JP2002037626A - ビスマス系高温超電導体の製造方法。 - Google Patents

ビスマス系高温超電導体の製造方法。

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JP2002037626A JP2000231379A JP2000231379A JP2002037626A JP 2002037626 A JP2002037626 A JP 2002037626A JP 2000231379 A JP2000231379 A JP 2000231379A JP 2000231379 A JP2000231379 A JP 2000231379A JP 2002037626 A JP2002037626 A JP 2002037626A
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リ− セルゲイ
Setsuko Tajima
節子 田島
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 第2相が存在しない Bi-2223単相あるいはBi
/Pb-2223単相のビスマス系高温超電導体を低コストで能
率良く安定製造できる手段を提供する。 【解決手段】 焼成原料として、含まれるBi,Sr,Ca及
びCuやPbの量が超電導結晶 Bi2Sr2Ca2 Cu3Z あるいは
(Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3Z の化学量論比と同様の配合比と
された原料混合粉(酸化物や炭酸塩の混合粉)を用いる
と共に、KClをフラックスとして用いて焼成を行う。こ
の場合、焼成原料として、前もって仮焼したものを適用
したり、焼成温度を一定に保って焼成を行うのが好まし
い。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、高温超電導線材の製
造原料を作成したり超電導体膜積層超電導デバイス等の
高温超電導積層膜を形成させたりするのに好適な、ビス
マス系高温超電導体の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、各種の酸化物系高温超電導体が相
次いで発見され、塑性加工性に乏しいこれら材料の線材
化や超電導デバイス化に関する技術開発が盛んに行われ
てきたが、例えば線材化に関しては最近ではイットリウ
ム系高温超電導体やビスマス系高温超電導体を用いる技
術の開発が主流となっている。
【0003】これらの中でも、ビスマス系高温超電導体
は、電流が流れやすい方向に結晶成長しやすく、薄片状
の物質が厚さ方向に結合している結晶構造を有している
ことから、線材化には非常に好都合な材料であるとして
注目されている。なぜなら、高温超電導体の線材化に
は、一般に、超電導体粉末を調整し、これを銀製のチュ
−ブに詰めて伸線・ロ−ル圧延等の塑性加工を施すこと
により長尺化する方法が採用されるが、上述のような性
状を持つビスマス系高温超電導体ではロ−ル圧延等によ
り軸方向の圧縮加工を受けることによって電流の流れや
すい方向に結晶の向きが揃いやすく、また粉末が緻密化
しやすいという利点を有しているためである。
【0004】ただ、高温超電導特性を有するBi2Sr2Ca2C
u3Z ( 以降、 Bi-2223 と称す) や(Bi, Pb)2Sr2Ca2Cu3
Z ( 以降、 Bi/Pb-2223と称す) といったビスマス系高
温超電導体は、イットリウム系高温超電導体に比べて塑
性加工により配向させやすいという長所を有してはいる
ものの、何れもその製造性に難があり、製造過程におい
て超電導性を示さない物質(非超電導相)が生成しやす
いという問題が指摘されていた。
【0005】即ち、Bi-2223 については、化学量論比の
原料配合では Bi-2223相が殆ど得られないことから、Bi
-2223 の生成量を増すために故意に化学量論比からずれ
た組成比(不定比)に配合した原料混合粉を出発原料と
して焼成(焼成温度:890℃程度)を行ったり、焼成
中の酸素分圧を変えるなどプロセス条件を工夫したりす
る方法等が試みられたが{例えば 「Solid State Commu
n.」 110 (1999) P.287や 「Supercond. Sci. Technol.」
11 (1998) P.288 を参照}、これら“固相反応法”では
中間生成相である非超電導性の Bi2Sr2CaCu2Z ( 以
降、 Bi-2212 と称す) 相から Bi-2223相に至る最終反応
が十分に進行せず、何れも Bi-2223単一相の結晶体を得
ることに成功していない。
【0006】そこで、このビスマス系高温超電導体にPb
を添加してBiの一部をPbで置換し、超電導相を(Bi, Pb)
2Sr2Ca2Cu3Z 組成(即ちBi/Pb-2223)とすることによ
り単相化しやすくして超電導体の特性向上を図ることが
行われている。なお、このPbを含むBi/Pb-2223の製造に
おいてもやはり「不定比の原料混合粉から出発してこれ
を大気中で焼成(焼成温度:850℃程度)する」とい
う“固相反応法”が適用されているが{例えば 「Materi
als Reserch Bulletin」 31 (1996) P.979 を参照}、反
応プロセスに多くの時間がかかる上(100時間程度以
上)、このような手段によっても最終生成物におけるBi
/Pb-2223純度は96%を超えることがなかった。これ
は、不定比の原料混合粉から出発せざるを得なかったた
め、反応にあずからなかったり蒸散しなかった元素が不
純物として残留したり、Pb添加による方法によっても非
超電導相である Bi-2212相を経てBi/Pb-2223が形成され
る反応が完全に進行しないで Bi-2212が相間に残留した
りするからである。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】このように、従来の技
術では Bi-2223単一相の結晶体を得ることが極めて難し
く、そのためPbを添加して超電導相をBi/Pb-2223化する
ことでビスマス系高温超電導体の単相化が図られてきた
が、それでも完全な単相化は困難である上、超電導体の
製造に多大な時間を必要としていた。しかし、ビスマス
系高温超電導体の超電導特性向上のためには(例えば臨
界温度Tcを上昇させるためには)、非超電導性の絶縁物
である第2相を存在せしめない“単相化”は非常に重要
な課題であると考えられる。
【0008】また、ビスマス系高温超電導体は、これま
でPbを添加して超電導相をBi-2223からBi/Pb-2223に改
質することにより極力超電導相のみに単相化されるよう
図られてきたが、このPbは毒性元素であり、その使用を
できるだけ控えたい原料である。加えて、同一性能の超
電導体であるならば製造原料の種類が1種類でも少ない
方が望ましいことは言うまでもなく、この点からも元素
数が比較的多いBi系高温超電導体からPbを外すことは非
常に有意義なことである。
【0009】更に、ビスマス系高温超電導体において
は、Pbは2223相の安定化だけでなく、その電気的磁気的
特性に影響を及ぼす元素でもある。例えば、ビスマス系
高温超電導体のような複合酸化銅系層状構造超電導材で
は“主要な電導面に垂直方向の電導性”が臨界磁界や臨
界電流といった超電導材料にとって最も重要な特性に強
い影響を与えるが、Pbはこの面に垂直方向の電導性に対
してその含有量に相応した影響を及ぼすことが知られて
いる。従って、Pb含有量が0から様々な値にまで変化し
た種々のビスマス系高温超電導体を簡易に安定製造でき
る手段が確立されれば、様々に制御された特性を有する
ビスマス系高温超電導体を実現することが可能になり、
その物性研究の進展や用途の拡大に大きく寄与するもの
と考えられる。そのためにも、Pbを含まない Bi-2223単
一相結晶の簡易な製造手段を開発することは是非とも必
要であった。
【0010】このようなことから、本発明が目的とした
のは、非超電導性の絶縁物である第2相が存在しない B
i-2223単相のビスマス系高温超電導体やBi/Pb-2223単相
のビスマス系高温超電導体を能率良く安定製造できる手
段を提供することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記目的
を達成すべく、特に「非超電導性絶縁物である第2相が
存在しない2223単一相結晶を得るためには、 最終目的物
にまで残留しがちな非超電導性の中間生成相(2212相)
を経ないで2223相結晶が得られるビスマス系高温超電導
体の製造プロセスを開発することが重要である」との認
識の下に鋭意研究を行った。そして、「Bi,Sr,Ca及び
Cuを含むか更にはPbをも含む酸化物や炭酸塩等を焼成原
料とし、 含まれる (Bi,Pb), Sr, Ca及びCuの量比が目的
とする2223相結晶の組成比と同様の“2:2:2:3”
となるように混合したものを用いると共に、それにフラ
ックスとしてKClを加えて焼成を行うと、 従来の固相反
応法よりも低い焼成温度で、 しかも短時間に未反応残留
物を殆ど含まないBi-2223 あるいはBi/Pb-2223の結晶が
安定に生成する」との知見を得ることができた。
【0012】本発明は、上記知見事項等を基にしてなさ
れたものであり、次の〜項に示すビスマス系高温超
電導体の製造方法を提供するものである。 焼成原料として、含まれるBi,Pb,Sr,Ca及びCuの
量が超電導結晶 (Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3Z の化学量論比と
同様の配合比とされた原料混合粉を用いると共に、KCl
をフラックスとして用いて焼成を行うことを特徴とす
る、化学組成が(Bi, Pb)2Sr2Ca2Cu3Z で表されるビス
マス系高温超電導体の製造方法。 焼成原料として、含まれるBi,Sr,Ca及びCuの量が
超電導結晶 Bi2Sr2Ca2Cu3Z の化学量論比と同様の配
合比とされた原料混合粉を用いると共に、KClをフラッ
クスとして用いて焼成を行うことを特徴とする、化学組
成がPbを含まないBi2Sr2Ca2Cu3Z で表されるビスマス
系高温超電導体の製造方法。 焼成原料として、所定配合比で配合された酸化物及
び炭酸塩の原料混合粉を仮焼したものを用いる、前記
項又は項に記載のビスマス系高温超電導体の製造方
法。 焼成温度を一定に保って焼成を行う、前記乃至
項の何れかに記載のビスマス系高温超電導体の製造方
法。
【0013】ここで、本発明法に適用する原料として
は、従来の固相反応によるビスマス系高温超電導体の製
造法で適用されていたものと同じく、Bi,Sr,Ca,Cu,
Pbを含む酸化物及び炭酸塩等(Bi23 ,SrCO3 ,CaC
3 ,CuO,PbO等)を挙げることができる。ただ、そ
れらの配合比は、従来の固相反応によるビスマス系高温
超電導体の製造法の場合とは異なり、含まれるBi,Sr,
Ca及びCuの量比あるいは(Bi,Pb), Sr,Ca及びCuの量比が
目的とする2223相結晶の組成比と同じ“2:2:2:
3”となるように調整される。
【0014】なお、Pb含有焼成原料を用いる場合には焼
成中に蒸気圧の低いPbが蒸発して目的組成に的中しない
ことが懸念されるが、本発明法によると焼成温度を低く
しても目的とする2223相結晶が生成されるので焼成温度
を従来法(865〜875℃程度)よりも15〜20℃
程度低くすることができ、これによりPb量の変動を抑え
ることができる。更に、焼成中、反応容器(るつぼ等の
焼成容器)に蓋をすることによってもPb量の変動を抑制
することができる。勿論、焼成中の蒸散量を見越して原
料にPb分を多少多めに配合しておいても良いが、環境問
題等からしてPbの蒸散は極力抑えるべきである。
【0015】ところで、本発明法では、所定成分比に配
合した原料混合粉に仮焼を施してから焼成を行うことが
推奨される。なぜなら、仮焼することによって均一化さ
れかつ2223相結晶の核を有した前駆体が形成されるの
で、これを焼成に付すと前記核を基にした2223相結晶の
成長が他相の生成に抜きん出て著しく速やかになされ、
2223単一相結晶の安定製造につながるからである。原料
混合粉の仮焼は、780〜880℃程度の温度域で段階
的に温度を上げて2〜3回程度実施するのが良い。な
お、Pb含有焼成原料の場合はPbを含まない原料の場合よ
り低い仮焼温度てあっても差し支えはなく、仮焼回数が
1回でも顕著な効果が得られる。
【0016】さて、本発明法は、原料混合粉(これを仮
焼した前駆体も含む)を焼成するに際しフラックスとし
てKClを用いることをも大きな特徴としている。KClフ
ラックスは、焼成反応プロセスを著しく促進し、低温短
時間の焼成により2212相を経ないで直接的に2223相結晶
を得るのに大きく資する材料である。従って、原料混合
粉を2223相の構成元素比と同じ比率に配合し、焼成に際
してKClフラックスを使用することにより、未反応残留
物(非超電導性の絶縁物である中間生成相を含む)を殆
ど含まない2223相結晶を安定して作製することができ
る。この場合、原料混合粉を仮焼して2223相結晶の核を
有した前駆体となしてから焼成を行えば、2223相結晶の
より速やかで安定した作製が可能となる。
【0017】なお、KClフラックスは焼成中に系外へ逸
散してしまうので使用量を厳密に規定する必要はない
が、反応終了後に残留するようなことがあっても水洗に
よって容易に除去することができる。
【0018】本発明法では、2223相結晶を得るための焼
成は、従来適用されていたビスマス系高温超電導体を得
るための固相反応法の場合(Pb添加原料では865〜8
75℃程度であり、 Pb無添加原料では885〜895℃
程度が試みられていた)よりも15〜20℃低い温度で
実施することが可能である。また、本発明法によると焼
成時間が15時間程度と短くても2223相結晶を得ること
ができる。しかし、焼成時間を長くするとそれに応じて
大きな単結晶が得られることから、製造能率をも考慮し
た上で所望の粒径に応じて焼成時間を15〜100時間
の間で設定するのが好ましいと言える。
【0019】更に、本発明法では、焼成は2223相が安定
して生成する温度に一定に保って行うのが良く、焼成中
に温度勾配を付したり焼成時間内にそれ以外の温度変化
を与えたりすることは厳に控えるのが望ましい。なぜな
ら、温度勾配や温度変化を付けると、目的とする2223相
以外の他相が混入して超電導体の性能劣化を招くおそれ
が懸念されるからである。焼成が終了した材料は、その
まま室温まで自然冷却させれば良い。
【0020】
【実施の態様】ここで、本発明法に関する好ましい実施
の態様を挙げれば次の通りとなる。即ち、まず焼成原料
であるBi, Pb,Sr,Ca,Cuの酸化物及び炭酸塩を、Bi:
Sr:Ca:Cuの組成比あるいは (Bi,Pb):Sr:Ca:Cuの組
成比が“2:2:2:3”となるように配合して混合
し、これを均一化と2223相の核生成のために780〜8
80℃程度の温度で2〜3回程度仮焼して前駆体となし
た後、これにフラックスとしてKClを加えて従来の固相
反応法よりも15〜20℃低い焼成温度で15〜100
時間程度焼成してから、室温まで冷却する工程が好まし
いと言える。この手法により、未反応残留物が殆ど存在
しないBi/Pb-2223あるいはBi-2223 の結晶からなるビス
マス系高温超電導体を安定して作製することが可能とな
る。
【0021】
【実施例】以下、本発明を実施例によって更に具体的に
説明する。 〔実施例1〕本実施例では、Pbを含まない Bi-2223結晶
の作製を試みた。まず、 Bi23 ,SrCO3 ,CaC
3 ,CuOの各原料をBi:Sr:Ca:Cuの化学量論比が
2:2:2:3となるように混合し、希釈硝酸を用いた
スプレ−ドライ法によって均質な混合粉(硝酸塩となっ
ている)を作製した。
【0022】次に、途中で固まったものを乳鉢で粉砕す
る細粒化を繰り返しながら、上記混合物を空気中にて8
00℃,860℃,880℃の3段階で仮焼し、前駆体
を作製した。続いて、この前駆体粉とKClとを「1:
7」の重量比で混合してMgOるつぼに装入し、温度勾配
を付けることなく870℃の一定温度に加熱して焼成し
た。なお、焼成時間は15時間と100時間の2種類と
した。そして、焼成終了後は室温まで炉中で自然冷却し
た。
【0023】冷却した各るつぼ内の焼成生成物を取り出
して走査型電子顕微鏡で観察したところ、図1及び図2
の写真図に示す結晶が認められた。なお、図1に示すも
のは15時間の焼成で得られた結晶生成物であり、図2
に示すものは100時間の焼成で得られた結晶生成物で
ある。また、得られた結晶のX線回折パタ−ンを調査し
たところ何れも図3の(a)の通りであり、何れの結晶
も不純物相のないほぼ完全な Bi-2223相単結晶であるこ
とが確認された。
【0024】さて、前記図1,図2及び図3が示す結果
からは、本発明法によると15時間程度の焼成時間で超
電導線材製造用として十分に満足できる Bi-2223相結晶
を得ることができ、しかも焼成時間を100時間程度と
長くすることによってサイズが400μm四方もの大き
な単結晶を得られるということが分かる。また、結晶の
粒形状は極めて異方的で偏平なものであり、超電導線材
製造プロセス等(ロ−ル圧延プロセス等)において配向
させる必要がある場合には非常に有利な形状であること
も確認した。
【0025】なお、前記図3には、比較のために同一出
発原料を用いて従来の固相反応法で作製した焼成生成物
のX線回折パタ−ンも(b)として併記している。この
従来法による処理条件は、「 Bi23 ,SrCO3 ,CaC
3 及びCuOの各原料をBi:Sr:Ca:Cuの化学量論比が
2:2:2:3となるように混合し、希釈硝酸を用いた
スプレ−ドライ法によって均質な混合粉を作製し、これ
をMgOるつぼに装入して885℃で110時間焼成して
から室温まで炉中で自然冷却する」というものであっ
た。上記図3の(b)に係るX線回折パタ−ンは、従来
の固相反応法では焼成物の殆どが Bi-2212相に止まった
ままになっており、超電導性を有する Bi-2223相結晶が
得られなかったことを示している。
【0026】また、図4は、やはり比較のために紹介す
る「これまでに報告された中で比較的純度の高い(90
%程度)Bi-2223 相及びBi/Pb-2223相試料のX線回折結
果」であり{ 「Jpn. J. Appl.Phys.」 35(1996) P.2619
に掲載されている}、この試料は化学量論比からずらせ
た原料を用いることにより作成されたものである。この
図4に紹介されている結果からしても、本発明法による
と従来にない極めて純粋な Bi-2223相結晶を得られるこ
とが明白である。
【0027】次いで、本実施例において15時間焼成し
て得られた前記 Bi-2223相結晶につき、“磁化特性”と
“電気抵抗の温度依存性”を調査した。なお、磁化特性
の調査では、体積を大きくして磁化率測定を容易化する
ためにBi-2223 相単結晶粒を複数個寄せ集めた“粒の集
合体”を測定対象とした。また、電気抵抗の調査では、
焼成して得られた Bi-2223相単結晶を空気中において5
00℃で熱処理したものを電気抵抗測定に供した。
【0028】上述した“磁化特性”の調査結果を図5
に、そして“電気抵抗の温度依存性”の調査結果を図6
に示した。図5及び図6に示される調査結果から明らか
なように、磁化率,電気抵抗の何れも106〜110K
の温度で鋭い超電導転移を示しており、超電導体として
の特性は十分に良好であることを確認できる。
【0029】〔実施例2〕本実施例では、Pb添加を行っ
たBi/Pb-2223結晶の作製を試みた。まず、 Bi23 ,Pb
O,SrCO3 ,CaCO3 ,CuOの各原料を (Bi,Pb):S
r:Ca:Cuの化学量論比が2:2:2:3となるよう
に、またBi:Pbの化学量論比が1.7:0.3 となるように
混合し、希釈硝酸を用いたスプレ−ドライ法によって均
質な混合粉を作製した。
【0030】次に、途中で固まったものを乳鉢で粉砕す
る細粒化を繰り返しながら、上記混合物を空気中にて7
80℃,800℃の2段階で仮焼し(蓋付きMgOるつぼ
中で仮焼した)、前駆体を作製した。続いて、この前駆
体粉とKClとを「1:4」の重量比で混合してMgOるつ
ぼに装入して蓋をし、温度勾配を付けることなく850
℃の一定温度に加熱して焼成した。なお、焼成時間は2
0時間とした。そして、焼成終了後は室温まで炉中で自
然冷却した。
【0031】冷却したるつぼ内の焼成生成物を取り出し
て走査型電子顕微鏡で観察したところ、平均サイズが2
50μm四方の単結晶が多数生成していることが確認さ
れた。そして、これらの結晶をX線回折によって調査し
たところ、何れの結晶も不純物相が殆どないほぼ完全な
Bi/Pb-2223相単結晶(Bi/Pb-2223純度:97%)である
ことが確認された。また、得られたBi/Pb-2223相単結晶
のBiとPbの比率についても調査したが、狙い通りの 1.
7:0.3 となっていることが分かった。上述の結果から
も、本発明法によると、狙い通りのPb含有量割合の極め
て純粋なBi/Pb-2223相結晶を比較的低い焼成温度でかつ
比較的短時間で安定製造できることが分かる。
【0032】
【発明の効果】以上に説明した如く、本発明によれば、
絶縁物であって非超電導性の第2相が存在しない Bi-22
23単相のビスマス系高温超電導体やBi/Pb-2223単相のビ
スマス系高温超電導体を低コストで能率良く安定製造す
ることができ、また次に示す効果も期待できるなど、産
業上の有為性は極めて大きい。 a) 本発明法で製造されたビスマス系高温超電導体を超
電導線材の製造原料とすることで、ビスマス系超電導線
材の特性が向上してより多くの電流が流せるようにな
る。 b) 本発明法を適用することによって基板材料に特性の
優れたビスマス系高温超電導体の層を形成することがで
き、超電導デバイス等への応用といったビスマス系高温
超電導体の新しい応用分野が開かれる。 c) 本発明法によって大きなサイズのビスマス系高温超
電導体単結晶を作製することができるので、ビスマス系
高温超電導体単結晶を用いた新たな応用分野の開拓も可
能である。 d) 本発明法によってPbを含有しないものやBi/Pbの比
を変えた種々の2223相を得られることから、使用目的に
応じた様々な特性のビスマス系高温超電導体を提供する
ことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例(焼成時間15時間)で製造されたBi-2
223 結晶の走査型電子顕微鏡写真図である。
【図2】実施例(焼成時間100時間)で製造されたBi
-2223 結晶の走査型電子顕微鏡写真図である。
【図3】実施例で得られた結晶のX線回折パタ−ン
(a)と、従来の固相反応法で作製した焼成生成物のX
線回折パタ−ン(b)とを対比して示したグラフであ
る。
【図4】これまでに報告された中で比較的純度の高い B
i-2223相及びBi/Pb-2223相試料のX線回折パタ−ン例で
ある。
【図5】実施例で得られた Bi-2223相結晶に係る“磁化
特性”の調査結果を示したグラフである。
【図6】実施例で得られた Bi-2223相結晶に係る“電気
抵抗の温度依存性”の調査結果を示したグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田島 節子 東京都江東区東雲1丁目10番13号 財団法 人国際超電導産業技術研究センタ−超電導 工学研究所内 Fターム(参考) 4G047 JC10 KB01 LB01 4G048 AA05 AB01 AC04 AE05 5G321 AA06

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 焼成原料として、含まれるBi,Pb,Sr,
    Ca及びCuの量が超電導結晶 (Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3Z の化
    学量論比と同様の配合比とされた原料混合粉を用いると
    共に、KClをフラックスとして用いて焼成を行うことを
    特徴とする、化学組成が(Bi, Pb)2Sr2Ca2Cu3Z で表さ
    れるビスマス系高温超電導体の製造方法。
  2. 【請求項2】 焼成原料として、含まれるBi,Sr,Ca及
    びCuの量が超電導結晶Bi2Sr2Ca2Cu3Z の化学量論比と
    同様の配合比とされた原料混合粉を用いると共に、KCl
    をフラックスとして用いて焼成を行うことを特徴とす
    る、化学組成がPbを含まないBi2Sr2Ca2Cu3Z で表され
    るビスマス系高温超電導体の製造方法。
  3. 【請求項3】 焼成原料として、所定配合比で配合され
    た酸化物及び炭酸塩の原料混合粉を仮焼したものを用い
    る、請求項1又は2に記載のビスマス系高温超電導体の
    製造方法。
  4. 【請求項4】 焼成温度を一定に保って焼成を行う、請
    求項1乃至3の何れかに記載のビスマス系高温超電導体
    の製造方法。
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