第二章磁性材料與超導(dǎo)材料第一節(jié)磁性材料具有強(qiáng)磁性的材料稱為磁性材料。

磁性材料具有能量轉(zhuǎn)換，存儲(chǔ)或改變能量狀態(tài)的功能，是重要的功能材料。磁性材料廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、通訊、自動(dòng)化、音像、電視、儀器和儀表、航空航天、農(nóng)業(yè)、生物與醫(yī)療等技術(shù)領(lǐng)域。

5000年前：天然磁石(Fe3O4)

2300年前：天然磁石，“司南”，指南儀

1086年：沈括，《夢(mèng)溪筆談》，指南針

1119年：朱或，《萍洲可談》，羅盤(pán)，航海

1405-1432年：鄭和，指南儀，航海

1488-1521年：哥倫布，伽馬，麥哲倫，指南儀，航海發(fā)現(xiàn)磁學(xué)發(fā)展史二十世紀(jì)1905：法國(guó)，郎之萬(wàn)基于統(tǒng)計(jì)力學(xué)理論解釋了順磁性隨溫度的變化。1907：法國(guó)，外斯提出分子場(chǎng)理論，擴(kuò)展了郎之萬(wàn)的理論。1921：奧地利，泡利提出玻爾磁子作為原子磁矩的基本單位。美國(guó)，康普頓提出電子也具有自旋相應(yīng)的磁矩。1928：英國(guó)，狄拉克用相對(duì)論量子力學(xué)完美地解釋了電子的內(nèi)稟自旋和磁矩，并與德國(guó)物理學(xué)家海森伯一起證明了靜電起源的交換力的存在，奠定了現(xiàn)代磁學(xué)的基礎(chǔ)。1936：蘇聯(lián)，郎道完成了巨著“理論物理學(xué)教程”，其中包含全面而精彩地論述現(xiàn)代電磁學(xué)和鐵磁學(xué)的篇章。1936-1948：法國(guó)，奈耳提出反鐵磁性和亞鐵磁性的概念和理論。

1967：奧地利，斯奈特在量子磁學(xué)的指導(dǎo)下發(fā)現(xiàn)了磁能積空前高的稀土磁體(SmCo5)，從而揭開(kāi)了永磁材料發(fā)展的新篇章。1974：第二代稀土永磁Sm2Co17問(wèn)世。1982：第三代稀土永磁Nd2Fe14B問(wèn)世。1990：原子間隙磁體Sm-Fe-N問(wèn)世。1991：德國(guó)，克內(nèi)勒提出了雙相復(fù)合磁體交換作用的理論基礎(chǔ)，指出了納米晶磁體的發(fā)展前景。③按功能分類(lèi)軟磁材料、硬磁材料、半硬磁材料、矩磁材料、旋磁材料、壓磁材料、泡磁材料、磁光材料、磁記錄材料

⑵磁化強(qiáng)度M

宏觀磁體由許多具有固有磁矩的原子組成。當(dāng)原子磁矩同向平行排列時(shí)，宏觀磁體對(duì)外顯示的磁性最強(qiáng)。當(dāng)原子磁矩紊亂排列時(shí)，宏觀磁體對(duì)外不顯示磁性。宏觀磁體單位體積在某一方向的磁矩稱為磁化強(qiáng)度M：

M=∑原子/V在物質(zhì)內(nèi)部外磁場(chǎng)和附加磁場(chǎng)的總和稱為磁感應(yīng)強(qiáng)度B。B=o(H+M)o--真空磁導(dǎo)率=M/H--磁化率=B/H--磁導(dǎo)率

①鐵磁性物質(zhì)具有極高的磁化率，磁化易達(dá)到飽和的物質(zhì)。如Fe，Co，Ni，Gd等金屬及其合金稱為鐵磁性物質(zhì)。磁矩的排列與磁性的關(guān)系鐵磁性m=10-2~106磁場(chǎng)

⑷磁性的起源②亞鐵磁性物質(zhì)磁矩的排列與磁性的關(guān)系亞鐵磁性m=10-2~106磁場(chǎng)

如鐵氧體(M2+Fe23+O4)等，是一些復(fù)雜的金屬化合物，比鐵磁體更常見(jiàn)。它們相鄰原子的磁矩反向平行，但彼此的強(qiáng)度不相等，具有高磁化率和居里溫度。④反磁性物質(zhì)不存在未成對(duì)電子→沒(méi)有永久磁矩。惰性氣體，不含過(guò)渡元素的離子晶體，共價(jià)化合物和所有的有機(jī)化合物，某些金屬和非金屬。磁矩的排列與磁性的關(guān)系反磁性m=-10-5~-10-6磁場(chǎng)

⑤反鐵磁性物質(zhì)FeO，F(xiàn)eF3，NiF3，NiO，MnO，各種錳鹽以及部分鐵氧體ZnFe2O4等，它們相鄰原子的磁矩反向平行，而且彼此的強(qiáng)度相等，沒(méi)有磁性。反鐵磁性m=10-2~10-5磁場(chǎng)

磁矩的排列與磁性的關(guān)系硬磁性材料外磁場(chǎng)撤去后，不易去磁，具有很強(qiáng)的剩磁應(yīng)用：永磁體軟磁性材料外磁場(chǎng)撤去后，容易去磁，沒(méi)有明顯的剩磁應(yīng)用：電磁鐵退磁原來(lái)有磁性的物體，失去磁性的現(xiàn)象方法：（1）高溫（2）劇烈振動(dòng)（3）逐漸減弱的交變磁場(chǎng)的作用稀土永磁材料鈷基永磁材料鐵基永磁材料:代表是R-Fe-B，如NdFeB1:5型R-Co，R代表稀土，如：SmCo52:17型R-Co，R代表稀土，如：Sm2Co17（6）磁性功能材料應(yīng)用領(lǐng)域我國(guó)磁性材料的生產(chǎn)在國(guó)際上占有重要的地位.其中,永磁鐵氧體的產(chǎn)量達(dá)11×104ｔ,居世界首位;軟磁鐵氧體產(chǎn)量4×104ｔ,居世界前列;稀土永磁產(chǎn)量4300ｔ,居世界第二.但是,目前我國(guó)生產(chǎn)的磁性材料基本上是低性能、低附加值材料,與發(fā)達(dá)國(guó)家存在較大的差距，產(chǎn)值與產(chǎn)量不相稱.我國(guó)磁性材料的產(chǎn)量與需求?磁盤(pán)存儲(chǔ)

所謂磁存儲(chǔ)就是以記錄磁場(chǎng)方向的方式或磁場(chǎng)的有無(wú)來(lái)儲(chǔ)存資料。數(shù)據(jù)在磁片上以磁化的點(diǎn)來(lái)表示，被磁化的點(diǎn)代表1，沒(méi)有被磁化的點(diǎn)代表0電飯鍋

日常使用的電飯鍋利用了磁性材料的居里點(diǎn)的特性。在電飯鍋的底部中央裝了一塊磁鐵和一塊居里點(diǎn)為105℃的磁性材料。當(dāng)鍋里的水分干了以后，食品的溫度將從100度上升。當(dāng)溫度到達(dá)大約105度時(shí)，由于被磁鐵吸住的磁性材料的磁性消失，磁鐵就對(duì)它失去了吸力，這時(shí)磁鐵和磁性材料之間的彈簧就會(huì)把它們分開(kāi)，同時(shí)帶動(dòng)電源開(kāi)關(guān)被斷開(kāi)，停止加熱。電磁爐

電磁爐的內(nèi)部有一個(gè)金屬線圈，當(dāng)電流通過(guò)線圈時(shí)，會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。這一隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)導(dǎo)致在金屬煲內(nèi)產(chǎn)生一感應(yīng)電場(chǎng)。金屬煲內(nèi)的電子受電場(chǎng)影響進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。由于有電阻，電子運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)放出大量熱能，這些熱能便可用作煮食。金屬煲的電阻必須足夠大，才能產(chǎn)生足夠的熱量，所以一般只能選用鐵和不銹鋼煲，銅煲就不大可能，更不能用玻璃、陶瓷、塑料等。

特點(diǎn)：直接發(fā)熱，熱效率高達(dá)90%

爐面無(wú)明火，無(wú)煙無(wú)廢氣電磁火力強(qiáng)勁，安全可靠傳統(tǒng)工業(yè)在醫(yī)學(xué)上，利用核磁共振可以診斷人體異常組織，判斷疾病，這就是我們比較熟悉的核磁共振成像。利用磁性納米材料表面功能基團(tuán)與可識(shí)別病兆的功能分子進(jìn)行耦聯(lián)，是實(shí)現(xiàn)磁性納米晶體在疾病鑒別診斷中應(yīng)用的最可行的手段之一。生物醫(yī)學(xué)電磁炮是把炮彈放在螺線管中，螺線管產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)炮彈將產(chǎn)生巨大的推動(dòng)力將炮彈射出的一種新型武器“電磁式武器”。類(lèi)似的還有電磁導(dǎo)彈等。軍事領(lǐng)域磁性是從宇宙天體到基本粒子普存的學(xué)科地球磁場(chǎng)地球就是一塊巨大的磁鐵，它的N極在地理的南極附近，而S極在地理的北極附近.北極光是太陽(yáng)風(fēng)中的粒子（高能帶電粒子流）和地磁場(chǎng)相互作用的結(jié)果。當(dāng)它們到達(dá)地球時(shí)，與地磁場(chǎng)發(fā)生相互作用，使得這些粒子向南北極運(yùn)動(dòng)和聚集，并且和地球高空的稀薄氣體相碰撞，結(jié)果使氣體分子受激發(fā)，從而發(fā)光。太陽(yáng)黑子是太陽(yáng)上磁場(chǎng)活動(dòng)非常劇烈的區(qū)域。太陽(yáng)黑子的爆發(fā)對(duì)我們的生活會(huì)產(chǎn)生影響，例如使得無(wú)線電通信暫時(shí)中斷等。因此，研究太陽(yáng)黑子對(duì)我們有重要意義。磁懸浮列車(chē)

上海磁懸浮列車(chē)平均時(shí)速300公里/小時(shí)，最高時(shí)速430公里/小時(shí)磁懸浮列車(chē)是運(yùn)用磁鐵“同性相斥，異性相吸”的性質(zhì)，使磁鐵具有抗拒地心引力的能力，使列車(chē)完全脫離軌道而懸浮行駛，成為“無(wú)輪”列車(chē)。

磁懸浮列車(chē)也有兩種相應(yīng)的形式：一種是電磁型，也稱吸力型、常導(dǎo)型。另一種是電動(dòng)型，也稱斥力型、超導(dǎo)型。磁懸浮列車(chē)原理兩種磁懸浮列車(chē)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖：(a)電磁型；(b)電動(dòng)型

磁制冷冰箱磁制冷是一種以磁性材料為工質(zhì)的制冷技術(shù)，基本原理是借助磁制冷材料的磁熱效應(yīng)即磁制冷材料等溫磁化時(shí)向外界放出熱量，而等溫退磁時(shí)從外界吸取熱量，以達(dá)到制冷目的

第二節(jié)超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料是一種沒(méi)有電阻的材料，既能節(jié)約能量，減少電能因電阻而消耗的能量，還能把電流儲(chǔ)存起來(lái)，供急需時(shí)使用。

自從世界上以電力作為主要?jiǎng)恿σ詠?lái)，就遇到兩個(gè)令人頭痛的問(wèn)題：１、是在輸送電流時(shí)，不少電力因?qū)Ь€有電阻而發(fā)熱，白白損失了相當(dāng)?shù)哪芰?。２、白天的電力常常?yán)重不足，而深夜的電力又大大富余，使得發(fā)電機(jī)常常白天超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，深夜時(shí)卻空轉(zhuǎn)，電力白白浪費(fèi)了。能不能把夜間富余的電力儲(chǔ)存起來(lái)用以彌補(bǔ)白天電力不足的難題呢?自從有了超導(dǎo)材料以來(lái)，解決這個(gè)問(wèn)題就大有希望了。

一、超導(dǎo)材料的發(fā)展歷程1911年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，金屬的電阻和它的溫度條件有很大關(guān)系：溫度高時(shí)，它的電阻就增加，溫度低時(shí)電阻減少。并總結(jié)出一個(gè)金屬電阻與溫度之間的關(guān)系的理論公式。當(dāng)時(shí)，荷蘭物理學(xué)家昂尼斯為檢驗(yàn)金屬電阻與溫度之間的關(guān)系的理論公式的正確性，就用水銀作試驗(yàn)。將水銀冷卻到-40℃時(shí)，亮晶晶的液體水銀變成了固體；然后，他把水銀拉成細(xì)絲，并繼續(xù)降低溫度，同時(shí)測(cè)量不同溫度下固體水銀的電阻，當(dāng)溫度降低列4K時(shí)，水銀的電阻突然變成了零。開(kāi)始他不太相信這一結(jié)果、于是反復(fù)試驗(yàn)，但都是一樣。這一發(fā)現(xiàn)轟動(dòng)了世界的物理學(xué)界，后來(lái)科學(xué)家把這個(gè)現(xiàn)象叫超導(dǎo)現(xiàn)象，把電阻等于零的材料稱超導(dǎo)材料，而把出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的溫度稱作超導(dǎo)材料的“臨界溫度”。昂尼斯和許多科學(xué)家后來(lái)又發(fā)現(xiàn)了28種超導(dǎo)元素和8000多種超導(dǎo)化合物材料。但出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的臨界溫度大多在接近絕對(duì)零度的極低溫，沒(méi)有什么經(jīng)濟(jì)價(jià)值，因?yàn)橹圃爝@種極低的溫度，本身就很花錢(qián)而又很困難。

為了尋找臨界溫度比較高的沒(méi)有電阻的材料，世界上無(wú)數(shù)科學(xué)家?jiàn)^斗了近60年，也沒(méi)有取得什么進(jìn)展。直到1973年，英、美一些科學(xué)家才找到一種在23K出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的鈮鍺合金。此后這一記錄又保持了10多年。

到了1986年，在瑞士IBM公司研究室工作的貝特諾茨和繆勒從別人多次失敗中總結(jié)教訓(xùn)，放棄了在金屬和合金中尋找超導(dǎo)材料的老觀念，終于發(fā)現(xiàn)一種釔鋇銅氧陶瓷氧化物材料在43K這一較高溫度下出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象。這是一個(gè)了不起的成就，因此他們兩人同時(shí)獲得了1987年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。此后，美籍華人學(xué)者朱經(jīng)武，中國(guó)物理學(xué)家趙忠賢在1987年相繼發(fā)現(xiàn)了在78.5K和98K時(shí)出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的釔鋇銅氧系高溫超導(dǎo)材料。不久又發(fā)現(xiàn)鉍鍶鈣銅氧系高溫超導(dǎo)合金，在110K的溫度就有超導(dǎo)現(xiàn)象。而后朱經(jīng)武發(fā)現(xiàn)的鉈鋇鈣銅氧系合金的超導(dǎo)溫度更接近室溫，達(dá)120K。199l年，美國(guó)和日本的科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了球狀碳分子Ｃ-60在摻鉀、銫、釹等元素后，也有超導(dǎo)性。科學(xué)家預(yù)料，球狀碳分子Ｃ--60摻雜金屬后，有可能在室溫下出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象，那時(shí)，超導(dǎo)材料就有可能像半導(dǎo)體材料一樣，在世界引起一場(chǎng)工業(yè)和技術(shù)革命。1995年美國(guó)國(guó)立洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家已經(jīng)把高溫超導(dǎo)體制成柔韌的細(xì)帶狀，由于沒(méi)有電阻，其導(dǎo)電性是銅絲的1200多倍。1996年，日本電氣公司制出長(zhǎng)一千米的高溫超導(dǎo)線材，電流密度達(dá)到6000A/cm2，這種線材已達(dá)到了實(shí)用化的水平。超導(dǎo)材料在液氮以上溫度工作，可以說(shuō)是20世紀(jì)內(nèi)科學(xué)技術(shù)上的重大突破，也是超導(dǎo)技術(shù)發(fā)展史上的一個(gè)新的里程碑。至今，對(duì)高溫超導(dǎo)材料的研究仍然方興未艾。二、超導(dǎo)體的三個(gè)臨界參數(shù)

1911年，荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯(OnnesHK)在成功地將氦氣液化、獲得4.2K的超低溫后，開(kāi)始研究超低溫條件下金屬電阻的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)溫度下降至4.2K時(shí)，汞電阻突然消失了！這就是超導(dǎo)現(xiàn)象，此時(shí)的溫度稱為超導(dǎo)臨界溫度Tc。

零電阻是超導(dǎo)體最基本的特性，它意味著電流可以在超導(dǎo)體內(nèi)無(wú)損耗地流動(dòng)，使電力的無(wú)損耗傳輸成為可能；同時(shí)，零電阻允許有遠(yuǎn)高于常規(guī)導(dǎo)體的載流密度，可用以形成強(qiáng)磁場(chǎng)或超強(qiáng)磁場(chǎng)。

發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性后，昂內(nèi)斯即著手用超導(dǎo)體來(lái)繞制強(qiáng)磁體，但出乎他的意料，超導(dǎo)體在通上不大的電流后，超導(dǎo)電性就被破壞了，即超導(dǎo)體具有臨界電流Ic。此后，又發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的臨界磁場(chǎng)Hc。Ic和Hc也是超導(dǎo)體的基本特性，是實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)體強(qiáng)電應(yīng)用的必要條件。

臨界溫度（Tc）、臨界電流（Ic）和臨界磁場(chǎng)（Hc）是“約束”超導(dǎo)現(xiàn)象的三大臨界條件。三者具有明顯的相關(guān)性，只有當(dāng)超導(dǎo)體同時(shí)處于三個(gè)臨界條件以內(nèi)，即處于如圖所示的三角錐形曲面內(nèi)側(cè)，才具有超導(dǎo)電性。

三角錐形曲面內(nèi)側(cè)超導(dǎo)電性的T--I--H臨界面超導(dǎo)材料基本物理特性：臨界溫度Tc、臨界磁場(chǎng)Hc和臨界電流Ic三個(gè)臨界值。超導(dǎo)材料只有處在這些臨界值以下的狀態(tài)時(shí)才顯示超導(dǎo)性，所以臨界值越高，實(shí)用性就強(qiáng)，利用價(jià)值就越高。三、超導(dǎo)材料的基本特性

1．零電阻效應(yīng)

2．超導(dǎo)體的完全抗磁性（邁斯納效應(yīng)）1．零電阻效應(yīng)當(dāng)溫度T下降至某一數(shù)值以下時(shí)，超導(dǎo)體的電阻突然變?yōu)榱?，這就稱為超導(dǎo)體的零電阻效應(yīng)，也稱為超導(dǎo)電性。下圖是汞在液氦溫度附近電阻的變化行為。汞在液氦溫度附近電阻的變化行為超導(dǎo)臨界溫度Tc雖然與樣品純度無(wú)關(guān),但是越均勻純凈的樣品超導(dǎo)轉(zhuǎn)變時(shí)的電阻陡降越尖銳。2．超導(dǎo)體的完全抗磁性（邁斯納效應(yīng)）

指超導(dǎo)體處于外界磁場(chǎng)中，磁力線無(wú)法穿透，超導(dǎo)體內(nèi)的磁通量為零。1933年，邁斯納(MeissnerW)發(fā)現(xiàn)，只要溫度低于超導(dǎo)臨界溫度，則置于外磁場(chǎng)中的超導(dǎo)體就始終保持其內(nèi)部磁場(chǎng)為零，外部磁場(chǎng)的磁力線統(tǒng)統(tǒng)被排斥在超導(dǎo)體之外。即便是原來(lái)處在磁場(chǎng)中的正常態(tài)樣品，當(dāng)溫度下降使它變成超導(dǎo)體時(shí)，也會(huì)把原來(lái)在體內(nèi)的磁場(chǎng)完全排出去，即超導(dǎo)體具有完全抗磁性。這一現(xiàn)象被稱為邁斯納效應(yīng)，它是超導(dǎo)體的另一個(gè)獨(dú)立的基本特性。超導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度B總是等于零，即金屬在超導(dǎo)電狀態(tài)的磁化率為=M/H=-1,B=0(1+)H=0。超導(dǎo)體內(nèi)的磁化率為-1(M為磁化強(qiáng)度，B0＝0H)超導(dǎo)體的完全抗磁性如下圖所示：液氮環(huán)境下的超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)由邁斯納效應(yīng)可知，超導(dǎo)體在靜磁場(chǎng)中的行為可以近似地用“完全抗磁體”來(lái)描述。利用這一特性，可以實(shí)現(xiàn)磁懸浮。僅從超導(dǎo)體的零電阻現(xiàn)象出發(fā)，得不到邁斯納效應(yīng)。同樣，用邁斯納效應(yīng)也不能描述零電阻現(xiàn)象。因此，邁斯納效應(yīng)和零電阻性質(zhì)是超導(dǎo)態(tài)的兩個(gè)獨(dú)立的基本屬性，衡量一種材料是否具有超導(dǎo)電性必須看是否同時(shí)具有零電阻和邁斯納效應(yīng)。根據(jù)上述超導(dǎo)材料的兩個(gè)基本特征，可以看出：

超導(dǎo)體是指某種物質(zhì)冷卻到某一溫度時(shí)電阻突然變?yōu)榱?，同時(shí)物質(zhì)內(nèi)部失去磁通成為完全抗磁性的物質(zhì)。超導(dǎo)材料的組成元素有金屬、類(lèi)金屬和非金屬元素，在元素周期表上的位置如圖所示。在元素周期表相應(yīng)位置的元素中，有的可由單一元素制成超導(dǎo)材科，但絕大多數(shù)超導(dǎo)材料是由多種元素構(gòu)成的合金、化合物或陶瓷。下表中列出了代表性的超導(dǎo)材料及Ｔc值。超導(dǎo)材料及Ｔc值在上述超導(dǎo)特性被發(fā)現(xiàn)后，對(duì)超導(dǎo)電性的理論研究即已開(kāi)始，但直到20世紀(jì)50年代建立了超導(dǎo)電性的微觀理論，人們才對(duì)金屬超導(dǎo)體的超導(dǎo)行為獲得了滿意的解釋。四、傳統(tǒng)超導(dǎo)電體的超導(dǎo)電性理論(1)唯象理論①二流體模型②倫敦方程③金茲堡--朗道理論(2)傳統(tǒng)超導(dǎo)體的微觀機(jī)制①同位素效應(yīng)②超導(dǎo)能隙③庫(kù)柏電子對(duì)④相干長(zhǎng)度⑤BCS理論六、超導(dǎo)材料的分類(lèi)⑴常規(guī)超導(dǎo)體⑵高溫超導(dǎo)體(HTS)⑶其它類(lèi)型超導(dǎo)體

⑴常規(guī)超導(dǎo)體相對(duì)于高溫超導(dǎo)體而言，元素、合金和化合物的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度較低(以液氮溫度77K為界)，因此這類(lèi)超導(dǎo)體被稱為常規(guī)超導(dǎo)體。①元素超導(dǎo)體(50多種)

一些元素在常壓或高壓下具有超導(dǎo)電性能，另外一些元素經(jīng)特殊處理后顯示出超導(dǎo)電性。由于臨界電流和臨界磁場(chǎng)均較小，所以元素超導(dǎo)體很難實(shí)用化。

②合金超導(dǎo)體

超導(dǎo)合金在技術(shù)上有重要價(jià)值，它們具有較高的臨界溫度和特別高的臨界磁場(chǎng)以及臨界電流。超導(dǎo)合金具有塑性好，易于大量生產(chǎn)，成本低等優(yōu)點(diǎn)。

最早出售的超導(dǎo)線材是Nb--Zr系，用于制造超導(dǎo)磁體。Nb--Zr合金具有低磁場(chǎng)高電流的特點(diǎn)。1965年后被加工性能好、臨界磁場(chǎng)高、成本低的Nb--Ti所取代。目前Nb-Ti系合金實(shí)用的線材使用最廣，Nb--Zr--Ti，Nb--Ti--Ta，Nb--Ti--Zr--Ta用于磁流體發(fā)電機(jī)大型磁體。③化合物超導(dǎo)體

Nb3Sn和V3Ga是最先引起人們的注意的，其次是Nb3Ga、Nb3Al、Nb3(AlGa)。實(shí)際能夠?qū)嵱玫闹挥蠳b3Sn和V3Ga兩種。其它的化合物因難于加工線材還不能實(shí)用。復(fù)合法制備N(xiāo)b3Sn,V3Ga線材⑵高溫超導(dǎo)體(HTS)

一些復(fù)雜的氧化物陶瓷具有高的轉(zhuǎn)變溫度，其臨界溫度超過(guò)了77K，可在液氮的溫度下工作，稱為高溫超導(dǎo)體。(C)螢石(F型)(AX2)

(a)巖鹽(R型)(AX)(b)鈣鈦礦(P型)(ABX３)超導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)

許多銅氧化物超導(dǎo)體是由R型、P型與F型基本結(jié)構(gòu)單元依次聯(lián)結(jié)構(gòu)筑而成，通常都是沿c軸平行地重復(fù)構(gòu)造而得，每個(gè)單元中有二維的“CuO2席位”兩個(gè)以上。

(a)(Nd1-xSrx)(Nd1-yCey)CuO4-x

(b)(La1-xAx)CuO4(A=Ca,Sr,Ba)(c)YBa2Cu4O8

⑶其它類(lèi)型超導(dǎo)體

①堿金屬摻雜的C60超導(dǎo)體

②有機(jī)超導(dǎo)體

③非晶超導(dǎo)材料

④重費(fèi)米子超導(dǎo)體

⑤金屬間化合物(R—T—B—Ｃ)超導(dǎo)體

⑥復(fù)合超導(dǎo)材料⑦超導(dǎo)陶瓷材料①堿金屬摻雜的C60超導(dǎo)體

C60具有極高的穩(wěn)定性，當(dāng)C60中摻入堿金屬時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)在一些特定成分上可以形成富勒烯結(jié)構(gòu)。通過(guò)與各種堿金屬原子的結(jié)合，AxC60的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度已經(jīng)提高到30K以上，超導(dǎo)溫度最高RbCs2C60的臨界轉(zhuǎn)變溫度為33K。②有機(jī)超導(dǎo)體

第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的有機(jī)超導(dǎo)體是(TMTSF)2PF6，盡管這種有機(jī)鹽的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度只有0.9K，但是，它的發(fā)現(xiàn)預(yù)示了一個(gè)新的超導(dǎo)電性研究領(lǐng)域的出現(xiàn)。(TMTSF)2PF6

Thefirstorganicsuperconductordiscovered.

組成有機(jī)超導(dǎo)體的四類(lèi)化合物：③非晶超導(dǎo)材料

非晶態(tài)超導(dǎo)體的研究主要包括非晶態(tài)簡(jiǎn)單金屬及其合金和非晶態(tài)過(guò)渡金屬及其合金。它們具有高度均勻性、高強(qiáng)度、耐磨、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)程無(wú)序性對(duì)其超導(dǎo)電性的影響很大，能使有些物質(zhì)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc提高，這是由于非晶態(tài)超導(dǎo)體與晶態(tài)超導(dǎo)體的不同所引起的。

非晶態(tài)過(guò)渡金屬及合金的性質(zhì)比簡(jiǎn)單金屬更為復(fù)雜。④重費(fèi)米子超導(dǎo)體

重費(fèi)米子超導(dǎo)體是20世紀(jì)70年代末期發(fā)現(xiàn)的，它的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度只有0.7K。

由于這類(lèi)超導(dǎo)體的低溫電子比熱系數(shù)非常大，是普通金屬的幾百甚至幾千倍。因此，推斷出這類(lèi)超導(dǎo)體的電子有效質(zhì)量比自由電子(費(fèi)米子)的質(zhì)量重幾百甚至幾千倍，因此稱為重費(fèi)米子超導(dǎo)體。

重費(fèi)米子超導(dǎo)體的研究對(duì)于超導(dǎo)電機(jī)制研究有重大意義。⑤金屬間化合物(R-T-B-Ｃ)超導(dǎo)體

20世紀(jì)70年代，人們發(fā)現(xiàn)稀土--過(guò)渡元素--硼組成的金屬間化合物具有超導(dǎo)電性。這類(lèi)超導(dǎo)體表現(xiàn)出鐵磁性與超導(dǎo)電性共存的復(fù)雜現(xiàn)象，因此又稱為磁性超導(dǎo)體。在金屬間化合物(R—T—B—Ｃ)超導(dǎo)體中，以鉛鉬硫(PbMoS8)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度最高。后來(lái)人們又制備出YNi4B超導(dǎo)體和YNi2B2C超導(dǎo)體等等，四元素硼碳金屬間化合物的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到23K。⑥復(fù)合超導(dǎo)材料

許多超導(dǎo)體與良導(dǎo)體可以進(jìn)行復(fù)合，進(jìn)而形成復(fù)合超導(dǎo)材料。

復(fù)合超導(dǎo)材料可以承載更大的電流、減少退化效應(yīng)、增加超導(dǎo)的穩(wěn)定性、提高機(jī)械強(qiáng)度和超導(dǎo)性能等。

復(fù)合超導(dǎo)體有超導(dǎo)電纜、復(fù)合線、復(fù)合帶、超導(dǎo)細(xì)線復(fù)合線等等，其主要由超導(dǎo)材料以及良導(dǎo)體、填充料、絕緣層以及高強(qiáng)度材料包覆層和屏蔽層六部分組成。⑦超導(dǎo)陶瓷材料人們?cè)谔剿骶哂懈吲R界轉(zhuǎn)變溫度的超導(dǎo)陶瓷材料方面取得突破，發(fā)現(xiàn)Ba-La-Cu-O體系和Ba-Y-Cu-O體系的超導(dǎo)陶瓷材料，實(shí)現(xiàn)了液氮溫度超導(dǎo)?，F(xiàn)在許多人正在研究更高臨界溫度的超導(dǎo)陶瓷材料。

七、高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用

高溫超導(dǎo)材料的用途，大致可分為以下三類(lèi)：（１）大電流應(yīng)用（強(qiáng)電應(yīng)用）；（２）電子學(xué)應(yīng)用（弱電應(yīng)用）；（３）抗磁性應(yīng)用。

大電流應(yīng)用主要是指超群的超導(dǎo)磁體用于超導(dǎo)發(fā)電、輸電和儲(chǔ)能等三方面。

電子學(xué)應(yīng)用包括超導(dǎo)計(jì)算機(jī)、超導(dǎo)天線、超導(dǎo)微波器件等；

抗磁性主要應(yīng)用于磁懸浮列車(chē)和熱核聚變反應(yīng)堆等。超群的超導(dǎo)磁體

超導(dǎo)材料最誘人的應(yīng)用是發(fā)電、輸電和儲(chǔ)能。由于超導(dǎo)材料在超導(dǎo)狀態(tài)下具有零電阻和完全的抗磁性，因此只需消耗極少的電能，就可以獲得10萬(wàn)高斯以上的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)。而用常規(guī)導(dǎo)體做磁體，要產(chǎn)生這么大的磁場(chǎng)，需要消耗3.5兆瓦的電能及大量的冷卻水，投資巨大。

超導(dǎo)磁體可以制作:A、交流超導(dǎo)發(fā)電機(jī)Ｂ、磁流體發(fā)電機(jī)Ｃ、超導(dǎo)輸電線路A、交流超導(dǎo)發(fā)電機(jī)在電力領(lǐng)域，利用超導(dǎo)線圈磁體可以將發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)強(qiáng)度提高到5萬(wàn)～6萬(wàn)高斯，并且?guī)缀鯖](méi)有能量損失，這種發(fā)電機(jī)便是交流超導(dǎo)發(fā)電機(jī)。

超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的單機(jī)發(fā)電容量比常規(guī)發(fā)電機(jī)提高5～10倍，達(dá)1萬(wàn)兆瓦，而體積卻減少1/2，整機(jī)重量減輕1/3，發(fā)電效率提高50％。Ｂ、磁流體發(fā)電機(jī)

磁流體發(fā)電機(jī)同樣離不開(kāi)超導(dǎo)強(qiáng)磁體的幫助。磁流體發(fā)電機(jī)發(fā)電，是利用高溫導(dǎo)電性氣體（等離子體）作導(dǎo)體，并高速通過(guò)磁場(chǎng)強(qiáng)度為5萬(wàn)～6萬(wàn)高斯的強(qiáng)磁場(chǎng)而發(fā)電。磁流體發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，用于磁流體發(fā)電的高溫導(dǎo)電性氣體還可重復(fù)利用。Ｃ、超導(dǎo)輸電線路

超導(dǎo)材料還可以用于制作超導(dǎo)電線和超導(dǎo)變壓器，從而把電力幾乎無(wú)損耗地輸送給用戶。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前的銅或鋁導(dǎo)線輸電，約有15%的電能損耗在輸電線路上，光是在中國(guó)，每年的電力損失即達(dá)1000多億度。若改為超導(dǎo)輸電，節(jié)省的電能相當(dāng)于新建數(shù)十個(gè)大型發(fā)電廠。超導(dǎo)貯能

超導(dǎo)材料在輸送電流時(shí)，不會(huì)損耗電力，故用它可把作發(fā)電機(jī)可以做得很小。例如一臺(tái)普通大型發(fā)電機(jī)需用15~20噸銅絲繞成線圈，如果用超導(dǎo)材料作線圈，只要幾百克就夠了，而發(fā)出的電力卻一樣。因此，超導(dǎo)材料是一種極好的節(jié)能材料和儲(chǔ)能材料。1987年，美國(guó)國(guó)防部為適應(yīng)“星球大戰(zhàn)”的需要，決定建立一個(gè)用超導(dǎo)材料儲(chǔ)能的蓄電裝置。在和平時(shí)期可向居民供電，在有導(dǎo)彈襲來(lái)時(shí)，可為激光武器供電，用激光摧毀導(dǎo)彈。

因?yàn)槌瑢?dǎo)材料沒(méi)有電阻，它的蓄能效率高，可以回收98％的多余電力，而且反應(yīng)速度快。一旦需要電力，在0.3秒內(nèi)就可從超導(dǎo)儲(chǔ)能線圈中把電流引出來(lái)送到任何電網(wǎng)。這對(duì)星球大戰(zhàn)時(shí)所需電力是非常重要的。美國(guó)已設(shè)計(jì)并著手建造一個(gè)可以儲(chǔ)存500萬(wàn)千瓦小時(shí)的巨型圈。它的直徑有1568米，儲(chǔ)存的電力足以供幾十萬(wàn)人口的城市照明用電。超導(dǎo)材料之所以能儲(chǔ)存電能是因?yàn)樗鼪](méi)有電阻，只要把電“注入”超導(dǎo)線圈，電流就可以無(wú)休止地在線圈中流動(dòng)也不會(huì)有損耗。超導(dǎo)計(jì)算機(jī)

高速計(jì)算機(jī)要求集成電路芯片上的元件和連接線密集排列，但密集排列的電路在工作時(shí)會(huì)發(fā)生大量的熱，而散熱是超大規(guī)模集成電路面臨的難題。超導(dǎo)計(jì)算機(jī)中的超大規(guī)模集成電路，其元件間的互連線用接近零電阻和超微發(fā)熱的超導(dǎo)器件來(lái)制作，不存在散熱問(wèn)題，同時(shí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度大大提高。此外，科學(xué)家正研究用半導(dǎo)體和超導(dǎo)體來(lái)制造晶體管，甚至完全用超導(dǎo)體來(lái)制作晶體管。超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)

利用超導(dǎo)材料的抗磁性，將超導(dǎo)材料放在一塊永久磁體的上方，由于磁體的磁力線不能穿過(guò)超導(dǎo)體，磁體和超導(dǎo)體之間會(huì)產(chǎn)生排斥力，使超導(dǎo)體懸浮在磁體上方。利用這種磁懸浮效應(yīng)可以制作高速超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)。磁懸浮列車(chē)上的磁鐵不是常見(jiàn)的那種永久磁鐵，而是電磁鐵。

電磁鐵外有一個(gè)用導(dǎo)線繞成的線圈，線圈中有電流通過(guò)時(shí)，鐵就產(chǎn)生磁力，只要線圈中一斷電，鐵就立即失去磁力。

電磁鐵的線圈有兩種，一種是普通的銅導(dǎo)線繞成的，另一種則是用超導(dǎo)材料導(dǎo)線制成的。要想把幾十上百噸的列車(chē)懸空浮起來(lái)，電磁鐵之間的排斥力起碼得有幾十上百噸。而電磁鐵之間的排斥力和通過(guò)電磁線圈中的電流有直接關(guān)系，也就是說(shuō)，只有通過(guò)很大的電流，才能產(chǎn)生很大的磁力。但普通的銅導(dǎo)線有電阻，電流一大，銅導(dǎo)線就會(huì)發(fā)熱，電流過(guò)大時(shí)，還可能使導(dǎo)線燒毀。所以銅導(dǎo)線通過(guò)的電流大小受到限制，例如直徑1毫米的銅導(dǎo)線，只能通過(guò)6安培左右的電流，否則就會(huì)過(guò)熱燒毀。

為了使銅導(dǎo)線通過(guò)更大的電流，需要加大導(dǎo)線直徑，增加冷卻設(shè)備，這樣就會(huì)使磁懸浮列車(chē)本身的重量加重，這對(duì)提高列車(chē)的行駛速度不利。怎樣才能使磁懸浮列車(chē)本身的重量減輕，又能讓電磁鐵產(chǎn)生很大的磁力呢?這似乎是一個(gè)難以克服的固難。但自從有了超導(dǎo)材料后，就克服了這一困難。

因