第五章超导体和新材料 第一节材料及其分类 所谓材料,是指人类能用来制作有用物件的物质。新材料是 指最近发展或正在发展之中的具有比传统材料更为优异性能的 类材料。 按大的类别划分:金属材料、无机非金属材料、有机高分子 材料、复合材料 按使用性能划分:结构材料、功能材料。 按应用对象划分:信息材料、能源材料、建筑材料、生物材 料、光机电材料、航空航天材料。 按来源划分:天然材料、人造材料。 发光材料 超导材料躐性材料 航天材料
第五章 超导体和新材料 第一节 材料及其分类 • 所谓材料，是指人类能用来制作有用物件的物质。新材料是 指最近发展或正在发展之中的具有比传统材料更为优异性能的一 类材料。 • 按大的类别划分：金属材料、无机非金属材料、有机高分子 材料、复合材料。 • 按使用性能划分：结构材料、功能材料。 • 按应用对象划分：信息材料、能源材料、建筑材料、生物材 料、光机电材料、航空航天材料。 • 按来源划分：天然材料、人造材料。 发光材料 超导材料 磁性材料 航天材料
金属材料—般分为黑色金属材料和有色金属材料两大类。 自然界共有83种金属元素,黑色金属包括铁、锰、铬3种金属 元素及它们的合金,另外80种元素统称为有色金属。 合金是由两种或两种以上的金属元素,或者金属元素与非金 属元素所组成的具有金属性质的物质。 由铁和碳组成的合金称为钢铁。含碳量低于0.04%时为熟铁; 含碳量在20—3.5%时为生铁;含碳量在0.8-1.7%时为钢。 黄铜是铜和锌的合金、白铜是铜镍合金、紫铜是较纯的铜。 硬币、电线均用铝制作,铝合金是造飞机的好材料。(如铝镁合 金,铝钛合金,铝锂镁合金,铝镁锰合金等)钛以其高强度、高 熔点、耐腐蚀等优异性能被广泛应用于飞机、火箭、导弹、人造 卫星、航天飞机等航天航空尖端领域,故被称为“宇宙金属”。 任不
• 1．金属材料——一般分为黑色金属材料和有色金属材料两大类。 自然界共有83种金属元素，黑色金属包括铁、锰、铬3种金属 元素及它们的合金，另外80种元素统称为有色金属。 合金是由两种或两种以上的金属元素，或者金属元素与非金 属元素所组成的具有金属性质的物质。 由铁和碳组成的合金称为钢铁。含碳量低于0.04%时为熟铁; 含碳量在2.0－３.5%时为生铁; 含碳量在0.8－1.7%时为钢。 黄铜是铜和锌的合金、白铜是铜镍合金、紫铜是较纯的铜。 有色金属中铝的用途最广，如厨房设备、门窗、装饰材料、 硬币、电线均用铝制作，铝合金是造飞机的好材料。（如铝镁合 金，铝钛合金，铝锂镁合金，铝镁锰合金等 ）钛以其高强度、高 熔点、耐腐蚀等优异性能被广泛应用于飞机、火箭、导弹、人造 卫星、航天飞机等航天航空尖端领域，故被称为“宇宙金属
2.无机非金属材料 无机非金属材料品种繁多,有氧化物、硫化物、卤化物等, 包括酸、碱、盐。 重要的传统无机非金属材料是水泥、玻璃和陶瓷,因其均含 有二氧化硅,故统称为硅酸盐材料。 水泥是一种重要的建筑材料,除普通水泥外,还有各类耐高 温、高强度、耐油、抗水渗、速凝等特种水泥。 陶瓷材料有很好的力学性质,且耐高温、抗腐蚀。 玻璃是一种特殊陶瓷材料,它既有耐酸耐腐蚀的化学稳定性, 又有仅次于金刚石的硬度,并有很好的透光性。 另外还有铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等 和 1
• 2．无机非金属材料 无机非金属材料品种繁多，有氧化物、硫化物、卤化物等， 包括酸、碱、盐。 重要的传统无机非金属材料是水泥、玻璃和陶瓷，因其均含 有二氧化硅，故统称为硅酸盐材料。 水泥是一种重要的建筑材料，除普通水泥外，还有各类耐高 温、高强度、耐油、抗水渗、速凝等特种水泥。 陶瓷材料有很好的力学性质，且耐高温、抗腐蚀。 玻璃是一种特殊陶瓷材料，它既有耐酸耐腐蚀的化学稳定性， 又有仅次于金刚石的硬度，并有很好的透光性。 另外还有铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等
3有机高分子材料 所谓高分子材料是由碳、氢、氧、氮、硅、硫等元素组成 的分子量特别大有机化合物,常用高分子材料的分子量在几百到 几百万之间。 高分子材料具有长链结构,其分子像一条长长的线,众多分 子纠集在一起,就成了一个扯不开的线团,所以不仅有较高的机 械强度,还有较好的弹性、可塑性强、硬度大、耐磨、耐热、耐 腐蚀、耐溶剂、电绝缘性强、气密性好等,可以作为结构材料使 用 棉、毛、丝、塑料、橡胶等都是最常用的有机高分子材料。 根据来源分为天然高分子化合物、合成高分子化合物和半合 成高分子化合物。天然高分子化合物如纤维素、淀粉等;各种人 工合成的高分子如聚乙烯、聚丙烯等为合成高分子化合物;醋酸 纤维素等为半合成高分子化合物。 赞
• 3.有机高分子材料 所谓高分子材料是由碳、氢、氧、氮、硅、硫等元素组成 的分子量特别大有机化合物，常用高分子材料的分子量在几百到 几百万之间。 高分子材料具有长链结构，其分子像一条长长的线，众多分 子纠集在一起，就成了一个扯不开的线团，所以不仅有较高的机 械强度，还有较好的弹性、可塑性强、硬度大、耐磨、耐热、耐 腐蚀、耐溶剂、电绝缘性强、气密性好等，可以作为结构材料使 用。 棉、毛、丝、塑料、橡胶等都是最常用的有机高分子材料。 根据来源分为天然高分子化合物、合成高分子化合物和半合 成高分子化合物。天然高分子化合物如纤维素、淀粉等；各种人 工合成的高分子如聚乙烯、聚丙烯等为合成高分子化合物；醋酸 纤维素等为半合成高分子化合物
4.复合材料 复合材料是金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料通 过复合工艺组合而成的新型材料(一种材料为基体另一种材料为 增强体),它既能保留原组成材料的主要特色,又能通过复合效 应获得原组成所不具备的性能,还能通过材料设计使各组成部分 的性能互相补充并彼此关联,从而获得新的优越性能。 复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常 用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、 橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、 硼纤维、芳纶纤维、纤维、碳化硅、石棉、晶须(由高纯度单晶 生长而成的短纤维)、金属丝和硬质细粒等。 硼酸镁晶须 硅晶须
• 4.复合材料 复合材料是金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料通 过复合工艺组合而成的新型材料（一种材料为基体另一种材料为 增强体），它既能保留原组成材料的主要特色，又能通过复合效 应获得原组成所不具备的性能，还能通过材料设计使各组成部分 的性能互相补充并彼此关联，从而获得新的优越性能。 复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常 用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、 橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、 硼纤维、芳纶纤维、纤维、碳化硅、石棉、晶须（由高纯度单晶 生长而成的短纤维）、金属丝和硬质细粒等。 硼酸镁晶须 硅晶须
第二节超导体及其研究 、什么是超导体 通常把低于81K以下的温度范围称为低温,研究物质在低温 下的结构、特性和运动规律的科学,叫做低温物理 电阻突然消失为零的现象叫做超导电现象;把具有超导电性 的物质叫做超导体;把物质所处的这种以零电阻为特征的状态叫 做超导态;把电阻突然为零时的温度称为临界温度,用Tc表示。 根据临界温度的不同,超导材料可以被分为:高温超导材料 (液氮温度77K以上)和低温超导材料。 完全抗磁性(迈斯纳效应)—当超导体处在超导态时,它 始终保持内部磁场为零,外部磁场的磁力线将无法穿透并被统统 排斥到体外,该特性使超导体成为理想的抗磁体。 超导体光传感景超导体磁悬浮列车由超导体制造的电阻巡度计 电酿温度计
第二节 超导体及其研究 一、什么是超导体 • 通常把低于81K以下的温度范围称为低温，研究物质在低温 下的结构、特性和运动规律的科学，叫做低温物理。 • 电阻突然消失为零的现象叫做超导电现象；把具有超导电性 的物质叫做超导体；把物质所处的这种以零电阻为特征的状态叫 做超导态；把电阻突然为零时的温度称为临界温度，用Tc表示。 • 根据临界温度的不同，超导材料可以被分为：高温超导材料 （液氮温度77K以上 ）和低温超导材料。 • 完全抗磁性（迈斯纳效应）——当超导体处在超导态时，它 始终保持内部磁场为零，外部磁场的磁力线将无法穿透并被统统 排斥到体外，该特性使超导体成为理想的抗磁体。 超导体光传感器 超导体磁悬浮列车 由超导体制造的电阻温度计
二、超导体的发展历程 超导电性研究的历史可分为四个阶段: 第一阶段从1911至1945年,全世界只有几个实验室可以生 产液氦,对超导现象的机制缺乏理论上的解释 第二阶段是二战后的十年,美国科学家巴丁、库珀等发表了 经典的超导电性量子理论,认为电子通过晶格(称为声子)而相 互吸引,从而导致超导作用 第三阶段是60年代到80年代初,超导磁体成为超导电性的最 大量和最有成效的应用,如美国阿贡实验室用铌——钛线多股合 金电缆绕制了气泡室用的大型超导磁体。 第四阶段从1986年开始,超导研究跨入液氮温区阶段。86年 4月,美国国际商用机器公司(BM)研制出钡镧铜氧化物,在 30K表现出超导电性;同年12月,日本东京大学在锶镧铜氧化 物中得到的超导转变温度为37K;1987年2月,美国华裔科学家 朱经武和中国科学家赵忠贤相继在钇一钡一铜一氧系材料上把临 界超导温度提高到90K以上,液氮的禁区(77K)也奇迹般地被 突破了。1993年,人们发现了超导临界转变温度为133K的汞-钡 钙-铜-氧。2005年科学家已经制造出138K的高温超导体
二、 超导体的发展历程 超导电性研究的历史可分为四个阶段： • 第一阶段从1911年至1945年，全世界只有几个实验室可以生 产液氦，对超导现象的机制缺乏理论上的解释。 • 第二阶段是二战后的十年，美国科学家巴丁、库珀等发表了 经典的超导电性量子理论，认为电子通过晶格（称为声子）而相 互吸引，从而导致超导作用。 • 第三阶段是60年代到80年代初，超导磁体成为超导电性的最 大量和最有成效的应用，如美国阿贡实验室用铌——钛线多股合 金电缆绕制了气泡室用的大型超导磁体。 • 第四阶段从1986年开始，超导研究跨入液氮温区阶段。86年 4月，美国国际商用机器公司（IBM）研制出钡镧铜氧化物，在 30 K表现出超导电性；同年12月，日本东京大学在锶镧铜氧化 物中得到的超导转变温度为37 K；1987年2月，美国华裔科学家 朱经武和中国科学家赵忠贤相继在钇－钡－铜－氧系材料上把临 界超导温度提高到90K以上，液氮的禁区（77K）也奇迹般地被 突破了。1993年，人们发现了超导临界转变温度为133K的汞-钡 -钙-铜-氧。2005年科学家已经制造出138K的高温超导体
三、超导技术的应用 ·1.超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能。 由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性,因 此只需消耗极少的电能,就可以获得10特斯拉以上的稳态强磁场。 超导磁体可用于制作交流超导发电机、磁流体发电机和超导 输电线路等。利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强度提高到 5~6特斯拉,并且几乎没有能量损失。 磁流体发电机同样离不开超导强磁体的帮助。磁流体发电发 电,是利用高温导电性气体(等离子体)作导体,并高速通过磁 场强度为5~6特斯拉的强磁场而发电 超导输电线路,超导材料还可以用于制作超导电线和超导变 压器,从而把电力几乎无损耗地输送给用户。 目前的铜或铝导线输电,约有15%的电能损耗在输电线路上,光是在中国 每年的电力损失高达1000多亿度。2007年三峡水库电厂计划发电630亿度
三、超导技术的应用 • 1.超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能。 由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性，因 此只需消耗极少的电能，就可以获得10特斯拉以上的稳态强磁场。 超导磁体可用于制作交流超导发电机、磁流体发电机和超导 输电线路等。利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强度提高到 5～6特斯拉，并且几乎没有能量损失。 磁流体发电机同样离不开超导强磁体的帮助。磁流体发电发 电，是利用高温导电性气体（等离子体）作导体，并高速通过磁 场强度为5～6特斯拉的强磁场而发电。 超导输电线路，超导材料还可以用于制作超导电线和超导变 压器，从而把电力几乎无损耗地输送给用户。 目前的铜或铝导线输电，约有15%的电能损耗在输电线路上，光是在中国， 每年的电力损失高达1000多亿度。2007年三峡水库电厂计划发电630亿度
2超导磁悬浮列车利用超导材料的抗磁性,将超导材料放 在一抉永久磁体的上方,由于磁体的磁力线不能穿过超导体,磁 体和超导体之间会产生排斥力,使超导体悬浮在磁体上方。利用 这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车。 3超导计算机高速计算机要求集成电路芯片上的元件和连 接线密集排列,但密集排列的电路在工作时会发生大量的热,而 散热是超大规模集成电路面临的难题。超导计算机中的超大规模 集成电路,其元件间的互连线用接近零电阻和超微发热的超导器 件来制作,不存在散热问题,同时计算机的运算速度大大提高。 此外,科学家正研究用半导体和超导体来制造晶体管,甚至完全 用超导体来制作晶体管。 4.核聚变反应堆“磁封闭体”核聚变反应 内部温度高达1亿~2亿℃,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“磁封闭体″,将热核反应堆中的超高温等离 子体包围、约束起来,然后慢慢释放,从而使受 控核聚变能源成为21世纪前景广阔的新能源
2.超导磁悬浮列车 利用超导材料的抗磁性，将超导材料放 在一块永久磁体的上方，由于磁体的磁力线不能穿过超导体，磁 体和超导体之间会产生排斥力，使超导体悬浮在磁体上方。利用 这 种 磁 悬 浮 效 应 可 以 制 作 高 速 超 导 磁 悬 浮 列 车 。 3.超导计算机 高速计算机要求集成电路芯片上的元件和连 接线密集排列，但密集排列的电路在工作时会发生大量的热，而 散热是超大规模集成电路面临的难题。超导计算机中的超大规模 集成电路，其元件间的互连线用接近零电阻和超微发热的超导器 件来制作，不存在散热问题，同时计算机的运算速度大大提高。 此外，科学家正研究用半导体和超导体来制造晶体管，甚至完全 用超导体来制作晶体管。 4. 核聚变反应堆“磁封闭体” 核聚变反应时， 内部温度高达1亿～2亿℃，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“磁封闭体” ，将热核反应堆中的超高温等离 子体包围、约束起来，然后慢慢释放，从而使受 控核聚变能源成为21世纪前景广阔的新能源
第三节不断发展的新材料 、金属新材料 ●1.锂及其合金——锂合金具有重量轻、强度高、耐高温、耐 腐蚀、耐冲击的优点,还有阻止高速辐射粒子穿透的能力,是研 制人造天体的理想结构材料。锂还是高效的储能材料和重要的能 源材料。 把金属锂作为合金元素加到金属铝中,就形成了铝锂合金。 另外还有镁锂合金等。科学家发现了一种含锂的耐热玻璃,其强 度比普通玻璃大15倍,而且其重量比金属铝还轻,用它作超音速 飞机的玻璃窗就安全多了
第三节 不断发展的新材料 一、金属新材料 • 1.锂及其合金——锂合金具有重量轻、强度高、耐高温、耐 腐蚀、耐冲击的优点，还有阻止高速辐射粒子穿透的能力，是研 制人造天体的理想结构材料。锂还是高效的储能材料和重要的能 源材料。 把金属锂作为合金元素加到金属铝中，就形成了铝锂合金。 另外还有镁锂合金等。科学家发现了一种含锂的耐热玻璃，其强 度比普通玻璃大15倍，而且其重量比金属铝还轻，用它作超音速 飞机的玻璃窗就安全多了