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陶瓷與人類文明:零電阻時代的超導陶瓷

超導體材料是指一種在電流通過時不會產生電阻的材料,既然電阻為零,傳輸的電能就不會損耗,因此超導體可以廣泛應用在電子、能源、醫療及交通等工業上。
 
 
 
一九一一年荷蘭的物理學家歐尼斯(H. Kamerlingh Onnes, 1853-1926)首先發現超導現象,他利用液態氦冷卻高純度金屬水銀,發現水銀的電阻在絕對溫度4.15K(等於攝氏零下269度)時突然降為零,這個令人驚訝的現象便命名為「超導」(superconductivity)。一般常用的導電材料為低電阻的金屬例如銅、鋁等,其電阻係數約為10-8 歐姆.公尺,此電阻係數雖然不大,但仍然會造成大量的能源損耗。估計發電廠由金屬電纜傳導到用戶的電力,大約有6%是因電阻而損耗掉的。

一般而言,大型發電機與馬達內的磁場愈強效率愈佳,但是充磁線圈會因高電流而生熱,損耗大量能源,甚至造成金屬線圈熔解、短路與損壞。因此磁場設計大都限制在1泰斯拉(Tesla)以下(地球磁場約5 × 10-5  Tesla)。如果能將超導材料應用在電纜、發電機、馬達等上面,代表著能源使用效率的大幅提高,如此應可減少對石化及核能的依賴。但是至今工業的推廣為何十分緩慢?主要的原因就是極低的操作溫度 (10K以下),必須使用液態氦來保持超導所需的極低溫狀態,因而造成技術、費用、可靠性等方面的困難。

到目前為止,被發現具有超導現象的物質已超過兩千種,包括純金屬、合金、以及金屬化合物等。至於氧化物陶瓷的研究也早在一九三三年就已經開始,從一元的氧化物NdO、二元的WO3,至一九六○年以後開始的三元氧化物SrTiO3-x,但這些陶瓷的臨界溫度都低於30K。直到一九八七年,自歐尼斯發現超導現象已過了四分之三個世紀,朱經武及吳茂昆二位博士所領導的研究團隊才開啟了科學史上的新頁:發現了臨界溫度為90K以上的釔鋇銅氧化物(Y-Ba-Cu-O)。

以實用的角度來看,此一發現非常重要,因為90K溫度高於液態氮的沸點–77 K,在空氣中約80%是氮氣,因此液態氮的取得較液態氦容易且便宜(一公升液態氦約新臺幣800元,而一公升液態氮則約15元,再加上設備與氣化熱的差異,有人粗估成本比可達200:1)。此類釔鋇銅氧化物超導體稱為「高溫超導體」,以與先前的「低溫超導體」有所區隔。一般而言,陶瓷大都是氧化物而且不導電,因此常做為絕緣材料。但是釔鋇銅氧化物超導體卻同時具有陶瓷特性及超導現象,因此又稱為超導陶瓷。

一般在描述超導體時,一個重要指標是「臨界溫度」(critical temperature, Tc),這是指當逐漸升高到某個溫度時,超導材料的超導現象會突然消失,這個溫度即是此材料的超導臨界溫度。也就是說超導現象只有在溫度低於Tc時才出現,高於此溫度則轉變成電阻不為零的正常態。

除了溫度可以造成超導態與正常態之間的轉換外,磁場與電流的變化亦會造成超導與正常態的轉換。因此超導材料在應用上有三個操作限制:溫度、磁場及電流,其臨界值分別稱為臨界溫度(Tc)、臨界磁場(Hc代表材料在超導態情形下所能忍受的最大磁場)及臨界電流密度(Jc代表單位面積所能流通的最大超導電流,安培/平方公分)。

各種超導材料都有自己的臨界條件,這些條件形成一個臨界狀態,可以曲面表示之,當處於此曲面外時,樣品的超導態就消失而轉變成正常態。其中Nb-Ti合金與Nb3Sn金屬化合物的臨界溫度分別為9K與 18K,均屬低溫超導體,其臨界磁場可達10~30 Tesla,陶瓷氧化物則約為100 Tesla。目前已知超導陶瓷具有非常優異的高臨界溫度、高臨界磁場及高臨界電流密度,但是需要將又硬又脆的超導陶瓷做成銅線的式樣,而且每顆細小結晶的方向也必須一致,才能發揮優異的超導性質。最近幾年材料科學家在實驗室的研究已有重要的突破,預估未來數年將有快速的發展。

一般而言,超導態具有下列兩種現象。

一、零電阻:超導現象最重要的就是零電阻,即完全沒有電阻,因此,電流不會有所損耗,而成為永久電流。一般的導體,電阻是因原子熱振動或晶格缺陷等阻礙電流流動所造成;但在超導狀態下,自旋相反的成對電子組成古柏偶對(Cooper pair),這種成對電子在傳導時不受晶格中離子的妨礙,因此形成零電阻現象。

為什麼同樣帶負電的電子能夠不互相排斥而形成古柏偶對?負負不是應該相斥嗎?為何反而會相吸?巴丁、古柏和薛瑞佛三人(J. Bardeen, L.N. Cooper和R.J. Schrieffer)利用量子力學對此做了計算與解釋:在低溫時,古柏偶對中的兩個電子會藉由帶正電的原子核的協助,由相互排斥變為非常弱的相互吸引,使得古柏偶對因此存在。當外在溫度升高、磁場增強到某臨界值時,會使古柏偶對遭到破壞,造成超導現象消失。

但是此理論的臨界溫度上限約為40K,就目前發現的高溫超導體觀之,此理論或有修正的必要。目前,還沒有任何理論能夠完全解釋高溫超導現象,科學家對此仍努力不懈,同時希望能發現更高臨界溫度的超導材料。

二、完全反磁性:超導體的內部磁通量為零,磁力線無法進入超導體,這個性質又稱為「麥士那效應」(Messiner effect)。這種現象產生的過程是:當超導體放入磁場中時,超導體和一般導體一樣會產生感應電流,而超導體的電阻為零,因此只要磁場存在,電流就能一直流動,此電流即為「屏蔽電流」。屏蔽電流在超導體周圍產生與外部磁場方向相反的磁場,因而阻擋外部磁場進入。磁浮現象即是由這個原理產生的,可應用在磁浮火車上。

目前低溫超導材料的應用,大致有兩大類。

第一類是線材或帶材:自一九五○至六○年代低溫超導Nb-Ti合金與Nb3Sn金屬化合物發現以來,已有許多應用,主要是利用超導零電阻現象產生超高磁場及傳輸電流。例如核磁共振掃描(magnetic resonance image, MRI)及核磁共振(nuclear magnetic resonance, NMR),即是使用超導線圈所製成的超強磁鐵,由於所產生的磁場比一般電磁鐵更強且穩定,因此可以提高診斷及量測的精密度。日本已研發超過三十年的超導磁浮列車所用的超強磁鐵,就是使用低溫超導線材所製作的超導線圈。

第二類是薄膜:超導電子對可以穿隧大約奈米厚絕緣層的現象,就是所謂的約瑟芬穿隧效應。用超導薄膜可以將約瑟芬穿隧效應應用在各類電子或磁性感測元件上,例如超導量子干涉磁量儀 (superconducting quantum interference device, SQUID),就是一種能夠偵測極低磁場的感測器,由具有兩個約瑟芬接點超導電流環組成。上述被二個奈米厚的絕緣層所隔開的超導環,當外界磁場變化時,磁力線會穿過絕緣層進入超導環之中,並會對超導環感應產生整數倍的超導電子對,因為電子對的電量與磁通量均極小,所以超導量子干涉磁量儀是能夠偵測極低磁場的感測器。超導量子干涉磁量儀目前已經廣泛用在研究室中,以量測材料的磁性,也用來探測地下礦物資源。在生物醫學上的應用亦正積極研發中,特別是腦磁計,可分析腦神經的傳輸與反應,甚至思考過程。

高溫超導體發現之初,常見諸新聞報導,以一小磁鐵「穩定地」磁浮在浸泡有液態氮的高溫超導體之上,以顯示超導體所具有獨特的「反磁效應」或「麥士那效應」。

一九八八年,吳茂昆博士與其領導的研究團隊首先發現,在高溫超導體材料改善後,會產生所謂「磁懸掛」現象。亦即磁鐵不僅可以浮於超導體之上,也可以完全沒有接觸,而懸掛在超導體之下,猶如懸浮在半空中。吳博士曾戲稱這是「姜太公釣魚,離水三尺」效應。這種穩定的磁浮與磁懸掛現象是自然界所僅見。

除此之外,高溫超導塊材也有一些新興技術在逐漸開發中。

擄獲磁通磁鐵:傳統的超導磁鐵都是以低溫超導線材繞成線圈後,保持在4K(液態氦) ,加以充磁後,開啟永久電流開關,使超導線圈形成永久電流環,而在線圈中不消耗任何電力。

高溫超導材料雖尚無法製成高磁場的臨界電流密度線材,但仍然具有極強的擄獲磁通的能力。根據報導,經過特殊處理的高溫超導塊材,已經具有在29K之下擄獲磁通高於17 Tesla的紀錄 ,成為最強力的磁鐵。因為擄獲磁通磁鐵的磁場由永久電流所產生,只要保持其超導態,此磁場會永久存在,因此可視為一永久磁鐵,而且其磁場強度可以遠超過現有永久磁鐵的強度(約0.5 Tesla)。

因此,美、日、德等國均努力發展以此超導現象為磁場來源的超導馬達/發電機,利用擄獲磁通磁鐵的超導馬達,對未來在小體積大轉距馬達的應用極具潛力。

超導磁浮車:麥士那效應中的磁浮現象與日本磁浮車的原理不盡相同。日本磁浮車在靜止與低速時並未上浮,必須加速到約每小時兩百公里時才會產生足夠的上浮力量。但麥士那效應中的磁浮,在靜止與低速時即可穩定地上浮或呈懸浮狀態,這種現象是因超導體本身特有的反磁效應或產生擄獲磁通而造成的。日本與德國均在發展無接觸磁浮運輸系統,希望用在高度無塵室的半導體運輸,或磁浮數公噸以上的飛輪儲能設備,以及直接用在磁浮列車上。

高溫超導故障電流限流器:故障電流限流器為一串聯於電子線路中的元件,當電力系統正常運作時,具有低阻抗的特性,以避免焦耳熱功率的損失。可是一旦事故發生並產生巨大的故障電流時,它能快速地轉變為高阻抗狀態,以抑制電力傳輸系統中電流的急速增強,達到保護電力設施的功用。

超導體本身為一理想的故障電流限流器元件,因為超導體本身具有超導態(電阻約等於零)與非超導態(電阻約等於一般金屬)兩種巨大差異的狀態,如果能夠控制此二狀態的切換,就可以控制流經超導體的電流,而達到故障電流限流器的功能。

以超導體為材料的故障電流限流器可分為兩類:第一、 以低溫超導為材料的電阻式故障電流限流器 ,目前美、日均已有具體的成果,但傳統低溫超導體材料的超導轉換溫度接近絕對零度,冷卻價格高昂,因此推廣困難。第二、屏蔽式超導故障電流限流器,利用高溫超導體對磁場的屏蔽效果,以達到限制故障電流的作用,由於高溫超導只需用液態氮冷卻,費用較低,因此可行性較高。

根據粗略統計,至少已有五個以上的研究團體因為超導體的相關現象、理論、材料等研究突破而獲得諾貝爾獎。因為高溫超導材料對於未來電力傳輸、高效率馬達、發電機、醫療診斷設備、微波通訊、高速電腦、磁浮列車、能量儲蓄轉換等產業,具有革命性的影響,全球各工業先進國家莫不以製成優異性能的超導體材料為其研究發展目標,以期在未來的高溫超導材料應用工業上占有領先的地位。

而且,高溫超導體的發展歷史不過十多年,未來的發展仍有相當大的空間。一些專家甚至認為超導體未來可以媲美半導體與雷射科技對電子與資訊產業的影響,許多新的應用也將逐步實現。
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