材料结构与性能 超导.ppt

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1、超导现象及其基本概念超导现象及其基本概念技技术术上上的的重重大大成成就就往往往往带带来来科科学学上上的的新新发发现现。1908年年荷荷兰兰物物理理学学家家H.K.Onners成成功功地地获获得得了了液液氦氦，使使得得可可以以获获得得低低达达4.2K的的低低温温技技术术。这这样样，他他就就利利用用这这项项技技术术试试验验金金属属在在低低温温下下时时的的电电阻阻。三三年年后后的的1911年年，他他发发现现当当Hg在在液液氦氦中中温温度度下下降降到到4.2K时时，其其电电阻阻出出现现反反常常现现象象，迅迅速速降降低低到到无无法法检检测测的的程程度度。这这是是人人类类第第一一次次发发现现超超导导现现象

2、。象。超导现象和超导材料超导现象和超导材料不久，昂尼斯又发现了其他几种金属也可进入不久，昂尼斯又发现了其他几种金属也可进入“超导态超导态”，如锡和铅。锡的转变，如锡和铅。锡的转变温度为温度为3.8K，铅，铅的转变温度为的转变温度为6K。由于这两种金属的易加工特性，。由于这两种金属的易加工特性，就可以在无电阻状就可以在无电阻状态下进行种种电子学试验。此态下进行种种电子学试验。此后，人们对金属元素进行试验，发现铍、钛、锌、后，人们对金属元素进行试验，发现铍、钛、锌、镓、镓、锆、铝、锘等锆、铝、锘等24种元素是超导体。从此，超种元素是超导体。从此，超导体的研究进入了一个崭新的阶段。导体的研究进入了一

3、个崭新的阶段。基本概念基本概念材料的电阻随着温度的降低会发生降材料的电阻随着温度的降低会发生降低，某些材料会出现当温度降低到某一程度时出现低，某些材料会出现当温度降低到某一程度时出现电阻突然消失的现象，我们称之为超导现象电阻突然消失的现象，我们称之为超导现象。人们。人们将这种以零电阻为特征的材料状态称作为超导态。将这种以零电阻为特征的材料状态称作为超导态。超导体从正常状态（电阻态）过渡到超导态（零电超导体从正常状态（电阻态）过渡到超导态（零电阻态）的转变称作正常态超导态转变，转变时的阻态）的转变称作正常态超导态转变，转变时的温度温度T TC C称作这种超导体的临界温度。也就是说，零称作这种超导

4、体的临界温度。也就是说，零电阻和转变温度电阻和转变温度T TC C是超导体的第一特征。是超导体的第一特征。迈斯纳效应迈斯纳效应我们把处于超导态的超导体置于一个不太强的磁我们把处于超导态的超导体置于一个不太强的磁场中，磁力线无法穿过超导体，超导体内的磁感场中，磁力线无法穿过超导体，超导体内的磁感应强度为零。这种现象称作超导体的应强度为零。这种现象称作超导体的完全抗磁性完全抗磁性，这是超导体的第二特征。这种抗磁现象最早于这是超导体的第二特征。这种抗磁现象最早于1933年由年由W.Merssner和和R.Ochenfeld做实验时做实验时发现，因而这种现象又称作发现，因而这种现象又称作迈斯纳效应迈斯

5、纳效应。NNS降温降温降温降温加场加场加场加场S注：注：S表示超导态表示超导态N表示正常态表示正常态迈斯纳效应迈斯纳效应不不过过，当当我我们们加加大大磁磁场场强强度度时时，可可以以破破环环超超导导态态。这这样样。超超导导体体在在保保持持超超导导态态不不致致于于变变为为正正常常态态时时所所能能承承受受外外加加磁磁场场的的最最大大强强度度HC称称作作超超导导体体的的临临界界磁磁场场HC(T)。临临界界磁磁场场与与温温度度有有关关，0K时时的的临临界界磁场磁场HC(0)和和HC(T)的关系为：的关系为：HC(T)HC(0)1-(T/TC)2在在临临界界温温度度TC以以下下，超超导导态态不不至至于于被

6、被破破坏坏而而容容许许通通过过的的最最大大电电流流称称作作临临界界电电流流IC。这这三三个个参参数数TC、HC、IC是是评评价价超超导导材材料料性性能能的的重重要要指指标标，对对理理想想的超导材料，这些参数越大越好。的超导材料，这些参数越大越好。解解释释金金属属超超导导现现象象的的重重要要理理论论是是巴巴丁丁、库库柏柏和和施施里里弗弗（J.Bardeen,L.N.Cooper,J.R.Schrieffer）建建立立的的电电声声作作用用形形成成库库柏柏电电子子对对的的理理论论，简简称称BCS理论。理论。超导现象的超导现象的BCS理论理论库柏电子对形成示意库库柏柏电电子子对对的的形形成成原原理理可

7、可用用图图来来描描述述：金金属属晶晶体体中中的的外外层层价价电电子子处处在在带带正正电电性性的的原原子子实实组组成成的的晶晶格格环环境境中中，带带负负电电的的电电子子吸吸引引原原子子实实向向它它靠靠拢拢，在在电电子子周周围围形形成成正正电电势势密密集集的的区区域域，它它又又吸吸引引第第二二个个电电子子，即即电电子子通通过过格格波波声声子子相相互互作作用用形形成成电电子子对对，称称为为“库库柏柏电电子子对对”。这这种种库库柏柏电电子子对对具具有有低低于于两两个个单单独独电电子子的的能能量量，在在晶晶格格中中运运动动没没有有任任何何阻阻力力，因因而而产生超导性。产生超导性。格格波波电子在离子晶格间

8、运动时，电子密度有起伏，电子在离子晶格间运动时，电子密度有起伏，当电子在某处集中时，会对附近的离子晶格产生吸当电子在某处集中时，会对附近的离子晶格产生吸引，从而使离子产生振动，并以波的形式在点阵中引，从而使离子产生振动，并以波的形式在点阵中传播，这种波称为格波。传播，这种波称为格波。声声子子格波是量子化的，其量子称为声子。形成格波格波是量子化的，其量子称为声子。形成格波的过程相当于电子发射出一个声子。的过程相当于电子发射出一个声子。处在超导态的电子，配成库柏对存在，配处在超导态的电子，配成库柏对存在，配对的电子，其自旋方向相反，动量的大小对的电子，其自旋方向相反，动量的大小相等而方向相反，总动

9、量为零。库柏对作相等而方向相反，总动量为零。库柏对作为整体与晶格作用，因此一个电子若从晶为整体与晶格作用，因此一个电子若从晶体得到动量，则另一个电子必失去动量，体得到动量，则另一个电子必失去动量，作为整体，不与晶格交换动量，也不交换作为整体，不与晶格交换动量，也不交换能量，能自由地通过晶格，因此没有电阻。能量，能自由地通过晶格，因此没有电阻。当温度大于临界温度时，热运动使库柏对当温度大于临界温度时，热运动使库柏对分散为正常电子，超导态转为正常态。分散为正常电子，超导态转为正常态。当磁场强度达到临界强度时，磁能密度当磁场强度达到临界强度时，磁能密度等于库柏对的结合能密度，所有库柏对都获等于库柏对

10、的结合能密度，所有库柏对都获得能量而被撤散，超导态转为正常态。得能量而被撤散，超导态转为正常态。两类超导体两类超导体超超导导体体可可以以依依据据它它们们在在磁磁场场中中的的磁磁化化特特性性划划分分为两大类为两大类:第第一一类类超超导导体体只只有有一一个个临临界界磁磁场场HC，超超导导态态具具有有迈迈斯斯纳纳效效应应，表表面面层层的的超超导导电电流流维维持持维维持持体体内内完完全全抗抗磁磁性性。除除Nb、V、Tc以以外外，其其他他超超导导元元素素都都属于这一类。属于这一类。H0超导态正常态HC外加磁场第二类超导体第二类超导体有二个临界磁场有二个临界磁场HC1和和HC2。当外加磁场当外加磁场H0H

11、C1时，时，同第一类，超导态具有迈斯纳效应，体内没有磁感应同第一类，超导态具有迈斯纳效应，体内没有磁感应线穿过；当线穿过；当HC1H0HC2时，处于混合态，这时体内时，处于混合态，这时体内有磁感应线通过，形成许多半径很小的圆柱形正常态，有磁感应线通过，形成许多半径很小的圆柱形正常态，正常态周围是连通的超导圈。整个样品的周界仍有逆正常态周围是连通的超导圈。整个样品的周界仍有逆磁电流，就是在混合态也有逆磁性，又没有电阻。外磁电流，就是在混合态也有逆磁性，又没有电阻。外加磁场强度达到加磁场强度达到HC2时，正常态区域扩大，超导区消失，时，正常态区域扩大，超导区消失，整个金属变为正常态。金属铌属于典型

12、的第二类超导整个金属变为正常态。金属铌属于典型的第二类超导体。下图给出了两类超导体的磁性特征。体。下图给出了两类超导体的磁性特征。HoHC1HC2HC超导态正常态混合态TCTHHC1HC2超导态混合态正常态超导态第二类超导体超导态第二类超导体低温超导体低温超导体 我们将临界温度在液氦温度以下的超导体称为低我们将临界温度在液氦温度以下的超导体称为低温超导体。人们陆续发现了锡、铅等多种金属元温超导体。人们陆续发现了锡、铅等多种金属元素和许多合金以及化合物都具有超导现象，但临素和许多合金以及化合物都具有超导现象，但临界温度一直很低（在液氦温度以下）。经过多年界温度一直很低（在液氦温度以下）。经过多年

13、的努力，如今人们已经可以使大部分金属元素都的努力，如今人们已经可以使大部分金属元素都具有超导电性。在采用了特殊技术后（如高压技具有超导电性。在采用了特殊技术后（如高压技术，低温下沉淀成薄膜的技术，极快速冷却等），术，低温下沉淀成薄膜的技术，极快速冷却等），以前那些认为不能变成超导体的金属元素也已经以前那些认为不能变成超导体的金属元素也已经在一定状态下使它们实现了超导态。在一定状态下使它们实现了超导态。高温超导体高温超导体 一直以来人们只能得到液氦温度以下的低温超导一直以来人们只能得到液氦温度以下的低温超导体，因此工业应用价值不大，除了极少数的应用外体，因此工业应用价值不大，除了极少数的应用外超

14、导体的实际应用一直停滞不前。终于在众多杰出超导体的实际应用一直停滞不前。终于在众多杰出的物理学家的不懈努力下，直到的物理学家的不懈努力下，直到1987年超导技术有年超导技术有了决定性的突破，美国学者（邱等人）在铱，钡和了决定性的突破，美国学者（邱等人）在铱，钡和氧化铜基础上制成了高温超导体（氧化铜基础上制成了高温超导体（Y-Ba2-Cu3-O7）Tk=90-100K，这个温度已经超过氮的沸点这个温度已经超过氮的沸点（77K）。）。我们称这种临界温度在液氮沸点以上的我们称这种临界温度在液氮沸点以上的超导体为高温超导体。超导体为高温超导体。1987年以来发现的高温超导年以来发现的高温超导体几乎都是

15、铜酸盐类的陶瓷，虽然临界温度有了较体几乎都是铜酸盐类的陶瓷，虽然临界温度有了较大的提高，但是高温超导体目前还没有达到所需要大的提高，但是高温超导体目前还没有达到所需要的稳定性，载流量也有所下降。的稳定性，载流量也有所下降。探求高探求高TcTc超导材料超导材料1911年发现汞具有超导性以来，人们年发现汞具有超导性以来，人们经历了七十余年，直到发现经历了七十余年，直到发现Nb3Ge，Tc值值才到才到23K。从纯金属及其合金寻找高从纯金属及其合金寻找高Tc超超导材料似乎走入绝路，人们开始转向化合导材料似乎走入绝路，人们开始转向化合物。物。到到1985年年，已已观观察察到到许许多多化化合合物物在在低低

16、温温 下下 具具 有有 零零 电电 阻阻，例例 如如 金金 属属 氧氧 化化 物物Li2TiO4，Tc=13.7K、硫硫化化物物PbMo6S8，Tc=15.2K以以及及由由电电荷荷转转移移化化合合物物形形成成的的有有机机金金属属(Tc到到13K)。所所有有这这些些体体系系，在在它它们们在在Tc以以上上温温度度时时，均均呈呈现现出出类类金金属属的的导导电电行行为为。一一般般说说来来，这这些些化化合合物物的的临临界界温温度都是很低的，大多数在度都是很低的，大多数在10K以下。以下。191119861986年是超导材料和超导化学的里程碑年。年是超导材料和超导化学的里程碑年。1986年年，J.G.Be

17、dnorz和和K.A.Mller发发表表了了他他们们在在含含有有钡钡、镧镧和和铜铜的的氧氧化化物物体体系系中中观观察察到到低低电电阻阻的的研研究究工工作作，但但没没有有公公布布化化合合物物组组成成。这这个个化化合合物物后后来来 公公 布布 为为 La2-xBaxCuO4，其其 临临 界界 温温 度度 为为 35K，J.G.Bednorz和和K.A.Mller后后来来由由于于这这一一发发现现获获得得了了诺诺贝贝尔尔奖奖。此此后后，具具有有高高Tc的的新新无无机机材材料料极极快快地地发发展展起起来来。到到目目前前为为止止，这这些些新新材材料料多多是是含含铜铜的的复复合合氧氧化化物物，多多数数材材料

18、料在在高高压压或或薄薄膜膜态态，其其临临界界温温度度已已报道提升到报道提升到134K。【K2NiF4】结构也 叫【K2MgF4】结构，四方晶 系，a=400.6pm,c=1307.6pm,n=2.NiF6八面体彼此共顶点，形成 二 维 的 类【钙 钛 矿】型 阵 列。这 些 钙钛矿 型结构层与 KF【岩盐】型结构层，在 c轴上交替排列，使得 K离 子 的 配 位 数 为 9。K2NiF4的配位方式为：K2NiF4在这种结构里有两个不同的F原子，一个结合着1个Ni2+和5个K+离子，另一个结合着2个Ni2+和4个K+离子。化合物超导材料的结构特征K2NiF4的结构，是由NiF6八面体占据4个顶角

19、这样的层片堆垛而成的。这些层由K离子所分隔，每个K离子周围被9个F离子配位。结构的体心位置有一个NiF6八面体，距晶胞原点的坐标为(1/2,1/2,1/2)。化学计量式为A2BX4的三元氧化物广泛地采取这种结构，其中一个阳离子A要比另一个B大的多。这与尖晶石结构恰好相反，但化学计量式相同，后者中A和B具有类似大小的离子半径。例 如，Sr2TiO4，La2NiO4，Cs2UO4以及将超导相(La1.85Ba0.15)CuO4都是具有K2NiF4结构的实例。K2NiF4的结构（含有NiF6八面体，圆圈位钾离子）La2-xMxCuO4,M=Ba,SrLa2CuO4具有K2NiF4类似的结构，不过相对

20、于晶胞中001晶面，CuO6八面体有点拉长。二价钡离子部分替代了三价镧离子，同时保持氧含量不变，产生化合物La1.8Ba0.2CuO4，结构见右图，其具有完善的K2NiF4结构。它的Tc为35K，锶参入后形成类似物La1.85Ba0.15CuO4，Tc为40K。Y-Ba-Cu-O体系化合物无机氧化物陶瓷材料无机氧化物陶瓷材料Y-Ba-Cu-O体系具有高的体系具有高的TC90100K，相应临界电流密度相应临界电流密度JC达到达到106Acm-2。MgBMgB2 2：二硼化镁二硼化镁（MgBMgB2 2），），其超导转变温度达其超导转变温度达39K39K。二硼化镁的发现为研究新一类具有简单组成和结

21、构的二硼化镁的发现为研究新一类具有简单组成和结构的高温超导体找到新途径。高温超导体找到新途径。易合成和加工，容易制成薄易合成和加工，容易制成薄膜或线材。可应用于电力传输、超级电子计算机器件膜或线材。可应用于电力传输、超级电子计算机器件以及以及CTCT扫描成像仪等方面。二硼化镁的发现使世界凝扫描成像仪等方面。二硼化镁的发现使世界凝聚态物理学界为之兴奋。聚态物理学界为之兴奋。随随着着研研究究的的进进展展，超超导导材材料料的的应应用用大大致致可可分分为为三三类：类：1.1.大电流应用（强电应用）大电流应用（强电应用）：发电，输电和储能：发电，输电和储能2.2.电子学应用（弱电应用）电子学应用（弱电应

22、用）：超导计算机，滤波：超导计算机，滤波 器，微波器件等器，微波器件等3.3.抗磁性应用抗磁性应用：磁悬浮列车和热核聚变反应堆等磁悬浮列车和热核聚变反应堆等超导材料的应用超导材料的应用超导磁体的应用超导磁体的应用 过去在供电线路上启动一个大的常规电磁体耗电过多甚至会使过去在供电线路上启动一个大的常规电磁体耗电过多甚至会使一个城市的灯光变暗。利用超导磁体就没有这个问题了，一个五一个城市的灯光变暗。利用超导磁体就没有这个问题了，一个五万高斯的中型常规电磁体可重达万高斯的中型常规电磁体可重达2020吨，而超导磁体只不过几十公吨，而超导磁体只不过几十公斤。造成重量差别如此悬殊的主要原因是由于超导线的载

23、流能力斤。造成重量差别如此悬殊的主要原因是由于超导线的载流能力比普通导线高出成百上千倍的缘故，另外由于电阻产生热量的缘比普通导线高出成百上千倍的缘故，另外由于电阻产生热量的缘故，常规电磁体在磁场太高时，由于大电流产生的热量也较大，故，常规电磁体在磁场太高时，由于大电流产生的热量也较大，会导致电线绝缘体的熔解，这就造成了一个磁场强度最高限的问会导致电线绝缘体的熔解，这就造成了一个磁场强度最高限的问题。超导磁体发热量小，所以没有这个限制，同时体积和质量也题。超导磁体发热量小，所以没有这个限制，同时体积和质量也较小，因此有很大的优势。科学研究中用超导体制造的离子加速较小，因此有很大的优势。科学研究中

24、用超导体制造的离子加速器体积更小，加速效果也更好。发电机的输出容量与磁感应强度、器体积更小，加速效果也更好。发电机的输出容量与磁感应强度、电枢电流密度成正比，用铜铁等制成常规电机由于受磁化电荷的电枢电流密度成正比，用铜铁等制成常规电机由于受磁化电荷的饱和强度所限，磁感应强度难以大幅增加。若采用超导材料，磁饱和强度所限，磁感应强度难以大幅增加。若采用超导材料，磁感应强度可提高感应强度可提高5-155-15倍，而载流能力可以提高倍，而载流能力可以提高10-10010-100倍。这样超倍。这样超导电机的输出功率就可以大大增加，同时电机重量也可以大大减导电机的输出功率就可以大大增加，同时电机重量也可以

25、大大减轻。轻。超导发电机在电力领域，利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强度提高到5万6万高斯，超导发电机的单机发电容量比常规发电机提高510倍，达1万兆瓦，而体积却减少1/2，整机重量减轻1/3，发电效率提高50。超导发电机，拥有两万千瓦的功率300KW超导单极300发电机完全导电性的运用完全导电性的运用 超导体的零电阻性在电能输送、能源的节超导体的零电阻性在电能输送、能源的节约上的运用仍然是最主要的运用之一。当约上的运用仍然是最主要的运用之一。当前为了降低费用，长距离输电主要采用高前为了降低费用，长距离输电主要采用高压架空（压架空（HVOHHVOH）线路。现在实际运行的线线路。现在实际运行的

26、线路最高电压是单相路最高电压是单相765KV765KV。随着电压的增加随着电压的增加和功率水平的提高，在人口密集的大城市和功率水平的提高，在人口密集的大城市里这样的通道是很不经济，甚至是不可能里这样的通道是很不经济，甚至是不可能的。然而超导电缆比任何技术上的竞争对的。然而超导电缆比任何技术上的竞争对手有较高的功率密度。手有较高的功率密度。超导输电线路 超超导导材材料料还还可可以以用用于于制制作作超超导导电电线线和和超超导导变变压压器器，从从而而把把电电力力几几乎乎无无损损耗耗地地输输送送给给用用户户。据据统统计计，目目前前的的铜铜或或铝铝导导线线输输电电，约约有有15%15%的的电电能能损损耗

27、耗在在输输电电线线路路上上，光光是是在在中中国国，每每年年的的电电力力损损失失即即达达10001000多多亿亿度度。若若改改为为超超导导输输电电，节节省省的的电电能能相相当当于于新新建建数数十十个个大大型发电厂。型发电厂。超导导线(含2120根微米直徑之铌钛合金纤维)电缆芯、低温容器、终端和冷却系统四个部分高温超导电缆的国际市场在2010年左右可望达到15亿美元铋系高温超导直流电缆超导变压器超导电机超导限流器是利用超导体的超导超导限流器是利用超导体的超导/正常态转变特性，有正常态转变特性，有效限制电力系统故障短路电流，能够快速和有效地达效限制电力系统故障短路电流，能够快速和有效地达到限流作用的

28、一种电力设备。作用：到限流作用的一种电力设备。作用：1.1.增强电力系统增强电力系统的的安全性安全性；2.2.增加电力系统的增加电力系统的可靠性可靠性；3.3.提高电提高电力质量力质量；4.4.能够与现有的电力系统保护设施兼容；能够与现有的电力系统保护设施兼容；5.5.通过调节允许的电流峰值增加电力系统的灵活性；通过调节允许的电流峰值增加电力系统的灵活性；6.6.减少电力系统线路中的断路器和熔断器的使用，减少电力系统线路中的断路器和熔断器的使用，延缓电力设备的更新以降低成本；延缓电力设备的更新以降低成本；7.7.提高系统的运行提高系统的运行容量。容量。专家们预言，就高温超导体在电力系统中的应用

29、专家们预言，就高温超导体在电力系统中的应用而言，最先得到实际应用的将可能是超导限流器。并而言，最先得到实际应用的将可能是超导限流器。并预计，超导限流器的国际市场在预计，超导限流器的国际市场在20102010年左右将可望达年左右将可望达到到3535亿美元亿美元超导限流器超导储能超导储能超导储能装置是利用超导线圈将电磁能直超导储能装置是利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其它负载的一种电力设施或其它负载的一种电力设施。一般由超导。一般由超导线圈、低温容器、制冷装置、变流装置和线圈、低温容器、制冷装置、变流装置和测控系统几个部件组成。测控系

30、统几个部件组成。优点：优点：1.1.可长期无损耗地储存能量，其转换效可长期无损耗地储存能量，其转换效率可达率可达95%95%；2.2.可通过采用电力电子器件的变流可通过采用电力电子器件的变流器实现与电网的连接，响应速度快（毫秒器实现与电网的连接，响应速度快（毫秒级）；级）；3.3.由于其储能量与功率调制系统的由于其储能量与功率调制系统的容量可独立地在大范围内选取，可建成所容量可独立地在大范围内选取，可建成所需的大功率和大能量系统；需的大功率和大能量系统；4.4.除了真空和制冷系统外没有转动除了真空和制冷系统外没有转动部分，使用寿命长；部分，使用寿命长；5.5.在建造时不受地点限制，维护简在建造

31、时不受地点限制，维护简单、污染小。单、污染小。目前美国、日本、德国等一些发达国家在目前美国、日本、德国等一些发达国家在超导储能装置方面的研究上投入了大量的超导储能装置方面的研究上投入了大量的人力和物力，并且有许多在建的超导储能人力和物力，并且有许多在建的超导储能装置。据预测，到装置。据预测，到20102010年全世界对超导储年全世界对超导储能装置的需求将在能装置的需求将在1515亿美元左右。亿美元左右。超导储能装置抗磁性应用抗磁性应用超导磁悬浮列车超导磁悬浮列车-零高度的飞行器零高度的飞行器 超超导导材材料料的的另另一一重重要要特特征征是是具具有有完完全全的的抗抗磁磁性性。若若把把超超导导材材

32、料料放放在在一一块块永永久久磁磁体体之之上上，由由于于磁磁体体的的磁磁力力不不能能穿穿过过超超导导体体，磁磁体体和和超超导导体体之之间间就就会会产产生生斥斥力力，使使超超导导体体悬悬浮浮在在磁磁体体上上方方。利利用用这这种种磁磁悬悬浮浮效效应应可可以以制制作作高高速速超超导导磁磁悬悬浮浮列列车车。在在列列车车车车轮轮旁旁边边安安装装小小型型超超导导磁磁体体，在在列列车车向向前前行行驶驶时时，超超导导磁磁体体则则向向轨轨道道产产生生强强大大的的磁磁场场，并并和和安安装装在在轨轨道道两两旁旁的的铝铝环环相相互互作作用用，产产生生一一种种向向上上浮浮力力，消消除除车车轮轮与与钢钢轨轨的的摩摩擦擦力力

33、，起起到到加加快快车车速速的的作作用用。高高温温超超导导体体在在悬悬浮浮列列车车上上应应用用的的研研究究集集中中在在日日本本。超超导导在在运运载载上上的的其其他他应应用用可可能能还还有有用用作作轮轮船船动动力力的的超超导导电电机机、电磁空间发射工具及飞机悬浮跑道。电磁空间发射工具及飞机悬浮跑道。原理德国磁悬浮列车1999年月，日本研制的超导磁悬浮列车时速已达552公里，创世界铁路时速最高纪录。西南交通大学研制成功的超导磁悬浮列车，最高设计时速达500公里2002年4月5日我国第一条磁悬浮列车试验线在长沙建成通车，设计时速150公里核聚变反应堆核聚变反应堆“磁封闭体磁封闭体”利用超导体产生的巨大

34、磁场，应用于受控制热核反应。核聚变反利用超导体产生的巨大磁场，应用于受控制热核反应。核聚变反应时，内部温度高达应时，内部温度高达1 1亿亿2 2亿亿，没有任何常规材料可以包容这，没有任何常规材料可以包容这些物质。而超导体产生的强磁场可以作为些物质。而超导体产生的强磁场可以作为“磁封闭体磁封闭体”，将热核，将热核反应堆中的反应堆中的超高温等离子体超高温等离子体包围、约束起来，然后慢慢释放，从包围、约束起来，然后慢慢释放，从而使受控核聚变能源成为而使受控核聚变能源成为2121世纪前景广阔的新能源。世纪前景广阔的新能源。中国科学院合肥等离子体物理研究所中国科学院合肥等离子体物理研究所超导托卡马克超导

35、托卡马克HT-7HT-7巨大的电感线圈巨大的电感线圈 原子弹爆炸蘑菇云 另外，超导磁体在医学上的重要应用是核磁共振成像技术，另外，超导磁体在医学上的重要应用是核磁共振成像技术，可分辨早期肿瘤癌细胞等，还可做心电图，脑磁图、肺磁可分辨早期肿瘤癌细胞等，还可做心电图，脑磁图、肺磁图，研究气功原理等。利用超导体介子发生器可以治疗癌图，研究气功原理等。利用超导体介子发生器可以治疗癌症，利用超导磁体可以治疗脑血管肿瘤。症，利用超导磁体可以治疗脑血管肿瘤。人头颅核磁共振成像超导技术在军事上有广泛的应用前景超导计算机：超导计算机：超导计算机应用于超导计算机应用于C3IC3I指挥系统，可使作战指挥能力指挥系统

36、，可使作战指挥能力迅速改善提高；迅速改善提高；超导探测器：利用超导器件对磁场和电磁辐射进行测量，灵敏度超导探测器：利用超导器件对磁场和电磁辐射进行测量，灵敏度非常高，可用于探测地雷、潜艇，还可制成十分敏感的磁性水雷。非常高，可用于探测地雷、潜艇，还可制成十分敏感的磁性水雷。超导红外毫米波探测器不仅灵敏度高，而且频带宽，探测范围可超导红外毫米波探测器不仅灵敏度高，而且频带宽，探测范围可覆盖整个电磁频谱，填补现有探测器不能探测亚毫米波段信号的覆盖整个电磁频谱，填补现有探测器不能探测亚毫米波段信号的空白。利用超导器件制造的大型红外焦平面阵列探测器，可以探空白。利用超导器件制造的大型红外焦平面阵列探测

37、器，可以探测隐身武器，将大大提高军事侦察能力。测隐身武器，将大大提高军事侦察能力。大功率发动机：这种发动机具有能量大、损耗小、重量轻、体积大功率发动机：这种发动机具有能量大、损耗小、重量轻、体积小等优点，可用作飞机、舰艇等的动力装置。小等优点，可用作飞机、舰艇等的动力装置。超导储能系统：利用超导材料的高载流和零电阻特性，可制成体超导储能系统：利用超导材料的高载流和零电阻特性，可制成体积小、重量轻、容量大的储能系统，积小、重量轻、容量大的储能系统，用作粒子束武器、自由电子用作粒子束武器、自由电子激光器、电磁炮激光器、电磁炮的能源。的能源。超导磁流体推进系统，为水面舰艇和潜艇的提供动力。超导磁流体

38、推进系统，为水面舰艇和潜艇的提供动力。超导储能装置在定向武器上的应用使定向武器发生飞跃的发展.超导发电机，推进器在飞机上的应用可大大提高飞机的生存能力；核潜艇图在航海中的应用，可大大减小甚至没有噪音，推进速度快，可大大提高舰在航海中的应用，可大大减小甚至没有噪音，推进速度快，可大大提高舰艇的生存、作战能力；艇的生存、作战能力；快离子导体的发展历史和结构特征快离子导体的发展历史和结构特征经经典典离离子子晶晶体体由由于于离离子子扩扩散散可可以以形形成成导导电电，但但一一般般来来说说，这这些些晶晶体体的的导导电电率率要要低低得得多多，如如氯氯化化钠钠在在室室温温时时的的电电导导率率只只有有10-15

39、Scm-1，在在200时时也也只只有有10-8Scm-1。而而另另有有一一类类离离子子晶晶体体，在在室室温温下下电电导导率率可可以以达达到到10-2Scm-1，几几乎乎可可与与熔熔盐盐的的电电导导媲媲美美。我我们们将将这这类类具具有有优优良良离离子子导导电电能能力力（0.110 Scm-1）的的材材料料称称做做快快离离子子导导体体(Fast IonCondustor)或或固固体体电电解解质质（SolidElectrolyte），也也有有称称作作超离子导体（超离子导体（SuperIonCondustor）。）。快离子导体（固体电解质）快离子导体（固体电解质）(FastIonCondustoror

40、SolidElectrolyte)Frenkel导导体体Schottky导导体体各种离子导体电导率与温度的关系log100/T(K-1)FastIon导导体体-AgI-AgI经经典典离离子子晶晶体体按按照照扩扩散散方方式式，分分作作Schottky导导体体和和Fenkel导导体体，它它们们和和快快离离子子导导体体一一样样，其其电电导导随随温温度度的的关关系系都都服服从从阿阿累累尼尼乌乌斯斯公公式式：Exp(-H/RT)，经经典典晶晶体体的的活活化化能能H在在12ev,而而快快离离子子导导体体的的活活化化能能H在在0.5ev以以下下。如如图图4.4反反映映了了这这些些导导体体电电导导率与温度的关

41、系。率与温度的关系。快离子导体不论是从电导，还是从结构上看，都可以视为普通离快离子导体不论是从电导，还是从结构上看，都可以视为普通离子固体和离子液体之间的一种过渡状态：子固体和离子液体之间的一种过渡状态：普通离子固体普通离子固体快离子导体快离子导体电解质溶液电解质溶液相转变相转变增加缺陷浓度增加缺陷浓度1.快离子导体的发展简史快离子导体的发展简史我们简单列出快离子导体的发现过程：我们简单列出快离子导体的发现过程：上世纪末，人们发现掺杂的上世纪末，人们发现掺杂的ZrO2有宽带的光源，称作有宽带的光源，称作Nerst光源；光源；1914年年，Tubandt(塔塔板板特特)和和Lorenz(洛洛伦伦

42、茨茨)发发现现银银的的化化合合物物在在恰恰低于其熔点时，低于其熔点时，AgI的电导率要比熔融态的的电导率要比熔融态的AgI的电导率高约的电导率高约20；1934年年，Strock系系统统研研究究了了AgI的的高高温温相相有有异异乎乎寻寻常常的的离离子子导导电电性性，并首次提出了熔融晶格导电模型；并首次提出了熔融晶格导电模型；20世世纪纪60年年代代中中期期，发发现现了了复复合合碘碘化化银银和和Na+离离子子为为载载流流子子的的-Al2O3快离子导体，其电导可达到快离子导体，其电导可达到10-1Scm-1;20世世纪纪70年年代代，美美国国福福特特汽汽车车公公司司已已把把Na-Al2O3快快离离

43、子子导导体体制制成成Na-S电池，锂快离子制成的电池用于计算机、电子表、心脏起搏器等。电池，锂快离子制成的电池用于计算机、电子表、心脏起搏器等。现现在在快快离离子子导导体体制制作作的的化化学学传传感感器器、电电池池等等已已广广泛泛的的应应用用于于生生产产部部门和国防以及人们生活中。门和国防以及人们生活中。2.快离子导体的结构特征与分类快离子导体的结构特征与分类快快离离子子导导体体中中的的载载流流子子主主要要是是离离子子，并并且且其其在在固固体体中中可可流流动动的的数数量量相相当当大大。例例如如，经经典典晶晶体体氯氯化化钠钠、氯氯化化银银、氯氯化化钾钾以以及及-AgI中中可可流流动动的的离离子子

44、的的数数量量不不大大于于1018cm3，而而快快离离子子导导体体中中可可流流动动的的离离子子数数目目达达到到1022cm3，要大一万倍。根据载流子的类型，可将快离子导体分为如下类型：要大一万倍。根据载流子的类型，可将快离子导体分为如下类型：正正离离子子作作载载流流子子的的有有：银银离离子子导导体体、铜铜离离子子导导体体、钠钠离离子子导导体体、锂锂离离子导体以及氢离子导体；子导体以及氢离子导体；负离子作载流子的有：氧离子导体和氟离子导体等。负离子作载流子的有：氧离子导体和氟离子导体等。快快离离子子导导体体中中应应当当存存在在大大量量的的可可供供离离子子迁迁移移占占据据的的空空位位置置。这这些些空

45、空位位置往往连接成网状的敞开隧道，以供离子的迁移流动。置往往连接成网状的敞开隧道，以供离子的迁移流动。根据隧道的特点，可将快离子导体划分为：根据隧道的特点，可将快离子导体划分为：一维导体，其中隧道为一维方向的通道，如四方钨青铜；一维导体，其中隧道为一维方向的通道，如四方钨青铜；二二维维导导体体，其其中中隧隧道道为为二二维维平平面面交交联联的的通通道道，如如Na-Al2O3快快离离子子导导体；体；三三维维导导体体，其其中中隧隧道道为为二二维维网网络络交交联联的的通通道道，如如Nisicon(Sodiumsuperionicconductor,NaZr2P3O12)等。等。快快离离子子导导体体材材

46、料料往往往往不不是是指指某某一一组组成成的的某某一一类类材材料料，而而是是指指某某一一特特定定的的相相。例例如如对对碘碘化化银银而而言言，它它有有、三三个个相相之之多多，但但只只有有相相为为快快离离子子导导体体。因因此此，相相变变是是快快离离子子导导体体普普遍遍存存在在的的一一个个过过程程。换换言言之之，某某一一组组成成物物质质，存存在在有有由由非非传传导相到传导相的转变。导相到传导相的转变。Ag+离子快离子导体离子快离子导体AgI快离子导体快离子导体Ag+离子快离子导体是发现较早、研究较多的快离子导体。离子快离子导体是发现较早、研究较多的快离子导体。早在早在1913年年Tubandt和和Lo

47、renz就发现就发现AgI在在400以上具有可以上具有可与液体电解质可比拟的离子电导率，高导电相是与液体电解质可比拟的离子电导率，高导电相是-AgI，其在其在146555温度范围内稳定。当温度范围内稳定。当AgI从低温的从低温的相转变为相转变为相相（146）时，其电导率增加了个数量级以上。自此以后，）时，其电导率增加了个数量级以上。自此以后，还发展了一系列的还发展了一系列的Ag+离子快离子导体。离子快离子导体。AgI存在多个晶体变存在多个晶体变种，有种，有、和和个相。个相。-AgI低温下稳定存在，呈六方低温下稳定存在，呈六方ZnS型结构，型结构，Ag+离子位于离子位于I-负离子负离子HCP排列

48、中的四面体空隙中；排列中的四面体空隙中；-AgI为介稳定相，立方为介稳定相，立方ZnS型结构型结构,Ag+离子位于离子位于I-负离子负离子FCC排列的四面体空隙中，其导电能力很差。排列的四面体空隙中，其导电能力很差。-AgI由由-AgI在在146时发生一级相转变而得，为体心立方晶格，如图所示。时发生一级相转变而得，为体心立方晶格，如图所示。-AgI单胞中单独占有个单胞中单独占有个I-离离子，分布在立方体的子，分布在立方体的8个顶点和体个顶点和体心位置，心位置，Ag+离子可占据的位置包离子可占据的位置包括：括：I-离子形成的八面体孔隙，分离子形成的八面体孔隙，分布在立方体的布在立方体的6个面心和

49、个面心和12条棱的条棱的中心，每个晶胞单独占有为中心，每个晶胞单独占有为6个；个；I-离子形成的四面体孔隙，分离子形成的四面体孔隙，分布在立方体的布在立方体的6个面上两个八面体个面上两个八面体空隙之间，每个晶胞单独占有为空隙之间，每个晶胞单独占有为12个；个；2个四面体共面形成三角双锥空个四面体共面形成三角双锥空隙，每个晶胞单独占有为隙，每个晶胞单独占有为24个。个。2个Ag+离子可有42个空隙：6b，12d，24h这些孔隙的性质还是有区别的，尤其是从这些孔隙的性质还是有区别的，尤其是从Ag+离子占据离子占据时的能量考虑：在时的能量考虑：在6b位置上，其中有位置上，其中有2个与其周围的个与其周

50、围的I-离子离子距离较近，为距离较近，为252pm;另有另有4个与其周围的个与其周围的I-离子距离较远，离子距离较远，为为357pm。因此，因此，6b位置的位能高，位置的位能高，Ag+离子占据的几率较离子占据的几率较小。小。12d位处在四面体的体心，位处在四面体的体心，Ag+离子占据的几率最大。离子占据的几率最大。这这些些四四面面体体共共面面形形成成可可供供Ag+离离子子迁迁移移的的通通道道网网，四四面面体体还还可可以以与与八八面面体体直直接接交交叠叠形形成成100方方向向上上的的Ag+离离子子迁迁移移通通道道。所所以以，在在-AgI结结构构中中的的三三维维通通道道势势能能很很低低，造造成成类