《低溫材料基礎》 課件 第六章 實超導材料

低溫材料基礎第一章：緒論第二章：材料低溫力學性能第三章：材料低溫物理性能第四章：金屬材料第五章：非金屬材料第六章：實用超導材料第七章：材料低溫力學性能測量方法第八章：材料低溫熱物理和電學性能測量方法第六章

實用超導材料一、超導電性簡介二、實用超導材料三、超導磁體簡介零電阻現(xiàn)象6.1超導電性簡介

零電阻現(xiàn)象6.1超導電性簡介杜瓦（Devar）預測當溫度接近絕對零度時，晶格運動凍結(jié)，電子不再受到晶格散射，電阻趨于零，如圖6-1中的曲線1所示。圖6-1中的曲線1正是式（6-1）的理論曲線。此曲線較好地符合T>20K以上的實驗數(shù)據(jù)。晶格不完整性因素對電子的散射即使在0K以下也存在。因此，材料在接近絕對零度時還應有一個電阻，稱為剩余電阻。Matthiessen預測隨溫度趨近于絕對零度，電阻趨于剩余電阻這一恒定值，如圖6-1中曲線2所示。開爾文（Kelvin）預測低溫下導電電子被“凍結(jié)”在晶格上，以致載流自由電子數(shù)快速減少，因而隨溫度降低，電阻率反而迅速升高并趨于無窮大，如圖6-1中曲線3所示。零電阻現(xiàn)象6.1超導電性簡介1908年，昂內(nèi)斯將最后一個已知氣體氦液化，得到4.2K溫度，隨后開始研究材料在這個溫區(qū)的電阻率。金屬汞（Hg）在常溫下是液體，且易于純化，是幾乎沒有雜質(zhì)和缺陷的完美金屬。昂內(nèi)斯測量了汞在4.2K溫區(qū)的電阻，于1911年發(fā)現(xiàn)其電阻在溫度4.15K突然跳躍式下降到所用儀器測不到的值，如圖6-2所示。突變前后，電阻值變化超過104倍。昂內(nèi)斯聲稱他發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)的一個新狀態(tài)，稱之為超導態(tài)。臨界溫度及臨界場強度6.1超導電性簡介

臨界溫度及臨界場強度6.1超導電性簡介

臨界溫度及臨界場強度6.1超導電性簡介

超導體的磁性6.1超導電性簡介超導體內(nèi)磁感應強度始終為零，且與外加磁場歷史無關。即使超導體處于外磁場中，也永遠沒有內(nèi)部磁場，它與加磁場的歷史無關，此效應稱之為Meissner效應。注意，電阻率ρ=0和內(nèi)磁場強度B=0是超導體的兩個相互獨立而又緊密聯(lián)系的基本特征。單純的ρ=0不能保證有Meissner效應，而B=0必須要求ρ=0。第Ⅰ類和第Ⅱ類超導體6.1超導電性簡介

第Ⅰ類和第Ⅱ類超導體6.1超導電性簡介

第Ⅰ類和第Ⅱ類超導體6.1超導電性簡介某些第Ⅰ類超導體可通過適量地摻入合金元素轉(zhuǎn)變?yōu)榈冖蝾惓瑢w。第Ⅰ類和第Ⅱ類超導體6.1超導電性簡介處于混合態(tài)的超導體對交流電流有電阻及能量消耗，這是第Ⅱ類超導體損耗的主要因素之一。超導體的正常態(tài)與超導態(tài)之間的轉(zhuǎn)變是可逆的，即在熱力學意義上這是可逆的。London方程和穿透深度6.1超導電性簡介

超導電性的BCS理論6.1超導電性簡介

超導環(huán)內(nèi)磁通量子化6.1超導電性簡介

混合態(tài)6.1超導電性簡介

6.2實用超導材料

6.2實用超導材料

6.2實用超導材料

Nb-Ti合金超導體6.2實用超導材料

Nb-Ti合金超導體6.2實用超導材料1.Nb-Ti合金相圖注意對α相和β相共存區(qū)，相邊界不穩(wěn)定，且主要與間隙氧原子相關。間隙氧原子能顯著增強α相沉淀，但當氧濃度超過2000ppm時，材料延展性變差。對α+β相熱處理會導致亞穩(wěn)態(tài)的ω相沉淀。ω相可充當釘扎中心并提高臨界電流密度，但會顯著提高加工硬化速率因而導致制造難度增加。因此對Nb-Ti合金，通常需要避免ω相出現(xiàn)。Nb-Ti合金超導體6.2實用超導材料2.Nb-Ti/Cu多芯復合超導線低雜質(zhì)含量、高均勻性的Nb-Ti合金是制備高質(zhì)量Nb-Ti/Cu多芯超導線的前提。對于高均勻Nb-Ti棒，除要求成分均勻外，還要求機械性能均勻，即要求具有優(yōu)良塑性、較低硬度及加工硬化率、無硬顆粒夾雜和晶粒尺寸小且均勻等。磁體釘扎的另外一種重要途徑是人工釘扎中心工藝。Nb-Ti合金超導體6.2實用超導材料

6.2實用超導材料

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6.2實用超導材料

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基于MgB2的超導系統(tǒng)的氫氣冷卻裝置銅氧化物超導體6.2實用超導材料

銅氧化物超導體6.2實用超導材料

銅氧化物超導體6.2實用超導材料

銅氧化物超導體6.2實用超導材料

銅氧化物超導體6.2實用超導材料1.BSCCO對鉍系超導體，Bi-2223只能通過軋制才能實現(xiàn)織構(gòu)化，因此其只能做成帶材。對Bi-2212，可以通過軋制實現(xiàn)織構(gòu)化，從而做成帶材。Bi-2212還可通過在低于Ag熔點下的熔化熱處理實現(xiàn)織構(gòu)化。Bi-2212是目前唯一可制成圓線材的銅氧化物高溫超導材料。銅氧化物超導體6.2實用超導材料1.BSCCOBi-2212超導帶材制備方法主要是浸涂法（DipCoatingProcess，DCP），而Bi-2212線材和Bi-2223帶材制備方法主要是粉末裝管法（PIT）。為提高超導體致密度以提高載流性能，常采用加壓熱處理。銅氧化物超導體6.2實用超導材料2.REBCO除釔（Y）元素外，釤（Sm）以及釓（Gd）等稀土元素也用于制備第二代高溫超導材料。由稀土（RareEarth，RE）、鋇（Ba）、銅（Cu）、氧（O）元素組成的第二代高溫超導材料統(tǒng)寫為REBCO或ReBCO（RE=Y,Sm,Gd,Eu,Ho,Er,Lu,La,Nd…）銅氧化物超導體6.2實用超導材料2.REBCO第2代高溫超導（2GHTS）的制備方法主要用薄膜涂敷技術(shù)，因此又稱制備的材料為涂層導體。與1GHTS相比，2GHTS使用貴金屬Ag非常少，因此節(jié)省了原材料成本。與1GHTS相比，在高磁場及高溫下2GHTS具有更高的載流能力。6.3超導磁體簡介

超導磁體的應用6.3超導磁體簡介1.科研用強磁場磁體原子核自旋、核外電子自旋及軌道運動都會與磁場發(fā)生相互作用。強磁場可用來開展基礎科學研究。產(chǎn)生強磁場的裝置主要分為三類，即電阻式磁體、超導磁體，以及由二者組合的混合磁體?；旌洗朋w磁場一度提高至45T以上，在世界5大穩(wěn)態(tài)強磁場中位居第二。除了穩(wěn)態(tài)強磁場外，各國還建立了脈沖強磁場科學裝置。這類裝置的磁場強度可以遠高于穩(wěn)態(tài)磁體的，如我國武漢建立的脈沖強磁場裝置最高磁場強度可達94.8T，位居世界第三。超導磁體的應用6.3超導磁體簡介2.磁懸浮電磁懸浮是靠安裝在車體上的電磁鐵與磁性軌道之間的電磁吸引力實現(xiàn)懸浮，可靜止懸浮。

電動懸浮靠列車運動式車載磁體磁力線切割軌道線圈（或感應板）產(chǎn)生感應電流，二者之間相互作用產(chǎn)生磁升力，磁升力隨速度增加而增大。電磁懸浮使用電磁體，耗能較高。為此，使用部分永磁體替代電磁懸浮系統(tǒng)中的電磁體，從而發(fā)展了混合電磁懸浮技術(shù)。高溫超導出現(xiàn)以后，還發(fā)展了基于高溫超導強磁通釘扎效應的超導釘扎懸浮技術(shù)。這種技術(shù)利用了高溫超導塊體的強釘扎電流與激勵磁場的電磁相互作用。超導磁體的應用6.3超導磁體簡介3.儲能系統(tǒng)超導磁體還用于磁懸浮軸承飛輪儲能系統(tǒng)。磁懸浮軸承是利用電磁相互作用使高速轉(zhuǎn)子懸浮的高性能軸承。相對于機械軸承，超導磁懸浮軸承具有機械磨損小、能耗低、噪聲小、壽命長以及無油污染等優(yōu)點。4.磁分離磁分離是利用磁力進行物質(zhì)分離的技術(shù)。相對于永磁體和電磁體，超導磁體應用于磁分離具有明顯的優(yōu)勢。超導磁分離已經(jīng)用于貧礦富集、稀有金屬及貴金屬提純、高嶺土提純、煤脫硫、污水處理等領域。超導磁體的應用6.3超導磁體簡介5.核磁共振技術(shù)核磁共振（NMR）技術(shù)的應用主要包括核磁共振成像（MRI）和核磁共振波譜（MagneticResonanceSpectroscopy，MRS）。目前，1GHz以下的NMR磁體主要使用低溫超導材料，而以上的NMR磁體使用低溫超導材料和高溫超導材料。超導磁體的應用6.3超導磁體簡介5.核磁共振技術(shù)核磁共振（NMR）技術(shù)的應用主要包括核磁共振成像（MRI）和核磁共振波譜（MagneticResonanceSpectroscopy，MRS）。目前，1GHz以下的NMR磁體主要使用低溫超導材料，而以上的NMR磁體使用低溫超導材料和高溫超導材料。超導磁體的應用6.3超導磁體簡介

超導磁體的應用6.3超導磁體簡介8.磁約束核聚變裝置目前研究的可控核聚變方式主要有慣性約束核聚變和磁約束核聚變兩種。磁約束核聚變（MagneticConfinementFusion，MCF）依靠強磁場將低密度高溫等離子體約束足夠長時間以使氘氚等離子體達到聚變反應所需的條件。對磁約束核聚變，磁場強度越高越有利于聚變反應。超導磁體相對傳統(tǒng)永磁或電磁體具有無與倫比的優(yōu)勢。小型超導磁體設計簡介6.3超導磁體簡介1.超導材料選擇（1）冷卻介質(zhì)及方式，主要包括低溫制冷劑（如液氦、液氖、液氮）浸泡冷卻、制冷劑迫流冷卻、制冷機傳導冷卻等。對聚變等大型高磁場超導磁體，由于高輻射熱及交流損耗，常采用套管電纜導體（CICC）及迫流冷卻。（2）對Nb3Sn超導磁體，需考慮“纏繞后反應”工藝對絕緣系統(tǒng)以及CC鎧甲結(jié)構(gòu)材料的影響。（3）超導材料與結(jié)構(gòu)支撐和絕緣系統(tǒng)熱膨脹系數(shù)失配導致室溫至磁體運行溫度的降溫過程產(chǎn)生熱應力的因素。（4）Lorentz力影響，對螺線管線圈產(chǎn)生的環(huán)向應力。（5）超導材料的應變效應。（6）絕緣系統(tǒng)及工藝。（7）可靠的失超探測及保護系統(tǒng)。小型超導磁體設計簡介6.3超導磁體簡介

小型超導磁體設計簡介6.3超導磁體簡介

6.3超導磁體簡介

6.3超導磁體簡介

小型超導磁體設計簡介6.3超導磁體簡介3.穩(wěn)定對比可見，低溫超導更易失超，而直流高溫超導磁體更加穩(wěn)定。小型超導磁體設計簡介6.3超導磁體簡介4.損耗在多數(shù)情況下，內(nèi)部電場分布源于垂直于超導體的交變磁場，因此導致的損耗也被稱為橫向電場損耗。此外，當交流電流通過超導體時，產(chǎn)生的損耗被稱為交流電流損耗。這兩類損耗的產(chǎn)生機理都與交變磁場有關，統(tǒng)稱交流損耗。超導體內(nèi)部磁場變化會產(chǎn)生感應電場E。此感應電場會在導體中引起屏蔽電流，屏蔽電流會決定超導體中的磁場分布，同時還會產(chǎn)生能量損耗，而能量損耗將