超导材料制备及应用

超导材料制备及应用（精选7篇）

超导材料制备及应用 篇1

超导材料制备与应用概述

摘要：新型超导材料一直是人类追求的目标。本文主要从超导材料的性质，制备，应用等方面探索超导材料科学的发展概况。随着高温超导材料制备方法的不断成熟，超导材料将越来越多的应用于尖端技术中去，超导材料的应用将给电工技术带来质的飞跃，因此，超导材料技术有着重大的应用发展潜力，可解决未来能源，交通，医疗和国防事业中的重要问题。

关键词：超导材料 强电应用 弱电应用 超导制备 1.引言

1911年荷兰科学家onnes发现纯水银在4.2K附近电阻突然消失，接着发现其他一些金属也有这样的现象，随着人们在Pb和其它材料中也发现这种性质：在满足临界条件（临界温度Tc，临界电流Ic，临界磁场Hc）时物质的电阻突然消失，这种现象称为超导电性的零电阻现象。只是直流电情况下才有零电阻现象，这一现象的发现开拓了一个崭新的物理领域。

超导材料具有1）零电阻性2）完全抗磁效应3）Josephson效应。这些性质的研究与应用使得超导材料的性能不断优化，实现超导临界温度也越来越高。一旦室温超导达到实用化、工业化，将对现代科学技术产生深远的影响。

2.超导材料主要制备技术

控制和操纵有序结晶需要充分了解原子尺度的超导相性能。有序、高质量晶体的超导转变温度较高 ,晶体质量往往强烈依赖于合成技术和条件。目前，常用作制备超导材料的技术主要有： 2.1.1单晶生长技术

新超导化合物单晶样品有多种生长方法。溶液生长和气相传输生长法是制备从金属间氧化物到有机物各类超导体的强有力工具。溶液生长的优点就是其多功能性和生长速度 ,可制备出高纯净度和镶嵌式样品。但是 ,它并不能生产出固定中子散射实验所需的立方厘米大小的样品。浮动熔区法常用来制备大尺寸的样品 ,但局限于已知的材料。这种技术是近几年出现的一些超导氧化物单晶生长的主要技术。这种技术使La2-xSr xCuO4晶体生长得到改善 ,允许对从未掺杂到高度掺杂各种情况下的细微结构和磁性性能进行细致研究。在T1Ba 2Ca2Cu3O9+d 和Bi2Sr2CaCu2O8中 ,有可能削弱无序的影响从而提高临界转变温度。最近汞基化合物在晶体生长尺寸上取得的进展 ,使晶体尺寸较先前的纪录高出了几个数量级。但应该指出的是即使是高 Tc的化合物 ,利用溶液生长技术也可制备出高纯度的YBCO等单晶。

2.1.2高质量薄膜技术

目前 ,薄膜超导体技术包括活性分子束外延(MBE)、溅射、化学气相沉积和脉冲激光沉积等。MBE能制造出足以与单个晶体性能相媲美的外延超导薄膜。在晶格匹配的单晶衬底上生长的外延高温超导薄膜 ,已经被广泛应用于这些材料物理性质的基础研究中。在许多实验中薄膜的几何性质拥有它的优势 ,如可用光刻技术在薄膜上刻画细微的特征;具备合成定制的多层结构或超晶格的潜能。

在过去的 20年里 ,多种高温超导薄膜生长技术快速发展。有些技术已经适用于其它超导体的制备。目前所使用主要方法有溅射和激光烧蚀（脉冲激光沉积）。类似分子束外延这种先进薄膜生长技术也已经发展得很好。臭氧或氧原子用来实现超高真空条件下的充分氧化。这使得生长的单晶薄膜的性能已接近乃至超过块状晶体。如 LSCO单晶薄膜的 T =51.5 K,比块状晶体（Tc <40 K）要高 ,外延应力是产生这种强化现象的部分原因。

3.超导材料制备的新探索

发现新型超导体最直接的方法是研究相空间并实施一系列系统探索来发现新的化合物 ,可通过鉴别成分空间中有希望的区域和快速检测该区域尽可能多的化合物的方法来实现。通过这样的研究,在 20世纪50到 60年代产出了很多金属间超导体 ,这些超导体还需要在三相或更高相空间中再继续研究。此外 ,继续寻找异常形态的超导材料也是很重要的。3.1先进合成与掺杂技术

3.1.1极端条件下的合成技术

经验上讲 ,超导性常常表现得和结构上的相转变联系紧密;事实上 ,有许多超导体是亚稳态 ,需要在高温高压下合成。此外 ,合成新化合物所需的许多元素具有非常高的挥发性活性和难熔性 如 Li、B、C、Mg、P、S、Se、Te ,而且要在非常特殊的环境下才能成功合成。大尺寸单晶生长技术 ,特别是用于固定中子散射实验的关键材料的合成技术应进一步发展。

3.1.2合成与表征组合技术

对新型超导化合物的系统性组合探索可基于薄膜沉积技术。一种方法是利用掩膜技术制备微小均质区域。利用连续相涂敷法(Continuousphase spread method)以及使用多种源或靶材在衬底上形成不同的薄膜成分。磁场调制光谱(Magnetic Field Modulated Spectroscopy),MFMS ,是一种非常敏感而快速的超导检测技术 ,可用于高产量的表征方法。合成与表征组合技术需要进一步完善,以在更大范围内应用来寻求具有理想性能的新型超导体。3.1.3原子层工程、人造超晶格技术

薄膜沉积技术的迅速发展为化学和材料科学突破体相平衡的限制提供了机遇。拓展相界、获得新亚稳态和微结构、创造多层结构、施加大的面内应力以及获得不同排列体系间的平滑界面都因此成为可能。单晶多层结构使材料具有不同的界面性能 ,不会受到污染物的干扰。在界面处各种电荷移动和自旋态的相互影响会产生新电子结构。与界面原子层工程一样 ,改变相邻绝缘体的组成和结构 ,为利用外延应力和稳定性来调整界面结构的超导性提供了多种可能。3.1.4场效应掺杂和光掺杂技术

化学掺杂是在铜酸盐等化合物超导体中实现金属和超导态所必需的 ,但它的缺点是会同时产生无序状态。这种无序状态不仅使人难以区分内在和外在特性 ,而且实际上还削弱了超导性能。此外 ,在多数情况下化学掺杂量是不可调的 ,每种组成都需要一个单独的样品。场效应掺杂和光掺杂通过外加强电场或强光照射引入电荷载体 ,从而避免了这些弊端。使用这两种掺杂 ,可连续地调节单个样品的掺杂量而不会诱发化学无序状态。这一方法在从配合物中寻找新的超导体方面有很大的潜力。3.2 纳米尺度超导材料

新型超导体的设计和研究面临挑战是难以控制的化学合成工艺参数。最有希望发展的就是可控制的纳米新型高温超导材料。开发新的纳米尺度的高温超导体 ,可增进机械稳定性、耐化学腐蚀性等。虽然这些性能已单独得到证明 ,但把它们全部合成至单一的材料器件或系统中仍是一个巨大的挑战。在高温超导材料中 ,很多基本长度尺寸是处于纳米量级的(如单晶畴)大小、相干长度等 ,因此关于纳米尺寸结构的实验性研究对帮助人们了解微观机制具有相当的重要性。3.3 超导材料制备相关问题

块体样品、单晶方面的关键性公开问题包括:提高各种有机超导、重费密子超导等非常规超导体样品的纯度;了解和消除样品的依赖性;了解和控制缺陷、杂质及无序对样品的影响;改进各类材料的 Jc、Hc2和 Tc以及大尺寸单晶生长问题。要处理好这些问题 ,要改进现有的晶体生长技术并创造新的技术。新的助熔剂、输运剂以及新的温度、温度梯度、成核控制方法将提高人们对样品的大小、品质和可重复性的控制能力。对于各类超导薄膜 ,最基本的问题是衬底表面的制备以及对薄膜生长的影响 ,对这些问题的深入了解将使薄膜沉积条件具有更好的可重复性 ,对薄膜的合成控制更加优良。随着越来越多的超导化合物被引入薄膜材料的范畴 ,人们需要进一步改进薄膜的合成和表征技术。在薄膜的成核、生长和界面方面 ,应实现原子级的控制 ,最终目标是在如绝缘-超导这种多层异质结构中制造出洁净的界面。4.超导材料的应用

4.1强电应用 4.1.1 超导输电电缆

我国电力资源和负荷分布不均,因此长距离、低损耗的输电技术显得十分迫切。超导材料由于其零电阻特性以及比常规导体高得多的载流能力,可以输送极大的电流和功率而没有电功率损耗。超导输电可以达到单回路输送GVA级巨大容量的电力,在短距离、大容量、重负载的传输时,超导输电具有更大的优势。低温超导材料应用时需要液氦作为冷却剂,液氦的价格很高,这就使低温超导电缆丧失了工业化应用的可行性。若使用高温超导材料作为导电线芯制造成超导电缆,就可以在液氮的冷却下无电阻地传送电能。高温超导电缆的出现使超导技术在电力电缆方面的工业应用成为可能。目前,市场上可以得到并可用来制造高温超导电缆的材料主要是银包套铋系多芯高温超导带材,其临界工程电流密度大于10kA/cm2。高温超导电缆以其尺寸较小、损耗低、传输容量大的优势,可用于地下电缆工程改造,以高温超导电缆取代现有的常导电缆,可增加传输容量。高温超导电缆另一重要应用场合是可在比常导电缆较低的运行电压下将巨大的电能传输进入城市负荷中心。由于交流损耗的缘故,利用高温超导材料制备直流电缆比制备交流电缆更具优势。利用超导技术,通过设计实用的直流传输电缆和有效的匹配系统,从而实现高效节能低压大容量直流电力输系统。

图1 CD高温超导电缆示意图

美国是最早发展高温超导电缆技术的国家。1999年底,美国outhwire公司、橡树岭国家试验室、美国能源部和IGC公司联合开发研制了长度为30m、三相、12.5kV/1.26kA的冷绝缘高温超导电缆,并于2000年在电网试运行,向高温超导技术实用化迈出了坚实的一步。目前,世界上报道的能制备百米量级长度的超导电缆仅有日本和美国。在欧洲如法国、瑞典的电力公司有十米量级的超导电缆计划。

4.1.2超导变压器

超导变压器一般都采用与常规变压器一样的铁芯结构,仅高、低压绕组采用超导绕组。超导绕组置于非金属低温容器中,以减少涡流损耗。变压器铁芯一般仍处在室温条件下。超导变压器具有损耗低、体积小,效率高(可达99%以上)、极限单机容量大、长时过载能力强(可达到额定功率的2倍左右)等优点。同时由于采用高阻值的基底材料,因此具有一定的限制故障电流作用。一般而言,超导变压器的重量(铁芯和导线)仅为常规变压器的40%甚至更小,特别是当变压器的容量超过300MVA时,这种优越性将更为明显。图2为美国Waukesha公司在1997年就研制了1MVA的超导变压器结构示意图。

图 2超导变压器结构示意图 4.1.3超导储能

人类对电力网总输出功率的要求是不平衡的。即使一天之内 ,也不均匀。利用超导体 ,可制成高效储能设备。由于超导体可以达到非常高的能量密度 ,可以无损耗贮存巨大的电能。这种装置把输电网络中用电低峰时多余的电力储存起来 ,在用电高峰时释放出来 ,解决用电不平衡的矛盾。美国已设计出一种大型超导储能系统 ,可储存5000 兆瓦小时的巨大电能 ,充放电功率为 1000 兆瓦 ,转换时间为几分之一秒 ,效率达 98 %,它可直接与电力网相连接 ,根据电力供应和用电负荷情况从线圈内输出 ,不必经过能量转换过程。

图3 超导储能器一次系统简图

4.1.4超导电机

在大型发电机或电动机中 ,一旦由超导体取代铜材则可望实现电阻损耗极小的大功率传输。在高强度磁场下 ,超导体的电流密度超过铜的电流密度 ,这表明超导电机单机输出功率可以大大增加。在同样的电机输出功率下 ,电机重量可以大大下降。美国率先制成 3000 马力的超导电机 ,我国科学家在20 世纪 80 年代末已经制成了超导发电机的模型实验机。

图4 两种发电机尺寸的比较

4.1.5超导故障限流器

超导故障电流限制器(简称SFCL)主要是利用超导体在一定条件下发生的超导态/正常态转变,快速而有效地限制电力系统中短路故障电流的一种电力设备。该设想是在上世纪70年代提出的,到1983年法国阿尔斯通公司研制出交流金属系超导线后,各研究机构才开始着手开发SFCL产品。现已有中压级样品挂网运行,国外乐观估计可望在10年或更长的时间内开始投入市场。

图5感应屏蔽型超导故障电流限制器原理图

用超导材料制成的限流器有许多优点:1）它的动作时间快,大约几十微妙;2）减少故障电流，可将故障电流限制在系统额定电流两倍左右,比常规断路器开断电流小一个数量级;3）低的额定损耗;4）可靠性高 ,它是一类“永久的超保险丝”;5）结构简单 ,价格低廉。4.2弱电应用

4.2.1无损检测

无损检测是一种应用范围很广的探测技术 ,其工作方式有;超声探测、X光探测及涡流检测技术等。SQUID 无损检测技术在此基础上

发展起来。SQUID 磁强计的磁场灵敏度已优于100ft ,完全可以用于无损检测。由于 SQUID 能在大的均匀场中探测到场的微小变化 ,增加了探测的深度 ,提高了分辨率 ,能对多层合金导体材料的内部缺陷和腐蚀进行探测和确定 ,这是其他探测手段所无法办到的。工业上用于探测导体材料的缺陷、内部的腐蚀等 ,军事上可能于水雷和水下潜艇等的探测。4.2.2超导微波器件在移动通信中的应用

移动通信业蓬勃发展的同时 ,也带来了严重的信号干扰 ,频率资源紧张 ,系统容量不足 ,数据传输速率受限制等诸多难题。高温超导移动通信子系统在这一背景下应运而生 ,它由高温超导滤波器、低噪声前置放大器以及微型制冷机组成。高温超导子系统给移动通信系统带来的好处可以归纳为以下几个方面: 1）提高了基站接收机的抗干扰的能力;2）可以充分利用频率资源 ,扩大基站能量;3）减少了输入信号的损耗 ,提高了基站系统的灵敏度 ,从而扩大了基站的覆盖面积;4）改善通话质量 ,提高数据传输速度;5）超导基站子系统带来了绿色的通信网络。

4.2.3超导探测器

用超导体检测红外辐射 ,已设计制造了各种样式的高 TC超导红外探测器。与传统的半导体探测比较 ,高 TC超导探测器在大于 20微米的长波探测中将为优良的接受器件 ,填充了电磁波谱中远红外至毫来波段的空白。此外 ,它还具高集成密度、低功率、高成品率、低价格等优点。这一技术将在天文探测、光谱研究、远红外激光接收和军事光学等领域有广泛应用。4.2.4超导计算机

超导器件在计算机中运用 ,将具有许多明显的优点: 1）器件的开关速度快;2）低功率;3）输出电压在毫伏数量级 ,而输出电流大于控制线内的电流 ,信号检测方便。同时 ,体积更小 ,成本更低;另外,信号准确无畸变。

5.超导磁体

由于能无电损耗地提供大体积的稳定强磁场 ,超导磁体成为低温超导应用的主要方向 ,经过四十年的持续努力 ,按照实际需求设计、研制、建造 15 万高斯以内 ,不同磁场形态与各种体积的低温超导磁体技术已经成熟 ,有关导线与磁体的产业已经形成。低温超导磁体应用的一个重大障碍在于要创造与维持液氦温度（118～412K）的工作环境 ,需要有相应的低温制冷装备与运行维护工作。图6 制冷装备相对投资与运行温度的关系曲线

高临界温度超导体的出现使人们看到了提高运行温度的可能性 ,从而激发了发展高临界温度超导磁体的积极性。发展高临界温度超导磁体的主要问题在于迄今已能生产的铋系实用导线的强磁场下的性能在高运行温度下还难于与低温超导线相比及价格高 ,图 7示出了铋系实用导线在不同温度与磁场下的临界电流 性 能 曲 线 , 77K、0 T 时临界电流密度I ≈50kA/cm2。由图6可见 ,在 77K时 ,最高仅能产生10-1 特斯拉的超导磁场 ,当要求磁场高于 1 特斯拉时 ,运行温度需低于20～50K,从图 6所示制冷装备投资看仍有着重要意义 ,前述的超导同步电机激磁绕组就属于此范围。值得注意的还有 ,若运行温度仍保持在4.2K,Bi-2223 导线在近40T强场下仍能保持约100kA/cm2 的临界电流密度 ,从而可用于产生更高的超导强磁场。

图7 Bi-2223实用导线的临界电流性能(B∥带面)5.1 超导悬浮列车

由于超导体具有完全抗磁性，在车厢底部装备的超导线圈，路轨上沿途安放金属环，就构成悬浮列车。当列车启动时，由于金属环切割磁力线，将产生与超导磁场方向相反的感生磁场。根据同性相斥原理，列车受到向上推力而悬浮。超导悬浮列车具有许多的优点：由于它是悬浮于轨道上行驶，导轨与机车间不存在任何实际接触，没有摩擦，时速可达几百公里；磁悬浮列车可靠性大，维修简便，成本低，能源消耗仅是汽车的一半、飞机的四分之一；噪声小，时速达300公里/小时，噪声只有65分贝；以电为动力，沿线不排放废气，无污染，是一种绿色环保的交通工具。

图8 日本研制的磁浮列车用高温超导磁体系统

5.2磁悬浮轴承

高速转动的部位 ,由于摩擦的限制 ,转速无法进一步提高。利用超导体的完全抗磁性可制成悬浮轴承。磁悬浮轴承是采用磁场力将转轴悬浮。由于无接触 ,因而避免了机械磨损 ,降低了能耗 ,减小了噪声 ,具有免维护、高转速、高精度和动力学特性好的优点。磁悬浮轴承可适用于高速离心机、飞轮储能、航空陀螺仪等高速旋转系统。5.3电子束磁透镜

在通常的电子显微镜中 ,磁透镜的线圈是用铜导线制成的 ,场强不大 ,磁场梯度也不高 ,且时间稳定性较差 ,使得分辨率难以进一步提高。运用超导磁透镜后 ,以上缺点得到了克服目前超导电子显微镜的分辨已达到 3 埃 ,可以直接观察晶格结构和遗传物质的结构 ,已成为科学和生产部门强有力的工具。6展望与建议

自从超导材料制备技术不断成熟并逐步产业化生产以来 ,近十年来高临界温度超导应用得到了良好的发展 ,在超导电缆、超导限流器与超导变压器等电力应用方面 ,研制成功多台样机，人类在 21 世纪前期将迅速进入超导应用的新时代。从超导材料的发展历程来看，新的更高转变温度材料的发现及室温超导的实现都有可能。单晶生长及薄膜制造工艺技术也会取得重大突破，但超导材料的基础研究还面临一些挑战。目前超导材料正从研究阶段向产业化发展阶段。随着高温超导材料的开发成功，超导材料将越来越多地应用于尖端技术中，因此超导材料技术有着重大的应用发展潜力，可解决未来能源、交通、医疗和国防事业中的重要问题。

参考资料：

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超导材料制备及应用 篇2

2001年,二硼化镁(MgB2)超导材料的发现,在科学界掀起一股研究热潮。与铜基氧化物相比,MgB2具有几点优点:(1)组成元素,来源丰富,价格便宜;(2)成分简单,仅由Mg和B元素组成,在合成中受影响的因素少;(3)可以利用Bi系超导带材的制备工艺,直接制备MgB2带材。基于以上优势,MgB2的合成及批量化制备将是超导领域未来很长一段时间内的研究课题。

1 MgB2的结构与制备

1.1 结 构

MgB2的结构比较简单,属离子化合物,具有A1B2型六方结构,空间群为P6/mmm。MgB2为插层型化合物,Mg层和B层交替排列,如图1所示。MgB2原胞中含有1个Mg原子和两个B原子,B层具有类似于石墨层结构,Mg原子位于B层的六角形中心,为层内B原子提供电子。

1.2 MgB2的制备

MgB2的应用形式主要有薄膜和带材两种,带材是实用化研究的重点。

1.2.1 MgB2薄膜的制备

(1)超声喷雾热解法,将初始原料以一定的配比溶于相应溶剂,形成前驱体,通过超声波方式雾化成一定尺寸的颗粒,由载气带入系统后在高温条件下发生分解,从而在基底形成相应薄膜。Eyyuphan Yakinci等[9]以NaBH4、MgCl2为初始原料,Ar/H2混合气体为载气,Mg为补充原料,在Al2O3(001)单晶基底上,采用超声波喷雾热解法制备了厚度为500～600 nm的MgB2薄膜,临界电流密度达到2.37×105 A·cm-2。

超声喷雾热解法具有反应迅速,颗粒均匀,成本低,可大批量制备等优势,但所得薄膜的质量还需要提高。

(2)HPCVD法,即混合物理化学气相沉积法,集中了物理气相法和化学气相法的优势,主要原理为:在沉积室中加热高纯Mg块,使Mg块蒸发产生高压Mg蒸汽,然后通过载气将B源按一定速率带入沉积室,最终在基地上形成具有一定取向的MgB2薄膜。吴桃李等[10]采用HPCVD法,在SiC基底上沉积出具有较好C轴取向的MgB2薄膜,膜厚约150 nm,临界转变温度为40.4 K。Yang等[11]对HPCVD法进行了改进,以Mg和B2H6为原料,通过两个加热器分别控制Mg的蒸发温度和基底的温度,在多晶Al2O3基底上制备出MgB2薄膜。研究表明,采用改进后的HPCVD法制备的MgB2薄膜,临界温度和临界电流密度分别为38.5 K和105 A/cm2。

HPCVD法优点是薄膜性能优越,重现性好等,缺点是设备较为复杂。

1.2.2 MgB2带(线)材的制备

(1)连续粉末装管成型工艺(continuous tube filling forming process,CTFF),该法主要由美国Hyper Tech公司采用。

该法的特点是直接将MgB2直接包覆于连续焊管中,制备成带(线)材后,在惰性气体环境下进行热处理。采用CTFF法,Hyper Tech公司在2005年即可制备出长1.5 km,直径为1.0 mm的14-36芯MgB2线材[12]。

(2)套管法(Powder in tube, PIT),该法来源于制备一代Bi系超导带材。

通过该成熟工艺,可成功制备实用化MgB2带(线)材。PIT法的制备工艺主要包括:前驱体装管、真空密封、拉拔截断、装管轧制和热处理等。PIT法又可分为先位法(Ex Site PIT)和原位法(In Site PIT)。先位法直接以MgB2粉末为前驱体进行拉拔轧制;而原位法以一定配比混合的Mg粉和B粉为前驱体,经装管、拉拔、轧制和热处理等步骤,形成超导带材。由于原位法制备出的超导带材性能,所以是目前最为常用的方法[13]。日本日立公司采用原位法可制备百米级MgB2超导带[12]。

2 超导材料的应用

(1)超导磁体

由于超导材料处于超导态时,具有零电阻性和抗磁性,所以可以利用超导的特性制成超导磁体,只需耗费极低的电能,即可获得高稳定磁场,可应用于超导磁悬浮列车、粒子加速器等高场领域。

超导磁体也应用于医学领域,如磁共振成像仪(MRI)。与利用永久磁体的MRI相比,超导MRI成像分辨率高、磁场均匀性和稳定性更好。

超导磁体还应用于托克马克装置,该装置通过超导磁体产生的超强磁体将等离子体约束在“磁笼”中,使温度达到数百万度,为核聚变提供条件。

(2)约瑟夫森器件

利用超导材料的约瑟夫森器件——超导量子干涉仪(SQUID),可制成超高速计算机以及高灵敏度的探测仪。SQUID可探测到磁场强度为地球磁场十亿分之一到百亿分之一的磁信号,灵敏度高。此外,SQUID在生物磁测、无损探伤以及地磁测量方面也有着潜在的应用价值。

SQUID通过检测材料的磁性反常来探伤,已被广泛应用于材料和机械领域。目前,利用SQUID已可实现对集成电路和桥梁建筑等进行检测[14]。

在地磁测量方面,利用SQUID在低频段的高灵敏性,探测地表信号,从而推断地质构造与矿物分布,有着明显的优越性。

(3)超导储能系统

随着社会经济的高速发展,我国电力系统的规模也在持续扩张、容量也越来越大,系统稳定性成为电力系统发展必须要解决的问题。当电网受到扰动,电压或电流失稳时,有可能导致灾难性的损失,所以提高电力系统的稳定性和电力品质成为当前电力科学发展的新课题。

超导储能装置是利用超导材料制成的线圈,将电网产生的磁场储存起来,有需要时,将能量释放,可快速与系统进行无功交换,非常适合于瞬时提供高能量的场所。

若将超导储能装置连接于电网,在抑制电网的低频振荡,实现对电网的无功补偿方面,有着显著的优点。超导储能装置具有充放电频率、效率高、寿命长、环境友好等特点。

此外,超导储能装置还可应用于军事,如电磁炮和聚能武器等。由于超导材料的零电阻性,可减低输入功率,并瞬时放电提供高能量,使得电磁炮的初速和射程增加近十倍。

(4)超导变压器

随着节约用地和环保等政策的提出,对变电站的改造也提出了新的要求。与传统变压器相比,超导变压器具有诸多优点:较低的阻抗和较好的电压调节能力、结构紧凑,减少了占地面积、以液氮为制冷剂,无油无污染等。在某些对电气设备的占用空间有严格限制的场合,超导变压器也能发挥一定的优势。

3 结 语

作为一种组分和结构简单的新型超导材料,MgB2是现代超导领域的研究的一个重要热点。未来MgB2的发展趋势可能集中在以下:(1)要满足实用化的要求,必须制备出MgB2超导长带,需要确立相应的制备工艺并优化;(2)寻找价格低,化学性能稳定的套管材料;(3)元素掺杂对MgB2性能的影响。

聚苯胺纳米材料的制备及应用 篇3

关键词：聚苯胺；纳米材料；制备；应用

中图分类号：TB383 文献标识码：A 文章编号：1000－8136（2012）03－0042－02

聚苯胺具有原料易得，合成简便，掺杂机理独特，优良的环境稳定性、电磁微波吸收性能、电化学性能及光学性能和潜在的溶液和熔融加工性能等优点，被认为是最有希望在实际中得到应用的导电聚合物材料，在日用商品及高科技等方面有着广泛的应用前景。［1，2］因此，自MacDiarmid等发现其质子酸掺杂过程后，［3，4］聚苯胺一跃成为当今导电聚合物研究的热点和推动力之一，备受人们的关注。在这30多年期间，国内外相关学者们已对聚苯胺各方面进行了较为深入的研究。

1 聚苯胺的制备方法

聚苯胺通常由苯胺单体的化学氧化聚合或电化学氧化聚合的方法来制备，选择不同的合成方法和合成条件所得聚苯胺的微观形貌和各种物理、化学性质都有较大的差异。

1.1 化学氧化聚合

化学法制备聚苯胺一般是在酸性介质中把氧化剂直接加入到苯胺溶液中，使苯胺发生氧化聚合反应，生成粉末状的聚苯胺。苯胺的化学氧化合成法具有操作简单、反应条件容易控制等优点。研究较多的化学氧化聚合法主要有溶液聚合、乳液聚合、微乳液聚合与现场吸附聚合法等。

1.1.1 溶液聚合法

聚苯胺的溶液聚合是指在酸性溶液中用氧化剂使苯胺单体氧化聚合。化学氧化法能够制备大批量的聚苯胺，也是最常用的一种制备聚苯胺的方法。化学氧化法合成聚苯胺主要受到反应介质酸的种类及浓度、氧化剂的种类及浓度、单体浓度和反应温度、反应时间等因素的影响。质子酸是影响苯胺氧化聚合的重要因素，它主要起两方面的作用：提供反应介质所需的pH值和充当掺杂剂。苯胺化学氧化聚合常用的氧化剂有：H2O2、K2Cr2O8、MnO2、（NH4）2S2O8、FeCl3等。

1.1.2 乳液聚合法

乳液聚合有两大类型：①水包油（O/W）型，称为普通乳液聚合；②油包水（W/O）型，即反相乳液聚合。它们的差别主要体现在反应连续相的选择上，O/W型乳液的连续相是水，而W/O型乳液的连续相是有机溶剂。典型的乳液聚合过程为：以表面活性剂（如有机磺酸钠等）为乳化剂，同时加溶剂（如水、二甲苯）及苯胺，再用氧化剂（如过硫酸铵（NH4）2S2O8）引发聚合，反应结束用丙酮破乳，经洗涤、干燥即得产物聚苯胺。［5］乳液聚合所得聚苯胺在溶解性、热稳定性等方面优于溶液聚合法所得产品。

1.1.3 微乳液聚合法

微乳液聚合体系由水、苯胺、表面活性剂、助表面活性剂、有机溶剂等在适当配比下组成，所得微乳液中乳胶粒粒径分布比常规乳液聚合得到的乳胶粒径分布要窄，其分散液滴大小仅10～100 nm。与传统乳液聚合法相比，微乳液聚合法可大大缩短聚合时间，并且所得产物的电导率和产率均优于采用传统乳液聚合法合成的聚苯胺。

1.1.4 现场吸附聚合法

现场吸附聚合法也是化学氧化聚合法中的一种，它是在新配制的过硫酸铵和苯胺的酸性水溶液的混合液中浸入基体材料，使苯胺在基材的表面上直接发生氧化聚合反应，使得聚苯胺可以“吸附”沉积在基材的表面，形成一层致密的膜。［6］

1.2 电化学聚合法

电化学法制备聚苯胺是在含苯胺的酸性电解质溶液中，选择适当的电化学条件，使苯胺在阳极上发生氧化聚合反应，生成粘附于电极表面的聚苯胺薄膜或是沉积在电极表面的聚苯胺粉末。电化学氧化聚合的优点是聚合产物纯度高，反应条件简单且易于控制，没有氧化剂引起的污染，在电极上直接成的膜性能较好等。

2 聚苯胺的应用

聚苯胺具有许多优异的性能，如导电性、氧化还原性、电致变色性、质子交换性质以及光电转换特性等，在传感器、电致变色、抗静电、二次电池、电磁屏蔽、气体分离膜、电催化材料以及金属防腐等方面均有着广泛的应用前景。

2.1 导电性应用

聚苯胺不同于一般的导电聚合物，其导电性主要决定于两个因素：质子化程度（掺杂率）和分子链的氧化还原程度。当氧化还原程度一定时，聚苯胺电导率与溶液pH值、温度、水汽以及其他气体等有关。因此，可制作对pH、温度、湿度或者气体敏感的传感器，［7，8］如NH3、NO2、H2S气体指示器及湿度传感器等。

2.2 电化学效应及应用

由于聚苯胺具有多种氧化还原态，在水和非水溶液中都呈现可逆的氧化还原反应，因此具有较高的电荷存储能力，可作為电池或者超级电容器的电极材料。在水溶液中聚苯胺与Zn组成的电池电位可达2 V；［9］在非水溶液中聚苯胺与Li组成的电池可产生3～4 V的电位。

2.3 防腐性能的应用

聚苯胺具有氧化还原活性，可以与金属表面反应生成致密的钝化层，防止进一步的腐蚀反应。研究表明，聚苯胺保护膜层即使存在针孔缺陷，仍对金属材料具有防腐作用。聚苯胺涂层这种抗点蚀和抗划伤的能力是其他防腐涂层所不具备的。

2.4 其他性质及应用

聚苯胺的颜色可随着氧化态的变化而改变，而且这种颜色变化具有一定的对比度、可逆性和记忆特性，使其作为电致变色材料用于显示器、节能窗及伪装隐身等。聚苯胺还具有较好的电磁波吸收性能，可望用作微波吸收剂。此外，聚苯胺也可应用于电流变、印刷电路板的制作、光学信息存贮材料及电容器等领域。

参考文献：

［1］Liu H, Hu X, Wang J, et al., Macromolecules, 2002, 35.

［2］Park J, Park S, Koukitu A, et al., Synth. Met., 2004, 141.

［3］MacDiarmid A G, Chiang J C, Huang W S, et al., Mol. Cryst. Liq. Cryst., 1985, 125.

［4］MacDiarmid A G, Chiang J C, Halpem M, et al., Mol. Cryst. Liq. Cryst., 1985, 121.

［5］Osterholm J E, Cao Y, Klavetter F, et al., Synth. Met., 1993, 55.

［6］Travain S A, de Souza N C, Balogh D T, et al., J. Colloid Interface Sci., 2007, 316.

［7］Tan C K, Blackwood D J, Sensors and Actuators, 2000, 71（3）.

［8］Matsuguchi M, Io J, Sugiyama G, et al., Synthetic Metals, 2002, 128（1）.

［9］Ryu K S, Kim K M, Journal of Power Sources, 2007, 165（1）.

（编辑：尤俊丽）

Preparation and Application of Polyaniline Nanomaterials

Zhao Xiaoling, Liu Zhihua

Abstract: Due to its cost effective, facile synthesis process, environmental stability and adjustable conductivity, polyaniline （PANI）, one of the most attractive conductive polymers, has been studied intensively for more than 30 years. This paper describes the preparation and application of polyaniline nanomaterials.

Key words: polyaniline; nanomaterials; preparation; application

超导材料制备及应用 篇4

熔盐法制备BaPb0.75Bi0.25O3超导体

采用熔盐法成功制备出了BaPb0.75Bi0.25O3(BPBO)超导体,对其反应机理进行了研究,并对制得样品的.晶体结构、形貌及超导电性进行了测试和分析.X射线粉末衍射及磁性测量结果显示,在较高反应温度(500℃和600℃)下制备的样品具有较好的单相性,无杂相,晶体结构属四方晶系.最高的超导转变温度可达11.6 K.

作 者：陈永亮 崔雅静 张勇 赵勇 CHEN Yong-liang CUI Ya-jing ZHANG Yong ZHAO Yong 作者单位：磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室,超导研究开发中心,西南交通大学,成都,610031刊 名：低温物理学报 ISTIC PKU英文刊名：CHINESE JOURNAL OF LOW TEMPERATURE PHYSICS年，卷(期)：200830(3)分类号：O51关键词：BaPb0.75Bi0.25O3 熔盐法 超导电性

钢铁冶金及材料制备新技术 篇5

1、铁芯损耗的影响因素：

2、制备过程。

34、粉末冶金新技术主要内容：粉末制备新技术、成型新技术、烧结技术。

二、名词解释

1、高炉余压透平发电：是利用高炉冶炼的副产品——高炉炉顶煤气具有的压力能及热能，使煤气通过透平膨胀机做功，将其转化为机械能，驱动发电机或其它装置发电的一种二次能源回收方式。

2、干熄焦：干熄焦是利用冷的惰性气体，在干熄炉中与赤热红焦换热从而冷却红焦一种熄焦方法。

3、三维印刷：该法是根据印刷技术，通过计算机辅助设计，将粘结剂精确沉积到一层金属粉末上。这样反复逐层印刷, 直至达到最终的几何形状。

三、简答题

1、新型多功能融化还原竖炉的原理、结构、特点？

答：原理：将高炉炉缸的熔融还原和化铁炉的快速加热组合在一起，采用氧—煤技术实现高的燃烧温度，将处理劣质废钢、回收钢铁厂粉尘和冶炼合金母液融为一体，为短流程提供热装铁水或合金母液。

结构：①炉体、②加料和煤气系统、③出铁、④出渣和送风系统。

特点：1）原料适应性广；2）炉容小，产量高；3）投资少；4）环境友好；5）用途广。

2、熔融还原技术定义、原理？

答：熔融还原：不用高炉而在高温下，还原铁矿石的方法，其成分是与高炉铁水相近的液态生铁。

熔融还原技术原理：

给料机脱气O2煤干馏气体混合块煤 气化炉顶部 焦炭煤气

还原性气体

出炉气化炉熔融造渣液态铁 冷却除尘

4、烧结新技术？

答：1）微波烧结技术 微波烧结是通过被烧结粉体吸收微波，将电磁波能量直接转化成物质中粒子的能量，使其内部产生热而烧结的方法。

2）爆炸压制技术 爆炸压制又称冲击波压制，它在粉末冶金中发挥了很重要的作用，爆炸压制时，只是在颗粒的表面产生瞬时的高温，作用时间短，升温和降温速度极快。

3）放电等离子烧结（SPS）该技术是在粉末颗粒之间直接通入脉冲电流进行加热烧结，是将电能和机械能同时赋于烧结粉末的一种新工艺。

5、粉末还原？

答：工艺上所说的还原是指通过一种物质——还原剂，夺取氧化物或盐类中的氧（或酸根）而使其转变为元素或低价氧化物（低价盐）的过程。用还原剂还原金属氧化物及盐类来制取金属粉末是一种广泛采用的制粉方法。还原剂可呈固态、气态或液态；被还原的物料也可采用固态、气态或液态物质。在粉末冶金中，可采用气体、碳或某些金属作还原剂。

答：1）还原气体供气强度和流速的影响、2）还原气体压力的影响、3）还原温度的影响、4）气象组分的影响

7、劣质废钢利用和粉尘回收

答：1）适当的二次燃烧，有助二恶英等的分解

2）柱较高，其中的矿、焦和溶剂又能够吸收一部分生成的有害气体 3）煤气燃烧时也能将二恶英等有毒气体分解

一、填空

1、铁芯损耗的影响因素：

2、制备过程。

34、粉末冶金新技术主要内容：粉末制备新技术、成型新技术、烧结技术。

二、名词解释

1、高炉余压透平发电：是利用高炉冶炼的副产品——高炉炉顶煤气具有的压力能及热能，使煤气通过透平膨胀机做功，将其转化为机械能，驱动发电机或其它装置发电的一种二次能源回收方式。

2、干熄焦：干熄焦是利用冷的惰性气体，在干熄炉中与赤热红焦换热从而冷却红焦一种熄焦方法。

3、三维印刷：该法是根据印刷技术，通过计算机辅助设计，将粘结剂精确沉积到一层金属粉末上。这样反复逐层印刷, 直至达到最终的几何形状。

三、简答题

1、新型多功能融化还原竖炉的原理、结构、特点？

答：原理：将高炉炉缸的熔融还原和化铁炉的快速加热组合在一起，采用氧—煤技术实现高的燃烧温度，将处理劣质废钢、回收钢铁厂粉尘和冶炼合金母液融为一体，为短流程提供热装铁水或合金母液。

结构：①炉体、②加料和煤气系统、③出铁、④出渣和送风系统。

特点：1）原料适应性广；2）炉容小，产量高；3）投资少；4）环境友好；5）用途广。

2、熔融还原技术定义、原理？

答：熔融还原：不用高炉而在高温下，还原铁矿石的方法，其成分是与高炉铁水相近的液态生铁。

熔融还原技术原理：

给料机脱气O2煤干馏气体混合 块煤 气化炉顶部 焦炭煤气

还原性气体

出炉气化炉熔融造渣液态铁 冷却除尘

4、烧结新技术？

答：1）微波烧结技术 微波烧结是通过被烧结粉体吸收微波，将电磁波能量直接转化成物质中粒子的能量，使其内部产生热而烧结的方法。

2）爆炸压制技术 爆炸压制又称冲击波压制，它在粉末冶金中发挥了很重要的作用，爆炸压制时，只是在颗粒的表面产生瞬时的高温，作用时间短，升温和降温速度极快。

3）放电等离子烧结（SPS）该技术是在粉末颗粒之间直接通入脉冲电流进行加热烧结，是将电能和机械能同时赋于烧结粉末的一种新工艺。

5、粉末还原？

答：工艺上所说的还原是指通过一种物质——还原剂，夺取氧化物或盐类中的氧（或酸根）而使其转变为元素或低价氧化物（低价盐）的过程。用还原剂还原金属氧化物及盐类来制取金属粉末是一种广泛采用的制粉方法。还原剂可呈固态、气态或液态；被还原的物料也可采用固态、气态或液态物质。在粉末冶金中，可采用气体、碳或某些金属作还原剂。

答：1）还原气体供气强度和流速的影响、2）还原气体压力的影响、3）还原温度的影响、4）气象组分的影响

7、劣质废钢利用和粉尘回收

答：1）适当的二次燃烧，有助二恶英等的分解

2）柱较高，其中的矿、焦和溶剂又能够吸收一部分生成的有害气体 3）煤气燃烧时也能将二恶英等有毒气体分解

一、填空

1、铁芯损耗的影响因素：

2、制备过程。

34、粉末冶金新技术主要内容：粉末制备新技术、成型新技术、烧结技术。

二、名词解释

1、高炉余压透平发电：是利用高炉冶炼的副产品——高炉炉顶煤气具有的压力能及热能，使煤气通过透平膨胀机做功，将其转化为机械能，驱动发电机或其它装置发电的一种二次能源回收方式。

2、干熄焦：干熄焦是利用冷的惰性气体，在干熄炉中与赤热红焦换热从而冷却红焦一种熄焦方法。

3、三维印刷：该法是根据印刷技术，通过计算机辅助设计，将粘结剂精确沉积到一层金属粉末上。这样反复逐层印刷, 直至达到最终的几何形状。

三、简答题

1、新型多功能融化还原竖炉的原理、结构、特点？

答：原理：将高炉炉缸的熔融还原和化铁炉的快速加热组合在一起，采用氧—煤技术实现高的燃烧温度，将处理劣质废钢、回收钢铁厂粉尘和冶炼合金母液融为一体，为短流程提供热装铁水或合金母液。

结构：①炉体、②加料和煤气系统、③出铁、④出渣和送风系统。

特点：1）原料适应性广；2）炉容小，产量高；3）投资少；4）环境友好；5）用途广。

2、熔融还原技术定义、原理？

答：熔融还原：不用高炉而在高温下，还原铁矿石的方法，其成分是与高炉铁水相近的液态生铁。

熔融还原技术原理：

给料机脱气O2煤干馏气体混合 块煤 气化炉顶部 焦炭煤气

还原性气体

出炉气化炉熔融造渣液态铁 冷却除尘

4、烧结新技术？

答：1）微波烧结技术 微波烧结是通过被烧结粉体吸收微波，将电磁波能量直接转化成物质中粒子的能量，使其内部产生热而烧结的方法。

2）爆炸压制技术 爆炸压制又称冲击波压制，它在粉末冶金中发挥了很重要的作用，爆炸压制时，只是在颗粒的表面产生瞬时的高温，作用时间短，升温和降温速度极快。

3）放电等离子烧结（SPS）该技术是在粉末颗粒之间直接通入脉冲电流进行加热烧结，是将电能和机械能同时赋于烧结粉末的一种新工艺。

5、粉末还原？

答：工艺上所说的还原是指通过一种物质——还原剂，夺取氧化物或盐类中的氧（或酸根）而使其转变为元素或低价氧化物（低价盐）的过程。用还原剂还原金属氧化物及盐类来制取金属粉末是一种广泛采用的制粉方法。还原剂可呈固态、气态或液态；被还原的物料也可采用固态、气态或液态物质。在粉末冶金中，可采用气体、碳或某些金属作还原剂。

答：1）还原气体供气强度和流速的影响、2）还原气体压力的影响、3）还原温度的影响、4）气象组分的影响

7、劣质废钢利用和粉尘回收

答：1）适当的二次燃烧，有助二恶英等的分解

超导材料的发展和应用前景 篇6

超导材料是一种具有超导特性的新型材料, 它在一定低温条件下能排斥磁力线并且呈现出电阻为零的现象。超导现象从1911年发现至今已有100年, 在这百年历史中超导材料的物质结构、性质及品种逐渐清晰。超导材料必须在一定的温度以下才会产生超导现象, 这一温度称为临界温度。科学家昂内斯将汞冷却到4.2K才发现超导现象的, 这一温度是一个极低的温度, 无疑在这样的温度是不可能得到应用的。所以从超导现象发现的第一天起, 科学家们就一直朝着室温超导而奋斗, 只有寻求到高温超导材料, 才能使超导材料从实验室走向实际应用。

我国对超导体材料的探索以及相关的材料科学基础性研究方面一直保持或接近世界前沿, 1989年我国已研制成临界温度为132K的超导体, 1998年7月24日, 我国第一根由铋系高温超导材料制成的输电电线问世, 性能达到世界先进水平。

超导材料由于具有零电阻、完全抗磁性和超导隧道效应等优异的特性, 高温超导材料的用途非常广阔, 大致可分为三类:大电流应用、电子学应用和抗磁性应用。大电流应用即超导发电、输电和储能;电子学应用包括超导计算机、超导天线、超导器件等;抗磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。下面介绍几个较重要的应用。

2 超导强磁场磁体

具有超导电性的材料叫做超导体, 超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失, 导体没有了电阻, 电流经超导体时就不发生热损耗, 电流可以毫无阻力地在导线中形成强大的电流, 从而产生超强磁场。强磁场磁体在科学技术有着极为重要的应用, 与常规磁体相比, 它具有以下的优越性:第一, 超导磁体由于没有电阻产生的焦耳热损耗和磁介质的磁滞损耗, 不需要冷却水, 能耗低。要产生一个10T的稳态强磁场, 常规导体会消耗3.5MW的电能及大量的冷却水, 而相应的超导磁体只耗电几百瓦。第二, 轻便, 例如产生5T的中型超导磁体只有几公斤, 而常规磁体重二十吨。第三, 稳定性好, 均匀度高。超导磁体的用途举例如下:

(1) 核物理和高能物理中的应用。

为了探索物质结构的奥秘, 许多国家建造了一些高能粒子加速器。用磁场来约束带电粒子的运动轨道, 并协助加速。粒子的能量愈高, 为使粒子保持在同样半径的轨道上所要求的磁场愈强。所以, 大型加速器要使用超导磁体。

(2) 超导磁分离技术

由于磁性颗粒在高梯度磁场中能偏离或团聚, 从而和非磁性物质分开。超导磁体能产生高梯度磁场, 并且比常规磁分离功耗降低至三十分之一。因此在有色和稀有金属的回收, 黑色金属 (弱铁矿) 的分选, 非金属矿去杂, 水的净化、软化、磁化处理等方面都可以利用超导磁体, 据现在分析估计, 超导磁体分离技术将是超导电技术在工业生产和矿山中规模最大的应用领域。

(3) 在磁流体发受控热核聚变中的应用:

为了提高燃料的利用率, 用燃烧的煤粉、石油等高温 (2000K以上) 气体, 高速的喷射到发电通道中, 在高温气体中混入少量的钾, 铯等易电离的离化剂, 使高温气体离化成等离子体, 再沿着和流速u相垂直的方向上加一磁场, 正、负离子在洛伦兹力作用下向相反方向运动, 在这个方向上放置电极就可以获得电力。如果利用排出的高温气体来推动蒸汽涡轮机, 就成为磁流体发电机, 磁流体发电机的结构非常简单, 用于磁流体发电的高温导电性气体还可重复利用。当然磁流体发电要求磁场高达6万高斯, 磁场范围达数百平方米, 这只有超导体才能达到。

在核聚变反应时, 内部温度高达1×108~2×108℃, 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。

(4) 超导发电机、超导输电线和超导电磁推动器:

发电机的输出功率与磁感应强度、电枢电流强度的乘积成正比。用铜铁等制成的常规电机, 由于磁化强度的饱和所限, 磁感应强度难于大幅度增加, 若采用超导材料线圈, 磁化强度可以提高5~15倍, 并且几乎没有能量损失。这种交流超导发电机的单机发电容量达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。据统计, 目前的铜或铝导线输电, 约有15%的电能损耗在输电线路上, 光是在我国, 每年的电力损失即达1000多亿度。若改为超导输电, 节省的电能相当于新建数十个大型发电厂。高温超导变压器与常规变压器相比有体积小重量轻的优点, 它采用液氮作冷却剂, 没有污染环境或火灾的隐患。

超导磁体做成电磁推进器, 可以作为潜艇的动力, 在船体内部安装一个超导磁体, 在海水中产生强磁场, 同时在船体两侧安放电极, 在海水中形成强大的电流。在船尾后部的海水中磁场与电流发生相互作用力, 这样海水对船体就产生强大的反作用力, 也就是推动力。

3 超导量子干涉仪 (SQUID)

超导电子器件早已显示出巨大的优越性, 利用超导结的约瑟夫森隧道效应, 可以做成高灵敏度的磁传感器——超导量子干涉器件 (文献上常称为SQUID) 。超导量子干涉器件用于测量微弱磁场, 有极高的灵敏度, 频带为从直流到M Hz, 可应用于生物磁测量, 无损探伤, 大地测量等领域。这使得它在寻找矿藏等领域发挥了巨大的作用。

(1) 人体和生物磁场的探测:

利用超导磁场梯度计测量人体的心磁图、脑磁图和肺磁图等, 在临床上可能用于诊断心血管病, 矽肺病等, 也可在人体特异功能和气功机理、针灸机理等得研究中开展磁信号研究, 有助于揭开这些悬而未决问题的奥秘。

(2) 地质探矿:

大地电磁测量包括自然场源和人工可控场源方法:通过地表测得电磁信号反演地下电阻率分布, 由此推断大地构造和矿床, 大地电磁测量所涉及到的频率范围约为0.4~104Hz, 越低频率的信号越反应深度越深的信息, 现在在地球上大多数地区, 几公里以上的地表层信息大多已经查明, 人们希望探测的是3~5公里以下更深的地层, 几公里以下的深层信息对应于1Hz以下的电磁信号, 传统的大地电磁表在这低频段灵敏度很低, 而SQUID在低频段, 对于深层的大地电磁测量, 有十分明显的优越性。我国早期进行了天然场源大地电磁测量的实验, 近几年来又合作进行了人工场源大地电磁测量, 目前的工作重点是高温SQUID在野外环境中实验工作和数据有效性检验。

4 超导磁悬浮高速列车

随着社会的发展, 陆上交通运输极为拥挤, 提高列车的速度成了迫切需要解决的问题。超导磁悬浮列车可能是解决这个问题的最佳方案。超导磁悬浮的基本思想是由波维耳等提出的:在车辆底部安装超导磁体, 在轨道旁埋设一些闭合的铝环。当列车开动时, 超导磁体的磁场在铝环内感应出大的电流, 由楞次定律, 超导磁体和导体中感应电流之间的电磁相互作用必然产生一个向上的浮力 (排斥力) , 当浮力大于重力时, 列车就浮起来了。由于这些交通工具是在悬浮无摩擦状态下运行, 这将大大提高它们的速度和安静性, 并有效减少机械磨损。

5 超导逻辑器件与超导电脑

以超导隧道器件和SQUID为基本构件, 可以制成检测、放大、逻辑、存储等器件。例如, 将隧道结偏置在准粒子隧道效应伏安特性的非线性拐点附近, 便成为检测器, 响应率已接近量子极限。在放大功能方面, SQUID放大器最接近于通常晶体管放大器的作用, 并可提供噪声极低的功率增益。例如, 将高灵敏度的直流SQUID与尺寸较大的但电感量极低的输入线圈紧耦合, 利用输入信号对SQUID的临界电流作磁调制, 便可达到这一目的。但放大器的带宽和动态范围等尚须改进。在逻辑功能方面, 已采用超导器件制成与门、或门、非门。超导逻辑电路具有功率低、开关延迟时间小等优点。在超导环路中接入SQUID, 利用环路捕获的磁通的量子化特性, 可以制成随机存储器。这种存储器的特点是, (下转第61页) (上接第93页) 不进行读出或写入时器件内部功耗为零, 而且是“永久性”的存储, 运转速度极高。超导薄膜数字电路可用来制造高速、超小体积的大型计算机, 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。

6 超导故障限流器

高温超导元件在电力方面的应用, 可改善供电系统的安全性和可靠性。目前主要应用在超导限流器。在电厂, 高压输电、低压配电等电力系统中, 有时会因闪电轰击, 设备故障等引起短路, 对50Hz的电力系统而言, 一旦发生短路, 不可避免会产生很大的故障电流, 由于短路电流过大, 保守估计我国每年电力系统损失约在10几亿元。按照目前电力技术, 必须使用超导产品才能解决短路大电流瞬间冲击造成的电网损失, 因为当超导体内通过的电流超过某一数值Ic时, 超导体会由超导态变为正常态, Ic则称为临界电流。当外磁场强度超过某一数值Hc时, 超导现象也会消失, Hc称为临界磁场。因此, 要使物体处于超导状态, 必须使其温度、外磁场强度、通过的电流分别在Tc、Hc、Ic以下, 任何一个条件不具备, 物体就会从超导态变为正常态。因此Ic成为用超导材料制造限流器的极好条件, 限流器可在高电位运行, 正常运行时表现为零阻抗或极小阻抗, 几乎无损耗地通过额定电流;故障时可在几毫秒内作出反应, 瞬间的电阻增加限制了故障电流, 直至最终被与超导体串联的常规剩余电流断路器动作而消除故障。

从超导技术发展的历程来看, 新的更高转变温度材料的发现和制造工艺技术突破都有可能。目前高温超导材料正从研究阶段向应用发展阶段转变, 未来的十年是市场发展和高温超导材料产业化的十年。超导技术作为一类有重大发展潜力的应用技术, 已经进入实际应用开发与应用基础性研究相互推动, 逐步发展为高技术产业的阶段。

参考文献

[1]章立源.超导体[M].科学出版社, 1982.

[2]邵长泰, 张明明.物理[M].

超导材料制备及应用 篇7

【关键词】石墨稀 制备 光催化

1.引言

石墨稀是一种新型的二维蜂窝状的碳纳米材料。碳原子以sp2轨道杂化成键，有着很强的稳定性、大的比表面积、高导电性能、磁学性能和高吸附性等物理化学性质。将石墨稀作为载体，与各类金属催化剂制备成的石墨稀纳米复合材料，拥有更强的催化性能和效果。石墨烯复合材料的研究已经在光催化、电催化、医药应用等领域中开展并取得了一定的成果。在光催化领域的应用研究显得尤为突出和重要。

2.石墨稀纳米复合材料的制备

目前石墨烯的主要制备方法有：机械剥离法、化学还原法、晶体外延生长法、化学气相沉积法等，其中化学还原法是最简单有效的制备方法，应用化学还原法制备石墨烯以及其复合物可分为4类。

2.1 使催化剂前体在还原后的石墨烯上生长，并且对石墨烯表面进行不断的化学修饰，可避免石墨烯薄片聚集，还可以增强石墨稀与催化剂之间的相互作用。通过验证证明，经化学修饰后的石墨烯复合物的互溶性及反应的活性位都得到了增强。

2.2 首先使有着完美结构的催化剂尽可能沉积在石墨烯氧化物的表面上。在石墨烯氧化物表面上，有大量含氧官能团存在，使得催化剂能够均匀地分布在其表面上。在经对搭载有催化剂的石墨稀氧化物进行还原，便可得到石墨烯复合物。

2.3 利用原位生长和还原法制备，就是先把石墨烯的氧化物同催化剂前体进行混合，再经化学修饰和还原，来制备石墨烯复合物的实验手段。常用的还原剂有硼氢化钠等。

2.4 利用一锅生长法来制备石墨烯的复合物，通常把石墨烯的氧化物和催化剂前体先在高压反应釜中进行直接混合，这样，石墨烯氧化物被还原的同时，催化剂也在不断的生长。最终得到具有较好作用的化学键的石墨稀复合材料。

此外，超声化学法也常用于制备石墨稀复合材料。即利用超声波引发的特殊物理和化学条件，来加强和改善液-固非均匀体系的化学反应过程，强化反应传质过程，进而控制晶体生长以及团聚的发展，得到粒度分布较窄的超细颗粒。

3.石墨稀纳米复合材料的光催化应用

3.1 石墨稀提高光催化剂效率的原因

通过将光催化剂搭载到石墨稀上，形成石墨烯复合材料，可以很好的改善催化剂的性能，弥补光催化剂本身的不足。使石墨稀与某些光催化材料复合，可以适当减小禁带宽度，提高对可见光的利用效率，提高该催化剂的光催化率。石墨烯有高导电性，当电子得到能量激发时，能够轻易地迁移到石墨烯片层结构中，降低激发电子与空穴复合的概率，提高其催化效率。石墨烯有大的比表面积，可以很好地吸附污染物，并通过激发电子和空穴的氧化产物-自由基处理污染物。由此可见，石墨烯不仅起到吸附污染物的作用，而且还可以为光催化反应提供良好的反应位。

3.2 石墨稀复合材料的光催化应用研究

刘辉等人通过控制钛酸丁酯在氧化石墨烯表面原位水解的方法制备石墨烯与二氧化钛复合光催化剂，并进行了性能测定。由石墨稀-二氧化钛的SEM分析可知，在石墨稀表面生成了密集的二氧化钛纳米层，该结构可以加速催化反应，提高光催化的效率。由石墨稀紫外分析可知，二氧化钛吸收发生红移，同时提高了吸收强度，扩大了吸收波长的范围，有效改善了二氧化钛的禁带宽度，提高光催化效率。降解罗丹明B模拟污染物测试结果表明，石墨稀-二氧化钛复合材料在可见光区域有较强的吸收，同时，由于其表面的罗丹明B富集度提高，进而提高了其光催化活性。

周田等人利用超声化学法制备了CdS与石墨烯纳米复合材料，并对该复合催化剂进行了性质分析和光催化实验。实验表明，CdS与石墨烯纳米复合材料的衍射峰明显变宽，石墨烯上负载的CdS 尺寸小，原因是石墨烯的存在，阻止了CdS 晶粒的长大和团聚。在石墨稀的片层结构上，均匀地密布着CdS微粒，并形成了大的纳米层。依据石墨烯的特性，可作为性能优良的电子接受体，CdS 纳米粒子因受光激发后，产生的光生电子会迅速从CdS 转移到石墨烯的片层表面，使发射强度减弱，复合材料的吸收曲线发生了蓝移，且发光强度有显著地降低。

3.3 总结

众多的研究都表明，通过将光催化剂搭载到石墨稀上，形成纳米复合材料，可以很好地改善催化剂本身的禁带宽度大、激发电子与空穴的负荷率高等的缺点；同时，利用石墨稀本身的物理化学特性，如优异的导电性、大的表面积的等，大大的提高催化剂的光催化效率。因此，石墨稀复合材料将广泛的应用于光催化领域中。

4.应用展望

经研究发现，水将会成为未来的新能源。目前，利用光能催化分解水制氢的研究主要集中于无机半导体催化制氢、光生物催化制氢和还原水制氢，而已有的光催化分解水制氢体系效率低下，只能在紫外光范围内工作。所以，通过选择适当的催化剂，并与石墨稀复合形成的复合材料，探索一种高效的光催化制氢的体系变的十分重要，并有着很大的潜在实用价值。这将为石墨稀复合材料提供广大的发展空间。

【参考文献】

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[2]周田，陈炳地，姚爱华，王德平.CdS/石墨烯纳米复合材料的超声化学法制备及光催化性能. 无机化学学报，2013，29（2），231—236 .

[3]刘辉，董晓楠，孙超超.石墨烯/二氧化钛复合光催化剂的制备及可见光催化性能研究.陕西科技大学学报，2013，30（1），23—28.

[4]魏翠，丁天英，陈冰冰，郑楠，石川. 银在光催化分解NO反应中的光催化行为研究 .分子催化，2010，24（ 3），268- 273.