超导材料
超导材料是什么
超导材料是什么超导材料是指在低温下具有零电阻和迈斯纳效应的一类特殊材料。
超导材料在电流通过时能够完全消除电阻，使电流能够无损耗地流过，这一特性被称为超导性。
这使超导材料在电力输送、能源存储、磁共振成像等领域具有广泛的应用前景。
超导材料最早于1911年由荷兰物理学家海克·卡末林发现。
基于铅的材料是最早被发现具有超导性的材料。
然而，这类超导材料需要在非常低的温度下（接近绝对零度）才能展现出超导特性，限制了其实际应用的范围。
直到1986年，德国物理学家J·G·鲍尔汤和瑞士物理学家K·A·穆勒在氧化铜材料中发现了高温超导现象，即超导转变温度高于液氮沸点77K，使超导材料的实际应用前景大大扩展。
随后，人们陆续发现了多种高温超导材料，如铜氧化物、铁基超导体等。
超导材料主要具有以下特点：1. 零电阻：在超导状态下，电阻消失，电流可无损耗地通过。
这种特性使超导材料在电能输送领域有巨大应用潜力，能够显著减少能源损耗。
2. 迈斯纳效应：超导体中的电流不仅可以无损耗地流过，还能形成与电流方向垂直的磁场。
这一现象被称为迈斯纳效应，可用于磁体制造、磁共振成像等领域。
3. 超导转变温度：超导材料在一定的温度下会由非超导态转变为超导态。
低温超导体的转变温度通常较低，而高温超导体的转变温度可以接近或超过液氮沸点，更易于实际应用。
4. 磁场限制：在外加磁场作用下，超导材料的超导特性会受到限制。
不同材料对磁场的限制程度不同，这也对其应用领域产生了影响。
超导材料的研究和应用存在一些挑战。
其中最主要的是超导材料通常需要在极低的温度下才能展现出超导性，这对设备和工艺提出了要求。
此外，高温超导体的机制和性质仍然不完全清楚，对其进行深入研究仍然是一个重要课题。
然而，随着超导材料的不断研究和发展，人们对超导技术的应用前景充满信心。
超导磁体已广泛应用于核磁共振成像、加速器、磁悬浮交通等领域。
超导输电技术也在快速发展，预计超导材料将在未来成为电力输送和能源存储的重要组成部分。
超导材料
超导材料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称为超导材料。
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。
一．超导材料特性1.零电阻性超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。
如果用磁场在超导环中引发感生电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。
这种“持续电流”已多次在实验中观察到。
2.完全抗磁性超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零。
3.约瑟夫森效应两超导材料之间有一薄绝缘层（厚度约1nm）而形成低电阻连接时，会有电子对穿过绝缘层形成电流，而绝缘层两侧没有电压，即绝缘层也成了超导体。
当电流超过一定值后，绝缘层两侧出现电压U（也可加一电压U），同时，直流电流变成高频交流电，并向外辐射电磁波，其频率为，其中h为普朗克常数，e为电子电荷。
这些特性构成了超导材料在科学技术领域越来越引人注目的各类应用的依据。
4.同位素效应超导体的临界温度Tc与其同位素质量M有关。
M越大，Tc 越低，这称为同位素效应。
二．基本临界参量1.临界温度外磁场为零时超导材料由正常态转变为超导态(或相反)的温度，以Tc表示。
Tc值因材料不同而异。
2.临界磁场使超导材料的超导态破坏而转变到正常态所需的磁场强度，以Hc表示。
Hc与温度T 的关系为Hc=H0[1-(T/Tc)2]，式中H0为0K时的临界磁场。
3.临界电流和临界电流密度通过超导材料的电流达到一定数值时也会使超导态破态而转变为正常态，以Ic表示。
Ic一般随温度和外磁场的增加而减少。
单位截面积所承载的Ic称为临界电流密度，以Jc表示。
超导材料的这些参量限定了应用材料的条件，因而寻找高参量的新型超导材料成了人们研究的重要课题。
三．超导材料应用超导材料具有的优异特性使它从被发现之日起，就向人类展示了诱人的应用前景。
尤其是高温超导材料的应用用非常广阔，大致可分为三类：大电流应用、电子学应用和抗磁性应用。
超导材料
4.2 超导材料的分类
2.第二类超导体
该类超导体的磁化曲线如图 4.2 中实线所示。当外磁场小于 第一临界磁场 Hc1 时，超导体内磁感应强度 B ＝ 0 为完全超导态； 当外磁场超过Hcl时，则有部分磁通穿入导体内，其中B从0迅速 增强。当外磁场大于Hc时，这类超导体并没有完全变成正常体， 它门能把一部分磁通排斥于体外，直到外磁场为Hc2时，超导电 性才消失。当外磁场介于 Hc1 与Hc2 之间时，超导体状态并不是 迈斯纳态，但也不是正常态，即处于超导态的小区与常态的小 区嵌镶结构，此态为混合态（Mixed State）。这类超导体在混 合态时仍保持一定的超导性。只有当外磁场强度大于Hc2时，零 电阻的现象才消失。具有这一特性的超导体即为第二类超导体。 很多合金以及 Nb、V等元素金属均属于此类超导体。Y－Ba － Cu－O系高温超导陶瓷亦属于第二类超导体。一般来说，第二 类超导体的Tc、Hc、Jc要比第一类超导体的高得多。
4.1.2 超导研究的历史回顾
1973年，发现Nb3Ge具有超导性，Tc为23.2K。 1973年，约翰斯通(D.C.Johnston)发现Li1+xTi2-xO4 具有超导性，其临界超导温度Tc达到13.7K。斯 赖特(A.S.Sleight)等发现BaPbxBi1-XO3(x=0.27)具 有超导性，其义为Tc=13K。这些奇异的氧化物 超导体的发现，使人们开发高温超导材料的注意 力转向了金属氧化物。 1975年，对超导材料的应用研究又迈出了新的一 步，时速达500km/h的超导磁悬浮列车试制成功。
4.1.1 超导性及其产生条件机理 超导材料：具有超导性的材料。要成 为超导状态，除了温度T要处于临界温 度Tc以下外，磁场强度H和电流密度J 也必须分别处于临界值Hc、Jc以下， 如图4.1所示。其临界值越高，用作超 导体时越有利。-H-J临界面（临界面内为超导状态；临界面外为正常状态）
超导材料
金属间化合物超导体的临界温度与临界磁场一般比合 金超导体的高，但此类超导体的脆性大，不易直接加 工成带材或线材。
4. 陶瓷金超导体
1986年发现了陶瓷超导体，使超导材料获得了更高 的临界温度，如YBaCuO（Tc＝90K）、TiBaCaCuO（Tc ＝120K）等。最大缺点为脆性大，加工困难。
2. 磁流体发电
火力发电
化学能
热能
机械能
电能
磁流体发电
热能
电能
3. 磁悬浮列车 时速 400 ~ 500km.
4. 超导计算机 速度是计算机永远追求的主题
如：四硫富瓦稀四腈代对苯醌二甲烷
目前高分子超导体的最高临界温度仅 仅达到10K
（三）超导材料的应用
超导的应用，基本上可以分为强电强磁和弱电弱 磁两大类。 （1）超导强电强磁应用
主要基于超导体的零电阻特性和完全抗磁性 以及非理想第二类超导体所特有的高临界电流密 度和高临界磁场。
主要应用在电力方面如超导电缆、超导磁体 （如超导磁悬浮列车）、巨大环形超导磁体、超 导磁分离等。
第二类超导体（硬超导体）
当H< HC1 时，B＝0，处于迈斯纳状态，完全抗磁
当Hc1<H< HC2 时，处于混合状态，但电阻仍为零，这时体内有磁 感应线穿过，形成许多半径很小的圆柱形正常区，正常区周围是连 通的超导区。
当H> HC2 时，B＝μH
钒、铌 以及大 多数合 金或化 合物超 导体均 属于第 二类
（二）超导材料
元素超导体 合金超导体 金属间化合物超导体 陶瓷超导体 高分子超导体
1. 元素超导体
在低温常压下， 具有超导特性的化学 元素共有26种，由于 临界温度太低，无太 大实用价值
超导材料
超导材料超导材料超导材料是指在超导态下能够实现零电阻和完全磁通排斥的物质。
这是一种非常特殊的材料，在低温下具有很高的电导率。
超导材料的发现对科学和工业领域都产生了巨大的影响。
本文将介绍超导材料的概念、发现历史、特性和应用等方面的内容。
超导材料的概念最早可以追溯到1911年，当时荷兰物理学家海克·卡末林·奥恩斯和海尔曼·科内斯发现了汞在低温下的超导性质。
自那以后，科学家们一直在寻找更多的超导材料，并不断探索和研究超导现象的原理。
超导材料的最大特点是零电阻。
当超导材料被冷却到临界温度以下时，材料内的电流可以在不损耗能量的情况下持续流动。
这意味着超导材料可以实现高电流密度和高电导率，可以在电力输送、磁共振成像等方面发挥巨大的潜力。
除了零电阻外，超导材料还具有完全磁通排斥的特性。
当磁场穿过超导材料时，超导电子将把磁力线排斥出材料，形成所谓的“迈斯纳效应”。
这种特性使超导材料在磁悬浮、磁阻限制等领域具有广泛的应用。
超导材料的发现和研究对科学产生了巨大的影响。
它不仅突破了传统材料的电阻极限，也为解决能源和环境问题提供了新的思路。
例如，在能源输送方面，超导材料可以大大减少电能损耗，提高输电效率。
在磁共振成像方面，超导磁体可以提供极强的磁场，使成像更加精确并缩短检查时间。
此外，超导材料还在科学研究中发挥着重要作用。
它在粒子物理学、高能物理学和凝聚态物理学等领域有广泛的应用。
例如，在核聚变研究中，超导材料可以用于制造超导磁体，产生强大的磁场来控制等离子体。
超导材料的应用还延伸至工业领域。
在交通运输方面，超导磁悬浮技术可以实现高速列车的悬浮和推进，提供更快、更安全、更节能的交通方式。
在能源领域，超导磁能储存技术可以在低谷电力储能和紧急供电方面发挥重要作用。
虽然超导材料在理论和实验研究中取得了重要进展，但目前仍面临着一些挑战。
首先是超导材料的高温超导问题。
迄今为止，大多数超导材料的超导转变温度都在很低的液氮温度以下，这限制了超导材料应用于实际场景的可能性。
超导材料
工作原理
（2）抗磁性 超导材料处亍超导态时，只要外加磁场丌超过一定 值，磁力线丌能透入，超导材料内的磁场恒为零。
超导体在先加磁场后降温时的磁通变化
工作原理
衡量一种材料是否是超导体,必须同时具备零电阻效应 和完全抗磁性,而仅仅满足零电阻效应只能称为理想导体。 零电阻和完全抗磁性是超导电性的两个基本特性，这两个 基本特性既相互独立又相互联系。
应用
在医学和生物学方面的应用 最重要的应用是“核磁共振成像技术”。利用超导磁 体的强磁场穿透人体软组织，经过计算机对所得数据迚行 处理，在成豫仪中显示图像，来判断人体有无癌细胞。
发展
由亍超导体在电子学上的应用具有许多优点，因此 在发现高温超导体后，开拓它在电子学方面的应用一直是 人们努力的主要方向之一。预期这方面的应用在今后１０ 年内将会发展到一定的规模。其中，重要的有以下几个方 面： （1）超导量子干涉器（简称SQUID） 由超导约瑟夫森(Josephon)结制成的超导量子干 涉器(SQUID)磁强计是极其灵敏的磁场探测仪器，它可 以分辨相当亍十亿分一的地磁场变化，广泛用亍科学研究、 生物磁(脑磁、心磁)、无损探伤及大地电磁测量等领域。
功能
（3）同位素效应 超导体的临界转变温度和其同位素质量有兲。同位素 质量愈大，转变温度便愈低。 如热电动势消失，霍尔效应和超声吸收都改变了，还 观察到对红外线的吸收等。 （4）比热容突变 第一类超导体在磁场中过渡到超导态时，有潜热(即 相变热)发生，属一级相变。若外磁场为零，物质在临界 温度Tc下转入超导态时，将没有潜热产生，为二级相变。 但物质的比热容在超导转变时将发生突变。
水银电阻随温度变化的曲线
简介
1986年以后，高温超导体的研究取得了重大的突破。全 世界有260多个实验小组参加了这场竞赛。日本鹿儿岛大 学工学部发现由镧、锶、铜、氧组成的陶瓷材料在14℃温 度下存在超导迹象。
超导材料介绍
•
2、抗磁性
•
3、同位素效应
二、超导材料的分类
• 在常压下有28种元素具超导电性，其中铌（Nb）的Tc最高，为9.26K。电工中实际应 用的主要是铌和铅(Pb，Tc=7.201K)，已用于制造超导交流电力电缆、高Q值谐振腔等。
• 1、合金材料 • 超导元素加入某些其他元素作合金成分， 可以使超导材料的全部性能提高。如最先应
料可能有超导电性，他们的小组对一些材料进行了试验，于1986年 在镧－钡－铜－氧化物中发现了Tc=35K的超导电性。1987年，中国、 美国、日本等国科学家在钡－钇－铜氧化物中发现Tc处于液氮温区 有超导电性，使超导陶瓷成为极有发展前景的超导材料。
四、特性
• 零电阻 • 超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。如果用磁场在
超导环中引发感应电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。这种“持续电流” 已多次在实验中观察到。 • 抗磁性 • 超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线不能透入，超 导材料内的磁场恒为零。 • 临界温度 • 外磁场为零时超导材料由正常态转变为超导态(或相反)的温度，以Tc表示。 Tc值因材料不同而异。已测得超导材料的最低Tc是钨，为0.012K。到1987年， 临界温度最高值已提高到100K左右。
2. 16超导材料
目录
1、超导材料的定义 2、超导材料的分类 3、超导理论 4、超导材料的特性 5、超导材料的应用
一、定义
• 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。
• 特性：1、 处于超导态时电阻为零
用的铌锆合金(Nb-75Zr)，其Tc为10.8K，Hc为8.7特。继后发展了铌钛合金，虽然Tc稍低 了些，但Hc高得多，在给定磁场能承载更大电流。其性能是Nb-33Ti，Tc=9.3K，Hc=11.0 特；Nb-60Ti，Tc=9.3K，Hc=12特(4.2K)。三元合金，性能进一步提高，Nb-60Ti-4Ta的性 能是，Tc=9.9K，Hc=12.4特（4.2K）；Nb-70Ti-5Ta的性能是，Tc=9.8K，Hc=12.8特。
超导材料的特征、发展及其应用
超导材料的特性、发展及其应用1.超导材料简介1.1 超导材料的三个基本参量超导材料是指在一定的低温条件下会呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料，其材料具有三个基本临界参量，分别是：1> 临界温度T c：破坏超导所需的最低温度。
T c是物质常数，同一种材料在相同条件下有确定的值。
T c值因材料而异，已测得超导材料T c值最低的是钨，为0.012K。
当温度在T c 以上时，超导材料具有有限的电阻值，我们称其处于正常态；当温度在T c以下时，超导体进入零电阻状态，即超导态。
2> 临界电流I c和临界电流密度J c：临界电流即破坏超导所需的最小电流，I c一般随温度和外磁场的增加而减少。
单位截面积上所承载的I c称为临界电流密度，用J c来表示。
3> 临界磁场H c：即破坏超导状态所需的最小磁场。
图1-1 位于球内的部分为超导状态超导材料的这些参量限定了应用材料的条件，因而寻找高参量的新型超导材料成了人们研究的重要课题。
以T c为例，从1911年荷兰物理学家昂纳斯发现超导电性(Hg，T c=4.2K)起，直到1986年以前，人们发现的最高的T c才达到23.2K(Nb3Ge，1973)。
1986年瑞士物理学家K.A.米勒和联邦德国物理学家J.G.贝德诺尔茨发现了氧化物陶瓷材料的超导电性，从而将T c提高到35K；之后仅一年时间，新材料的T c已提高到了100K左右。
如今，超导材料的T c最高已超过了150K[1]。
1.2 超导体的分类第Ⅰ类超导体：第I类超导体主要包括一些在常温下具有良好导电性的纯金属，如铝、锌、镓、镉、锡、铟等，该类超导体的溶点较低、质地较软，亦被称作“软超导体”。
其特征是由正常态过渡到超导态时没有中间态，并且具有完全抗磁性。
第I类超导体由于其临界电流密度和临界磁场较低，因而没有很好的实用价值[2]。
第Ⅱ类超导体：除金属元素钒、锝和铌外，第II类超导体主要包括金属化合物及其合金。
超导材料有哪些
超导材料有哪些超导材料是指在低温下能够表现出超导现象的材料。
超导现象是指在超导温度以下，电阻变为零，电流可以无阻抗地在材料内部流动的现象。
超导材料具有很大的科学和工程应用前景，因为它们能够实现高效能的电能输送和电磁能的储存。
以下是一些常见的超导材料：1. Type-I超导材料：Type-I超导材料是指临界温度以下电阻为零的材料。
最常见的Type-I超导材料是铅（Pb）和锡（Sn），它们的临界温度分别约为7.2K和3.7K。
这些材料在磁场下具有完全的磁通排斥效应，对外加磁场非常敏感。
2. Type-II超导材料：Type-II超导材料是指临界温度以下电阻为零的材料，但在外加磁场下会发生磁通进入材料的现象。
最常见的Type-II超导材料是银（Ag）和钇钡铜氧（YBCO），它们的临界温度分别约为4.2K和92K。
这些材料的超导性能在较高的磁场下仍然保持较好。
3. 铜氧化物超导材料：铜氧化物超导材料是一类低温超导材料，其中最为著名的是钇钡铜氧（YBCO）和铋钢镓氧化物（BSCCO）。
这些材料的临界温度较高，能够达到约90K以上。
4. 铁基超导材料：铁基超导材料是近年来发现的一类新型超导材料，其中最为著名的是铁基超导体LaFeAsO1-xFx。
这些材料的临界温度在高温范围内，能够达到约55K以上。
铁基超导材料具有良好的超导性能和机械强度，有望实现高温超导的应用。
5. 镁二硼超导材料：镁二硼（MgB2）是一种具有较高临界温度的超导材料，其临界温度约为39K。
镁二硼具有良好的超导性能和相对较高的临界磁场，是一种有潜力的超导材料。
除了上述材料，还有其他一些具有超导性能的材料，如银碲化镍（Ag2-xNixTe2）、硒化物超导材料（FeSe、HgS、PbSe等）等。
超导材料的研究和应用依然是一个热门的研究领域，科学家们正在不断寻找新的高温超导材料和开发超导应用技术。
超导材料
临界温度（TC）：超导体必须冷却至某一 临界温度以下才能保持其超导性。 临界电流密度（JC）：通过超导体的电流 密度必须小于某一临界电流密度才能保持 超导体的超导性。 临界磁场（HC）：施加给超导体的磁场必 须小于某一临界磁场才能保持超导体的超 导性。
约瑟夫森效应：两超导材料之间有一薄绝缘层 零电阻性：超导材料处于超导态时电阻为零 （厚度约1nm）而形成低电阻连接时，会有电子 Messner效应（完全抗磁性）：超导材料处 对穿过绝缘层形成电流，而绝缘层两侧没有电 于超导态时，只要外加磁场不超过一定值， 压，即绝缘层也成了超导体。当电流超过一定 超导材料的特性 磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零 值后，绝缘层两侧出现电压U（也可加一电压 U），同时，直流电流变成高频交流电，并向外 辐射电磁波
零电阻性
Messner效应
约瑟夫森效应
第一类超导体：
在低于临界磁场Hc的磁场H中处于超导态时，表现出 完全抗磁性，即在超导体内部B = 0 (HM) ＝ 0；在 高于Hc的磁场中则处于正常态，B/0 ＝ H，－M ＝ 0有两个临界磁场：下临界磁场Hc1和上临界磁场Hc2。 2、当外磁场达到Hc1时，第二类超导体内出现正常态和 超导态相互混合的状态，只有当磁场增大到Hc2时，其 体内的混合状态消失而转化为正常导体。
今年正好是超导现象发现100周年，在这 100年里关于超导的研究取得了令人瞩目 的成就。那么什么是超导现象？有哪些材 料是超导体呢？超导材料又可以应用在什 么方面？神奇的超导材料其实并不神秘， 其实在我们的身边就存在超导材料。
超导电性：在超低温下失去电阻的性质
只有当电流、温
度与磁场3个条
件都满足规定条件 时，才能出现超导 现象。
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超导材料主要制备技术
单晶生长技术 新超导化合物单晶样品有多种生长 方法。溶液生长和气相传输生长法 是制备从金属间氧化物到有机物各 类超导体的强有力工具。
高质量薄膜技术 目前, 薄膜超导体技术包括活性分 子束外延(MBE )、溅射、化学气相 沉积和脉冲激光沉积等。
超导材料的应用前景
超导材料以其独特的优点，一经发现即受到了人 们的青睐。如高能物理研究(粒子加速器、气泡 室)、固体物理研究(如核磁共振、绝热去磁和输 运现象)、受控核聚变反应、变压器、电动机、 磁流体发动机、电磁推进装置、超导磁悬浮高速 列车、磁力选矿、污水净化以及人体核磁共振成 像装置等许多方面 。
超导材料的探索与发展
探索新型超导材料在超导材料研究中始终起 着关键的作用, 同时也是一项高风险、高投入 的研究工作。自1911年荷兰物理学家卡麦林 ������ 昂尼斯发现汞在4.2K附近的超导电性以 来, 人们发现的新超导材料几乎遍布整个元素 周期表, 从轻元素硼、锂到过渡重金属铀系列 等。
总之, 超导材料的发展经历了一个从简单到复杂,即 由一元系到二元系、三元系以至多元系的过程 。铜 酸盐高温超导体的发现在科技领域有着巨大的影响。 CeCoIn5 单晶系列促进了对高温、重费密子超导性 的大量研究。由于单晶样品的合成还面临着相当多 的挑战, 用高品质的多晶样品来表征超导性能也是 非常有价值的, 因此高品质多晶样品是人们探索新 发现超导体性能的首选目标。
图1 超导材料的发展历程 Fig. 1 The deve lopm ent process of superconduc ting m ater ia ls
超导材料的特性
当超导体显示超导电性时就说它处于超导态， 否则说是正常态。实现超导态有两个最重要的 特征：一是当T<Tc时，电阻为零，因而超导 体内不会“发热”，不会有能量消耗；二是在 T<Tc 时，超导体内的磁感应强度B 总是为零， 具有完全的抗磁性
《材料学科前沿》文献综述
超导材料的特性、Biblioteka 展及制备• • • • •
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1.前言 2.超导材料的探索与发展 3.超导材料的特性 4.超导材料主要制备技术
4. 1 单晶生长技术 4. 2 高质量薄膜技术
• 5.超导材料的应用前景
前言
超导材料是在低温条件下能出现超导电性的物 质。超导材料最独特的性能是电能在输送过程 中几乎不会损失。超导材料的发现和发展至今 已经有近百年的历史了, 从发现之日起人们就 开始对它进行了不懈地探索和研究。在研究不 断取得突破和进展的同时, 人们也努力尝试着 发掘它潜在的应用特性, 在研究的初期已取得 了一定的成果。