功能材料超导材料

1、功能材料超导材料第1页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一1908年，荷兰物理学家莱顿大学的昂纳斯(Heike Kamerlingh Onnes)首次成功地把称为“永久气体”的氦液化，因而获得4.2K (-268.8) 的低温源，为超导准备了条件。第一章 超导材料第2页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一 1911年，昂纳斯在测试纯金属电阻率的低温特性时，他又发现，汞的直流电阻在4.2K左右低温时突然消失，他认为这时汞进入了一种以零阻值为特征的新物态，并称为“超导态”，称这种处于超导状态的导体为超导体。超导体电阻突然变为零的温度叫超导临界温度(Tc)。昂

2、纳斯在1911年12月28日宣布了这一发现。由于他的这一发现获得了1913年的诺贝尔奖。第3页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一1.1 超导材料的基础特性超导体可分为两类：第一类超导体包括除Nb、Ta、V以外的纯金属第二类超导体Nb、Ta、V和所有超导合金及化合物 第4页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一一、第一类超导体的特性1. 超导体的临界参数(1) 临界温度Tc 在无外磁场的情况下，超导体由正常态转变为超导态或相反转变时的温度称为临界温度。为了便于超导材料使用，希望临界温度越高越好。但是第一类超导体的临界温度一般都比较低。 第5页，共73页，2

3、022年，5月20日，14点47分，星期一(2) 临界磁场Hc 当金属已处于超导态时，若施以足够强的磁场，便能破坏其超导性，使它由超导态转变为非超导态，电阻重新恢复。临界磁场（Hc）即是指这种破坏超导态所需的最小磁场强度。Hc和温度T有如下关系： Hc =Hc0 (1-T2/Tc2) （TTc）式中Hc0为0K时的临界磁场。当T=Tc时Hc=0；随温度的降低，Hc渐增，至0K时达到最大值Hc。第一类超导体Hc值不太大，约为10-2 T（特斯拉）的数量级。第6页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一(3) 临界电流Ic和临界电流密度Jc 产生临界磁场的电流，即超导态允许流动的最

4、大电流，称为临界电流Ic。通过超导体的电流达到一定数值时，可使超导态破坏而转变为正常态。此时，单位截面积上承载的电流值称为临界电流密度Jc。根据西尔斯比定则，对半径为a的超导丝所形成的回路，有如下关系： 由于第一类超导体的Hc都不大，Ic也较小，使第一类超导体不能实用。第7页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一2. 零电阻率 零电阻率是超导体的一重要的特性。当超导体的温度接近临界温度时，其电导率可视为无限大，因而可承载很大的电流，只要这个电流不超过临界电流Ic，超导体内电流的流动就可看成是无阻的，热损耗也可忽略不计。若用这样的超导体组成一个闭合回路，一旦回路中激发起电流，该

5、回路内的电流将持续下去。由于超导体的电阻为零，所以电流在超导体内流动时，导体内任意两点间的电势差为零，则整个导体是一个等势体。第8页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一大家都知道，若将金属线圈放在磁场中，则线圈内将产生感应电流，对于正常金属线圈来说，当磁场去掉后，线圈内电流很快衰减为零，而对于超导线圈，情况却完全不同，图1是著名的持续电流实验。将一超导线圈放在磁场中并冷却到临界温度以下，突然撤去磁场，则在超导线圈中产生感生电流。图1 著名的持续电流实验 第9页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一 实验发现，此电流可以持续存在，观察几年也未发现电流有明显变

6、化。应该指出的是，超导体只有在直流情况下才有零电阻现象，若电流随时间变化，将会有功率耗散。超导材料的零电阻特性可以用来输电和制造大型磁体。超高压输电会有很大的损耗，而利用超导体则可最大限度地降低损耗，但由于临界温度较高的超导体还未进入实用阶段，从而限制了超导输电的采用。随着技术的发展，新超导材料的不断涌现，超导输电的希望能在不久的将来得以实现。第10页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一3. 迈斯纳效应(完全抗磁性) 迈斯纳(Meissner)于1933年通过实验证明，当金属在外磁场中冷却而从非超导态转变为超导态时，体内原有的磁力线立即被推出体外，磁感应强度恒等丁零，这种现

7、象称为迈斯纳效应。迈斯纳效应又叫完全抗磁性。而且若对超导体施以强外磁场(小于等于Hc)，体内亦将没有磁力线透过。也就是说，超导体不仅是一个理想的导电体，而且也是一个理想的抗磁体。现常用迈斯纳效应这个重要性质来判别物质是否具有超导性。 第11页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一 自1911年超导电现象发现到1933年，二十多年间，人们一直把超导体单纯看成理想导体，即除电阻为零之外，其他一切性质都和普通金属相同。迈斯纳效应展示了超导体与理想导体完全不同的磁性质，使人们对超导体有了全新的认识。 所谓理想导体，即它的电导率=，由欧姆定律j=E得知，理想导体内部电场强度E必然处处为

8、零。否则电流密度j将趋于无穷大，而与j恒定有限的实验事实不符。第12页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一 此外超导体作为电磁系统，应遵守麦克斯韦方程： 因为E = 0，所以 这说明超导体内，磁感应强度（又称磁通密度）B应由初始条件(或实验过程)决定，原来体内有多大磁通就维持多大磁通不变。因此，B B0，这是由理想导电性推出的结论，B0表示某一确定的初始值。但实验结果不同，如图2所示。第13页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一图2 迈斯纳效应与理想导体情况比较 第14页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一 迈斯纳实验表明，不论是先降

9、温后加磁场，还是先加磁场后降温，只要进入超导态(图中符号: S表示超导态，N表示正常态)，超导体就把全部磁通排出体外，与初始条件无关，也与过程无关。即超导体内部B不仅恒定不变，而且恒定为零。B 0，这是迈斯纳效应的实验结论。 因此,衡量一种材料是否是超导体,必须同时具备零电阻效应和迈斯纳效应,而仅仅满足零电阻效应只能称为理想导体。零电阻和迈斯纳效应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。 第15页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一 磁悬浮现象就是超导体具有完全抗磁性的证明。人们做过这样一个实验，在一个浅平的锡盘中，放入一个体积很小磁性很强的永久磁铁，

10、然后把温度降低，使锡出现超导性。这时可以看到，小磁铁竟然离开锡盘表面，飘然升起，与锡盘保持一定距离后，便悬空不动了。第16页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一 产生这一现象的原因，是由于超导体的完全抗磁性，使小磁铁的磁力线无法穿透超导体，磁场发生畸变，便产生了一个向上的浮力。进一步的研究表明：处于超导态的物体，外加磁场之所以无法穿透它的内部，是因为在超导体的表面感生一个无损耗的抗磁超导电流，这一电流产生的磁场，恰巧抵消了超导体内部的磁场。 第17页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一 4. 同位素效应 超导体的临界转变温度和其同位素质量有关。同位素质量

11、愈大，转变温度便愈低。例如，原子量为199.5的汞同位素，它的临界转变温度是4.18K，而原子量为203.4的汞同位素，临界温度却为4.146K。这种同位素效应可用下式表示： TcM1/2常数 由于同一元素各同位素的差别在于原子核的质量，因此，同位素效应表明在超导现象中，电子和晶格振动的相互作用是一个重要的原因。第18页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一 此外，在超导过渡（Tc）时，物质的某些物理性质亦将改变。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。5. 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

12、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，如图3所示。 第19页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一图3 Sn在正常态和超导态下的比热 第20页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一二、第二类超导体的特征1. 临界温度Tc 一般情况下，第二类超导体的临界温度比第一类超导体的临界温度高。2. 临界磁场Hc 第二类超导体有两个临界磁场：下临界磁场(Hc1)和上临界磁场(Hc2)。Hc1值较小，Hc2比Hc1高一个数量级，而且大部分第二类超导体的Hc2比第一类超导体的Hc要高得多。在温度低于Tc

13、条件下，外磁场小于Hc1时，第二类超导体的性能与第一类超导体相同，处于完全抗磁性状态。第21页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一 当外磁场介于Hc1与Hc2之间时，第二类超导体处于超导态与正常态的混合状态。磁场部分地穿透到超导体内部，如图4所示。图4 超导态与正常态的混合状态 第22页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一 电流在超导部分流动。随着外加磁场的增加，正常导体部分会渐渐扩大，当外加磁场等于Hc2时，超导部分消失，导体转为正常态。由于第二类超导体的下临界磁场比上临界磁场要小得多，所以除个别极低的磁场外，上临界磁场以下的大部分磁场都可以形成混合态

14、。某些第二类超导体（如Nb3Sn、V3Ga、Nb3Ge等）的上临界磁场Hc2能高达数十特斯拉。其实第二类超导体不存在迈斯纳效应。 第23页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一3. 临界电流Ic 对于第二类超导体，在Hc1以下行为与第一类超导体相同，其Ic也可以按第一类超导体考虑。当第二类超导体处于混合态时，超导体中正常导体部分通过的磁力线与电流作用，产生了洛伦兹力，使磁通在超导体内发生运动，要消耗能量。在这种形式下，只能以电功率的损失补充这部分能量，换句话说，等于产生了电阻，临界电流为零。但超导体内总是存在阻碍磁通运动的“钉扎点”，如缺陷、杂质、第二相等。随着电流的增加，洛

15、伦兹力超过了钉扎力，磁力线开始运动，此状态下的电流是该超导体的临界电流。 第24页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一 实际上，一般制得的第二类超导体（如Nb-Zr、Nb-Ti合金和Nb3Sn、V3Ga化合物等）均存在超过原子尺度的化学和物理的不均匀性（如第二相析出物、位错等）。这种不均匀的第二类超导体称为硬超导体。它除了具有表征第二类超导体的全部性质外，还表现出如下特性：第25页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一 （1）硬超导体在磁场中能通过电流而不破坏超导性。有时临界电流（Ic）可以很高。超导体的临界电流与其形变程度有关，形变程度越大，它的临界电流

16、也越高。 但对于理想的第二类超导体而言，当处于与传输电流相垂直的磁场大于Hc1而小于Hc2时，它不能既承载电流而又不破坏其超导性。第26页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一 （2）超导体中的临界电流与其横截面的面积成正比。 （3）硬超导体的磁化曲线与理想的第二类超导体不同，它存在着磁滞回线。 所以，在某些场合称硬超导体为第三类超导体或强磁场超导体。 第27页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一一、元素超导体 已发现的超导元素近50种，如下图所示。除一些元素在常压及高压下具有超导电性外，另部分元素在经过持殊工艺处理(如制备成薄膜，电磁波辐照，离子注入等)

17、后显示出超导电性。其中Nb的Tc最高(9.24 K)，与一些合金超导体相接近，而制备工艺要简单得多。1.2 低温超导材料 超导材料按其化学组成可分为：元素超导体、合金超导体、化合物超导体。它们均属于低温超导体。第28页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一周期表中的超导元素第29页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一 常压下，在目前所能达到的低温范围内，已发现具有超导电性的金属元素有28种。其中过渡族元素18种，如Ti、V、Zr、Nb、Mo、Ta、W等；非过渡族元素10种，如Bi、Al、Sn、Pb等。按临界温度高低排列，Nb居首位，Tc9.24K；其次是元

18、素Tc（锝），Tc7.8K；第三是Pb，Tc7.197K；第四是La，Tc6.00K。研究发现，在施以30GPa压力的条件下，超导元素的最高临界温度可达13K。 元素超导体除V、Nb、Ta以外均属于第一类超导体，很难实用化。第30页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一二、合金超导体 合金系超导材料具有塑性好，易于大量生产，成本低等优点，所以它是绕制大型磁体的最合适材料。 Nb-Zr合金是最先发展起来的超导合金材料，在1965年以前它曾是超导合金中最主要的产品，用于制做超导磁体。Nb-Zr合金具有低磁场高电流的持点，后来逐渐被加工性能好，临界磁场高，成本低的Nb-Ti合金所取

19、代。 第31页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一 在目前的合金超导材料中，Nb-Ti系合金实用线材的使用最为广泛，原因之一是它与铜很容易复合。复合的目的是防止超导态受到破坏时，超导材料自身被毁。Nb-Ti合金线材虽然不是当前最佳的超导材料，但由于这种线材的制造技术比较成熟，性能也较稳定，生产成本低，所以目前仍是实用线材中的主导。70年代中期，在Nb-Zr、Nb-Ti合金的基础上又发展了一系列具有很高临界电流的三元超导合金材料，如Nb-40Zr-10Ti，Nb-Ti-Ta等，它们是制造磁流体发电机大型磁体的理想材料。 第32页，共73页，2022年，5月20日，14点47分

20、，星期一Nb-Ti合金的制备工艺： Nb、Ti均为难熔金属，故其制备工艺要考虑难熔合金的特点，即材料的熔点高和在高温下易于氧化。同时为了适应超导磁体的要求必须进行一些特殊的处理。Nb-Ti合金的典型工艺流程如下： 电子束轰击熔炼真空电弧炉熔炼热锻或冷加工均匀化处理冷加工固溶处理包铜冷加工拉丝时效热处理。 第33页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一 为了防止合金在高温下被氧化和排除气体，以获得良好的加工性能和较纯净的合金，需要在真空或惰性保护气氛中熔炼。先在电子轰击炉中熔炼成初锭，作为真空电弧熔炼的自耗电极。再经真空自耗熔炼成Nb-Ti合金锭。有时为了得到均匀的Nb-Ti合

21、金锭，需经多次重熔。但是，从超导性来看，杂质的存在有利于Jc的提高（作为强磁场超导合金材料要求其Jc高）。一定含量的杂质，常常是改善超导性能所必要的。所以未必重熔次数愈多、纯度愈高愈好。 第34页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一 为了得到成分更均匀的合金线，可在高温(1300)下进行均匀化处理。固溶处理的目的在于改善塑性。然后进行包铜，合金棒经表面清洁处理后，插入铜管内，铜管的内外径之比约为12。再经冷加工制成复合线。然后进行拉丝。最后经时效热处理，目的在于脱溶出相以提高临界电流值。 第35页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一 为了防止这种超导材料

22、在使用时产生局部磁通急剧变化而引起材料由超导向常导转变，把超导材料用优良导体(如铜、镍或铝等)包覆，情况可以得到改善。因为在超导体受干扰的区域恢复之前，这些导体可以作为电流通过的路径。即使超导合金性能稳定，也可以采用铜、镍或铝等良导体包覆超导线或将超导合金制成多股多芯线，以进一步减小磁化、磁滞而得到性能稳定的、即使使用交流电也能使用的超导线材。第36页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一 Nb-Zr合金的加工工艺类似于Nb-Ti合金，均属于难熔合金范畴。 Nb-Zr合金的超导临界温度Tc在Zr的原子百分含量为1030时，出现一较宽的平台形最大值，约11K。当Zr的原子百分含

23、量继续增加时，Tc将逐渐下降。它的临界磁场Hc2亦主要决定于Zr的原子百分含量，对冷加工及热处理等并不敏感，在Zr的原子百分数为6575时达最大值。第37页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一 Nb-Zr合金的H-Jc特性对结构非常敏感。它不仅与合金成分、杂质含量有关，并也与冷加工、热处理等密切相关。在富Zr范围内，Jc随Zr含量的下降而增加，而当Zr的原子百分数为2535时，Jc达最大值。若Zr含量再下降，则Jc将同时很快下降。冷加工和短时间的热处理都能提高Nb-Zr合金的Jc，两种效应是叠加的。故把冷加工和热处理适当地结合使用，可获得最高的Jc。含Zr原子百分数为28的

24、Nb-Zr合金在800下进行热处理，可使Jc提高十倍。第38页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一 在超导合金中，有些材料在降低温度使用时，其上临界磁场和临界电流可以有大幅度提高；而且合金超导体的临界温度在超高压下有所提高，如Nb-Zr合金，在30GPa压力下，临界温度达到17K左右。常压下Nb-Zr合金的超导临界温度最高达11K左右。 第39页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一三、化合物超导材料 化合物超导体与合金超导体相比，临界温度和临界磁场(Hc2)都较高。一般超过10T的超导磁体只能用化合物系超导材料制造。如Nb3Sn、V3Ga、Nb3Ge、N

25、b3Al，Nb3(AlGe)等。但这些化合物超导材料都非常脆，加工困难，往往无法直接绕成磁体，必须采用特殊的制备方法。就这点来说，它不如超导合金。实际能够使用的超导化合物只有Nb3Sn和V3Ga两种，其它化合物由于加工成线材较困难，尚不能实用。 第40页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一1、Nb3Sn超导化合物 Nb3Sn化合物具有高临界温度Tc(18K)、高临界磁场Hc (4.2K下，22.1T)和在强磁场下能承载很高的超导电流密度Jc(10T下，4.5105A/cm2)的特性。它是用来制作8.015.0T超导磁体的主要材料。第41页，共73页，2022年，5月20日，

26、14点47分，星期一 制备Nb3Sn线圈时，主要通过两种途径来克服其脆性问题： (1) 先制成Nb3Sn超导带(线), 再绕制线圈 在Nb基底带上，表面镀Sn，再经900950的热处理，由于扩散反应，则在表面生成Nb3Sn层，而获得Nb3Sn带材，使其仍具有一定的柔性，再绕成线圈。 第42页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一 (2) 先绕成线圈，再生成Nb3Sn 在尚未生成Nb3Sn化合物时，材料允许变形，将它绕成线圈，然后将整个线圈加热，通过扩散反应生成Nb3Sn。这样Nb3Sn便不需要变形了，以避免其脆性问题。但由于扩散反应是在1000左右的高温下进行的，故一般适用于

27、中小型磁体。对于大型磁体，整体加热处理将有困难。 第43页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一2、V3Ga超导化合物 V3Ga具有良好的超导性，在4.2K时，Hc 24T，尤其在强磁场(10T)下，它的Jc值比Nb3Sn 还高。用它可绕制15.020.0T超导磁体是较适宜的。 V3Ga带材的制法：在V基底带上沉积Ga，生成含Ga高的化合物层，再在带面上镀Cu，并经600700的热处理，使其形成V3Ga超导化合物层。第44页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一 为了克服超导化合物材料性能的不稳定性，也可以用铜合金裹在化合物上形成极细的多芯线。Nb3Sn和V

28、3Ga极细多芯线的制造加工过程如下图所示。第45页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一 首先在Cu-Sn(或Cu-Ga)合金锭上钻出多孔，再用多根Nb棒(或V棒)均匀地插入Cu-Sn (或Cu-Ga)合金中，形成Nb-(Cu-Sn)或V-(Cu-Ga)的复合体，然后对复合体进行挤压加工。第46页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一 用拉拔方法将Nb-(Cu-Sn)或V-(Cu-Ga)复合体加工成线状，通过再组合把很多这种线状复合体再插入到Cu-Sn(或Cu-Ga)合金管中，然后进行拔丝加工(中间退火)和扭绞加工制成线状，再对加工后的线材进行热处理（600

29、-700），即可形成Nb3Sn(或V3Ga)极细多芯线。 第47页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一 制造这类极细多芯线复合材料时，基体材料中如果含Sn或Ga愈多，经热处理后，生成的Nb3Sn或V3Ga超导化合物层就愈厚，超导特性也就愈好，但是复合材料的加工性能有所下降。通常基体合金的成分以使用Cu-(78) %atomSn或Cu-(1920) %atomGa的综合性能为佳。第48页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一 1986年12月15日，美国休斯敦大学的朱经武等人在La-Ba-Cu-O系统中，发现了40.2K的超导转变。12月26日中国科学院物理

30、研究所的赵忠贤等人发现转变温度为48.6K的Sr-La-Cu-O，转变温度为70K的Ba-La-Cu-O。 1987年2月16日，朱经武领导的阿拉巴马大学和休斯敦大学组成的实验小组，发现Y-Ba-Cu-O的Tc为92K。2月24日，赵忠贤等人获得液氮温区的超导体Y-Ba-Cu-O，Tc在100K以上，出现零电阻的温度为78.5K。人们终于实现了获得液氮温区超导体的多年梦想。 1.3 高温超导陶瓷 第49页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一1、高温超导体的特征 高温氧化物超导体，从结构上都是从钙钛矿结构演变而来，目前共有4种典型的高Tc氧化物系列，即La-Sr-Cu-O (

31、Tc35K)；Y-Ba-Cu-O (Tc90K)；Bi-Sr-Ca-O (Tc80K)；Tl-Ba-Cu-O (Tc120K)。 在一定压力范围内，加压可以提高超导体的Tc。晶格中原子的无序是影响材料超导持性的一个重要因素。在大多数高温超导体中，都发现了迈斯纳效应和约瑟夫森效应，在超导态时电阻率低于10-18cm。 第50页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一 所有高温氧化物超导体都是第二类超导体。空穴配对是高温超导体的一个基本特征。 高温超导体在结构和物性方面具有以下特征：(1)晶体结构具有很强的低维特点，三个晶格常数往往相差34倍；(2)输运系数(电导率、热导率等)具有

32、明显的各向异性；(3)磁场穿透深度远大于相干长度，是第二类超导体；(4)载梳子浓度低，且多为空穴型导电；(5)同位素效应不显著；(6)迈斯纳效应不完全；(7)隧道实验表明能隙存在，且为库柏型配对。第51页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一 目前，在高温超导研究领域中，着重进行三个方面的探索，一是继续提高Tc，争取获得室温超导体；二是寻找适合高温超导的微观机理；三是加紧进行高温超导材料与器件的研制，进一步提高材料的Jc和Hc，改善各种性能，降低成本，以适应实用化的要求。 第52页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一2、高温超导材料 日本科学家成功地使铋系

33、氧化物超导体线材化，芯体由1330条超导线材集束而成，临界温度为102K，不加磁场时，在液氮温度下，所测临界电流密度为10002000Acm2。线材厚度0.16 mm，宽1.8mm，断面呈扁平形状。第53页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一 在铋系高温超导物质外覆盖银后，烧制成宽4 mm，厚0.4mm的带状线材，长度可达60m。目前已成功地完成使电流从一端流向另一端的通电试验。在摄氏零下256度时流过电流的绝对值为10.5A，电流密度为2450Acm2，已达到实用化的水平。第54页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一 朱经武领导的休斯敦大学研究小组，成

34、功地把高温超导体制成了棒材，这种棒材能够载大电流，从而朝着使这项新技术达到实用化方向迈进了一大步。该小组开发出一种“连续制造法”，应用此法有可能制造出各种规格的超导体，诸如片状、棒状、线状，甚至厚膜。新的超导棒材最大的载流能力约为60000Acm2，足以驱动某些发动机和发电机。第55页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一一、开发新能源 1超导受控热核反应堆 人类面临着能源危机，受控热核反应的实现，将从根本上解决人类的能源危机。如果想建立热核聚变反应堆，利用核聚变能量来发电，首先必须建成大体积、高强度的大型磁场(磁感应强度约为105T)。这种磁体贮能应达41010J，只有超导

35、磁体才能满足要求，若用常规磁体，产生的全部电能只能维持该磁体系统的电力消耗。用于制造核聚变装置中超导磁体的超导材料主要是Nb3Sn，Nb-Ti合金，NbN，Nb3Al，Nb3(A1,Ge)等。1.4 超导材料的应用 第56页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一2超导磁流体发电 磁流体发电是一种靠燃料产生高温等离子气体，使这种气体通过磁场而产生电流的发电方式。磁流体发电机的主体部分主要由三个部分组成：燃烧室，发电通道和电极，其输出功率与发电通道体积及磁场强度的平方成正比。如使用常规磁体，不仅磁场的大小受到限制，而且励磁损耗大，发电机产生的电能将有很大一部分为自身消耗掉，尤其是

36、磁场较强时。而超导磁体可以产生较大磁场，且励磁损耗小，体积，重量也可以大大减小。第57页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一 美国和日本对磁流体发电进行了大规模的研究。日本制造的磁流体发电超导磁体产生磁场4.5T，储能60MJ，发电500kW。目前，采用超导磁体的磁流体发电机已经开始工作，磁流体-蒸汽联合电站正在进行试验。 磁流体发电特别适合用于军事上大功率脉冲电源和舰艇电力推进。美国将磁流体推进装置用于潜艇，已进行了实验。第58页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一二、节能方面1超导输电 超导体的零电阻特性使超导输电引起人们极大的兴趣。但目前实用的超导

37、材料临界温度较低，因此，对于超导输电必须考虑冷却电缆所需成本。近年，随着高温超导体的发现，日本研制了66kV，50m长的具有柔性绝热液氮管的电缆模型和50m长的导体统在柔性芯子上的电缆，其交流载流能力为2000A，有望用于市内地下电力传输系统。美国也研制了直流临界电流为900A的电缆。 第59页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一2超导发电机和电动机 超导电机的优点是小型、轻量、输出功率高、损耗小。据计算，电机采用超导材料线圈，磁感应强度可提高510倍。一般常规电机允许的电流密度为l02103Acm2，超导电机可达到104Acm2以上。可见超导电机单机输出功率可大大增加，换

38、句话说，同样输出功率下，电机重量可大大减轻。目前，超导单极直流电机和同步发电机是人们研究的主要对象。第60页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一3超导变压器 超导材料用于制造变压器，可大大降低磁损耗，缩小体积，减轻重量。日本已研制成500kVA的高温超导变压器；美国为模拟全尺寸的30MVA的高温超导变压器而研制了1MVA的高温超导变压器。 第61页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一三、超导磁悬浮列车第62页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一 磁悬浮列车的设想是60年代提出的。这种高速列车利用路面的超导线圈与列车上超导线圈磁场间的排

39、斥力使列车悬浮起来，消除了普通列车车轮与轨道的摩擦力，使列车速度大大提高。使用的超导磁体如下图所示。 日本在1979年就研制成了时速517km的超导磁悬浮实验车。而1990年德国汉诺威-维尔茨堡高速磁浮列车线路正式投入运营，使德国在磁浮列车的实用化方面居领先地位。日本1991年又研制出一种水陆两栖磁浮列车，已完成模拟试验。第63页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一日本研制的磁浮列车上使用的超导磁体 第64页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一四、超导贮能 由于超导体电阻为零，在其回路中通入电流，电流应永不衰减。即可以将电能存贮于超导线圈中。目前，超导贮能的应用研究主要集中于两个方面：一方面，计划用口径几百米的巨大线圈贮存电力，供电网调峰用。另一方面，是作为脉冲电源，如用作激光武器电源。目前，小型超导贮能装置在美国已形成产品，下一步将用于变电所以提高电力质量。 第65页，共73页，2022年，5月20日，14点47分，星期一五、在研究领域 超导磁体的应用，最早是在研究领域展开的。目前，在实验室中，用铜与Nb3Sn超导磁体制成的混合磁体，产生了30.7T的磁场。 在高能物理方面，超导体在同步加速器中的应用，已取得了很大成绩。