的极端高温的等离子体就是用超导磁场约束在磁笼中。原子核就能够互相碰撞产生核聚变反应。,在这些应用中，超导磁体是高能加速器和核聚变装置不可缺少的关键部件。,2023/8/1,新型陶瓷材料,79,5.5.1 强电应用,（3）利于完全抗磁性 交通运输磁悬浮列车、超导电磁推进船只,5.5 超导陶瓷的应用,第5章 超导体陶瓷,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于轨道之上；也可用于制造超导电磁推进船只等交通工具。这类交通工具具有无噪声、无污染、平稳、快速等特点。,超导磁悬浮列车的时速高达500公里/小时。未来理想的交通运输工具！？,2023/8/1,新型陶瓷材料,80,5.5.1

45、强电应用,（3）利于完全抗磁性 交通运输 超导电磁推进船只,5.5 超导陶瓷的应用,第5章 超导体陶瓷,神户港内之Yamato-I 超导电磁动力船,2023/8/1,新型陶瓷材料,81,5.5.1 强电应用,（4）超导磁体用于医学可以用于核磁共振成像MRI，核磁共振谱仪NMR和核磁共振断层成像仪CT等方面。,5.5 超导陶瓷的应用,第5章 超导体陶瓷,核磁共振断层扫描仪 人头骨断层扫描图,2023/8/1,新型陶瓷材料,82,5.5.1 强电应用,磁共振成像,5.5 超导陶瓷的应用,第5章 超导体陶瓷,人体置于强磁场中时，人体水中的氢原子核（质子）取向排列，用电磁波辐照人体，使氢核获得能量而处

46、于共振状态，然后停止辐照，正常细胞的氢核放出能量，恢复到原来的状态。病变细胞（如癌细胞）所含水中的氢，恢复时间比正常细胞要长，经计算机处理，就可查出病变部位。图像的清晰度与磁场强度相关。因此利用超导磁体产生的强大磁场（15000Gs）进行辐照，图像便会很清晰，可提高人类对疾病的诊断和早期治疗的水平。,核磁共振成像的原理可简述为基于被测对象的原子磁场与外磁场的共振现象来分析被测对象的内部状态。,2023/8/1,新型陶瓷材料,83,5.5.1 强电应用,5.5 超导陶瓷的应用,第5章 超导体陶瓷,夏皮罗台阶的应用P118,2023/8/1,新型陶瓷材料,84,5.5.2 弱电应用,超导量子干涉器

47、 SQUID superconducting quantum interference device,5.5 超导陶瓷的应用,第5章 超导体陶瓷,将两个约瑟夫逊结环接起来，就成为了超导量子干涉器。随着磁场的微小变化，环路中的电流回发生急剧变化。根据这一原理，可以探测到极微小的磁感应强度和微弱电流。探测弱磁场可用于探测生物磁场（见P118生物磁场强度）、地磁探测及探矿勘查等领域,2023/8/1,新型陶瓷材料,85,5.5.2 弱电应用,5.5 超导陶瓷的应用,第5章 超导体陶瓷,超导量子干涉仪,2023/8/1,新型陶瓷材料,86,利用超导陶瓷的约瑟夫逊效应研制第50代计算机 若用约瑟夫逊结组

48、成电路，其转化时间比常规的电子元件快几十倍，若把这些器件做成计算机，则超导计算机的运算速度提高1000倍！,5.5.2 弱电应用,5.5 超导陶瓷的应用,第5章 超导体陶瓷,2023/8/1,新型陶瓷材料,87,利用高温超导陶瓷的抗磁性，进行废水净化、除毒、分离红血球、抑制和杀死癌细胞等应用研究。日常生活中：超导暖气片用超导液做传输介质,5.5.2 弱电应用,5.5 超导陶瓷的应用,第5章 超导体陶瓷,2023/8/1,新型陶瓷材料,88,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、3相、66千伏的超导电缆，美国也在进行100米超导电缆的安装试验。日本正在加紧研

49、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。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 和包含钕的NBCO(钕铋铜氧)这两种线材，由于有更好的磁场特性，将来可能成为超导线材的主流。,5.5.2 弱电应用,5.5 超导陶瓷的应用,第5章 超导体陶瓷,2023/8/1,新型陶瓷材料,89,日本和美国都在积极研究开发新一代超导线材，并取代铋系列超导线材而应用在机器设备上。钇系列超导材料的制造技术正在用于开发的有蓄电装置和磁分离装置等。目前，两种最有前途的超导电子元件：超导量子干涉仪、单一磁通量子元件。前者由于能够测量极其微弱的磁性，因而可被应用到医学

50、和材料的非接触探伤等方面；后者具有运算速度快、消耗电力少等优异性能，有望用于新的信息处理元件,但关键是要大幅度提高这种元件的集成度。,5.5 超导陶瓷的应用,第5章 超导体陶瓷,2023/8/1,新型陶瓷材料,90,C60超导体有较大的发展潜力，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。C60被誉为21世纪新材料的”明星”，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。,5.5 超导陶瓷的应用,第5章 超导体陶瓷,20