JP2016110816A - 超電導線材の接続構造体および超電導線材の接続構造体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
この構成によれば、超電導体の粒状体を焼結することで形成した接合層により、超電導層同士を接合できる。接合層は超電導特性もつため、接続構造体は、接続部において電気抵抗が生ずることを十分に抑制できる。また、接合層は、組成比の整った粒状体を基に形成できるために、異相が析出することがなく、臨界電流密度Jcを高めることができる。
この構成によれば、接続構造体の外周を金属テープで覆うことで、接続部の強度を高めることができる。
この構成によれば、接合層と超電導層との界面で超電導体の結晶同士を結合させ接合強度を高めることができる。また、同じ組成の超電導体を用いることで、接合層と超電導層との臨界温度を同じとすることができ、接続構造体の温度の制御を複雑に行う必要がない。
この構成によれば、超電導層同士の間に粒状体を配置して加圧、加熱することで、超電導層と接合された超電導体からなる接合層を形成できる。また、組成比の整った粒状体を用いることができるため、接合層の超電導体に異相が生じることを抑制できる。
粒状体とバインダとを混合して超電導層に塗布することで、粒状体が飛散しにくくなり、超電導層同士の間に粒状体を確実に配置して接合層を形成できる。また、バインダは焼結により分解されるため、接合層の超電導特性に悪影響を与えることがない。
本明細書中の各図において、線材の幅方向をX方向、長手方向をY方向、厚さ方向をZ方向とする。
第1実施形態の超電導線材の接続構造体(以下、接続構造体)30について説明する。
図1は、接続構造体30を示す断面模式図である。接続構造体30は、酸化物超電導層(超電導層)12を有する一対の酸化物超電導線材(超電導線材)1を接続部5において接続した構造を有する。接続構造体30は、一対の酸化物超電導線材1と、一対の酸化物超電導線材1の酸化物超電導層12同士を接合する接合層14と、を有する。
本実施形態では、酸化物超電導線材1として、イットリウム系酸化物超電導線材を例示する。酸化物超電導線材1は、テープ状の基材10に、中間層11と酸化物超電導層12と保護層13とが、積層された構造を有する。保護層13は、酸化物超電導線材1の端部1a近傍であって、接合層14が形成される領域には設けられていない。
本実施形態においては、基材10の形状は、長尺のテープ形状であるが、例えば、シート形状であっても良い。基材10の厚みは、目的に応じて適宜調整すれば良く、10〜500μmの範囲とすることができる。
ベッド層は、基材10と酸化物超電導層12との界面における構成元素の反応を抑え、この層よりも上面に設ける層の配向性を向上させるために設けられる。ベッド層は、界面反応性を低減し、その上に形成される膜の配向性を得るため層であり、Y2O3、Er2O3、CeO2、Dy2O3、Er2O3、Eu2O3、Ho2O3、La2O3等からなり、その厚みは例えば10〜100nmである。
配向層は、その上に形成されるキャップ層や酸化物超電導層12の結晶配向性を制御するために設けられる。配向層は、その上のキャップ層の結晶配向性を制御するために2軸配向する物質から形成される。配向層の材質としては、Gd2Zr2O7、MgO、ZrO2−Y2O3(YSZ)、SrTiO3、CeO2、Y2O3、Al2O3、Gd2O3、Zr2O3、Ho2O3、Nd2O3等の金属酸化物を例示することができる。この配向層はIBAD(Ion-Beam-Assisted Deposition)法で形成することが好ましい。
キャップ層は、酸化物超電導層12の結晶配向性を配向層と同等ないしそれ以上に強く制御するために設けられる。キャップ層は、上述の配向層の表面に成膜されて結晶粒が面内方向に自己配向し得る材料からなり、具体的には、CeO2、Y2O3、Al2O3、Gd2O3、ZrO2、YSZ、Ho2O3、Nd2O3、LaMnO3等からなる。キャップ層の膜厚は50〜5000nmの範囲に形成できる。
酸化物超電導層12の厚みは、0.5〜5μm程度であって、均一な厚みであることが好ましい。
なお、酸化物超電導層12は、PLD法以外に、MOD法により成膜しても良い。
まず、製造目的とする酸化物超電導層12の組成に応じた原料粉末を混合する。原料粉末としては、例えば希土類元素の酸化物粉末、Baの炭酸塩粉末、Cuの酸化物粉末を用いることができる。次に、この原料粉末の混合物を仮焼きし、さらに粉砕して粉砕粉を採取する。次に、粉砕粉とバインダを混合する。バインダとしては、ポリビニルブチラール(PVB)を用いることができる。次に、例えば円盤状にプレス成形し、焼結してターゲットを得ることができる。
酸化物超電導線材1は、全長に亘って酸化物超電導層12上に保護層13を形成した後に、端部1a近傍の保護層13を除去して、端部1a近傍の酸化物超電導層12を露出させる。なお、保護層13の成膜時に端部1a近傍をマスキングすることで、端部1a近傍に保護層13を形成しない領域を設けても良い。
本実施形態において、一対の酸化物超電導線材1の層構成および各層の厚さ、並びに幅は、同じであるとするが、互いに異なるものであっても良い。
接合層14の超電導体は、酸化物超電導層12を構成する酸化物超電導体と同じ組成を有することが、より好ましい。同じ組成の超電導体を用いることで、接合層14と酸化物超電導層12との界面で超電導体の結晶同士が結合するため接合強度を高めることができる。また、同じ組成の超電導体を用いることで、接合層14と酸化物超電導層12との臨界温度を同じとすることができる。したがって、同温度で超電導特性を発現させることができ、接続構造体30の温度の制御を複雑に行う必要がない。
また、接合層14の超電導体は、イットリウム系の酸化物超電導体の他に、ビスマス系の酸化物超電導体、MgB2などの超電導体であってもよい。
まず、酸化物超電導線材1を一対用意する。これらの一対の酸化物超電導線材1は、予め端部1a近傍において保護層13が除去され酸化物超電導層12が露出している。
また、ターゲットを粉砕した粉末ではなく、ターゲットの製造工程において、原料粉末を仮焼き、粉砕して採取された粉砕粉を粒状体として用いても良い。
さらに、粒状体をバインダと混合して粒状体を含むペーストを得る。粒状体とバインダとを混合しペーストとすることで、粒状体が飛散しにくくなり、取扱いが容易となる。バインダとしては、ターゲットの製造と同様に、PVBを用いることができる。また、バインダは、エタノールなどの溶媒を適宜添加しペーストの粘度を調整してもよい。
なお、焼結を行う前に、一対の酸化物超電導線材を挟み込むように加圧した状態で、焼結温度より低い温度で、加熱しバインダを分解する脱脂工程を行っても良い。
接続構造体30は、上述のように電気特性に優れた超電導体を介して接続されているため、接続部5において電気抵抗が生じて発熱することを抑制し、熱による臨界電流値Icの不安定化を抑制できる。
また、接続構造体30は、電気抵抗が生じることを十分に抑制しているため、永久電流モードを必要とする超電導機器に採用できる。
第2実施形態の接続構造体31について説明する。
図2は、接続構造体31を示す断面模式図である。第2実施形態の接続構造体31は、の基本構造は、第1実施形態の接続構造体30と同様である。接続構造体31は、短尺の酸化物超電導線材1Aが一対の酸化物超電導線材1を橋渡しするように配置されている。また、接続構造体31は、接続部5を含む酸化物超電導線材1の外周が金属テープ15により覆われている。
なお、上述の第1実施形態と同一態様の構成要素については、同一符号を付し、その説明を省略する。
接続構造体31において、一対の酸化物超電導線材1は、各層の積層方向が揃えられて、互いの端部同士が隙間を空けて配置されている。短尺の酸化物超電導線材1Aは、一対の酸化物超電導線材1と同様の構成を有し、一対の酸化物超電導線材1を橋渡しするように配置されている。酸化物超電導線材1、1Aの露出する酸化物超電導層12同士は、互いに対向して配置されて、接合層14により接合されている。
また、接続構造体31を超電導限流器に使用する場合においては、金属テープ15に用いられる材料は、例えば、Ni−Cr等のNi系合金等の高抵抗金属を用いる事が良い。
まず、一対の酸化物超電導線材1と短尺の酸化物超電導線材1Aとを接合層14により接合する。次に、接合層14により接合した酸化物超電導線材1、1Aを、メッキにより半田16の層が形成された金属テープ15の面上に配置する。さらに、金属テープ15を横断面略C字型をなすように包み込んで折り曲げ加工し、半田16を加熱溶融させてロールにより加圧する。以上の工程により、金属テープ15を酸化物超電導線材1、1Aの外周に接合できる。
酸化物超電導線材200を接合する場合は、端部近傍のシース材202をエッチング等により除去して、酸化物超電導層201を露出させた状態で、接合層14により接合させる。
また、同様に、超電導線材は、MgB2からなる超電導層を備えた超電導線材であっても良い。
さらに、接続する超電導線材同士は、異なる種類のものであっても良い。例えば、イットリウム系の酸化物超電導線材1とビスマス系の酸化物超電導線材200とを接続するものであってもよい。また、イットリウム系の酸化物超電導線材1と、MgB2からなる超電導層を備えた超電導線材とを接続するものであってもよい。
<試料の作製>
まず、ハステロイC−276(米国ヘインズ社商品名)からなる幅10mm、厚み0.1mmのテープ状の基材の表面を平均粒径3μmのアルミナを使用し研磨した。次に、前記基材の表面をアセトンにより脱脂、洗浄した。
この基材の主面上にスパッタ法によりAl2O3(拡散防止層;膜厚100nm)を成膜し、その上に、イオンビームスパッタ法によりY2O3(ベッド層;膜厚30nm)を成膜した。
次いで、このベッド層上に、イオンビームアシスト蒸着法(IBAD法)によりMgO(IBAD層;膜厚5〜10nm)を形成し、その上にパルスレーザー蒸着法(PLD法)により500nm厚のCeO2(キャップ層)を成膜した。次いでCeO2層上にPLD法により2.0μm厚のGdBa2Cu3O7−δ(酸化物超電導層)を形成した。次いで酸化物超電導層上にスパッタ法により2μm厚のAgからなる保護層を形成した。次いで、この試料に対して酸素雰囲気大気圧化で500℃、10時間の酸素アニールを行い、26時間の炉冷却後に取り出した。次いで、基材の裏面側にスパッタ法により1μm厚のAgを積層した。
以上の工程を経て、酸化物超電導線材を作製した。
次に、線材と同幅(10mm)の溝を設けたアルミナ製のブロックを用意し、溝内に重ね合わせた酸化物超電導線材を収納した。さらに、別途用意した溝幅より若干小さい幅のアルミナ製のブロックで、溝内の酸化物超電導線材の上方に配置し、2.5N/cm2の負荷を加えた。負荷を加えた状態で、500℃、24時間、大気中の環境で加熱して、脱脂を行い、さらに950℃、16時間、大気中の環境で加熱した。これにより、線材間に挟み込まれた粒状体の焼結がなされて、酸化物超電導体からなる接合層を形成した。
以上の工程を経て、図2に示す酸化物超電導線材の接続構造体を作製した。
(臨界電流値Ic)
上述の接続構造体の接続部において、各線材の酸化物超電導層の間で、超電導特性を持たせた接続ができているかを確認するために、接続部を挟んでIc測定を行った。図4に示すように、接続構造体31に対し、電源21、電流計22、電圧計23を接続した。電圧計23の端子間距離は30cmとした。液体窒素により冷却しながら臨界電流値Icを測定したところ、臨界電流値Icは、26Aであった。この結果から、接続部において、超電導特性を持たせた接続の実現が確認された。
次に、金属テープにより補強することによる、機械特性の向上について評価した。
上述の工程で作製した金属テープにより補強したサンプルを2つ用意した(サンプルNo.3、No.4)。また、上述の工程のうち、金属テープで覆い補強する工程を行わなかったサンプルを2つ用意した(サンプルNo.1、No.2)。
これらサンプルに対して、曲げ試験を行った。曲げ試験は、所定の曲率半径を有する曲げ治具に、サンプルを沿わせて曲げて引張応力を印加することで行う。また、曲げ試験前後の臨界電流値Icを測定し、試験後の臨界電流値Icが試験前の臨界電流値Icに対して、95%以上となる限界の曲げ半径(最小曲げ半径)を測定した。測定結果を表1に示す。
また、金属テープによる補強を行っていないサンプルも、半径25mm以上の範囲であれば、曲げに対して劣化を抑えうることが確認された。
Claims (5)
- 超電導層を有し、前記超電導層の少なくとも一部が互いに対向して配置されたテープ状の一対の超電導線材と、
対向して配置された前記超電導層同士を接合する接合層と、を備え、
前記接合層が、粒状体が焼結されてなる多孔質の超電導体である、超電導線材の接続構造体。 - 前記接合層が設けられた接続部を含む超電導線材の外周が金属テープにより覆われている、請求項1に記載の超電導線材の接続構造体。
- 前記超電導層と前記接合層との組成が同じである請求項1又は2に記載の超電導線材の接続構造体。
- 超電導層を有する一対の超電導線材を用意し、
一対の前記超電導線材の前記超電導層を対向させ、超電導層同士の間に超電導体の粒状体を配置し、前記粒状体を加圧および加熱することで前記粒状体を焼結し、超電導体からなる接合層を形成する、超電導線材の接続構造体の製造方法。 - 前記粒状体を、焼結により分解されるバインダと混合した状態で塗布する、請求項4に記載の超電導線材の接続構造体の製造方法。
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