緒論

功能材料簡(jiǎn)介金屬功能材料的發(fā)展關(guān)于本課程1、材料的地位

緒論人類進(jìn)化與文明的標(biāo)志一、功能材料簡(jiǎn)介石器時(shí)代青銅時(shí)代鐵器時(shí)代信息時(shí)代

緒論一、功能材料簡(jiǎn)介材料是現(xiàn)代文明的基石材料與能源、信息并列為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的三大支柱現(xiàn)代文明生物技術(shù)信息技術(shù)能源技術(shù)材料科學(xué)與工程

緒論材料結(jié)構(gòu)材料（structuralmaterials)功能材料(functionalmaterials)能承受外加載荷而保持其形狀和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的材料，它具有優(yōu)良的力學(xué)性能（如我們學(xué)過的強(qiáng)度、剛度、韌性、耐磨性、硬度、疲勞強(qiáng)度等），在物件中起著“力能”的作用。具有一種或幾種特定功能的材料，它具有優(yōu)良的物理、化學(xué)和生物或相互轉(zhuǎn)化功能（例如我們物理中所學(xué)的聲、光、電、磁等物理性能），在物件中起著“功能”的作用。一、功能材料簡(jiǎn)介2、材料的分類按性質(zhì)和實(shí)際應(yīng)用

緒論一、功能材料簡(jiǎn)介1、功能材料的特征（1）功能材料的功能對(duì)應(yīng)于材料的微觀結(jié)構(gòu)和微觀物體的運(yùn)動(dòng)，這是最本質(zhì)的特征。（2）功能材料的凝聚態(tài)和形態(tài)非常多樣化，除了晶態(tài)外，還有氣態(tài)、液態(tài)、液晶態(tài)、非晶態(tài)、準(zhǔn)晶態(tài)、混合態(tài)和等離子體態(tài)等。除了三維體相材料外，還有二維、一維和零維材料。（3）結(jié)構(gòu)材料常以材料形式為最終產(chǎn)品，而功能材料有相當(dāng)一部分是以元器件形式為最終產(chǎn)品，集材料元件一體化。

緒論一、功能材料簡(jiǎn)介（4）功能材料是利用現(xiàn)代化的技術(shù)，多學(xué)科交叉的知識(shí)密集型產(chǎn)物。（5）功能材料的制備技術(shù)不同于結(jié)構(gòu)材料的傳統(tǒng)技術(shù)，而是采用許多先進(jìn)的新工藝和新技術(shù)，如急冷、超凈、超微、超純、薄膜化、集成化、微型化、密集化、智能化以及精細(xì)控制和檢測(cè)技術(shù)。

緒論一、功能材料簡(jiǎn)介功能材料概念是1965年由美國(guó)貝爾研究所J.A.Morton博士提出來的。20世紀(jì)60年代以來，各種現(xiàn)代技術(shù)如微電子、激光、紅外、光電、空間、能源、計(jì)算機(jī)、機(jī)器人、信息、生物和醫(yī)學(xué)等技術(shù)的興起，強(qiáng)烈刺激了功能材料的發(fā)展。近20多年來，功能材料成為材料科學(xué)和工程領(lǐng)域中最活躍的部分，每年以5％的速度增長(zhǎng)。功能材料是新材料領(lǐng)域的核心，在全球新材料研究領(lǐng)域中，功能材料約占

85%。功能材料是現(xiàn)代高技術(shù)的基礎(chǔ)：信息技術(shù)、生物技術(shù)、能源技術(shù)等高技術(shù)的發(fā)展離不開功能材料。功能材料是國(guó)防建設(shè)的重要基礎(chǔ)材料。2、功能材料的發(fā)展一、功能材料簡(jiǎn)介

緒論3、功能材料的分類(1)按化學(xué)成分分類：(2)按功能分類：(3)按凝聚態(tài)分類：(4)按用途分類：(5)按材料形態(tài)分類：金屬、無機(jī)非金屬、有機(jī)高分子和復(fù)合功能材料

物理（如光、電、磁、聲、熱等）、化學(xué)（如感光、催化、含能、降解等）、生物（如生物醫(yī)藥、仿生等）和核功能材料氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)、液晶態(tài)和混合態(tài)功能材料電子、航空、航天、兵工、建筑、醫(yī)藥、包裝等材料體積、膜，纖維和顆粒等功能材料二、金屬功能材料

緒論1、發(fā)展三個(gè)階段：a)50年代中～70年代傳統(tǒng)的金屬功能材料精密合金b)70～80年代精密合金大市場(chǎng)，新材料涌現(xiàn)c)80年代末至今新型金屬功能材料迅速發(fā)展軟磁合金（2）永磁合金（3）彈性合金（4）膨脹合金(5)熱雙金屬（6）精密電阻

非晶態(tài)合金、稀土永磁、貯氫材料等非晶微晶材料、稀土永磁材料、納米晶材料、貯氫合金和電池等。而形狀記憶合金、生物材料、磁記錄（磁光、磁電阻、巨磁電阻）材料、薄膜和多層膜材料、高溫超導(dǎo)材料等取得大量成果。

三、金屬功能材料

緒論2、研究開發(fā)方向（1）國(guó)際：國(guó)際近期開發(fā)成功并投入應(yīng)用的金屬功能材料有：非晶微晶合金、稀土永磁合金、隱身材料、儲(chǔ)氫材料和在電池中的應(yīng)用、磁致伸縮材料以及形狀記憶合金等正大力研究開發(fā)的有：薄膜材料、高溫超導(dǎo)材料、超細(xì)粉末及阻尼減震合金等。另外，電子信息方面的應(yīng)用如集成電路芯片、計(jì)算機(jī)、高清晰度電視機(jī)、通訊設(shè)備及磁光記錄等用材均在飛速發(fā)展中?！捌呶濉焙汀鞍宋濉逼陂g音響和彩電“九五”期間微電子、通訊、國(guó)民經(jīng)濟(jì)信息化工程等電子產(chǎn)品“十五”乃至2010年高清晰電視、汽車電子、信息高速公路此外，能源、環(huán)保、交通、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域三、金屬功能材料

緒論（2）國(guó)內(nèi)：三、金屬功能材料

緒論四、關(guān)于本課程

緒論1電性材料2磁性材料3超導(dǎo)材料4貯氫材料5形狀記憶合金6非晶態(tài)合金7薄膜功能材料8納米材料

1、主要內(nèi)容緒論2、目的（1）建立功能材料的概念，了解金屬功能材料的功能原理、特性、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、化學(xué)組成和實(shí)際應(yīng)用。

（2）試圖通過對(duì)幾種具有代表性功能材料的分析，對(duì)浩瀚的功能材料有個(gè)相貌的了解，以便在將來研制新材料、新工藝的過程中以及在新產(chǎn)品和新材料的選用上，思維新穎、產(chǎn)品更具有競(jìng)爭(zhēng)力。

（3）加強(qiáng)基礎(chǔ)，拓寬專業(yè)知識(shí)面，適應(yīng)知識(shí)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技術(shù)中各學(xué)科的融合穿插，增強(qiáng)對(duì)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的適應(yīng)性。四、關(guān)于本課程

緒論1、王正品張路要玉宏主編《金屬功能材料》

化學(xué)工業(yè)出版社20042、馬如璋蔣民華徐祖雄編著《功能材料學(xué)概論》冶金工業(yè)出版社19993、田蒔編著《功能材料》北京航空航天大學(xué)出版社1995四、關(guān)于本課程

3、參考書目4、徐婉棠吳英凱編著《固體物理學(xué)》北京師范大學(xué)出版社19905、程守洙江之水編著《普通物理》教育出版社2001

緒論四、關(guān)于本課程

超導(dǎo)材料

1911年，荷蘭物理學(xué)家昂納斯發(fā)現(xiàn)汞的直流電阻在4.2K時(shí)突然消失，首次觀察到超導(dǎo)電性。第一節(jié)超導(dǎo)現(xiàn)象及超導(dǎo)材料的基本性質(zhì)超導(dǎo)材料一、超導(dǎo)體的基本物理現(xiàn)象（1）零電阻效應(yīng)圖2.1電阻率ρ與溫度T的關(guān)系1－純金屬晶體2－含雜質(zhì)和缺陷的金屬晶體3－超導(dǎo)體正常態(tài)—溫度高于Tc的狀態(tài)；超導(dǎo)態(tài)—溫度低于Tc的狀態(tài)。如果將這種導(dǎo)線做成閉合電路，電流就可以永無休止地流動(dòng)下去。確實(shí)也有人做了：將一個(gè)鉛環(huán)冷卻到7.25K以下，用磁鐵在鉛環(huán)中感應(yīng)出幾百安培的電流，從1954年3月16日直到1956年9月5日，鉛環(huán)中的電流不停流動(dòng)，數(shù)值也沒有變化。 超導(dǎo)體中有電流而沒有電阻，說明超導(dǎo)體是等電位的，超導(dǎo)體內(nèi)沒有電場(chǎng)。

Onnes由于在超導(dǎo)方面的卓越貢獻(xiàn)，獲得了1913年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 注：無論哪一種超導(dǎo)體，只有當(dāng)溫度降低到一定數(shù)值時(shí)，才會(huì)發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象。從正常電阻轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶娮璧臏囟确Q為超導(dǎo)臨界溫度Tc。我國(guó)目前15％的電能損耗在輸電線路上，達(dá)900多億千瓦時(shí)。將超導(dǎo)電纜放在絕緣、絕熱的冷卻管里，管里盛放冷卻介質(zhì)，如液氦等，保證整條輸電線路都在超導(dǎo)狀態(tài)下運(yùn)行。這樣的超導(dǎo)輸電電纜比普通的地下電纜容量大25倍，可以傳輸幾萬安培的電流，電能消耗僅為所輸送電能的萬分之幾。超導(dǎo)電纜我國(guó)第一組超導(dǎo)電纜并網(wǎng)運(yùn)行輸電能力增數(shù)倍荊楚網(wǎng)消息（楚天金報(bào)）據(jù)新華社電由國(guó)產(chǎn)超導(dǎo)線材制造的我國(guó)第一組超導(dǎo)電纜，10日在昆明正式并網(wǎng)運(yùn)行，昆明西北地區(qū)的幾萬戶居民和多個(gè)工業(yè)企業(yè)開始用上了通過超導(dǎo)電纜傳輸?shù)碾娏?。這標(biāo)志著繼美國(guó)、丹麥之后，我國(guó)成為世界上第三個(gè)將超導(dǎo)電纜投入電網(wǎng)運(yùn)行的國(guó)家。據(jù)悉，這組超導(dǎo)電纜于4月19日在昆明普吉變電站投入運(yùn)行，兩個(gè)多月來經(jīng)受了多種氣象條件的考驗(yàn)，運(yùn)行狀態(tài)良好，其部分性能指標(biāo)優(yōu)于目前已并網(wǎng)運(yùn)行的美國(guó)和丹麥的高溫超導(dǎo)電纜。使用超導(dǎo)電纜傳輸電力，運(yùn)行總損耗僅為常規(guī)電纜的50%至60%，傳輸電力的能力是傳統(tǒng)常規(guī)電纜的3至5倍。所以使用超導(dǎo)電纜還可以節(jié)約輸電系統(tǒng)的占地面積和空間，節(jié)省大量寶貴的土地資源。該超導(dǎo)電纜的并網(wǎng)運(yùn)行，表明我國(guó)在該領(lǐng)域的技術(shù)趨于成熟。超導(dǎo)電纜有利于提高我國(guó)電網(wǎng)的安全性和可靠性。其長(zhǎng)距離大容量輸電的優(yōu)勢(shì)，將為我國(guó)“西電東送”提供支持。世界第一個(gè)高溫超導(dǎo)輸電系統(tǒng)部署完成

2008年7月2號(hào)，美國(guó)超導(dǎo)公司正式在一個(gè)商業(yè)電網(wǎng)中部署了世界上第一個(gè)高溫超導(dǎo)輸電系統(tǒng)。超導(dǎo)體能夠快速、高效并且輕松地傳輸大量電力。相比同樣粗細(xì)的銅導(dǎo)線，他們的輸電能力高達(dá)150倍，但因?yàn)榧夹g(shù)困難，超導(dǎo)體輸電的商業(yè)應(yīng)用發(fā)展緩慢。

上周部署的這個(gè)系統(tǒng)收到了美國(guó)能源部的資助，是長(zhǎng)島電力局電網(wǎng)的一部分，由三根138千伏的電纜組成。它于2008年4月開始通電，在滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)能夠滿足30萬戶家庭的用電需求。

然而要在電網(wǎng)中用超導(dǎo)體完全取代銅導(dǎo)線，目前仍然有一些技術(shù)障礙，最關(guān)鍵的問題是費(fèi)用?，F(xiàn)在在長(zhǎng)島運(yùn)行的第一代電纜十分昂貴，因?yàn)樗鼈兌煎兩狭艘粚鱼y。第二代鍍銅導(dǎo)線能夠省下五分之四的費(fèi)用，但才剛剛進(jìn)入實(shí)驗(yàn)階段。然而要在電網(wǎng)中用超導(dǎo)體完全取代銅導(dǎo)線，目前仍然有一些技術(shù)障礙，最關(guān)鍵的問題是費(fèi)用?，F(xiàn)在在長(zhǎng)島運(yùn)行的第一代電纜十分昂貴，因?yàn)樗鼈兌煎兩狭艘粚鱼y。第二代鍍銅導(dǎo)線能夠省下五分之四的費(fèi)用，但才剛剛進(jìn)入實(shí)驗(yàn)階段。

美國(guó)超導(dǎo)公司CEOGregYurek聲稱在長(zhǎng)期看來，超導(dǎo)體傳輸電纜的費(fèi)用將會(huì)低于增加新的地上銅電纜。埋在地下的一條超導(dǎo)電纜就能夠代替一套架在空中的傳統(tǒng)銅電纜，長(zhǎng)島的超導(dǎo)電纜是通過一條寬一米左右的通道進(jìn)入地下的。

超導(dǎo)電纜的另一部分費(fèi)是用來將它們保持在一個(gè)很低的溫度的，所謂的高溫超導(dǎo)電纜，實(shí)際上運(yùn)行在65至75開爾文之間（大概-210攝氏度到-200攝氏度），已經(jīng)是對(duì)之前幾開爾文的溫度下傳統(tǒng)超導(dǎo)體的突破。而這些超導(dǎo)體是通過液態(tài)氮來維持低溫的。

美國(guó)超導(dǎo)公司希望使公用事業(yè)部門相信他們的技術(shù)就是電力輸送的未來方向。

除了經(jīng)濟(jì)性，該公司宣傳的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是這種電纜能夠防止由電網(wǎng)短路造成的故障電流。超導(dǎo)體有一種天生的電流限制能力，一旦電流增強(qiáng)到一定程度，它們就會(huì)失去超導(dǎo)性而變得像普通導(dǎo)體一樣有電阻，使電流衰減。

美國(guó)超導(dǎo)公司現(xiàn)在正在聯(lián)合愛迪生公司合作開發(fā)紐約的超導(dǎo)輸電故障電流限制系統(tǒng)，預(yù)計(jì)2010年進(jìn)入運(yùn)行，美國(guó)國(guó)土安全部為該項(xiàng)目提供了補(bǔ)助。圖：細(xì)小的超導(dǎo)體（右）與常規(guī)的銅導(dǎo)線（左）制造超導(dǎo)通信電纜。人們對(duì)通信電纜的主要要求是信號(hào)傳遞準(zhǔn)確、迅速、容量大、重量輕，超導(dǎo)通信電纜正好能滿足上述要求。因?yàn)槌瑢?dǎo)通信電纜的電阻接近于零，允許用較小截面的電纜進(jìn)行話路更多的通信，因此節(jié)約材料，降低電纜自重。更重要的是超導(dǎo)通信電纜基本上沒有信號(hào)的衰減，不論距離遠(yuǎn)近，接收方都能準(zhǔn)確無誤地收到發(fā)出方發(fā)出的信號(hào)，所以在線路上不必增設(shè)中間放大器，就能進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。超導(dǎo)材料（2）邁斯納效應(yīng)（完全抗磁性）

只要超導(dǎo)體材料的溫度低于臨界溫度而進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)后，超導(dǎo)材料就會(huì)將磁力線完全排斥于體外，因此，其體積內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度總為零，這種現(xiàn)象稱為“邁斯納效應(yīng)”圖2.2邁斯納效應(yīng)第一節(jié)超導(dǎo)現(xiàn)象及超導(dǎo)材料的基本性質(zhì)不論在進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)之前金屬體內(nèi)有沒有磁感應(yīng)線，當(dāng)它進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)后，只要外磁場(chǎng)|B0|小于臨界磁場(chǎng)Bc，超導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度總是等于零，即B=B0+

0M=0由此求得金屬在超導(dǎo)電狀態(tài)的磁化率為=

0M/B0=-1由此可見，超導(dǎo)體是一個(gè)“完全的逆磁體”。超導(dǎo)態(tài)是一個(gè)熱力學(xué)平衡的狀態(tài)，同怎樣進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的途徑無關(guān)。超導(dǎo)材料二、超導(dǎo)體的臨界參數(shù)1、臨界溫度Tc

圖2.3超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度展寬示意圖（1）起始轉(zhuǎn)變溫度Tc(onset)

（2）零電阻溫度Tc(n=0)

（3）轉(zhuǎn)變溫度寬△Tc（4）中間臨界溫度寬Tc(mid)

第一節(jié)超導(dǎo)現(xiàn)象及超導(dǎo)材料的基本性質(zhì)超導(dǎo)材料2、臨界磁場(chǎng)Hc

3、臨界電流Ic

4、三個(gè)臨界參數(shù)的關(guān)系圖2.4三個(gè)臨界參數(shù)的關(guān)系第一節(jié)超導(dǎo)現(xiàn)象及超導(dǎo)材料的基本性質(zhì)超導(dǎo)材料三、兩類超導(dǎo)體的基本特征1、第一類超導(dǎo)體圖2.5第一類超導(dǎo)體的磁化曲線Hc

和Ic

很低，幾乎沒有實(shí)用的可能性第一節(jié)超導(dǎo)現(xiàn)象及超導(dǎo)材料的基本性質(zhì)超導(dǎo)材料2、第二類超導(dǎo)體圖2.6第二類超導(dǎo)體的M-H曲線第一節(jié)超導(dǎo)現(xiàn)象及超導(dǎo)材料的基本性質(zhì)超導(dǎo)材料圖2.7磁通線的三角形點(diǎn)陣排列第一節(jié)超導(dǎo)現(xiàn)象及超導(dǎo)材料的基本性質(zhì)第二節(jié)超導(dǎo)電性的理論基礎(chǔ)和微觀機(jī)制超導(dǎo)材料一、唯象理論1、超導(dǎo)體的熱力學(xué)理論－二流體模型（1）超導(dǎo)體的熱力學(xué)性質(zhì)超導(dǎo)體由常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)時(shí)樣品發(fā)生了一定的有序化比熱容發(fā)生了突變，電子熱容發(fā)生了△C的變化熵減小形成某種額外的的電子有序（2）二流體模型：包括以下三個(gè)假設(shè)：超導(dǎo)材料(a)超導(dǎo)體超導(dǎo)態(tài)時(shí)，傳導(dǎo)電子分為兩部分，一部分叫常導(dǎo)電子，另一部分叫超流電子，兩種電子占據(jù)同一體積，彼此獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，在空間上互相滲透；(b)常導(dǎo)電子的導(dǎo)電規(guī)律和常規(guī)導(dǎo)體一樣，受晶格振動(dòng)而散射，因而產(chǎn)生電阻，對(duì)熱力學(xué)熵有貢獻(xiàn)。(c)超流電子處于某種凝聚狀態(tài)，即凝聚到某一低能態(tài)，所以超導(dǎo)態(tài)是比正常態(tài)更加有序的狀態(tài)。超導(dǎo)中的電子不受晶格散射，又因?yàn)槌瑢?dǎo)態(tài)是低能量狀態(tài)，所以超流電子對(duì)熵沒有貢獻(xiàn)。2、超導(dǎo)體的電磁理論－倫敦方程第二節(jié)超導(dǎo)電性的理論基礎(chǔ)和微觀機(jī)制1935年，倫敦兄弟提出，超導(dǎo)電子產(chǎn)生的電流密度為js+(nse*2/m*)A=0式中：超導(dǎo)電子的電荷為-e*，有效質(zhì)量為m*，濃度為ns，A為超導(dǎo)電子運(yùn)動(dòng)的矢勢(shì)

。利用倫敦方程可以得到穿透深度

L=（m*/0

nse*2）1/2對(duì)于大多數(shù)超導(dǎo)電性的金屬元素，穿透深度約為10-8~10-7米。第二節(jié)超導(dǎo)電性的理論基礎(chǔ)和微觀機(jī)制超導(dǎo)材料穿透深度的變化實(shí)際上說明超導(dǎo)電流的電子數(shù)ns并不是固定的，在接近0K時(shí)最大，隨溫度增加而減小，到轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，ns減小到0。由于在表層流動(dòng)的超導(dǎo)電流對(duì)外磁場(chǎng)起屏蔽作用，才使超導(dǎo)體具有完全的逆磁性。通常將表層的超導(dǎo)電流稱為逆磁電流或屏蔽電流。第二節(jié)超導(dǎo)電性的理論基礎(chǔ)和微觀機(jī)制超導(dǎo)材料臨界溫度Tc依賴于同位素質(zhì)量的現(xiàn)象。當(dāng)M

時(shí)，Tc應(yīng)趨于零，沒有超導(dǎo)電性。當(dāng)原子質(zhì)量M趨于無限大時(shí)，晶格原子就不可能運(yùn)動(dòng)，當(dāng)然不會(huì)有晶格振動(dòng)了，由此可知：電子-晶格振動(dòng)的相互作用是超導(dǎo)電性的根源。第二節(jié)超導(dǎo)電性的理論基礎(chǔ)和微觀機(jī)制超導(dǎo)材料二、超導(dǎo)的微觀圖像與機(jī)制1、同位素效應(yīng)超導(dǎo)材料2、電子－聲子相互作用圖2.8電子使離子產(chǎn)生位移，從而吸引其它電子第二節(jié)超導(dǎo)電性的理論基礎(chǔ)和微觀機(jī)制晶體中電子是處于正離子組成的晶格環(huán)境中，帶負(fù)電荷的電子吸引正離子向它靠攏；于是在電子周圍又形成正電荷聚集的區(qū)域，它又吸引附近的電子。電子間通過交換聲子能夠產(chǎn)生吸引作用。當(dāng)電子間有凈的吸引作用時(shí)，費(fèi)密面附近的兩個(gè)電子將形成束縛的電子對(duì)的狀態(tài)，它的能量比兩個(gè)獨(dú)立的電子的總能量低，這種電子對(duì)狀態(tài)稱為庫(kù)柏對(duì)?？紤]到電子的自旋，最佳的配對(duì)方式是動(dòng)量相反同時(shí)自旋相反的兩個(gè)電子組成庫(kù)柏對(duì)。第二節(jié)超導(dǎo)電性的理論基礎(chǔ)和微觀機(jī)制超導(dǎo)材料3、庫(kù)柏（Cooper)電子對(duì)第二節(jié)超導(dǎo)電性的理論基礎(chǔ)和微觀機(jī)制超導(dǎo)材料庫(kù)柏對(duì)之間通過交換聲子耦合在一起，拆散一個(gè)庫(kù)柏對(duì)，產(chǎn)生兩個(gè)正常態(tài)電子需要外界提供能量。庫(kù)柏對(duì)吸收能量變成兩個(gè)獨(dú)立的正常電子的過程稱為準(zhǔn)粒子激發(fā)。由于受熱激發(fā)，有一些庫(kù)柏對(duì)被拆開成為正常電子，這樣就使得超導(dǎo)體內(nèi)有兩種載流子：超導(dǎo)電子和被激發(fā)到能隙之上單粒子態(tài)中的正常電子。這正賦予了二流體模型新的意義。在常溫下，金屬原子失去外層電子成為正離子規(guī)則排列在晶格的結(jié)點(diǎn)上作微小振動(dòng)。自由電子無序地充滿在正離子周圍。在電壓作用下，自由電子的定向運(yùn)動(dòng)就成為電流。自由電子在運(yùn)動(dòng)中受到的阻礙稱為電阻。當(dāng)超導(dǎo)臨界溫度以下時(shí)，自由電子將不再完全無序地“單獨(dú)行動(dòng)”，由于晶格的振動(dòng)，會(huì)形成“電子對(duì)”（即“庫(kù)珀電子對(duì)”）。溫度愈低，結(jié)成的電子對(duì)愈多，電子對(duì)的結(jié)合愈牢固，不同電子對(duì)之間相互的作用力愈弱。在電壓的作用下，這種有秩序的電子對(duì)按一定方向暢通無阻地流動(dòng)起來。如下圖：可以這樣簡(jiǎn)單地理解：當(dāng)溫度升高后，電子對(duì)因受熱運(yùn)動(dòng)的影響而遭到破壞，就失去了超導(dǎo)性。以上就是由JBardeen、LNCooper、JRSchrieffer在1957年提出的著名的BCS理論，它表現(xiàn)了目前許多科學(xué)家對(duì)超導(dǎo)現(xiàn)象的理解，但這并不是最終答案，高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)又需要人們進(jìn)一步探索超導(dǎo)的奧秘。Bardeen,Cooper,SchriefferTheory(1957)超導(dǎo)材料4、超導(dǎo)能隙圖2.9絕對(duì)零度下的電子能譜第二節(jié)超導(dǎo)電性的理論基礎(chǔ)和微觀機(jī)制超導(dǎo)體能隙作為溫度的函數(shù)超導(dǎo)材料5、BCS超導(dǎo)微觀理論核心：（1）電子間的相互作用形成的庫(kù)柏電子對(duì)會(huì)導(dǎo)致能隙存在。超導(dǎo)體臨界場(chǎng)、熱學(xué)性質(zhì)及大多數(shù)電磁性質(zhì)都是這種電子配對(duì)的結(jié)果（2）元素或合金的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度與費(fèi)米面附近電子能態(tài)密度N（EF）和電子聲子相互作用能U有關(guān)。第二節(jié)超導(dǎo)電性的理論基礎(chǔ)和微觀機(jī)制

隧道效應(yīng)：在微觀世界中，電子具有穿過比其自身能量還要高的勢(shì)壘的本領(lǐng)的量子效應(yīng)。當(dāng)然，穿透幾率隨勢(shì)壘的高度和寬度的增加而迅速減小。如果在兩塊Al之間夾入一層很薄的勢(shì)壘（絕緣層為Al2O3，厚度約10-10m），當(dāng)在兩塊Al之間加上電勢(shì)差后，就有電流流過絕緣層，這就是正常金屬的隧道效應(yīng)。三、超導(dǎo)隧道效應(yīng)經(jīng)典量子隧道效應(yīng)UE＜UE＜U如果其中的Al進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，就稱為約瑟夫森結(jié)（下圖）。 1962年，劍橋大學(xué)的博士后約瑟夫森（BDJosephson）理論計(jì)算表明，當(dāng)絕緣層小于1.5～2×10-9m時(shí)，除了前面所述的正常電子的隧道電流外，還會(huì)出現(xiàn)一種與庫(kù)珀電子對(duì)相聯(lián)系的隧道電流，而且?guī)扃觌娮訉?duì)穿越勢(shì)壘后，仍保持其配對(duì)的形式。這種不同于單電子隧道效應(yīng)的新現(xiàn)象，稱為約瑟夫森效應(yīng)。約瑟夫森結(jié)超導(dǎo)體超導(dǎo)體通過計(jì)算表明，當(dāng)絕緣層小于1.5～2um時(shí)，除了前面所述的正常電子的隧道電流外，還會(huì)出現(xiàn)一種與庫(kù)珀電子對(duì)相聯(lián)系的隧道電流，而且?guī)扃觌娮訉?duì)穿越勢(shì)壘后，仍保持其配對(duì)的形式。這種不同于單電子隧道效應(yīng)的新現(xiàn)象，稱為約瑟夫森效應(yīng)。超導(dǎo)材料圖2.10正常金屬N、絕緣層I和超導(dǎo)體S組成的結(jié)第二節(jié)超導(dǎo)電性的理論基礎(chǔ)和微觀機(jī)制超導(dǎo)材料圖2.11不同情形下的電流－電壓曲線a-被氧化層隔開的正常金屬結(jié)的電流－電壓關(guān)系b-被氧化層隔開的正常金屬與超導(dǎo)體結(jié)的電流－電壓關(guān)系第二節(jié)超導(dǎo)電性的理論基礎(chǔ)和微觀機(jī)制超導(dǎo)約瑟夫森元件示意圖第二節(jié)超導(dǎo)電性的理論基礎(chǔ)和微觀機(jī)制超導(dǎo)材料超導(dǎo)量子干涉器（SQUID）和它的生醫(yī)應(yīng)用流極大；為磁通量子的半整數(shù)倍時(shí)，電流極小。由于磁通量子值很小，而且明顯地和電流有關(guān)，所以可以用該設(shè)備測(cè)量弱磁場(chǎng)和弱電流。兩個(gè)約瑟夫森結(jié)用超導(dǎo)通路并聯(lián)起來，構(gòu)成超導(dǎo)量子干涉器。通過這一器件的總電流決定于穿過環(huán)路的磁通量：磁通量為磁通量子的整數(shù)倍時(shí)，電人體中不僅存在著生物電，也存在著生物磁。超導(dǎo)量子干涉器優(yōu)點(diǎn)：（1）非接觸測(cè)量?？杀O(jiān)視人體內(nèi)的直流電效應(yīng)（在人體直流電壓測(cè)量中常常被接觸電勢(shì)和表面電勢(shì)所掩蓋）；（2）給出某些電測(cè)量無法給出的人體內(nèi)部信息。人體內(nèi)部組織有了損傷，就會(huì)產(chǎn)生損傷電流，可用體外磁場(chǎng)測(cè)定；（3）還可以探測(cè)與人體電位無關(guān)的磁性變化，而提供更多的醫(yī)療信息。為什么生物磁的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于生物電的研究呢?因?yàn)樯锎艠O其微弱（10－10～10－13特斯拉），開始還沒有檢測(cè)如此低磁場(chǎng)強(qiáng)度的檢測(cè)手段。用超導(dǎo)量子干涉現(xiàn)象所制成的磁強(qiáng)計(jì)，可以探測(cè)到10－15特斯拉的磁場(chǎng)變化，極大地促進(jìn)了生物磁學(xué)的進(jìn)程。1970年首次應(yīng)用超導(dǎo)量子干涉儀測(cè)出人體完善的心磁圖，打開了生物磁的窗口。使用磁強(qiáng)計(jì)可以不取肝樣而準(zhǔn)確地測(cè)量肝中含鐵濃度。對(duì)腦神經(jīng)磁場(chǎng)的研究能探測(cè)腦瘤的存在。 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)近30種單質(zhì)和幾千種合金及化合物具有超導(dǎo)現(xiàn)象。但絕大多數(shù)超導(dǎo)材料的臨界溫度是難以達(dá)到的超低溫，限制了超導(dǎo)材料的應(yīng)用。因此，超導(dǎo)材料的發(fā)展過程很大程度上就是研制高溫超導(dǎo)體的過程。 1986年,德國(guó)科學(xué)家柏諾茲GeorgBednorz和瑞士科學(xué)家彌勒AlexMüller發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)鋇鑭銅氧化物高溫超導(dǎo)體,（La1.85Ba0.15CuO4，其轉(zhuǎn)變溫度“高達(dá)”35K！）使超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度提升到了液氮溫區(qū),從而為超導(dǎo)研究帶來了一場(chǎng)新的革命。高溫超導(dǎo)（非常規(guī)超導(dǎo)）的發(fā)現(xiàn)立即激起了全世界科學(xué)家的強(qiáng)烈興趣。他們于1988年獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng)（大概是歷史上，從作出工作到獲得獎(jiǎng)之間隔最短的。從而也引發(fā)了許多爭(zhēng)論）。 在緊接下來的幾年,不同的高溫超導(dǎo)體系相繼被發(fā)現(xiàn),超導(dǎo)溫度也迅速攀升至160K(0oC=273.15K)。然而不幸的是高溫超導(dǎo)的機(jī)理至今仍然是一個(gè)謎。第三節(jié)超導(dǎo)材料的種類及其性能Müller&BednorzHighTemperatureSuperconductors(1986)0K:Allmotionceases100oC=373K0oC=273K-145oC=138K“High”TemperatureSuperconductors77KAir(Nitrogen)liquifies4KHeliumliquifiesKelvinTemperatureScale第三節(jié)超導(dǎo)材料的種類及其性能在l986年之前，由于當(dāng)時(shí)己知的所有超導(dǎo)體都要在液氯冷卻的條件下才能“工作”，這些不利因素給超導(dǎo)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用范圍帶來了很多限制。因此，關(guān)于如何提高材料的Tc以及尋求高Tc材料，一直是科學(xué)家們的研究課題。下圖列出了人們探索提高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的歷程。 1986年12月，中國(guó)科學(xué)院的趙忠賢研究組獲得了臨界溫度為48.6K的鍶鑭銅氧化物。（可能是最接近諾貝爾獎(jiǎng)了） 1987年2月，美籍華裔科學(xué)家、美國(guó)休斯頓大學(xué)的朱經(jīng)武教授獲得了起始轉(zhuǎn)變溫度為90K的高溫超導(dǎo)陶瓷。 1987年3月，中國(guó)科學(xué)院宣布發(fā)現(xiàn)了起始轉(zhuǎn)變溫度為93K的8種釔鋇銅氧化物。 1988年，中國(guó)科學(xué)院發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)臨界溫度為120K的鈦鋇鈣銅氧化物。 這些成就顯示了我國(guó)高溫超導(dǎo)材料的研究已經(jīng)處于國(guó)際前列。第三節(jié)超導(dǎo)材料的種類及其性能第三節(jié)超導(dǎo)材料的種類及其性能相對(duì)于氧化物高溫超導(dǎo)體而言，元素、合金和化合物超導(dǎo)體的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度較低(Tc＜30K)，其超導(dǎo)機(jī)理基本上能在BCS理論的框架內(nèi)進(jìn)行解釋，因而通常又枝稱為常規(guī)超導(dǎo)體或傳統(tǒng)超導(dǎo)體。一、元素超導(dǎo)體

已發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)元素近50種，如下圖所示。除一些元素在常壓及高壓下具有超導(dǎo)電性外，另部分元素在經(jīng)過持殊工藝處理(如制備成薄膜，電磁波輻照，離子注入等)后顯示出超導(dǎo)電性。其中Nb的Tc最高(9.2K)，與一些合金超導(dǎo)體相接近，而制備工藝要簡(jiǎn)單得多。周期表中的超導(dǎo)元素第三節(jié)超導(dǎo)材料的種類及其性能超導(dǎo)材料表2.1一些元素的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度第三節(jié)超導(dǎo)材料的種類及其性能具有超導(dǎo)電性的合金及化合物多達(dá)幾千種，真正能夠?qū)嶋H應(yīng)用的并不多。下面給出了一些典型合金及化合物的Tc(最大值)。其中A—15超導(dǎo)體Nb3Sn是20世紀(jì)50年代馬梯阿斯(B．T．Matthias)首次發(fā)現(xiàn)的。在1986年以前發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體中，這類化合物中的Tc居于領(lǐng)先地位，它們之中臨界溫度最高的是Nb3Ge薄膜，為23.2K。此外，c—15超導(dǎo)體的臨界溫度約l0K，上臨界場(chǎng)Hc2(約1.6×107A／m)高于超導(dǎo)合金NbTi，而在力學(xué)性質(zhì)方面優(yōu)于Nb3Sn，易于加工成型，中子輻照對(duì)它的超導(dǎo)電性影響較小，因而是目前受控?zé)岷朔磻?yīng)用高場(chǎng)超導(dǎo)磁體的理想材料。超導(dǎo)材料二、合金超導(dǎo)體1、Nb-Zr合金優(yōu)點(diǎn)：在高磁場(chǎng)下能夠承受很大的超導(dǎo)臨界電流，延性好，抗拉強(qiáng)度高，制作線圈工藝簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：覆銅較困難，需采用鍍銅或埋入法，工藝麻煩，制造成本高；與銅的結(jié)合性能較差2、Nb-Ti合金優(yōu)點(diǎn)：線材價(jià)格便宜，機(jī)械性能優(yōu)良，易于加工；并易于通過壓力加工在線上覆套銅層，獲得良好的合金結(jié)合，提高熱穩(wěn)定性缺點(diǎn)：不易軋制成扁線第三節(jié)超導(dǎo)材料的種類及其性能超導(dǎo)材料圖3.12Nb-Ti合金制造的典型工藝流程圖圖2.13Ni-Ti線的芯結(jié)構(gòu)第三節(jié)超導(dǎo)材料的種類及其性能超導(dǎo)材料3、三元合金Nb-Zr-Ti；Nb-Ti-Ta；Nb-Zr-Hf；V-Zr-Hf三、超導(dǎo)化合物超導(dǎo)化合物超導(dǎo)臨界參數(shù)均較高，是性能良好的強(qiáng)磁場(chǎng)超導(dǎo)材料,一般超過10T的超導(dǎo)磁體只能用化合物系超導(dǎo)材料。但化合物超導(dǎo)材料質(zhì)脆，不易直接加工成線材或帶材。Nb3SnV3Ga第三節(jié)超導(dǎo)材料的種類及其性能圖2.14復(fù)合法制備Nb3SnV3Ga線材

圖2.15

Nb3Sn線的芯結(jié)構(gòu)

第三節(jié)超導(dǎo)材料的種類及其性能超導(dǎo)材料第三節(jié)超導(dǎo)材料的種類及其性能四、非晶態(tài)超導(dǎo)體非晶態(tài)超導(dǎo)材料主要包括非晶態(tài)簡(jiǎn)單金屬及其合金，和非晶態(tài)過渡金屬及其合金，它們具有高度均勻性，高強(qiáng)度、高耐磨、高耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)非晶態(tài)超導(dǎo)體的臨界轉(zhuǎn)變溫度比相應(yīng)的晶態(tài)超導(dǎo)體高。高溫超導(dǎo)體有著與傳統(tǒng)超導(dǎo)體相同的超導(dǎo)特性，即：零電阻有這些現(xiàn)象的特性、邁斯納效應(yīng)、磁通量子化和約瑟夫森效應(yīng)。BCS理論是目前能解釋所唯—理論，但這并不意味高溫超導(dǎo)體就是BCS超導(dǎo)體。高溫超導(dǎo)體的配對(duì)機(jī)理目前還不清楚。新型的氧化物高溫超導(dǎo)體與傳統(tǒng)超導(dǎo)體相比較，有其獨(dú)持的結(jié)構(gòu)和物理特征。主要表現(xiàn)在它們具有明顯的層狀結(jié)構(gòu)、較短的超導(dǎo)相干長(zhǎng)度、較強(qiáng)的各向異性以及Tc對(duì)載流子濃度的強(qiáng)依賴天系。五、高溫超導(dǎo)體

氧化鋯（ZrO2）單晶基片是最早被開發(fā)應(yīng)用的高溫超導(dǎo)基片之一。由于ZrO2單晶需摻入釔（Y）以穩(wěn)定其結(jié)構(gòu)，

一般實(shí)際使用的是加入釔穩(wěn)定劑的氧化鋯單晶。它機(jī)械、化學(xué)穩(wěn)定性好，價(jià)格較低，特別適于用在試驗(yàn)性薄膜制備工作中。

鈦酸鍶（SrTiO3）是當(dāng)前應(yīng)用最廣的優(yōu)秀高溫超導(dǎo)單晶基片之一。它與YBaCuO等高溫超導(dǎo)材料的晶格匹配好，物理、機(jī)械性能優(yōu)良。SrTiO3是高溫超導(dǎo)結(jié)技術(shù)（使用雙晶基片或臺(tái)階狀基片）及基片臺(tái)階化（按特定角度斜切并熱處理）的首選單晶材料。LSAT單晶

LSAT（鋁酸鑭·鉭酸鍶鋁）是性能優(yōu)良的高溫超導(dǎo)基片材料。它可以克服LaAlO3高溫超導(dǎo)基片晶體固有的疇結(jié)構(gòu)給薄膜生長(zhǎng)帶來的不利影響。LASAT沒有疇結(jié)構(gòu)，無孿晶，晶體結(jié)構(gòu)完整，用作襯底材料可顯著提高薄膜的質(zhì)量。LSAT基片第四節(jié)超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料的用途非常廣闊，大致可分為三類：大電流應(yīng)用（強(qiáng)電應(yīng)用）、電子學(xué)應(yīng)用（弱電應(yīng)用）和抗磁性應(yīng)用。大電流應(yīng)用即前述的超導(dǎo)發(fā)電、輸電和儲(chǔ)能；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)用于磁懸浮列車和熱核聚變反應(yīng)堆等。第四節(jié)超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)材料一、能源領(lǐng)域的應(yīng)用1、開發(fā)新能源（1）核聚變反應(yīng)堆“磁封閉體”熱核反應(yīng)堆是利用氫的同位素氘和氚的原子核實(shí)現(xiàn)核聚變的核反應(yīng)堆。與目前核電站利用核裂變發(fā)電相比，用受控核聚變的能量來發(fā)電具有能量釋放大、實(shí)驗(yàn)資源豐富、成本低、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。核聚變反應(yīng)堆“磁封閉體”利用超導(dǎo)體產(chǎn)生的巨大磁場(chǎng)，應(yīng)用于受控制熱核反應(yīng)。核聚變反應(yīng)時(shí)，內(nèi)部溫度高達(dá)1億～2億℃，沒有任何常規(guī)材料可以包容這些物質(zhì)。而超導(dǎo)體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)可以作為“磁封閉體”，將熱核反應(yīng)堆中的超高溫等離子體包圍、約束起來，然后慢慢釋放，從而使受控核聚變能源成為21世紀(jì)前景廣闊的新能源。中國(guó)科學(xué)院合肥等離子體物理研究所超導(dǎo)托卡馬克HT-7巨大的電感線圈原子彈爆炸蘑菇云第四節(jié)超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)材料磁約束的應(yīng)用目前，磁約束主要應(yīng)用在核聚變上，實(shí)現(xiàn)受控(熱)核聚變。著名的托卡馬克裝置即是利用磁約束原理實(shí)現(xiàn)受控核聚變。它是一種形如面包圈的環(huán)流器，依靠等離子體電流和環(huán)形線圈產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)，將極高溫等離子狀態(tài)的聚變物質(zhì)約束在環(huán)形容器里，以此來實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)。托卡馬克裝置:第四節(jié)超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)材料2006年9月28日，中國(guó)耗時(shí)8年、耗資2億元人民幣自主設(shè)計(jì)、自主建造而成的新一代熱核聚變裝置EAST首次成功完成放電實(shí)驗(yàn)，獲得電流200千安、時(shí)間接近3秒的高溫等離子體放電。EAST成為世界上第一個(gè)建成并真正運(yùn)行的全超導(dǎo)非圓截面核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（2）超導(dǎo)磁流體發(fā)電磁流體發(fā)電，是利用高溫導(dǎo)電性氣體（等離子體）做導(dǎo)體，并高速通過磁場(chǎng)強(qiáng)度為5萬—6萬高斯的強(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。”

2、節(jié)能方面（1）超導(dǎo)輸電（2）超導(dǎo)發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)（3）超導(dǎo)變壓器第四節(jié)超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)材料第四節(jié)超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)材料熱絕緣型和冷絕緣型高溫超導(dǎo)電力電纜熱絕緣結(jié)構(gòu)電纜基本結(jié)構(gòu)示意圖

從內(nèi)到外，依次為：

管狀支撐物（一般為波紋管，內(nèi)通液氮）；

超導(dǎo)導(dǎo)體層（為超導(dǎo)帶材分層繞制）；

熱絕緣層（為真空隔熱套件）；

常規(guī)電氣絕緣層（工作在常溫下）；

電纜屏蔽層和護(hù)層（與常規(guī)電力電纜類似）。冷絕緣結(jié)構(gòu)電纜基本結(jié)構(gòu)示意圖

從內(nèi)到外，依次為：

管狀支撐物（內(nèi)通液氮）；

超導(dǎo)導(dǎo)體層（為電纜載流導(dǎo)體）；

電氣絕緣層（工作在液氮低溫環(huán)境下）；

超導(dǎo)屏蔽層（為超導(dǎo)帶材繞制）；

液氮回流層（與管狀支撐物內(nèi)的液氮構(gòu)成液氮回流循環(huán)）；

熱絕緣層（為真空隔熱套件）；

常規(guī)電纜屏蔽層和護(hù)層。二、交通領(lǐng)域的應(yīng)用超導(dǎo)材料圖2.16超導(dǎo)磁浮列車內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖第四節(jié)超導(dǎo)材料的應(yīng)用用超導(dǎo)材料制造的磁懸浮列車，速度可達(dá)550千米/小時(shí)，與民航飛機(jī)差不多；如果磁懸浮列車在真空隧道中運(yùn)行，其速度可達(dá)1600千米/小時(shí)，比超音速飛機(jī)還快。

磁懸浮列車的不足1.由于磁懸浮系統(tǒng)是以電磁力完成懸浮、導(dǎo)向和驅(qū)動(dòng)功能的，斷電后磁懸浮的安全保障措施，尤其是列車停電后的制動(dòng)問題仍然是要解決的問題。其高速穩(wěn)定性和可靠性還需很長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行考驗(yàn)。2.常導(dǎo)磁懸浮技術(shù)的懸浮高度較低，因此對(duì)線路的平整度、路基下沉量及道岔結(jié)構(gòu)方面的要求較超導(dǎo)技術(shù)更高。3.超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)由于渦流效應(yīng)懸浮能耗較常導(dǎo)技術(shù)更大，冷卻系統(tǒng)重，強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)人體與環(huán)境都有影響。為什么磁浮鐵路并沒有出現(xiàn)人們所企望的那種成為主要交通工具的趨勢(shì)？首先，磁浮鐵路的造價(jià)十分昂貴。與高速鐵路相比，修建磁浮鐵路費(fèi)用昂貴。根據(jù)日本方面的估計(jì)，磁浮鐵路的造價(jià)每公里約需60億日元，比新干線高20％。如果規(guī)劃中的從東京到大阪之間的中央新干線修建為磁浮鐵路，全線造價(jià)約需3萬億日元，而為了對(duì)建造磁浮鐵路這一方案進(jìn)行可行性研究而計(jì)劃建造的一條42.8公里長(zhǎng)的試驗(yàn)線，其初步預(yù)算就達(dá)3000億日元。德國(guó)也認(rèn)為磁浮鐵路的造價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高速鐵路。根據(jù)德國(guó)在80年代初的這一項(xiàng)估算認(rèn)為，修建一條復(fù)線磁浮鐵路其造價(jià)每公里約為659萬美元，而法國(guó)的巴黎至里昂和意大利的羅馬至佛羅倫薩的高速鐵路每公里的造價(jià)只分別為226萬和236萬美元?，F(xiàn)在，德國(guó)規(guī)劃中的漢堡至柏林292公里長(zhǎng)的鐵路如果建造成為磁浮鐵路，其初步預(yù)算就達(dá)59億美元，約合每公里2000萬美元。磁浮鐵路所需的投入較大，利潤(rùn)回收期較長(zhǎng)，投資的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)也較高，從而也在一定程度上影響了投資者的信心，制約了磁浮鐵路的發(fā)展。為什么磁浮鐵路并沒有出現(xiàn)人們所企望的那種成為主要交通工具的趨勢(shì)？其次，磁浮鐵路無法利用既有的線路，必須全部重新建設(shè)。由于磁浮鐵路與常規(guī)鐵路在原理、技術(shù)等方面完全不同，因而難以在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行利用和改造。高速鐵路則不同，可以通過加強(qiáng)路基、改善線路結(jié)構(gòu)、減少?gòu)澏群推露鹊确矫娴母脑?，某些既有線路或某些區(qū)段就可以達(dá)到高速鐵路的行車標(biāo)準(zhǔn)。如，日本1964年投入運(yùn)營(yíng)并大受歡迎的東京至大阪的新干線，在沒有對(duì)機(jī)車做重大改進(jìn)的情況下，僅通過修建曲線半徑較大，即沒有急轉(zhuǎn)彎和陡坡較小的鐵路等方法，從而使列車速度大大提高。再如德國(guó)的漢堡至柏林既有鐵路線，經(jīng)過技術(shù)改造后，某些區(qū)段的最高速度每小時(shí)可達(dá)230公里。此外，歐洲一些國(guó)家如德國(guó)、瑞典、意大利等國(guó)的設(shè)計(jì)人員，還采用使車廂在轉(zhuǎn)向架上轉(zhuǎn)動(dòng)和傾斜的升降技術(shù)來對(duì)付鐵路彎道（即采用擺式車體），這樣在無須對(duì)既有線路進(jìn)行改造和更新的情況下，也使列車行駛速度提高到每小時(shí)220公里。在對(duì)既有線路進(jìn)行高速鐵路改造的過程中，還可以實(shí)現(xiàn)高、中速混跑，列車根據(jù)不同區(qū)段的最高限速以不同的速度行駛。因而，與磁浮鐵路的全部重新建設(shè)相比，高速鐵路的線路和運(yùn)行成本就大大降低了。為什么磁浮鐵路并沒有出現(xiàn)人們所企望的那種成為主要交通工具的趨勢(shì)？再次，磁浮鐵路在速度上的優(yōu)勢(shì)并沒有凸顯出來。30多年前，許多人認(rèn)為輪軌粘著式鐵路的極限速度為每小時(shí)250公里，后來又認(rèn)為是300-380公里。但是現(xiàn)在，法國(guó)的“高速列車”(TGV)、德國(guó)的“城際快車”(ICE)和穿越英吉利海峽的“歐洲之星”列車以及日本的新干線，其運(yùn)行速度都達(dá)到或接近每小時(shí)300公里。1990年，在巴黎西部地區(qū)運(yùn)行的法國(guó)第二代高速列車TGV－A“大西洋”號(hào)更是創(chuàng)下了試驗(yàn)時(shí)速515.3公里的世界紀(jì)錄。更何況，既便是磁浮鐵路的行車速度達(dá)到每小時(shí)450-500公里，在典型的500公里區(qū)間內(nèi)的運(yùn)行中，也只比時(shí)速為300公里的高速鐵路節(jié)約半小時(shí)，其優(yōu)勢(shì)不是特別明顯。我國(guó)的磁懸浮列車目前，中國(guó)對(duì)磁懸浮鐵路技術(shù)的研究還處于初級(jí)階段。經(jīng)過中國(guó)鐵道科學(xué)研究院、西南交大、國(guó)防科大、中科院電工所等單位對(duì)常導(dǎo)低速磁懸浮列車的懸浮、導(dǎo)向、推進(jìn)等關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)性研究，已對(duì)低速常導(dǎo)磁懸浮技術(shù)有了一定認(rèn)識(shí)，初步掌握了常導(dǎo)低速磁懸浮穩(wěn)定懸浮的控制技術(shù)。我國(guó)的磁懸浮列車?yán)^1994年西南交大成功地進(jìn)行了4個(gè)座位、自重4噸、懸浮高度為8毫米、時(shí)速為30公里的磁懸浮列車試驗(yàn)之后，由鐵科院主持、長(zhǎng)春客車廠、中科院電工所、國(guó)防科技大學(xué)參加，共同研制的長(zhǎng)為6.5米、寬為3米、自重4噸、內(nèi)設(shè)15個(gè)座位的6噸單轉(zhuǎn)向架磁懸浮試驗(yàn)車在鐵科院環(huán)行試驗(yàn)線的軌距為2米、長(zhǎng)36米、設(shè)計(jì)時(shí)速為100公里的室內(nèi)磁懸浮實(shí)驗(yàn)線路上成功地進(jìn)行了試驗(yàn)，并于1998年12月通過了鐵道部科技成果鑒定。6噸單轉(zhuǎn)向架磁懸浮試驗(yàn)車的研制成功，為低速常導(dǎo)磁懸浮列車的研究提供了技術(shù)基礎(chǔ)，填補(bǔ)了我國(guó)在磁懸浮列車技術(shù)領(lǐng)域的空白。我國(guó)的磁懸浮列車上海磁懸浮是中國(guó)第一條投入運(yùn)行的磁懸浮鐵路，全長(zhǎng)29．863公里，設(shè)計(jì)時(shí)速和運(yùn)行時(shí)速分別為505公里和430公里；由中國(guó)與德國(guó)合作，2002年12月31日，中國(guó)總理朱鎔基和德國(guó)總理施羅德成為上海磁懸浮的第一批乘客體會(huì)首次試運(yùn)行。當(dāng)時(shí)采用的是已通過安全認(rèn)證的比較簡(jiǎn)單的單線折返運(yùn)行方式。雙列車會(huì)車實(shí)驗(yàn)在2003年7月18日已經(jīng)完成。根據(jù)中德的協(xié)議，雙線折返試運(yùn)行原計(jì)劃今年9月完成并接受安全認(rèn)證，12月底工程驗(yàn)收，全線正式通車進(jìn)行商業(yè)運(yùn)行。四、電子信息領(lǐng)域的應(yīng)用超導(dǎo)材料1、超導(dǎo)計(jì)算機(jī)第四節(jié)超導(dǎo)材料的應(yīng)用高速計(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)器件來制作，不存在散熱問題，同時(shí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度大大提高。此外，正在研究用半導(dǎo)體和超導(dǎo)體來制造晶體管，甚至完全用超導(dǎo)體來制作晶體管。三、研究領(lǐng)域的應(yīng)用冷子管和超導(dǎo)計(jì)算機(jī)

一種電流開關(guān)…當(dāng)控制線圈沒有電流時(shí)，門線超導(dǎo)；當(dāng)控制線圈通過一定電流時(shí)，它的磁場(chǎng)使門線從超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變到正常態(tài)。1935年，卡西米爾和哈斯用Pb－Ti合金做門線，用Pb繞制控制線圈，做出了第一個(gè)開關(guān)元件，1956年，巴克把這種裝置命名為冷子管，指出它可以用來做計(jì)算機(jī)的開關(guān)元件。…半導(dǎo)體機(jī)速度與發(fā)熱的尖銳矛盾，從1965年開始，領(lǐng)導(dǎo)IBM公司的100多人共同奮戰(zhàn)，終于使約瑟夫遜器件的超導(dǎo)計(jì)算機(jī)有了眉目。馬梯索于1967年發(fā)明的隧道冷子管中，約瑟夫遜結(jié)具有極高的開關(guān)速度（約為10-12秒數(shù)量級(jí)，速度是半導(dǎo)體器件的百倍以上）和極低的功耗（只有半導(dǎo)體器件的千分之一左右），對(duì)應(yīng)邏輯器件能以驚人的速度執(zhí)行“與”功能，從而為制造亞納秒電子計(jì)算機(jī)提供了一條途徑。超導(dǎo)計(jì)算機(jī)是使用超導(dǎo)體元器件的高速計(jì)算機(jī)

用約瑟夫遜器件制成電子計(jì)算機(jī)，稱為約瑟夫遜計(jì)算機(jī)，也就是超導(dǎo)計(jì)算機(jī)，又稱超導(dǎo)電腦。這種電腦的耗電僅為用半導(dǎo)體器件制造的電腦所耗電的幾千分之一，它執(zhí)行一個(gè)指令只需十億分之一秒，比半導(dǎo)體元件快10倍。日本電氣技術(shù)研究所研制成世界上第一臺(tái)完善的超導(dǎo)電腦，它采用了4個(gè)約瑟夫遜大規(guī)模集成電路，每個(gè)集成電路芯片只有3~5立方毫米大小，每個(gè)芯片上有上千個(gè)約瑟夫遜元件。約瑟夫遜超導(dǎo)元件。使用鈮系列超導(dǎo)材料，不但速度快，而且耗電少第四節(jié)超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)材料2、超導(dǎo)電磁測(cè)量裝置五、軍事領(lǐng)域的應(yīng)用1、超導(dǎo)貯能系統(tǒng)3、超導(dǎo)電磁炮2、超導(dǎo)粒子束武器和自由電子激光器用電需求的波動(dòng)造成電力很大的浪費(fèi)，據(jù)估計(jì)約50％的能量付之東流。這就需要一種儲(chǔ)存能量的方法。提到電力儲(chǔ)藏，總會(huì)讓人聯(lián)想到電池，能量的儲(chǔ)藏以能量密度作為標(biāo)準(zhǔn)。10升石油所產(chǎn)生的能量相當(dāng)于2.5噸鉛電池的能量，必須使用像小山一樣多的鉛。能量?jī)?chǔ)存和調(diào)節(jié)手段還有很多，但各種方法都有很多局限和不便之處。相比之下，超導(dǎo)儲(chǔ)能在技術(shù)上的魅力是難以抗拒的。它可以達(dá)到極高的能量密度，可以無損耗地貯存巨大的電能。

合上開關(guān)S1，打開S2和S3時(shí)，超導(dǎo)線圈Ls充電；合上S2，打開S1，在電路2中就有一個(gè)持續(xù)電流；合上S3，打開S2，儲(chǔ)存的能量就消耗在外部負(fù)載上。超導(dǎo)線圈電能儲(chǔ)放電路美國(guó)已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種大型超導(dǎo)磁能存儲(chǔ)系統(tǒng)，采用NbTi電纜和液氦冷卻，儲(chǔ)能環(huán)的半徑為750米，埋在地下洞穴內(nèi)?？蓛?chǔ)存5000兆瓦·小時(shí)的巨大電能（相當(dāng)于4300噸TNT炸藥爆炸時(shí)產(chǎn)生的能量），充放電的功率為1000兆瓦，轉(zhuǎn)換時(shí)間為幾分之一秒，其效率達(dá)到98％?！瑢?dǎo)粒子束武器和自由電子激光武器

粒子束武器和自由電子激光武器是未來反導(dǎo)、反衛(wèi)星的新星，具有重要的戰(zhàn)略意義。但它們?cè)诎l(fā)射時(shí)需要巨大的能量，因而使得武器系統(tǒng)過于龐大，這就給它們的實(shí)際使用造成了困難。 超導(dǎo)技術(shù)的出現(xiàn)，為這兩種武器帶來了新生。利用磁性極強(qiáng)、無損耗的超導(dǎo)磁體制成的高能加速器，不僅能提供巨大的能量，體積也不大，使這兩種原本威力巨大的新概念武器，又倍添靈活，其前景甚為可觀?！瑢?dǎo)電磁炮

電磁炮是利用電磁力加速?gòu)椡璧默F(xiàn)代化電磁發(fā)射系統(tǒng)。美國(guó)將它作為下一代坦克炮方案之一。超導(dǎo)技術(shù)使它擁有體積小、重量輕、可重復(fù)使用的電源，同時(shí)能減少導(dǎo)軌的磁性損失和焦耳熱損耗，提高了系統(tǒng)效率。 目前正在研究用超導(dǎo)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，以便減小通過導(dǎo)軌的電流，從而減小導(dǎo)軌的剩磁損耗和熱損耗，增加彈丸的動(dòng)能，達(dá)到提高電磁炮系統(tǒng)效率的目的。※超導(dǎo)電磁推進(jìn)系統(tǒng)和超導(dǎo)陀螺儀

用超導(dǎo)材料制成的超導(dǎo)電磁推進(jìn)系統(tǒng)取代艦艇的傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)，具有推進(jìn)速度快、效率高、控制性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于維修和噪聲小等特點(diǎn)，可使艦艇的航速和續(xù)航能力倍增，并可大大提高艦艇的機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)能力和生存能力。 此外，利用超導(dǎo)體的抗磁特性，可制成超導(dǎo)陀螺儀，能大大提高飛機(jī)的飛行精度。超導(dǎo)材料圖2.17磁腦照相術(shù)中的超導(dǎo)量子干涉器件第四節(jié)超導(dǎo)材料的應(yīng)用六、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域超導(dǎo)材料圖2.18超導(dǎo)磁分離裝置第四節(jié)超導(dǎo)材料的應(yīng)用

磁性材料

第一節(jié)材料的磁性磁性材料一、磁性的產(chǎn)生及磁學(xué)基本參量物質(zhì)磁性的本質(zhì)：原子的磁矩

原子的磁矩

原子核磁矩：約為電子磁矩1/2000

電子磁矩

軌道磁矩

自旋磁矩

磁介質(zhì)：在磁場(chǎng)作用下能磁化的物質(zhì)。1、磁化強(qiáng)度M

單位：A/m或高斯（Gs），矢量，由S極指向N極。第一節(jié)材料的磁性磁性材料磁化強(qiáng)度：衡量物質(zhì)有無磁性或磁性大小的物理量，定義為物質(zhì)單位體積中的磁矩大小。2、磁場(chǎng)強(qiáng)度H單位：A/m或高斯（Gs），矢量，由S極指向N極。

第一節(jié)材料的磁性磁性材料磁場(chǎng)強(qiáng)度：是指外界磁場(chǎng)的大小，也是一個(gè)矢量。單位同磁化強(qiáng)度M。磁場(chǎng)強(qiáng)度H一般是由導(dǎo)體中的電流或者永磁體產(chǎn)生的。3、磁化率χ＝M/H第一節(jié)材料的磁性磁性材料磁化強(qiáng)度M與磁場(chǎng)強(qiáng)度H的比值稱為磁化率：即χ＝M/H表征物質(zhì)磁性的大小4、磁感應(yīng)強(qiáng)度B單位：特斯拉（T）或韋/米2(Wb/m2)B=μ0(H+M)第一節(jié)材料的磁性磁性材料μ0是真空磁導(dǎo)率，μ0=410-7H/m在真空中（M=0），當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H為（107/4

）A/m時(shí)，相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為1T。5、磁偶極矩pm、磁矩m第一節(jié)材料的磁性磁性材料磁偶極子：通常把尺寸小到原子大小的小磁體稱為磁偶極子，等效為環(huán)繞回路流動(dòng)的電荷。磁偶極矩pm：真空中每單位外加磁場(chǎng)作用在磁偶極子上的最大力矩。單位為Wb·m。磁偶極子的磁矩m和磁偶極矩pm有如下關(guān)系：m=pm/μ0

磁矩m的單位為A·m2。磁矩是表征磁性物體磁性大小的物理量。磁矩愈大，磁性愈強(qiáng)，即物體在磁場(chǎng)中所受的力也大。磁矩只與物體本身有關(guān)，與外磁場(chǎng)無關(guān)。

第一節(jié)材料的磁性磁性材料6、磁通量單位為韋（Wb）第一節(jié)材料的磁性磁性材料磁通量是磁感應(yīng)通量的簡(jiǎn)稱，其定義是：將通過磁場(chǎng)中某一微元面積

S的磁通量

等于該處磁感應(yīng)強(qiáng)度B在垂直于面積方向上的分量Bn和面積

S的乘積，即

=Bn

S=BcosS式中

為磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與面積

S的垂線方向之間的夾角。7、磁導(dǎo)率μ第一節(jié)材料的磁性磁性材料磁導(dǎo)率定義為μ=B/μ0

HB與H的比值稱為絕對(duì)磁導(dǎo)率μ絕對(duì)。μ絕對(duì)=B/H=μ0μ磁導(dǎo)率就等于材料的絕對(duì)磁導(dǎo)率μ絕對(duì)與真空磁導(dǎo)率之比，故也稱為相對(duì)磁導(dǎo)率。磁性材料二、磁性的分類1、抗磁性物質(zhì)呈抗磁性，或稱逆磁性。

＜0，M與H方向相反；磁化率

很小，-10-5～-10-6，且不隨溫度變化。屬于這類物質(zhì)的金屬有：Bi、Zn、Cu、Ag、Au、Mg。物質(zhì)按磁化率以及在磁場(chǎng)中的行為可以分為五類，即抗磁性物質(zhì)、順磁性物質(zhì)、鐵磁性物質(zhì)、反鐵磁性物質(zhì)、亞鐵磁性物質(zhì)。第一節(jié)材料的磁性2、順磁性物質(zhì)呈順磁性。

＞0，M與H方向相同；磁化率

在10-3～10-5。第一節(jié)材料的磁性磁性材料其特征是組成這些物質(zhì)的原子具有恒定的與外磁場(chǎng)無關(guān)的磁矩

。屬于這類物質(zhì)的金屬有：La、Pr、MnAl、除Be以外的堿金屬和堿土金屬以及居里溫度以上的鐵磁性元素Fe、Ni、Co等。3、鐵磁性物質(zhì)呈鐵磁性。

＞＞0，磁化率

在可達(dá)104數(shù)量級(jí)。自發(fā)磁化：鐵磁體的原子磁矩在不加外磁場(chǎng)時(shí)，由于一種自身力量的作用而互相平行排列，呈飽和磁化的狀態(tài)。磁疇:這種自發(fā)磁化不是整體飽和，而是分成許多小區(qū)域，在每個(gè)小區(qū)域內(nèi)飽和，這種飽和的小區(qū)域稱為磁疇。第一節(jié)材料的磁性磁性材料磁性材料鐵磁物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：（1）原子存在未填滿的內(nèi)電子層（例如3d或4f層），在此層中未對(duì)消的電子自旋磁矩產(chǎn)生原子磁矩。（2）原子間距與未滿電子層半徑之比值要求有一定的大小，這樣才能夠有足夠大的交換力，使物質(zhì)中原子磁矩同相排列，才能形成鐵磁性。第一節(jié)材料的磁性磁性材料第一節(jié)材料的磁性鐵磁性物質(zhì)是一種磁性很強(qiáng)的物質(zhì)。是磁性材料的物質(zhì)基礎(chǔ)。常見的鐵磁性金屬有：Fe、Ni、Co，某些稀土元素以及由Fe、Ni、Co組成的合金等。4、反鐵磁性物質(zhì)

＞0，M與H方向相同；磁化率

在10-5～10-3。第一節(jié)材料的磁性磁性材料反鐵磁性物質(zhì)原子之間的磁矩不同與鐵磁性物質(zhì)是平行的，而是反平行排列的。這種反方向的磁矩相互抵消，結(jié)果使總的磁矩為零。常見的反鐵磁性物質(zhì)有：Mn、Cr,部分鐵氧體ZnFe2O4如和某些化合物MnO、NiO、FeF2等。5、亞鐵磁性物質(zhì)

＞＞0第一節(jié)材料的磁性磁性材料亞鐵磁性物質(zhì)的原子磁矩之間也存在反鐵磁性相互作用，只是反平行排列的磁矩大小不等，不能完全抵消。從而也引起一定程度的自發(fā)磁化。常見的亞鐵磁性物質(zhì)有：尖晶石型晶體、石榴石型晶體等幾種結(jié)構(gòu)類型的鐵氧體，稀土鈷金屬之間的化合物和一些過渡金屬。磁性材料三、鐵磁性物質(zhì)的特性1、內(nèi)稟特性參數(shù)（1）自發(fā)磁化強(qiáng)度Ms：鐵磁性物質(zhì)中的原子磁矩按一定規(guī)律排列在晶格中，與相鄰近原子發(fā)生相互作用，使鄰近原子的磁矩方向趨于與某一晶軸方向平行，自發(fā)地產(chǎn)生磁化強(qiáng)度。Ms的大小決定于鐵磁性物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)和鄰近原子間的相互作用，并隨溫度而變化。第一節(jié)材料的磁性第一節(jié)材料的磁性磁性材料（2）居里溫度Tc

當(dāng)在某溫度以下，迫使鄰近原子取向一致的相互作用超過原子熱運(yùn)動(dòng)的破壞作用，則在該溫度以下，可以形成一定程度的自發(fā)磁化，該溫度叫做居里溫度（居里點(diǎn)）。

居里溫度以上時(shí)，原子熱運(yùn)動(dòng)超過了原子磁矩取向一致的作用，而變?yōu)榛靵y狀態(tài)，呈順磁性。第一節(jié)材料的磁性磁性材料（3）磁各向異性參數(shù)K1

晶體磁性材料在不同的晶軸方向的磁性能是不一樣的，這個(gè)性質(zhì)稱為磁各向異性。易于磁化的晶軸方向稱為易磁化方向；難于磁化的晶軸方向稱為難磁化方向。磁各向異性參數(shù)K1：表征了某鐵磁性物質(zhì)在外磁場(chǎng)下磁化時(shí)的難易程度。第一節(jié)材料的磁性磁性材料（4）飽和磁致伸縮系數(shù)λs

當(dāng)鐵磁性物質(zhì)在外磁場(chǎng)作用下被磁化時(shí)，鐵磁性物質(zhì)發(fā)生尺寸及形狀的變化，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮現(xiàn)象。

飽和磁致伸縮系數(shù)λs：表示某一物質(zhì)在外磁場(chǎng)作用下沿磁場(chǎng)方向測(cè)量到最大長(zhǎng)度或形狀的變化。第一節(jié)材料的磁性磁性材料2、磁化鐵磁物質(zhì)在外磁場(chǎng)作用下的磁化過程是不可逆的，這就是磁滯現(xiàn)象。（1）關(guān)于磁化的幾個(gè)重要概念磁化曲線表征的是鐵磁物質(zhì)在外磁場(chǎng)作用下所具有的磁化規(guī)律，又稱為技術(shù)磁化曲線。自發(fā)磁化：鐵磁性物質(zhì)的自旋磁矩在無外加磁場(chǎng)條件下自發(fā)地取向一致的行為。磁性材料第一節(jié)材料的磁性

磁滯回線是當(dāng)磁場(chǎng)在正負(fù)兩個(gè)相同數(shù)值之間變化時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化回線。這個(gè)回線的大小隨磁場(chǎng)的正負(fù)最大值而不同。從飽和磁化狀態(tài)開始的磁滯回線叫基本磁滯回線。磁化曲線和磁滯回線有兩種表示法：一種是磁感應(yīng)強(qiáng)度B對(duì)磁場(chǎng)H的曲線。這是工程技術(shù)中常用的表示方法；另一種是磁化強(qiáng)度M對(duì)磁場(chǎng)H的曲線，這是磁學(xué)中常用的表示方法。磁性材料第一節(jié)材料的磁性Bs—飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Hc－矯頑力Br—剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度μ—磁導(dǎo)率μm－最大磁導(dǎo)率（2）與磁化過程有關(guān)的特性參數(shù)Bs—

飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，是指用足夠大的磁場(chǎng)來磁化磁性物質(zhì)時(shí)，其磁化曲線接近水平不再隨外磁場(chǎng)的加大而增加時(shí)的相應(yīng)B值，單位為T或Gs；Hc－矯頑力，是指當(dāng)磁性物質(zhì)磁化到飽和后，由于有磁滯現(xiàn)象，故要使B減為零需有一定的負(fù)磁場(chǎng)，單位為安/米（A/m）或（Oe）；磁性材料第一節(jié)材料的磁性磁性材料第一節(jié)材料的磁性Br

—

剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，是指當(dāng)以足夠大的磁場(chǎng)使磁性物質(zhì)達(dá)到飽和后，又將磁場(chǎng)減小到零時(shí)的相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；Br/Bm

—矩形比，是指剩余磁感Br與規(guī)定磁場(chǎng)強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的磁感強(qiáng)度Bm的比值。一般以Br/Bs之比為標(biāo)準(zhǔn)；μ—磁導(dǎo)率，是B-H曲線上任意一點(diǎn)的B和H的比值，μ＝B/H，單位是H/m或Gs/Oe；μ0

—初始磁導(dǎo)率，是指當(dāng)H0時(shí)的磁導(dǎo)率；μm

—最大磁導(dǎo)率，是指以原點(diǎn)作直線與B-H曲線相切，切線的斜率即為μm。

磁性材料第一節(jié)材料的磁性磁性材料四、磁致伸縮和磁彈性能隨著溫度的升高，一般磁致伸縮的絕對(duì)值會(huì)減小，并在自發(fā)磁化消失的居里點(diǎn)處變?yōu)榱?。磁彈性能：因磁致伸縮現(xiàn)象而產(chǎn)生的形變能為磁彈性能。第一節(jié)材料的磁性第二節(jié)軟磁材料及應(yīng)用磁性材料磁性材料的分類：按材料組分和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類金屬磁性材料鐵氧體磁性材料金屬磁性材料晶態(tài)合金磁性材料非晶態(tài)合金磁性材料第二節(jié)軟磁材料及應(yīng)用磁性材料按材料磁性能特點(diǎn)分類硬磁合金軟磁合金矩磁合金壓磁合金矩磁合金和壓磁合金都具有很低的矯頑力，接近軟磁合金的特點(diǎn)。Hc0.8kA/mHc0.8kA/m第二節(jié)軟磁材料及應(yīng)用磁性材料軟磁材料：容易反復(fù)磁化，且在外磁場(chǎng)去掉后，容易退磁的材料。特點(diǎn)：軟磁材料磁滯回線細(xì)長(zhǎng)，磁導(dǎo)率高，矯頑力低，鐵芯損耗低，容易磁化，也容易去磁。圖3.2軟磁合金的磁化曲線用途：發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器、電磁鐵、各類繼電器與電感、電抗器的鐵心；磁頭與磁記錄介質(zhì)；計(jì)算機(jī)磁心等。要求：高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、高的最大磁導(dǎo)率、高的居里溫度和低的損耗。分類：高磁飽和材料，中磁飽和中導(dǎo)磁材料，高導(dǎo)磁材料，高硬度、高電阻、高導(dǎo)磁材料，矩磁材料，恒磁導(dǎo)率材料，磁溫度補(bǔ)償材料，磁致伸縮材料。第二節(jié)軟磁材料及應(yīng)用磁性材料第二節(jié)軟磁材料及應(yīng)用磁性材料分類：金屬軟磁材料電工用純鐵電工用硅鋼片合金非晶態(tài)合金軟磁鐵氧體鐵鎳合金鐵鈷合金鐵鋁合金第二節(jié)軟磁材料及應(yīng)用磁性材料

在強(qiáng)磁場(chǎng)下工作的磁性部件，如電力工業(yè)中大量使用的電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、大功率變壓器、電磁鐵等，要求所用的磁性材料應(yīng)具有高的飽和磁感強(qiáng)度，價(jià)格便宜，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，便于大批生產(chǎn)。

在通訊技術(shù)中常用的變壓器、換能器的鐵心、磁屏蔽材料以及開關(guān)等磁性元件，絕大部分在弱磁場(chǎng)下工作，它要求材料應(yīng)具有高的磁導(dǎo)率。作為金屬軟磁材料，由于它們工作條件不同，對(duì)材料的要求也不一樣：磁性材料一、電工用純鐵含碳量極低，其純度在99.95％以上，在退火狀態(tài)，起始磁導(dǎo)率為300~500

0，最大磁導(dǎo)率為6000~12000

0，矯頑力Hc為40～95A/m。第二節(jié)軟磁材料及應(yīng)用影響純鐵磁性能的因素：晶粒和結(jié)晶軸對(duì)磁化方向的取向關(guān)系，純鐵中的雜質(zhì)，晶粒大小，金屬的塑性變形，加工過程中的內(nèi)應(yīng)力等.磁性材料第二節(jié)軟磁材料及應(yīng)用主要用途：電磁鐵的鐵芯和磁極，繼電器的磁路和各種零件，感應(yīng)式和電磁式測(cè)量?jī)x表的各種零件，揚(yáng)聲器的磁路，電話中的振動(dòng)膜，磁屏蔽等。性能特點(diǎn)：電工用純鐵具有矯頑力低、磁導(dǎo)率高、導(dǎo)熱性和加工性好、易焊接并有一定的耐腐蝕性和價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地用于直流應(yīng)用中。最常見的是電磁純鐵，名稱為電鐵(代號(hào)DT)，含碳量低于0.04%的Fe-C合金，Bs達(dá)2.15T，其供應(yīng)狀態(tài)包括鍛材、管材、圓棒、薄片或薄帶等。去應(yīng)力退火：消除加工應(yīng)力。保護(hù)條件下860～930℃，保溫4小時(shí)后隨爐冷卻。去除雜質(zhì)處理：純鐵中的雜質(zhì)（C，Mn，Si，P，S，N等）會(huì)顯著降低材料的磁導(dǎo)率和矯頑力。通過去雜質(zhì)退火處理來降低材料中雜質(zhì)的含量。在純干燥氫氣或真空(10-2帕以下)中，于1200～1300℃溫度保溫5～10小時(shí)。工業(yè)純鐵的熱處理：純鐵材在加工成元件后必須經(jīng)過熱處理才能獲得好的軟磁性能磁性材料第二節(jié)軟磁材料及應(yīng)用人工時(shí)效處理：克服純鐵嚴(yán)重的自然磁時(shí)效現(xiàn)象，為保持純鐵元件的磁穩(wěn)定性，須在熱處理后進(jìn)行100℃，保溫100小時(shí)的人工時(shí)效處理。或選擇低時(shí)效敏感性的材料。純鐵的自然磁時(shí)效現(xiàn)象：即隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，材料的矯頑力上升，磁導(dǎo)率下降。純鐵的時(shí)效在130℃附近特別明顯。引起時(shí)效的原因是由于在Fe中含有N，逐漸形成鐵的氮化物所致。純鐵的缺點(diǎn)：電阻率低，使用時(shí)產(chǎn)生很大的渦流損耗，不適于制作在交變場(chǎng)中工作的鐵心。

磁性材料第二節(jié)軟磁材料及應(yīng)用磁性材料第二節(jié)軟磁材料及應(yīng)用二、電工用硅鋼片（Fe-Si合金）低碳（C≤0.015wt%)低硅（(Si+Al)≤1wt%)鐵中加Si的作用：可提高鐵的最大磁導(dǎo)率，增大電阻率，還可顯著改善磁性時(shí)效。但Si加入量過多時(shí)，會(huì)降低飽和磁化強(qiáng)度、居里溫度、磁晶各向異性常數(shù)K1、磁致伸縮系數(shù)含Si量的增大會(huì)使材料變脆。

硅鋼片的機(jī)械性能與硅含量、晶粒大小、結(jié)晶結(jié)構(gòu)、有害雜質(zhì)(碳，氧，氫)含量分布狀況以及鋼板厚度有關(guān)；在很大程度上取決于有害雜質(zhì)含量、冶煉方法、軋制的壓下制度、退火溫度和介質(zhì)以及鋼板表面狀況等。硅鋼片的磁性能同樣與硅含量、冶煉過程、熱處理工藝、晶粒大小有關(guān)。磁性材料第二節(jié)軟磁材料及應(yīng)用一般認(rèn)為，硅含量在6％~6.5％的鋼具有高的磁導(dǎo)率，硅也使鐵的磁各向異性和磁致伸縮降低。考慮到硅鋼的機(jī)械性能及加工工藝性能，其中硅的含量不宜超過4％。另外，碳、氫、硫、錳等元素均對(duì)合金的磁性能有不利影響；增大晶?？梢愿纳乒桎摰拇判阅?，但使磁滯損耗增加。磁性材料第二節(jié)軟磁材料及應(yīng)用磁性材料主要用途：各種形式的電機(jī)、發(fā)電機(jī)和變壓器中；在扼流線圈、繼電器和測(cè)量?jī)x表中也大量使用分類：熱軋(無取向硅鋼片)(D11、D31)；冷軋(無取向)硅鋼片(DW270、DW310-35)；冷軋取向(DQ122G-30、DQ133G-30)第二節(jié)軟磁材料及應(yīng)用中國(guó)2002年底停止生產(chǎn)電訊用冷軋單取向硅鋼片（DG）與熱軋硅鋼相比，冷軋硅鋼的Bs高，其厚度均勻、尺寸精度高、表面光滑平整，從而提高了填充系數(shù)和材料的磁性能。冷軋帶材的厚度可低至0.02～0.05mm。冷軋硅鋼的含硅量不超過3.5%，否則的材料冷軋十分困難。近年來，用快速凝固技術(shù)可制備出含硅6.5%的硅鋼薄帶。磁性材料第二節(jié)軟磁材料及應(yīng)用磁性材料第二節(jié)軟磁材料及應(yīng)用(1)冷軋高斯織構(gòu)（單取向）硅鋼片提高磁感應(yīng)強(qiáng)度冷軋高斯織構(gòu)（單取向）硅鋼片；冷軋立方織構(gòu)（雙取向）硅鋼片圖3.3Fe－Si合金單晶體磁化方向示意圖冷軋單取向硅鋼的晶粒取向

單取向硅鋼的優(yōu)點(diǎn)：磁性具有強(qiáng)烈的方向性；在易磁化的軋制方向上具有優(yōu)越的高導(dǎo)磁與低損耗特性。取向鋼帶在軋制方向的鐵損僅為橫向的1/3，磁導(dǎo)率比約為6:1，其鐵損約為熱軋帶的1/2，磁導(dǎo)率為后者的2.5倍。

去應(yīng)力退火處理：用硅鋼片制成的電磁元件成型之后，應(yīng)消除應(yīng)力（800～850℃，保溫5～15min），恢復(fù)材料磁性

磁性材料第二節(jié)軟磁材料及應(yīng)用圖3.4Fe-Si合金冷軋立方織構(gòu)示意圖(2)冷軋立方織構(gòu)(雙取向)硅鋼片具有較高的磁導(dǎo)率

磁性材料三、鐵鎳合金、鐵鈷合金、鐵鋁合金特點(diǎn)：在較弱的磁場(chǎng)下，具有較高的磁導(dǎo)率，高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，低的矯頑力和磁損耗，加工成型性也比較好。1、鐵鎳合金(坡莫合金Permalloy)用途：電訊工業(yè)、儀表、電子計(jì)算機(jī)，控制系統(tǒng)等領(lǐng)域第二節(jié)軟磁材料及應(yīng)用含鎳量為30~90%的鐵鎳合金，主要成分為鐵、鎳、鉻、鉬、銅等。磁性材料第二節(jié)軟磁材料及應(yīng)用（1）Ni（36～50%）：具有較低磁導(dǎo)率和較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度及矯頑力。在熱處理中如能適當(dāng)提高溫度，延長(zhǎng)時(shí)間，可降低矯頑力，提高磁導(dǎo)率。主要用在中等磁場(chǎng)，適用于做中小功率變壓器、微電機(jī)、繼電器、扼流圈、電磁離合器的鐵心、屏蔽罩、話筒振動(dòng)片以及力矩馬達(dá)銜鐵和導(dǎo)磁體等，主要牌號(hào)有1J46、1J50和1J54等。主要類型：磁性材料第二節(jié)軟磁材料及應(yīng)用（2）Ni（34～50%）：結(jié)構(gòu)上具有晶體結(jié)構(gòu)與磁疇結(jié)構(gòu)，沿易磁化方向磁化，可獲得矩形磁滯回線，在中等磁場(chǎng)下，有較高磁導(dǎo)率和磁感應(yīng)強(qiáng)度；如經(jīng)縱向磁場(chǎng)熱處理，可使材料沿磁路方向的磁導(dǎo)率和矩形比增加，矯頑力降低。主要用于中小功率高靈敏度的磁放大器和磁調(diào)制器、中小功率的脈沖變壓器以及計(jì)算機(jī)中的元件等。主要牌號(hào)有1J51、1J52和1J34等。磁性材料第二節(jié)軟磁材料及應(yīng)用（3）Ni（65%）：可以通過磁場(chǎng)熱處理改善磁性能。主要牌號(hào)有1J65和1J76等。1J67合金是在1J65成分的基礎(chǔ)上加入2％的Mo，從而提高了電阻率，改善了合金的直流性能和交流性能。這類合金經(jīng)磁場(chǎng)處理后獲得磁疇取向，具有高的最大磁導(dǎo)率

m和矩形磁滯回線。主要用于中等功率的磁放大器及扼流圈、計(jì)算機(jī)元件和繼電器等。磁性材料第二節(jié)軟磁材料及應(yīng)用（4）Ni（79%）：在弱磁場(chǎng)中，也有極高的磁導(dǎo)率和低的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。主要用于弱磁場(chǎng)下工作的高靈敏度和小型的功率變壓器、小型磁放大器、繼電器、錄音磁頭和磁屏蔽等。主要牌號(hào)有1J76、1J79、1J80和lJ83等。磁性材料第二節(jié)軟磁材料及應(yīng)用（5）Ni（85%）：在軟磁合金中只有相當(dāng)高的初始磁導(dǎo)率和最大磁導(dǎo)率以及極低的矯頑力，對(duì)微弱信號(hào)反應(yīng)靈敏。主要用作扼流圈、音頻變壓器、高精度電橋變壓器、互感器、磁調(diào)制器、快速磁放大器和錄音磁頭等的鐵心和精密電表中的動(dòng)片。主要牌號(hào)有1J85、1J86和1J87等。磁性材料第二節(jié)軟磁材料及應(yīng)用鐵鈷合金主要是指含鈷量為50％的鐵鈷合金，具有高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、高的初始磁導(dǎo)率和最大磁導(dǎo)率，通常稱為坡明德(Permendur)合金。這種合金存在微量雜質(zhì)元素(如C、H和N)和出現(xiàn)無序-有序轉(zhuǎn)變時(shí)將會(huì)變脆，其磁性能對(duì)熱處理和純度也很敏感，因此提高合金純度和抑制有序相的出現(xiàn)十分重要。2、鐵鈷合金(坡明德Permendur)在這種合金中加入V、Mo、W和Ti等元素，可以改變其加工件能。特別是加入2％V的鐵鈷合金，也稱為2V型坡明德合金。抑制了有序化的進(jìn)行，從而便性能獲得很大改善。鐵鈷合金通常用作直流電磁鐵鐵心和極頭材料、航空發(fā)電機(jī)定子材料以及電話受話器的振動(dòng)膜片等。此外，由于這種合金具有較高的飽和磁致伸縮系數(shù)，因此是一種很好的磁致伸縮合金，在電聲換能器中應(yīng)用前景廣闊。磁性材料第二節(jié)軟磁材料及應(yīng)用3、鐵鋁合金磁性材料第二節(jié)軟磁材料及應(yīng)用鐵鋁合金是指以鐵和鋁為主要元素組成的軟磁合金系列，研究表明當(dāng)含鋁量在16％以下時(shí)，便可以熱軋成板材或者帶材；當(dāng)含鋁量在5％~6％以上時(shí)，合金冷軋非常困難。我國(guó)鐵鋁合金系列的主要牌導(dǎo)有1J16、1J13、1J12和1J6等。

特點(diǎn)：（1）隨著Al含量的變化，可以獲得各種較好的軟磁特性，如1J16合金有較高的磁導(dǎo)率；1J13合金具有較高的飽和磁致伸縮系數(shù)

s；1J12合金既有較高的磁導(dǎo)率又有較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度等。（2）有較高的電阻率。1J16合金的電阻率是目前所有金屬材料中最高的一種，一般為150

·cm，是1J79鐵鎳合金的2~3倍，因此具有較好的高頻磁特性。磁性材料第二節(jié)軟磁材料及應(yīng)用（3）有較高的硬度、強(qiáng)度和耐磨性，這對(duì)磁頭之類的磁性元件來說是很重要的性能，如1J16合金的硬度和耐磨性要比1J79合金高。

（4）密度低，可以減輕磁性元件的鐵心質(zhì)量。這對(duì)于鐵心質(zhì)量占相當(dāng)大比例的現(xiàn)代電器設(shè)備來說很有必要。（5）對(duì)應(yīng)力敏感性小，適于在沖擊、振動(dòng)等環(huán)境廠工作。磁性材料第二節(jié)軟磁材料及應(yīng)用（6）合金的時(shí)效性好，隨著環(huán)境溫度的變化和使用時(shí)間的延長(zhǎng)，其磁性變化不大。（7）具有較好的溫度穩(wěn)定性和抗核輻射性能。（8）鐵鋁合金和鐵鎳合金比較，它在性能上具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，不含Ni、Co等貴重元素，成本低，使用范圍很廣。它可以部分取代鐵鎳系坡莫合金在電子變壓器、磁頭以及磁致伸縮換能器等處使用。磁性材料第二節(jié)軟磁材料及應(yīng)用四、非晶態(tài)合金磁性材料第二節(jié)軟磁材料及應(yīng)用非晶態(tài)軟磁合金的主要特性：磁導(dǎo)率和矯頑力與鐵鎳合金基本相同，在某些情況下，有些指標(biāo)還優(yōu)于鐵鎳合金；由于沒有晶界和位錯(cuò)等晶體缺陷和易滑移和斷裂的晶面，故具有較高的強(qiáng)度和硬度；晶界等缺陷的不存在，使之沒有易發(fā)生腐蝕的“源”，因而具有良好的耐腐蝕性能；元素的混亂排列以及類金屬元素的存在，使得非晶態(tài)軟磁合金的電阻率比一般的軟磁合金要大?？傊捎谄涮厥獾脑咏Y(jié)構(gòu)，使非晶態(tài)軟磁合金獲得了比晶態(tài)合金更為優(yōu)越的機(jī)械性