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低温超导材料

发布时间:2013-05-31

低温超导材料

什么是低温超导材料?随着社会的发展,科技也日益蓬勃发展,我们都必须掌握科学知识来推动社会的继续发展。接下来,我就为大家讲解低温超导材料的内容,希望对广大的读者有很大的帮助。
低温超导材料
低温超导材料

简介

低温超导材料具有低临界转变温度(Tc<30K),在液氦温度条件下工作的超导材料。分为金属、合金和化合物。具有实用价值的低温超导金属是Nb( 铌 ),Tc 为9.3K已制成薄膜材料用于弱电领域。合金系低温超导材料是以Nb为基的二元或三元合金组成的β相固溶体,Tc 在 9K 以上。最早研究的是NbZr合金,在此基础上又出现了 NbTi合金 。NbTi 合金的超导电性和加工性能均优于 NbZr 合金 ,其使用已占低温超导合金的95% 左右 。NbTi 合金可用一般难熔金属的加工方法加工成合金,再用多芯复合加工法加工成以铜(或铝)为基体的多芯复合超导线,最后用冶金方法使其最终合金由β单相转变为具有强钉扎中心的两相(α+β)合金,以满足使用要求。化合物低温超导材料有NbN (Tc=16K)、Nb3Sn ( Tc=18.1K) 和 V3Ga(Tc=16.8K)。NbN多以薄膜形式使用 ,由于其稳定性好 ,已制成实用的弱电元器件 。Nb3Sn是脆性化合物 ,它和V3Ga可以纯铜或青铜合金为基体材料,采用固态扩散法制备 。为了提高 Nb3Sn(V3Ga)的超导性能和改善其工艺性能,有时加入一些合金元素,如Ti、Mg等。

应用

低温超导材料已得到广泛应用。在强电磁场中,NbTi超导材料用作高能物理的加速器、探测器、等离子体磁约束、超导储能、超导电机及医用磁共振人体成像仪等;Nb3Sn 超导材料除用于制作大量小型高磁场(710T)磁体外,还用于制作受控核聚变装置中数米口径的磁体;用Nb及NbN薄膜制成的低温仪器,已用于军事及医学领域检测极弱电磁信号。低温超导材料由于Tc低,必须在液氦温度下使用,运转费用昂贵,故其应用受到限制。超导技术超导技术的主体是超导材料。简而言之,超导材料就是没有电阻、或电阻极小的导电材料。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:近年来,随看材料科学的发展,超导材料的性能不断优化,实现超导的临界温度越来越高。20世纪末,科学家合成了在室温下具有超导性能的复合材料,室温超导材料的研制成功使超导的实际应用成为可能。

超导是指某些物体当温度下降至一定温度时,电阻突然趋近于零的现象。具有这种特性的材料称为超导材料。超导体由正常态转变为超导态的温度称为这种物质的转变温度(或临界温度) 因为这个温度很低,在绝对零度附近.因而目前为止,应用不是很广泛.但是科学家在研究高温超导,如果研究成功,用这种材料导电时不损耗电能,不产生热量.可以节约能源!


低温超导材料
低温超导材料

1911年荷兰物理学家Onnes发现汞(水银)在4.2k附近电阻突然下降为零,他把这种零电阻现象称为超导电性。图5-13示出了汞的电阻随温度变化的关系。汞的电阻突然消失时的温度称为转变温度或临界温度,常用Tc表示。在一定温度下具有超导电性的物体称为超导体。金属汞是超导体。进一步研究发现元素周期表中共有26种金属具有超导电性,它们的转变温度Tc列于表5-6。从表中可以看到,单个金属的超导转变温度都很低,没有应用价值。因此,人们逐渐转向研究金属合金的超导电性。

当超导体显示导材料都是在极低温下才能进入超导态,假如没有低温技术发展作为后盾,就发现不了超导电性,无法设想超导材料。这里又一次看到材料发展与科学技术互相促进的关系。低温超导材料要用液氦做致冷剂才能呈现超导态,因此在应用上受到很大的限制。人们迫切希望找到高温超导体,在徘徊了几十年后,终于在1986年有了突破。瑞士Bednorz和Müller发现他们研制的La-Ba-CuO混合金属氧化物具有超导电性,转变温度为35K。这是超导材料研究上的一次重大突破,打开了混合金属氧化物超导体的研究方向。

接着中、美科学家发现Y-Ba-CuO混合金属氧化物在90K具有超导电性,这类超导氧化物的转变温度已高于液氮温度(77K),高温超导材料研究获得重大进展。一连串激动人心的发现在世界上掀起了“超导热”。目前新的超导氧化物系列不断涌现,如Bi-Ca-CuO,Tl-Ba-Ca-CuO等,它们的超导转变温度超过了120K。高温超导体的研究方兴未艾,人们殷切地期待着室温超导材料的出现。人们发现C60与碱金属作用能形成AxC60(A代表钾、铷、铯等),它们都是超导体,超导转变温度列于表5-8。从表中数据看到,大多数AxC60超导体的转变温度比金属合金超导体高。金属氧化物超导体是无机超导体,它们都是层状结构,属二维超导。而AxC60则是有机超导体,它们是球状结构,属三维超导。因此AxC60这类超导体是很有发展前途的超导材料。超导研究引起各国的重视,一旦室温超导体达到实用化、工业化,将对现代文明社会中的科学技术产生深刻的影响。下面简单介绍超导体的一些应用。

(1)用超导材料输电发电站通过漫长的输电线向用户送电。由于电线存在电阻,使电流通过输电线时电能被消耗一部分,如果用超导材料做成超导电缆用于输电,那么在输电线路上的损耗将降为零。

(2)超导发电机制造大容量发电机,关键部件是线圈和磁体。由于导线存在电阻,造成线圈严重发热,如何使线圈冷却成为难题。如果用超导材料制造超导发电机,线圈是由无电阻的超导材料绕制的,根本不会发热,冷却难题迎刃而解,而且功率损失可减少50%。

(3)磁力悬浮高速列车要使列车速度达到500km·h-1,普通列车是绝对办不到的。如果把超导磁体装在列车内,在地面轨道上敷设铝环,利用它们之间发生相对运动,使铝环中产生感应电流,从而产生磁排斥作用,把列车托起离地面约10cm,使列车能悬浮在地面上而高速前进。可控热核聚变核聚变时能释放出大量的能量。为了使核聚变反应持续不断,必须在108℃下将等离子约束起来,这就需要一个强大的磁场,而超导磁体能产生约束等离子所需要的磁场。人类只有掌握了超导技术,才有可能把可控热核聚变变为现实,为人类提供无穷的能源。


总之,随着技术的发展,低温超导材料在社会里面的应用会越来越广泛。由此,低温超导材料的前景是十分好!同时,希望本文能对大家的工作有一定的指导作用。

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