超導體線材

所謂超導體是將金屬或陶瓷等材料冷卻至極低溫後，材料的電流阻抗會降低接近零，同時材料還會隔絕外部磁場的進入(稱為麥斯納效應Maissner)。利用具備此種超導電物性的線材可使傳統的馬達、超高電壓電力傳輸電纜、醫療用磁氣共鳴器、通信、電子設備產生革命性效應，進而大幅減少能源消耗，同時還可以降低系統體積與電磁波等問題。

到目前為止已知有將近兩千種以上的物質具有超導電特性，超導電物質大致可分為金屬系與陶瓷系兩類；雖然金屬系超導體線材具有饒曲加工容易的優點，不過為了使金屬具有超導體特性，必需將金屬線材冷卻至接近絕對溫度(零下273度C，一般稱為絕對零度，單位是K)，例如常用金屬系超導體線材鈮鈦合金為8.1K，鈮金屬為3.0K，錫金屬為18.3K，基於實用性等考量陶瓷系超導體材料似乎有成為主流的趨勢。

鉍系陶瓷超導體

陶瓷系超導體絕對溫度(亦稱為臨界溫度)通常都超過77K以上(大於液態氮溫度)，目前雖然鉍(Bismuth)2212或鉍2223等陶瓷系超導體線材(簡稱鉍系超導體線材)已經進入實用化階段，不過加工製作時為了獲得結晶必需使用價格昂貴的銀材包覆，因此鉍系陶瓷超導體線材成本仍居高不下，此外為了提高鉍系超導體線材磁場特性，臨界溫度必需降低至20K以下。國外Bi陶瓷系超導體線材廠商則以日立、住友、昭和電線較具規模。

釔系陶瓷超導體

臨界溫度超過90K以上且銀的使用量遠低於鉍系超導體線材，成本比鉍系陶瓷超導體更具競爭力的(加工製程上改用銀膜方式)釔(Yttrium)系陶瓷超導體線材(簡稱釔系陶瓷超導體)(商品名稱Y-123)的研發也悄然展開。為了使釔系陶瓷超導層的三軸都能有結晶配向，因此開發出一種稱為離子束輔助沉積加工技術(IBAD:Ion Beam Assisted Deposition)。

具體而言它是在耐鹽酸鎳合金base上先鋪設一層中間層，然後再製作超導體層與銀質保護膜(圖一)。設置中間層主要目的是要防止耐鹽酸鎳合金與釔直接接觸，造成兩者的原子交換進而改變釔系陶瓷超導體線材的特性。離子束輔助沉積加工技術是由Y軸方向以55度對著中間層照射離子束，使中間層具有一致的結晶成長方向，藉由此加工技術，線材便能擁有超導體特性。

《圖一 利用IBAD技術製作超導體線材》

由於結構上的改善加上IBAD加工技術，使得長度5～10m釔系陶瓷超導體線材已經進入量產實用化階段；長度10m的臨界電流密度約為40萬安培/cm2，預計數年後長度可達100m，長度100m的臨界電流密度約為10萬安培/cm2。國外研發釔系陶瓷超導體線材的廠商有NEC、東芝、住友、昭和、古河等公司。

未來發展重點是如何把目前每小時0.05公尺的生產速度提升20倍。較快速且有效的作法是直接把現有的加工設備大型化。大型化手法的步驟有兩個重點，第一是將目前圓形狀離子束照射形狀改成60x15cm長方形以增加中間層的成膜面積，之後再將兩條寬1cm的線材繞於旋轉軸，旋轉五次的同時一邊供給線材，如此一來等於是相同時間內離子束反復照射的時間增加五倍。此外離子束照射形狀改成長方形可提高照射束的直線性(linear)，使得膜厚即使很薄時亦可產生一致性的結晶。另一項重點就是改善中間層的材質，具體而言是用燒綠石(Pyrochlore)氧化物(Zr2Gd2O7)取代傳統的釔安定化氧化鋯(Zirconia)(簡稱YSZ)，由於中間層材質的改善使得更薄的膜厚亦可長出一致性的結晶；由於上述兩項改善措的加乘效應使得成膜時間大幅縮短，進而達成20倍產能的目標(圖二)。

《圖二 大型IBAD系統構想圖》

未來隨著超導體線材長度的不斷增加，勢必會引發臨界電流值下降(電流值與長度成反比例)等困擾，因此研究人員開發準分子雷射蒸鍍技術，具體操作步驟是利用分子雷射蒸鍍原理將超導體線材加熱至800OC，經驗預熱後的超導體線材便可以減緩臨界電流值下降。此外IBAD技術可使中間層的結晶粒子微細化，因此超導體層即使遭到破壞或有瑕疵時亦可使用，不至因而造成作業中斷，這對未來大尺寸超導體線材的普及化而言可說是最重要的一環。

硼化鎂金屬超導體

硼化鎂(MgB2)金屬超導體是由鎂與硼粉末混煉後經過熱處理製成，由於自然界含有豐富且價格低廉的鎂與硼，因此2001年鎂與硼問世後立即引起全球科技界高度重視，其中主要關注焦點是以往金屬超導體的臨界溫度大都是20K左右，而硼化鎂金屬超導體則為39K，雖然此臨界溫度仍遠不如上述陶瓷系超導體，卻是傳統金屬超導體的2倍左右。實驗階段在零磁界環境下每一平方公分的電流值可達一百萬安培(100萬安培/cm2)，由於硼化鎂超導體的發現使得金屬超導體的實用性大幅增加。

雖然硼化鎂被歸類為金屬系列，實際上卻是延展性極低的半金屬化合物，換言之硼化鎂超導體線材無法使用傳統的線材抽拉製程製作，必需改用全新的管狀粉末加工技術(powder in tube)。此外硼化鎂超導體不似傳統的金屬超導體，它不需熱處理便具有超導體特性。

利用管狀粉末法製作硼化鎂超導體線材時，是先將硼化鎂粉末或硼與鎂素材裝入鐵或釔(Tantal)質金屬管內，之後加高溫使硼與鎂素材或硼化鎂產生反應並加以壓延。使用硼化鎂為材料時，壓延後的線材呈尖硬無隙細的粉末塊狀；若使用不銹鋼金屬管時，除了可提高線材的密度之外，在零磁界環境下每一平方公分的電流值高達40萬安培(40萬安培/cm2)。相較於上述的鉍(Bismuth)鉍2223等陶瓷系超導體線材的煩瑣製程，硼化鎂超導體線材的製作是把硼與鎂素材或硼化鎂裝入金屬管，在840OC高溫下連續加熱100～120Hr即可，由於製程上硼化鎂超導體不需熱處理作業，因此成本上比其它種類的超導體線材具有極動人的優勢。

《圖三 硼化鎂線材(未熱處理)與其它超導體線材特性比較 》

不過硼化鎂金屬超導體距離實用化仍有諸多問題有待克服，例如為了提高硼化鎂金屬超導的特性冷卻溫度必需低於4.2K，然而臨界電流密度卻與磁界成反比，舉例來說，當磁場強度2T時電流密度為7萬安培/cm2，5T時電流密度降為1.2萬安培/cm2。實際上MRI磁場產生器所使使用線材最少都需具備1～２T的磁界產生能力，換句話說硼化鎂金屬超導體若欲實用化，在2T時臨界電流密度不可少於10萬安培/cm2以下。

雖然上述的預熱處理可提高臨界電流密度，不過必需使用不會與硼化鎂或硼、鎂原料發生化學反應的金屬管才可。基本上不鏽鋼容易與硼、鎂原料發生化學反應，因此不適合作為反應的金屬管；鐵或鈦質金屬管即使在高溫下仍不易發生化學反應，基此考量通常金屬管都是使用鐵或鈦材料。此外硼化鎂或硼、鎂原料氧化程度對臨界電流密度具有微妙的影響，因此嚴謹的原料鍊製與品質管理也是重要的一環。

玻璃化金屬

依照傳統的觀念認為融溶狀態的金屬冷卻後便立即開始結晶化，直到60年代才發現無結晶結構之非結晶合金(amorphous)。為了製作非結晶合金必需將融溶狀態的金屬急速冷卻，使合金中的原子呈不規則排列。不過最近已開發出即使緩慢冷卻亦不會發生結晶化的金屬，稱為「玻璃化金屬」。

玻璃化金屬的基本原理是以每秒0.1～100度C極緩慢的速度將融溶狀態的金屬利用塊狀鑄造凝固法冷卻至常溫製作非結晶合金。目前已經開發出鐵、鈦(Titan)、鈷(Cobalt)、鎂(Lanthan)、鋯(Zirconium)、鑭(Lanthan)等典型的玻璃化金屬(表一)。

玻璃化金屬具體以下三項特徵：

1.由三種以上元素所構成。

2.主要元素與其它元素的原子尺寸必需要有12%的差異。

3.主要元素必需要有適當的負值混合熱。

基本上祇要能去除造成結晶化之不均質核的生長要因，理論上便可製作厚約2m的塊狀玻璃化金屬，目前實驗階段已經可達到直徑75cm，高80cm圓柱狀玻璃化金屬。

塊狀鑄造凝固法是將融溶狀態的金屬倒入鑄模內凝固，實驗階段為探索材料與製作技術，因此採用滾筒法(roll)或真空蒸鍍法，利用這種製作方法的玻璃化金屬它的原子呈不規則排列，且相互吸引力相當均勻。由於無結晶粒界，因此具有耐腐蝕、高機械強度與高磁氣等特性；典型的玻璃化金屬的楊氏係數(材料的變形能量指標)與拉伸強度是傳統金屬的兩倍以上。換言之相同的強度要求下，元件的厚度祇有原先的一半以下，可預期的未來對汽車、航空元件輕量化會有巨大的影響，此外高磁氣特性亦可應用於感應器、電子元件等領域。

構成玻璃化金屬的三項要素若缺少其中的任一項，便會出現全新面貌的軟金屬(soft metal)，由於軟金屬的發現，因此日本素材公司已著手開發高強度、超彈性之生化醫學用鋯(Zirconium)鈦(Titan)合金，這種軟金屬合金的拉伸強度高達1070MPa，楊氏係數卻祇有40GPa，它比傳統商用鈦(Titan)合金110Gpa的楊氏係數更低，非常接近人體的骨骼(楊氏係數為28GPa)。

此外滿足玻璃化金屬的三項要素前提下，祇要改變元素的搭配便可獲得類似玻璃化鎂合金全新特性的金屬，這種新合金比以往的鑄造鎂合金的降伏強度(開始發生塑性變形時的應力強度)高2.5倍；攝氏200度時的降伏強度為400MPa，這些數據顯示新合金的耐熱性能是鋁合金或耐熱鎂合金的2倍。

結語

超導體的發現至今已有相當時日，然而受限於臨界溫度，使得超導體玻線材遲遲無法普及化。陶瓷系超導體的實用性與量產性卻為世人重新點燃希望，相信不久的未來，由於大尺寸超導體線材製程上的突破加上玻璃化金屬的發現，使得人類有機會可以享受到低耗電、低磁波甘擾、高強度的科技產品。