JP2010282893A - 超電導線材の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】金属基材11上に金属酸化物からなる中間層12、超電導層13及び金属安定化層14をこの順に積層し、金属安定化層14に、長手方向に沿って第一の溝18を形成して超電導層13を露出させ、露出させた超電導層13に、長手方向に沿って第二の溝19を形成して中間層12を露出させ、この時、金属基材11の中間層12積層面(表面11a)に対して略平行な方向において、第二の溝19の幅を第一の溝18の幅よりも狭くして、超電導線材1とする。
【選択図】図1
Description
安定化層を設ける手法としては、スパッタリングや蒸着等の物理的法により、銀(Ag)からなる安定化層(銀安定化層)を形成する方法(特許文献1参照)や、はんだを介して銀安定化層上に安価な銅(Cu)からなる安定化層(銅安定化層)を形成する方法(特許文献2参照)が開示されている。
このように、超電導層を安定化させて焼損を防止するために金属安定化層を設けた超電導線材においては、交流損失を低減するために、超電導層を細線化することが重要となる。
本発明は、金属基材上に金属酸化物からなる中間層、超電導層及び金属安定化層をこの順に積層する工程と、前記金属安定化層に、長手方向に沿って第一の溝を形成して、前記超電導層を露出させる工程と、露出させた前記超電導層に、長手方向に沿って第二の溝を形成して、前記中間層を露出させる工程と、を有し、前記金属基材の前記中間層積層面に対して略平行な方向において、前記第二の溝の幅を前記第一の溝の幅よりも狭くすることを特徴とする超電導線材の製造方法を提供する。
本発明の超電導線材の製造方法は、前記金属安定化層における溝の前記幅が20〜100μmであり、前記超電導層における溝の前記幅が5〜90μmであることが好ましい。
本発明の超電導線材の製造方法は、前記金属基材の前記中間層積層面における表面粗さが0〜5nmであることが好ましい。
本発明の超電導線材の製造方法は、前記中間層を露出させる工程の後に、さらに、得られた線材を絶縁体で被覆する工程を有することが好ましい。
本発明の方法で製造された超電導線材は、金属基材上に金属酸化物からなる中間層(以下、中間層と略記することがある)、超電導層及び金属安定化層がこの順に積層され、前記金属安定化層を幅方向に分割する第一の溝が、前記金属安定化層に長手方向に沿って形成され、前記中間層に達して前記超電導層を幅方向に分割する第二の溝が、前記超電導層に長手方向に沿って、前記第一の溝と一体に形成され、前記金属基材の前記中間層積層面に対して略平行な方向において、前記第二の溝の幅が前記第一の溝の幅よりも狭いことを特徴とする。
かかる超電導線材は、第二の溝の幅が第一の溝の幅よりも狭いことで、金属安定化層や金属基材に由来する金属屑の第二の溝内への進入が抑制され、交流損失の低減効果が高いものである。
以下、図面を参照しながら、本発明について詳細に説明する。
超電導線材1は、金属基材11の表面11a上に、中間層12、超電導層13及び金属安定化層14がこの順に積層され、超電導層13及び金属安定化層14には、長手方向に沿って二つの溝(第一の溝18、第二の溝19)が一体に形成されており、全体が絶縁層17で被覆されて、概略構成されている。以下、各構成要素について、順次説明する。
キャップ層の材質は、上記機能を発現し得るものであれば特に限定されないが、好ましいものとして具体的には、CeO2、Y2O3、Al2O3、Gd2O3、Zr2O3、Ho2O3、Nd2O3等が例示できる。キャップ層の材質がCeO2である場合、キャップ層は、Ceの一部が他の金属原子又は金属イオンで置換されたCe−M−O系酸化物を含んでいても良い。
中間層12が、前記金属酸化物層の上にキャップ層が積層された複数層構造である場合には、キャップ層の厚さは、通常は、0.1〜1.5μmであることが好ましく、0.3〜1μmであることがより好ましい。このような範囲とすることで、一層高い効果が得られる。
超電導層13のこれら分割層において、金属基材の表面11a(中間層12の積層面)に対して略平行な方向の幅W131、W132及びW133は、それぞれ互いに同一でも異なっていても良いが、通常はほぼ同一とされる。
また、金属基材の表面11a(中間層12の積層面)に対して略平行な方向における、第二の溝19,19の幅S131及びS132は、それぞれ互いに同一でも異なっていても良いが、通常はほぼ同一とされる。
超電導層13の厚さは、0.5〜9μmであることが好ましく、1〜5μmであることがより好ましい。
超電導層13は、スパッタ法、真空蒸着法、レーザ蒸着法、電子ビーム蒸着法、化学気相成長法(CVD法)等の物理的蒸着法;熱塗布分解法(MOD法)等で積層でき、なかでもレーザ蒸着法が好ましい。
また、金属基材の表面11a(中間層12の積層面)に対して略平行な方向における、第一の溝18,18の幅S141及びS142は、それぞれ互いに同一でも異なっていても良いが、通常はほぼ同一とされる。
金属安定化層14の厚さは、1〜30μmであることが好ましく、2〜25μmであることがより好ましい。下限値以上とすることで、超電導層13を安定化する一層高い効果が得られ、上限値以下とすることで、超電導線材1を薄型化できる。
金属安定化層14は、公知の方法で積層できるが、なかでもスパッタ法が好ましい。また、金属安定化層14を形成する最終工程で、酸素熱処理を行うことが好ましい。
そして、前記S131及びS132は、前記W131、W132及びW133に応じて、S141、S142よりも小さくなるように設定すれば良く、例えば、W131、W132及びW133が上記範囲内である場合には、3〜110μmであることが好ましい。
前記S141及びS142は、前記S131及びS132よりも大きくなるように設定すれば良く、例えば、前記S131及びS132が上記範囲内である場合には、10〜130μmであることが好ましい。
絶縁層17は、通常使用される各種樹脂や酸化物等、公知の材質からなるものである。
前記樹脂として具体的には、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ポリエステル樹脂、ケイ素樹脂、シリコン樹脂、アルキッド樹脂、ビニル樹脂等が例示できる。また、紫外線硬化性樹脂が好ましい。
前記酸化物としては、CeO2、Y2O3、Gd2Zr2O7、Gd2O3、ZrO2−Y2O3(YSZ)、Zr2O3、Ho2O3等が例示できる。
絶縁層17による被覆の厚さは特に限定されず、被覆対象部位等に応じて、適宜調節すれば良い。
絶縁層17は、その材質に応じて公知の方法で形成すれば良く、例えば、原料を塗布して、これを硬化させれば良い。また、シート状のものが入手できる場合には、これを使用して積層しても良い。
なお、図2において、図1に示す超電導線材1の場合と同じ構成要素には、図1におけるものと同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。これは、以降の図においても同様である。
そして、金属基材の表面11a(中間層12の積層面)に対して略平行な方向における、第二の金属安定化層16に形成されている第一の溝18,18の幅S161及びS162は、それぞれ互いに同一でも異なっていても良いが、通常はほぼ同一とされ、さらに前記S141及びS142とほぼ同一とされる。
金属シートや合金シートが入手できる場合には、これを使用して積層しても良い。
第二の金属安定化層16の厚さは、材質に応じて適宜調整すれば良い。例えば、銀より導電性が低い銅等で形成する場合には、50〜300μmであることが好ましい。下限値以上とすることで、超電導層13を安定化する一層高い効果が得られ、上限値以下とすることで、超電導線材2を薄型化できる。
接合層15のこれら分割層において、金属基材の表面11a(中間層12の積層面)に対して略平行な方向の幅は、通常、前記W161、W162及びW163と同様である。
そして、金属基材の表面11a(中間層12の積層面)に対して略平行な方向における、接合層15に形成されている第一の溝18,18の幅も前記S161及びS162と同様である。
接合層15は、導電性であり、銀のペーストやはんだであることが好ましい。
接合層15の厚さは、1〜15μmであることが好ましい。下限値以上とすることで、一層高い接着固定効果が得られ、上限値以下とすることで、超電導線材1を薄型化できる。
例えば、金属安定化層(第一の金属安定化層)14及び超電導層13に形成する溝の数は、二つに限定されず、一つでも良いし、三つ以上でも良く、目的に応じて適宜調整すれば良い。
本発明の超電導線材の製造方法は、金属基材上に金属酸化物からなる中間層、超電導層及び金属安定化層をこの順に積層する工程と、前記金属安定化層に、長手方向に沿って第一の溝を形成して、前記超電導層を露出させる工程と、露出させた前記超電導層に、長手方向に沿って第二の溝を形成して、前記中間層を露出させる工程とを有し、前記金属基材の前記中間層積層面に対して略平行な方向において、前記第二の溝の幅を前記第一の溝の幅よりも狭くすることを特徴とする。
以下、図1に示す超電導線材1の製造方法について説明する。
まず、図3(a)に示すように、金属基材11の表面11a上に、中間層12、超電導層13及び金属安定化層14をこの順に積層する。
第一の溝18を形成する方法は特に限定されず、金属層を除去できる公知の方法から適宜選択すれば良い。具体的には、レーザ照射、金属製の回転刃又は固定刃による切削、エッチング、フォトリソグラフィー等が例示でき、レーザ照射、金属製の回転刃又は固定刃による切削が好ましい。レーザは、金属を蒸発させることができるものであれば良く、好ましいものとして具体的には、YAGレーザ、ファイバレーザ、エキシマレーザ等が例示できる。
この時、第二の溝19,19の幅S131及びS132が、第一の溝18,18の幅S141及びS142に対して、S131<S141、S132<S142の関係を満たすように調節し、一体に形成されている第一の溝18及び第二の溝19において、第二の溝19の幅を第一の溝18の幅よりも狭くする。このように細線化することで、超電導層13の三つの分割層の幅と、金属安定化層14の三つの分割層の幅は、W141<W131、W142<W132、W143<W133の関係を満たす。
さらに、第二の溝19の一部が金属基材11の表面よりも内部に達した場合でも、第二の溝19の幅S131及びS132が極めて狭いことにより、金属基材11由来の金属屑についても、第二の溝19内への進入が抑制される。
したがって、細線化された超電導層13の分割層間での絶縁性が高くなる。
絶縁層17は、その材質に応じて公知の方法で形成すれば良く、例えば、原料を塗布して、これを硬化させれば良い。
このようにして得られた超電導線材1は、細線化された超電導層13の分割層間での絶縁性が高いので、交流損失の低減効果が顕著に高いものとなる。
図4は、超電導線材2の製造方法を説明するための概略図であり、超電導線材の長手方向に対して略垂直な方向の断面図である。
まず、図4(a)に示すように、金属基材11の表面11a上に、中間層12、超電導層13、第一の金属安定化層14、接合層15及び第二の金属安定化層16をこの順に積層する。
特に、ここに示すように、第二の金属安定化層16及び接合層15の各分割層のうち、互いに積層関係にあるものについて、金属基材の表面11a(中間層12の積層面)に対して略平行な方向の幅(第二の金属安定化層16の場合は、W161、W162及びW163)を、それぞれ略同等とする場合には、第二の金属安定化層16及び接合層15において、第一の溝18を同じ方法で同時に形成することが好ましい。さらに、前記幅を互いに積層関係にある第一の金属安定化層14の分割層の幅(W141、W142及びW143)と略同等とする場合には、第二の金属安定化層16、接合層15及び第一の金属安定化層14のすべてにおいて、第一の溝18を同じ方法で同時に形成することが好ましい。
この時の溝の形成方法は、超電導線材1の金属安定化層14における形成方法と同様である。
すなわち、図4(c)に示すように、超電導層13の長手方向に沿って二つの第二の溝19,19を形成して、中間層12を露出させ、超電導層13を、幅方向に三つの分割層131、132及び133に分割して細線化する。
この時、第一の溝18の形成時に生じる、第二の金属安定化層16、接合層15及び第一の金属安定化層14のいずれかに由来する金属屑は、第一の溝18の形成方法にもよるが、概ね、第二の溝19の幅S131及びS132よりも大きいサイズ有し、第二の溝19内への進入が抑制される。また、第二の溝19の幅S131及びS132が極めて狭いことにより、S131及びS132よりも小さいサイズを有する金属屑の第二の溝19内への進入も抑制される。そして、第一の溝18内に残存する金属屑は、容易に除去できる。
さらに、第二の溝19の一部が金属基材11の表面よりも内部に達した場合でも、第二の溝19の幅S131及びS132が極めて狭いことにより、金属基材11由来の金属屑についても、第二の溝19内への進入が抑制される。
したがって、細線化された超電導層13の分割層間での絶縁性が高くなる。
このようにして得られた超電導線材2は、細線化された超電導層13の分割層間での絶縁性が高いので、交流損失の低減効果が顕著に高いものとなる。
[実施例1]
図3に示す製造方法で、図1に示す超電導線材1を製造した。具体的には、以下の通りである。
ハステロイC276からなる幅5mm、長さ10m、厚さ0.1mmの金属基材表面上に、IBAD法で厚さ1μmのGd2Zr2O7層を積層し、結晶配向性が高い中間層を形成した。その上にさらに、パルスレーザ蒸着法(Pulsed Laser Deposition法、以下、PLD法と略記する)で厚さ0.5μmのGdBa2Cu3Oyなる組成の超電導層を積層した。さらに、超電導層上にスパッタ法で厚さ5〜20μmの銀からなる金属安定化層を積層し、酸素熱処理を行った。
次いで、YAGレーザを照射して、幅が20〜100μmである第一の溝を金属安定化層に二つ形成して、超電導層を露出させ、金属安定化層を三つの分割層に分割した。この時、第一の溝は、一部領域で超電導層の表面よりも内部に達していた。
次いで、薄くて鋭利な刃先を有する回転刃を備えた切削機を使用して、機械的に超電導層を切削することにより、一体に形成された第一の溝よりも幅が狭く、かつ幅が10〜90μmである第二の溝を超電導層に二つ形成して、中間層を露出させ、超電導層を三つの分割層に分割した。この時、第二の溝は、一部領域で中間層の表面よりも内部に達し、さらに一部領域では金属基材の表面よりも内部にまで達していた。
得られた線材を長さ5cmに切断し、超電導層の分割層間の抵抗値を測定した結果、10MΩであった。
次いで、得られた線材をポリイミド樹脂で被覆することで絶縁加工し、超電導線材とした。
YAGレーザの照射に代わり、エッチングにより幅が20〜100μmである第一の溝を金属安定化層に形成したこと、回転刃を備えた切削機の使用に代わり、YAGレーザを照射して幅が5〜90μmである第二の溝を超電導層に形成したこと、エポキシ樹脂で絶縁加工したこと以外は、実施例1と同様に超電導線材を得た。実施例1と同様に、絶縁加工前に超電導層の分割層間の抵抗値を測定した結果、10MΩであった。
図4に示す製造方法で、図2に示す超電導線材2を製造した。具体的には、以下の通りである。
実施例1と同様に、研磨した金属基材表面上に、中間層、超電導層及び金属安定化層(第一の金属安定化層)を積層し、酸素熱処理を行った。
次いで、第一の金属安定化層上に、接合層として厚さ1〜10μmのはんだを介して、厚さ5〜300μmの銅からなる第二の金属安定化層を貼り合わせて積層した。
次いで、YAGレーザを照射して、幅が30〜100μmである第一の溝を、第二の金属安定化層、接合層及び第一の金属安定化層に同時に二つ形成して、超電導層を露出させ、第二の金属安定化層、接合層及び第一の金属安定化層をそれぞれ三つの分割層に分割した。
次いで、薄くて鋭利な刃先を有する回転刃を備えた切削機を使用して、機械的に超電導層を切削することにより、一体に形成された第一の溝よりも幅が狭く、かつ幅が10〜90μmである第二の溝を超電導層に二つ形成して、中間層を露出させ、超電導層を三つの分割層に分割した。この時、第二の溝は、一部領域で中間層の表面よりも内部に達し、さらに一部領域では金属基材の表面よりも内部にまで達していた。
次いで、実施例1と同様に、超電導層の分割層間の抵抗値を測定した結果、10MΩであった。
次いで、ポリエステル樹脂で絶縁加工したこと以外は、実施例1と同様に超電導線材を得た。
YAGレーザを照射して、幅が30〜100μmである溝を、金属安定化層及び超伝導層に同時に形成したこと以外は、実施例1と同様に超電導線材を得た。この時、溝は、一部領域で中間層の表面よりも内部に達し、さらに一部領域では金属基材の表面よりも内部にまで達していた。また、溝内部には金属安定化層由来の金属の溶融屑が残っていた。
実施例1と同様に、超電導層の分割層間の抵抗値を測定した結果、0.01Ωであった。
Claims (4)
- 金属基材上に金属酸化物からなる中間層、超電導層及び金属安定化層をこの順に積層する工程と、
前記金属安定化層に、長手方向に沿って第一の溝を形成して、前記超電導層を露出させる工程と、
露出させた前記超電導層に、長手方向に沿って第二の溝を形成して、前記中間層を露出させる工程と、を有し、
前記金属基材の前記中間層積層面に対して略平行な方向において、前記第二の溝の幅を前記第一の溝の幅よりも狭くすることを特徴とする超電導線材の製造方法。 - 前記金属安定化層における溝の前記幅が20〜100μmであり、前記超電導層における溝の前記幅が5〜90μmであることを特徴とする請求項1に記載の超電導線材の製造方法。
- 前記金属基材の前記中間層積層面における表面粗さが0〜5nmであることを特徴とする請求項1又は2に記載の超電導線材の製造方法。
- 前記中間層を露出させる工程の後に、さらに、得られた線材を絶縁体で被覆する工程を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の超電導線材の製造方法。
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