JP2004158440A - 金属−セラミック高温超伝導体合成物及びセラミック高温超伝導体合成物の金属への接合プロセス - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 セラミック高温超電導体を金属サポートに接合させる方法であって、セラミック高温超電導体は、熱伝導性接着材を用いて金属サポートに接合され、熱伝導性接着材がセラミック高温超電導体に設けられた少なくても1つの貫通穴に充填され、熱伝導性接着材が金属サポートとセラミック高温超電導体の接合部へも充填され、更に、貫通穴に充填された熱伝導性接着材と、接合部へ充填された熱伝導性接着材が互いに接触することを特徴とする接着方法である。
【選択図】図1
Description
その他の冷却方法としては、超伝導体を冷却器に接続する方法がある。この場合、超伝導体から熱を取り去るために、超伝導体を高熱伝導体に接触させなければならない。
通常、高熱伝導体は金属で作られ、超伝導体がその上に載せられるような板状やパイプ状の形状をしており、冷却器に接続されている。また、高熱伝導体の材料としては、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、ステンレス鋼等が適している。
ひとつは、冷却時に、銅の板の面と直角に芯出しされたab面内のセラミック超伝導体と金属板の間の接触部において、両者の熱膨張率の差によるせん断応力が発生することである。更に、YBCO超伝導体においては、77Kの冷却温度において、c軸方向で約20Kの温度勾配が発生する。
どちらにおいても、破壊や、亀裂の生成、ab面の方向における超伝導体の分離を、結果として引き起こす。
このことは、特に、YBCOのような著しい異方性を有する超伝導体材料において問題となる。
しかし、この解決方法は特定の場合の適用に限られ、全ての場合には適用できない。
上述した適切な例としては、熱伝導性ペースト、熱伝導性接着剤(adhesives)、又は、Bi/ln、銀アロイ、融点が700℃を下回るその他の半田材が含まれた熱伝導性半田等が挙げられる。更に半田材として適した例としては、3元素又は4元素合成物や上記で引用したコンポーネントのアロイだけでなく、SnPb、SnZn、InZn、InAg、BiSn、AuSn、SnCd、SnAg、InSn、SnSb、SnCuのような2元素合成物が挙げられる。
適切な添加物の例としては、アルミ窒化物や、二酸化珪素や、その他この目的に適した材料が挙げられる。
この貫通穴の数や大きさは、セラミック高温超伝導体自体の大きさに応じて定められることは明らかである。可能なセラミック高温超伝導体の大きさとしては、数mmから100mm以上までの範囲が考えられる。セラミック高温超伝導体の各々の大きさに従って、貫通穴は、穴径が1mm以下から10mm以上のものまで考えられる。
特に、本発明はセラミック超伝導体をあらゆる金属体に接合する場合に用いることができる。
そのような代替物、及び/又は、添加物は、当業者によってよく知られたものである。
一般に、TSMG法においては、Y123の科学量論的合成物を含むパウダが、適切な添加物と共に混合される。例えば、適切な最初の混合としては、Y123+25mol%のY2O3+1wt%のCeO2が挙げられる。
しかしながら、この焼結過程から得られたY123の合成物自体は、超伝導化はしていない。最終的な超伝導体の超伝導特性を得るために肝要な結晶の成長を起こさせるためには、織目構造化(テクスチュア)を行う必要がある。
燒結された物体の上部において、好ましい方向に結晶を生成させて成長させるTSMG法において、R希土類のR1Ba2Cu3の単一結晶が、種材料として生成される。この種には、ペロブスカイトでできたY123最終超伝導体の結晶格子に一致する結晶格子を有し、Y123の融点である1000℃よりも高い融点を有する。
例えば、好ましいY123の種の材料としては、1060℃の融点を有するSm1Ba2Cu3O7が挙げられる。
このようにして得られた織目構造体を所望の超伝導体に変換するために、良く知られた方法で、酸素含有量を調整する必要がある。
図1において、1は、結晶a、b軸2に平行な亀裂面を有する織目構造のYBCO超伝導体を示している。
本発明は、セラミック超伝導体をあらゆるタイプの金属サポートに接合する場合に適用可能である。サポートが作られている金属は、鉄グループ(鉄、コバルト、及び、ニッケル)、又は、その他あらゆる非鉄グループの金属が該当する。特に好ましいものは、銅、アルミニウム、ニッケル、及び、ステンレス鋼である。
特に、上述の半田を用いた半田付けによって、超伝導体1をサポート4に接合するのが好ましい。特に、インジウム半田やインジウム含有半田を用いるのが好ましい。
貫通穴5は、サポート4に対して、傾いた方向に設置することも可能である。
十分に高い引張力を発生させるために、接着剤が、超伝導体材料よりも高い熱伝導率を示すことが好ましい。
図3の右側に記載されたサポート4へ向けられた矢印によって、貫通穴5に充填された接着剤による引張力の方向が示されている。
この貫通穴5は、プレス加工を行い、焼結を行い、この焼結体を織目構造化にした後に、超伝導体1に設けられる。貫通穴5は、織目構造化をする前に、設けられるのが好ましい。この場合、結晶は、この貫通穴5の周りに成長する。
この金属層は、電解面コーティングによって形成できるし、又は、例えば銀層を燃やすような、金属層を燃やすことによっても形成できる。このような金属層を燃やして超伝導体を形成するための材料や技術は、一般に知られている。例えば、スプレー法や、浸浴法や、ブラッシング法によって、所定の表面に金属層を形成することができる。
この穴は、円錐状が好ましく、特に、穴の底に向かって直径が増加するものが好ましい。つまり、この円錐状の穴の形状は、貫通穴の好ましい円錐状形状の別の形態である。
ピンの直径は、貫通穴の直径よりも小さくして、ピンが挿入された状態において、貫通穴の内表面と半田によって十分な接着部が確保できる大きさのピンとの間で、ギャップが残るようにする必要がある。
上述のように、追加された穴及び/又はピンによって、熱の放散性は改善される。良好な熱の放散性は、特に、本発明が優利に用いることができる、フライホイールや、電動モータや、軸受ハウジングに適用する場合に、特に要求される。
(実施例)
得られた焼結体に、円錐形の貫通穴がドリルで設けられ、この貫通穴は、板の上表面側の直径が、底面側に直径よりも若干大きくなっている。
最終的な超伝導体は、機械加工によって、所望の技術的適用条件に応じて寸法を調整される。更に、超伝導体の底表面は、サポートに容易に接合するように研磨される。
超伝導体の底表面には、金属層の焼部を生成するために、銀が備えられる。
引き続いて、温度が480℃まで下げられて、120時間の間に480℃で保たれて、超伝導体の相が、酸素の吸収によって調整され、正方晶から斜方晶に変換される。つまり、超伝導体ではない正方晶の相から、超伝導体である斜方晶に変換されることとなる。
結果として得られた超伝導体は、半田付けの前にクリーニングされた金属サポートの表面に、インジウムの半田材を用いて半田付けされる。
超伝導体の貫通穴には、超伝導体の底表面と金属サポートの表面の接合面が密接するまで、インジウム半田材が完全に充填される。
結果として得られた金属−セラミック超伝導体合生物は、損傷することなく、臨界温度より低い温度へ冷却される。温度勾配は生じない。
この合成物の寸法は下記のようになる;
−超伝導体本体1 幅37mm、長さ37mm、高さ12mm
−サポート4 幅40mm、長さ100mm、高さ10mm。
2 亀裂平面ab
3 種
4 金属サポート
5 貫通穴
6 接着剤
7 穴
Claims (16)
- 熱伝導性接着剤を用いて金属サポートへ接合されたセラミック高温超伝導体を備え、
前記セラミック高温超伝導体には、前記金属サポートと前記セラミック高温超伝導体の間の接合部にある前記熱伝導性接着剤とつながるように、少なくとも1つの貫通穴が備えられ、
更に、前記熱伝導性接着剤が前記貫通穴に充填され、
前記接合部に充填された前記熱伝導性接着剤と、前記貫通穴に充填された前記熱伝導性接着材が、互いに接触していることを特徴とする金属−セラミック高温超伝導体合成物。 - 前記貫通穴は、前記金属サポートに向かって直径が減少する円錐形状を有することを特徴とする請求項1に記載の金属−セラミック高温超伝導体合成物。
- 前記セラミック高温超伝導体と前記金属サポートの間の接合が、半田付け又は接着システムからなるグループから選択されることを特徴とする請求項1又は2に記載の金属−セラミック高温超伝導体合成物。
- 前記セラミック高温超伝導体が、Y、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、又は、Ybから選択される希土類金属REを含むREBa2Cu3Oタイプのセラミック高温超伝導体であることを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載の金属−セラミック高温超伝導体合成物。
- 前記セラミック高温超伝導体と前記金属サポートの間の接合が半田付けであり、前記金属サポート及び/又は前記貫通穴の内壁面に隣接した前記セラミック高温超伝導体の底面において、少なくとも一部が金属化していることを特徴とする請求項1から4の何れか1項に記載の金属−セラミック高温超伝導体合成物。
- 前記セラミック高温超伝導体が、底面における銀層の焼部、及び/又は、前記貫通穴の内表面における銀層の焼部を有するREBa2Cu3Oタイプからなることを特徴とする請求項1から5の何れか1項に記載の金属−セラミック高温超伝導体合成物。
- 前記セラミック高温超伝導体に面する前記金属サポートの表面に、少なくとも1つの穴が設けられたことを特徴とする請求項1から6の何れか1項に記載の金属−セラミック高温超伝導体合成物。
- 前記金属サポートの表面に設けられ、貫通穴へ突き出ている少なくとも1つのピンが備えられたことを特徴とする請求項1から7の何れか1項に記載の金属−セラミック高温超伝導体合成物。
- セラミック高温超伝導体を金属サポートに接合させる方法であって、
前記セラミック高温超伝導体は、熱伝導性接着剤を用いて前記金属サポートに接合され、
前記熱伝導性接着剤がセラミック高温超伝導体に設けられた少なくとも1つの貫通穴に充填され、
前記熱伝導性接着剤が前記金属サポートと前記セラミック高温超伝導体の接合部へも充填され、
更に、前記貫通穴に充填された前記熱伝導性接着剤と、前記接合部へ充填された前記熱伝導性接着剤が互いに接触することを特徴とする接着方法。 - 少なくとも1つの前記貫通穴は、前記金属サポートに向かって直径が減少する円錐形状を有することを特徴とする請求項9に記載の接着方法。
- 前記セラミック高温超伝導体と前記金属サポートの接合が、半田付によって行われることを特徴とする請求項9又は10に記載の接着方法。
- 前記セラミック高温超伝導体と前記金属サポートの接合が、接着システムによって行われることを特徴とする請求項9又は10に記載の接着方法。
- 前記セラミック高温超伝導体の底面、及び/又は、少なくとも1つの前記貫通穴の内表面において、金属を表面に供給することによって、少なくとも一部が金属化していることを特徴とする請求項9又は10に記載の接着方法。
- 金属化させる表面に金属を供給して、該表面に熱処理を施すことによって、金属層に焼部を形成することによって、金属化が行われることを特徴とする請求項13に記載の接着方法。
- 前記セラミック高温超伝導体が、Y、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、又は、Ybから選択された希土類金属REを含むREBa2Cu3Oタイプのセラミック高温超伝導体であることを特徴とする請求項9から13の何れか1項に記載の接着方法。
- 請求項1から8の何れか1項に記載の金属−セラミック高温超伝導体合成物を、フライホイール、電気モータ、及び、軸受けハウジングに用いる方法。
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