JP2012156048A - 酸化物超電導線材の製造方法及び酸化物超電導線材 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、テープ状の基材と、中間層と、酸化物超電導層と、銀の安定化層を備えて構成された酸化物超電導導体に、レーザービームを前記安定化層形成側の外方から基材の長さ方向に沿って照射し、前記安定化層と酸化物超電導層と中間層と基材を溶断することにより、前記酸化物超電導導体をその幅方向に複数に分割して酸化物超電導線材を製造する場合、溶断箇所にシールドガスを吹き付けつつ前記安定化層と酸化物超電導層と中間層と基材を溶断することにより、前記酸化物超電導層端縁の溶断部分と前記中間層端縁の溶断部分を覆うように前記安定化層の溶融凝固体をシールドガスの噴出方向に延出させて保護層を形成することを特徴とする。
【選択図】図1
Description
また、金属基板と中間層と酸化物超電導層と第1の銀安定化層を備えたテープ状の酸化物超電導導体において、第1の銀安定化層を形成した超電導導体をスリット加工した後、酸化物超電導層を保護するために電気めっきにより第2の銀安定化層を形成することにより、酸化物超電導線材を製造する方法が開示されている。(特許文献2参照)
また、特許文献2に記載の如く酸化物超電導導体をスリット加工した後、第2の銀安定化層を電気めっきにより被覆形成する方法では、スリット加工後に第2の銀安定化層を形成する必要があり、第2の銀安定化層を形成する工程が増加するので、コスト増になってしまう問題がある。
更に、RE−123系の酸化物超電導層の一部組成のものは、水分を含む雰囲気中に長時間曝露すると、超電導特性が劣化する傾向があり、積層構造の酸化物超電導導体において酸化物超電導層を水分から保護することも重要な課題とされている。
本発明により、1本の酸化物超電導導体から、目的の幅を有し、酸化物超電導層の溶断部分と中間層の溶断部分を銀の安定化層の溶融凝固体によって被覆した構造の複数本の酸化物超電導線材を製造できる。この構造の酸化物超電導線材であるならば、酸化物超電導層の溶断部分を銀の安定化層の溶融凝固体からなる保護層で覆っているので、酸化物超電導線材内部側への水分の浸入を防止できる。よって、水分の多い雰囲気中において酸化物超電導線材を長時間使用した場合であっても、水分の浸入によって超電導特性が劣化することのない酸化物超電導線材を提供できる。また、シールドガスを吹き付けつつ酸化物超電導導体を溶断するので、溶断部分の酸化を防止しながら酸化物超電導導体を分断することができ、溶断部分が酸化していない状態の酸化物超電導線材を得ることができる。
シールドガスを酸化物超電導導体の厚さ方向に噴射することで銀の安定化層の溶融凝固体を酸化物超電導導体の厚さ方向に確実に引き延ばして酸化物超電導層の側面側を被覆することができ、酸化物超電導層の溶断部分を確実に覆うことができる。これにより、酸化物超電導層の溶断部分を確実に保護層で覆い、水分シールド効果を得ることができる。
連続波レーザーのレーザービームを用いて酸化物超電導導体を溶断するならば、パルスレーザー等の他のレーザービームに比較し、溶断面に大きな凹凸を生じることなく滑らかな溶断面でもって酸化物超電導導体を複数の酸化物超電導線材に確実に分割できる。
この構造の酸化物超電導線材であるならば、酸化物超電導層の溶断部分を銀の安定化層の溶融凝固体からなる保護層で覆っているので、酸化物超電導線材内部側への水分の浸入を防止できる。よって、水分の多い雰囲気中において酸化物超電導線材を長時間使用した場合であっても、水分の浸入によって超電導特性が劣化することのない酸化物超電導線材を提供できる。
銀の安定化層の溶融凝固体からなる保護層を酸化物超電導層と中間層を超えて基材の溶断部分まで延出させて形成するならば、酸化物超電導層と中間層の溶断部分を確実に保護層で覆うことができ、水分浸入のおそれのない構造を提供できる。
図1は本発明に係る方法に基づき、テープ状の酸化物超電導導体を連続波レーザーにより切断している状態を示す説明図、図2は同連続波レーザーを発生させるために用いるファイバーレーザー装置の概略構成図、図3は切断対象となる酸化物超電導導体と切断後の酸化物超電導線材を示す斜視図、図4は得られた酸化物超電導線材を被覆した状態と部分拡大した状態を示す図である。
この酸化物超電導線材10は、酸化物超電導導体1をその幅方向に切断して構成されているので、幅が狭い点を除くと他は全く同等構造であり、酸化物超電導線材10は、金属製のテープ状の基材3aの上に、中間層5aと酸化物超電導層6aと安定化層7aが積層されてなる。
図4(a)に示す酸化物超電導線材10は、安定化層7aの上に更に厚い安定化層8を積層した状態を示しており、酸化物超電導線材10と安定化層8からなる積層体の全周に樹脂テープ17を巻き付けて絶縁層18が形成されている。
前記安定化層8は、レーザービームによる切断により図3(b)に示す如く超電導線材10を得た後に、貼り付けあるいはめっきなどにより形成されたものである。
図4(a)に示す構造として絶縁層18で絶縁処理した酸化物超電導線材10をコイル加工することで超電導コイルなどの用途に用いることができ、絶縁層18で絶縁処理した酸化物超電導線材10を用いて送電用の超電導ケーブルなどの用途に用いることができる。
前記基材3(3a)は、通常の超電導線材の基材として使用することができ、高強度であれば良く、長尺のケーブルとするためにテープ状であり、耐熱性の金属からなるものが好ましい。例えば、ステンレス鋼、ハステロイ等のニッケル合金等の各種高強度高耐熱性の金属材料、もしくはこれら各種金属材料上にセラミックスを配したもの、等が挙げられる。各種耐熱性の金属の中でも、ニッケル合金が好ましい。なかでも、市販品であれば、ハステロイ(米国ヘインズ社製商品名)が好適であり、ハステロイとして、モリブデン、クロム、鉄、コバルト等の成分量が異なる、ハステロイB、C、G、N、W等のいずれの種類も使用できる。基材3の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良く、通常は、10〜500μmの範囲とすることができる。
ベッド層12は、耐熱性が高く、界面反応性を低減するためのものであり、その上に配される膜の配向性を得るために用いる。このようなベッド層12は、例えば、イットリア(Y2O3)などの希土類酸化物であり、組成式(α1O2)2x(β2O3)(1−x)で示されるものが例示できる。より具体的には、Er2O3、CeO2、Dy2O3、Er2O3、Eu2O3、Ho2O3、La2O3等を例示することができる。このベッド層12は、例えばスパッタリング法等の成膜法により形成され、その厚さは例えば10〜100nmである。
この配向層15をIBAD(Ion-Beam-Assisted Deposition)法により良好な結晶配向性(例えば結晶配向度15゜以下)で成膜するならば、その上に形成するキャップ層16の結晶配向性を良好な値(例えば結晶配向度5゜前後)とすることができ、これによりキャップ層16の上に成膜する酸化物超電導層6の結晶配向性を良好なものとして優れた超電導特性を発揮できる酸化物超電導層6を得るようにすることができる。
例えば、Gd2Zr2O7、MgO又はZrO2−Y2O3(YSZ)からなる配向層15は、IBAD法における結晶配向度を表す指標であるΔφ(FWHM:半値全幅)の値を小さくできるため、特に好適である。
例えばCeO2によって構成されるキャップ層16は、上述のように自己配向していることにより、配向層15よりも更に高い面内配向度、例えばΔφ=4〜6゜程度を得ることができる。
例えば、CeO2層は、PLD法(パルスレーザ蒸着法)、スパッタリング法等で成膜することができる。CeO2層の膜厚は、十分な配向性を得るには100nm以上が好ましいが、厚すぎると結晶配向性が悪くなるので、50〜5000nmの範囲とすることができる。
酸化物超電導層6は、スパッタ法、真空蒸着法、レーザー蒸着法、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)等で積層することができ、なかでも生産性の観点から、PLD(パルスレーザー蒸着)法、TFA−MOD法(トリフルオロ酢酸塩を用いた有機金属堆積法、塗布熱分解法)又はCVD法を用いることができる。
第2番目の安定化層8は酸化物超電導層6aの安定化のために設けられ、酸化物超電導層6aが常電導状態に転移することを防止するために電流のバイパス用として設けられているので、CuやAlまたはそれらの合金などの良導電性の金属材料から形成される。なお、酸化物超電導線材10を限流器などの目的に適用する場合は安定化層8として高抵抗材料を用いることが好ましいので、NiCrなど、CuやAg、Alに対して高抵抗の金属材料から構成することができる。
安定化層8は安定化層7よりも厚く形成して電流のバイパス路として十分な容量を確保するため、100〜300μm程度の厚さに形成する。その場合、半田や導電性接着剤による貼り付け法あるいはめっき法などを用いて安定化層7の上に形成することができる。
図1は、連続波レーザーを発生させて酸化物超電導導体1を切断するために用いる切断装置20の概略構成を示すもので、この例の切断装置20は、複数の(図1の例では3基の)励起用レーザーの発光装置21と、これら複数の光源21からの励起用レーザーを結合するビームコンパイナとしての結合器22と、この結合器22に接続されたダブルクラッドファイバーからなる増幅用ファイバー23と、この増幅用ファイバー23に接続された伝送用ファイバー24と、伝送用ファイバー24の先端部に接続された出力部25を主体として構成されている。
前記光学装置27は複数の光学レンズを備えて構成され、これらの光学レンズの相互位置を調整することにより、伝送用ファイバー24から入射されたレーザー光の径を絞って噴射ノズル28の先端外方において適切なビーム径になるようにレーザー光を集光照射することができる。噴射ノズル28の上部側壁にはガス導入部30が形成されているとともに、このガス導入部30に不活性ガスなどのガス供給源29が接続されている。このガス供給源29から噴射ノズル28の内部に不活性ガスなどのシールドガスを送ることにより噴射ノズル28の先端開口からシールドガスを噴出できるように構成されている。
切断装置20において励起光の発光装置21から接続用ファイバー21aを介し結合器22に入力したマルチモードの励起光は、結合器22において光結合されて増幅用ファイバー23に入力され、増幅用ファイバー23において波長の増幅と出力増幅がなされ、シングルモードに変換され、伝送用ファイバー24を介し連続波レーザーとして出力される。
本実施形態において適用する連続波レーザーの一例として、中心波長1080nmの連続波レーザーを用いることができ、ビーム出力300W、噴射ノズル8の先端外方にレーザービームを集光照射する場合のビーム先端側のビーム径を10μm〜100μm程度、例えば20μmとすることができる。連続波レーザーの中心波長は、1050〜1100nm程度の波長とすることができる。
また、レーザービームを安定化層7の外側から照射しているので、酸化物超電導導体1において安定化層7と酸化物超電導層6と中間層5と基材3の順にレーザービームの照射部分を順次溶融できるが、噴射ノズル28の先端から噴出されているシールドガスが、溶融させた安定化層7と酸化物超電導層6と中間層5と基材3の溶融物を吹き飛ばして除去する。また、レーザービームが基材3を貫通した状態において噴射ノズル28の先端から噴出されているシールドガスが、溶融させた安定化層7と酸化物超電導層6と中間層5と基材3を酸化物超電導導体1の裏面側もに吹き飛ばして除去する。これらの作用により、レーザービームによって溶断した部分に、安定化層7と酸化物超電導層6と中間層5と基材3の溶融物に起因する溶融ドロスの付着を阻止できる。なお、レーザービームの酸化物超電導導体1に対する照射角度は90゜でもよいが、1〜2゜程度傾斜させても良い。これは、Agの安定化層7の光反射率が高いので、戻り光が光ファイバー24、23側に戻らないようにするためである。
以上の操作を酸化物超電導導体1の幅方向に所定間隔毎に繰り返し複数回行えば、例えば、4回行うことにより図3(b)に示す如く酸化物超電導導体1を4分割することができる。なお、酸化物超電導導体1が長尺のものである場合は、その全長に渡りレーザービームを走査するのに時間がかかるので、4基の出力部25を並列状態で設けてレーザービームを4本同時に照射できる構成とすることにより、酸化物超電導導体1の全長に対し1回のレーザービーム走査でもって4分割できるようにしても良い。
このように酸化物超電導線材10の全長にわたり、酸化物超電導層6aの側面を保護層7bでシールドした構造とすることができる。従って、外部から酸化物超電導層6a側に水分の浸入を防止できる構造の酸化物超電導線材10を得ることができる。
このように酸化物超電導線材10の溶断部分は、拡大平面視すると凹凸部10cが酸化物超電導線材10の長さ方向に(図5の左右方向に)多数形成されているが、本実施形態の如く連続波レーザーのレーザービームを用いてビーム径20μmに設定して上述の条件で溶断すると、この凹凸部10cの最大高さRzを5μm以下に形成できる。
また、短波長のレーザーでは酸化物超電導導体1を溶断するための出力が不足し、酸化物超電導導体1の溶断自体ができないとともに、波長の長いCO2レーザーなどではAgの安定化層7の光反射率が高いので、CO2レーザーを照射しても安定化層7の光反射が多くなって高速に酸化物超電導導体1を溶断できなくなる。
これらに対し本実施形態において用いた連続波レーザーのレーザービームでは、最大高さ5μm以下の凹凸部を有するように溶断面を従来技術よりも滑らかに加工できる。
ハステロイC276(米国ヘインズ社商品名)からなる幅10mm、厚さ0.1mm、長さ100mのテープ状の基材を用意し、このテープ状基材の表面にAl2O3からなる厚さ100nmの拡散防止層を形成し、更にその上にイオンビームスパッタ法を用いてY2O3からなる厚さ30nmのベッド層を形成した。イオンビームスパッタ法の実施にあたりテープ状の基材はスパッタ装置の内部においてリールに巻回しておき、一方のリールから他方のリールに繰り出す間に成膜できるようにしてテープ状基材の全長にわたり、拡散防止層とベッド層を形成した。次に、イオンビームアシスト蒸着法によりベッド層上に厚さ10nmのMgOの配向層を形成した。この場合、アシストイオンビームの入射角度は、テープ状基材成膜面の法線に対し、45゜とした。
次に、スパッタ法により酸化物超電導層上に厚さ10μmのAgの安定化基層を形成し、酸素アニールを500℃で行った。以上の工程により、テープ状の長尺の基材上に拡散防止層とベッド層と配向層とキャップ層と酸化物超電導層と安定化層を備えた構造の酸化物超電導導体を形成した。
この操作によってハステロイテープ基材の切断面には最大高さRz:3μmの凹凸部が生成されていたが、肉眼観察では大きな凹凸部分は見られず、滑らかな切断面であった。
また、図6に示す如く切断加工した酸化物超電導線材10の安定化層7の上面に外径2.6mmの円盤部35とロッド部36を有するアルミ合金製のピン部材37をエポキシ樹脂接着剤で接着し、ロッド部36を酸化物超電導線材10に対して垂直方向に引っ張る剥離試験を行った。前記連続波レーザーのレーザービームで切断した酸化物超電導線材の試料5個に対し、同様の剥離試験を行ったところ、剥離力の平均値は約30Kgfであった。
図8は、本実施例の酸化物超電導線材の溶断部分の拡大組織写真を示す。図8中に白矢印で示す如く安定化層の溶断部分に保護層を形成することができた。この保護層は、安定化層の下側に位置する酸化物超電導層と中間層の側面側を完全に被覆してカバーし、それらの下に位置する厚い基材まで達して密着していた。この構造により、水分の浸入を防止できる酸化物超電導線材を得ることができた。
実施例において使用した酸化物超電導導体と同じ構成の酸化物超電導導体を用意した。中心波長1080nmのファイバーレーザーを使用し、周波数60KHz、出力300W、ビーム径20nm、加工速度500mm/sの条件にて先の10mm幅の酸化物超電導導体を5mm幅に2分割する切断加工を行った。窒素ガスの噴射ノズルに印加する噴出圧力は0.9MPaとしている。
この条件のファイバーレーザーでは、酸化物超電導導体の溶断はできたが、銀の安定化層の端縁に保護層を形成できなかった。銀の安定化層の端縁部分においては、銀安定化層の端部が変形することなく、窒素ガスで吹き飛ばされた状況である。この例では酸化物超電導層の両端部分の溶断面が剥き出しの状態であるため、再度何らかの保護層を作製する必要がある。
実施例において用いたものと同等の樹脂テープを酸化物超電導線材に同等張力で巻き付けてみたところ、樹脂テープを切ることなく巻き付けができた。
前記ファイバーレーザーで切断して得た酸化物超電導線材の試料5個に対し、同様の剥離試験を行ったところ、剥離力の平均値は約29Kgfであった。
実施例において使用した酸化物超電導導体と同じ構成の酸化物超電導導体を用意した。中心波長355nmのYAGレーザーを使用し、周波数30KHz、出力2.4W、ビーム径20nm、加工速度5mm/sの条件にて先の10mm幅の酸化物超電導導体を5mm幅に2分割する切断加工を行った。溶断加工に際し、窒素ガスを噴射ノズルの先端から吹き付けた。
YAGレーザーは、パルスレーザーであり、溶断部分の材料を一瞬で昇華させるので、溶断部分における銀の安定化層は瞬時に昇華し、蒸発したために、安定化層の溶断部分に保護層は生成していなかった。
また、YAGレーザーでは、上述の値から加工速度を上げると酸化物超電導導体に切断できない箇所が発生した。あるいは、上述の値から加工速度を上げると酸化物超電導導体の基材の切断面に大きな凹凸部分が発生するので、上述の加工速度に設定して凹凸部分が発生しないように切断加工し、酸化物超電導線材を得た。なお、YAGレーザーによる切断面においては、前述の加工速度であっても切断面には最大高さRz10〜20μmの凹凸部が生じていた。
実施例において用いたものと同等の樹脂テープを酸化物超電導線材に同等張力で巻き付けてみたところ、樹脂テープを切ることなく巻き付けができた。
得られた酸化物超電導線材に対し実施例と同等の条件でピン部材37を用いた剥離試験を行った。
前記YAGレーザーで切断して得た酸化物超電導線材の試料5個に対し、同様の剥離試験を行ったところ、剥離力の平均値は約28Kgfであった。
Claims (5)
- テープ状の基材と、該基材上に設けられた中間層と酸化物超電導層と銀の安定化層を備えて構成された酸化物超電導導体に、レーザービームを前記安定化層形成側の外方から基材の長さ方向に沿って照射し、前記安定化層と酸化物超電導層と中間層と基材を溶断することにより、前記酸化物超電導導体をその幅方向に分割して複数の酸化物超電導線材を製造する場合、
溶断箇所にシールドガスを吹き付けつつ前記安定化層と酸化物超電導層と中間層と基材を溶断することにより、前記酸化物超電導層端縁の溶断部分と前記中間層端縁の溶断部分を覆うように前記安定化層の溶融凝固体をシールドガスの噴出方向に延出させて保護層を形成することを特徴とする酸化物超電導線材の製造方法。 - 前記レーザービームを噴射ノズルを介し前記酸化物超電導導体に照射するとともに、前記噴射ノズルから前記シールドガスを前記酸化物超電導導体の厚さ方向に噴出して前記レーザービームの溶断位置を前記シールドガスで覆いながら前記酸化物超電導導体を溶断することを特徴とする請求項1に記載の酸化物超電導線材の製造方法。
- 前記レーザービームとして連続波レーザーのレーザービームを用いることを特徴とする請求項1〜2のいずれか一項に記載の酸化物超電導線材の製造方法。
- テープ状の基材と、該基材上に設けられた中間層と酸化物超電導層と銀の安定化層を備えて構成された酸化物超電導導体を、その幅方向にレーザービームにより複数に溶断して形成された酸化物超電導線材であって、前記酸化物超電導層と前記中間層の長さ方向に沿って形成されたレーザービームによる溶断部分の端縁に前記安定化層の溶融凝固体からなる保護層が被覆されていることを特徴とする酸化物超電導線材。
- 前記保護層が前記酸化物超電導層端縁の溶断部分と前記中間層端縁の溶断部分を覆って前記基材の溶断部分に一体化されてなることを特徴とする請求項4に記載の酸化物超電導線材。
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