[图文]选修课论文-材料科学概论-超导材料

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[图文]选修课论文-材料科学概论-超导材料

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超导材料摘 要:人类的发展是一个开发和运用新材料的过程,随着上个世纪超导现象被发现以来超 导现象一直为人所关注。

关于超导材料的研究也是屡见不鲜,但是如何才能提高材料的临界 超导温度,如何把超导材料产业化和生活化都是现在面临的重大问题。

在电力、通信、国防、 医疗等方面的发展急需利用超导技术解决现有的关键技术问题;超导储能、电缆、限流器、 电机等超导电力技术,如果能应用将带来电力工业的重大变革;在国防工业方面,由于超导 技术不可代替的特殊性和优越性,将在扫雷艇、超导电机、电磁武器、传感器、舰船用防弹 及导航用高精度超导陀螺仪等领域被广泛应用。

所以提高临界转变温度、临界电流密度和改 良其加工性能,制造出理想的更低价格的新一代超导材料就成为超导的发展趋势。

这就要求 我们综合考虑超导材料的组成成分、制备工艺以改善它的性能,逐步提高材料的临界温度, 使材料更具有实用意义。

关键词:材料科学 功能材料 超导材料 高温超导前言一、材料与材料科学材料是人类用来制造机器、构件、器件和其他产品的物质。

但并不是所有物质都可称为 材料,如燃料和化工原料、工业化学品、食物和药品等,一般都不算作材料。

材料可按多种 方法进行分类。

按物理化学属性分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材 料。

按用途分为电子材料、宇航材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。

实际应用中又常 分为结构材料和功能材料。

结构材料是以力学性质为基础,用以制造以受力为主的构件。

结 构材料也有物理性质或化学性质的要求,如光泽、热导率、抗辐照能力、抗氧化、抗腐蚀能 力等,根据材料用途不同,对性能的要求也不一样。

功能材料主要是利用物质的物理、化学 性质或生物现象等对外界变化产生的不同反应而制成的一类材料。

如半导体材料、超导材料、 光电子材料、磁性材料等。

材料是人类赖以生存和发展的物质基础。

20 世纪 70 年代,人们 把信息、材料和能源作为社会文明的支柱。

80 年代,随着高技术群的兴起,又把新材料与信 息技术、生物技术并列作为新技术革命的重要标志。

现代社会,材料已成为国民经济建设、 国防建设和人民生活的重要组成部分。

人类社会的发展历程,是以材料为主要标志的。

100 万年以前,原始人以石头作为工具, 称旧石器时代。

1 万年以前,人类对石器进行加工,使之成为器皿和精致的工具,从而进入 新石器时代。

新石器时代后期,出现了利用粘土烧制的陶器。

人类在寻找石器过程中认识了 矿石,并在烧陶生产中发展了冶铜术,开创了冶金技术。

公元前 5000 年,人类进入青铜器时 代。

公元前 1200 年,人类开始使用铸铁,从而进入了铁器时代。

随着技术的进步,又发展了 钢的制造技术。

18 世纪,钢铁工业的发展,成为产业革命的重要内容和物质基础。

19 世纪中 叶,现代平炉和转炉炼钢技术的出现,使人类真正进入了钢铁时代。

与此同时,铜、铅、锌 也大量得到应用,铝、镁、钛等金属相继问世并得到应用。

直到 20 世纪中叶,金属材料在材 料工业中一直占有主导地位。

20 世纪中叶以后,科学技术迅猛发展,作为发明之母和产业粮 食的新材料又出现了划时代的变化。

首先是人工合成高分子材料问世,并得到广泛应用。

先 后出现尼龙、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等塑料,以及维尼纶、合成橡胶、新型工程塑料、 高分子合金和功能高分子材料等。

仅半个世纪时间,高分子材料已与有上千年历史的金属材 料并驾齐驱,并在年产量的体积上已超过了钢,成为国民经济、国防尖端科学和高科技领域

不可缺少的材料。

其次是陶瓷材料的发展。

陶瓷是人类最早利用自然界所提供的原料制造而 成的材料。

50 年代,合成化工原料和特殊制备工艺的发展使陶瓷材料产生了一个飞跃,出现 了从传统陶瓷向先进陶瓷的转变,许多新型功能陶瓷形成了产业,满足了电力、电子技术和 航天技术的发展和需要。

材料科学是研究材料的组织结构、性质、生产流程和使用效能,以及它们之间相互关系 的科学。

材料科学是多学科交叉与结合的结晶,是一门与工程技术密不可分的应用科学,它 的提出是在 20 世纪 60 年代。

1957 年,苏联人造地球卫星发射成功之后,美国政府及科技界 为之震惊,并认识到先进材料对于高技术发展的重要性,于是在一些大学相继成立了十余个 材料科学研究中心,从此,材料科学这一名词开始被人们广泛地引用。

现代材料科学技术的 发展,促进了金属、非金属无机材料和高分子材料之间的密切联系,从而出现了一个新的材 料领域——复合材料。

复合材料以一种材料为基体,另一种或几种材料为增强体,可获得比 单一材料更优越的性能。

复合材料作为高性能的结构材料和功能材料,不仅用于航空航天领 域,而且在现代民用工业、能源技术和信息技术方面不断扩大应用。

二、功能材料功能材料是指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学 功能,特殊的物理、化学、生物学效应,能完成功能相互转化,主要用来制造各种功能元器 件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。

功能材料是新材料领域的核心, 是国民经济、 社会发展及国防建设的基础和先导。

它涉及信息技术、生物工程技术、能源技术、纳米技术、环保技术、空间技术、计算 机技术、海洋工程技术等现代高新技术及其产业。

功能材料不仅对高新技术的发展起 着重要的推动和支撑作用,还对我国相关传统产业的改造和升级,实现跨越式发展起 着重要的促进作用。

当前国际功能材料及其应用技术正面临新的突破,诸如超导材料、微电子材料、光 子材料、信息材料、能源转换及储能材料、生态环境材料、生物医用材料及材料的分子、 原子设计等正处于日新月异的发展之中, 发展功能材料技术正在成为一些发达国家强化 其经济及军事优势的重要手段。

1、超导材料:以 NbTi、Nb3Sn 为代表的实用超导材料已实现了商品化,在核磁共 振人体成像、超导磁体及大型加速器磁体等多个领域获得了应用;SQUID 作为超导体弱 电应用的典范已在微弱电磁信号测量方面起到了重要作用, 其灵敏度是其它任何非超导 的装置无法达到的。

但是,由于常规低温超导体的临界温度太低,必须在昂贵复杂的液 氦(4.2K)系统中使用,因而严重地限制了低温超导应用的发展。

高温氧化物超导体的出现,突破了温度壁垒,把超导应用温度从液氦( 4.2K)提 高到液氮(77K)温区。

同液氦相比,液氮是一种非常经济的冷媒,并且具有较高的热 容量,给工程应用带来了极大的方便。

另外,高温超导体都具有相当高的上临界场 ,能 够用来产生 20T 以上的强磁场,这正好克服了常规低温超导材料的不足之处。

正因为这 些由本征特性 Tc、Hc2 所带来的在经济和技术上的巨大潜在能力,吸引了大量的科学工 作者采用最先进的技术装备,对高 Tc 超导机制、材料的物理特性、化学性质、合成工 艺及显微组织进行了广泛和深入的研究。

高温氧化物超导体是非常复杂的多元体系,在 研究过程中遇到了涉及多种领域的重要问题,这些领域包括凝聚态物理、晶体化学、工 艺技术及微结构分析等。

一些材料科学研究领域最新的技术和手段,如非晶技术、纳米 粉技术、磁光技术、隧道显微技术及场离子显微技术等都被用来研究高温超导体,其中 许多研究工作都涉及了材料科学的前沿问题。

高温超导材料的研究工作已在单晶、 薄膜、 体材料、线材和应用等方面取得了重要进展。

2、生物医用材料:作为高技术重要组成部分的生物医用材料已进入一个快速发展 的新阶段,其市场销售额正以每年 16%的速度递增,预计 20 年内,生物医用材料所占

的份额将赶上药物市场,成为一个支柱产业。

生物活性陶瓷已成为医用生物陶瓷的主要 方向;生物降解高分子材料是医用高分子材料的重要方向;医用复合生物材料的研究重 点是强韧化生物复合材料和功能性生物复合材料,带有治疗功能的 HA 生物复合材料的 研究也十分活跃。

3、能源材料:太阳能电池材料是新能源材料研究开发的热点,IBM 公司研制的多 层复合太阳能电池,转换率高达 40%。

美国能源部在全部氢能研究经费中,大约有 50% 用于储氢技术。

固体氧化物燃料电池的研究十分活跃,关键是电池材料,如固体电解质 薄膜和电池阴极材料,还有质子交换膜型燃料电池用的有机质子交换膜等,都是目前研 究的热点。

4、生态环境材料:生态环境材料是 20 世纪 90 年代在国际高技术新材料研究中形 成的一个新领域,其研究开发在日、美、德等发达国家十分活跃,主要研究方向是:① 直接面临的与环境问题相关的材料技术,例如,生物可降解材料技术,CO 2 气体的固化 技术,SOx、NOx 催化转化技术、废物的再资源化技术,环境污染修复技术,材料制备 加工中的洁净技术以及节省资源、节省能源的技术;②开发能使经济可持续发展的环境 协调性材料,如仿生材料、环境保护材料、氟里昂、石棉等有害物质的替代材料、绿色 新材料等;③材料的环境协调性评价。

5、智能材料:智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第 四代材料,是现代高技术新材料发展的重要方向之一,将支撑未来高技术的发展,使传 统意义下的功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失,实现结构功能化、功能多样化。

科学家预言,智能材料的研制和大规模应用将导致材料科学发展的重大革命。

国外在智 能材料的研发方面取得很多技术突破,如英国宇航公司在导线传感器,用于测试飞机蒙 皮上的应变与温度情况;英国开发出一种快速反应形状记忆合金,寿命期具有百万次循 环,且输出功率高,以它作制动器时、反应时间,仅为 10 分钟;在压电材料、磁致伸 缩材料、导电高分子材料、电流变液和磁流变液等智能材料驱动组件材料在航空上的应 用取得大量创新成果。

目前世界各国功能材料的研究极为活跃,充满了机遇和挑战,新技术、新专利层出 不穷。

发达国家企图通过知识产权的形式在特种功能材料领域形成技术垄断,并试图占 领中国广阔的市场,这种态势已引起我国的高度重视。

近年来,我国在新型稀土永磁、 生物医用、生态环境材料、催化材料与技术等领域加强了专利保护。

但是,我们应该看 到,我国目前功能材料的创新性研究不够,申报的专利数,尤其是具有原创性的国际专 利数与我国的地位远不相称。

我国功能材料在系统集成方面也存在不足,有待改进和发 展。

超导材料一、超导材料的分类超导材料按其化学成分可分为超导元素、超导合金、超导化合物和超导陶瓷。

1、超导元素:在常压下有 28 种元素具超导电性,其中铌(Nb)的 Tc 最高,为 9.26K。

电工中实际应用的主要是铌和铅(Pb,Tc=7.201K),已用于制造超导交流电力电缆、高 Q 值谐 振腔等。

2、超导合金:超导元素加入某些其他元素作合金成分, 可以使超导材料的全部性能提 高。

如最先应用的铌锆合金(Nb-75Zr),其 Tc 为 10.8K,Hc 为 8.7 特。

继后发展了铌钛合金, 虽然 Tc 稍低了些,但 Hc 高得多,在给定磁场能承载更大电流。

其性能是 Nb-33Ti,Tc=9.3K, Hc=11.0 特;Nb-60Ti,Tc=9.3K,Hc=12 特(4.2K)。

目前铌钛合金是用于 7~8 特磁场下的主 要超导磁体材料。

铌钛合金再加入钽的三元合金,性能进一步提高,Nb-60Ti-4Ta 的性能是, Tc=9.9K,Hc=12.4 特(4.2K);Nb-70Ti-5Ta 的性能是,Tc=9.8K,Hc=12.8 特。

3、 超导化合物: 超导元素与其他元素化合常有很好的超导性能。

如已大量使用的 Nb3Sn, 其 Tc=18.1K,Hc=24.5 特。

其他重要的超导化合物还有 V3Ga,Tc=16.8K,Hc=24 特;Nb3Al, Tc=18.8K,Hc=30 特。

4、超导陶瓷:20 世纪 80 年代初,米勒和贝德诺尔茨开始注意到某些氧化物陶瓷材料可 能有超导电性,他们的小组对一些材料进行了试验,于 1986 年在镧-钡-铜-氧化物中发现 了 Tc=35K 的超导电性。

1987 年,中国、美国、日本等国科学家在钡-钇-铜氧化物中发现 Tc 处于液氮温区有超导电性,使超导陶瓷成为极有发展前景的超导材料。

二、超导材料的性能超导材料和常规导电材料的性能有很大的不同,主要有以下性能。

1、零电阻性:超导材料处于超导态时电阻为零,能够无损耗地传输电能。

如果用磁场在 超导环中引发感生电流,这一电流可以毫不衰减地维持下去。

这种“持续电流”已多次在实 验中观察到。

2、 完全抗磁性: 超导材料处于超导态时, 只要外加磁场不超过一定值, 磁力线不能透入, 超导材料内的磁场恒为零。

3、约瑟夫森效应:两超导材料之间有一薄绝缘层(厚度约 1nm)而形成低电阻连接时, 会有电子对穿过绝缘层形成电流而绝缘层两侧没有电压,即绝缘层也成了超导体。

当电流超 过一定值后绝缘层两侧出现电压 U(也可加一电压 U),同时直流电流变成高频交流电,并向 外辐射电磁波。

这些特性构成了超导材料在科学技术领域越来越引人注目的各类应用的依据。

4、同位素效应:超导体的临界温度 Tc 与其同位素质量 M 有关。

M 越大,Tc 越低,这称 为同位素效应。

例如,原子量为 199.55 的汞同位素,它的 Tc 是 4.18K,而原子量为 203.4 的汞同位素,Tc 为 4.146K。

三、超导材料的制备超导材料的制备方法很多,以前较为常用的有液相淬火法,离子轰击法,气相淬火法。

化学气相沉积法 CVD,表面扩散法和固态扩散法(青铜法)等等,对于高温超导陶瓷材料的 制备而言,这些方法可以借鉴,但主要是 运用一些化学和物理技术和方法,这里更趋向于采 用陶瓷工艺制备。

首先必须明确的是,发展超导材料的关键在于有效地运用科学方法,控制 工艺参数,以形成超导相而避免其他不利的物质或杂质生成,努力使超导材料的超导相含量 增高,甚至是单一超导相,提高转变温度,力求达到液氮温区或者干冰区,甚至追求室温超 导体的制备为最终目标。

目前的工作重点在于提高临界电流密度(Jc)和改善机械性质(KC 和强度),这方面的研究刚起步。

1、固相合成法 原料是采用 Tl2O3 (纯度为 85%),BaO(纯度为 85%)或 BaO2 (纯度 80%),CaO(纯度 98%), CuO(纯度 99%),按名义组成为 TlBaCaCu2Oy ,TlBaCaCu3Oy ,TlBaCaCuOy ,Tl2BaCa3Cu2Oy 配料, 经充分研磨混匀,然后,将混合料在 500Mpa 在压强下冷压成型,将成型的圆片放置在铂板或 氧化铝板上,在电阻炉内通空气进行烧结,烧结温度为 740-860℃,烧结时间 4-8h,以后随 炉冷却,制备出高 Tc(超导转变临界温度)的样品。

在不同温度下进行烧结,采用热分析法 进行观测,发现在 800℃以上,样品已有严重的失重,加热温度再高,失重加剧。

但另一方 向,要充分反应以形成更高转变温度的超导相,又需较高的烧结温度,因而只有合理控制工 艺条件,采用快速升温,使原料中易挥发的 Tl2O3 迅速达到熔化,并同其他组成发生固一液反 应,快速生成较稳定的物相,这样可大大减少在烧结过程 TL 的损失,获得在 Tc 为 120K 的超 导体陶瓷。

2、均匀溶胶一凝胶合成法 先将铜粉在热硝酸中煮溶,再添加 Y(NO3)3 和 BaCO3,因为溶液中 PH 值非常低,其中会 形成少量的 BaO,徐徐加入氢氧化铵,使溶液 PH 值超过 7, BaO 溶解,形成透明的绿兰色溶液,