JP2019102178A - Manufacturing method of superconducting wire rod - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超電導線材の製造方法に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing a superconducting wire.
酸化物超電導体は、Nb3SnやNb3Al等の金属系超電導体と比較して、臨界温度Tcが高い。よって、酸化物超電導体は、超電導マグネット、超電導送電ケーブル、限流器、発電機、モータ、変圧器等の超電導応用機器、変圧器、モータ等の超電導応用機器に用いて、これらを液体窒素温度(77K)で運用することができる。 The oxide superconductor has a critical temperature Tc higher than that of a metal-based superconductor such as Nb 3 Sn or Nb 3 Al. Therefore, oxide superconductors are used for superconducting applied devices such as superconducting magnets, superconducting power transmission cables, current limiting devices, generators, motors, transformers, etc., superconducting applied devices such as transformers, motors, etc., and these are used as liquid nitrogen temperatures. It can be operated at (77 K).
上記の超電導応用機器に、酸化物超電導体を用いるためには、臨界電流密度Jcが高く、かつ、高い臨界電流値Icを有する長尺の線材を製造する必要がある。このような長尺の線材を得るために、強度及び可撓性の観点から金属基体である基板上に、酸化物超電導体を形成する構造が知られている。 In order to use an oxide superconductor for the above-mentioned superconducting applied equipment, it is necessary to manufacture a long wire having a high critical current density Jc and a high critical current value Ic. In order to obtain such a long wire, a structure is known in which an oxide superconductor is formed on a substrate which is a metal substrate from the viewpoint of strength and flexibility.
酸化物超電導体として、REBa2Cu3Oz系(ここで、z=6.2〜7であり、REは、Y、Nd、Sm、Eu、Gd及びHoから選択された少なくとも1種以上の元素を示す。以下、「REBCO」、単にRE系という)酸化物超電導体は、液体窒素温度(77K)よりも高い臨界温度を有する。RE系酸化物超電導体は、良好な結晶配向性を持つように成膜されると自己磁場下で高臨界電流特性(例えば、臨界電流値Ic500A/cm−width[77K、at自己磁場]程度)を示す。 As an oxide superconductor, REBa 2 Cu 3 O z system (here, z = 6.2 to 7 and RE is at least one selected from Y, Nd, Sm, Eu, Gd and Ho) In the following, “REBCO” (referred to simply as RE system) oxide superconductor has a critical temperature higher than the liquid nitrogen temperature (77 K). RE-based oxide superconductors have high critical current characteristics under self-magnetic field (for example, critical current value Ic 500 A / cm-width [77 K, at self-magnetic field]) when deposited to have good crystal orientation. Indicates
RE系酸化物超電導体の製造方法としては、MOD法(Metal Organic Deposition Processes:金属有機酸塩堆積法)が知られている。このMOD法は、金属有機酸塩を熱分解させるもので、超電導体を構成する金属成分を含む有機化合物が均一に溶解した溶液を基板上に塗布した後、これを加熱して熱分解させることにより基板上に薄膜を形成する方法である。MOD法は、非真空プロセスであることから低コストで高速成膜が可能である上、高い臨界電流密度Jcが得られることから、長尺のテープ状酸化物超電導線材の製造に適する利点を有する。 The MOD method (Metal Organic Deposition Processes: metal organic acid salt deposition method) is known as a method of producing RE-based oxide superconductors. In this MOD method, a metal organic acid salt is thermally decomposed, and a solution in which an organic compound containing a metal component constituting a superconductor is uniformly dissolved is applied on a substrate and then heated to be thermally decomposed. Is a method of forming a thin film on a substrate. The MOD method is a non-vacuum process, enables high-speed film formation at low cost, and can obtain a high critical current density Jc, and thus has an advantage suitable for manufacturing a long tape-shaped oxide superconducting wire. .
MOD法においては、出発原料である金属有機酸塩を熱分解させると通常アルカリ土類金属(Ba等)の炭酸塩が生成されるが、この炭酸塩を経由する固相反応による酸化物超電導体の形成には800℃以上の高温熱処理を必要とする。更に、厚膜化を行った際、結晶成長のための核生成が基板界面以外の部分からも生じるため、結晶成長速度を制御することが困難であり、結果として、面内配向性に優れた、即ち、高い臨界電流密度Jcを有する超電導膜(超電導体)を得ることが難しいという問題がある。 In the MOD method, when a metal organic acid salt, which is a starting material, is pyrolyzed, a carbonate of an alkaline earth metal (such as Ba) is usually formed, but an oxide superconductor by a solid phase reaction via the carbonate Requires the high temperature heat treatment of 800 ° C. or more. Furthermore, when the film is thickened, it is difficult to control the crystal growth rate because nucleation for crystal growth also occurs from a portion other than the substrate interface, and as a result, the in-plane orientation is excellent. That is, there is a problem that it is difficult to obtain a superconducting film (superconductor) having a high critical current density Jc.
これら問題を解決するために、炭酸塩を経由せずにRE系酸化物超電導体を形成する方法として、フッ素を含む有機酸塩(例えば、TFA塩:トリフルオロ酢酸塩)を出発原料とし、水蒸気雰囲気中の水蒸気分圧の制御下で熱処理を行うことでフッ化物の分解を経由して超電導体を得るTFA−MOD(Trifluoro Acetate Metal Organic Deposition)法が知られている。 In order to solve these problems, as a method of forming an RE-based oxide superconductor without passing through a carbonate, an organic acid salt containing fluorine (eg, TFA salt: trifluoroacetate salt) is used as a starting material, There is known a TFA-MOD (Trifluoro Acetate Metal Organic Deposition) method in which a superconductor is obtained via decomposition of fluoride by performing heat treatment under control of water vapor partial pressure in the atmosphere.
超電導線材を超電導マグネット等のような印加磁場環境下で使用する場合、超電導線材は、あらゆる磁場印加角度に対して高い超電導特性(例えば、3Tの印加磁場環境下において30A/cm−width以上の臨界電流値Ic[A/cm−width])を有することが望まれる。 When a superconducting wire is used under an applied magnetic field environment such as a superconducting magnet, the superconducting wire has a high superconducting property (for example, a criticality of 30 A / cm-width or more under an applied magnetic field of 3 T) with respect to any magnetic field application angle. It is desirable to have a current value Ic [A / cm-width]).
そこで、本出願人を構成する出願人は、TFA−MOD法において、超電導体内における量子化磁束の移動を妨げるために、あらゆる磁場方向にも有効なナノサイズの3次元磁束ピンニング点を、超電導体内に導入することにより対応する方法を先に出願している(特許文献1参照)。 Therefore, in the TFA-MOD method, in order to prevent the movement of the quantized magnetic flux in the superconductor, the applicant of the present applicant has made it possible to use a nano-sized three-dimensional flux pinning point effective for any magnetic field direction. Has previously filed a corresponding method (see Patent Document 1).
この特許文献1では、TFA−MOD法において仮焼膜を形成する際に使用する超電導原料溶液中に、超電導体と反応しない元素からなるZr等の有機金属塩を添加する。そして、本焼工程における反応熱処理の過程において、超電導体を構成するBaと反応させ、超電導薄膜中に非超電導物質であるBaZrO3(BZO)の微粒子を磁束ピンニング点として均一分散させている。 In Patent Document 1, an organic metal salt such as Zr, which is an element that does not react with a superconductor, is added to a superconducting raw material solution used when forming a calcined film in the TFA-MOD method. Then, in the process of the reaction heat treatment in the firing step, the fine particles of BaZrO 3 (BZO), which is a non-superconducting substance, are uniformly dispersed as magnetic flux pinning points in the superconducting thin film by reacting with Ba constituting the superconductor.
近年、超電導応用機器に使用される酸化物超電導線材の要求性能は次第に高まってきており、磁場中における更なる高特性化のために、磁束ピンニング点となる材料が再検討されている。 In recent years, the required performance of the oxide superconducting wire used for a superconducting applied device is gradually increasing, and a material to be a magnetic flux pinning point is being reconsidered for further characterization in a magnetic field.
BZO以外の磁束ピンニング点となる材料としては、特許文献2に示すように、ハフニウム酸化合物MHfO3(式中、MはBa、Sr又はCaを表す)を用いて形成した超電導線材が知られている(特許文献2参照)。 As a material to be a magnetic flux pinning point other than BZO, as shown in Patent Document 2, a superconducting wire formed using a hafnium oxide compound MHfO 3 (wherein, M represents Ba, Sr or Ca) is known. (See Patent Document 2).
この特許文献2では、主に、PLD(Pulse Laser Deposition:パルスレーザ蒸着)法により超電導体を成膜する際に、ハフニウム酸化合物MHfO3(BHO)を混入させている。 In this patent document 2, when a superconductor is formed by PLD (Pulse Laser Deposition: pulse laser deposition), a hafnium oxide compound MHfO 3 (BHO) is mixed.
ところで、MOD法は、長尺の酸化物超電導線材の製造に際して、PLD法によりもプロセスが簡単であり製造速度が速く、且つ、設備コストもかからず低コスト化を実現できるため、BHOをMOD法での超電導体の成膜で適用することが検討されている。 By the way, since the MOD method is a simple process with the PLD method and has a high manufacturing speed and can reduce cost without increasing the equipment cost when manufacturing a long oxide superconducting wire, it is possible to reduce BHO by MOD It has been studied to apply to the deposition of superconductors by
特許文献2では、BHOを磁束ピンニング点として分散させる超電導層をMOD法で形成可能であることが記載されている。 Patent Document 2 describes that a superconducting layer in which BHO is dispersed as a magnetic flux pinning point can be formed by the MOD method.
しかしながら、MOD法においてBHOを適用する場合、BHOを有機塩として超電導原料溶液中に添加する必要があり、PLD法と異なり、レーザ照射されるターゲットとして、焼結対象の超電導体となる粉末にBHOを単純に混入することができない。 However, when BHO is applied in the MOD method, it is necessary to add BHO as an organic salt to the superconducting raw material solution, and unlike the PLD method, BHO is a powder to be a superconductor to be sintered as a target to be laser irradiated. Can not be mixed simply.
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、高磁場環境下であっても所望の高臨界電流値を有する超電導層を備える超電導線材の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the foregoing, and it is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a superconducting wire including a superconducting layer having a desired high critical current value even in a high magnetic field environment.
本発明の超電導線材の製造方法の一つの態様は、
基板上に、中間層を介して超電導原料溶液を塗布する塗布工程と、塗布した前記超電導原料溶液に仮焼成処理を施して仮焼成膜を生成する仮焼成工程と、前記塗布工程と前記仮焼成工程とを繰り返して前記仮焼成膜を積層して生成される超電導前駆体に本焼成処理を施して超電導層を生成する本焼成処理工程とを有する超電導線材の製造方法であって、
前記超電導原料溶液は、RE(REは、Y、Nd、Sm、Gd、Dy、Eu、Er、Yb、Pr及びHoからなる群から選択された少なくとも1種以上の元素)、Ba及びCuを含む有機金属錯体溶液に、Hf(ハフニウム)を含む炭素原子数20以下の化合物を混合してなり、
前記Hfは、仮焼成処理或いは前記本焼成処理により前記超電導層中に磁束ピンニング点として生成されるようにした。
One aspect of the method of manufacturing a superconducting wire of the present invention is
A coating step of applying a superconducting raw material solution via an intermediate layer on a substrate, a temporary baking step of forming a temporary baked film by subjecting the coated superconducting raw material solution to a temporary baking treatment, the coating step and the temporary baking A method of manufacturing a superconducting wire, comprising: performing a main baking process on a superconducting precursor generated by laminating the pre-sintered film by repeating the process and the main baking process of generating a superconducting layer;
The superconducting raw material solution contains RE (RE is at least one element selected from the group consisting of Y, Nd, Sm, Gd, Dy, Eu, Er, Yb, Pr and Ho), Ba and Cu. The organometallic complex solution is mixed with a compound having 20 or less carbon atoms containing Hf (hafnium),
The Hf is generated as a magnetic flux pinning point in the superconducting layer by the pre-baking process or the main-baking process.
本発明によれば、高磁場環境下であっても所望の高臨界電流値を有する超電導層を備える超電導線材を実現することができる。 According to the present invention, it is possible to realize a superconducting wire provided with a superconducting layer having a desired high critical current value even in a high magnetic field environment.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
本発明の実施の形態に係るテープ状RE系酸化物超電導線材の製造方法は、テープ状のREBayCu3Oz系(REは、Y、Nd、Sm、Eu、Gd及びHoから選択された少なくとも1種以上の元素を示す)の酸化物超電導線材(ここでは、YBCO超電導線材と称する)を製造する。 Manufacturing method of the tape-shaped RE-based oxide superconducting wire according to the embodiment of the present invention, a tape-shaped REBa y Cu 3 O z system (RE were selected Y, Nd, Sm, Eu, from Gd and Ho An oxide superconducting wire (herein referred to as a YBCO superconducting wire), which exhibits at least one or more elements, is manufactured.
<酸化物超電導線材>
まず、本実施の形態で製造するテープ状の酸化物超電導線材の一例について説明する。
<Oxide superconducting wire>
First, an example of the tape-shaped oxide superconducting wire manufactured in the present embodiment will be described.
図1は、本発明の実施の形態に係るテープ状のRE系の酸化物超電導線材の製造方法で製造される酸化物超電導線材のテープの軸方向に垂直な断面を示す概略図である。 FIG. 1 is a schematic view showing a cross section perpendicular to the axial direction of a tape of an oxide superconducting wire manufactured by the method of manufacturing a tape-shaped RE-based oxide superconducting wire according to an embodiment of the present invention.
酸化物超電導線材10は、テープ状の金属基板11上に、中間層12、テープ状の酸化物超電導層(以下、「超電導層」と称する)13、安定化層14が順に積層されることによって形成される。ここでは、中間層12は、第1中間層12a、第2中間層12b、第3中間層12c、第4中間層12d、第5中間層12eを有するが、中間層を構成する層数は1層、2層、3層及び4層で構成されてもよく、6層以上で構成されてもよい。
The oxide
テープ状の金属基板11は、例えば、ニッケル(Ni)、ニッケル合金、ステンレス鋼又は銀(Ag)である。金属基板11は、ここでは、結晶粒無配向・耐熱高強度金属基板であり、Ni−Cr系(具体的には、Ni−Cr−Fe−Mo系のハステロイ(登録商標)B、C、X等)、W−Mo系、Fe−Cr系(例えば、オーステナイト系ステンレス)、Fe−Ni系(例えば、非磁性の組成系のもの)等の材料に代表される立方晶系のビッカース硬度(Hv)=150以上の非磁性の合金である。ここでは、金属基板11としてハステロイ(登録商標)テープが適用されているが、インコネル(登録商標)でもよい。また、金属基板11の厚さは、例えば、30〜200μmであり、100μm以下であることが好ましい。
The tape-
中間層12は、本実施の形態では、金属基板11上に、第1中間層12a、第2中間層12b、第3中間層12c、第4中間層12d、及び、第5中間層12eを順次積層することで構成されている。
In the present embodiment, the intermediate layer 12 sequentially forms the first
第1中間層12aは、テープ状の金属基板11上に、スパッタリング法により成膜されたAl2O3層である。なお、第1中間層12aは、本実施の形態では、Al2O3に代えてGd2Zr2O7(GZO)、或いはイットリウム安定化ジルコニア(YSZ)等による層としてもよい。また、第1中間層12aは、RF−スパッタリング法、MOD法などで成膜されてもよい。この第1中間層12aは、ベッド層であり、耐熱性が高く、界面反応性を低減するための層であり、その上に配される膜の配向性を得るために用いられる。第1中間層12aの厚みは、約1000nmである。
The first
具体的には、第1中間層12aとしてのAl2O3層は、金属基板11からの元素の拡散を抑制する拡散防止層として機能する。この第1中間層12a上には、RFスパッタ法、イオンビームスパッタ法等のスパッタリング法により、第2中間層12bとして非晶質のLaMnO3層が成膜されている。なお、第2中間層12bであるLaMnO3層の膜厚は、例えば5〜100nmである。第2中間層12bであるLaMnO3層の膜厚が5nm以下では、膜の連続性が悪く十分な配向性が得られず、100nm以上の膜厚になると、膜表面の凹凸が大きくなり、第2中間層12bであるLaMnO3層上に接して積層される第3中間層12cとしてのMgO層の配向性を阻害するからである。なお、第2中間層12bとしてのLaMnO3層は、0℃より大きく150℃以下の範囲内で、第1中間層12a上に成膜される。これは、LaMnO3の成膜温度を、150℃以下とすると、LaMnO3は非晶質となるが、LaMnO3の成膜温度を150℃より高い温度で成膜すると、LaMnO3は結晶化し易くなり、LaMnO3層上で接する第3中間層12cであるMgO層の配向化を阻害することに起因する。
Specifically, the Al 2 O 3 layer as the first
第2中間層12b上に、IBAD(Ion Beam Assisted Deposition)法によりMgOから成る第3中間層12cが成膜されている。なお、IBAD法は、成膜対象となる基板に対して斜め方向からイオンを照射しつつ、基板上(ここではLaMnO3層である第2中間層12c上)に、ターゲットから発生した粒子を体積させる(ここではMgO層を成膜する)方法である。この第3中間層12cの上には、スパッタリング法によりLaMnO3から成る第4中間層12dが成膜されている。本実施の形態では、第3中間層12cとしてのMgO層は、上下でLaMnO3層に挟まれた構成となっている。更に、第3中間層12c上には、ここでは、スパッタリング法(PLD法でもよい)によってCeO2を蒸着してなり全軸配向のキャップ層としての第4中間層12eが成膜されている。なお、MgO層より上方の層、本実施の形態では、第4中間層(LaMnO3層)12dと第5中間層(CeO2層)12eは、超電導層13との反応を防止する反応防止層としても機能する。
A third
第5中間層12eとしてのCeO2層は、RE系の超電導層13との整合性がよく、且つ、超電導層13との反応性が小さいため最も優れた中間層の一つとして知られている。
なお、この第5中間層12eは、スパッタリング法に代えてPLD(Pulsed Laser Deposition:パルスレーザ蒸着法)法で、第4中間層12dとしてのLaMnO3層上に成膜されてもよい。また、第5中間層12eは、CeO2にGdを所定量添加したCe−Gd−O膜、又はCeの一部が他の金属原子又は金属イオンで一部置換されたCe−M−O系酸化物からなる膜であってもよい。CeO2にGdを添加すると、クラックの発生を抑制できるものの金属基板11からの元素拡散を抑制できなくなるといった問題が生じる。しかしながら、本実施の形態では、第1中間層12aとしてのAl2O3層が金属基板11からの元素拡散を抑制するので、第1中間層12aとしてのAl2O3層より上の層である第5中間層12eとしてのCeO2層に、Gdを添加できる。この第4中間層12dの上には、MOD法により超電導層13が成膜されている。なお、金属基板11上に中間層12を形成したものであり、上面に接して超電導層が形成される対象物を便宜上、基板15と称する。
The CeO 2 layer as the fifth
The fifth
MOD法は、基板15上の金属有機酸塩を加熱して熱分解することで基板15上に超電導層である薄膜を形成する方法である。具体的には、MOD法では、まず、金属成分の有機化合物が均一に溶解された超電導原料溶液を基板15上に塗布する。次いで、溶液を塗布した基板15に仮焼成熱処理を施してアモルファス状の前駆体を形成し、その後、結晶化熱処理(本焼成熱処理)を施すことで前駆体を結晶化させて酸化物超電導体を形成する。
The MOD method is a method of forming a thin film, which is a superconducting layer, on the
超電導層13上には、銀、金、白金等の貴金属、あるいはそれらの合金であり低抵抗の金属である安定化層14が設けられている。なお、安定化層14は、超電導層13の直上に成膜することによって、超電導層13が金、銀などの貴金属、あるいはそれらの合金以外の材料と直接的な接触によって反応によって引き起こす性能低下を防止する。これに加えて、安定化層14は、事故電流や交流通電により発生した熱を分散して発熱による破壊・性能低下を防止する。安定化層14の厚みはここでは10〜30μmである。
On the
超電導層13は、REBayCu3Oz系(REは、Y、Nd、Sm、Eu、Gd及びHoから選択された1種以上の元素を示し、y≦2及びz=6.2〜7である。)の高温超電導薄膜の層である。超電導層13は、イットリウム系酸化物超電導体とも称される。超電導層13は、例えば、REをY。GdとしたY0.77Gd0.23BayCu3Oz(以下、「YGdBCO」とも称する)+Hfピンとした超電導層とする。なお、yは1.5+y1であり、y1は、Hfに反応するBa量であり、超電導層13を形成する目標となる超電導原料溶液組成比(RE:Ba:Cu=1:1.5:3)を満たす規定のBaの量に加算して2より小さくなるようにすることによってBa補正が行われている。なお、本明細書において、超電導原料溶液組成比(RE:Ba:Cu)とは、RE、Ba、Cuの原子濃度比(モル比)をいう。MOD法では、超電導原料溶液の組成比を調整することによって、形成される超電導層の組成比を制御することができる。
The
上述したように、Ba補正を行うことで、臨界電流値Icを下げることなく、磁束ピンニング点を増やして磁場中特性の向上を図るために高濃度Zrの添加をおこなうことができる。このようにして、例えば、超電導線材として、超電導膜厚2μm以下でIcmin=30A/cm−w(77K@3T)を見越せる組成を実現できる。 As described above, by performing Ba correction, high concentration Zr can be added to increase the magnetic flux pinning point and improve the characteristics in the magnetic field without lowering the critical current value Ic. In this manner, for example, as a superconducting wire, it is possible to realize a composition that can anticipate Icmin = 30 A / cm-w (77 K @ 3 T) with a superconducting film thickness of 2 μm or less.
超電導層13は、第3中間層12c上において、水蒸気分圧3〜76[Torr]、酸素分圧300〜760[Torr]の雰囲気中で400〜500[℃]の温度範囲の仮焼熱処理されることが望ましい。また、超電導層13は、水蒸気分圧30〜600[Torr]、酸素分圧0.05〜1[Torr]の雰囲気中で700〜900[℃]までの温度範囲で本焼成熱処理されることが好ましい。
The
ここでは、超電導層13は、目標となる超電導原料溶液組成比(RE:Ba:Cu=1:1.5:3)を満たすように超電導原料溶液組成比RE(Y+Gd):Ba:Cu=1:1.5+y1:3(y1<0.5)に添加元素としてのHfを加えて形成された、有効な酸化物粒子である人工ピン粒子(以下、「磁束ピンニング点」と称する)13aを有する。
Here, the
磁束ピンニング点(人工ピン粒子)13aは、超電導層13中に均一に分散されたHfを含む粒径50nm以下で構成される。ここでは、超電導層13中の磁束ピンニング点13aは、粒径10nm以下となるように制御された化合物としての酸化物粒子であり、本実施の形態では、BaHfO3である。なお、磁束ピンニング点13aの粒径は、磁束線サイズに近い方がより効果を発揮する。
The magnetic flux pinning point (artificial pin particles) 13 a is configured with a particle size of 50 nm or less containing Hf uniformly dispersed in the
なお、磁束ピンニング点の数nは、超電導層13中に、1[μm3]当たり1.0×103個≦n<1.0×107個含まれることが望ましい。粒子の数が多いとより多くの磁束をピン止めする事ができるため効果的であるが、上記範囲を超えると超電導体の体積減少の効果が大きくなるため超電導電流を阻害し、結局は超電導特性を低下させることとなる。例えば、1[μm3]当たり1.0×107個以上存在する場合には、酸化物粒子の粒径が5[nm]であったとしても体積分率で60%を超える事になり、超電導特性を低下させる。
The number n of magnetic flux pinning points is preferably 1.0 × 10 3 pieces ≦ n <1.0 × 10 7 pieces per 1 μm 3 in the
なお、添加元素としてのHfの添加量は、30[wt%]以下である必要があり、特に超電導層全体に対して1wt%〜10wt%であることが望ましい。1wt%〜10wt%が望ましい理由としては、磁場中特性向上のためには、添加元素の添加量の多い方が、より多くの磁束をピン止めできるので一層効果的である。しかしながら、Hfの添加量が10wt%、即ち体積分率30vol%を超えると、成膜される超電導体の体積減少の効果が大きくなると共に、粒子が単独で存在できる臨界を超えるため、ピン止め効果が薄れかつ超電導電流を阻害するからである。さらに、上記範囲を超えると、析出物が凝集して超電導電流を阻害するからである。なお、磁束ピンニング点13aにおけるHfとBaとの比は、Hf:Ba=1:1である。
The amount of Hf added as an additive element needs to be 30 wt% or less, and in particular preferably 1 wt% to 10 wt% with respect to the entire superconducting layer. The reason why 1 wt% to 10 wt% is desirable is that in order to improve the characteristics in a magnetic field, it is more effective to add more additive element since more magnetic flux can be pinned. However, if the amount of Hf added is 10 wt%, that is, the volume fraction exceeds 30 vol%, the effect of decreasing the volume of the superconductor to be formed becomes large, and since the criticality that particles can exist alone is exceeded, the pinning effect It is because it causes the deterioration of the superconducting current. Furthermore, if the above range is exceeded, the precipitates are aggregated to inhibit the superconducting current. The ratio of Hf to Ba at the magnetic
超電導層13の内部で磁束ピンニング点として形成されたBaHfO3は、膜面方向だけでなく、膜厚方向にもナノサイズ、ナノ間隔に存在しており、これらが磁束を有効にピンニングし、磁場印加角度に対するJcの異方性を著しく改善できる。また、BaHfO3のサイズ、密度及び分散を制御するためには、Hf含有オクチル酸塩等の導入量だけでなく、仮焼熱処理時及び本焼熱(結晶化熱)処理時の酸素分圧、水蒸気分圧、焼成温度の制御により可能となる。これらの最適化を行うことにより有効な磁束ピンニング点13aの導入が可能となる。
The BaHfO 3 formed as a magnetic flux pinning point inside the
超電導層13となる超電導原料溶液は、金属元素を含む金属有機酸塩、または、有機金属化合物を、有機溶媒中に溶解した混合溶液からなる。なお、有機溶媒としては、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール等の低級アルコール、トルエン等及びこれらの混合溶媒が挙げられる。
The superconducting raw material solution to be the
超電導原料溶液は、本実施の形態では、RE(REは、Y、Nd、Sm、Eu、GdおよびHoから選択された1種以上の元素を示す)、Ba及びCuを含む有機金属錯体溶液(混合溶液)と、Baと親和性の大きいHfを含む炭素原子20個以下の化合物であるHf添加剤(具体的には、オクチル酸ハフニウム)とからなる。 In the present embodiment, the superconducting raw material solution contains RE (RE represents one or more elements selected from Y, Nd, Sm, Eu, Gd and Ho), an organometallic complex solution containing Ba and Cu (A mixed solution) and an Hf additive (specifically, hafnium octylate) which is a compound having 20 or less carbon atoms containing Hf having high affinity with Ba.
超電導原料溶液における混合溶液は、ここでは、Y、Ba、Cuを所定のモル比で含んだ金属有機酸塩または有機金属化合物を有機溶媒中に溶解した溶液である。モル数はY:Ba:Cu=1:y:3としたときにy<2の範囲内であるBaモル比の超電導原料溶液を用いるようにしたものである。この場合、高いJc及びIc値を得るために、超電導原料溶液中のBaモル比yは1.0≦y≦1.8の範囲内であることが好ましく、より好ましくは、原料溶液中のBaモル比yは1.3≦y≦1.7の範囲である。これにより、Baの偏析を抑制することができ、その結果、結晶粒界でのBaベースの不純物の析出が抑制される。よって、クラックの発生が抑制されるとともに結晶粒間の電気的結合性が向上し、超電導膜をMOD法により形成することにより、高速で均一な厚膜を有する超電導特性に優れたテープ状酸化物超電導体を容易に製造できる。 Here, the mixed solution in the superconducting raw material solution is a solution in which a metal organic acid salt or an organic metal compound containing Y, Ba, and Cu in a predetermined molar ratio is dissolved in an organic solvent. When the molar number is Y: Ba: Cu = 1: y: 3, a superconducting raw material solution having a Ba molar ratio within the range of y <2 is used. In this case, in order to obtain high Jc and Ic values, the Ba molar ratio y in the superconducting raw material solution is preferably in the range of 1.0 ≦ y ≦ 1.8, more preferably Ba in the raw material solution. The molar ratio y is in the range of 1.3 ≦ y ≦ 1.7. Thereby, segregation of Ba can be suppressed, and as a result, precipitation of Ba-based impurities at grain boundaries is suppressed. Therefore, the occurrence of cracks is suppressed and the electrical connection between the crystal grains is improved, and by forming the superconducting film by the MOD method, a tape-like oxide excellent in superconducting characteristics having a high speed and uniform thick film The superconductor can be easily manufactured.
超電導原料溶液を構成する金属有機酸塩としては、各元素のオクチル酸塩、ナフテン酸塩、ネオデカン酸塩、三弗化酢酸塩などが挙げられるが、1種類以上の有機溶媒に均一に溶解し、基板15上に塗布できるものであれば、それを用いることができる。
Examples of the metal organic acid salt constituting the superconducting raw material solution include octylate of each element, naphthenate, neodecanoate, trifluoracetic acid acetate, etc., and they are uniformly dissolved in one or more organic solvents. Any material that can be applied onto the
本実施の形態では、有機金属錯体溶液を用いることによって、混合溶液中に含まれるBaのモル比y=1.5+y1は、y<2の範囲内とする。加えて、混合溶液中にHfを含む粒径50[nm]以下、好ましくは粒径10[nm]以下の酸化物粒子(BaHf0)を磁束ピンニング点13aとして分散させることにより製造することができる。
In this embodiment, the molar ratio y = 1.5 + y1 of Ba contained in the mixed solution is in the range of y <2 by using the organometallic complex solution. In addition, it can be manufactured by dispersing oxide particles (BaHf0) having a particle diameter of 50 nm or less, preferably 10 nm or less, containing Hf in the mixed solution as the magnetic
なお、超電導原料溶液としては、下記(a)〜(c)の溶液を含む混合溶液に(d)の添加剤を添加して用いることが好ましい。
(a)REを含む有機金属錯体溶液:REを含むプロピオン酸、トリフルオロ酢酸塩、ナフテン酸塩、オクチル酸塩、レブリン酸塩、ネオデカン酸塩、酢酸塩のいずれか1種以上を含む溶液、特に、REを含むトリフルオロ酢酸塩溶液であることが望ましい。
(b)Baを含む有機金属錯体溶液:Baを含むトリフルオロ酢酸塩の溶液
(c)Cuを含む有機金属錯体溶液:Cuを含むナフテン酸塩、オクチル酸塩、レブリン酸塩、ネオデカン酸塩、酢酸塩のいずれか1種以上を含む溶液
(d)Hf添加剤;(Baと親和性の大きいHfを含む炭素原子数20以下の有機金属錯体溶液、より好ましくは、Hfを含む炭素原子数10以下の有機金属錯体溶液
In addition, it is preferable to add and use the additive of (d) to the mixed solution containing the solution of following (a)-(c) as a superconducting raw material solution.
(A) RE-containing organometallic complex solution: a solution containing one or more of RE-containing propionic acid, trifluoroacetate, naphthenate, octylate, levulinate, levulinate, neodecanoate and acetate In particular, a trifluoroacetate salt solution containing RE is desirable.
(B) Organometallic complex solution containing Ba: solution of trifluoroacetate salt containing Ba (c) organometal complex solution containing Cu: naphthenic acid salt containing Cu, octylate, levulinate, neodecanoate, A solution (d) Hf additive containing any one or more of acetates; (a solution of an organometallic complex having 20 or less carbon atoms containing Hf having high affinity with Ba, more preferably 10 carbon atoms containing Hf Organic metal complex solution below
ここで、上記(a)のREを含む金属錯体溶液では、この溶液中のREとして、ケトン基を含まない炭素原子数3〜8のカルボン酸のRE塩の1種類以上により形成してもよい。例えば、(a)の金属錯体溶液におけるREは、プロピオン酸のRE塩としてもよく、イットリウム塩にフッ素原子を含まないプロピオン酸イットリウムであることが望ましい。なお、RE塩を誘導するカルボン酸の炭素原子数が3より小さい場合、充分な溶解性を得ることができず、均一な酸化物超電導厚膜を得られない。また、炭素原子数が8より大きい場合、仮焼成熱処理時におけるCO2ガス発生量が増加するため塗布膜が飛散しやすくなり、高特性な酸化物超電導厚膜を得ることが困難となる。RE塩を、フッ素原子を含まないY−プロピオン酸とした場合は、Ba−TFA、Cu−2−エチルヘキサン酸と、これらY−プロピオン酸、Ba−TFA、Cu−2−エチルヘキサン酸の成分を溶かす有機溶剤とを含有する混合溶液となる。このとき、有機溶剤には、プロピオン酸を溶かすアミノ基を有する可溶化剤(ここでは、テトラメチル尿素)が含まれてもよい。アミノ基としては、例えば、テトラメチル尿素、n-オクチルアミン、プロピルアミン等が挙げられる。特に、高沸点溶剤である理由から、テトラメチル尿素が好ましい。 Here, in the metal complex solution containing RE of the above (a), the RE in this solution may be formed of one or more kinds of RE salts of carboxylic acids having 3 to 8 carbon atoms which do not contain a ketone group. . For example, RE in the metal complex solution of (a) may be an RE salt of propionic acid, and is preferably yttrium propionate having no fluorine atom in the yttrium salt. In addition, when the carbon atom number of the carboxylic acid which derives RE salt is smaller than 3, sufficient solubility can not be acquired and a uniform oxide superconducting thick film can not be obtained. Further, when the number of carbon atoms is more than 8, the amount of CO 2 gas generated during the pre-baking heat treatment is increased, so that the coating film tends to scatter, making it difficult to obtain a high-quality oxide superconducting thick film. When the RE salt is Y-propionic acid containing no fluorine atom, Ba-TFA, Cu-2-ethylhexanoic acid, and components of these Y-propionic acid, Ba-TFA, Cu-2-ethylhexanoic acid It becomes a mixed solution containing the organic solvent which dissolves. At this time, the organic solvent may contain a solubilizer having an amino group that dissolves propionic acid (here, tetramethylurea). Examples of the amino group include tetramethylurea, n-octylamine, propylamine and the like. In particular, tetramethylurea is preferable because it is a high boiling point solvent.
なお、(c)に含有されるCu成分は、具体的には、炭素原子数6〜16の分岐飽和脂肪族カルボン酸の銅塩、及び炭素原子数6〜16の脂環族カルボン酸の銅塩からなる群から選ばれる1種類以上からなる。該銅塩は、L2 2Cu・pH2O(L2は、炭素原子数6〜16の分岐飽和脂肪族カルボン酸残基又は炭素原子数6〜16の脂環族カルボン酸残基であり、pは0又はとり得る水和数である)で表され、通常無水和物又は1〜2水和物で得られる。該銅塩を誘導する炭素原子数6〜16の分岐飽和脂肪族カルボン酸としては、2−エチルヘキサン酸、イソノナン酸、ネオデカン酸等が挙げられ、該銅塩を誘導する炭素原子数6〜16の脂環族カルボン酸の銅塩を誘導するものとしては、シクロヘキサンカルボン酸、メチルシクロヘキサンカルボン酸、ナフテン酸等が挙げられる。これらのカルボン酸のうち、ナフテン酸等の天然物由来のものは、本発明で規定された炭素原子数以外のものや分岐又は脂環基を有さないものを成分として含有する場合があるが、本発明においては、これらの成分の有無を問わずに、通常は、市販されているものをそのまま使用することができる。 Specifically, the Cu component contained in (c) is a copper salt of a branched saturated aliphatic carboxylic acid having 6 to 16 carbon atoms, and a copper of an alicyclic carboxylic acid having 6 to 16 carbon atoms. It consists of one or more types chosen from the group which consists of salt. The copper salt is L 2 2 Cu · pH 2 O (wherein L 2 is a branched saturated aliphatic carboxylic acid residue having 6 to 16 carbon atoms or an alicyclic carboxylic acid residue having 6 to 16 carbon atoms , P is 0 or a possible hydration number), and is usually obtained as an anhydrous form or 1-2 hydrate. Examples of the branched saturated aliphatic carboxylic acid having 6 to 16 carbon atoms from which the copper salt is derived include 2-ethylhexanoic acid, isononanoic acid, neodecanoic acid and the like, and the copper salt includes 6 to 16 carbon atoms. Examples of derivatives of the cycloaliphatic carboxylic acid copper salt include cyclohexane carboxylic acid, methyl cyclohexane carboxylic acid, naphthenic acid and the like. Among these carboxylic acids, those derived from natural products such as naphthenic acid may contain as components the ones other than the number of carbon atoms specified in the present invention or those having no branched or alicyclic group. In the present invention, generally, commercially available products can be used as they are, regardless of the presence or absence of these components.
本実施の形態では、本実施の形態の酸化物超電導線材の超電導層は、TFA−MOD法で生成され、(d)Hf添加剤は、焼成される超電導原料溶液に添加する必要がある。このため、(d)Hf添加剤は、化合物(有機金属錯体溶液)である必要があり、炭素原子が40以上であると、焼成の際に分解されず多数の有機物残渣として排出される。排出された有機物残渣は、成膜される超電導層13において空隙となる。空隙には電流は流れないため、臨界密度Jcは低下する。また、臨界電流値Ic及び臨界電流密度Jcが低下する。また、空言記がある場合、クラック等の物理的破壊も生じやすくなる。Hf添加剤としては、Hfのみがあればよく、炭素原子は、少なければ少ないほど、超電導原料溶液を焼成する際に1、分解されてCO2として排出される排出量或いは、分解生成された堆積物量を低減できる。
In the present embodiment, the superconducting layer of the oxide superconducting wire of the present embodiment is produced by the TFA-MOD method, and (d) the Hf additive needs to be added to the superconducting raw material solution to be fired. Therefore, the (d) Hf additive needs to be a compound (organic metal complex solution), and when the carbon atom is 40 or more, it is not decomposed at the time of firing and is discharged as a large number of organic residue. The discharged organic residue becomes an air gap in the
本実施の形態では、(d)Hf添加剤は、オクチル酸ハフニウムであり、ハフニウム原子1つ当たりの炭素原子数は8個としている。また、Cuを含む有機金属錯体溶液がCuを含むオクチル酸塩とすれば、同じ塩であるので,Hf添加剤は、混合溶液中のCuを含む有機金属錯体溶液との親和性が高くなり、混合溶液にHf添加剤を添加する際に混合しやすい。 In the present embodiment, (d) the Hf additive is hafnium octylate, and the number of carbon atoms per one hafnium atom is eight. Also, assuming that the Cu-containing organometallic complex solution is a Cu-containing octylate salt, the Hf additive has high affinity with the Cu-containing organometallic complex solution in the mixed solution, since it is the same salt. It is easy to mix when adding the Hf additive to the mixed solution.
また、酸化物超電導線材10では、Ba濃度を低減したRE系超電導層において、超電導層中に人工的にHf含有磁束ピンニング点13aを微細分散させることができる。このため、Jcの磁場印加角度依存性(Jc,min/Jc,max)が小さく、かつ、高磁場で高いJcを有する磁場特性を有するとともに、Jcの磁場印加角度依存性(Jc,min/Jc,max)も著しく向上できる。よって、自己磁場に加えて、磁場中でも、あらゆる磁場印加角度方向に対しても有効に磁束をピンニングして、等方的Jc特性が得られることで高い超電導特性(臨界電流密度Jc[MA/cm2]および臨界電流Ic[A/cm−width])を確保できる。
Further, in the
<超電導線材の製造方法>
このような超電導層13を有するRE系の酸化物超電導線材10は、図2に示すように製造される。
<Method of manufacturing superconducting wire>
An RE-based
図2は、本実施の形態の酸化物超電導線材の製造方法の説明に供する模式図である。 FIG. 2 is a schematic view for explaining a method of manufacturing an oxide superconducting wire according to the present embodiment.
本実施の形態では、MOD法によって、YGdBCO酸化物超電導線材である酸化物超電導線材10を製造する。酸化物超電導線材10の製造において、超電導原料溶液を基板に塗布した後に、アモルファス状の超電導前駆体(以下、「前駆体」という)とするための仮焼成処理を行う。次いで、仮焼成処理の後で、超電導層に磁束ピンニングを含む前駆体に対して、本焼成処理を施すことを経てRE系(YGdBCO)酸化物超電導線材を製造する。以下、詳細に説明する。
In the present embodiment, the
まず、テープ状の基板、例えば、Ni合金基板(基材)11(図1参照)上に、上述した方法により順に、第1中間層12a、第2中間層12b、第3中間層12c、第4中間層12d、第5中間層12eを積層して成膜し、基板15を形成する。
First, the first
この基板15上に、塗布工程Aで超電導原料溶液を塗布して塗布膜を形成する。
The superconducting raw material solution is coated on the
具体的には、図2の塗布工程Aにおいて、基板15(金属基板11上に形成した中間層12)上に、フッ素を含む有機酸塩を出発原料とする超電導原料溶液をディップコート法により塗布される。 Specifically, in the coating step A of FIG. 2, a superconducting raw material solution containing an organic acid salt containing fluorine as a starting raw material is coated on the substrate 15 (the intermediate layer 12 formed on the metal substrate 11) by dip coating. Be done.
超電導原料溶液は、ここでは、上記(a)〜(d)を含む混合溶液として、Y―TFA塩(トリフルオロ酢酸塩)、Ba―TFA塩およびCu―ナフテン酸塩を有機溶媒中にY:Ba:Cu=1:y<2:3の比率で溶解し、Hf添加剤を添加した混合溶液としている。例えば、超電導原料溶液中に含まれるBaのモル比yは1.5+y1(y1はHfに反応するBa量)とし、本実施の形態では、BaHfO3の磁束ピンニング点であるので、Ba:Hf=1:1で反応する。すなわち、この超電導原料溶液中には、Hfを含む粒径50[nm]以下、好ましくは粒径10[nm]以下の磁束ピンニング点13aとなる酸化物粒子(添加元素)を形成する炭素原子数20個以下の化合物が添加されている。なお、超電導原料溶液は、炭素原子数3〜8であり、ケトン基を含まないカルボン酸のRE塩を含む溶液、つまり、(a)の溶液に相当するY−プロピオン酸を含む溶液、(b)の溶液に相当する溶液としてBa−TFAを含む溶液、(c)の溶液に相当するCu−2−エチルヘキサン酸を含有する溶液と、(d)の溶液に相当するオクチル酸ハフニウムを含む溶液とを含む。
The superconducting raw material solution is prepared by mixing Y-TFA salt (trifluoroacetic acid salt), Ba-TFA salt and Cu-naphthenic acid salt in an organic solvent as a mixed solution containing the above (a) to (d). It melt | dissolves in the ratio of Ba: Cu = 1: y <2: 3, and is setting it as the mixed solution which added the Hf additive. For example, the molar ratio y is 1.5 + y1 of Ba contained in the superconducting raw material solution (y1 is Ba amount to react to Hf) and, in this embodiment, since a magnetic flux pinning centers of BaHfO 3, Ba: Hf = React 1: 1. That is, in this superconducting raw material solution, the number of carbon atoms forming oxide particles (additional element) to be the magnetic
このように構成される超電導原料溶液を基板15に塗布した後、仮焼成処理工程Bで塗布した超電導原料溶液を仮焼成する。この仮焼成処理工程Bにおける仮焼成処理によって、基板15上の塗布膜は、アモルファス状の超電導前駆体(以下、「前駆体」という)となる。なお、塗布工程Aでは、上記のディップコート法以外にインクジェット法、スプレー法などを用いることも可能であるが、基本的には、連続して混合溶液を複合基板15上に塗布できるプロセスであればこの例によって制約されない。1回に塗布する膜厚は0.01[μm]〜2.0[μm]、好ましくは0.1[μm]〜1.0[μm]である。
After the superconducting raw material solution configured in this way is applied to the
この塗布工程Aおよび仮焼成処理工程Bを所定回数繰り返す、つまり、テープ状酸化物超電導線材10の複合基板15における中間層12上での塗布膜をマルチコートする。所定回数は、超電導層となる塗布膜の厚みに応じて繰り返すものであり、繰り返す数の増加により塗布膜の厚みも厚くなる。これにより、複合基板15における中間層上に、所望の膜厚のYBCO超電導層(以下、「超電導層」とも称する)となる前駆体としての膜体(図2に示す「前駆体」)を形成する。
The coating step A and the pre-sintering step B are repeated a predetermined number of times, that is, the coated film on the intermediate layer 12 of the
このように塗布工程Aおよび仮焼成処理工程Bを所定回数繰り返す(マルチコートする)ことによって、超電導層となる前駆体を形成し、その後の本焼成処理工程Cは、前駆体に対して、結晶化熱処理(本焼成処理)を行う。本焼成処理工程Cの後、生成されたYGdBCO超電導層(超電導層13)上にスパッタ法により安定化層(例えば、Ag安定化層)14(図1参照)を形成し、後熱処理を施してYGdBCO超電導線材が製造される。 Thus, the precursor to be the superconducting layer is formed by repeating the coating step A and the pre-baking treatment step B a predetermined number of times (multi-coating), and the subsequent main firing treatment step C includes crystallization of the precursor. Heat treatment (main firing treatment) is performed. After the main baking process C, a stabilization layer (for example, an Ag stabilization layer) 14 (see FIG. 1) is formed on the generated YG dBCO superconducting layer (superconducting layer 13) by a sputtering method, and post heat treatment is performed YG dBCO superconducting wire is manufactured.
仮焼成熱処理及び本焼成処理は、例えば、ヒータを有する焼成炉(図示省略)内に基板15を通過させることで行う。この場合、それぞれの焼成熱処理は、内部を通過する基板に対して、水蒸気を含む酸素気流となる雰囲気ガスを吹き付けつつ、所定の温度勾配(仮焼成処理では最高到達温度450℃、本焼成処理では750〜800℃)で加熱する。
The pre-baking heat treatment and the main baking process are performed, for example, by passing the
その際、特に、本焼成処理では、前駆体を分解生成して、仮焼での残存有機分あるいは剰余フッ化物、例えば、HF、CO2等を排出する。 At this time, in particular, in the present baking treatment, the precursor is decomposed and generated, and the remaining organic component or residual fluoride in the calcination, for example, HF, CO 2 and the like are discharged.
これにより、結晶化温度で本焼成処理を施す本焼成処理工程Cでは、Hfを含む磁束ピンニング点が均一に分散され、且つ、磁場印加特性に優れたYGdBCO層を有する超電導線材(YBCO超電導線材)を製造している。 Thereby, in the main baking processing step C in which the main baking processing is performed at the crystallization temperature, the superconducting wire (YBCO superconducting wire) having the YG dBCO layer in which the magnetic flux pinning points including Hf are uniformly dispersed and which has excellent magnetic field application characteristics. Are manufactured.
なお、仮焼成処理工程Bの後で本焼成処理工程Cの前に、前駆体に対して、本焼成処理温度より低い温度で焼成処理を施してから室温まで急冷する中間焼成処理を行ってもよい。この中間熱処理は、仮焼成後の前駆体に対し、本焼成処理で前駆体がYGdBCOの結晶化温度に至る前に、中間焼成処理を施すことで、前駆体中における仮焼での残存有機分あるいは剰余フッ化物の排出を促進させる。 Even after the pre-baking treatment step B and before the main firing treatment step C, the precursor is subjected to a baking treatment at a temperature lower than the main firing treatment temperature and then rapidly cooled to room temperature. Good. This intermediate heat treatment is performed by subjecting the pre-baked precursor to an intermediate baking process before the precursor reaches the crystallization temperature of YG dBCO in the main baking process, to thereby obtain residual organic components in the pre-baking process. Or promote the emission of residual fluoride.
<実施例1>
実施例1では、金属基板としてのハステロイ(登録商標)と、このハステロイ(登録商標)上に、順に、Al2O3、LaMnO3、MgO、LaMnO3、CeO2を積層することで形成された中間層とを備える基板を作成し、この基板上に、MOD法を用いた図2に示す製造方法により本実施の形態の超電導原料溶液を用いてREBCO超電導層を有する超電導線材を形成した。このREBCO超電導層の形成の際に用いる超電導原料溶液は、TFA−Y(トリフルオロ酢酸イットリウム塩)、TFA−Gd(トリフルオロ酢酸ガドリウム塩)、TFA−Ba(トリフルオロ酢酸バリウム塩)、オクチル酸Cu塩及び、オクチル酸Hfを1−メトキシ−2−プロパノールに溶解した混合溶液とした。また、超電導原料溶液中の金属元素組成比は、Y−TFA塩0.77:トリフルオロ酢酸ガドリウム塩0.23:トリフルオロ酢酸バリウム塩1.60:オクチル酸銅塩3.00:オクチル酸ハフニウム0.10である。このとき超電導原料溶液200mLにおいて、RE成分、Ba成分及びCu成分が混合された混合溶液に添加するHf添加剤は、Hf4.53g、Hf以外の元素C,H,Oは3.64gを含む8.17gの添加剤であった。実施例1は、本焼成後、1層30nmとなるように、超電導原料溶液の粘度は調整し、20回塗布仮焼成を繰り返した。作製した実施例1に対して、四端子法通電測定法を用いて、実施例1の臨界電流値Ic、臨界電流密度Jcを測定した。実施例1は、77K自己磁界中の環境下では、Ic=180A/cm−width、Jc=3MA/cm2であり、77K、3T磁場環境下では、Ic=18A/cm−width、Jc=0.3MA/cm2であった。
Example 1
In Example 1, it was formed by laminating Al 2 O 3 , LaMnO 3 , MgO, LaMnO 3 , CeO 2 in this order on Hastelloy (registered trademark) as a metal substrate and this Hastelloy (registered trademark). A substrate provided with an intermediate layer was prepared, and a superconducting wire having a REBCO superconducting layer was formed on this substrate using the superconducting raw material solution of the present embodiment according to the manufacturing method shown in FIG. 2 using the MOD method. The superconducting raw material solution used in forming this REBCO superconducting layer is TFA-Y (trifluoroacetic acid yttrium salt), TFA-Gd (trifluoroacetic acid gadolinium salt), TFA-Ba (trifluoroacetic acid barium salt), octylic acid It was set as the mixed solution which melt | dissolved Cu salt and octylic acid Hf in 1-methoxy- 2-propanol. Moreover, the metal element composition ratio in the superconducting raw material solution is as follows: Y-TFA salt 0.77: gadolinium trifluoroacetate 0.23: barium trifluoroacetate 1.60: copper octylate 3.00: hafnium octylate It is 0.10. At this time, the Hf additive to be added to the mixed solution in which the RE component, the Ba component and the Cu component are mixed in 200 mL of the superconducting raw material solution is 4.53 g of Hf, and the element C, H, O other than Hf contains 3.64 g 8 It was .17 g of additive. In Example 1, the viscosity of the superconducting raw material solution was adjusted so as to be 30 nm per layer after the main baking, and the application pre-baking was repeated 20 times. The critical current value Ic and the critical current density Jc of Example 1 were measured with respect to Example 1 manufactured using the four-terminal method conduction measurement method. In Example 1, Ic = 180 A / cm-width, Jc = 3 MA / cm 2 in an environment in a 77 K self-magnetic field, and Ic = 18 A / cm-width, J c = 0 in a 77 K, 3 T magnetic environment. It was .3 MA / cm 2 .
<比較例1>
実施例1の作製工程において、基板に塗布する超電導原料溶液200mLにおいて、RE成分、Ba成分及びCu成分が混合された混合溶液に添加するHf添加剤を、炭素原子数44個とした添加剤23.15g(Hf4.53g、Hf以外の元素C,H,O18.62g)として比較例1の超電導線材を作製した。作製した比較例1に対して、四端子法通電測定法を用いて、比較例1の臨界電流値Ic、臨界電流密度Jcを測定した。比較例1は、77K自己磁界中の環境下では、Ic=100A/cm−width、Jc=1.54MA/cm2であり、77K、3T磁場環境下では、Ic=12A/cm−width、Jc=0.18MA/cm2であった。
Comparative Example 1
In the preparation process of Example 1, the additive 23 containing 44 carbon atoms as the Hf additive to be added to the mixed solution in which the RE component, the Ba component and the Cu component are mixed in 200 mL of the superconducting raw material solution applied to the substrate The superconducting wire of Comparative Example 1 was manufactured as .15 g (Hf 4.53 g, element C, H, O 18.62 g other than Hf). The critical current value Ic and the critical current density Jc of Comparative Example 1 were measured with respect to Comparative Example 1 manufactured using the four-terminal method conduction measurement method. Comparative Example 1 has an Ic = 100 A / cm-width, Jc = 1.54 MA / cm 2 in an environment in a 77 K self-magnetic field, and an Ic = 12 A / cm-width, Jc in a 77 K, 3 T magnetic environment. It was 0.18 MA / cm 2 .
実施例1と比較例1とを比較すると、自己磁場中及び3T等の高磁場環境下においても、実施例1の臨界電流値および臨界電流密度は、比較例1よりも優れていることが分かった。実施例1と比較例1とを比較すると、Hf添加剤おける炭素原子数が異なり、ここでは、比較例1では、Hfを含む炭素原子数44個の化合物であるHf添加剤を用いて超電導線材を作製し、実施例1では、炭素原子数8個を含むHf添加剤を用いて超電導線材を作製している。よって、Hfを含むHf添加剤において、炭素原子数を40以上よりも8個にした方が、超電導成膜時において、熱焼成する際に発生する有機物残渣が低減し、超電導層中の空隙が減少すると考えられる。 Comparison of Example 1 with Comparative Example 1 shows that the critical current value and critical current density of Example 1 are better than Comparative Example 1 even in the self magnetic field and in the high magnetic field environment such as 3 T. The Comparing Example 1 with Comparative Example 1, the number of carbon atoms in the Hf additive is different, and here, in Comparative Example 1, a superconducting wire using Hf which is a compound having 44 carbon atoms including Hf. In Example 1, a superconducting wire is produced using an Hf additive containing 8 carbon atoms. Therefore, in the Hf additive containing Hf, when the number of carbon atoms is set to 8 rather than 40 or more, organic residue generated at the time of heat baking is reduced during superconducting film formation, and voids in the superconducting layer are smaller. It is considered to decrease.
本発明に係る超電導線材の製造方法は、高磁場環境下であっても所望の高臨界電流値を有する超電導体を備える超電導線材を実現する効果を有し、MOD法により製造する超電導線材の製造方法として有用である。 The method of manufacturing a superconducting wire according to the present invention has an effect of realizing a superconducting wire provided with a superconductor having a desired high critical current value even in a high magnetic field environment, and manufacture of a superconducting wire manufactured by the MOD method It is useful as a method.
10 酸化物超電導線材
11 金属基板
12 中間層
12a 第1中間層
12b 第2中間層
12c 第3中間層
12d 第4中間層
12e 第5中間層
13 超電導層
13a ピンニング点
14 安定化層
15 基板
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記超電導原料溶液は、RE(REは、Y、Nd、Sm、Gd、Dy、Eu、Er、Yb、Pr及びHoからなる群から選択された少なくとも1種以上の元素)、Ba及びCuを含む有機金属錯体溶液に、Hfを含む炭素原子数20以下の化合物を混合してなり、
前記Hfは、仮焼成処理或いは前記本焼成処理により前記超電導層中に磁束ピンニング点として生成される、
ことを特徴とする超電導線材の製造方法。 A coating step of applying a superconducting raw material solution via an intermediate layer on a substrate, a temporary baking step of forming a temporary baked film by subjecting the coated superconducting raw material solution to a temporary baking treatment, the coating step and the temporary baking A method of manufacturing a superconducting wire, comprising: performing a main baking process on a superconducting precursor generated by laminating the pre-sintered film by repeating the process and the main baking process of generating a superconducting layer;
The superconducting raw material solution contains RE (RE is at least one element selected from the group consisting of Y, Nd, Sm, Gd, Dy, Eu, Er, Yb, Pr and Ho), Ba and Cu. The organometallic complex solution is mixed with a compound having 20 or less carbon atoms containing Hf,
The Hf is generated as a magnetic flux pinning point in the superconducting layer by the pre-baking process or the main baking process.
A method of manufacturing a superconducting wire characterized by
ことを特徴とする請求項1記載の超電導線材の製造方法。 The compound is a compound having 10 or less carbon atoms containing Hf.
A method of manufacturing a superconducting wire according to claim 1, characterized in that.
ことを特徴とする請求項1記載の超電導線材の製造方法。 The compound is octylic acid Hf,
A method of manufacturing a superconducting wire according to claim 1, characterized in that.
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の超電導線材の製造方法。 The organometallic complex solution is an RE salt of a carboxylic acid having 3 to 8 carbon atoms which does not contain a ketone group as an RE component, barium trifluoroacetate as a Ba component, and a branch of 6 to 16 carbon atoms as a Cu component. At least one copper salt selected from the group consisting of copper salts of saturated aliphatic carboxylic acids and copper salts of alicyclic carboxylic acids having 6 to 16 carbon atoms, and an organic solvent for dissolving these metal salt components, Contains as an essential ingredient,
The method of manufacturing a superconducting wire according to any one of claims 1 to 3, wherein
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