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选修课论文-材料科学概论-超导材料

2018-05-16 05:15:24

选修课-茶文化论文
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超导材料摘 要:人类的停顿是一个开垦和运用新材料的进程,随着上个世纪超导现象被发现以来超 导现象时常为人所关心。

关于超导材料的追求也是屡见不鲜,但是如何才干提高材料的临界 超导温度,如何把超导材料产业化和生活化基本上如今面临的严重成绩。

在电力、通讯、国防、 医疗等方面的停顿急需应用超导技术处置现有的要紧技术成绩;超导储能、电缆、限流器、 电机等超导电力技术,假设能运用将带来电力工业的严重革新;在国防工业方面,由于超导 技术不可替代的特殊性和优越性,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范围被普遍运用。

因此提高临界转变温度、临界电流密度和改 良其加工功能,制造出理想的更低价钞票的新一代超导材料就成为超导的停顿趋向。

这就要求 我们综合琢磨超导材料的组成成分、制备工艺以改善它的功能,逐渐提高材料的临界温度, 使材料更具有有意图义。

要紧词:材料迷信 功用材料 超导材料 高温超导前言一、材料与材料迷信材料是人类用来制造机械、构件、器件和其他产品的物资。

但并不是全部物资都可称为 材料,如燃料和化工原料、工业化学品、食物和药品等,平常都不算作材料。

材料可按多种 办法停止分类。

按物理化学属性分为金属材料、无机非金属材料、无机高分子材料和复合材 料。

按用途分为电子材料、宇航材料、修建材料、动力材料、生物材料等。

实践运用中又常 分为构造材料和功用材料。

构造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、抗辐照才干、抗氧化、抗侵蚀能 力等,依照材料用途不同,对功能的要求也不一样。

功用材料主假设应用物资的物理、化学 性质或生物现象等对外界改变发作的不同反响而制成的一类材料。

如半导体材料、超导材料、 光电子材料、磁性材料等。

材料是人类赖以生活和停顿的物资基础。

20 世纪 70 年代,人们 把信息、材料和动力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严重标志。

现代社会,材料已成为国民经济建造、 国防建造和人民生活的严重组成部分。

人类社会的停顿历程,是以材料为要紧标志的。

100 万年平常,原始人以石头作为工具, 称旧石器时期。

1 万年平常,人类对石器停止加工,使之成为器皿和精致的工具,从而进入 新石器时期。

新石器时期前期,浮现了应用粘土烧制的陶器。

人类在寻觅石器进程中看法了 矿石,并在烧陶消费中停顿了冶铜术,创始了冶金技术。

公元前 5000 年,人类进入青铜器时 代。

公元前 1200 年,人类末尾运用铸铁,从而进入了铁器时期。

随着技术的先进,又停顿了 钢的制造技术。

18 世纪,钢铁工业的停顿,成为产业革命的严重内容和物资基础。

19 世纪中 叶,现代平炉和转炉炼钢技术的浮现,使人类真正进入了钢铁时期。

与此同时,铜、铅、锌 也大批失掉运用,铝、镁、钛等金属相继咨询世并失掉运用。

直到 20 世纪中叶,金属材料在材 料工业中时常占有主导位置。

20 世纪中叶以来,迷信技术迅猛停顿,作为发现之母和产业粮 食的新材料又浮现了划时期的改变。

首先是人工分解高分子材料咨询世,并失掉普遍运用。

先 后浮现尼龙、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等塑料,以及维尼纶、分解橡胶、新型工程塑料、 高分子合金和功用高分子材料等。

仅半个世纪时刻,高分子材料已与有上千年历史的金属材 料不相上下,并在年产量的体积上已超越了钢,成为国民经济、国防尖端迷信和高科技范围

不可缺少的材料。

其次是陶瓷材料的停顿。

陶瓷是人类最早应用自然界所提供的原料制造而 成的材料。

50 年代,分解化工原料和特殊制备工艺的停顿使陶瓷材料发作了一个飞跃,浮现 了从传统陶瓷向先进陶瓷的转变,格外多新型功用陶瓷构成了产业,满足了电力、电子技术和 航天技术的停顿和需求。

材料迷信是追求材料的组织构造、性质、消费流程和运用成效,以及它们之间相互关系 的迷信。

材料迷信是多学科交织与结合的结晶,是一门与工程技术密不可分的运用迷信,它 的提出是在 20 世纪 60 年代。

1957 年,苏联天然地球卫星放射成功之后,美国政府及科技界 为之震惊,并看法到先进材料关于高技术停顿的严重性,因此在一些大学相继成立了十余个 材料迷信追求中心,从今,材料迷信这一名词末尾被人们普遍地援用。

现代材料迷信技术的 停顿,促进了金属、非金属无机材料和高分子材料之间的严密联络,从而浮现了一个新的材 料范围——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加体,可取得比 单一材料更优越的功能。

复合材料作为高功能的构造材料和功用材料,不只用于航空航天领 域,而且在现代民用工业、动力技术和信息技术方面时常扩大运用。

二、功用材料功用材料是指那些具有优秀的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学 功用,特殊的物理、化学、生物学效应,能完成功能相互转化,要紧用来制造各种功用元器 件而被普遍运用于各类高科技范围的高新技术材料。

功用材料是新材料范围的中心, 是国民经济、 社会停顿及国防建造的基础和先导。

它触及信息技术、生物工程技术、动力技术、纳米技术、环保技术、空间技术、计算 机技术、陆地工程技术等现代高新技术及其产业。

功用材料不只对高新技术的停顿起 着严重的推进和支撑作用,还对我国相关传统产业的改造和晋级,完成跨过式停顿起 着严重的促进作用。

往后国际功用材料及其运用技术正面临新的打破,诸如超导材料、微电子材料、光 子材料、信息材料、动力转换及储能材料、生态环境材料、生物医用材料及材料的分子、 原子设计等正处于一日千里的停顿之中, 停顿功用材料技术正在成为一些兴盛国度强化 其经济及军事优势的严重手法。

1、超导材料:以 NbTi、Nb3Sn 为代表的有用超导材料已完成了商品化,在核磁共 振人体成像、超导磁体及大型减速器磁体等多个范围取得了运用;SQUID 作为超导体弱 电运用的模范已在微弱电磁信号测量方面起到了严重作用, 其灵敏度是其它任何非超导 的装置无法抵达的。

但是,由于通例高温超导体的临界温度太低,务必在昂贵复杂的液 氦(4.2K)系统中运用,因此严峻地限制了高温超导运用的停顿。

高温氧化物超导体的浮现,打破了温度壁垒,把超导运用温度从液氦( 4.2K)提 高到液氮(77K)温区。

同液氦相比,液氮是一种异常经济的冷媒,同时具有较高的热 容量,给工程运用带来了极大的便利。

其它,高温超导体都具有相当高的上临界场 ,能 够用来发作 20T 以上的强磁场,这正好战胜了通例高温超导材料的缺乏之处。

正由于这 些由本征特性 Tc、Hc2 所带来的在经济和技术上的伟大潜在才干,吸引了大批的迷信工 作者采取最先进的技术装备,对高 Tc 超导机制、材料的物理特性、化学性质、分解工 艺及显微组织停止了普遍和深化的追求。

高温氧化物超导体是异常复杂的多元系统,在 追求进程中遇到了触及多种范围的严重成绩,这些范围包括凝聚态物理、晶体化学、工 艺技术及微构造分析等。

一些材料迷信追求范围最新的技术和手法,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追求高温超导体,其中 格外多追求任务都触及了材料迷信的前沿成绩。

高温超导材料的追求任务已在单晶、 薄膜、 体材料、线材和运用等方面赢得了严重停顿。

2、生物医用材料:作为高技术严重组成部分的生物医用材料已进入一个快速停顿 的新时期,其市场出售额正以每年 16%的速度递增,估测 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要紧 方向;生物降解高分子材料是医用高分子材料的严重方向;医用复合生物材料的追求重 点是强韧化生物复合材料和功用性生物复合材料,带有治疗功用的 HA 生物复合材料的 追求也异常爽朗。

3、动力材料:太阳能电池材料是新动力材料追求开垦的热点,IBM 公司研发的多 层复合太阳能电池,转换率高达 40%。

美国动力部在全部氢能追求经费中,大约有 50% 用于储氢技术。

固体氧化物燃料电池的追求异常爽朗,要紧是电池材料,如固体电解质 薄膜和电池阴极材料,还有质子交流膜型燃料电池用的无机质子交流膜等,基本上目前研 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追求中形 成的一个新范围,其追求开垦在日、美、德等兴盛国度异常爽朗,要紧追求方向是:① 直截了当面临的与环境成绩相关的材料技术,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白费资源、白费动力的技术;②开垦能使经济可延续停顿的环境 调停性材料,如仿生材料、环境保卫材料、氟里昂、石棉等有害物资的交换材料、绿色 新材料等;③材料的环境调停性评价。

5、智能材料:智能材料是继自然材料、分解高分子材料、人工设计材料之后的第 四代材料,是现代高技术新材料停顿的严重方向之一,将支撑未来高技术的停顿,使传 统意义下的功用材料和构造材料之间的界限慢慢消逝,完成构造功用化、功用多样化。

迷信家预言,智能材料的研发和大规模运用将招致材料迷信停顿的严重革命。

国际在智 能材料的研发方面赢得格外多技术打破,如英国宇航公司在导线传感器,用于测试飞机蒙 皮上的应变与温度状况;英国开垦出一种快速反响外形经历合金,寿命期具有百万次循 环,且输入功率高,以它作制动器时、反响时刻,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 用赢得大批创新成效。

目前世界各国功用材料的追求极为爽朗,充溢了机遇和应战,新技术、新专利层出 不穷。

兴盛国度妄想经过学咨询产权的方式在特种功用材料范围构成技术垄断,并试图占 领中国宽广的市场,这种态势已惹起我国的高度注重。

近年来,我国在新型稀土永磁、 生物医用、生态环境材料、催化材料与技术等范围增加了专利保卫。

但是,我们应该看 到,我国目前功用材料的创新性追求不够,申报的专利数,格外是具有原创性的国际专 利数与我国的位置远不相称。

我国功用材料在系统集成方面也存在缺乏,有待改善和发 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。

电工中实践运用的主假设铌和铅(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:超导元素参加某些其他元素作合金成分, 能够使超导材料的全部功能提 高。

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

继后停顿了铌钛合金, 尽管 Tc 稍低了些,但 Hc 高得多,在给定磁场能承载更大电流。

其功能是 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。

铌钛合金再参加钽的三元合金,功能进一步提高,Nb-60Ti-4Ta 的功能是, Tc=9.9K,Hc=12.4 特(4.2K);Nb-70Ti-5Ta 的功能是,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格外好的超导功能。

如已大批运用的 Nb3Sn, 其 Tc=18.1K,Hc=24.5 特。

其他严重的超导化合物还有 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,米勒和贝德诺尔茨末尾留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停止了试验,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、日本等国迷信家在钡-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停顿前景的超导材料。

二、超导材料的功能超导材料和通例导电材料的功能有格外大的不同,要紧有以下功能。

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。

假设用磁场在 超导环中引发感生电流,这一电流能够毫不衰减地坚持下去。

这种“延续电流”已屡次在实 验中观看到。

2、 完整抗磁性: 超导材料处于超导态时, 只需外加磁场不超越一定值, 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)而构成低电阻衔接时, 会有电子对穿过绝缘层构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浮现电压 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迷信技术范围越来越有目共睹的各类运用的依照。

4、同位素效应:超导体的临界温度 Tc 与其同位修养量 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办法格外多,平常较为常用的有液相淬火法,离子轰击法,气相淬火法。

化学气相堆积法 CVD,表面分散法和固态分散法(青铜法)等等,关于高温超导陶瓷材料的 制备而言,这些办法能够自创,但主假设 运用一些化学和物理技术和办法,那个地点更趋向于采 用陶瓷工艺制备。

首先务必明晓的是,停顿超导材料的要紧在于有效地运用迷信办法,操作 工艺参数,以构成超导相而幸免其他不利的物资或杂质生成,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,力图抵达液氮温区或许干冰区,甚至追求室温超 导体的制备为最终来目的。

目前的任务重点在于提高临界电流密度(Jc)和改善机械性质(KC 和强度),这方面的追求刚起步。

1、固相分解法 原料是采取 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,接着,将混合料在 500Mpa 在压强下冷压成型,将成型的圆片安放在铂板或 氧化铝板上,在电阻炉内通气氛停止烧结,烧结温度为 740-860℃,烧结时刻 4-8h,以来随 炉冷却,制备出高 Tc(超导转变临界温度)的样品。

在不同温度下停止烧结,采取热分析法 停止观测,发如今 800℃以上,样品已有严峻的失重,加热温度再高,失重加剧。

但另一方 向,要充分反响以构成更高转变温度的超导相,又需较高的烧结温度,因此只好合理操作工 艺条件,采取快速升温,使原料中易挥发的 Tl2O3 迅速抵达熔化,并同其他组成发作固一液反 应,快速生成较动摇的物相,如此可大大增加在烧结进程 TL 的损失,取得在 Tc 为 120K 的超 导体陶瓷。

2、均匀溶胶一凝胶分解法 先将铜粉在热硝酸中煮溶,再添加 Y(NO3)3 和 BaCO3,由于溶液中 PH 值异常低,其中会 构成大批的 BaO,慢慢参加氢氧化铵,使溶液 PH 值超越 7, BaO 熔化,构成晶莹的绿兰色溶液,