超导体线材

所谓超导体是将金属或陶瓷等材料冷却至极低温后，材料的电流阻抗会降低接近零，同时材料还会隔绝外部磁场的进入(称为麦斯纳效应Maissner)。利用具备此种超导电物性的线材可使传统的马达、超高电压电力传输电缆、医疗用磁气共鸣器、通信、电子设备产生革命性效应，进而大幅减少能源消耗，同时还可以降低系统体积与电磁波等问题。

到目前为止已知有将近两千种以上的物质具有超导电特性，超导电物质大致可分为金属系与陶瓷系两类；虽然金属系超导体线材具有饶曲加工容易的优点，不过为了使金属具有超导体特性，必需将金属线材冷却至接近绝对温度(零下273度C，一般称为绝对零度，单位是K)，例如常用金属系超导体线材铌钛合金为8.1K，铌金属为3.0K，锡金属为18.3K，基于实用性等考虑陶瓷系超导体材料似乎有成为主流的趋势。

铋系陶瓷超导体

陶瓷系超导体绝对温度(亦称为临界温度)通常都超过77K以上(大于液态氮温度)，目前虽然铋(Bismuth)2212或铋2223等陶瓷系超导体线材(简称铋系超导体线材)已经进入实用化阶段，不过加工制作时为了获得结晶必需使用价格昂贵的银材包覆，因此铋系陶瓷超导体线材成本仍居高不下，此外为了提高铋系超导体线材磁场特性，临界温度必需降低至20K以下。国外Bi陶瓷系超导体线材厂商则以日立、住友、昭和电线较具规模。

钇系陶瓷超导体

临界温度超过90K以上且银的使用量远低于铋系超导体线材，成本比铋系陶瓷超导体更具竞争力的(加工制程上改用银膜方式)钇(Yttrium)系陶瓷超导体线材(简称钇系陶瓷超导体)(商品名称Y-123)的研发也悄然展开。为了使钇系陶瓷超导层的三轴都能有结晶配向，因此开发出一种称为离子束辅助沉积加工技术(IBAD:Ion Beam Assisted Deposition)。

具体而言它是在耐盐酸镍合金base上先铺设一层中间层，然后再制作超导体层与银质保护膜(图一)。设置中间层主要目的是要防止耐盐酸镍合金与钇直接接触，造成两者的原子交换进而改变钇系陶瓷超导体线材的特性。离子束辅助沉积加工技术是由Y轴方向以55度对着中间层照射离子束，使中间层具有一致的结晶成长方向，藉由此加工技术，线材便能拥有超导体特性。

《图一 利用IBAD技术制作超导体线材》

由于结构上的改善加上IBAD加工技术，使得长度5～10m钇系陶瓷超导体线材已经进入量产实用化阶段；长度10m的临界电流密度约为40万安培/cm2，预计数年后长度可达100m，长度100m的临界电流密度约为10万安培/cm2。国外研发钇系陶瓷超导体线材的厂商有NEC、东芝、住友、昭和、古河等公司。

未来发展重点是如何把目前每小时0.05公尺的生产速度提升20倍。较快速且有效的作法是直接把现有的加工设备大型化。大型化手法的步骤有两个重点，第一是将目前圆形状离子束照射形状改成60x15cm长方形以增加中间层的成膜面积，之后再将两条宽1cm的线材绕于旋转轴，旋转五次的同时一边供给线材，如此一来等于是相同时间内离子束反复照射的时间增加五倍。此外离子束照射形状改成长方形可提高照射束的直线性(linear)，使得膜厚即使很薄时亦可产生一致性的结晶。另一项重点就是改善中间层的材质，具体而言是用烧绿石(Pyrochlore)氧化物(Zr2Gd2O7)取代传统的钇安定化氧化锆(Zirconia)(简称YSZ)，由于中间层材质的改善使得更薄的膜厚亦可长出一致性的结晶；由于上述两项改善措的加乘效应使得成膜时间大幅缩短，进而达成20倍产能的目标(图二)。

《图二 大型IBAD系统构想图》

未来随着超导体线材长度的不断增加，势必会引发临界电流值下降(电流值与长度成反比例)等困扰，因此研究人员开发准分子雷射蒸镀技术，具体操作步骤是利用分子雷射蒸镀原理将超导体线材加热至800OC，经验预热后的超导体线材便可以减缓临界电流值下降。此外IBAD技术可使中间层的结晶粒子微细化，因此超导体层即使遭到破坏或有瑕疵时亦可使用，不至因而造成作业中断，这对未来大尺寸超导体线材的普及化而言可说是最重要的一环。

硼化镁金属超导体

硼化镁(MgB2)金属超导体是由镁与硼粉末混炼后经过热处理制成，由于自然界含有丰富且价格低廉的镁与硼，因此2001年镁与硼问世后立即引起全球科技界高度重视，其中主要关注焦点是以往金属超导体的临界温度大都是20K左右，而硼化镁金属超导体则为39K，虽然此临界温度仍远不如上述陶瓷系超导体，却是传统金属超导体的2倍左右。实验阶段在零磁界环境下每一平方公分的电流值可达一百万安培(100万安培/cm2)，由于硼化镁超导体的发现使得金属超导体的实用性大幅增加。

虽然硼化镁被归类为金属系列，实际上却是延展性极低的半金属化合物，换言之硼化镁超导体线材无法使用传统的线材抽拉制程制作，必需改用全新的管状粉末加工技术(powder in tube)。此外硼化镁超导体不似传统的金属超导体，它不需热处理便具有超导体特性。

利用管状粉末法制作硼化镁超导体线材时，是先将硼化镁粉末或硼与镁素材装入铁或钇(Tantal)质金属管内，之后加高温使硼与镁素材或硼化镁产生反应并加以压延。使用硼化镁为材料时，压延后的线材呈尖硬无隙细的粉末块状；若使用不锈钢金属管时，除了可提高线材的密度之外，在零磁界环境下每一平方公分的电流值高达40万安培(40万安培/cm2)。相较于上述的铋(Bismuth)铋2223等陶瓷系超导体线材的烦琐制程，硼化镁超导体线材的制作是把硼与镁素材或硼化镁装入金属管，在840OC高温下连续加热100～120Hr即可，由于制程上硼化镁超导体不需热处理作业，因此成本上比其它种类的超导体线材具有极动人的优势。

《图三 硼化镁线材(未热处理)与其它超导体线材特性比较 》

不过硼化镁金属超导体距离实用化仍有诸多问题有待克服，例如为了提高硼化镁金属超导的特性冷却温度必需低于4.2K，然而临界电流密度却与磁界成反比，举例来说，当磁场强度2T时电流密度为7万安培/cm2，5T时电流密度降为1.2万安培/cm2。实际上MRI磁场产生器所使使用线材最少都需具备1～２T的磁界产生能力，换句话说硼化镁金属超导体若欲实用化，在2T时临界电流密度不可少于10万安培/cm2以下。

虽然上述的预热处理可提高临界电流密度，不过必需使用不会与硼化镁或硼、镁原料发生化学反应的金属管才可。基本上不锈钢容易与硼、镁原料发生化学反应，因此不适合作为反应的金属管；铁或钛质金属管即使在高温下仍不易发生化学反应，基此考虑通常金属管都是使用铁或钛材料。此外硼化镁或硼、镁原料氧化程度对临界电流密度具有微妙的影响，因此严谨的原料炼制与质量管理也是重要的一环。

玻璃化金属

依照传统的观念认为融溶状态的金属冷却后便立即开始结晶化，直到60年代才发现无结晶结构之非结晶合金(amorphous)。为了制作非结晶合金必需将融溶状态的金属急速冷却，使合金中的原子呈不规则排列。不过最近已开发出即使缓慢冷却亦不会发生结晶化的金属，称为「玻璃化金属」。

玻璃化金属的基本原理是以每秒0.1～100度C极缓慢的速度将融溶状态的金属利用块状铸造凝固法冷却至常温制作非结晶合金。目前已经开发出铁、钛(Titan)、钴(Cobalt)、镁(Lanthan)、锆(Zirconium)、镧(Lanthan)等典型的玻璃化金属(表一)。

玻璃化金属具体以下三项特征：

1.由三种以上元素所构成。

2.主要元素与其它元素的原子尺寸必需要有12%的差异。

3.主要元素必需要有适当的负值混合热。

基本上祇要能去除造成结晶化之不均质核的生长要因，理论上便可制作厚约2m的块状玻璃化金属，目前实验阶段已经可达到直径75cm，高80cm圆柱状玻璃化金属。

块状铸造凝固法是将融溶状态的金属倒入铸模内凝固，实验阶段为探索材料与制作技术，因此采用滚筒法(roll)或真空蒸镀法，利用这种制作方法的玻璃化金属它的原子呈不规则排列，且相互吸引力相当均匀。由于无结晶粒界，因此具有耐腐蚀、高机械强度与高磁气等特性；典型的玻璃化金属的杨氏系数(材料的变形能量指针)与拉伸强度是传统金属的两倍以上。换言之相同的强度要求下，组件的厚度祇有原先的一半以下，可预期的未来对汽车、航空组件轻量化会有巨大的影响，此外高磁气特性亦可应用于传感器、电子组件等领域。

构成玻璃化金属的三项要素若缺少其中的任一项，便会出现全新面貌的软金属(soft metal)，由于软金属的发现，因此日本素材公司已着手开发高强度、超弹性之生化医学用锆(Zirconium)钛(Titan)合金，这种软金属合金的拉伸强度高达1070MPa，杨氏系数却祇有40GPa，它比传统商用钛(Titan)合金110Gpa的杨氏系数更低，非常接近人体的骨骼(杨氏系数为28GPa)。

此外满足玻璃化金属的三项要素前提下，祇要改变元素的搭配便可获得类似玻璃化镁合金全新特性的金属，这种新合金比以往的铸造镁合金的降伏强度(开始发生塑性变形时的应力强度)高2.5倍；摄氏200度时的降伏强度为400MPa，这些数据显示新合金的耐热性能是铝合金或耐热镁合金的2倍。

结语

超导体的发现至今已有相当时日，然而受限于临界温度，使得超导体玻线材迟迟无法普及化。陶瓷系超导体的实用性与量产性却为世人重新点燃希望，相信不久的未来，由于大尺寸超导体线材制程上的突破加上玻璃化金属的发现，使得人类有机会可以享受到低耗电、低磁波甘扰、高强度的科技产品。