JP2003086032A - Ｎｂ３Ｓｎ系超電導線材 - Google Patents
Ｎｂ３Ｓｎ系超電導線材Info
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- Y10T29/49002—Electrical device making
- Y10T29/49014—Superconductor
Abstract
(57)【要約】
【課題】 超電導マグネットに用いた場合、マグネット
運転時の半径方向の力に対しても十分な強度を有すると
ともに、その半径方向の力に起因する機械的歪みによる
特性劣化の少ないＮｂ3 Ｓｎ系超電導線材を提供する。 【解決手段】 銅（Ｃｕ）−スズ（Ｓｎ）系合金マトリ
ックス中に多数本のニオブ（Ｎｂ）またはニオブ合金フ
ィラメントを配設してなるブロンズ／フィラメント集合
体を備えたＮｂ3 Ｓｎ系超電導線材において、ブロンズ
／フィラメント集合体３' を構成する前記ニオブまたは
ニオブ合金フィラメントを、Ｎｂ3 Ｓｎ系超電導化合物
生成熱処理を施した後の室温以下の温度条件における機
械的強度が前記ニオブまたはニオブ合金よりも大である
フィラメント補強材によって複合化された複合フィラメ
ントにする。
運転時の半径方向の力に対しても十分な強度を有すると
ともに、その半径方向の力に起因する機械的歪みによる
特性劣化の少ないＮｂ3 Ｓｎ系超電導線材を提供する。 【解決手段】 銅（Ｃｕ）−スズ（Ｓｎ）系合金マトリ
ックス中に多数本のニオブ（Ｎｂ）またはニオブ合金フ
ィラメントを配設してなるブロンズ／フィラメント集合
体を備えたＮｂ3 Ｓｎ系超電導線材において、ブロンズ
／フィラメント集合体３' を構成する前記ニオブまたは
ニオブ合金フィラメントを、Ｎｂ3 Ｓｎ系超電導化合物
生成熱処理を施した後の室温以下の温度条件における機
械的強度が前記ニオブまたはニオブ合金よりも大である
フィラメント補強材によって複合化された複合フィラメ
ントにする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、Ｎｂ3 Ｓｎ系超電
導線材に関し、特に、超電導マグネットに用いた場合、
マグネット運転時の半径方向の力に対しても十分な強度
を有するとともに、その半径方向の力に起因する機械的
歪みによる特性劣化の少ないＮｂ3 Ｓｎ系超電導線材に
関する。
導線材に関し、特に、超電導マグネットに用いた場合、
マグネット運転時の半径方向の力に対しても十分な強度
を有するとともに、その半径方向の力に起因する機械的
歪みによる特性劣化の少ないＮｂ3 Ｓｎ系超電導線材に
関する。
【０００２】
【従来の技術】Ｎｂ3 Ｓｎ系超電導線材は、約２５Ｔの
臨界磁界特性を有し、１０Ｔ以上の超電導マグネットに
広く使用されている。しかしながら、Ｎｂ3 Ｓｎ等の化
合物超電導線材は、機械的な歪みを受けることにより特
性、特に臨界電流特性が劣化するという欠点を有する。
超電導マグネットでは、マグネットの磁界と通電電流に
よって常にマグネット内の超電導線材には電磁力が作用
し線材に機械的な歪みが生ずる。
臨界磁界特性を有し、１０Ｔ以上の超電導マグネットに
広く使用されている。しかしながら、Ｎｂ3 Ｓｎ等の化
合物超電導線材は、機械的な歪みを受けることにより特
性、特に臨界電流特性が劣化するという欠点を有する。
超電導マグネットでは、マグネットの磁界と通電電流に
よって常にマグネット内の超電導線材には電磁力が作用
し線材に機械的な歪みが生ずる。
【０００３】また、Ｎｂ3 Ｓｎ系超電導線材による超電
導マグネットは、最終的に、６００〜７５０℃で長時間
のＮｂ3 Ｓｎ系化合物生成熟処理によって形成されるた
め、一般的なＮｂ3 Ｓｎ系超電導線材では十分な強度が
得られなかった。
導マグネットは、最終的に、６００〜７５０℃で長時間
のＮｂ3 Ｓｎ系化合物生成熟処理によって形成されるた
め、一般的なＮｂ3 Ｓｎ系超電導線材では十分な強度が
得られなかった。
【０００４】このため、Ｎｂ3 Ｓｎ系超電導線材による
超電導マグネットの設計においては、電磁力の作用によ
る線材の特性変化を考慮した複雑な設計を必要とするた
め、高強度特性を有するＮｂ3 Ｓｎ系超電導線材の出現
が要望されている。
超電導マグネットの設計においては、電磁力の作用によ
る線材の特性変化を考慮した複雑な設計を必要とするた
め、高強度特性を有するＮｂ3 Ｓｎ系超電導線材の出現
が要望されている。
【０００５】図５は、従来のＮｂ3 Ｓｎ系超電導線材の
構成を模式的に示す断面図である。図５に示すように、
Ｎｂ3 Ｓｎ系超電導線材の高強度化の方法として、銅−
スズ系合金マトリックス中に多数本のＮｂまたはＮｂ合
金フィラメントを配設してなる集合体３を有し、その外
周に安定化銅１および拡散バリア２を有する、いわゆる
ブロンズ法Ｎｂ3 Ｓｎ系超電導線材の断面中心に中心補
強材４としてＴａを配設した超電導線材が提案されてい
る（T. Hase et al., Bronze Rroute Conductors for 1
GHz NMR Superconducting Magnet, IEEE Trans. Appl.
Supercond. Vol 10. No. 1, pp965-970(2000)）。集合
体３は、銅−スズ系合金管に多数本のＮｂまたはＮｂ合
金フィラメントを挿入してこれに縮径加工を施すことに
より製造される。
構成を模式的に示す断面図である。図５に示すように、
Ｎｂ3 Ｓｎ系超電導線材の高強度化の方法として、銅−
スズ系合金マトリックス中に多数本のＮｂまたはＮｂ合
金フィラメントを配設してなる集合体３を有し、その外
周に安定化銅１および拡散バリア２を有する、いわゆる
ブロンズ法Ｎｂ3 Ｓｎ系超電導線材の断面中心に中心補
強材４としてＴａを配設した超電導線材が提案されてい
る（T. Hase et al., Bronze Rroute Conductors for 1
GHz NMR Superconducting Magnet, IEEE Trans. Appl.
Supercond. Vol 10. No. 1, pp965-970(2000)）。集合
体３は、銅−スズ系合金管に多数本のＮｂまたはＮｂ合
金フィラメントを挿入してこれに縮径加工を施すことに
より製造される。
【０００６】一般に、超電導マグネットでは、電磁力に
より巻線内の超電導線材に機械的な力が軸方向および半
径方向に作用するが、このうち、軸方向の力による歪み
に対しては、超電導線材の軸方向強度を高めた前記提案
で対処可能である。
より巻線内の超電導線材に機械的な力が軸方向および半
径方向に作用するが、このうち、軸方向の力による歪み
に対しては、超電導線材の軸方向強度を高めた前記提案
で対処可能である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記提
案の線材では、半径方向の強度は、補強材が無い線材と
同等であるため、半径方向の力による歪みによる超電導
線材の特性、特に臨界電流特性の劣化が起きやすいとい
う問題があった。
案の線材では、半径方向の強度は、補強材が無い線材と
同等であるため、半径方向の力による歪みによる超電導
線材の特性、特に臨界電流特性の劣化が起きやすいとい
う問題があった。
【０００８】従って、本発明の目的は、超電導マグネッ
トに用いた場合、マグネット運転時の半径方向の力に対
しても十分な強度を有するとともに、その半径方向の力
に起因する機械的歪みによる特性劣化の少ないＮｂ3 Ｓ
ｎ系超電導線材を提供することにある。
トに用いた場合、マグネット運転時の半径方向の力に対
しても十分な強度を有するとともに、その半径方向の力
に起因する機械的歪みによる特性劣化の少ないＮｂ3 Ｓ
ｎ系超電導線材を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するため、以下のＮｂ3 Ｓｎ系超電導線材を提供する
ものである。 ［１］ 銅（Ｃｕ）−スズ（Ｓｎ）系合金マトリックス
中に多数本のニオブ（Ｎｂ）またはニオブ合金フィラメ
ントを配設してなるブロンズ／フィラメント集合体を備
えたＮｂ3 Ｓｎ系超電導線材において、前記ブロンズ／
フィラメント集合体を構成する前記ニオブまたはニオブ
合金フィラメントは、Ｎｂ3 Ｓｎ系超電導化合物生成熱
処理を施した後の室温以下の温度条件における機械的強
度が前記ニオブまたはニオブ合金よりも大であるフィラ
メント補強材によって複合化された複合フィラメントで
あって、前記複合フィラメント径が１５μｍ以下である
ことを特徴するＮｂ3 Ｓｎ系超電導線材。
成するため、以下のＮｂ3 Ｓｎ系超電導線材を提供する
ものである。 ［１］ 銅（Ｃｕ）−スズ（Ｓｎ）系合金マトリックス
中に多数本のニオブ（Ｎｂ）またはニオブ合金フィラメ
ントを配設してなるブロンズ／フィラメント集合体を備
えたＮｂ3 Ｓｎ系超電導線材において、前記ブロンズ／
フィラメント集合体を構成する前記ニオブまたはニオブ
合金フィラメントは、Ｎｂ3 Ｓｎ系超電導化合物生成熱
処理を施した後の室温以下の温度条件における機械的強
度が前記ニオブまたはニオブ合金よりも大であるフィラ
メント補強材によって複合化された複合フィラメントで
あって、前記複合フィラメント径が１５μｍ以下である
ことを特徴するＮｂ3 Ｓｎ系超電導線材。
【００１０】［２］ 前記フィラメント補強材は、タン
タル（Ｔａ）、タンタル合金、タングステン（Ｗ）、タ
ングステン合金、ニオブ（Ｎｂ）、ニオブ合金、チタン
（Ｔｉ）、チタン合金、モリブデン（Ｍｏ）、モリブデ
ン合金、バナジウム（Ｖ）、バナジウム合金、ジルコニ
ウム（Ｚｒ）、ジルコニウム合金、ハフニウム（Ｈ
ｆ）、およびハフニウム合金からなる群から選ばれる少
なくとも１種の金属からなるものであることを特徴とす
る前記［１］に記載のＮｂ3 Ｓｎ系超電導線材。
タル（Ｔａ）、タンタル合金、タングステン（Ｗ）、タ
ングステン合金、ニオブ（Ｎｂ）、ニオブ合金、チタン
（Ｔｉ）、チタン合金、モリブデン（Ｍｏ）、モリブデ
ン合金、バナジウム（Ｖ）、バナジウム合金、ジルコニ
ウム（Ｚｒ）、ジルコニウム合金、ハフニウム（Ｈ
ｆ）、およびハフニウム合金からなる群から選ばれる少
なくとも１種の金属からなるものであることを特徴とす
る前記［１］に記載のＮｂ3 Ｓｎ系超電導線材。
【００１１】［３］ 前記複合フィラメントは、前記ニ
オブまたはニオブ合金フィラメントに対する前記フィラ
メント補強材の体積分率が、０．０５〜０．８であるこ
とを特徴とする［１］に記載のＮｂ3 Ｓｎ系超電導線
材。
オブまたはニオブ合金フィラメントに対する前記フィラ
メント補強材の体積分率が、０．０５〜０．８であるこ
とを特徴とする［１］に記載のＮｂ3 Ｓｎ系超電導線
材。
【００１２】［４］ 前記複合フィラメントを形成する
ニオブまたはニオブ合金と銅−スズ系合金マトリックス
との体積比は、０．８〜２．５であり、かつ前記複合フ
ィラメントと銅−スズ系合金マトリックスとの体積比
は、０．３以下であることを特徴とする［１］に記載の
Ｎｂ3 Ｓｎ系超電導線材。
ニオブまたはニオブ合金と銅−スズ系合金マトリックス
との体積比は、０．８〜２．５であり、かつ前記複合フ
ィラメントと銅−スズ系合金マトリックスとの体積比
は、０．３以下であることを特徴とする［１］に記載の
Ｎｂ3 Ｓｎ系超電導線材。
【００１３】本発明は、上記［１］〜［４］の構成とし
たので、超電導マグネットに用いた場合、マグネット運
転時の半径方向の力に対しても十分な強度を有するとと
もに、その半径方向の力に起因する機械的歪みによる特
性劣化の少ないＮｂ3 Ｓｎ系超電導線材を提供すること
ができる。
たので、超電導マグネットに用いた場合、マグネット運
転時の半径方向の力に対しても十分な強度を有するとと
もに、その半径方向の力に起因する機械的歪みによる特
性劣化の少ないＮｂ3 Ｓｎ系超電導線材を提供すること
ができる。
【００１４】すなわち、前記ニオブ（Ｎｂ）またはニオ
ブ合金フィラメントを前記補強材によって複合して複合
フィラメントとし、かつ前記複合フィラメントにおける
前記フィラメント補強材の体積分率を、特定範囲のもの
としたので、Ｎｂ3 Ｓｎ系超電導化合物生成熱処理（６
００℃〜７５０℃で１０時間以上）においても、フィラ
メント中のニオブ（Ｎｂ）またはＮｂ合金の拡散または
化合物の生成等の反応が起きにくく、かつ機械的強度の
低下を抑えることできる。
ブ合金フィラメントを前記補強材によって複合して複合
フィラメントとし、かつ前記複合フィラメントにおける
前記フィラメント補強材の体積分率を、特定範囲のもの
としたので、Ｎｂ3 Ｓｎ系超電導化合物生成熱処理（６
００℃〜７５０℃で１０時間以上）においても、フィラ
メント中のニオブ（Ｎｂ）またはＮｂ合金の拡散または
化合物の生成等の反応が起きにくく、かつ機械的強度の
低下を抑えることできる。
【００１５】また、Ｎｂ3 Ｓｎ系超電導線材として機械
的強度が向上することで、Ｎｂ3 Ｓｎ系化合物熱処理後
に巻線する、いわゆるＲｅａｃｔ ＆ Ｗｉｎｄ法の適用
可能性を高めることができる。
的強度が向上することで、Ｎｂ3 Ｓｎ系化合物熱処理後
に巻線する、いわゆるＲｅａｃｔ ＆ Ｗｉｎｄ法の適用
可能性を高めることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面を参照しつつ具体的に説明する。
面を参照しつつ具体的に説明する。
【００１７】図１は、本発明のＮｂ3 Ｓｎ系超電導線材
の一実施形態を模式的に示す断面図である。図１に示す
ように、本発明のＮｂ3 Ｓｎ系超電導線材は、集合体
３'（図５における集合体３に対応）を構成する前記ニ
オブまたはニオブ合金フィラメントとして、Ｎｂ3 Ｓｎ
系超電導化合物生成熱処理を施した後の室温以下の温度
条件における機械的強度が前記ニオブまたはニオブ合金
よりも大であるフィラメント補強材によって複合化され
た複合フィラメントを使用する。また、複合フィラメン
トから構成される集合体３' の外周には、安定化銅１お
よび拡散バリア２が設けられている。
の一実施形態を模式的に示す断面図である。図１に示す
ように、本発明のＮｂ3 Ｓｎ系超電導線材は、集合体
３'（図５における集合体３に対応）を構成する前記ニ
オブまたはニオブ合金フィラメントとして、Ｎｂ3 Ｓｎ
系超電導化合物生成熱処理を施した後の室温以下の温度
条件における機械的強度が前記ニオブまたはニオブ合金
よりも大であるフィラメント補強材によって複合化され
た複合フィラメントを使用する。また、複合フィラメン
トから構成される集合体３' の外周には、安定化銅１お
よび拡散バリア２が設けられている。
【００１８】図１における安定化銅１と複合フィラメン
ト集合体３’の配置が逆転した構造であってもよい。安
定化材は、図１では銅の場合を示したが、アルミニウム
（Ａｌ）またはアルミニウム合金であっても差し支えな
い。また、本発明の超電導線材の断面形状は、図１では
円形断面を示したが、矩形断面であっても全く同様の効
果が得られる。
ト集合体３’の配置が逆転した構造であってもよい。安
定化材は、図１では銅の場合を示したが、アルミニウム
（Ａｌ）またはアルミニウム合金であっても差し支えな
い。また、本発明の超電導線材の断面形状は、図１では
円形断面を示したが、矩形断面であっても全く同様の効
果が得られる。
【００１９】安定化材の複合比率は、線材の強度に影響
を与える。安定化材の複合比率が適切でない場合、本願
発明の効果が現われないため、本願発明における安定化
材と非安定化材の体積比は、４．０以下が望ましい。
を与える。安定化材の複合比率が適切でない場合、本願
発明の効果が現われないため、本願発明における安定化
材と非安定化材の体積比は、４．０以下が望ましい。
【００２０】一方、Ｎｂ3Ｓｎ系超電導線材により製作
される超電導マグネットは、通常、巻線後に熱処理す
る、いわゆるＷｉｎｄ ＆ Ｒｅａｃｔ法が用いられる。
この方法では、巻線前にガラス繊維またはセラミック繊
維等からなる絶縁層を被覆する必要がある。この絶縁層
によってコイル内の線材占積率が低下するため、本発明
の線材直径（矩形断面の場合は相当直径）は、０．７ｍ
ｍ以上が好ましい。
される超電導マグネットは、通常、巻線後に熱処理す
る、いわゆるＷｉｎｄ ＆ Ｒｅａｃｔ法が用いられる。
この方法では、巻線前にガラス繊維またはセラミック繊
維等からなる絶縁層を被覆する必要がある。この絶縁層
によってコイル内の線材占積率が低下するため、本発明
の線材直径（矩形断面の場合は相当直径）は、０．７ｍ
ｍ以上が好ましい。
【００２１】図２は、本発明に用いられる複合フィラメ
ントの一実施形態を模式的に示す断面図である。図２に
示すように、複合フィラメント５は、上述のように、ニ
オブまたはニオブ合金６と、Ｎｂ3 Ｓｎ系超電導化合物
生成熱処理を施した後の室温以下の温度条件における機
械的強度が前記ニオブまたはニオブ合金よりも大である
フィラメント補強材７とを複合化したものである。
ントの一実施形態を模式的に示す断面図である。図２に
示すように、複合フィラメント５は、上述のように、ニ
オブまたはニオブ合金６と、Ｎｂ3 Ｓｎ系超電導化合物
生成熱処理を施した後の室温以下の温度条件における機
械的強度が前記ニオブまたはニオブ合金よりも大である
フィラメント補強材７とを複合化したものである。
【００２２】図２は、複合フィラメントがニオブまたは
ニオブ系合金６と補強材７の２層から形成された場合の
実施形態を示したものであるが、補強材７は、本発明の
フィラメント補強材に適用可能な金属またはその合金の
中から選ばれた複数のものから構成されたものであって
もよい。
ニオブ系合金６と補強材７の２層から形成された場合の
実施形態を示したものであるが、補強材７は、本発明の
フィラメント補強材に適用可能な金属またはその合金の
中から選ばれた複数のものから構成されたものであって
もよい。
【００２３】図３は、本発明に用いられる複合フィラメ
ントの他の実施形態を模式的に示す断面図である。図３
に示すように、同様のフィラメント補強材７をニオブま
たはニオブ合金６中に、分散させた分散型のものであっ
てもよい。
ントの他の実施形態を模式的に示す断面図である。図３
に示すように、同様のフィラメント補強材７をニオブま
たはニオブ合金６中に、分散させた分散型のものであっ
てもよい。
【００２４】フィラメント補強材７としては、前記Ｎｂ
3 Ｓｎ系超電導化合物生成熱処理を施した後の室温以下
の温度条件における機械的強度がニオブ（Ｎｂ）または
ニオブ合金よりも大であるものであれば特に制限はない
が、例えば、タンタル（Ｔａ）、タンタル合金、タング
ステン（Ｗ）、タングステン合金、ニオブ（Ｎｂ）、ニ
オブ合金、チタン（Ｔｉ）、チタン合金、モリブデン
（Ｍｏ）、モリブデン合金、バナジウム（Ｖ）、バナジ
ウム合金、ジルコニウム（Ｚｒ）、ジルコニウム合金、
ハフニウム（Ｈｆ）、およびハフニウム合金からなる群
から選ばれる少なくとも１種の金属からなるものを好適
例として挙げることができる。
3 Ｓｎ系超電導化合物生成熱処理を施した後の室温以下
の温度条件における機械的強度がニオブ（Ｎｂ）または
ニオブ合金よりも大であるものであれば特に制限はない
が、例えば、タンタル（Ｔａ）、タンタル合金、タング
ステン（Ｗ）、タングステン合金、ニオブ（Ｎｂ）、ニ
オブ合金、チタン（Ｔｉ）、チタン合金、モリブデン
（Ｍｏ）、モリブデン合金、バナジウム（Ｖ）、バナジ
ウム合金、ジルコニウム（Ｚｒ）、ジルコニウム合金、
ハフニウム（Ｈｆ）、およびハフニウム合金からなる群
から選ばれる少なくとも１種の金属からなるものを好適
例として挙げることができる。
【００２５】また、複合フィラメントにおけるフィラメ
ント補強材の体積分率は、通常０．０５〜０．６５であ
る。０．０５未満であると、横方向の負荷により臨界電
流の劣化が生じ易く、０．６５を超えると、臨界電流特
性の水準が低く、実用性に欠ける。
ント補強材の体積分率は、通常０．０５〜０．６５であ
る。０．０５未満であると、横方向の負荷により臨界電
流の劣化が生じ易く、０．６５を超えると、臨界電流特
性の水準が低く、実用性に欠ける。
【００２６】ところで、Ｒｅａｃｔ ＆ Ｗｉｎｄ法を適
用したマグネットとして、寒剤に液体ヘリウムを使用し
ない、冷凍機による伝導冷却マグネットへの応用が想定
される。伝導冷却マグネットでは、マグネット励磁にお
ける巻線部の発熱が冷凍機の冷却能力を下回らないと装
置として成り立たなくなるのはいうまでもない。マグネ
ットの励磁における巻線部の発熱の主因は、超電導線材
のヒステリシス（履歴）損失であり、このヒステリシス
損失はフィラメント径に比例する。本発明におけるフィ
ラメント径は、複合フィラメント径と等しく、複合フィ
ラメント径を１５μｍ以下とする必要がある。
用したマグネットとして、寒剤に液体ヘリウムを使用し
ない、冷凍機による伝導冷却マグネットへの応用が想定
される。伝導冷却マグネットでは、マグネット励磁にお
ける巻線部の発熱が冷凍機の冷却能力を下回らないと装
置として成り立たなくなるのはいうまでもない。マグネ
ットの励磁における巻線部の発熱の主因は、超電導線材
のヒステリシス（履歴）損失であり、このヒステリシス
損失はフィラメント径に比例する。本発明におけるフィ
ラメント径は、複合フィラメント径と等しく、複合フィ
ラメント径を１５μｍ以下とする必要がある。
【００２７】本発明において、臨界電流特性と強度は、
トレード・オフの関係にあり、本発明の主眼とする線材
半径方向歪に対する臨界電流劣化を低く抑えるために複
合フィラメントの補強材複合率を高くすると、必然的に
Ｎｂ3Ｓｎ系超電導化合物生成に寄与する銅−スズ系合
金を核とする複合フィラメント中のニオブまたはニオブ
合金の割合が低下し、臨界電流が低下する。これを防
ぎ、実用性十分な臨界電流特性を得るためには、Ｎｂ3
Ｓｎ系超電導化合物生成に関与する複合フィラメントの
ニオブまたはニオブ合金と銅−スズ系合金マトリックス
との体積比を最適化し、無駄な銅−スズ系合金の割合を
低くしなければならない。その最適範囲として０．８以
上２．５以下が好ましい。この範囲は、本発明に適用可
能な銅−スズ系合金マトリックスのスズ濃度範囲（１４
〜３０重量％）によって規定され、１４重量％スズの銅
−スズ系合金マトリックスとした場合、複合フィラメン
トのニオブまたはニオブ合金と銅−スズ系合金マトリッ
クスとの体積比を２．５より高くすると無駄な銅−スズ
系合金マトリックスを複合することになる。複合フィラ
メントのニオブまたはニオブ合金と銅−スズ系合金マト
リックスとの体積比を０．８より低くするには、銅−ス
ズ系合金のスズ濃度を３０重量％より高くしなければな
らず、この場合は、銅−スズ系合金マトリックスに延性
がなくなり、超電導線材としての複合が不可能となり適
用できない。
トレード・オフの関係にあり、本発明の主眼とする線材
半径方向歪に対する臨界電流劣化を低く抑えるために複
合フィラメントの補強材複合率を高くすると、必然的に
Ｎｂ3Ｓｎ系超電導化合物生成に寄与する銅−スズ系合
金を核とする複合フィラメント中のニオブまたはニオブ
合金の割合が低下し、臨界電流が低下する。これを防
ぎ、実用性十分な臨界電流特性を得るためには、Ｎｂ3
Ｓｎ系超電導化合物生成に関与する複合フィラメントの
ニオブまたはニオブ合金と銅−スズ系合金マトリックス
との体積比を最適化し、無駄な銅−スズ系合金の割合を
低くしなければならない。その最適範囲として０．８以
上２．５以下が好ましい。この範囲は、本発明に適用可
能な銅−スズ系合金マトリックスのスズ濃度範囲（１４
〜３０重量％）によって規定され、１４重量％スズの銅
−スズ系合金マトリックスとした場合、複合フィラメン
トのニオブまたはニオブ合金と銅−スズ系合金マトリッ
クスとの体積比を２．５より高くすると無駄な銅−スズ
系合金マトリックスを複合することになる。複合フィラ
メントのニオブまたはニオブ合金と銅−スズ系合金マト
リックスとの体積比を０．８より低くするには、銅−ス
ズ系合金のスズ濃度を３０重量％より高くしなければな
らず、この場合は、銅−スズ系合金マトリックスに延性
がなくなり、超電導線材としての複合が不可能となり適
用できない。
【００２８】本発明では、必然的に複合フィラメントと
銅−スズ系合金マトリックスとの体積比は、複合フィラ
メントのニオブまたはニオブ合金と銅−スズ系合金マト
リックスとの体積比より小さくなる。図１に示した実施
形態における集合体３’が、銅−スズ系合金マトリック
ス中に複合フィラメントが１本以上埋設されたサブ・エ
レメントにより形成される場合、複合フィラメントと銅
−スズ系合金マトリックスの体積比を小さくすると、サ
ブ・エレメントの縮径加工が困難になるため、複合フィ
ラメントと銅−スズ系合金マトリックスとの体積比は
０．３以上でなければならない。
銅−スズ系合金マトリックスとの体積比は、複合フィラ
メントのニオブまたはニオブ合金と銅−スズ系合金マト
リックスとの体積比より小さくなる。図１に示した実施
形態における集合体３’が、銅−スズ系合金マトリック
ス中に複合フィラメントが１本以上埋設されたサブ・エ
レメントにより形成される場合、複合フィラメントと銅
−スズ系合金マトリックスの体積比を小さくすると、サ
ブ・エレメントの縮径加工が困難になるため、複合フィ
ラメントと銅−スズ系合金マトリックスとの体積比は
０．３以上でなければならない。
【００２９】以下、本発明を実施例によりさらに具体的
に説明する。なお、本発明の実施例および比較例で製作
した線径１．０ｍｍのＮｂ3 Ｓｎ系超電導線材の諸元を
表１に示す。
に説明する。なお、本発明の実施例および比較例で製作
した線径１．０ｍｍのＮｂ3 Ｓｎ系超電導線材の諸元を
表１に示す。
【００３０】（実施例１）複合フィラメントにおけるフ
ィラメント補強材として、工業用純Ｔａを用い、複合フ
ィラメントの最終線材径におけるフィラメント補強材径
は、複合フィラメント外径５μｍに対して２μｍとし、
複合フィラメントにおけるフィラメント補強材の体積分
率を０．１６のものとした。ニオブ（Ｎｂ）−１重量％
タンタル（Ｔａ）合金をフィラメント基材に、銅（Ｃ
ｕ）−１４．５重量％スズ（Ｓｎ）−０．３重量％チタ
ニウム（Ｔｉ）を銅（Ｃｕ）−スズ（Ｓｎ）系合金マト
リックスに用いた。拡散バリアに工業用純Ｔａを用い、
その厚さをほぼ１９μｍとした。また、安定化銅に対す
る非安定化銅部の断面積比（安定化銅比）は、約１とし
て製作した。
ィラメント補強材として、工業用純Ｔａを用い、複合フ
ィラメントの最終線材径におけるフィラメント補強材径
は、複合フィラメント外径５μｍに対して２μｍとし、
複合フィラメントにおけるフィラメント補強材の体積分
率を０．１６のものとした。ニオブ（Ｎｂ）−１重量％
タンタル（Ｔａ）合金をフィラメント基材に、銅（Ｃ
ｕ）−１４．５重量％スズ（Ｓｎ）−０．３重量％チタ
ニウム（Ｔｉ）を銅（Ｃｕ）−スズ（Ｓｎ）系合金マト
リックスに用いた。拡散バリアに工業用純Ｔａを用い、
その厚さをほぼ１９μｍとした。また、安定化銅に対す
る非安定化銅部の断面積比（安定化銅比）は、約１とし
て製作した。
【００３１】（実施例２および３）実施例１において、
複合フィラメントにおけるフィラメント補強材の体積分
率を、それぞれ０．４０のもの、および０．５９のもの
としたこと以外は、実施例１と同様に製作した。
複合フィラメントにおけるフィラメント補強材の体積分
率を、それぞれ０．４０のもの、および０．５９のもの
としたこと以外は、実施例１と同様に製作した。
【００３２】（比較例１）実施例１において、フィラメ
ントを単相とし、特別なフィラメント補強材を複合しな
いことおよび線材中心に中心補強材としてＴａを配置し
たこと以外は、実施例１と同様に製作した。
ントを単相とし、特別なフィラメント補強材を複合しな
いことおよび線材中心に中心補強材としてＴａを配置し
たこと以外は、実施例１と同様に製作した。
【００３３】（比較例２）実施例１において、フィラメ
ント補強材の体積分率を０．０４８としたこと以外は実
施例１と同様に製作した。
ント補強材の体積分率を０．０４８としたこと以外は実
施例１と同様に製作した。
【００３４】（比較例３）実施例１において、フィラメ
ント補強材の体積分率を０．６８としたこと以外は実施
例１と同様に製作した。
ント補強材の体積分率を０．６８としたこと以外は実施
例１と同様に製作した。
【００３５】（比較例４）補強材を全く複合しない、一
般的なＮｂ3 Ｓｎ超電導線材である。
般的なＮｂ3 Ｓｎ超電導線材である。
【００３６】製作したこれらの線材を６５０℃×２００
時間、真空中で熱処理し、線材軸に対して横圧縮した場
合の臨界電流の変化を磁場中で測定した。
時間、真空中で熱処理し、線材軸に対して横圧縮した場
合の臨界電流の変化を磁場中で測定した。
【００３７】図４は、本発明の一実施例または比較例で
得られた線材を６５０℃×２００時間、真空中で熱処理
し、線材軸に対して横圧縮した場合の臨界電流の変化を
磁場中で測定した測定方法を模式的に示す説明図であ
る。図４に示すように、測定線材１０の軸に対して、垂
直方向から長さ５ｍｍ、幅５ｍｍのＧＦＲＰ（Ｇ１０）
を圧縮板９を介して７５ｋｇｆの荷重を負荷した状態
で、線材１０の臨界電流を測定し、負荷無の場合の臨界
電流値と比較した。臨界電流測定は４端子法で行い、電
圧端子８間距離を約１０ｍｍとし、臨界電流の定義には
１．０μＶ／ｃｍ基準を用いた。外部磁場は１２Ｔと
し、線材軸に垂直に印加した。さらに、液体ヘリウム中
で、これらの線材の単軸引張試験を行い、０．２％耐力
を比較した。なお、図４中、符号１１は電線リードを示
し、１２は、受圧ベースをそれぞれ示している。
得られた線材を６５０℃×２００時間、真空中で熱処理
し、線材軸に対して横圧縮した場合の臨界電流の変化を
磁場中で測定した測定方法を模式的に示す説明図であ
る。図４に示すように、測定線材１０の軸に対して、垂
直方向から長さ５ｍｍ、幅５ｍｍのＧＦＲＰ（Ｇ１０）
を圧縮板９を介して７５ｋｇｆの荷重を負荷した状態
で、線材１０の臨界電流を測定し、負荷無の場合の臨界
電流値と比較した。臨界電流測定は４端子法で行い、電
圧端子８間距離を約１０ｍｍとし、臨界電流の定義には
１．０μＶ／ｃｍ基準を用いた。外部磁場は１２Ｔと
し、線材軸に垂直に印加した。さらに、液体ヘリウム中
で、これらの線材の単軸引張試験を行い、０．２％耐力
を比較した。なお、図４中、符号１１は電線リードを示
し、１２は、受圧ベースをそれぞれ示している。
【００３８】その測定結果を表２に示す。これは負荷
無、７５ｋｇｆ負荷時それぞれの臨界電流測定結果を示
したもので、臨界電流比は負荷時の臨界電流値の負荷無
時の臨界電流値に対する比である。この結果が示すよう
に、比較例１，２、４では、横方向の負荷により大幅な
臨界電流の劣化が起きたのに対し、実施例１では臨界電
流および横圧縮による劣化が大幅に改善されることがわ
かる。比較例３では横圧縮により臨界電流密度の劣化は
少ないが、無負荷時の臨界電流特性の水準が実用レベル
を大きく下回るため、負荷時の臨界電流特性が結果的に
低くなる。これは、フィラメント補強材の複合量を大き
くしたためであり、実用上、フィラメント補強材の体積
分率は、０．６５以下である必要がある。
無、７５ｋｇｆ負荷時それぞれの臨界電流測定結果を示
したもので、臨界電流比は負荷時の臨界電流値の負荷無
時の臨界電流値に対する比である。この結果が示すよう
に、比較例１，２、４では、横方向の負荷により大幅な
臨界電流の劣化が起きたのに対し、実施例１では臨界電
流および横圧縮による劣化が大幅に改善されることがわ
かる。比較例３では横圧縮により臨界電流密度の劣化は
少ないが、無負荷時の臨界電流特性の水準が実用レベル
を大きく下回るため、負荷時の臨界電流特性が結果的に
低くなる。これは、フィラメント補強材の複合量を大き
くしたためであり、実用上、フィラメント補強材の体積
分率は、０．６５以下である必要がある。
【００３９】また、液体ヘリウム中（４．２Ｋ）での引
張試験結果として示した０．２％耐力では、比較例１の
２５４ＭＰａと比較すると、実施例１が２０５ＭＰａと
低い値を示しているが、フィラメント補強材を全く複合
しない一般的なＮｂ3 Ｓｎ系線材である比較例４に比較
して、顕著に耐力が向上しており、実用上良好な結果が
得られた。実施例２，３では、比較例１と同等以上の耐
力となり、横方向の圧縮強度と共に軸方向の強度も強化
されている。以上の結果から、本発明の複合フィラメン
ト内の補強材体積分率範囲としては０．０５〜０．６５
が最適であることがわかる
張試験結果として示した０．２％耐力では、比較例１の
２５４ＭＰａと比較すると、実施例１が２０５ＭＰａと
低い値を示しているが、フィラメント補強材を全く複合
しない一般的なＮｂ3 Ｓｎ系線材である比較例４に比較
して、顕著に耐力が向上しており、実用上良好な結果が
得られた。実施例２，３では、比較例１と同等以上の耐
力となり、横方向の圧縮強度と共に軸方向の強度も強化
されている。以上の結果から、本発明の複合フィラメン
ト内の補強材体積分率範囲としては０．０５〜０．６５
が最適であることがわかる
【００４０】
【表１】
【００４１】
【表２】
【００４２】
【発明の効果】以上、説明した通り、本発明によると、
超電導マグネットに用いた場合、マグネット運転時の半
径方向の力に対しても十分な強度を有するとともに、そ
の半径方向の力に起因する機械的歪みによる特性劣化の
少ないＮｂ3 Ｓｎ系超電導線材を提供することができ
る。
超電導マグネットに用いた場合、マグネット運転時の半
径方向の力に対しても十分な強度を有するとともに、そ
の半径方向の力に起因する機械的歪みによる特性劣化の
少ないＮｂ3 Ｓｎ系超電導線材を提供することができ
る。
【図１】本発明のＮｂ3 Ｓｎ系超電導線材の一実施形態
を模式的に示す断面図である。
を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明に用いられる複合フィラメントの一実施
形態を模式的に示す断面図である。
形態を模式的に示す断面図である。
【図３】本発明に用いられる複合フィラメントの他の実
施形態を模式的に示す断面図である。
施形態を模式的に示す断面図である。
【図４】本発明の一実施例または比較例で得られた線材
を６５０℃×２００時間、真空中で熱処理し、線材軸に
対して横圧縮した場合の臨界電流の変化を磁場中で測定
した測定方法を模式的に示す説明図である。
を６５０℃×２００時間、真空中で熱処理し、線材軸に
対して横圧縮した場合の臨界電流の変化を磁場中で測定
した測定方法を模式的に示す説明図である。
【図５】従来のＮｂ3 Ｓｎ系超電導線材の構成を模式的
に示す断面図である。
に示す断面図である。
１：安定化銅
２：拡散バリア
３：ブロンズ／フィラメント集合体
３'：ブロンズ／複合フィラメント集合体
４：中心補強材
５：複合フィラメント
６：ニオブ（Ｎｂ）またはニオブ合金
７：フィラメント補強材
８：電圧端子
９：圧縮板
１０：測定線材
１１：電線リード
１２：受圧ベース
Claims (4)
- 【請求項１】銅（Ｃｕ）−スズ（Ｓｎ）系合金マトリッ
クス中に多数本のニオブ（Ｎｂ）またはニオブ合金フィ
ラメントを配設してなるブロンズ／フィラメント集合体
を備えたＮｂ3 Ｓｎ系超電導線材において、 前記ブロンズ／フィラメント集合体を構成する前記ニオ
ブまたはニオブ合金フィラメントは、Ｎｂ3 Ｓｎ系超電
導化合物生成熱処理を施した後の室温以下の温度条件に
おける機械的強度が前記ニオブまたはニオブ合金よりも
大であるフィラメント補強材によって複合化された複合
フィラメントであって、前記複合フィラメント径が１５
μｍ以下であることを特徴するＮｂ3 Ｓｎ系超電導線
材。 - 【請求項２】前記フィラメント補強材は、タンタル（Ｔ
ａ）、タンタル合金、タングステン（Ｗ）、タングステ
ン合金、ニオブ（Ｎｂ）、ニオブ合金、チタン（Ｔ
ｉ）、チタン合金、モリブデン（Ｍｏ）、モリブデン合
金、バナジウム（Ｖ）、バナジウム合金、ジルコニウム
（Ｚｒ）、ジルコニウム合金、ハフニウム（Ｈｆ）、お
よびハフニウム合金からなる群から選ばれる少なくとも
１種の金属からなるものであることを特徴とする請求項
１記載のＮｂ3 Ｓｎ系超電導線材。 - 【請求項３】前記複合フィラメントは、前記ニオブまた
はニオブ合金フィラメントに対する前記フィラメント補
強材の体積分率が、０．０５〜０．６５であることを特
徴とする請求項１記載のＮｂ3 Ｓｎ系超電導線材。 - 【請求項４】前記複合フィラメントを形成するニオブま
たはニオブ合金と銅−スズ系合金マトリックスとの体積
比は、０．８〜２．５であり、かつ前記複合フィラメン
トと銅−スズ系合金マトリックスとの体積比は、０．３
以下であることを特徴とする請求項１記載のＮｂ3 Ｓｎ
系超電導線材。
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000043300A JP2001236836A (ja) | 2000-02-21 | 2000-02-21 | Ｎｂ３Ｓｎ系超電導線材 |
| DE10140109A DE10140109A1 (de) | 2000-02-21 | 2001-08-16 | Supraleitender Draht auf Nb¶3¶Sn-Basis |
| US09/932,458 | 2001-08-20 | ||
| US09/932,458 US6849137B2 (en) | 2000-02-21 | 2001-08-20 | Nb3Sn-system superconductive wire |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003086032A true JP2003086032A (ja) | 2003-03-20 |
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ID=27214560
Family Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000043300A Pending JP2001236836A (ja) | 2000-02-21 | 2000-02-21 | Ｎｂ３Ｓｎ系超電導線材 |
| JP2002234170A Pending JP2003086032A (ja) | 2000-02-21 | 2002-08-09 | Ｎｂ３Ｓｎ系超電導線材 |
Family Applications Before (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000043300A Pending JP2001236836A (ja) | 2000-02-21 | 2000-02-21 | Ｎｂ３Ｓｎ系超電導線材 |
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| Country | Link |
|---|---|
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| JP (2) | JP2001236836A (ja) |
| DE (1) | DE10140109A1 (ja) |
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| EP2031668A2 (en) | 2007-09-03 | 2009-03-04 | Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho (Kobe Steel, Ltd.) | Nb3Sn superconducting wire fabricated by bronze process and precursor therefor |
| WO2013154187A1 (ja) * | 2012-04-12 | 2013-10-17 | 古河電気工業株式会社 | 化合物超電導線及びその製造方法 |
| JP2015045617A (ja) * | 2013-08-29 | 2015-03-12 | 株式会社フジクラ | 長尺用超電導線材の臨界電流評価装置および評価方法 |
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|---|---|---|---|---|
| DE602004006368T2 (de) * | 2004-02-28 | 2007-08-30 | Bruker Biospin Ag | Nb3Sn-Supraleiterelement |
| EP1638152B1 (en) * | 2004-09-16 | 2009-12-16 | Bruker BioSpin AG | Method for producing a superconductive element |
| DE602004010118T2 (de) * | 2004-09-16 | 2008-09-04 | Bruker Biospin Ag | Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Elementes |
| DE602005005044T2 (de) * | 2005-07-19 | 2009-02-26 | Bruker Biospin Ag | Supraleitende Elemente mit Kupfer-Einschlüsse enthaltenden Nb3Sn-Filamenten, sowie ein Verbundwerkstoff und ein Verfahren für ihre Herstellung |
| JP2007128686A (ja) * | 2005-11-01 | 2007-05-24 | Kobe Steel Ltd | 内部拡散法Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材 |
| US7505800B2 (en) * | 2006-04-11 | 2009-03-17 | Bruker Biospin Ag | Superconductive element containing Nb3Sn |
| EP2333793B1 (en) * | 2009-12-09 | 2012-02-08 | Bruker BioSpin AG | Superconductors with improved mechanical strength |
| JP5438531B2 (ja) * | 2010-01-20 | 2014-03-12 | 株式会社Ｓｈカッパープロダクツ | Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の製造方法、及びＮｂ３Ｓｎ超電導線材 |
| JP2014137917A (ja) * | 2013-01-17 | 2014-07-28 | Hitachi Metals Ltd | Ｎｂ３Ｓｎ超電導前駆体線材、Ｎｂフィラメント素線、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材並びにその製造方法 |
| CN109643593B (zh) * | 2016-09-06 | 2021-06-18 | H.C.施塔克公司 | 金属超导线的扩散屏障 |
| US11574749B2 (en) | 2016-09-06 | 2023-02-07 | Materion Newton Inc. | Diffusion barriers for metallic superconducting wires |
| EP3355373B1 (en) * | 2017-01-25 | 2021-03-03 | Bruker OST LLC | Improving strand critical current density in nb3sn superconducting strands via a novel heat treatment |
| CN111243819B (zh) * | 2020-03-13 | 2021-06-29 | 中国科学院电工研究所 | 一种NbTi和Nb3Sn超导线的超导接头及其制备方法 |
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-
2000
- 2000-02-21 JP JP2000043300A patent/JP2001236836A/ja active Pending
-
2001
- 2001-08-16 DE DE10140109A patent/DE10140109A1/de not_active Withdrawn
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-
2002
- 2002-08-09 JP JP2002234170A patent/JP2003086032A/ja active Pending
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