超导材料十篇

超导材料篇1

关键词：超导，超导材料，临界温度

 

超导是超导电性的简称，是指某些物体当温度下降至一定温度时，电阻突然趋近于零的现象。具有这种特性的材料称为超导材料.自超导发现至今，超导的研究和超导材料的研制已迅速发展，超导的临界温度已从开始的几开升至几十开甚至一百多开；而且超导材料的物质结构及性质已逐渐研究清楚。以液态氮温度下低温超导材料的研究与发展获得了成功，且已实现商品化，在医疗、电子输送、运输等方面获得应用；高温超导材料的发现，是最近几十年来物理学及材料科学领域中的重大突破之一，已引起全世界广泛关注，各国众多科学工作者参与超导的研究与发展工作，人们将很快会感受到它给社会带来的巨大变革。

1 超导材料的研究进展

1911年一个叫昂尼斯的荷兰物理学家做了一个试验，他把水银冷却到-40℃时，亮晶晶的液体水银像“结冰”一样变成了固体，然后，他把水银拉成细丝，并继续降低温度，同时测量不同温度下固体水银的电阻。当他把温度降到绝对温度4K（相当于－269℃）时，一个奇怪的现象出现了，即水银的电阻突然变成了零。这个奇怪现象不仅昂尼斯自己很感意外，而且轰动了物理学界，后来科学家把这个现象叫超导现象，把电阻等于零的材料叫超导材料。昂尼斯和许多科学家后来又发现了28种超导元素和8000多种超导化合物。但出现超导现象时的温度大都接近绝对零度，也就是-273℃的极低温，没有太大的实用可能性和经济价值。为了寻找可在比较高的温度下有超导现象的材料，世界上无数科学家为之奋斗了近60年，直到1973年，英美一些科学家才找到一种在23K（-25O℃）温度出现超导现象的铌-锗合金。此后这一纪录又保持了10多年。论文参考。在无数人为寻找在高温下有超导现象的材料时，幸运的贝特诺茨和缪勒在瑞士国际商用公司实验室工作时，终于发现一种镧铜钡氧陶瓷材料在43K（-230℃）的较高温度下出现了超导现象，前联邦德国人贝特诺茨和美国人缪勒立即成了在科学界引起轰动的新闻人物。为此，他们获得1987年的诺贝尔物理学奖。此后,美籍华人学者朱经武、中国物理学家赵忠贤领导的研究小组相继发现了在98K（-175℃）和78.5K（-194.5℃）有超导现象的超导材料。更令人振奋的是，美国和日本等科学家在1991年又发现了球状碳分子碳60在掺入钾、铯、钕等元素后，也有超导性。论文参考。有些科学家预测，球状分子碳60经过掺金属后，将来有可能在室温下出现超导现象，那时，超导材料就有可能像半导体材料一样，在世界引起一场工业革命和科技革命。

2超导材料的主要特性

2．1 零电阻效应

材料在一定温度以下，其电阻为零的现象称为材料的超导电现象。在一定温度下具有零电阻超导电现象的材料，称为超导体（Superconductor）。1911年荷兰著名低温物理学家昂纳斯（H.K.Onnes）发现在T＝4.1k下汞具有超导电性。采用“四引线电阻测量法”可测出超导体的R－T特性曲线，如图所示。

图中的为电阻开始急剧减小时的电阻值，对应的温度称为起始转变温度TS；当电阻减小到Rn/2时的温度称为中点温度TM；当电阻减小至零时的温度为零电阻温度T0。由于超导体的转变温度还与外部环境条件有关，定义在外部环境条件（电流，磁场和应力等）维持在足够低的数值时，测得的超导转变温度称为超导临界温度。

2．2 迈斯纳效应

1933年，迈斯纳（W.Meissner）发现：当置于磁场中的导体通过冷却过渡到超导态时，原来进入此导体中的磁力线会一下子被完全排斥到超导体之外（见下图），超导体内磁感应强度变为零，这表明超导体是完全抗磁体，这个现象称为迈斯纳效应。

迈斯纳效应示意图

实验表明，超导态可以被外磁场所破坏，在低于TC的任一温度T下，当外加磁场强度H小于某一临界值HC时，超导态可以保持；当H大于HC时，超导态会被突然破坏而转变成正常态。临界磁场强度HC，其值与材料组成和环境温度等有关。 超导材料性能由临界温度TC和临界磁场HC两个参数决定，高于临界值时是一般导体，低于此数值时成为超导体。

2 .3 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。论文参考。例如，原子量为199.55的汞同位素，它的TC是4.18开，而原子量为203.4的汞同位素，TC为4.146开。M与TC有近似关系：

＝常数

2 .4 约瑟夫森效应

当在两块超导体之间存在一块极薄的绝缘层时，超导电子（对）能通过极薄的绝缘层，这种现象称为约瑟夫森（Josephson）效应，相应的装置称为约瑟夫森器件。如图所示。

当通以低于临界电流值I0时，在绝缘薄层上的电压为零，但当电流I>I0时，会从超导态转变为正常态，出现电压降，呈现有阻态，这种器件具有显著的非线性电阻特性，可制成高灵敏度的磁敏感器件，应用在超高速计算机等场合。

3 超导材料及应用

3 .1低温超导材料

具有低临界转变温度（Tc＜30K＝在液氦温度条件下工作的超导材料，分为金属、合金和化合物。具有实用价值的低温超导金属是Nb(铌)，Tc为9.3K已制成薄膜材料用于弱电领域。合金系低温超导材料是以Nb为基的二元或三元合金组成的β相固溶体，Tc在9K以上。低温超导材料已得到广泛应用。在强电磁场中，NbTi超导材料用作高能物理的加速器、探测器、等离子体磁约束、超导储能、超导电机及医用磁共振人体成像仪等；Nb3Sn超导材料除用于制作大量小型高磁场（710T）磁体外，还用于制作受控核聚变装置中数米口径的磁体；用Nb及NbN薄膜制成的低温仪器，已用于军事及医学领域检测极弱电磁信号。低温超导材料由于Tc低，必须在液氦温度下使用，运转费用昂贵，故其应用受到限制。

3.2 高温超导材料

具有高临界转变温度()在液氮温度条件下工作的超导材料,主要为多元系氧化物，高温氧化物超导体的出现，突破了温度壁垒，把超导应用的温度从液氦提高到了液氮（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（Hc2（4K）＞ 50T），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。高温超导材料用途非常广泛，大致可分三大类：大电流应用、电子学应用和抗磁性应用. 大电流应用

是由于超导材具有零电阻和完全的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就可以获得的稳定强磁场.可用于制交流超导发电机，利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场提高到5万～6万高斯并没有能量损失，且单机发电容量比常规发电机提高5～10倍达1兆瓦，而体积却减少1/2，整机重量减轻1/3发电效率提高50﹪；可用于磁流发电机，利用高温导电性气体作导体不，并高速通过5万～6万高斯强磁场而发电，而且这种发电机具有结构简单和高温导电性气体可重复利用的优点；可利用超导输电线路利用超导导线和变压器可以几乎无损耗地输送电能，椐统计，按目前情况，如果将铜或铝导改为超导体，光是在中国节省电能相当于新建数十个大型发电厂. 超导材料在这些方面的应用是最诱人的;电子学应用包包括超导计算机、超导天线、超导微波器件等; 抗磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等.目前，超导材料仍处于试验研究阶段。但人们相信，随着超导材料临界温度的提高和材料加工技术的发展，它将会在许多高科技领域获得重要应用。

4 结语

超导材料的研究是当今世界上一门新兴的科学技术由于超导材料能影响人类生存的许多重要领域，各国的材料科学家都在竞相探索它的结构，研究它的性能，以求率先找到具有高临界温度的超导材料。可以这样说，高温超导材料的突破，必将深刻地促进尖端科学技术的发展，从而加速人类文明的进程。含苞待放的超导之花，必将带来一个缤纷的世界。

[ 参 考 文 献]

[1] 马文蔚，苏惠惠等.物理学原理在工程中技术中的应用[M].北京:高等教育出版社,1992.

[2 ] 李斌 . 新科技启蒙[M]. 北京 :中国劳动社会保障出版社,2001.

超导材料篇2

关键词 ：含超导光子晶体量子阱；传输矩阵法；透射谱；品质因素

中图分类号：0734 文献标示码：A 文章编号：1009-3044（2015）06-0257-02

Temperature Properties of Tunneling Modes of Photonic Crystal Quantum Well Containing Superconducting Material

YAO Ying-bo

（College of Communication and Electronic Engineering， Hunan City University， Yiyang 413000， China）

Abstract：The crystals quantum well， containing superconducting material， was designed， using of superconducting material dynamic adjustable temperature control index of refraction， and considering about the heat photosynthetic efficiency with thermal expansion effect， using the transfer matrix method， the transmission spectrum was calculated， and the temperature controlling characteristics of tunneling modes is analyzed. The results show that the tunneling modes are red-shifted with the temperature increasing， and the quality factor is lowered. The results have a certain reference value for design of multi-channel photonic filter.

Key words：containing superconducting photon crystal quantum well； transfer matrix method； transmission spectrum； quality factor

1 概述

光子晶体的带隙结构和滤波特性受光子晶体结构参数调控，其结构参数包括基元介质的折射率、介质的光学厚度及基本单元的周期数等。有类特殊介质叫超导，其特殊在于超导材料的折射率受温度、外磁场和光波频率调控。如果把超导材料引入到光子晶体中，作为光子晶体的基元介质，则光子晶体的结构参数就可以通过温度和外磁场调控，进一步调控光子晶体的带隙结构和滤波特性，表现出特殊的调控特性，因此受到人们的关注[1-4]。

光滤波是光子晶体的重要应用之一，光滤波通道可以通过一维光子晶体量子阱来实现[5-8]，其窄带的品质因数可以通过介质的折射率[5]、结构周期数[6]及双势垒结构[7]来调整。笔者把超导材料引入到一维光子晶体量子阱中，作为其中的基元介质，用传输矩阵法[9]研究了温度对通道频率和通道滤波特性的调控特性，进一步分析了该类光量子阱的应用前景，这对温敏传感器及光滤波器的设计有一定的指导意义。

2理论模型和计算方法

选择超导材料A和正常材料B，折射率和几何厚度分别用[nA]、[nB]和[lA]、[lB]表示。不考虑外加磁场，超导材料的折射率用二流体模型[1-5]描述。把周期性结构[（AB）n]插入到另一个周期性结构[（CD）m（CD）m]中，得到一维光子晶体[（CD）m（AB）n（CD）m]，其中A和C是同一种超导材料，但几何厚度不相同，而B和D也是同一种正常折射率介质，但几何厚度也不相同。介质C和D的折射率和几何厚度分别用[nC]、[nD]和[lC]、[lD]表示，m和n表示排列周期数，可以取任意正整数。当考虑材料的热光效应和热膨胀效应后，温度变化[ΔT]时，介质层的折射率变化量[Δn]和几何厚度变化量[Δd]分别如下[3]

[Δn=αnΔT] （1）

[Δd=βdΔT] （2）

式中[α]、[β]、n和d分别是介质层的热光系数、热膨胀系数、折射率和几何厚度。适当取值使光子晶体[（AB）n]的通带处于光子晶体[（CD）m]的禁带，则一维光子晶体[（CD）m（AB）n（CD）m]就构成光子晶体量子阱。

采用传输矩阵法[12]计算透射率，进一步分析温度透射谱的调控特性。

3 结果与分析

不考虑色散和吸收，假设所有材料都是非铁磁性材料。计算中材料和参数的选取参照文献[3]，即超导材料选YBa2Cu3O7（[Tc=92K，λ0=140nm]），[βA=13.4×10-6/K]；介质B选TiO2，[αB=-2.31×10-5/K]，[βB=8×10-6/K]，温度为25oC时，折射率[nB=2.2]。令温度[T=77K]时，[lA=105nm]，[lB=140nm]，取[lC=0.65lA]，[lD=0.65lB]。令光波垂直入射，数值计算一维光子晶体[（AB）8]和[（CD）16]在[T=10K]时的透射谱如图1所示。笔者对图1中超导特有的低频带隙不感兴趣，而是对第一、二带隙比较感兴趣，由图1可见，448～666THz频率范围内，光子晶体[（AB）8]的通带完全处于光子晶体[（CD）16]的第一个禁带内，把光子晶体[（AB）8]插入到光子晶体[（CD）8（CD）8]，便构成光子晶体量子阱[（CD）8（AB）8（CD）8]。

3.1温度对含超导材料光量子阱信道频率的调控

其它参数保持不变，温度分别取T=10K、30K、50K和70K，图2给出了不同温度下，含超导光子晶体量子阱[（CD）8（AB）8（CD）8]的透射谱。由图可见，不同温度下，与势阱的通带对应的光量子阱[（CD）8（AB）8（CD）8]的禁带内都有9个透射峰，这说明含超导材料的光量子阱与正常折射率介质的光量子阱一样，同样能产生共振隧穿模，同样能起窄带滤波的作用。但所不同的是，超导材料的折射率受温度和光波频率调控，当考虑材料的热光效应和热膨胀效应后，随着温度T的变化，光量子阱的折射率和结构参数将随之改变。光量子阱的共振隧穿模数由势阱周期数调控[6]，而隧穿模的位置由具体的结构参数（包括折射率、介质层厚度和周期数）调控，因此温度变化必将导致隧穿模的漂移，这在图2中明显表现出来。由图2可知，随着温度的升高，隧穿模向低频方向漂移，并且温度越高，隧穿模漂移现象越明显；由图2还可知，在温度变化量相同的情况下，频率越低，隧穿模漂移现象越明显。根据上述现象，认为含超导材料的一维光子晶体量子阱[（CD）m（AB）n（CD）m]可以用于设计温敏传感器，频率越低该类温敏传感器的越灵敏，温度越高越灵敏。

3.2温度对含超导材料光量子阱滤波品质因数的影响

透射峰的品质因数如下[10]：

[Q=ωδω=fcΔf] （3）

式中[fc]和[Δf]分别为隧穿模的中心频率和半峰全宽FWHM。由透射谱可得出每个隧穿模的中心频率和半峰全宽，代入上式可算出品质因数，图3给出了从左向右的第一、二和四个隧穿模在不同温度下的品质因数。随着温度的升高，图3的三条曲线都有下降的趋势（其它模式也可以得到类似的结果），且频率越高的模式下降的趋势越明显。这说明随着温度的升高，每个隧穿模的品质因数都降低，且高频率的隧穿模品质因数随温度变化的程度更大。基于此，可以考虑把含超导材料的一维光量子阱[（CD）m（AB）n（CD）m]用于设计多通道滤波器，该类光滤波器可以通过调整环境温度来调控信道的精细程度，到达温控品质因数的目的，而正常折射率介质组成的光量子阱的品质因数一般要通过调整介质折射率、周期数或双势垒结构来调控光通道的品质因数[6-8]，相比之下用超导材料温控信道品质因数更方便。

因数随温度T的变化

4结论

设计了含超导材料一维光子晶体量子阱[（CD）m（AB）n（CD）m]，采用传输矩阵法计算了透射谱，分析了温度对隧穿模频率及品质因数的调控规律，得到如下结论：

1）含超导材料一维光子晶体量子阱与由正常材料组成的一维光子晶体量子阱一样，都能产生隧穿模；

2）可以达到温控隧穿模的目的，温度升高，同一隧穿模的频率向低频端漂移。采用该温控特性可以设计出势阱内低频端温度敏感的温度传感器；

3）温度越低，同一隧穿模的品质因数越高，达到温控滤波品质因数的目的。同一温度下，频率越高，隧穿模的品质因数越高。

参考文献：

[1] 武继江，高金霞.含特异材料一维超导光子晶体的带隙特性研究[J]. 物理学报， 2013， 62（12）： 124102.

[2] Wu Jijiang， Gao Jinxia. Extraordinary optical properties of Fibonacci quasi-periodic 1D superconducting photonic crystals in near-zero-permittivity operation range[J]. Optoelectronics Letters， 2013， 9（4）： 289-292.

[3] 高金霞， 武继江. 温度对超导光子晶体带隙的影响研究[J]. 科学技术与工程， 2014， 14（24）： 8-12.

[4] 武继江， 纪蒙， 谭春鹏， 毛保奇.含超导材料Thue-Morse序列一维光子晶体传输特性研究[J].低温与超导， 2011， 39（7）： 56-58.

[5] 苏安，蒙成举，高英俊. 实现高品质滤波功能的一维光子晶体量子阱滤波器[J].中国激光，2013，40（10）： 1006001.

[6] 苏安，蒙成举，高英俊. 结构周期数对光量子阱透射品质的影响研究[J].激光与光电子学进展， 2013，50（1）： 189-194.

[7] 潘继环，苏安，蒙成举.介质折射率对光子晶体量子阱滤波性能的调制[J].红外与激光工程，2014，43（3）： 833-837.

[8] 康永强，高鹏，刘红梅等.单负材料组成一维光子晶体双量子阱结构的共振模[J].物理学报，2015，64（6）： 064207.

超导材料篇3

【关键词】 超材料 专利

一、概述

超材料通常由人造微结构单元周期阵列而成，人造微结构单元的尺寸相对于其工作波长很小（通常小于1/10），使得构成的超材料整体对电磁波具有调控功能。超材料具有的奇异特性及其巨大的潜在应用前景，使其逐渐成为近年来研究的热点，专利数量也不断增加。（图1）

二、超材料领域专利热点解析

目前的超材料专利申请主要分为以下几类：

2.1构建和调整人造微结构单元的形式

构建和调整人造微结构单元的形式，使得构成的超材料特性具有自然界普通材料所没有的电磁特性，例如负介电常数负磁导率负折射率、具有极端值（如较高和较低）的介电常数和磁导率、在较宽范围内具有平稳变化的介电常数和磁导率 [1]。该方向专利申请的主题偏重于材料，且相关申请中的超材料大多通过在介质基板上附着金属人造微结构图案这种方式构成，基于金属人造微结构图案构成的超材料在其电磁谐振处对电磁场将具有奇特的电特性或磁特性[2]。

2.2对超材料具有的奇异电磁参数特性进行应用

A.利用介电常数 在天线中加入具有单负介电常数的超材料人造图形，利用单负介电常数所具有的禁带特性，减小贴片天线的尺寸[3]。

B.利用磁导率 与单负介电常数一样，单负磁导率也可具有禁带特性，因而用于天线中也具有使天线具有小尺寸的优点[4]。

C.利用折射率特性 将超材料与自然界中普通材料间隔周期排列，这两种材料具有绝对值相同、但符号相反的折射率，如此排布的结构可使入射电磁波沿原路径返回[5]。

D.利用波阻抗 在传统的天线罩中引入具有特殊电磁特性的超材料，使得天线罩整体的阻抗与空气相匹配，减小分界面上的反射以增强天线罩的透波性能[6]。

2.3对超材料的应用研究逐渐走向高精尖

从目前与超材料应用相关的专利申请中，不难窥见对超材料进行进一步研究的几个方向。

A.使超材料的工作频段可调 超材料具有色散特性，其电磁特性参数是随着频率变化而变化的，具有应用价值的特殊的电磁特性参数只在特定频段出现[7]。

B.使超材料宽频化 超材料所具有的色散特性使其只在很窄的频段内可体现奇异的电磁特性，拓宽超材料的工作频宽，具有重要的现实意义。

C.一些特殊的电磁参数点值 零值电磁参数的研究因其具有相位裁剪、无限速度受到越来越多的关注。

三、结论

在政府的大力扶持和引导以及对市场的培育下，国内专利申请持续快速增长，但这种快速发展下，申请质量亟待提升和加强。基于公司、大学和科研机构在超材料领域的研究中所占有重要的地位，进一步深化企业与科研院所的产学研合作，标准超材料领域在发展过程中遇到的突出问题，集中优化利用各种资源，促进超材料技术迅速发展。企业需要提升知识产权意识，利用知识产权联盟、专利池等手段有限整合知识产权资源。

参 考 文 献

[1] Douglas H. Werner，State College，PA（US），anisotropic metamaterial gain-enhancing lens for antenna applications：US，13/464492[P]

[2] Marconi Caswell Limited，London，Structure with magnetic properties：US，09/622856[P]

[3] Oticon A/S，Miniture patch antenna：EP，09150234.4[P]

[4] 西安电子科技大学，基于超材料的射频识别分形天线：CN，201310482276.3[P]

[5] The Boeing Company，Chicago，IL（US），Patterned optical material and metamaterial for protection form and defect of directed energy：US，12/566156[P]

超导材料篇4

本书着重介绍了光子晶体和超材料这一研究领域的几个专题，该领域是过去10年中发展最迅速的学科之一。 超材料是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构的有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出天然材料固有的普通性质的超常材料功能，超材料包括光子晶体、超磁性材料、左手材料等。其中，光子晶体是由具有不同反射率的材料在空间交替构成的一种周期结构，E. Yablonovitch和S. John于1987年独立地提出了光子带隙（Photonic Bandgap）材料即光子晶体的概念。光子晶体的最根本特征是具有光子禁带，落在禁带中的光是被禁止传播的。由于光在与其波长相匹配的周期结构中运动时，受到周期的散射和衍射，于是便产生了光的频率禁阻，在该系统中，某些频段的电磁波强度因破坏性干涉呈指数衰减，无论横向还是纵向的振动都无法在介质中传播，从而形成电磁波能隙。

本书精选了近年来体现光子晶体和超材料的发展和重要进展的相关主题和文章，包括已经发表的上述期刊和会议论文，使读者可以深入了解当今光子晶体和超材料这一研究领域的重要成果和追踪发展趋势。由于光子晶体和超材料具有的上述独特性质，这些年对光子晶体和超材料的研究兴趣迅速增长，最明显的是其相关出版物的稳步增长速度，包括新创立的光子晶体和超材料专题期刊，和举办的相关会议和研讨会。这些交流活动也促进了光子晶体和超材料的发展，有利于国际上开展具有先进水平的研究工作。来自学术界和工业界的著名科学家在光子晶体和超材料学科上进行了广泛的讨论，并提出和开发了大量新型应用，涉及各个应用方面，包括建模、现象分析、实验和技术方面。

本书作者是来自意大利那不勒斯费德里克二世大学的Antonello Andreone，主编为意大利德尔桑尼奥大学的Andrea Cusano、Antonello Cutolo和Vincenzo Galdi。利用光子晶体和超材料可以实现一些非常奇特的物理现象，这些现象和相关原理在本书各章中均作了详细说明，每章均由各专业领域内的知名学者任编辑，主要内容有：光子晶体和超材料；准光子晶体的共振导引传播；光组装分子；方向性增强天线的电磁带隙超材料；变换电磁学机理；电磁隐身衣在非辐射取消电流的应用；生物传感的光子晶体；负磁导率超材料波导中的慢光效应；二维和三维光子晶体的制备。

本书适用的读者为对电磁学、光学、信息和纳米技术感兴趣的研究生和研究人员。

超导材料篇5

关键词：高温超导体；电缆设计；高温超导电力应用

中图分类号：TM249.7 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）04-0152-02

当今社会，中国发展进入快车道，快速的经济发展离不开电力的支撑，但我国电力负荷很不均衡，是东部地区用电量极大却能源短缺，而西部地区用电量远不如东部，但西部却有丰富的风能、水能、太阳能等自然能源，电力资源丰厚。因此对西部能源的开发利用支持中东部发展变得极为重要。国家电网在“十二五”发展计划中，提出“西电东输”方案，阐明将发展特高压交直流输电作为我们的重要使命，超导输电的发展刻不容缓。

相较于传统的高压交变电流输送，使用高温超导材料输送电能可以避免因电阻损耗、电磁阻尼等引起的能量损耗，因此将高温超导输电技术投入实际势在必行。本文将从高温超导体的原理介绍与输电特性出发，探讨高温超导体制作输电电缆的可能性，并提出一种电缆设计，最后对于我国的电力输送进行展望。

1 高温超导电缆的特性和原理介绍以及对于输电的潜力

自荷兰科学家卡麦林・昂尼斯在100年前发现超导体后，超导体的重大应用价值引起世界各国极大重视，相继投入开始高温超导体的研究。二十世纪后期，发现液氮温区的高临界温度超导体之后，高温超导材料的制备技术取得重大突破，使得长距离使用超导电缆进行输电的设想成为可能。

高温超导材料的临界参数有三个，分别是临界温度、临界磁场和临界电流。最初发现的超导材料临界温度极低，只有通过液氦进行降温才能达到，液氦的成本过高，不具有实用性。但高温超导体只需温度达到77K时就有超导的能力，在相对低廉的液氮的冷却下就可以达到目的，因而有广泛的应用意义。

综合来看，高温超导电缆存在五方面优点：（1）较低的线路耗损。经实验室研究，高温超导电缆的导体的输电耗损还不到常规铜制电缆的10%，运行中的能量消耗不足常规电缆的50%，尤其是直流输电时候，耗损达到了非常低的量级；（2）输送容量大。截面电流的输送能力是常规电缆的3到5倍；（3）过载电流大。在短时间能耐受短路电流，允许过载周期较长，系统稳定性高；（4）杂散电场和磁场少；（5）送电通道小，结构紧凑。

总体来看，超导电缆具有的低线路损耗、大截流能力和小电缆体积等优点，能够满足电压不用太高，线损却可以大大减少的长距离大容量的电能输送问题，从根本上解决“西电东输”中遇到的困难。

2 高温超导输电电缆的现状

根据超导材料特性的差异，超导电缆可以分为低温电缆和高温电缆。低温超导电缆一般才去的是NbTi/Cu或Nb3Sn/cu复合低温超导线材的实现方法，临界温度分别为9.5K和18.1K，必须在液氦温区下运行；高温超导电缆一般采用BSSCO氧化物超导材料来实现输电功能，临界温度约为110K，可以在液氮的制冷温度下运行。液氮温区的冷却系统要比液氦温区的简单，所以高温超导电缆应用前景更加广阔。

高温超导电缆的主要结构一般是由电缆本身、电缆控制终端和低温制冷周边构成。电缆内的导电的芯体、电绝缘外套和恒温低温管组成了电缆的本体部分，其中，在低温恒温管中，一般会安装由超导线或超导带绕制而成的线缆作为芯体的部分，而外部电源或用电设备通过电流引线与电缆的终端连接。常温绝缘超导电缆的绝缘层和低温绝缘超导电缆的绝缘层的位置往往不同，常温的绝缘方式一般是在恒温低温管的外界和内部的交界处设置绝缘材料。

现阶段主流的电缆设计和电缆的材料选择如图1所示。

低温区是由导体和绝缘层组成，结构非常紧凑。在导体上缠绕的是低温绝缘超导电缆的绝缘层。其中为了降低载流磁场的影响，在绝缘层外又覆盖了屏蔽层，如图2所示。

目前实用的高温超导带状材料如下，它的主要结构有四层：自上而下分别为YBCO、CeO2、YSZ、Y2O3。这种材料临界温度就在77K以上。

使用此实用的临界电流密度最高达到1000000A /cm2，此电流是在临界磁场为0T，临界温度为77K时候可以达到的。如此高的临界电流密度相当于现用输电线的得最大电流密度的100倍以上，可以实现单向的大容量直流输电，且相对来说质量和体积都较小，到直流输电时候电能损耗可以降到非常低的水平，维持液氮温度造成的能量损失也常规损耗小得多，使得输电能源消耗低，效率高。总而言之与传统输电相比，高温超导输电的主要优越性可归纳为：（1）容量大。超导输电线路的传输容量比交流输电大3～5倍，最高每线上负载的能量可以到达千万千瓦的级别，直流输电更可以到达亿千瓦的界别级别，可以非常好的完成用电高峰下的输电任务。（2）损耗低。进行交流输电时，超导电缆的能损耗不足现所用输电电缆的1/10，而直流输电时损耗更可以忽略不计。超导电缆所需的冷却系统带来的损耗，在较远距离、大容量送电的情况下，输电时总损耗是可以降低至使用一般电缆消耗的1/4到1/2。有数据表明，当1000公里长的电缆的输电功率在500万千瓦时的时候，总功耗可以控制在在2%到3%之间，明显小于用一般电缆的功耗。

3 现有的输电电缆设计及其存在的局限性

目前也有多种关于高温超导输电缆的设计，但以目前实际来看难以用包管试的方法生产YBCO带材，圆形的输电线路生产技术难度高，暂无法用于西电东输似的超长距离的输电。而如果将导线设计为扁状则可显著降低生产难度，更加符合目前技术状况，或许可以在西电东输中使用。

4 对于长距离直线输电和转弯部分电缆的设计和构想

下面是我对于该电缆高温超导材料部分的初步设想：整个电缆由许多单位共同串联组成，作为电缆导线的核心。图中中间灰色部分为一个个扁带状的YBCO高温超导材料。四周的白色部分为屏蔽层，同时也做输电作用（只需在核心的外层使用），为了提高材料的利用可将材料堆积成正六边形或正十二边形等等，趋近于圆。一排排孔槽可由激光扫射加工制出（必须足够光滑整齐），将相同对称的屏蔽层板完全对称重合中间形成的孔洞。两个屏蔽层之间所形成的孔洞中灌入液氮冷却。使之温度降到临界温度以下，从而达到超导的条件。

因为灌输液氮的孔径小，液氮的流动成为问题，所以建议在海拔不同，有相对高度差的地方采用，而我国东西四大阶梯独特的地形拥有高地势差的条件，恰好满足这一特殊要求。采用这种设计可以充分利用地势差的能量，为了使液氮流动更加顺畅，还可以在电缆始端使用高塔进一步加大压强，使流速更快，在一些中转站同样可以采取一些方式促进流速，使电缆温度可以保持恒定低温。

考虑到超低温下材料的物理性质的改变，尤其是采用此方法，不能使其自然弯曲，可以专门生产转弯时的弯角设计如图3所示。

需要指出的是，在生产时必须使材料间堆积极为密切，以保证电流的通路和冷却效果的充分实现。

对于液氮的回收利用则在一个个中转站进行，每隔较长距离后的中转站接受上一个中转站流过来的液氮重新压缩冷却后灌入下一节管道之中，最终全部汇集到东部地区的最末接收站之中，运用于其他事项或转运回西部地区的发电厂。从长远看最好是在发电厂周围建一个冷凝站通过液化空气同时制液氮和纯氧，氧气还可以用于医疗等行业，为西部提高医疗等方面做奠基。

在材料做好后在外层分别包上真空与特级绝热材料、高温超导屏蔽带、电绝缘和绝缘护套成电缆。

5 结语

此设计可以尽可能的降低所需的技术难度，尽早的可以投入实际运用，同时对各部分能源都得到充分利用。可以用于西电东输，将西部充分的风能资源利用起来，通过设计的长距离直线高温超导材料输电电缆将宝贵的电能输送到东部，以缓解中国电能的能源问题。节能，不足需要改进（比如在堆叠的YBCO高温超材料之间，并未找出合适的足够薄的材料进行隔绝，也想不出弯角部分如何与直线部分如何完美对接）。

参考文献

[1]严陆光，肖立业，林良真，戴少涛.大力发展高电压、长距离、大容量高温超导输电的建议[J].电工电能新技术，2012，01：1-7.

[2]刘黎明，杨培志，黄宗坦.高温超导线（带）材的研究进展[J].低温与超导，2006，（01）：48-51+67.

[3]王岳.高温超导材料及其应用前瞻[J].材料开发与应用，2013，（02）：1-7.

[4]切顺，李永胜，徐峰. 高温超导材料的发展和应用现状[J].材料开发与应用，2014，（04）：95-100.

超导材料篇6

关键词：超硬刀具 刀具材料 金刚石

一、超硬刀具材料发展概况

超硬刀具材料是指天然金刚石及硬度、性能与之相近的人造金刚石和CBN（立方氮化硼）。由于天然金刚石价格比较昂贵，所以生产上大多采用人造聚晶金刚石（PCD）、聚晶立方氮化硼（PCBN）以及它们的复合材料。

早在20世纪50年代，美国就利用人造金刚石微粉和CBN微粉在高温、高压、触媒和结合剂的作用下烧结成尺寸较大的聚晶块作为刀具材料。之后，南非戴比尔斯（DeBeem）公司、前苏联和日本也相继研制成功。20世纪70年代初又推出了金刚石或CBN和硬质合金的复合片，它们是在硬质合金基体上烧结或压制一层0.5mm～1mm的PCD或PCBN而成，从而解决了超硬刀具材料抗弯强度低、镶焊困难等问题，使超硬刀具的应用进入实用阶段。

我国超硬刀具材料的研究与应用开始于上个世纪70年代，并于1970年在贵阳建造了我国第一座超硬材料及制品的专业生产厂第六砂轮厂，从1970—1990年整整20年中，超硬材料年产量从仅46万克拉增至3500万克拉。上个世纪90年代前后，不少超硬材料生产专业厂从国外引进成套的超硬材料合成设备及技术，使产量得以迅速提高，至1997年，我国人造金刚石年产量就已达到5亿克拉左右，CBN年产量达800万克拉，跃居世界超硬材料生产大国之首。

金刚石具有极高的硬度和耐磨性，其显微硬度可达10000HV，是刀具材料中最硬的材料。同时它的摩擦系数小，与非铁金属无亲和力，切屑易流出，热导率高，切削时不易产生积屑瘤，加工表面质量好，能有效地加工非铁金属材料和非金属材料，如铜、铝等有色金属及其合金、陶瓷、末烧结的硬质合金、各种纤维和颗粒加强的复合材料、塑料、橡胶、石墨、玻璃和各种耐磨的木材（尤其是实心木和胶合板等复合材料）。

金刚石的缺点是韧性差，热稳定性低。700一800℃时容易碳化，故不适于加工钢铁材料。因为在高温下铁原子容易与碳原子作用而使其转化为石墨结构。此外，用它切削镍基合金时，同样也会迅速磨损。

二、超硬刀具的主要品种及应用

目前，在世界上已经应用或正在试验中的超硬刀具材料的主要品种有以下几种。

1.天然和人工合成大单晶金刚石

单晶金刚石有天然金刚石（ND）和人工合成金刚石两种。单晶金刚石用于制作切削刀具必须是大颗粒的（质量大于0.1g，最小径长不得小于3mm）。ND是目前已知矿物中最硬的物质，其显微硬度可达10000HV，耐磨性好，而且切削刃非常锋利，刃部粗糙度值小，摩擦因数低，抗黏结性好，热导率高，切削时不易黏刀及产生积屑瘤，加工表面质量好。天然金刚石的硬度、抗磨损与抗腐蚀性和化学稳定性保证了刀具的超长寿命，能保证持续长久的正常切削，并减少由于刀具磨损对被加工零件的影响；其较高的导热系数又可降低切削温度和零件的热变形。天然大单晶金刚石的优良特性可满足精密及超精密切削对刀具材料的大多数要求，虽然其价格昂贵却仍被公认为是理想的精密及超精密切削工具材料。可广泛地应用于加工原子核反应堆及其它高技术领域的各种反射镜、导弹和火箭中的地航陀螺、计算机硬盘基片，加速器电子枪的超精密加工以及传统手表零件、首饰、制笔、有色金属装饰件的精密加工等。此外，还可以用于制造医用刀具。ND的缺点主要是与铁族元素接触时有化学反应， 在700～800℃时将碳化（即石墨化），一般不适于加工钢铁材料。

2.聚晶金刚石和聚晶金刚石复合刀片

PCD又称金刚石烧结体，它是在高温、高压下，通过钴等金属结合剂将许多金刚石单晶粉聚晶成的多晶体材料。虽其硬度稍低于天然单晶金刚石，但它是随机取向的金刚石晶粒的聚合，属各向同性，无解理面。因而它不像大单晶金刚石那样在不同晶面上的强度、硬度及耐磨性有很大的差别，以及因解理面的存在而呈脆性。在切削时，切削刃对意外损坏不很敏感，抗磨损能力也较强，可长时间保持锋利的切削刃，加工时可采用很高的切削速度和较大的背吃刀量，使用寿命一般高于WC基硬质合金刀具10～50倍，而且PCD原料来源丰富，其价格只有ND的几十分之一至十几分之一，PCD刀具具有极高的硬度及寿命、很低的摩擦系数、锋利的刀刃、优异的导热性和低膨胀系数等特点，现已成为传统WC基硬质合金刀具的高性能替代品。聚晶金刚石复合片（PDC）刀具材料是在PCD研究的基础上发展起来的。硬质合金作为PCD的基体材料既有好的韧性和一定的硬度，同时又具有可焊性以及与PCD的某种兼容性。所以它既具有金刚石的硬度和耐磨性，又具有硬质合金的韧性和可焊性之优点。

3.CVD金刚石

CVD金刚石是在低压下制备的，它不同于大单晶金刚石，而PCD、PDC是在高温高压下合成的。CVD金刚石包括三类：第一种是在适当基体上沉积的CVD金刚石涂层（包括类金刚石DLC涂层）；第二种是沉积厚度达1mm的无支撑的CVD金刚石厚膜；第三种是在金刚石晶种上外延生长的CVD金刚石单晶膜或准单晶膜。CVD金刚石由于是不含任何金属催化剂的纯金刚石，因此它的热稳定性接近天然金刚石。同高温高压人工合成聚晶金刚石一样，CVD聚晶金刚石晶粒也呈无序排列，无脆性解理面而呈各向同性。CVD涂层刀具与PCD、PDC刀具相比，具有刀具形状复杂、成本低、一片多刀刃等优点。然而，也存在金刚石涂层与基体之间结合强度低以及对有CVD金刚石涂层的刃口进行研磨处理时容易分层剥落的缺陷。

到目前为止，CVD金刚石的应用市场还不大；CVD金刚石厚膜与PDC相比，主要优点是其热稳定性好，缺点是晶粒间的内聚强度低，内应力大、相对脆性大和不导电性。特别是缺乏导电性， 阻碍了它在电火花（EDM）切割、抛光加工技术中的应用。而该项技术在金刚石刀具加工业，尤其是在木材加工用刀具的生产和修整上得到了广泛应用。

4.聚晶立方氮化硼

目前，市场上聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具按成分和制造方法可分为3种：整体聚晶立方氮化硼刀具、聚晶立方氮化硼复合片以及电镀立方氮化硼刀具。它具有极高的硬度与耐磨性，具有很高的耐热性，具有良好的化学稳定性和导热性，摩擦系数也较低，PCBN与PCD、PDC刀具材料有着相似的结构与性质，但耐磨性比PCD、PDC要差。然而PCBN具有良好的抗化学腐蚀性，且在1200℃的高温下，表现出良好的热稳定性。目前50%的PCBN刀具用于汽车制造业， 包括用于加工汽车发动机箱体、刹车盘、传动轴、气缸孔、发动机进出气阀座等，另外，约20%用于重型设备（如轧辊）的加工。近年来，随着计算机加工技术的迅猛发展以及数控机床普遍使用，可实现高效率、高稳定性、长寿命加工的PCBN刀具的应用也日益普及，同时还引入了许多先进的切削加工概念，如高速切削、硬态加工、以车代磨、干式切削等。PCBN刀具材料已成为现代切削加工中不可缺少的重要的刀具材料。

参考文献：

[1]邓福铭，陈启武.PDC超硬复合刀具材料及其应用[M].北京：化学工业出版社，2003.

超导材料篇7

关键词：半导体材料 量子线 量子点材料

上世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命；上世纪70年代初石英光导纤维材料和gaas激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。纳米科学技术的发展和应用，将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、操纵和制造功能强大的新型器件与电路，必将深刻地影响着世界的政治、经济格局和军事对抗的形式，彻底改变人们的生活方式。

一、硅材料

从提高硅集成电路成品率，降低成本看，增大直拉硅（cz-si）单晶的直径和减小微缺陷的密度仍是今后cz-si发展的总趋势。目前直径为8英寸（200mm）的si单晶已实现大规模工业生产，基于直径为12英寸（300mm）硅片的集成电路（ic’s）技术正处在由实验室向工业生产转变中。目前300mm，0.18μm工艺的硅ulsi生产线已经投入生产，300mm，0.13μm工艺生产线也将在2003年完成评估。18英寸重达414公斤的硅单晶和18英寸的硅园片已在实验室研制成功，直径27英寸硅单晶研制也正在积极筹划中。

从进一步提高硅ic’s的速度和集成度看，研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺所需的大直径硅外延片会成为硅材料发展的主流。另外，soi材料，包括智能剥离（smart cut）和simox材料等也发展很快。目前，直径8英寸的硅外延片和soi材料已研制成功，更大尺寸的片材也在开发中。

理论分析指出30nm左右将是硅mos集成电路线宽的“极限”尺寸。这不仅是指量子尺寸效应对现有器件特性影响所带来的物理限制和光刻技术的限制问题，更重要的是将受硅、sio2自身性质的限制。尽管人们正在积极寻找高k介电绝缘材料（如用si3n4等来替代sio2），低k介电互连材料，用cu代替al引线以及采用系统集成芯片技术等来提高ulsi的集成度、运算速度和功能，但硅将最终难以满足人类不断的对更大信息量需求。为此，人们除寻求基于全新原理的量子计算和dna生物计算等之外，还把目光放在以gaas、inp为基的化合物半导体材料，特别是二维超晶格、量子阱，一维量子线与零维量子点材料和可与硅平面工艺兼容gesi合金材料等，这也是目前半导体材料研发的重点。

二、gaas和inp单晶材料

gaas和inp与硅不同，它们都是直接带隙材料，具有电子饱和漂移速度高，耐高温，抗辐照等特点；在超高速、超高频、低功耗、低噪音器件和电路，特别在光电子器件和光电集成方面占有独特的优势。

目前，世界gaas单晶的总年产量已超过200吨，其中以低位错密度的垂直梯度凝固法（vgf）和水平（hb）方法生长的2-3英寸的导电gaas衬底材料为主；近年来，为满足高速移动通信的迫切需求，大直径（4，6和8英寸）的si-gaas发展很快。美国莫托罗拉公司正在筹建6英寸的si-gaas集成电路生产线。inp具有比gaas更优越的高频性能，发展的速度更快，但研制直径3英寸以上大直径的inp单晶的关键技术尚未完全突破，价格居高不下。

gaas和inp单晶的发展趋势是：（1）增大晶体直径，目前4英寸的si-gaas已用于生产，预计本世纪初的头几年直径为6英寸的si-gaas也将投入工业应用。（2）提高材料的电学和光学微区均匀性。（3）降低单晶的缺陷密度，特别是位错。（4）gaas和inp单晶的vgf生长技术发展很快，很有可能成为主流技术。

三、半导体超晶格、量子阱材料

半导体超薄层微结构材料是基于先进生长技术（mbe，mocvd）的新一代人工构造材料。它以全新的概念改变着光电子和微电子器件的设计思想，出现了“电学和光学特性可剪裁”为特征的新范畴，是新一代固态量子器件的基础材料。

1.ⅲ-v 族超晶格、量子阱材料。gaaias/gaas，gainas/gaas，aigainp/gaas；galnas/inp，alinas/inp，ingaasp/inp等gaas、inp基晶格匹配和应变补偿材料体系已发展得相当成熟，已成功地用来制造超高速，超高频微电子器件和单片集成电路。高电子迁移率晶体管（hemt），赝配高电子迁移率晶体管（p-hemt）器件最好水平已达fmax=600ghz，输出功率58mw，功率增益6.4db；双异质结双极晶体管（hbt）的最高频率fmax也已高达500ghz，hemt逻辑电路研制也发展很快。基于上述材料体系的光通信用1.3μm和1.5μm的量子阱激光器和探测器，红、黄、橙光发光二极管和红光激光器以及大功率半导体量子阱激光器已商品化；表面光发射器件和光双稳器件等也已达到或接近达到实用化水平。

2.硅基应变异质结构材料。硅基光、电器件集成一直是人们所追求的目标。但由于硅是间接带隙，如何提高硅基材料发光效率就成为一个亟待解决的问题。虽经多年研究，但进展缓慢。人们目前正致力于探索硅基纳米材料（纳米si/sio2），硅基sigec体系的si1-ycy/si1-xgex低维结构，ge/si量子点和量子点超晶格材料，si/sic量子点材料，gan/bp/si以及gan/si材料。最近，在gan/si上成功地研制出led发光器件和有关纳米硅的受激放大现象的报道，使人们看到了一线希望。

另一方面，gesi/si应变层超晶格材料，因其在新一代移动通信上的重要应用前景，而成为目前硅基材料研究的主流。si/gesi modfet和mosfet的最高截止频率已达200ghz，hbt最高振荡频率为160ghz，噪音在10ghz下为0.9db，其性能可与gaas器件相媲美。

超导材料篇8

    一、21世纪物理学的几个活跃领域

    蒸蒸日上的凝聚态物理学

    自从80年代中期发现了所谓高临界温度超导体以来，世界上对这种应用潜力很大的新材料的研究热情和乐观情绪此起彼伏，时断时续。这种新材料能在液氮温区下传导电流而没有阻抗。高临界温度超导材料的研究仍是今后凝聚态物理学中活跃的领域之一。目前，许多国家的科学工作者仍在争分夺秒，继续进行竞争，向更高温区，甚至室温温区超导材料的研究和应用努力。可以预计，这个势头今后也不会减弱，此外，高临界温度的超导材料的机械性能、韧性强度和加工成材工艺也需进一步提高和解决。科学家们预测，21世纪初，这些技术问题可以得到解决并将有广泛的应用前景，有可能会引起一场新的工业革命。超导电机、超导磁悬浮列车、超导船、超导计算机等将会面向市场，届时，世界超导材料市场可望达到2000亿美元。

    由不同材料的薄膜交替组成的超晶格材料可望成为新一代的微电子、光电子材料。超晶格材料诞生于20世纪70年代末，在短短不到30年的时间内，已逐步揭示出其微观机制和物理图像。目前已利用半导体超晶格材料研制成许多新器件，它可以在原子尺度上对半导体的组分掺杂进行人工“设计”，从而可以研究一般半导体中根本不存在的物理现象，并将固态电子器件的应用推向一个新阶段。但目前对于其他类型的超晶格材料的制备尚需做进一步的努力。一些科学家预测，下一代的电子器件可能会被微结构器件替代，从而可能会带来一场电子工业的革命。微结构物理的研究还有许多新的物理现象有待于揭示。21世纪可能会硕果累累，它的前景不可低估。

    近年来，两种与磁阻有关的引起人们强烈兴趣的现象就是所谓的巨磁阻和超巨磁阻现象。一般磁阻是物质的电阻率在磁场中会发生轻微的变化，而巨磁和超巨磁可以是几倍或数千倍的变化。超巨磁现象中令人吃惊的是，在很强的磁场中某些绝缘体会突变为导体，这种原因尚不清楚，就像高临界温度超导材料超导性的原因难以捉摸一样。目前，巨磁和超巨磁实现应用的主要障碍是强磁场和低温的要求，预计下世纪初在这方面会有很大的进展，并会有诱人的应用前景。

    可以预计，新材料的发展是21世纪凝聚态物理学研究重要的发展方向之一。新材料的发展趋势是：复合化、功能特殊化、性能极限化和结构微观化。如，成分密度和功能不均匀的梯度材料；可随空间时间条件而变化的智能材料；变形速度快的压电材料以及精细陶瓷材料等都将成为下世纪重要的新材料。材料专家预计，21世纪新材料品种可能突破100万种。

    等离子体物理与核聚变

    海水中含有大量的氢和它的同位素氘和氚。氘既重氢，氧化氘就是重水，每一吨海水中含有140克重水。如果我们将地球海水中所有的氘核能都释放出来，那么它所产生的能量足以提供人类使用数百亿年。但氘和氚的原子核在高温下才能聚合起来释放能量，这个过程称为热核反应，也叫核聚变。

    核聚变反应的温度大约需要几亿度，在这样高的温度上，氘氚混合燃料形成高温等离子体态，所以等离子体物理是核聚变反应的理论基矗1986年美国普林斯顿的核聚变研究取得了令人鼓舞的成绩，他们在tftr实验装置上进行的超起动放电达到20千电子伏，远远超过了“点火”要求。1991年11月在英国卡拉姆的jet实验装置上首次成功地进行了氘氚等离子体聚变试验。在圆形圈内，2亿度的温度下，氘氚气体相遇爆炸成功，产生了200千瓦的能量，虽然只维持了1.3秒，但这为人类探索新能源——核聚变能的实现迈进了一大步。这是90年代核能研究最有突破性的工作。但目前核聚变反应距实际应用还有相当大的距离，技术上尚有许多难题需要解决，如怎样将等离子加热到如此高的温度？高温等离子体不能与盛装它的容器壁相接触，否则等离子体要降温，容器也会被烧环，这就是如何约束问题。21世纪初有可能在该领域的研究工作中有所突破。

    纳米技术向我们走来

    所谓纳米技术就是在10[-9]米（即十亿分之一米）水平上，研究应用原子和分子现象及其结构信息的技术。纳米技术的发展使人们有可能在原子分子量级上对物质进行加工，制造出各种东西，使人类开始进入一个可以在纳米尺度范围，人为设计、加工和制造新材料、新器件的时代。粗略的分，纳米技术可分为纳米物理、纳米化学、纳米生物、纳米电子、纳米材料、纳米机械和加工等几方面。

    纳米材料具有常规材料所不具备的反常特性，如它的硬度、强度，韧性和导电性等都非常高，被誉为“21世纪最有前途的材料”。美国一研究机构认为：任何经营材料的企业，如果现在还不采取措施研究纳米材料的开发，今后势必会处于竞争的劣势。

    纳米电子是纳米技术与电子学的交叉形成的一门新技术。它是以研究纳米级芯片、器件、超高密度信息存储为主要内容的一门新技术。例如，目前超高密度信息存储的最高存储密度为10[12]毕特／平方厘米，其信息储存量为常规光盘的10[6]倍。

    纳米机械和加工，也称为分子机器，它可以不用部件制造几乎无任何缝隙的物体，它每秒能完成几十亿次操作，可以做人类想做的任何事情，可以制造出人类想得到的任何产品。目前采用分子机器加工已研制出世界上最小的（米粒大小）蒸汽机、微型汽车、微型发电机、微型马达、微型机器人和微型手术刀。微型机器人可进入血管清理血管壁上的沉积脂肪，杀死癌细胞，修复损坏的组织和基因。微型手术刀只有一根头发丝的百分之一大小，可以不用

开胸破腹就能完成手术。21世纪的生物分子机器将会出现可放在人脑中的纳米计算机，实现人机对话，并且有自身复制的能力。人类还有可能制造出新的智能生命和实现物种再构。

    “无限大”和“无限斜系统物理学

    “无限大”和“无限斜系统物理学是当今物理学发展的一个非常活跃的领域。天体物理和宇宙物理学就属于“无限大”系统物理学的范畴，它从早期对太阳系的研究，逐步发展到银河系，直到对整个宇宙的研究。热大爆炸宇宙模型作为本世纪后半叶自然科学中四大成就之一是当之无愧的。利用该模型已经成功地解释宇宙观测的最新结果。如宇宙膨胀，宇宙年龄下限，宇宙物质的层次结构，宇宙在大尺度范围是各向同性等重要结果。可以说具有暴胀机制的热大爆炸宇宙模型已为现代宇宙学奠定了一定的基矗但是到目前为止，关于宇宙的起源问题仍没有得到解决，暴胀宇宙论也并非十全十美，事实上想一次就能得到一个十分完善的宇宙理论是很困难的，这还有待于进一步的努力和探索。

    “无限大”系统物理学还有两个比较重要的问题是“类星体”和“暗物质”。“类星体”是1961年发现的，一个类星体发出的光相当于几千个星云，而每个星云相当于1万亿个太阳所发出的光，所以对类星体的研究具有十分重大的意义。60年代末，科学家们发现一个编号为3c271的类星体，一天之内它的能量增加了一倍，到底是什么原因使它的能量增加如此迅速？有待于21世纪去解决。“暗物质”是一种具有引力，看不见，什么光也不发射的物质。宇宙中百分之九十以上的物质是所谓的“暗物质”，这种“暗物质”到底是什么？我们至今仍不清楚，也有待于下世纪去解决。

    原子核物理和粒子物理学则属于“无限斜系统物理学的范畴，它从早期对原子和原子核的研究，逐步发展到对粒子的研究。粒子主要包括强子（中子、质子、超子、л介子、k介子等）、轻子（电子、μ子、τ轻子等）和媒介子（光子、胶子等）。强子是对参与强相互作用粒子的总称，其数量几乎占粒子种类的绝大部分；轻子是参与弱相互作用和电磁相互作用的，它们不参与强相互作用；而媒介子是传递相互作用的。目前，人们已经知道参与强相互作用的粒子都是由更小的粒子“夸克”组成的，但是至今不能把单个“夸克”分离出来，也没有观察到它们可以自由地存在。为什么“夸克”独立不出来呢？还有一个不能解释的问题是“非对称性”，目前我们已有的定理都是对称的，可是世界是非对称的，这是一个有待于解决的矛盾。寻找独立的夸克和电弱统一理论预言的、导致对称性自发破缺的h粒子、解释“对称”与“非对性”的矛盾，是21世纪粒子物理学研究的前沿课题之一。

    从表面上看“无限大”系统物理学与“无限斜系统物理学似无必然的联系。其实不然，宇宙和天体物理学家利用广义相对论来描述引力和宇宙的“无限大”结构，即可观察的宇宙范围；而粒子物理学家则利用量子力学来处理一些“无限斜微观区域的现象。其实宇宙系统与原子系统在某些方面有着惊人的相似性。预计21世纪“无限大”系统物理学将会与“无限斜系统物理学结合得更加紧密，即宏观宇宙物理学和微观粒子物理学整体联系起来。热大爆炸宇宙模型就是这种结合的典范，实际上该模型是在粒子物理学中弱电统一理论的基础上建立起来的。可以预计，这种结合对科技发展和应用都会产生巨大的影响。

    二、跨世纪科学技术的发展趋势

    科学技术能否取得重大突破的关键取决于基础科学的发展。所以，首先必须重视基础科学的研究，不能忽视更不能简单地以当时基础科学成果是否有用来衡量其价值。相对论和量子力学建立时好像与其他学科和日常生活无关，直到20世纪中期相对论和量子力学在许多科学领域中引起深刻的变革才引起人们的足够重视。可以说，20世纪几乎所有的重大科技突破，像原子能、半导体、激光、计算机等，都是因为有了相对论和量子力学才得以实现。可以说，没有基础科学就没有科学技术、社会和人类的发展。

    20世纪重大科技成果的成功经验证明，不同学科间的互相交叉、配合和渗透是产生新的发明与发现，解释新现象，取得科学突破的关键条件之一。例如，核物理与军事技术的交叉产生了原子弹；半导体物理与计算技术的交叉产生了计算机。可以预计，21世纪待人类掌握核聚变能的那一天，一定是核物理、等离子体物理、凝聚态物理和激光技术等学科的交叉和配合的结果。这也是21世纪科学技术的发展趋势之一。

超导材料篇9

关键词： 负磁导率； 负介电常数； K波段； 谐振腔； 微带天线

中图分类号： TN822?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）05?0093?04

Abstract： According to the correlation theories of the electromagnetic material， an electromagnetic metamaterial with negative permeability and negative permittivity was designed， which is composed of a novel resonator and metal wire. The novel resonator has raised its resonance frequency in a relatively large cell size by means of the way of the small resonant cavity paralle?ling， which can realize the negative permeability and negative permittivity characteristics of the electromagnetic metamaterial at K?band， ensure the radiating area of the material， and overcome the difficulty that it is hard to apply to the high?frequency metamaterial because of its small size. A K?band microstrip antenna was designed， on which the new resonator is loaded. The antennas with the loaded resonator and without the loaded resonator are conducted for simulation comparisons with HFSS. The simulation results show that， in comparison with the common antennas， the performance of the microstrip antenna loaded with the novel resonator has improved obviously， the VSWR below 2 db is increased by 58.3%， the gain is increased as well， and the directivity of the antenna is improved because of the inhibition of the side lobes on the resonator.

Keywords： negative permeability； negative permittivity； K?band； resonance cavity； microstrip antenna

0 引 言

目前，电磁超材料以其奇异的电磁特性受到人们的广泛关注，其中包括负介电材料、负磁导率材料和双负材料。电磁双负材料是指介电常数和磁导率同时为负的人工合成超材料，其理论最早在文献[1]中于20世纪60年代被证实。文献[2]提出周期性排列的导电金属线和金属谐振环（SRR）分别在一定频率下可以实现负介电常数和负磁导率。以此为基A，文献[3]设计出了一种金属杆和金属谐振环周期性排列的复合材料，最终使其同时呈现出双负特性，从此引发了人们对电磁超材料研究的热潮。文献[4?5]提出可以通过传输线周期性加载串联电容和并联电感的方式设计出复合左右手传输线结构，从而实现负折射率。

微带天线是一种低剖面、能够很好适应载体结构的天线，由于其重量轻、易于制作、尺寸小等特点受到人们的青睐，微带天线在越来越多设备上的应用也使得人们对它的各种性能提出了更多的要求，其缺点如增益较低、方向性差、损耗大、频带较窄等问题亟待克服[6]。电磁超材料进入人们的视野以后，有人提出可以将双负材料应用在微带天线上，利用超材料对天线表面波的抑制，使微带天线的许多性能得到改善。文献[7]设计出一种树枝状的电磁双负材料并将其应用在微带天线上，由于新型天线的侧向辐射被超材料吸收，天线的定向性得到了提高，同时天线的带宽和增益也有所增加。

目前所提出的双负材料由于受尺寸影响，大多集中在C波段及X波段，在微带天线上的应用也集中于X波段以下，对于更高频率电磁超材料的研究和应用还很少。这是由于高频率的电磁超材料其单元尺寸通常会变小，而较小尺寸的超材料又受其辐射面积的影响，难以应用在微带天线上。本文提出了一种新型六边形谐振器与金属线组合而成的电磁超材料，通过较小谐振环并联的方式，在尺寸不变的情况下，提高了材料的谐振频率，在K波段实现了介电常数和磁导率同时为负。同时设计出一种同频段的微带天线，并将新型谐振器加载在天线上，利用HFSS软件对加载谐振器的天线和普通天线进行仿真对比，结果表明，加载新型谐振器的微带天线各项性能都得到了改善，实现了较高频段电磁超材料在微带天线上的应用。

1 新型双负材料的设计与仿真

目前提出的双负材料大多会受到尺寸的限制，谐振频率普遍偏低，为解决这一难题，本文提出的电磁双负材料通过加载等效电容和等效电感实现复合左右手传输线结构[8]，实现了较大单元大尺寸超材料在高频段的介电常数和磁导率同时为负。这类结构的等效电路如图1所示。

可以看出，电路总体可以分为两部分：虚线左边的并联支路和虚线右边的串联支路，两者共同组成了复合左右手传输线结构。以矩形谐振环为例，其中并联支路由C型谐振环产生，其谐振频率为：

式中：[S]为矩形线圈横截面积；[l]为谐振腔开口宽度；[ε]为空气的介电常数；[a，b]分别为矩形线圈中线位置的长和宽；[d]为矩形线圈金属条的宽度；[μ0]为真空磁导率。

从式（2）可以看出，电容[C1]的大小与谐振腔开口宽度有关，而其开口宽度需要根据负磁导率和负介电常数出现的频率范围进行调整，故而不考虑电容[C1]的影响。由式（3）不难看出，电感[L1]的大小随着谐振腔尺寸的增大而增大，再根据式（1）得出，谐振频率[fm]随着谐振腔尺寸的增大而减小。因此较高频段的双负材料其单元尺寸必然变小，受辐射面积影响难以应用在微带天线上。所以目前提出的电磁双负材料及其所应用到的微带天线，频率范围受结构尺寸的限制，大多集中在C波段以及X波段。

本文提出的双负材料包括一块介质基板和覆盖在介质基板上的新型谐振器与一条矩形金属导线，介质基板选择介电常数为4.4的FR4?epoxy，厚度为0.25 mm。新型谐振器由厚度为0.1 mm的铜片制成，结构如图2所示，由一个三角形和六条金属线形成三个小的谐振环，整体呈现为正六边形。

从电路图和式（4）可以看出，新型谐振器相当于将两侧的两个小的谐振腔并联，其谐振频率约等于单个小谐振腔的谐振频率，所以相比较于文献[2]提出的单个谐振腔，同等尺寸下新型谐振器的谐振频率变大，从而在较大尺寸下同时实现了高频段的负磁导率和负介电常数。

通过电磁软件HFSS对材料进行仿真得到其[S]参数，再根据参数提取的方法，利用Matlab计算出新型谐振器的介电常数和磁导率，结果如图5所示。由图5可以看出，在18.8 GHz处，新型材料实现了介电常数和磁导率同时为负值，证明新型谐振器与金属条组合的材料为电磁双负超材料。

2 新型谐振器微带天线的设计与仿真分析

2.1 微带天线的设计

设计微带天线中心频率为[f=]18.8 GHz，其结构采用文献[9]中设计的矩形微带天线，如图6所示。选用Arlon AD270作为介质基板，相对介电常数[εr=]2.7，厚度[h=]0.5 mm，辐射贴片宽度、长度比选为1.5。利用Matlab计算出天线尺寸：辐射贴片长度[L=]4.38 mm，宽度[W=]6.57 mm，敷铜厚度[s=]35 μm，微带线的线宽[W1=]1.25 mm，馈线长度[L1=]0.5 mm，参考长度和宽度分别为辐射贴片长度和宽度的1.5倍。

根据微带天线和电磁超材料的尺寸，在微带天线两侧的对称位置各加一个由新型超材料组成的贴片，每个贴片上放置两个新型谐振器，制成基于新型谐振器的微带天线，如图7所示。其中超材料与微带天线的距离[s=]2.82 mm，两个谐振器之间的距离[d=]0.54 mm。

2.2 仿真结果及分析

2.2.1 天线的驻波比

按照上文计算的天线尺寸，利用HFSS软件分别对加载新型谐振器微带天线和未加载谐振器的微带天线进行仿真，得到两种天线的驻波比，如图8所示。

从图8可以看出，未加载新型谐振器的微带天线其驻波比小于2的频率范围为19.00～19.12 GHz，加载新型谐振器材料的微带天线驻波比小于2的频率范围为18.91～19.10 GHz，带宽增加了58.3%，说明加载的新型谐振有效增加了天线的带宽，改善了天线的窄带特性。与此同时，天线的中心频率向低频移动了约75 MHz。

2.2.2 天线的方向图

利用HFSS软件仿真得到两种天线的史密斯圆图，如图9所示。可以看出，加载新型谐振器的微带天线在0°的天线增益为7.2 dB，未加载谐振器的微带天线增益为6.4 dB，说明天线正向的增益得到了加强。同时可以看出加载谐振器的微带天线方向图变窄，侧向与背向辐射减弱，说明谐振器有效地抑制了天线副瓣，使得天线的定向性得到了提高。

3 结 论

鉴于目前提出的电磁双负材料及其应用的电磁器件的频率范围由于单元尺寸限制，大多集中于较低的C波段及X波段，本文设计了一种新型谐振器与金属线组成的双负材料，利用较小谐振腔并联的方式在较大尺寸下提高了谐振频率，通过HFSS软件仿真模拟，验证了该双负材料在18.8 GHz处出现了双负通带，既在高频段实现了双负特性，又保证了材料的辐射面积，从而得以应用在K波段的微带天线上，克服了较高频段双负超材料由于单元尺寸太小而难以应用的困难。同时设计出一种同频段的微带贴片天线，并将新型谐振器加载在天线上。通过仿真对比加载新型谐振器的微带天线和未加载新型谐振器的微带天线的性能，结果表明，加载新型的谐振器增大了天线的带宽，提高了天线的增益，并且有效抑制了天线的旁瓣，使得天线的定向性得到了改善，最终实现了高频段电磁双负材料在微带天线上的应用。

参考文献

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[7] 朱忠奎，罗春荣，赵晓鹏.一种新型的树枝状负磁导率材料微带天线[J].物理学报，2009（9）：6152?6157.

超导材料篇10

超硬刀具材料是指天然金刚石及硬度、性能与之相近的人造金刚石和CBN(立方氮化硼)。由于天然金刚石价格比较昂贵，所以生产上大多采用人造聚晶金刚石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)以及它们的复合材料。

早在20世纪50年代，美国就利用人造金刚石微粉和CBN微粉在高温、高压、触媒和结合剂的作用下烧结成尺寸较大的聚晶块作为刀具材料。之后，南非戴比尔斯(DeBeem)公司、前苏联和日本也相继研制成功。20世纪70年代初又推出了金刚石或CBN和硬质合金的复合片，它们是在硬质合金基体上烧结或压制一层0.5mm～1mm的PCD或PCBN而成，从而解决了超硬刀具材料抗弯强度低、镶焊困难等问题，使超硬刀具的应用进入实用阶段。

我国超硬刀具材料的研究与应用开始于上个世纪70年代，并于1970年在贵阳建造了我国第一座超硬材料及制品的专业生产厂第六砂轮厂，从1970—1990年整整20年中，超硬材料年产量从仅46万克拉增至3500万克拉。上个世纪90年代前后，不少超硬材料生产专业厂从国外引进成套的超硬材料合成设备及技术，使产量得以迅速提高，至1997年，我国人造金刚石年产量就已达到5亿克拉左右，CBN年产量达800万克拉，跃居世界超硬材料生产大国之首。

金刚石具有极高的硬度和耐磨性，其显微硬度可达10000HV，是刀具材料中最硬的材料。同时它的摩擦系数小，与非铁金属无亲和力，切屑易流出，热导率高，切削时不易产生积屑瘤，加工表面质量好，能有效地加工非铁金属材料和非金属材料，如铜、铝等有色金属及其合金、陶瓷、末烧结的硬质合金、各种纤维和颗粒加强的复合材料、塑料、橡胶、石墨、玻璃和各种耐磨的木材(尤其是实心木和胶合板等复合材料)。

金刚石的缺点是韧性差，热稳定性低。700一800℃时容易碳化，故不适于加工钢铁材料。因为在高温下铁原子容易与碳原子作用而使其转化为石墨结构。此外，用它切削镍基合金时，同样也会迅速磨损。

二、超硬刀具的主要品种及应用

目前，在世界上已经应用或正在试验中的超硬刀具材料的主要品种有以下几种。

1.天然和人工合成大单晶金刚石

单晶金刚石有天然金刚石(ND)和人工合成金刚石两种。单晶金刚石用于制作切削刀具必须是大颗粒的(质量大于0.1g，最小径长不得小于3mm)。ND是目前已知矿物中最硬的物质，其显微硬度可达10000HV，耐磨性好，而且切削刃非常锋利，刃部粗糙度值小，摩擦因数低，抗黏结性好，热导率高，切削时不易黏刀及产生积屑瘤，加工表面质量好。天然金刚石的硬度、抗磨损与抗腐蚀性和化学稳定性保证了刀具的超长寿命，能保证持续长久的正常切削，并减少由于刀具磨损对被加工零件的影响；其较高的导热系数又可降低切削温度和零件的热变形。天然大单晶金刚石的优良特性可满足精密及超精密切削对刀具材料的大多数要求，虽然其价格昂贵却仍被公认为是理想的精密及超精密切削工具材料。可广泛地应用于加工原子核反应堆及其它高技术领域的各种反射镜、导弹和火箭中的地航陀螺、计算机硬盘基片，加速器电子枪的超精密加工以及传统手表零件、首饰、制笔、有色金属装饰件的精密加工等。此外，还可以用于制造医用刀具。ND的缺点主要是与铁族元素接触时有化学反应，在700～800℃时将碳化(即石墨化)，一般不适于加工钢铁材料。

2.聚晶金刚石和聚晶金刚石复合刀片

PCD又称金刚石烧结体，它是在高温、高压下，通过钴等金属结合剂将许多金刚石单晶粉聚晶成的多晶体材料。虽其硬度稍低于天然单晶金刚石，但它是随机取向的金刚石晶粒的聚合，属各向同性，无解理面。因而它不像大单晶金刚石那样在不同晶面上的强度、硬度及耐磨性有很大的差别，以及因解理面的存在而呈脆性。在切削时，切削刃对意外损坏不很敏感，抗磨损能力也较强，可长时间保持锋利的切削刃，加工时可采用很高的切削速度和较大的背吃刀量，使用寿命一般高于WC基硬质合金刀具10～50倍，而且PCD原料来源丰富，其价格只有ND的几十分之一至十几分之一，PCD刀具具有极高的硬度及寿命、很低的摩擦系数、锋利的刀刃、优异的导热性和低膨胀系数等特点，现已成为传统WC基硬质合金刀具的高性能替代品。聚晶金刚石复合片(PDC)刀具材料是在PCD研究的基础上发展起来的。硬质合金作为PCD的基体材料既有好的韧性和一定的硬度，同时又具有可焊性以及与PCD的某种兼容性。所以它既具有金刚石的硬度和耐磨性，又具有硬质合金的韧性和可焊性之优点。

3.CVD金刚石

CVD金刚石是在低压下制备的，它不同于大单晶金刚石，而PCD、PDC是在高温高压下合成的。CVD金刚石包括三类：第一种是在适当基体上沉积的CVD金刚石涂层(包括类金刚石DLC涂层)；第二种是沉积厚度达1mm的无支撑的CVD金刚石厚膜；第三种是在金刚石晶种上外延生长的CVD金刚石单晶膜或准单晶膜。CVD金刚石由于是不含任何金属催化剂的纯金刚石，因此它的热稳定性接近天然金刚石。同高温高压人工合成聚晶金刚石一样，CVD聚晶金刚石晶粒也呈无序排列，无脆性解理面而呈各向同性。CVD涂层刀具与PCD、PDC刀具相比，具有刀具形状复杂、成本低、一片多刀刃等优点。然而，也存在金刚石涂层与基体之间结合强度低以及对有CVD金刚石涂层的刃口进行研磨处理时容易分层剥落的缺陷。

到目前为止，CVD金刚石的应用市场还不大；CVD金刚石厚膜与PDC相比，主要优点是其热稳定性好，缺点是晶粒间的内聚强度低，内应力大、相对脆性大和不导电性。特别是缺乏导电性，阻碍了它在电火花(EDM)切割、抛光加工技术中的应用。而该项技术在金刚石刀具加工业，尤其是在木材加工用刀具的生产和修整上得到了广泛应用。