JP2018101536A - Oxide superconducting wire - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、酸化物超電導線材に関する。 The present invention relates to an oxide superconducting wire.
REBa2Cu3Oy(RE123)等の一般式で表されるRE−Ba−Cu−O系超電導体(REは希土類元素)は、液体窒素温度(77K)を超える温度(〜90K)で超電導性を示す。この酸化物超電導体は、他の高温超電導体に比べて磁場中での臨界電流密度が高いことから、コイルや電力ケーブル等の応用が期待されている。 RE-Ba-Cu-O-based superconductors (RE is a rare earth element) represented by a general formula such as REBa 2 Cu 3 O y (RE123) are superconductive at a temperature (˜90 K) exceeding the liquid nitrogen temperature (77 K). Showing gender. Since this oxide superconductor has a higher critical current density in a magnetic field than other high-temperature superconductors, applications such as coils and power cables are expected.
特許文献1には、テープ状の基板上にイオンビームアシスト法(IBAD)等により中間層を形成し、中間層の表面に酸化物超電導層を成膜し、酸化物超電導層の表面にAg等の保護層を形成し、保護層の表面にCuの電気めっき層を形成した酸化物超電導線材が記載されている。 In Patent Document 1, an intermediate layer is formed on a tape-shaped substrate by an ion beam assist method (IBAD) or the like, an oxide superconducting layer is formed on the surface of the intermediate layer, and Ag or the like is formed on the surface of the oxide superconducting layer. An oxide superconducting wire in which a protective layer is formed and a Cu electroplating layer is formed on the surface of the protective layer is described.
また、特許文献2には、基板側の裏面上のめっき厚よりも、超電導層側の表面上のめっき厚を厚くすることにより、表面側の安定化層のみで十分に過電流をバイパスさせることができるとともに、超電導層が超電導線材の中立線の近くに位置し、超電導層の引張歪みが抑制されることが記載されている。 Patent Document 2 discloses that the overcurrent is sufficiently bypassed only by the stabilization layer on the surface side by increasing the plating thickness on the surface on the superconducting layer side rather than the plating thickness on the back surface on the substrate side. In addition, it is described that the superconducting layer is located near the neutral line of the superconducting wire, and the tensile strain of the superconducting layer is suppressed.
特許文献2に記載されたように、表面側のめっき厚を厚くしようとすると、角部のめっき厚が過剰に厚くなるドッグボーン現象などのため、表面上のめっき厚が不均一になりやすい。その場合、超電導線材の全体としての厚さが不均一になりやすく、超電導線材をコイル化またはケーブル化する際に支障となるおそれがある。また、特許文献2に記載されているように、表面側のみに電極を配置する方法、裏面側をめっき槽の壁面に近づける方法、裏面側をマスクする方法等を用いる場合には、装置が複雑となり、めっき工程のコストが増大する問題がある。 As described in Patent Document 2, when attempting to increase the plating thickness on the surface side, the plating thickness on the surface tends to be non-uniform due to the dog bone phenomenon in which the plating thickness at the corners becomes excessively thick. In that case, the thickness of the superconducting wire as a whole is likely to be non-uniform, which may hinder the superconducting wire from being coiled or cabled. In addition, as described in Patent Document 2, when using a method of arranging electrodes only on the front surface side, a method of bringing the back surface side closer to the wall surface of the plating tank, a method of masking the back surface side, etc., the apparatus is complicated. Thus, there is a problem that the cost of the plating process increases.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、曲げに対して酸化物超電導層が劣化しにくく、酸化物超電導線材の曲げ強度が強くなる構造の酸化物超電導線材を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to provide an oxide superconducting wire having a structure in which the oxide superconducting layer is hardly deteriorated by bending and the bending strength of the oxide superconducting wire is increased. And
前記課題を解決するため、本発明は、テープ状の基板の一方の面に少なくとも1箇所以上の凹部を有し、前記凹部内に、中間層と、酸化物超電導層と、保護層と、安定化層とが、この順に積層されてなることを特徴とする酸化物超電導線材を提供する。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention has at least one concave portion on one surface of a tape-shaped substrate, and an intermediate layer, an oxide superconducting layer, a protective layer, and a stable layer in the concave portion. Provided is an oxide superconducting wire characterized in that the oxide layer is laminated in this order.
前記凹部の深さが、前記基板の厚さの10〜60%の範囲内である構成を採用することも可能である。
前記安定化層が、金属めっき、導電ペースト、又は半田から構成されている構成を採用することも可能である。
前記安定化層が、1種類又は2種類以上の金属層から構成されている構成を採用することも可能である。
前記安定化層が、前記凹部内に加えて、前記基板の外周面の少なくとも一部に形成されている構成を採用することも可能である。
It is also possible to employ a configuration in which the depth of the concave portion is within a range of 10 to 60% of the thickness of the substrate.
It is also possible to adopt a configuration in which the stabilization layer is made of metal plating, conductive paste, or solder.
It is also possible to adopt a configuration in which the stabilization layer is composed of one type or two or more types of metal layers.
It is also possible to employ a configuration in which the stabilization layer is formed on at least a part of the outer peripheral surface of the substrate in addition to the recess.
本発明によれば、テープ状の基板の一方の面に形成された凹部内において、中間層と酸化物超電導層と保護層と安定化層が積層されているので、曲げによる酸化物超電導層の劣化が抑制され、酸化物超電導層の曲げ強度を向上することができる。 According to the present invention, since the intermediate layer, the oxide superconducting layer, the protective layer, and the stabilizing layer are laminated in the recess formed on one surface of the tape-shaped substrate, the oxide superconducting layer is bent. Deterioration is suppressed and the bending strength of the oxide superconducting layer can be improved.
以下、好適な実施形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。 Hereinafter, based on a preferred embodiment, the present invention will be described with reference to the drawings.
図1に、第1実施形態の酸化物超電導線材の断面図を示す。この断面図は、酸化物超電導線材の長手方向に垂直な断面の構造を模式的に示している。本実施形態の酸化物超電導線材においては、テープ状の基板11の一方の面(表面)21に少なくとも1箇所以上の凹部11cを有する。基板11の凹部11c内には、中間層12と、酸化物超電導層13と、保護層14とが積層されて、酸化物超電導体10が構成されている。さらに、酸化物超電導体10の周囲において、少なくとも凹部11c内の保護層14上には、安定化層15が積層されている。
In FIG. 1, sectional drawing of the oxide superconducting wire of 1st Embodiment is shown. This sectional view schematically shows the structure of a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the oxide superconducting wire. In the oxide superconducting wire of the present embodiment, at least one recess 11 c is provided on one surface (front surface) 21 of the tape-
本明細書において、長手方向は、酸化物超電導線材又はその基板11の長さ方向である。厚さ方向は、基板11、中間層12、酸化物超電導層13、保護層14等の各層が積層される方向である。また、幅方向は、長手方向及び厚さ方向に垂直な方向である。
基板11の外周面20とは、凹部11c内を除く面上であり、例えば、表面21、側面22、裏面23のいずれか1以上である。
In this specification, the longitudinal direction is the length direction of the oxide superconducting wire or its
The outer
基板11は、テープ状の金属基板である。厚さ方向の両側に、それぞれ主面(表面21及びこれに対向する裏面23)を有する。基板11を構成する金属の具体例として、ハステロイ(登録商標)に代表されるニッケル合金、ステンレス鋼、ニッケル合金に集合組織を導入した配向Ni−W合金などが挙げられる。基板11の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良く、例えば10〜500μmの範囲である。基板11の側面22、裏面23、又はその両方には、安定化層15に対する接合性を改善するため、Ag,Cu等の金属薄膜(図示せず)をスパッタ等により形成してもよい。また、この金属薄膜は、凹部11c内の酸化物超電導層13の表面に形成される保護層14と一体化してもよい。
The
本実施形態の基板11は、表面21から裏面23に向かって厚さ方向に凹部11cを有する。凹部11cは、押出成形、研削、ウェットエッチング、サンドブラスト、レーザ等の加工により形成することができる。凹部11cは、長手方向に連続して延びる溝状であることが好ましい。凹部11cを有する基板11の断面形状は、例えば平板状の基板本体11aと、基板本体11aの一方の面上で幅方向に間隔をあけて2箇所以上に突起部11bを有する形状でもよい。基板本体11aと突起部11bとが、一体の金属基板を構成することにより、曲げなどに対する基板11の強度を保持することができる。
The
凹部11cの深さとしては、例えば基板11の厚さの10〜60%の範囲内が挙げられる。ここで基板11の厚さとは、表面21と裏面23との間隔である。また、凹部11cの深さとは、基板11の表面21から裏面23に向かう厚さ方向において、凹部11cが存在する最大の距離(例えば、表面21から基板本体11aの上面までの距離)である。
通常、中間層12、酸化物超電導層13、保護層14等の各層は、基板11の厚さに比べて薄いことから、酸化物超電導層13が厚さ方向で基板11の中立線に近づくように凹部11cの深さを設定することが好ましい。
Examples of the depth of the
Usually, each layer such as the
凹部11cの底面(基板本体11aの上面)は、湾曲面、傾斜面等でもよいが、表面21又は裏面23に略平行な平面が好ましい。これにより、凹部11c内に中間層12、酸化物超電導層13、保護層14等の各層を積層する際に、堆積条件の制御が容易になる。凹部11cの側面(突起部11bの幅方向内側の側面)及び基板11の側面22は、湾曲面、傾斜面等でもよく、表面21又は裏面23に略垂直な平面であってもよい。
The bottom surface of the
中間層12は、基板11と酸化物超電導層13との間に設けられる。中間層12は、多層構成でもよく、例えば基板11側から酸化物超電導層13側に向かう順で、拡散防止層、ベッド層、配向層、キャップ層等を有してもよい。これらの層は必ずしも1層ずつ設けられるとは限らず、一部の層を省略する場合や、同種の層を2以上繰り返し積層する場合もある。
The
拡散防止層は、基板11の成分の一部が拡散し、不純物として酸化物超電導層13側に混入することを抑制する機能を有する。拡散防止層は、例えば、Si3N4、Al2O3、GZO(Gd2Zr2O7)等から構成される。拡散防止層の厚さは、例えば10〜400nmである。
The diffusion preventing layer has a function of suppressing a part of the components of the
拡散防止層の上には、基板11と酸化物超電導層13との界面における反応を低減し、その上に形成される層の配向性を向上するためにベッド層を形成しても良い。ベッド層の材質としては、例えばY2O3、Er2O3、CeO2、Dy2O3、Eu2O3、Ho2O3、La2O3等が挙げられる。ベッド層の厚さは、例えば10〜100nmである。
A bed layer may be formed on the diffusion prevention layer in order to reduce the reaction at the interface between the
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、例えば、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。 The orientation layer is formed from a biaxially oriented material in order to control the crystal orientation of the cap layer thereon. Examples of the material of the alignment layer include Gd 2 Zr 2 O 7 , MgO, ZrO 2 —Y 2 O 3 (YSZ), SrTiO 3 , CeO 2 , Y 2 O 3 , Al 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Examples thereof include metal oxides such as Zr 2 O 3 , Ho 2 O 3 , and Nd 2 O 3 . This alignment layer is preferably formed by an IBAD (Ion-Beam-Assisted Deposition) method.
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る。キャップ層の材質としては、例えば、CeO2、Y2O3、Al2O3、Gd2O3、ZrO2、YSZ、Ho2O3、Nd2O3、LaMnO3等が挙げられる。キャップ層の厚さは、50〜5000nmの範囲が挙げられる。 The cap layer is formed on the surface of the above-described alignment layer, and is made of a material that allows crystal grains to self-align in the in-plane direction. The material of the cap layer, for example, CeO 2, Y 2 O 3 , Al 2 O 3, Gd 2 O 3, ZrO 2, YSZ, Ho 2 O 3, Nd 2 O 3, LaMnO 3 , and the like. Examples of the thickness of the cap layer include a range of 50 to 5000 nm.
酸化物超電導層13は、酸化物超電導体から構成される。酸化物超電導体としては、特に限定されないが、例えば一般式REBa2Cu3Oy(RE123)で表されるRE−Ba−Cu−O系酸化物超電導体が挙げられる。希土類元素REとしては、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luのうちの1種又は2種以上が挙げられる。中でも、Y、Gd、Eu、Smの1種か、又はこれら元素の2種以上の組み合わせが好ましい。一般に、yは、7−x(酸素欠損量x:約0〜1程度)である。酸化物超電導層13の厚さは、例えば0.5〜5μm程度である。この厚さは、少なくとも凹部11c内(基板本体11a上)においては、長手方向に均一であることが好ましい。
The
基板11が幅方向に間隔をあけて2箇所以上に凹部11cを有し、各凹部11cに設けられた酸化物超電導層13の間が突起部11bにより分断されると、各酸化物超電導層13が細線化(マルチフィラメント化)されるため、酸化物超電導線材の遮蔽電流及び磁化損失を低減することができる。
あるいは、2箇所以上に凹部11cを有する基板11の各凹部11cに各酸化物超電導層13等を成膜して酸化物超電導体10を作製した後、1箇所又は所定数の凹部11cごとに酸化物超電導体10を切断することにより、複数本の酸化物超電導線材を得ることもできる。
When the
Alternatively, each
保護層14は、事故時に発生する過電流をバイパスしたり、酸化物超電導層13と保護層14の上に設けられる層との間で起こる化学反応を抑制したりする等の機能を有する。保護層14の材質としては、例えば銀(Ag)、銅(Cu)、金(Au)、金と銀との合金、その他の銀合金、銅合金、金合金などが挙げられる。保護層14は、少なくとも酸化物超電導層13の表面(厚さ方向で、基板11側に対する反対側の面)を覆っている。さらに、保護層14が、基板11の外周面20の少なくとも一部を覆っていてもよい。保護層14は2種以上又は2層以上の金属層から構成されてもよい。保護層14の厚さは、例えば1〜30μm程度であり、保護層14を薄くする場合は、10μm以下でもよい。
The
安定化層15は、酸化物超電導体10の周囲において、少なくとも凹部11c内の保護層14上に積層されている。凹部11c内のみに安定化層15が形成されていてもよい。安定化層15が、凹部11c内に加えて、基板11の外周面20の少なくとも一部に形成されていてもよい。安定化層15の厚みは、例えば15〜300μm程度である。
The
安定化層15は、金属めっき、導電ペースト、半田等の導体層(金属層)から構成することが可能である。金属めっき、導電ペースト等に用いられる金属としては、Cu,Ag,Al,Sn,Ti等が挙げられる。半田としては、例えばSn−Pb系、Pb−Sn−Sb系、Sn−Pb−Bi系、Bi−Sn系、Sn−Cu系、Sn−Pb−Cu系、Sn−Ag系などの半田、Sn、Sn合金、In、In合金、Zn、Zn合金、Ga、Ga合金などの金属が挙げられる。
The
安定化層15は、1種類の金属層から構成されてもよく、又は2種類以上の金属層から構成されていてもよい。各金属層は、凹部11c又は外周面20上で重なるように積層されてもよい。異なる種類の金属層が、凹部11c又は外周面20の異なる箇所にそれぞれ形成されていてもよい。各金属層(導体層)は、1種類の金属元素から構成されてもよく、又は2種類以上の金属元素(合金、混合物等)を含んでもよい。
The
図1に示す第1実施形態は、安定化層15が凹部11c内を埋めている例である。例えば図2に示す第2実施形態のように酸化物超電導層13の上方の安定化層15が凹部11cで窪みを有してもよい。酸化物超電導層13の上方の安定化層15の厚さは、基板11の外周面20上の安定化層15の厚さと同程度であってもよい。
The first embodiment shown in FIG. 1 is an example in which the
本実施形態の酸化物超電導線材によれば、厚さ方向における酸化物超電導層13の位置が酸化物超電導線材の中立線に近づくので、曲げに対する酸化物超電導層13の劣化、損傷が抑制され、曲げ強度が向上する。
また、特許文献2に記載されるように、平板状の基板の表面に厚い安定化層を成膜する場合に比べて、安定化層15の厚さを抑制することができる。これにより、コイル状に巻線したときの電流密度を向上することができる。
また、酸化物超電導層13の側面が基板11の突起部11bに覆われているため、線材を曲げたときに酸化物超電導層13のクラック、損傷等を抑制でき、酸化物超電導層13への水分の侵入を防止することができる。
According to the oxide superconducting wire of this embodiment, since the position of the
Further, as described in Patent Document 2, the thickness of the
Moreover, since the side surface of the
テープ状の酸化物超電導線材を使用して超電導コイルを作製するには、超電導線材を巻き枠の外周面に沿って必要な層数巻き付けてコイル形状(多層巻きコイル)とした後、巻き付けた超電導線材を覆うようにエポキシ樹脂等の樹脂(絶縁性樹脂)を含浸させて、超電導線材を固定することができる。 To make a superconducting coil using a tape-shaped oxide superconducting wire, the superconducting wire is wound around the outer peripheral surface of the winding frame to form a coil shape (multi-layer winding coil) and then wound. The superconducting wire can be fixed by impregnating a resin (insulating resin) such as an epoxy resin so as to cover the wire.
以上、本発明を好適な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。 As mentioned above, although this invention has been demonstrated based on suitable embodiment, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, A various change is possible in the range which does not deviate from the summary of this invention.
超電導線材は、外部端子を有することができる。外部端子を有する箇所では、他の箇所と異なる断面構造を有してもよい。 The superconducting wire can have an external terminal. The portion having the external terminal may have a different cross-sectional structure from other portions.
以下、実施例をもって本発明を具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples. In addition, this invention is not limited only to these Examples.
<凹部を有する基板の作製>
(1)ハステロイ(登録商標)C−276(米国ヘインズ社商品名)の基板(幅12mm×長さ1000mm×厚み0.75mm)の表面に、幅方向に間隔をあけて三箇所の凹部を形成した。
(2)凹部を有する基板の外周面と凹部内を研磨した。
(3)アセトンで基板を脱脂・洗浄した。
<Preparation of substrate having recesses>
(1) Three recesses are formed on the surface of a substrate (
(2) The outer peripheral surface of the substrate having a recess and the inside of the recess were polished.
(3) The substrate was degreased and washed with acetone.
<酸化物超電導体の作製>
(4)イオンビームスパッタにより、基板上にAl2O3の拡散防止層を成膜した。
(5)イオンビームスパッタにより、拡散防止層上にY2O3のベッド層を成膜した。
(6)イオンビームアシスト蒸着法により、ベッド層上にMgOの配向層を成膜した。
(7)パルスレーザー蒸着法により、配向層上にCeO2のキャップ層を成膜した。
(8)パルスレーザー蒸着法により、キャップ層上にGdBa2Cu3O7−xの酸化物超電導層を成膜した。
(9)酸化物超電導層の上面側(表面方向)からのスパッタにより、主として酸化物超電導層上に、Agの保護層を成膜した。
(10)酸化物超電導体の酸素アニールを行った。
(11)酸化物超電導体を4mm幅にスリット加工した。
<Production of oxide superconductor>
(4) A diffusion prevention layer of Al 2 O 3 was formed on the substrate by ion beam sputtering.
(5) A bed layer of Y 2 O 3 was formed on the diffusion prevention layer by ion beam sputtering.
(6) An MgO alignment layer was formed on the bed layer by ion beam assisted deposition.
(7) A CeO 2 cap layer was formed on the alignment layer by pulsed laser deposition.
(8) An oxide superconducting layer of GdBa 2 Cu 3 O 7-x was formed on the cap layer by a pulse laser deposition method.
(9) A protective layer of Ag was formed mainly on the oxide superconducting layer by sputtering from the upper surface side (surface direction) of the oxide superconducting layer.
(10) Oxygen annealing of the oxide superconductor was performed.
(11) The oxide superconductor was slit to a width of 4 mm.
<安定化層の形成>
(12)酸化物超電導体の上面(基板表面側)及び下面(基板裏面側)にスパッタにより、Cuを成膜した。
(13)酸化物超電導体の全周にめっきによりCuを成膜し、凹部内をCuめっき層で埋めた。ここで、Cuめっきの代わりに、Agペースト、半田などを用いてもよい。
<Formation of stabilization layer>
(12) Cu was deposited on the upper surface (substrate surface side) and lower surface (substrate rear surface side) of the oxide superconductor by sputtering.
(13) Cu was deposited on the entire circumference of the oxide superconductor by plating, and the recess was filled with a Cu plating layer. Here, Ag paste, solder, or the like may be used instead of Cu plating.
これらの実施例によれば、酸化物超電導線材において、曲げによる酸化物超電導層の劣化が抑制され、酸化物超電導層の曲げ強度を向上することができる。 According to these examples, in the oxide superconducting wire, deterioration of the oxide superconducting layer due to bending can be suppressed, and the bending strength of the oxide superconducting layer can be improved.
10…酸化物超電導体、11…基板、11a…基板本体、11b…突起部、11c…凹部、12…中間層、13…酸化物超電導層、14…保護層、15…安定化層、20…基板の外周面、21…基板の表面(一方の面)、22…基板の側面、23…基板の裏面(他方の面)。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記凹部内に、中間層と、酸化物超電導層と、保護層と、安定化層とが、この順に積層されてなることを特徴とする酸化物超電導線材。 Having at least one recess on one surface of the tape-shaped substrate;
An oxide superconducting wire, wherein an intermediate layer, an oxide superconducting layer, a protective layer, and a stabilizing layer are laminated in this order in the recess.
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