超导磁悬浮小车的研究-化工

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1、超导磁悬浮小车的研究■化工超导磁悬浮小车的研究康彬沈悦应佳莉陈永强（杭州师范大学，浙江杭州311121）【摘要】本项目在实验室里合成了高温铜氧化物超导体YBCO,并以此为基础，制备出在液氮下运行的超导磁悬浮小车模型。通过特殊排布的永磁体轨道约束，超导磁悬浮小车可以很好的在轨道上实现无接触摩擦运行。最后，我们利用磁阻尼原理设计制备了一套动力系统，实现了超导磁悬浮小车的自动启动和制动。关键词超导；YBCO;磁悬浮;磁阻尼0引言1911年荷兰物理学家昂内斯发现金属汞在温度降至4.2K附近时突然进入一种新状态，其电阻小到用当时的实验设备无法测

2、量出来，他把汞的这一新状态称为超导态。超导现象自从发现以来，寻找具有更高临界温度超导体、理解其超导微观机理，一直是凝聚态物理硏究的最重要方向之一。在过去的100多年中,已经有10位科学家凭着在超导方面的工作获得诺贝尔物理学奖。超导材料进入超导态后,费米面附近的电子可以通过某种微观相互作用”形成所谓的库珀电子对，当电子以电子对形式运动时，可以〃抵抗〃晶格等对电子的散射，呈现零电阻行为。另一方面，超导体进入超导状态时，在表IEI会形成超导电流，从而维持体内磁感应强度为零的状态，这就是通常所谓的〃迈斯纳〃效应。零电阻行为和迈斯纳效应是确认超

3、导转变的两个基本性质。超导体的迈斯纳效应,为磁悬浮列车的发展指明了一个重要研究方向。磁悬浮列车是由无接触的电磁悬浮、导向和驱动系统组成的新型交通工具。1922年德国工程师赫尔曼?肯佩尔第次提出了电磁悬浮原理。超导小车由于悬浮在永磁体轨道上，所以运行时几乎没有阻力，它的这一特性使其可能成为未来高速、低能耗的交通首选。目前，磁悬浮列车可分为超导型和常导型两大类。从内部技术而言，两者在系统上存在着是利用磁斥力、还是利用磁吸力的区别；从外部表象而言，两者存在着速度上的区别：超导型磁悬浮列车最高时速可达500公里以上(高速轮轨列车的最高时速一般

4、为300~350公里)，在1000至1500公里的距离内堪与航空竞争；而常导型磁悬浮列车时速为400~500公里，它的中低速贝(J比较适合于城市间的长距离快速运输。本硏究通过制作超导磁悬浮列车模型,让学生对超导磁悬浮有一个直观的体验。实验用的超导材料是高温铜氧化物超导体YBa2Cu3O7,它的超导临界温度达到90K左右，所以可以用液氮制冷来使其进入超导状态。在整个硏究过程中,我们更进一步实现了超导磁悬浮车的自动运行和制动。1结果和讨论首先，将高纯度(纯度大于99.9%)的碳酸钗(BaCO3氧化铭(Y2O3)和氧化铜(CuO)按摩尔比

5、称量好，然后放入球磨机研磨，研磨时间2小时。混合好后，将原料放入压力200kBar、温度880度的高压炉里进行烧结，烧结时间为5小时。化学反应方程式为4BaCO3+Y2O3+6CuO->2YBa2Cu3O7-x+4CO2+(6.5+x)O2o样品烧好后我们敲下一小块，对其进行结构和物性的测试。其中样品结构通过x射线衍射方法确认电阻采用四沿线法在QuantunvDesign公司的PPMS上测量；［化率在Quantum-design公司的SQUID-VSM上测量。X射线衍射结果画在图la上，从图上可以看岀，几乎所有的衍射峰都属于YBa2C

6、u3O7,除此之外z只有一点微小的杂质峰，这个结果说明我们制备的铭钗铜氧高温超导体相非常干净。对于其物性测量结果,电阻■温度曲线（图lb）和磁化率■温度曲线（图:Lc）在92K附近都有一个相变，对应于超导体的零电阻转变和抗磁效应，说明其超导温度高达92K。为了更好地分析YBa2Cu3O7的超导电性，我们对其超导屏蔽体积进行了计算，从图上可以看出,有场冷却下其超导体积分数百分比达到100%,从而说明我们的超导样品具有很好的抗磁特性，这为我们后面的超导磁悬浮打好了基础。接下来，我们对超导样品进行了超导磁悬浮实验。将YBa2Cu3O7样品放

7、入液氮进行冷却,5分钟后将它用镶子迅速夹出,放置在永磁体上”可以看出z其悬浮高度非常高，有3cm左右（如图2左所示）,这跟我们前面的磁化率测量结果一致。在此基础上，我们用低温胶将其固走在我们的超导车底部中央，如图2右所示。为了达到较好的磁悬浮，我们的超导车采用铝箔制成，并在周围包上—层锡箔,防止后面液氮的泄露。图1高温超导体丫BCO的x「d、电阻和磁化率结果（"YEMuQt的趨导磁悬浮现象（b）趙导体在趨导小车中的排布图2为了提供更好的磁悬浮现象，我们采用妆铁硼永磁体来排布我们的超导磁悬浮轨道。妆铁硼永磁体是我们目前已知的具有最大磁感

8、应强度的永磁体，在附近可以提供0.5T的永久磁场。永磁体选择扁平的外形，一个正面为北极，一个正面为南极。为了将超导体约束在永磁体轨道上，我们的轨道由三排永磁体排列而成，其中外面两排朝上的正面为北极，中间一排朝上的正面为南