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材料结构与性能超导本讲稿第一页，共六十一页不久，昂尼斯又发现了其他几种金属也可进入不久，昂尼斯又发现了其他几种金属也可进入“超导超导态态”，如锡和铅。锡的转变，如锡和铅。锡的转变温度为温度为3.8K，铅的转变，铅的转变温度为温度为6K。由于这两种金属的易加工特性，就可以。由于这两种金属的易加工特性，就可以在无电阻状在无电阻状态下进行种种电子学试验。此后，人们对态下进行种种电子学试验。此后，人们对金属元素进行试验，发现铍、钛、锌、镓、金属元素进行试验，发现铍、钛、锌、镓、锆、铝、锆、铝、锘等锘等24种元素是超导体。从此，超导体的研究进入种元素是超导体。从此，超导体的研究进入了一个崭新的阶段。了一个崭新的阶段。本讲稿第二页，共六十一页基本概念基本概念材料的电阻随着温度的降低会发生降低，某材料的电阻随着温度的降低会发生降低，某些材料会出现当温度降低到某一程度时出现电阻突然消失的些材料会出现当温度降低到某一程度时出现电阻突然消失的现象，我们称之为超导现象现象，我们称之为超导现象。人们将这种以零电阻为特征的。人们将这种以零电阻为特征的材料状态称作为超导态。超导体从正常状态（电阻态）过渡材料状态称作为超导态。超导体从正常状态（电阻态）过渡到超导态（零电阻态）的转变称作正常态超导态转变，转到超导态（零电阻态）的转变称作正常态超导态转变，转变时的温度变时的温度T TC C称作这种超导体的临界温度。也就是说，零称作这种超导体的临界温度。也就是说，零电阻和转变温度电阻和转变温度T TC C是超导体的第一特征。是超导体的第一特征。本讲稿第三页，共六十一页迈斯纳效应迈斯纳效应我们把处于超导态的超导体置于一个不太强的磁场中，我们把处于超导态的超导体置于一个不太强的磁场中，磁力线无法穿过超导体，超导体内的磁感应强度为零。磁力线无法穿过超导体，超导体内的磁感应强度为零。这种现象称作超导体的这种现象称作超导体的完全抗磁性完全抗磁性，这是超导体的第二，这是超导体的第二特征。这种抗磁现象最早于特征。这种抗磁现象最早于1933年由年由W.Merssner和和R.Ochenfeld做实验时发现，因而这种现象又称作做实验时发现，因而这种现象又称作迈斯纳迈斯纳效应效应。本讲稿第四页，共六十一页NNS降温降温降温降温加场加场加场加场S注：注：S表示超导态表示超导态N表示正常态表示正常态迈斯纳效应迈斯纳效应本讲稿第五页，共六十一页不不过过，当当我我们们加加大大磁磁场场强强度度时时，可可以以破破环环超超导导态态。这这样样。超超导导体体在在保保持持超超导导态态不不致致于于变变为为正正常常态态时时所所能能承承受受外外加加磁磁场场的的最最大大强强度度HC称称作作超超导导体体的的临临界界磁磁场场HC(T)。临临界界磁磁场场与与温温度度有有关关，0K时时的的临临界界磁磁场场HC(0)和和HC(T)的关系为：的关系为：HC(T)HC(0)1-(T/TC)2在在临临界界温温度度TC以以下下，超超导导态态不不至至于于被被破破坏坏而而容容许许通通过过的的最最大大电电流流称称作作临临界界电电流流IC。这这三三个个参参数数TC、HC、IC是是评评价价超超导导材材料料性性能能的的重重要要指指标标，对对理理想想的的超超导导材材料料，这些参数越大越好。这些参数越大越好。本讲稿第六页，共六十一页解解释释金金属属超超导导现现象象的的重重要要理理论论是是巴巴丁丁、库库 柏柏 和和 施施 里里 弗弗（J.Bardeen,L.N.Cooper,J.R.Schrieffer）建建立立的的电电声声作作用用形形成成库库柏柏电电子子对对的的理理论论，简简称称BCS理论。理论。超导现象的超导现象的BCS理论理论本讲稿第七页，共六十一页库柏电子对形成示意库库柏柏电电子子对对的的形形成成原原理理可可用用图图来来描描述述：金金属属晶晶体体中中的的外外层层价价电电子子处处在在带带正正电电性性的的原原子子实实组组成成的的晶晶格格环环境境中中，带带负负电电的的电电子子吸吸引引原原子子实实向向它它靠靠拢拢，在在电电子子周周围围形形成成正正电电势势密密集集的的区区域域，它它又又吸吸引引第第二二个个电电子子，即即电电子子通通过过格格波波声声子子相相互互作作用用形形成成电电子子对对，称称为为“库库柏柏电电子子对对”。这这种种库库柏柏电电子子对对具具有有低低于于两两个个单单独独电电子子的的能能量量，在在晶晶格格中中运运动动没没有有任任何何阻阻力力，因因而而产生超导性。产生超导性。本讲稿第八页，共六十一页格波格波电子在离子晶格间运动时，电子密度有起伏，当电子在离子晶格间运动时，电子密度有起伏，当电子在某处集中时，会对附近的离子晶格产生吸引，电子在某处集中时，会对附近的离子晶格产生吸引，从而使离子产生振动，并以波的形式在点阵中传播，从而使离子产生振动，并以波的形式在点阵中传播，这种波称为格波。这种波称为格波。声子声子格波是量子化的，其量子称为声子。形成格波的过格波是量子化的，其量子称为声子。形成格波的过程相当于电子发射出一个声子。程相当于电子发射出一个声子。本讲稿第九页，共六十一页处在超导态的电子，配成库柏对存在，配对处在超导态的电子，配成库柏对存在，配对的电子，其自旋方向相反，动量的大小相等的电子，其自旋方向相反，动量的大小相等而方向相反，总动量为零。库柏对作为整体而方向相反，总动量为零。库柏对作为整体与晶格作用，因此一个电子若从晶体得到动与晶格作用，因此一个电子若从晶体得到动量，则另一个电子必失去动量，作为整体，量，则另一个电子必失去动量，作为整体，不与晶格交换动量，也不交换能量，能自由不与晶格交换动量，也不交换能量，能自由地通过晶格，因此没有电阻。地通过晶格，因此没有电阻。本讲稿第十页，共六十一页当温度大于临界温度时，热运动使库柏对分散当温度大于临界温度时，热运动使库柏对分散为正常电子，超导态转为正常态。为正常电子，超导态转为正常态。当磁场强度达到临界强度时，磁能密度等于库当磁场强度达到临界强度时，磁能密度等于库柏对的结合能密度，所有库柏对都获得能量而被撤柏对的结合能密度，所有库柏对都获得能量而被撤散，超导态转为正常态。散，超导态转为正常态。本讲稿第十一页，共六十一页两类超导体两类超导体超超导导体体可可以以依依据据它它们们在在磁磁场场中中的的磁磁化化特特性性划划分分为为两两大大类类:第第一一类类超超导导体体只只有有一一个个临临界界磁磁场场HC，超超导导态态具具有有迈迈斯斯纳纳效效应应，表表面面层层的的超超导导电电流流维维持持维维持持体体内内完完全全抗抗磁磁性性。除除Nb、V、Tc以以外外，其其他他超超导导元元素素都都属属于于这这一一类。类。H0超导态正常态HC外加磁场本讲稿第十二页，共六十一页第二类超导体第二类超导体有二个临界磁场有二个临界磁场HC1和和HC2。当外加磁场。当外加磁场H0HC1时，同第时，同第一类，超导态具有迈斯纳效应，体内没有磁感应线穿过；一类，超导态具有迈斯纳效应，体内没有磁感应线穿过；当当HC1H0HC2时，处于混合态，这时体内有磁感应线时，处于混合态，这时体内有磁感应线通过，形成许多半径很小的圆柱形正常态，正常态周围通过，形成许多半径很小的圆柱形正常态，正常态周围是连通的超导圈。整个样品的周界仍有逆磁电流，就是是连通的超导圈。整个样品的周界仍有逆磁电流，就是在混合态也有逆磁性，又没有电阻。外加磁场强度达到在混合态也有逆磁性，又没有电阻。外加磁场强度达到HC2时，正常态区域扩大，超导区消失，整个金属变为正时，正常态区域扩大，超导区消失，整个金属变为正常态。金属铌属于典型的第二类超导体。下图给出了两常态。金属铌属于典型的第二类超导体。下图给出了两类超导体的磁性特征。类超导体的磁性特征。本讲稿第十三页，共六十一页HoHC1HC2HC超导态正常态混合态TCTHHC1HC2超导态混合态正常态超导态第二类超导体超导态第二类超导体本讲稿第十四页，共六十一页低温超导体低温超导体 我们将临界温度在液氦温度以下的超导体称为低温超导我们将临界温度在液氦温度以下的超导体称为低温超导体。人们陆续发现了锡、铅等多种金属元素和许多合金体。人们陆续发现了锡、铅等多种金属元素和许多合金以及化合物都具有超导现象，但临界温度一直很低（在以及化合物都具有超导现象，但临界温度一直很低（在液氦温度以下）。经过多年的努力，如今人们已经可以液氦温度以下）。经过多年的努力，如今人们已经可以使大部分金属元素都具有超导电性。在采用了特殊技术使大部分金属元素都具有超导电性。在采用了特殊技术后（如高压技术，低温下沉淀成薄膜的技术，极快速冷后（如高压技术，低温下沉淀成薄膜的技术，极快速冷却等），以前那些认为不能变成超导体的金属元素也已却等），以前那些认为不能变成超导体的金属元素也已经在一定状态下使它们实现了超导态。经在一定状态下使它们实现了超导态。本讲稿第十五页，共六十一页高温超导体高温超导体 一直以来人们只能得到液氦温度以下的低温超导体，因此一直以来人们只能得到液氦温度以下的低温超导体，因此工业应用价值不大，除了极少数的应用外超导体的实际应工业应用价值不大，除了极少数的应用外超导体的实际应用一直停滞不前。终于在众多杰出的物理学家的不懈努力用一直停滞不前。终于在众多杰出的物理学家的不懈努力下，直到下，直到1987年超导技术有了决定性的突破，美国学者年超导技术有了决定性的突破，美国学者（邱等人）在铱，钡和氧化铜基础上制成了高温超导体（邱等人）在铱，钡和氧化铜基础上制成了高温超导体（Y-Ba2-Cu3-O7）Tk=90-100K，这个温度已经超过，这个温度已经超过氮的沸点（氮的沸点（77K）。）。我们称这种临界温度在液氮沸点我们称这种临界温度在液氮沸点以上的超导体为高温超导体。以上的超导体为高温超导体。1987年以来发现的高温年以来发现的高温超导体几乎都是铜酸盐类的陶瓷，虽然临界温度有了较超导体几乎都是铜酸盐类的陶瓷，虽然临界温度有了较大的提高，但是高温超导体目前还没有达到所需要的稳大的提高，但是高温超导体目前还没有达到所需要的稳定性，载流量也有所下降。定性，载流量也有所下降。本讲稿第十六页，共六十一页探求高探求高TcTc超导材料超导材料1911年发现汞具有超导性以来，人们经历了年发现汞具有超导性以来，人们经历了七十余年，直到发现七十余年，直到发现Nb3Ge，Tc值才到值才到23K。从纯金属及其合金寻找高从纯金属及其合金寻找高Tc超导材料似乎走入超导材料似乎走入绝路，人们开始转向化合物。绝路，人们开始转向化合物。到到1985年年，已已观观察察到到许许多多化化合合物物在在低低温温下下具具有有零零电电阻阻，例例如如金金属属氧氧化化物物Li2TiO4，Tc=13.7K、硫硫化化物物PbMo6S8，Tc=15.2K以以及及由由电电荷荷转转移移化化合合物物形形成成的的有有机机金金属属(Tc到到13K)。所所有有这这些些体体系系，在在它它们们在在Tc以以上上温温度度时时，均均呈呈现现出出类类金金属属的的导导电电行行为为。一一般般说说来来，这这些些化化合合物物的临界温度都是很低的，大多数在的临界温度都是很低的，大多数在10K以下。以下。19111986本讲稿第十七页，共六十一页1986年是超导材料和超导化学的里程碑年。年是超导材料和超导化学的里程碑年。1986年年，J.G.Bednorz和和K.A.Mller发发表表了了他他们们在在含含有有钡钡、镧镧和和铜铜的的氧氧化化物物体体系系中中观观察察到到低低电电阻阻的的研研究究工工作作，但但没没有有公公布布化化合合物物组组成成。这这个个化化合合物物后后来来公公布布为为La2-xBaxCuO4，其其 临临 界界 温温 度度 为为35K，J.G.Bednorz和和K.A.Mller后后来来由由于于这这一一发发现现获获得得了了诺诺贝贝尔尔奖奖。此此后后，具具有有高高Tc的的新新无无机机材材料料极极快快地地发发展展起起来来。到到目目前前为为止止，这这些些新新材材料料多多是是含含铜铜的的复复合合氧氧化化物物，多多数数材材料料在在高高压压或或薄薄膜态，其临界温度已报道提升到膜态，其临界温度已报道提升到134K。本讲稿第十八页，共六十一页本讲稿第十九页，共六十一页【K2NiF4】结构也叫【K2MgF4】结构，四方晶系，a=400.6pm,c=1307.6pm,n=2.NiF6八面体彼此共顶点，形成二维的类【钙 钛矿】型阵列。这些钙 钛 矿 型结构层与KF【岩 盐】型结构层，在 c轴上交替排列，使得K离子的配位数为9。K2NiF4的配位方式为：K2NiF4在这种结构里有两个不同的F原子，一个结合着1个Ni2+和5个K+离子，另一个结合着2个Ni2+和4个K+离子。化合物超导材料的结构特征本讲稿第二十页，共六十一页K2NiF4的结构，是由NiF6八面体占据4个顶角这样的层片堆垛而成的。这些层由K离子所分隔，每个K离子周围被9个F离子配位。结构的体心位置有一个NiF6八面体，距晶胞原点的坐标为(1/2,1/2,1/2)。化学计量式为A2BX4的三元氧化物广泛地采取这种结构，其中一个阳离子A要比另一个B大的多。这与尖晶石结构恰好相反，但化学计量式相同，后者中A和B具有类似大小的离子 半 径。例 如，Sr2TiO4，La2NiO4，Cs2UO4以及将超导相(La1.85Ba0.15)CuO4都是具有K2NiF4结构的实例。K2NiF4的结构（含有NiF6八面体，圆圈位钾离子）本讲稿第二十一页，共六十一页La2-xMxCuO4,M=Ba,SrLa2CuO4具有K2NiF4类似的结构，不过相对于晶胞中001晶面，CuO6八面体有点拉长。二价钡离子部分替代了三价镧离子，同时保持氧含量不变，产生化合物La1.8Ba0.2CuO4，结构见右图，其具有完善的K2NiF4结构。它的Tc为35K，锶参入后形成类似物La1.85Ba0.15CuO4，Tc为40K。本讲稿第二十二页，共六十一页Y-Ba-Cu-O体系化合物无机氧化物陶瓷材料无机氧化物陶瓷材料Y-Ba-Cu-O体系具有高的体系具有高的TC90100K，相应，相应临界电流密度临界电流密度JC达到达到106Acm-2。本讲稿第二十三页，共六十一页 MgB MgB2 2：二硼化镁：二硼化镁（MgBMgB2 2），），其超导转变温度达其超导转变温度达39K39K。二硼。二硼化镁的发现为研究新一类具有简单组成和结构的高温超化镁的发现为研究新一类具有简单组成和结构的高温超导体找到新途径。导体找到新途径。易合成和加工，容易制成薄膜或线材。易合成和加工，容易制成薄膜或线材。可应用于电力传输、超级电子计算机器件以及可应用于电力传输、超级电子计算机器件以及CTCT扫描成扫描成像仪等方面。二硼化镁的发现使世界凝聚态物理学界为之像仪等方面。二硼化镁的发现使世界凝聚态物理学界为之兴奋。兴奋。本讲稿第二十四页，共六十一页随着研究的进展，超导材料的应用大致可分为三类：随着研究的进展，超导材料的应用大致可分为三类：1.1.大电流应用（强电应用）大电流应用（强电应用）：发电，输电和储能：发电，输电和储能2.2.电子学应用（弱电应用）电子学应用（弱电应用）：超导计算机，滤波：超导计算机，滤波 器，器，微波器件等微波器件等3.3.抗磁性应用抗磁性应用：磁悬浮列车和热核聚变反应堆等磁悬浮列车和热核聚变反应堆等超导材料的应用超导材料的应用本讲稿第二十五页，共六十一页超导磁体的应用超导磁体的应用 过去在供电线路上启动一个大的常规电磁体耗电过多甚至会使一个城市过去在供电线路上启动一个大的常规电磁体耗电过多甚至会使一个城市的灯光变暗。利用超导磁体就没有这个问题了，一个五万高斯的中型常规的灯光变暗。利用超导磁体就没有这个问题了，一个五万高斯的中型常规电磁体可重达电磁体可重达2020吨，而超导磁体只不过几十公斤。造成重量差别如此吨，而超导磁体只不过几十公斤。造成重量差别如此悬殊的主要原因是由于超导线的载流能力比普通导线高出成百上千悬殊的主要原因是由于超导线的载流能力比普通导线高出成百上千倍的缘故，另外由于电阻产生热量的缘故，常规电磁体在磁场太高倍的缘故，另外由于电阻产生热量的缘故，常规电磁体在磁场太高时，由于大电流产生的热量也较大，会导致电线绝缘体的熔解，这时，由于大电流产生的热量也较大，会导致电线绝缘体的熔解，这就造成了一个磁场强度最高限的问题。超导磁体发热量小，所以没就造成了一个磁场强度最高限的问题。超导磁体发热量小，所以没有这个限制，同时体积和质量也较小，因此有很大的优势。科学研有这个限制，同时体积和质量也较小，因此有很大的优势。科学研究中用超导体制造的离子加速器体积更小，加速效果也更好。发电究中用超导体制造的离子加速器体积更小，加速效果也更好。发电机的输出容量与磁感应强度、电枢电流密度成正比，用铜铁等制成机的输出容量与磁感应强度、电枢电流密度成正比，用铜铁等制成常规电机由于受磁化电荷的饱和强度所限，磁感应强度难以大幅增常规电机由于受磁化电荷的饱和强度所限，磁感应强度难以大幅增加。若采用超导材料，磁感应强度可提高加。若采用超导材料，磁感应强度可提高5-155-15倍，而载流能力可以倍，而载流能力可以提高提高10-10010-100倍。这样超导电机的输出功率就可以大大增加，同时电机重倍。这样超导电机的输出功率就可以大大增加，同时电机重量也可以大大减轻。量也可以大大减轻。本讲稿第二十六页，共六十一页 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，超导发电机的单机发电容量比常规发电机提高510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。超导发电机，拥有两万千瓦的功率300KW超导单极300发电机本讲稿第二十七页，共六十一页完全导电性的运用完全导电性的运用 超导体的零电阻性在电能输送、能源的节约上超导体的零电阻性在电能输送、能源的节约上的运用仍然是最主要的运用之一。当前为了降的运用仍然是最主要的运用之一。当前为了降低费用，长距离输电主要采用高压架空（低费用，长距离输电主要采用高压架空（HVOHHVOH）线路。现在实际运行的线路最高电压是单相）线路。现在实际运行的线路最高电压是单相765KV765KV。随着电压的增加和功率水平的提高，。随着电压的增加和功率水平的提高，在人口密集的大城市里这样的通道是很不经在人口密集的大城市里这样的通道是很不经济，甚至是不可能的。然而超导电缆比任何济，甚至是不可能的。然而超导电缆比任何技术上的竞争对手有较高的功率密度。技术上的竞争对手有较高的功率密度。本讲稿第二十八页，共六十一页超导输电线路 超超导导材材料料还还可可以以用用于于制制作作超超导导电电线线和和超超导导变变压压器器，从从而而把把电电力力几几乎乎无无损损耗耗地地输输送送给给用用户户。据据统统计计，目目前前的的铜铜或或铝铝导导线线输输电电，约约有有15%15%的的电电能能损损耗耗在在输输电电线线路路上上，光光是是在在中中国国，每每年年的的电电力力损损失失即即达达10001000多多亿亿度度。若若改改为为超超导导输输电电，节节省省的的电电能能相相当于新建数十个大型发电厂。当于新建数十个大型发电厂。超导导线(含2120根微米直徑之铌钛合金纤维)电缆芯、低温容器、终端和冷却系统四个部分高温超导电缆的国际市场在2010年左右可望达到15亿美元铋系高温超导直流电缆本讲稿第二十九页，共六十一页超导变压器超导电机超导限流器是利用超导体的超导超导限流器是利用超导体的超导/正常态转变特性，有效限正常态转变特性，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。作用：一种电力设备。作用：1.1.增强电力系统的增强电力系统的安全性安全性；2.2.增加电增加电力系统的力系统的可靠性可靠性；3.3.提高电力质量提高电力质量；4.4.能够与现有的电力系统能够与现有的电力系统保护设施兼容；保护设施兼容；5.5.通过调节允许的电流峰值增加电力系统通过调节允许的电流峰值增加电力系统的灵活性；的灵活性；6.6.减少电力系统线路中的断路器和熔断器的使用，延减少电力系统线路中的断路器和熔断器的使用，延缓电力设备的更新以降低成本；缓电力设备的更新以降低成本；7.7.提高系统的运行容量。提高系统的运行容量。专家们预言，就高温超导体在电力系统中的应用而言，专家们预言，就高温超导体在电力系统中的应用而言，最先得到实际应用的将可能是超导限流器。并预计，超导最先得到实际应用的将可能是超导限流器。并预计，超导限流器的国际市场在限流器的国际市场在20102010年左右将可望达到年左右将可望达到3535亿美元亿美元超导限流器本讲稿第三十页，共六十一页超导储能超导储能超导储能装置是利用超导线圈将电磁能直接超导储能装置是利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其它负载的一种电力设施它负载的一种电力设施。一般由超导线圈、。一般由超导线圈、低温容器、制冷装置、变流装置和测控系统低温容器、制冷装置、变流装置和测控系统几个部件组成。几个部件组成。优点：优点：1.1.可长期无损耗地储存能量，其转换效率可达可长期无损耗地储存能量，其转换效率可达95%95%；2.2.可通过采用电力电子器件的变流器实现与可通过采用电力电子器件的变流器实现与电网的连接，响应速度快（毫秒级）；电网的连接，响应速度快（毫秒级）；3.3.由于其储能量与功率调制系统的容量可独由于其储能量与功率调制系统的容量可独立地在大范围内选取，可建成所需的大功率和大能立地在大范围内选取，可建成所需的大功率和大能量系统；量系统；4.4.除了真空和制冷系统外没有转动部分，除了真空和制冷系统外没有转动部分，使用寿命长；使用寿命长；5.5.在建造时不受地点限制，维护简单、污染小。在建造时不受地点限制，维护简单、污染小。目前美国、日本、德国等一些发达国家在超目前美国、日本、德国等一些发达国家在超导储能装置方面的研究上投入了大量的人力导储能装置方面的研究上投入了大量的人力和物力，并且有许多在建的超导储能装置。和物力，并且有许多在建的超导储能装置。据预测，到据预测，到20102010年全世界对超导储能装置的需求年全世界对超导储能装置的需求将在将在1515亿美元左右。亿美元左右。超导储能装置本讲稿第三十一页，共六十一页抗磁性应用抗磁性应用超导磁悬浮列车超导磁悬浮列车-零高度的飞行器零高度的飞行器 超超导导材材料料的的另另一一重重要要特特征征是是具具有有完完全全的的抗抗磁磁性性。若若把把超超导导材材料料放放在在一一块块永永久久磁磁体体之之上上，由由于于磁磁体体的的磁磁力力不不能能穿穿过过超超导导体体，磁磁体体和和超超导导体体之之间间就就会会产产生生斥斥力力，使使超超导导体体悬悬浮浮在在磁磁体体上上方方。利利用用这这种种磁磁悬悬浮浮效效应应可可以以制制作作高高速速超超导导磁磁悬悬浮浮列列车车。在在列列车车车车轮轮旁旁边边安安装装小小型型超超导导磁磁体体，在在列列车车向向前前行行驶驶时时，超超导导磁磁体体则则向向轨轨道道产产生生强强大大的的磁磁场场，并并和和安安装装在在轨轨道道两两旁旁的的铝铝环环相相互互作作用用，产产生生一一种种向向上上浮浮力力，消消除除车车轮轮与与钢钢轨轨的的摩摩擦擦力力，起起到到加加快快车车速速的的作作用用。高高温温超超导导体体在在悬悬浮浮列列车车上上应应用用的的研研究究集集中中在在日日本本。超超导导在在运运载载上上的的其其他他应应用用可可能能还还有有用用作作轮轮船船动动力力的的超超导导电电机机、电电磁磁空空间间发发射射工工具具及及飞飞机机悬浮跑道。悬浮跑道。本讲稿第三十二页，共六十一页原理本讲稿第三十三页，共六十一页德国磁悬浮列车1999年月，日本研制的超导磁悬浮列车时速已达552公里，创世界铁路时速最高纪录。西南交通大学研制成功的超导磁悬浮列车，最高设计时速达500公里2002年4月5日我国第一条磁悬浮列车试验线在长沙建成通车，设计时速150公里本讲稿第三十四页，共六十一页核聚变反应堆核聚变反应堆“磁封闭体磁封闭体”利用超导体产生的巨大磁场，应用于受控制热核反应。核聚变反应时，利用超导体产生的巨大磁场，应用于受控制热核反应。核聚变反应时，内部温度高达内部温度高达1 1亿亿2 2亿亿，没有任何常规材料可以包容这些物质。而超导体产，没有任何常规材料可以包容这些物质。而超导体产生的强磁场可以作为生的强磁场可以作为“磁封闭体磁封闭体”，将热核反应堆中的，将热核反应堆中的超高温等离子体超高温等离子体包围、包围、约束起来，然后慢慢释放，从而使受控核聚变能源成为约束起来，然后慢慢释放，从而使受控核聚变能源成为2121世纪前景广阔的新能源。世纪前景广阔的新能源。中国科学院合肥等离子体物理研究所中国科学院合肥等离子体物理研究所超导托卡马克超导托卡马克HT-7HT-7巨大的电感线圈巨大的电感线圈 原子弹爆炸蘑菇云本讲稿第三十五页，共六十一页 另外，超导磁体在医学上的重要应用是核磁共振成像技术，可分辨早另外，超导磁体在医学上的重要应用是核磁共振成像技术，可分辨早期肿瘤癌细胞等，还可做心电图，脑磁图、肺磁图，研究气功原理等。期肿瘤癌细胞等，还可做心电图，脑磁图、肺磁图，研究气功原理等。利用超导体介子发生器可以治疗癌症，利用超导磁体可以治疗脑血管利用超导体介子发生器可以治疗癌症，利用超导磁体可以治疗脑血管肿瘤。肿瘤。人头颅核磁共振成像本讲稿第三十六页，共六十一页超导技术在军事上有广泛的应用前景超导计算机：超导计算机应用于超导计算机：超导计算机应用于C3IC3I指挥系统，可使作战指挥能力迅速改善提指挥系统，可使作战指挥能力迅速改善提高；高；超导探测器：利用超导器件对磁场和电磁辐射进行测量，灵敏度非常超导探测器：利用超导器件对磁场和电磁辐射进行测量，灵敏度非常高，可用于探测地雷、潜艇，还可制成十分敏感的磁性水雷。超导高，可用于探测地雷、潜艇，还可制成十分敏感的磁性水雷。超导红外毫米波探测器不仅灵敏度高，而且频带宽，探测范围可覆盖整红外毫米波探测器不仅灵敏度高，而且频带宽，探测范围可覆盖整个电磁频谱，填补现有探测器不能探测亚毫米波段信号的空白。利个电磁频谱，填补现有探测器不能探测亚毫米波段信号的空白。利用超导器件制造的大型红外焦平面阵列探测器，可以探测隐身武器，用超导器件制造的大型红外焦平面阵列探测器，可以探测隐身武器，将大大提高军事侦察能力。将大大提高军事侦察能力。大功率发动机：这种发动机具有能量大、损耗小、重量轻、体积小等优大功率发动机：这种发动机具有能量大、损耗小、重量轻、体积小等优点，可用作飞机、舰艇等的动力装置。点，可用作飞机、舰艇等的动力装置。超导储能系统：利用超导材料的高载流和零电阻特性，可制成体积小、重量超导储能系统：利用超导材料的高载流和零电阻特性，可制成体积小、重量轻、容量大的储能系统，轻、容量大的储能系统，用作粒子束武器、自由电子激光器、电磁炮用作粒子束武器、自由电子激光器、电磁炮的能源。的能源。超导磁流体推进系统，为水面舰艇和潜艇的提供动力。超导磁流体推进系统，为水面舰艇和潜艇的提供动力。本讲稿第三十七页，共六十一页超导储能装置在定向武器上的应用使定向武器发生飞跃的发展.超导发电机，推进器在飞机上的应用可大大提高飞机的生存能力；本讲稿第三十八页，共六十一页核潜艇图在航海中的应用，可大大减小甚至没有噪音，推进速度快，可大大提高舰艇的生存、作战能在航海中的应用，可大大减小甚至没有噪音，推进速度快，可大大提高舰艇的生存、作战能力；力；本讲稿第三十九页，共六十一页快离子导体的发展历史和结构特征快离子导体的发展历史和结构特征经经典典离离子子晶晶体体由由于于离离子子扩扩散散可可以以形形成成导导电电，但但一一般般来来说说，这这些些晶晶体体的的导导电电率率要要低低得得多多，如如氯氯化化钠钠在在室室温温时时的的电电导导率率只只有有10-15Scm-1，在在200时时也也只只有有10-8Scm-1。而而另另有有一一类类离离子子晶晶体体，在在室室温温下下电电导导率率可可以以达达到到10-2Scm-1，几几乎乎可可与与熔熔盐盐的的电电导导媲媲美美。我我们们将将这这类类具具有有优优良良离离子子导导电电能能力力（0.110Scm-1）的的材材料料称称做做快快离离子子导导体体(FastIonCondustor)或或固固体体电电解解质质（SolidElectrolyte），也有称作超离子导体（也有称作超离子导体（SuperIonCondustor）。）。快离子导体（固体电解质）快离子导体（固体电解质）(FastIonCondustororSolidElectrolyte)本讲稿第四十页，共六十一页Frenkel导导体体Schottky导导体体各种离子导体电导率与温度的关系log100/T(K-1)FastIon导导体体-AgI-AgI经经典典离离子子晶晶体体按按照照扩扩散散方方式式，分分作作Schottky导导体体和和Fenkel导导体体，它它们们和和快快离离子子导导体体一一样样，其其电电导导随随温温度度的的关关系系都都服服从从阿阿累累尼尼乌乌斯斯公公式式：Exp(-H/RT)，经经典典晶晶体体的的活活化化能能H在在12ev,而而快快离离子子导导体体的的活活化化能能H在在0.5ev以以下下。如如图图4.4反反映映了了这这些些导导体体电电导率与温度的关系。导率与温度的关系。快离子导体不论是从电导，还是从结构上看，都可以视为普通离子固体和离子液体快离子导体不论是从电导，还是从结构上看，都可以视为普通离子固体和离子液体之间的一种过渡状态：之间的一种过渡状态：普通离子固体普通离子固体快离子导体快离子导体电解质溶液电解质溶液相转变相转变增加缺陷浓度增加缺陷浓度本讲稿第四十一页，共六十一页1.快离子导体的发展简史快离子导体的发展简史我们简单列出快离子导体的发现过程：我们简单列出快离子导体的发现过程：上世纪末，人们发现掺杂的上世纪末，人们发现掺杂的ZrO2有宽带的光源，称作有宽带的光源，称作Nerst光源；光源；1914年年，Tubandt(塔塔板板特特)和和Lorenz(洛洛伦伦茨茨)发发现现银银的的化化合合物物在在恰恰低低于于其其熔熔点点时，时，AgI的电导率要比熔融态的的电导率要比熔融态的AgI的电导率高约的电导率高约20；1934年年，Strock系系统统研研究究了了AgI的的高高温温相相有有异异乎乎寻寻常常的的离离子子导导电电性性，并并首首次次提提出了熔融晶格导电模型；出了熔融晶格导电模型；20世世纪纪60年年代代中中期期，发发现现了了复复合合碘碘化化银银和和Na+离离子子为为载载流流子子的的-Al2O3快快离离子导体，其电导可达到子导体，其电导可达到10-1Scm-1;20世世纪纪70年年代代，美美国国福福特特汽汽车车公公司司已已把把Na-Al2O3快快离离子子导导体体制制成成Na-S电池，锂快离子制成的电池用于计算机、电子表、心脏起搏器等。电池，锂快离子制成的电池用于计算机、电子表、心脏起搏器等。现现在在快快离离子子导导体体制制作作的的化化学学传传感感器器、电电池池等等已已广广泛泛的的应应用用于于生生产产部部门门和国防以及人们生活中。和国防以及人们生活中。本讲稿第四十二页，共六十一页2.快离子导体的结构特征与分类快离子导体的结构特征与分类快快离离子子导导体体中中的的载载流流子子主主要要是是离离子子，并并且且其其在在固固体体中中可可流流动动的的数数量量相相当当大大。例例如如，经经典典晶晶体体氯氯化化钠钠、氯氯化化银银、氯氯化化钾钾以以及及-AgI中中可可流流动动的的离离子子的的数数量量不不大大于于1018cm3，而而快快离离子子导导体体中中可可流流动动的的离离子子数数目目达达到到1022cm3，要要大大一一万万倍倍。根根据据载载流流子子的类型，可将快离子导体分为如下类型：的类型，可将快离子导体分为如下类型：正正离离子子作作载载流流子子的的有有：银银离离子子导导体体、铜铜离离子子导导体体、钠钠离离子子导导体体、锂锂离离子子导导体以及氢离子导体；体以及氢离子导体；负离子作载流子的有：氧离子导体和氟离子导体等。负离子作载流子的有：氧离子导体和氟离子导体等。快快离离子子导导体体中中应应当当存存在在大大量量的的可可供供离离子子迁迁移移占占据据的的空空位位置置。这这些些空空位位置置往往往往连连接成网状的敞开隧道，以供离子的迁移流动。接成网状的敞开隧道，以供离子的迁移流动。根据隧道的特点，可将快离子导体划分为：根据隧道的特点，可将快离子导体划分为：一维导体，其中隧道为一维方向的通道，如四方钨青铜；一维导体，其中隧道为一维方向的通道，如四方钨青铜；二维导体，其中隧道为二维平面交联的通道，如二维导体，其中隧道为二维平面交联的通道，如Na-Al2O3快离子导体；快离子导体；三三维维导导体体，其其中中隧隧道道为为二二维维网网络络交交联联的的通通道道，如如Nisicon(Sodiumsuperionicconductor,NaZr2P3O12)等。等。本讲稿第四十三页，共六十一页快快离离子子导导体体材材料料往往往往不不是是指指某某一一组组成成的的某某一一类类材材料料，而而是是指指某某一一特特定定的的相相。例例如如对对碘碘化化银银而而言言，它它有有、三三个个相相之之多多，但但只只有有相相为为快快离离子子导导体体。因因此此，相相变变是是快快离离子子导导体体普普遍遍存存在在的的一一个个过程。换言之，某一组成物质，存在有由非传导相到传导相的转变。过程。换言之，某一组成物质，存在有由非传导相到传导相的转变。本讲稿第四十四页，共六十一页Ag+离子快离子导体离子快离子导体AgI快离子导体快离子导体Ag+离子快离子导体是发现较早、研究较多的快离子导体。早离子快离子导体是发现较早、研究较多的快离子导体。早在在1913年年Tubandt和和Lorenz就发现就发现AgI在在400以上具有可与液体以上具有可与液体电解质可比拟的离子电导率，高导电相是电解质可比拟的离子电导率，高导电相是-AgI，其在，其在146555温度范围内稳定。当温度范围内稳定。当AgI从低温的从低温的相转变为相转变为相（相（146）时，其电导）时，其电导率增加了个数量级以上。自此以后，还发展了一系列的率增加了个数量级以上。自此以后，还发展了一系列的Ag+离子快离子快离子导体。离子导体。AgI存在多个晶体变种，有存在多个晶体变种，有、和和个相。个相。-AgI低温低温下稳定存在，呈六方下稳定存在，呈六方ZnS型结构，型结构，Ag+离子位于离子位于I-负离子负离子HCP排列排列中的四面体空隙中；中的四面体空隙中；-AgI为介稳定相，立方为介稳定相，立方ZnS型结构型结构,Ag+离子离子位于位于I-负离子负离子FCC排列的四面体空隙中，其导电能力很差。排列的四面体空隙中，其导电能力很差。-AgI由由-AgI在在146时发生一级相转变而得，为体心立方晶格，如图时发生一级相转变而得，为体心立方晶格，如图所示。所示。本讲稿第四十五页，共六十一页-AgI单胞中单独占有个单胞中单独占有个I-离子，离子，分布在立方体的分布在立方体的8个顶点和体心位置，个顶点和体心位置，Ag+离子可占据的位置包括：离子可占据的位置包括：I-离子形成的八面体孔隙，分布离子形成的八面体孔隙，分布在立方体的在立方体的6个面心和个面心和12条棱的中心，条棱的中心，每个晶胞单独占有为每个晶胞单独占有为6个；个；I-离子形成的四面体孔隙，分布在离子形成的四面体孔隙，分布在立方体的立方体的6个面上两个八面体空隙之间，个面上两个八面体空隙之间，每个晶胞单独占有为每个晶胞单独占有为12个；个；2个四面体共面形成三角双锥空隙，每个四面体共面形成三角双锥空隙，每个晶胞单独占有为个晶胞单独占有为24个。个。2个Ag+离子可有42个空隙：6b，12d，24h本讲稿第四十六页，共六十一页这些孔隙的性质还是有区别的，尤其是从这些孔隙的性质还是有区别的，尤其是从Ag+离子占据时的能离子占据时的能量考虑：在量考虑：在6b位置上，其中有位置上，其中有2个与其周围的个与其周围的I-离子距离较近，