《低温材料基础》 课件 第六章 实超导材料

低温材料基础第一章：绪论第二章：材料低温力学性能第三章：材料低温物理性能第四章：金属材料第五章：非金属材料第六章：实用超导材料第七章：材料低温力学性能测量方法第八章：材料低温热物理和电学性能测量方法第六章

实用超导材料一、超导电性简介二、实用超导材料三、超导磁体简介零电阻现象6.1超导电性简介

零电阻现象6.1超导电性简介杜瓦（Devar）预测当温度接近绝对零度时，晶格运动冻结，电子不再受到晶格散射，电阻趋于零，如图6-1中的曲线1所示。图6-1中的曲线1正是式（6-1）的理论曲线。此曲线较好地符合T>20K以上的实验数据。晶格不完整性因素对电子的散射即使在0K以下也存在。因此，材料在接近绝对零度时还应有一个电阻，称为剩余电阻。Matthiessen预测随温度趋近于绝对零度，电阻趋于剩余电阻这一恒定值，如图6-1中曲线2所示。开尔文（Kelvin）预测低温下导电电子被“冻结”在晶格上，以致载流自由电子数快速减少，因而随温度降低，电阻率反而迅速升高并趋于无穷大，如图6-1中曲线3所示。零电阻现象6.1超导电性简介1908年，昂内斯将最后一个已知气体氦液化，得到4.2K温度，随后开始研究材料在这个温区的电阻率。金属汞（Hg）在常温下是液体，且易于纯化，是几乎没有杂质和缺陷的完美金属。昂内斯测量了汞在4.2K温区的电阻，于1911年发现其电阻在温度4.15K突然跳跃式下降到所用仪器测不到的值，如图6-2所示。突变前后，电阻值变化超过104倍。昂内斯声称他发现了物质的一个新状态，称之为超导态。临界温度及临界场强度6.1超导电性简介

临界温度及临界场强度6.1超导电性简介

临界温度及临界场强度6.1超导电性简介

超导体的磁性6.1超导电性简介超导体内磁感应强度始终为零，且与外加磁场历史无关。即使超导体处于外磁场中，也永远没有内部磁场，它与加磁场的历史无关，此效应称之为Meissner效应。注意，电阻率ρ=0和内磁场强度B=0是超导体的两个相互独立而又紧密联系的基本特征。单纯的ρ=0不能保证有Meissner效应，而B=0必须要求ρ=0。第Ⅰ类和第Ⅱ类超导体6.1超导电性简介

第Ⅰ类和第Ⅱ类超导体6.1超导电性简介

第Ⅰ类和第Ⅱ类超导体6.1超导电性简介某些第Ⅰ类超导体可通过适量地掺入合金元素转变为第Ⅱ类超导体。第Ⅰ类和第Ⅱ类超导体6.1超导电性简介处于混合态的超导体对交流电流有电阻及能量消耗，这是第Ⅱ类超导体损耗的主要因素之一。超导体的正常态与超导态之间的转变是可逆的，即在热力学意义上这是可逆的。London方程和穿透深度6.1超导电性简介

超导电性的BCS理论6.1超导电性简介

超导环内磁通量子化6.1超导电性简介

混合态6.1超导电性简介

6.2实用超导材料

6.2实用超导材料

6.2实用超导材料

Nb-Ti合金超导体6.2实用超导材料

Nb-Ti合金超导体6.2实用超导材料1.Nb-Ti合金相图注意对α相和β相共存区，相边界不稳定，且主要与间隙氧原子相关。间隙氧原子能显著增强α相沉淀，但当氧浓度超过2000ppm时，材料延展性变差。对α+β相热处理会导致亚稳态的ω相沉淀。ω相可充当钉扎中心并提高临界电流密度，但会显著提高加工硬化速率因而导致制造难度增加。因此对Nb-Ti合金，通常需要避免ω相出现。Nb-Ti合金超导体6.2实用超导材料2.Nb-Ti/Cu多芯复合超导线低杂质含量、高均匀性的Nb-Ti合金是制备高质量Nb-Ti/Cu多芯超导线的前提。对于高均匀Nb-Ti棒，除要求成分均匀外，还要求机械性能均匀，即要求具有优良塑性、较低硬度及加工硬化率、无硬颗粒夹杂和晶粒尺寸小且均匀等。磁体钉扎的另外一种重要途径是人工钉扎中心工艺。Nb-Ti合金超导体6.2实用超导材料

6.2实用超导材料

6.2实用超导材料

6.2实用超导材料

6.2实用超导材料

6.2实用超导材料

6.2实用超导材料

6.2实用超导材料

6.2实用超导材料

6.2实用超导材料

6.2实用超导材料

6.2实用超导材料

6.2实用超导材料

6.2实用超导材料

6.2实用超导材料

6.2实用超导材料

6.2实用超导材料

6.2实用超导材料

基于MgB2的超导系统的氢气冷却装置铜氧化物超导体6.2实用超导材料

铜氧化物超导体6.2实用超导材料

铜氧化物超导体6.2实用超导材料

铜氧化物超导体6.2实用超导材料

铜氧化物超导体6.2实用超导材料1.BSCCO对铋系超导体，Bi-2223只能通过轧制才能实现织构化，因此其只能做成带材。对Bi-2212，可以通过轧制实现织构化，从而做成带材。Bi-2212还可通过在低于Ag熔点下的熔化热处理实现织构化。Bi-2212是目前唯一可制成圆线材的铜氧化物高温超导材料。铜氧化物超导体6.2实用超导材料1.BSCCOBi-2212超导带材制备方法主要是浸涂法（DipCoatingProcess，DCP），而Bi-2212线材和Bi-2223带材制备方法主要是粉末装管法（PIT）。为提高超导体致密度以提高载流性能，常采用加压热处理。铜氧化物超导体6.2实用超导材料2.REBCO除钇（Y）元素外，钐（Sm）以及钆（Gd）等稀土元素也用于制备第二代高温超导材料。由稀土（RareEarth，RE）、钡（Ba）、铜（Cu）、氧（O）元素组成的第二代高温超导材料统写为REBCO或ReBCO（RE=Y,Sm,Gd,Eu,Ho,Er,Lu,La,Nd…）铜氧化物超导体6.2实用超导材料2.REBCO第2代高温超导（2GHTS）的制备方法主要用薄膜涂敷技术，因此又称制备的材料为涂层导体。与1GHTS相比，2GHTS使用贵金属Ag非常少，因此节省了原材料成本。与1GHTS相比，在高磁场及高温下2GHTS具有更高的载流能力。6.3超导磁体简介

超导磁体的应用6.3超导磁体简介1.科研用强磁场磁体原子核自旋、核外电子自旋及轨道运动都会与磁场发生相互作用。强磁场可用来开展基础科学研究。产生强磁场的装置主要分为三类，即电阻式磁体、超导磁体，以及由二者组合的混合磁体。混合磁体磁场一度提高至45T以上，在世界5大稳态强磁场中位居第二。除了稳态强磁场外，各国还建立了脉冲强磁场科学装置。这类装置的磁场强度可以远高于稳态磁体的，如我国武汉建立的脉冲强磁场装置最高磁场强度可达94.8T，位居世界第三。超导磁体的应用6.3超导磁体简介2.磁悬浮电磁悬浮是靠安装在车体上的电磁铁与磁性轨道之间的电磁吸引力实现悬浮，可静止悬浮。

电动悬浮靠列车运动式车载磁体磁力线切割轨道线圈（或感应板）产生感应电流，二者之间相互作用产生磁升力，磁升力随速度增加而增大。电磁悬浮使用电磁体，耗能较高。为此，使用部分永磁体替代电磁悬浮系统中的电磁体，从而发展了混合电磁悬浮技术。高温超导出现以后，还发展了基于高温超导强磁通钉扎效应的超导钉扎悬浮技术。这种技术利用了高温超导块体的强钉扎电流与激励磁场的电磁相互作用。超导磁体的应用6.3超导磁体简介3.储能系统超导磁体还用于磁悬浮轴承飞轮储能系统。磁悬浮轴承是利用电磁相互作用使高速转子悬浮的高性能轴承。相对于机械轴承，超导磁悬浮轴承具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长以及无油污染等优点。4.磁分离磁分离是利用磁力进行物质分离的技术。相对于永磁体和电磁体，超导磁体应用于磁分离具有明显的优势。超导磁分离已经用于贫矿富集、稀有金属及贵金属提纯、高岭土提纯、煤脱硫、污水处理等领域。超导磁体的应用6.3超导磁体简介5.核磁共振技术核磁共振（NMR）技术的应用主要包括核磁共振成像（MRI）和核磁共振波谱（MagneticResonanceSpectroscopy，MRS）。目前，1GHz以下的NMR磁体主要使用低温超导材料，而以上的NMR磁体使用低温超导材料和高温超导材料。超导磁体的应用6.3超导磁体简介5.核磁共振技术核磁共振（NMR）技术的应用主要包括核磁共振成像（MRI）和核磁共振波谱（MagneticResonanceSpectroscopy，MRS）。目前，1GHz以下的NMR磁体主要使用低温超导材料，而以上的NMR磁体使用低温超导材料和高温超导材料。超导磁体的应用6.3超导磁体简介

超导磁体的应用6.3超导磁体简介8.磁约束核聚变装置目前研究的可控核聚变方式主要有惯性约束核聚变和磁约束核聚变两种。磁约束核聚变（MagneticConfinementFusion，MCF）依靠强磁场将低密度高温等离子体约束足够长时间以使氘氚等离子体达到聚变反应所需的条件。对磁约束核聚变，磁场强度越高越有利于聚变反应。超导磁体相对传统永磁或电磁体具有无与伦比的优势。小型超导磁体设计简介6.3超导磁体简介1.超导材料选择（1）冷却介质及方式，主要包括低温制冷剂（如液氦、液氖、液氮）浸泡冷却、制冷剂迫流冷却、制冷机传导冷却等。对聚变等大型高磁场超导磁体，由于高辐射热及交流损耗，常采用套管电缆导体（CICC）及迫流冷却。（2）对Nb3Sn超导磁体，需考虑“缠绕后反应”工艺对绝缘系统以及CC铠甲结构材料的影响。（3）超导材料与结构支撑和绝缘系统热膨胀系数失配导致室温至磁体运行温度的降温过程产生热应力的因素。（4）Lorentz力影响，对螺线管线圈产生的环向应力。（5）超导材料的应变效应。（6）绝缘系统及工艺。（7）可靠的失超探测及保护系统。小型超导磁体设计简介6.3超导磁体简介

小型超导磁体设计简介6.3超导磁体简介

6.3超导磁体简介

6.3超导磁体简介

小型超导磁体设计简介6.3超导磁体简介3.稳定对比可见，低温超导更易失超，而直流高温超导磁体更加稳定。小型超导磁体设计简介6.3超导磁体简介4.损耗在多数情况下，内部电场分布源于垂直于超导体的交变磁场，因此导致的损耗也被称为横向电场损耗。此外，当交流电流通过超导体时，产生的损耗被称为交流电流损耗。这两类损耗的产生机理都与交变磁场有关，统称交流损耗。超导体内部磁场变化会产生感应电场E。此感应电场会在导体中引起屏蔽电流，屏蔽电流会决定超导体中的磁场分布，同时还会产生能量损耗，而能量损耗将