若干美国公司正在作出会作研制的安排,而且寻求许可证以便生产在洛斯阿拉莫斯国家实验室研制成功的柔韧的高温超导带,从而铺平了近期商业应用的道路。
如果工业界执行目前逐渐形成的计划,在几年之内就可能得到大量的大电流密度厚膜带。这些带子可用于研制航天器上十分灵敏的红外线探测器、磁存储器和极小电动机,反潜战用的先进磁探测系统,电子战系统中的射频滤波器,以及富有生命力的“电动飞机”需用的关键部件。
去年夏天参加Albuquerque会议学习技术和制造工艺的35家以上的公司中,有几家已经若手与该实验室讨论合作研制和许可从事特定的商业应用的事宜,在洛斯阿拉莫斯国家实验室申请其薄膜工艺专利的同时,它也在争取这些公司的允诺以联合开发该项目。
洛斯阿拉莫斯国家实验室研制的镍带,上面淀积着3层薄的超导陶瓷。之所以选用镍,是因为它坚固、便宜,抗氧化,热膨胀系数与超导材料热膨胀系数相匹配,能提供优越的“工程临界电流密度”——标志着过渡到超导性的电流水平。
薄镍带的处置方法是,先在镍带上淀积一层方形氧化锆,形成具有某种结构的表面,再利用脉冲激光工艺,把排列好的钇钡铜氧晶体淀积在这表面上。如果把钇钡铜氧化物直接淀积在带上,那么它的晶体就会随意排列,与镍起反应,形成劣质杻导体。离子束辅助的淀积工艺使方形氧化锆晶体像一排排砖那样排列着,从而保证电流在最终的带中平稳流动。
超导体科学家所做的重要突破是:提供了金属表面淀积陶瓷层的新型带子的技术,这种带子具有若干重要特性:
■ 在液氮温度(-320℉或773°K)下,保持着每平方厘米130万安培电流密度——洛斯阿拉莫斯国家实验室科学家说,这种带子可通过比其它柔韧高温超导体高约100倍的负载电流。
■ 在以电动机为代表的强磁场中,能够保留其大部分电流密度。大多数高温材料在液氮温度下置于微弱磁场中时会“转到常态”——失去其超导性。与此相反,洛斯阿拉莫斯国家实验室的厚膜带“在2特斯拉场中却保持得非常好”,该实验室超导技术中心负责人迪安E. 彼得逊(Dean E. Peterson)如是说。
■ 在液氮温度下,镍带保持着高度柔韧性。彼得逊说,“它可以绕着一根铅笔弯曲,在这种情况下,所传送的电流量大约只下降另一位科学家则说,反复弯曲这些样件,不会形成阻断电流的裂纹,洛斯阿拉莫斯国家实验室的一位科学家谈及该项技术:在液氮温度下,实时操作是一个重要的因素,因为液氮是很容易得到的,冷却系统比较容易绝缘,而且液氮便宜——1升约为7美分。他说,“液氮比钴还便宜”。
■ 与现有的半导体制造技术(例如激光刻蚀和喷溅厚膜)相似,许多大型半导体公司已不再使用薄/厚膜设备,尽管这可能推迟开发大规模生产工艺。
洛斯阿拉莫斯国家实验室科学家属于数年来少数坚持研究钇钡铜氧化物者,当时其它人都认为用该材料很难做成柔韧细长的线。大多数超导体研究人员已经转向研究铋基的大规模工艺,“以便在合理的长度上得到每平方厘米大约6万安培的电流密度”,彼得逊说。他把目前洛斯阿拉莫斯国家实验室的突破性进展归因于该实验室保存了薄/厚膜生产能力。
该实验室研究薄膜工艺的实验人员得到了鼓舞人心的成果,随后便扩展成厚膜技术。几年前,洛斯阿拉莫斯国家实验室科学家得到了每平方厘米40万安培的电流密度,但是当带或线被弯曲时,这些数值明显下降了。在去年春天材料研究协会会议上宣布在电流密度和柔韧性方面取得突破之前,大约花了1年时间改善这两方面情况。
目前,洛斯阿拉莫斯国家实验室正在制造长5厘米宽1厘米的带,不过这些带都是较长长度的代表,因为“它们不只是单纯的晶体”,彼得逊说,“这种[技术]还是很容易转让给工业界。我们认为,快速而经济的镍线镀膜工艺不会遇到什么困难——这在商业方面是可行的。这正是吸引工业界之处。他们有办法制造几英里长的线。”
如果能够经济地制造出具有一定长度的软带的话,大功率、薄磁体和高效率的电动机立即可以制造出来。洛斯阿拉莫斯国家实验室研究小组成员吴鑫娣(Xin Di Wu)说,“关于这方面的种种想法都是令人鼓舞的”。
依靠超导元件可使其潜在的航空航天应用成为可行,其中包括磁火箭发射器(例如国家航空航天局提出的“磁运载火箭”),射频滤波器和航天器用的磁能存储器等。
彼得逊说,“一旦‘超导’线圈变得足够冷,就可导入一股电流,它将永远保持流动”。这种器件就会成为一种杰出的存储介质——不像蓄电池那样脏。而且其使用更加可靠。
仍在研制之中的铊基超导体可以利用自身空间作为低温冷却器,彼得逊指出。“只要它不受阳光照射,这种空间的温度大约是120 K,而最高温度的铊超导体则在125 K下工作。有关这方面的应用我们正在研究中。”
洛斯阿拉莫斯国家实验室还在研究称为超导量子干涉仪的约瑟夫逊结半导体,这些半导体都是十分灵敏的磁场探测器。然而,彼得逊说,“这些都不是很容易制造的"。他指出,洛斯阿拉莫斯国家实验室正在采取“明显不同于其它已经尝试的途径”去制造超导量子干涉仪。“正是在这点上我们获得了杰出的成果。”
在用超导绝缘体隔开传导面的情况下,如果可把新型带子和超导量子干涉仪从3层扩展到几百层,他说“据此,我们就能够利用这些连接器作为逻辑元件来制造超级计算机。”“我们正在谈论的正是用一种高尔夫球大小的超级计算机,来进行目前房间那么大的超级计算机的工作。电阻损耗和热噪声限制着超级计算机的尺寸。如果目前我们试图把它们做得很小,它们就会熔化”。
非常小的高性能计算装置在先进战斗机电子设备和飞行控制方面会找到广泛的用途,而且人们会研制出十分灵敏的探测器。
根据英国空军关注的程度和几家研究这些器件的公司的实际支出,彼得逊认为,不到7年,超导体就会商品化,“毕竟它自己不是20年以后才能实现的事。”
(1995年10月)