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《特種陶瓷 課件 6.5 超導(dǎo)陶瓷（2009.11.13）》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、6.5超導(dǎo)陶瓷本章主要內(nèi)容：1歷史發(fā)展2超導(dǎo)體及其分類3超導(dǎo)體的性質(zhì)和測試4超導(dǎo)陶瓷的制造工藝5超導(dǎo)陶瓷的應(yīng)用1.歷史發(fā)展1911年荷蘭物理學(xué)家卡麥琳·翁納斯(Kamerlingh·Onnes)研究水銀在低溫下的電阻時，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度降低至4.2K以下，水銀的電阻突然消失，呈現(xiàn)超導(dǎo)狀態(tài)。后來又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了十多種金屬（如Nb、Tc、Pb、La、V等）都有這種現(xiàn)象。1986年9月，IBM公司蘇黎士研究實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家貝德爾茨（J.G.Bednorz）和米勒（K.A.Miller）成功地合成氧化物陶瓷超導(dǎo)體，臨界溫度一下突破30K，從而掀起了超導(dǎo)始上，也是
2、物理學(xué)始上的發(fā)展浪潮。1987年10月，瑞士蘇黎士研究所的這兩位物理學(xué)家，由于在超導(dǎo)陶瓷材料研究中作出重大突破而獲得諾貝爾物理學(xué)獎。1987年2月，美國的朱經(jīng)武、吳茂恩小組首先發(fā)現(xiàn)Y-Ba-Cu-O系統(tǒng)陶瓷超導(dǎo)體，Tc為98K。1988年1月，日本的米塔（Maeda）小組發(fā)現(xiàn)Bi-Si-Ca-Cu-O系統(tǒng)陶瓷超導(dǎo)體，Tc達(dá)到110K。1988年3月，美國的盛正直和荷曼（Herman）發(fā)現(xiàn)了Ti-Ba-Ca-Cu-O系統(tǒng)陶瓷超導(dǎo)體，Tc達(dá)125K。由此可見，超導(dǎo)材料從發(fā)現(xiàn)至今的臨界轉(zhuǎn)變溫度，兩年內(nèi)超導(dǎo)陶瓷的臨界溫度提高了近100K，為區(qū)別于低溫
3、的金屬超導(dǎo)材料，這類陶瓷超導(dǎo)材料也被稱為高溫超導(dǎo)陶瓷。鉈系超導(dǎo)材料的臨界轉(zhuǎn)變溫度已高于120K，而通常人造地球衛(wèi)星所處的太空層的空間溫度恰為100~120K左右，所以如果采用鉈系材料做成超導(dǎo)器件就有可能在衛(wèi)星上直接工作。因此高溫氧化物超導(dǎo)陶瓷的發(fā)現(xiàn)為超導(dǎo)材料的實(shí)用化邁出了具有歷史意義的一步，也為超導(dǎo)體的理論研究提供了新的素材。2.超導(dǎo)體及其分類2.1超導(dǎo)體超導(dǎo)體，是指當(dāng)某種物質(zhì)冷卻到低溫時電阻突然變?yōu)榱?，同時物質(zhì)內(nèi)部失去磁通成為完全抗磁性的物質(zhì)。物質(zhì)由常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)的溫度稱其為超導(dǎo)臨界溫度，用Tc表示。判斷材料是否具有超導(dǎo)性，有兩個基本的特
4、征：超導(dǎo)電性，指材料在低溫下失去電阻的性質(zhì)；完全抗磁性，指超導(dǎo)體處于外界磁場中，磁力無法穿透，超導(dǎo)體內(nèi)的磁通為零。2.2超導(dǎo)體的分類（1）從材料來分，可分為三大類，即元素超導(dǎo)體、合金或化合物超導(dǎo)體、氧化物超導(dǎo)體（即陶瓷超導(dǎo)體）。（2）從低溫處理方法來分，可分為液氦溫區(qū)超導(dǎo)體（4.2K以下），液氫溫區(qū)超導(dǎo)體（20K以下），液氮溫區(qū)超導(dǎo)體（77K以下）和常溫超導(dǎo)體。3.超導(dǎo)體的性質(zhì)和測試3.1超導(dǎo)體的性質(zhì)超導(dǎo)材料有兩個非常重要的性質(zhì)：1）超導(dǎo)體的完全導(dǎo)電性。通常，電流通過導(dǎo)體時，由于存在電阻，不可避免地會有一定的能量損耗。而所謂超導(dǎo)體的完全導(dǎo)電性
5、即在超導(dǎo)態(tài)下（在臨界溫度以下）電阻為零，電流通過超導(dǎo)體時沒有能量的損耗。2）超導(dǎo)體的完全抗磁性。超導(dǎo)體的完全抗磁性是指超導(dǎo)體處于外界磁場中，能排斥外界磁場的影響，即外加磁場全被排除在超導(dǎo)體之外，這種特性也稱為邁斯納效應(yīng)。3.2超導(dǎo)體性能的測試超導(dǎo)體的性能很多，但表征超導(dǎo)材料的基本參量有：臨界溫度TC、臨界磁場HC、臨界電流IC和磁化強(qiáng)度M。其中TC、HC是材料所固有的性能，由材料基體電子結(jié)構(gòu)所決定，是組織結(jié)構(gòu)不敏感的超導(dǎo)性能參量。而IC對組織結(jié)構(gòu)極為敏感。測量臨界溫度有不同的方法，主要有：1）電阻測量法。它是基于當(dāng)樣品進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)時，電阻變?yōu)榱?/p>
6、的一種測量方法。2）磁測量法。由常導(dǎo)態(tài)向超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變時，樣品從順磁性轉(zhuǎn)變?yōu)榭勾判?，磁化率將發(fā)生很大的變化。用這種方法可以測出任何形態(tài)，任何狀態(tài)下的樣品的臨界溫度。4.超導(dǎo)陶瓷的制造工藝超導(dǎo)陶瓷的制備與一般陶瓷制造工藝相似。如原料的制備與處理，成型和燒成等。在工藝上，預(yù)燒處理，成型方法以及燒結(jié)程度對超導(dǎo)陶瓷有很大的影響。比如，以Y-Ba-Cu-O系超導(dǎo)體為例，燒結(jié)時若燒結(jié)溫度過低，反應(yīng)不完全；過高又會出現(xiàn)相分解。燒結(jié)時間也要合適，過長（如超過30小時）則出現(xiàn)宏觀的相分凝現(xiàn)象，不同部位呈現(xiàn)不同顏色。例如，黑色區(qū)域是BaCuO2，灰黑色區(qū)域是Ba2Y
7、Cu3O7-x，而綠色區(qū)域則是BaY2CuO5，只有Ba2YCu3O7-x才有高溫超導(dǎo)性。下面就Bi-Sr-Ca-Cu-O系統(tǒng)的高溫超導(dǎo)陶瓷的制造工藝方法進(jìn)行介紹：采用Bi2O3、SrCO3、CaCO3和CuO作原料。按Bi：Sr：Ca：Cu=1：1：1：2的比例進(jìn)行配料。加乙醇在球磨筒內(nèi)進(jìn)行濕磨混料，干燥后壓成大塊進(jìn)行預(yù)合成。預(yù)合成分兩次進(jìn)行：第一次在800℃/12小時下進(jìn)行；第二次在820℃/12小時下進(jìn)行。合成塊料經(jīng)粉碎、粉磨后，加PVD粘結(jié)劑進(jìn)行造粒，壓成圓片，放在氧化鋁坩堝中，在860℃/12小時溫度下進(jìn)行燒結(jié)。5.超導(dǎo)陶瓷的應(yīng)用5
8、.1在電力系統(tǒng)方面（1）輸配電。根據(jù)超導(dǎo)陶瓷的零電阻的特性，可以無損耗地遠(yuǎn)距離的輸送極大的電流和功率。（2）超導(dǎo)線圈。能制成超導(dǎo)儲能線圈，用其制成的儲能設(shè)備可以長期
