33
5.3低温超导体
(3)化合物超导体
一般为金属间化合物(过渡族金属元素之间形成 )
金属间化合物超导体的临界温度与临界磁场
一般比合金超导体的高 (Nb3Sn 化合物临界温
度可达18K)—用作强磁场超导材料
但此类超导体的脆性大，不易直接加工成带
材或线材。
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5.3低温超导体
(3)化合物超导体 Nb3Sn超导化合物：高的临界温度（～18K），高 临界磁场（4.2K下，～22.1T），高临界电流 （ 10T 下，～ 4.5×105A/cm3 ），用来制作 8 ～ 15T的超导磁体。 超导性能与化学成分、制备方法、热加工工艺等 密切相关。
5.1超导材料的基本性质与理论基础
三个基本的临界参量
临界温度Tc——外磁场为零时超导材料由正常态转变为超 导态(或相反)的温度，以Tc表示。 Tc值因材料不同而异。 已测得超导材料的最低Tc是钨，为0.012K。目前，临界温 度最高值已提高到150K左右。 临界磁场Hc——使超导材料的超导态破坏而转变到正常态 所需的磁场强度，以Hc表示。 Hc与温度T 的关系为 Hc=H0[1-(T/Tc)2]，式中H0为0K时的临界磁场。 临界电流Ic和临界电流密度Jc——通过超导材料的电流达 到一定数值时也会使超导态破态而转变为正常态，以Ic表 示。Ic一般随温度和外磁场的增加而减少。单位截面积所 承载的Ic称为临界电流密度，以Jc表示。
研究小组发现金属间化合物MgB2具有超导电性， 超导转变温度高达39K。
二硼化镁结构简单，易于制作和加工，有着广阔
的应用前景。
迄今为止， MgB2的超导转变温度是简单金属化
合物中最高的。
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5.3低温超导体
MgB2超导材料块材的制备（固相法）
日本秋光纯: 99.9％Mg＋99％B MgB2 （压制成小球＋高压氮气加热） 中国科学院： Mg(分析纯)＋B(单质) MgB2(高纯) （用铂金包裹,T=1173K,P=3.0GPa,烧结t=10～30min) 兰州大学 Mg(过量10％分析纯)＋B(非晶) MgB2(高纯) （用钽箔包裹,T=1073K,烧结t=4h）
才能发生超导现象。
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物体是否为超导体的实验判据
电阻（率）-温度曲线，磁化率-温度曲线，比热容-温度曲线
实 例
水银的零电阻效应 MgB2的x-T曲线
锡在正常态(N)和超导态(S)的比热容
5.2 第Ⅰ类超导体和第Ⅱ类超导体
超导材料的分类——按其在磁场中的磁化行为可分成两类
第一类超导体：在磁场H到达Hc临界磁场之前，具有完全的
响而遭到破坏，就失去了超导性。 以上就是著名的BCS理论，它表现了目 前许多科学家对超导现象的理解，但这并不
是最终答案，不能解释30K以上超导现象。
高温超导体的发现又需要人们进一步探索超
导的奥秘。
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5.3低温超导体
(1) 元素超导体
在低温常压下，具有超导特性的元素共有 32种，由于 Tc 太低，无太大实用价值。Nb最高，仅为9.26K
1986年——瑞士苏黎世IBM实验室以及朱经武发现Tc=52K的 BaLaCuO。
1987年——赵忠贤、陈立泉研制成功Tc=93K的 YBaCuO。 1988~2000年——高温超导迅猛发展，Tc不断升高，已达132K。
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4
5.1 超导材料的基本性质与理论基础
完全导电性 完全抗磁性
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5.3低温超导体
(2)合金超导体(第二类超导体) 特点：具有较高的 Tc和高的 Hc及Ic；机械强度高、 应力应变较小、塑性好、成本低易于大量生产的 超导体，在超导磁体、超导大电流输送等得到实 际应用。 超导合金主要有钛 Ti- 钒 V、铌 Nb- 锆 Zr、钼 MoZr、Nb-Ti等合金系。
有完全抗磁性。称为混合态。 直到H＞Hc2 ，磁场完全透入超导体内，使其恢复到具有正 常电阻的常导态。 高温超导陶瓷亦属于第二类超导体。一般来说，第二类超 导体的临界温度Tc、Hc、Jc 要比第一类超导体的高得多。
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第二类超导体和第一类超导体的区别主要在于： 第二类超导体由正常态转变为超导态时有一个中间 态（混合态）； 第二类超导体的混合态中有磁通线存在，而第一类
特性二：完全抗磁性（迈斯纳效应），不论开始时有无外 磁场，只有T＜Tc，超导体变为超导态后，体内的磁感应 强度恒为零，即超导体能把磁力线全部排斥到体外，这种 现象称为迈斯纳效应。
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超导体排斥力使永久磁环悬浮
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超导态为什么会出现完全抗磁性呢？
外磁场在试样表面产生感应电流（b）。此电流所经路径 电阻为零，故它所产生的附加磁场总是与外磁场大小相 等，方向相反，因而使超导体内的合成磁场为零。由于 此感应电流能将外磁场从超导体内挤出（c），故称磁抗 感应电流，又因其能起着屏蔽磁场的作用，又称为屏蔽 电流。
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1.4.5. 超导体的临界条件
超导临界温度Tc

超导体从常导态转变为超导态的温度；即电阻突 然变为零时的温度。 由于组织结构不同，超导临界温度不是一个特定 的数值，而是跨越一个温度区域；因此实际超导 材料的临界温度用四个参数表征。

越均匀纯净的样品
超导转变时的电阻
陡降越尖锐。
汞在液氦温度附近电阻的变化行为 14

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5.3低温超导体
二硼化镁（MgB2）超导体的发现
不足之处：磁场会严重影响MgB2的超导性能，大 大降低它所能承载的最大电流。
美国科学家在MgB2中掺入了一点氧，结果发现
其抗磁能力大大增加，Ic也有所提高。
英国科学家则使用质子束轰击MgB2 ，以打乱其
晶体中原本有规则的原子结构，使磁场对MgB2超 导性能的影响力下降。
导电性和可逆的迈斯纳效应。 H＜Hc时．完全抗磁性；H＞Hc时，超导态转为常导态 B=0(H+M)
混合态
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5.2 超导材料的基本性质与理论基础
第二类超导体：这类超导体的主要特征是有两个临界磁场，
即下临界磁场Hc1和上临界磁场Hc2，
H<Hc1:零电阻,完全抗磁性,与第一类超导体一样
Hc1<H<Hc2: 磁场透入深度增大。仍然具有零电阻，但不具
隧道效应
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5.1 超导材料的基本性质与理论基础
特性一：完全导电性（零电阻），超导体进入超导态时， 其电阻率实际上等于零。例如：室温下将超导体放入磁场 中，冷却到低温进入超导状态，去掉外加磁场后，线圈产 生感生电流，由于没有电阻，此电流将永不衰减。即超导 体的“持久电流”。
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5.1超导材料的基本性质与理论基础
5.1 超导材料的基本性质与理论基础
特性四：同位素效应，同位素的质量越大，转变温度越低。 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。 材料由正常态转变到超导态，其晶体结构不变，而同位素 的差别主要在于原子核的质量。因此，超导材料中的同位 素效应表明了传导电子与晶格振动的相互作用是很重要的 问题，通常我们也可以用同位素效应来鉴别材料的超导电 性。
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5.3低温超导体
(3)化合物超导体 Nb3(Al,Ge)化合物： (Nb3Ge临界温度23.2K) 特点：高临界磁场（ 4.2K 下，～ 42T ），是现有 超导材料中最高的；较低的临界电流（103～ 104A/cm3。
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5.3低温超导体
二硼化镁（MgB2）超导体的发现
2001年1月10日，日本青山学院大学教授秋光纯的

超导体没有；

第二类超导体比第一类超导体有更高的临界磁场、
更大的临界电流密度和更高的临界温度。
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超导体的微观机制 1.4.1 BCS理论
1957年 J.巴丁(美) L.N.库珀(美) J.R.斯莱弗 (美) 提出所谓BCS理论的超导性理论。 (1972年获诺贝尔物理学奖)
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BCS理论 常规导体电阻的成因：
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5.4 高温超导体
1986 年后发现了更高临界温度的超导体，如 YBaCuO （Tc＝90K）、TiBaCaCuO（Tc＝120K） 等 。 最 大 缺 点 为 脆性大，加工困难。 高温超导材料：Tc＞77K（液N温度）
第五章 超导材料
迈斯纳效应的磁悬浮试验
1
第五章 超导材料
有些物质在一定的转变温度 Tc 以下直流电阻 转变为零的状态，同时有完全抗磁性，这就 是所谓的超导（电）现象。 在一定条件下（温度、磁场、电流等）具有 超导电性的材料称为超导材料。


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5.1 超导研究历史
1911年——昂内斯Onnes发现Hg，现已有5000种。 1911—1932年——元素超导体，Pb、Sn、In、Ta、Nb、Ti等。 1933年——迈斯纳（ Meissner ）和奥森菲尔德发现迈斯纳效应。 1933—1953年——合金、过渡金属碳化物和氮化物。 1953—1973年——Tc>17K的V3Si、Nb3Sn等。1969年，超导纤维研制成 功。1957年，BCS理论被提出。 1973年—— Nb3(Al0.75Ge0.25)，Nb3Ga、 NbGe等，最高 Tc=23.2 K。 金属氧化物超导体被发现，BaPbxBi1-xOห้องสมุดไป่ตู้。
实际超导材料的临界温度参数
1.4.5. 超导体的临界条件
起始转变温度Tc(onset) 转变温度宽度ΔTc 零电阻温度Tc(R=0)
中间临界温度Tc(mid)
超导材料的临界温度
超导临界磁场强度Hc
1.4.5. 超导体的临界条件
临界磁场强度为温度的函数，表达式为：
T H c H c0 1 T2 c (T Tc )