JP2583573B2 - 酸化物系超電導材の製造方法 - Google Patents

酸化物系超電導材の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、核磁気共鳴装置や粒子加速器に用いられる
超電導マグネットなどの超電導機器用として開発が進め
られている酸化物系超電導材の製造方法に関する。
「従来の技術」 最近に至り、常電導状態から超電導状態に遷移する臨
界温度(Tc)が液体窒素温度を超える値を示す酸化物系
の超電導体が種々発見されている。この種の酸化物超電
導体は、一般式A−B−Cu−O(ただしAは、Y,Sc,La,
Yb,Er,Eu,Ho,Dy等の周期律表III a族元素の1種以上を
示し、Bは、Mg,Ca,Sr,Ba等の周期律表II a族元素の1
種以上を示す。)で示される酸化物であり、液体ヘリウ
ムで冷却することが必要であった従来の合金系あるいは
金属間化合物系の超電導体に比較して格段に有利な冷却
条件で使用できることから、実用上極めて有望な超電導
材料として研究がなされている。ところで従来、このよ
うな酸化物超電導体を具備する超電導線の製造方法の一
例として、以下に説明する方法が知られている。
酸化物超電導を製造するには、A−B−Cu−Oで示さ
れる酸化物超電導体を構成する各元素を含む複数の原料
粉末を混合して混合粉末を作成し、次いでこの混合粉末
を仮焼して不要成分を除去した後にこの仮焼粉末を金属
管に充填し、更に縮径して所望の直径の線材を得、この
線材に熱処理を施して金属管内部の圧密体に固相反応を
生じさせて酸化物超電導体を生成させ、酸化物超電導線
を製造する方法である。
「発明が解決しようとする課題」 しかしながら前述の従来方法においては、原料粉末を
完全に均一に混合することが困難なことから、熱処理を
施しても超電導体の全体が完全に均一な結晶構造とはな
らない問題があり、特に長尺の超電導線を製造した場
合、線材の全長にわたり均一な結晶構造の超電導体を生
成できないために、臨界電流密度の高い酸化物超電導線
を得ることができない問題があった。
また、前述の超電導線の内部に形成されている酸化物
超電導体は、粉末を圧密した成形体を焼結し、固相反応
させて形成したものであり、その内部には微細な気孔が
存在する関係から、圧密焼結法で製造された従来の酸化
物超電導体は、多数の結晶体をそれらの間に微細な空孔
を介在させた状態で接合した多結晶構造をなし、通常の
金属材料などの多結晶体に比較して緻密性に欠けるため
に、臨界電流密度などの超電導特性において満足なもの
が得られない問題があった。
本発明は、前記課題に鑑みてなされたもので、空孔の
ない緻密な構造の超電導層を生成させることができ、基
材に対する超電導層の密着性が良好で機械強度が高く、
超電導層の厚さを所望の値に制御することができる酸化
物系超電導材の製造方法の提供を目的とする。
「課題を解決するための手段」 本発明は前記課題を解決するために、一般式A−B−
Cu−O(ただしAは、Y,Sc,La,Yb,Er,Eu,Ho,Dy等の周期
律表III a族元素の1種以上を示し、Bは、Mg,Ca,Sr,Ba
等の周期律表II a族元素の1種以上を示す。)で示され
る組成の酸化物超電導層を具備してなる酸化物系超電導
材の製造方法において、金属製の芯材の外方に銅層を形
成し、この銅層の外方にA2B1Cu1O5なる組成の酸化物と
B−Cu酸化物とからなる混合層を形成して被覆材を形成
し、この被覆材を真空または不活性ガス雰囲気において
400〜800℃に加熱する中間熱処理を行って銅層と混合層
の境界部に中間反応層を形成し、この後に酸素雰囲気中
において800〜1100℃の温度で酸化物超電導体を生成さ
せる最終熱処理を行うものである。
「作用」 銅層と混合層の元素が相互拡散して生成される中間反
応層を最終熱処理によって酸化物超電導層にするため
に、中間反応層を基に結晶の配向性が揃った高特性の酸
化物超電導層が生成する。また、基材の外方に形成した
銅層の元素と、その外方に形成した混合層の元素を相互
拡散させて超電導層を生成させるために、生成された超
電導層は周囲の層に対して強く接合し、機械強度が向上
する。更に、混合層の元素を拡散させて酸化物超電導層
を形成するので、混合層の厚さを調節することで酸化物
超電導層の厚さを制御する。
以下に本発明を更に詳細に説明する。
第1図ないし第5図は、本発明の製造方法をY−Ba−
Cu−O系の酸化物超電導材の製造方法に適用した一実施
例を説明するためのものである。
本実施例では、まず、Ni,Zr,Tiなどの融点800℃以上
の純金属、あるいは、Ni−Cu,Ti−Al,Ni−Alなどの融点
800℃以上の合金からなる第1図に示すテープ状の長尺
の基材1を用意する。
次いでこの基材1の外面に、メッキ法、蒸着法、クラ
ッド法などの方法により純銅からなる銅層2を第2図に
示すように形成する。
次にこの銅層2の外面に、Ba:Cu=(1〜9):(9
〜1)なる組成のCu−Ba酸化物とY2Ba1Cu1O5なる組成の
酸化物とからなる混合層3を第3図に示すように形成し
て被覆材4を形成する。
Y2Ba1Cu1O5なる組成の酸化物を形成するには、例え
ば、Y2O3粉末とBaCO3粉末とCuO粉末をY:Ba:Cu=2:1:1の
割合になるように混合し、この混合粉末を大気中あるい
は酸素気流中などの酸化雰囲気において、800〜1100℃
で数時間〜数十時間加熱して焼結する。次いで、この焼
結体を粉砕して再び800〜1100℃で数時間〜数十時間加
熱して焼結し、この焼結体を粉砕すれば良い。このよう
に製造された焼結粉末を用いて混合層を形成するには、
前記焼結粉末にCu−Ba粉末を混合し、この混合粉末をエ
タノールなどの溶媒に溶解してスラリー状とする。そし
て、このスラリーを前記銅層2の外面に、溶融浸漬法ま
たはスプレーガンによる吹き付け法あるいはスクリーン
印刷機によるスクリーン印刷法、ドクターブレード法な
どの方法により塗布すれば混合層3を形成することがで
きる。
混合層3を形成したならば、被覆材4をArガス雰囲
気、Heガス雰囲気、N2ガス雰囲気などの不活性ガス雰囲
気、あるいは真空中において、400〜800℃に加熱する中
間熱処理を行う。この中間熱処理によって銅層2の元素
と混合層3の元素が相互に拡散反応して第4図に示すよ
うに中か反応層5が生成される。
次いでこの被覆材4を1気圧の酸素気流中などの酸素
存在雰囲気において800〜1100℃に数時間〜数百時間程
度加熱し、その後に室温まで、例えば100℃/時間の割
合で徐冷する熱処理を行う。
この熱処理により、中間反応層5の元素とその周囲の
元素が相互に拡散し、Y1Ba2Cu3O7−δなる組成の酸化
物超電導層6が生成し、酸化物超電導材(超電導テー
プ)Aが得られる。このように中間反応層5を生成した
後に最終熱処理によって酸化物超電導層6を生成させる
と、1度で熱処理を行って酸化物超電導層を生成する場
合に比較して最終熱処理温度を低く、最終熱処理時間を
短縮することができ、これにより生成される酸化物超電
導層6の結晶粒の粗大化を阻止して高特性の超電導層6
を生成させることができる。即ち、超電導層6を生成さ
せる場合、1000℃以上の高温で長時間熱処理すると、超
電導層の結晶粒が粗大化するので、これを阻止するため
には、熱処理温度を800〜1100℃の範囲で低く設定する
ことが好ましい。また、銅層2と混合層3の元素拡散に
より酸化物超電導層6を生成すると、圧密体を固相反応
させて製造していた従来の酸化物超電導体に比較して空
孔のない緻密な構造の臨界電流密度の高い超電導層6を
生成させることができる。
また、前述のように製造された酸化物超電導材Aにあ
っては、基材1の外方に形成した銅層2と混合層3の間
において元素が相互拡散反応することにより超電導層6
が生成されているので、超電導層6がその他の層に対し
て強く接合している。このため超電導層6は基材1に対
して密着性が良好であり、超電導材Aは曲げなどに強い
優れた構造になっている。従って超電導材Aを超電導マ
グネット用に使用する場合、クラックなどの欠陥を生じ
させることなく巻胴に巻回して超電導マグネットを形成
することができる。
また、熱処理によって形成される超電導層6の厚さ
は、銅層2と混合層3の厚さと熱処理温度と熱処理時間
を調節することによって制御することができる。
ところで、前記超電導材Aは単独で超電導マグネット
コイル用あるいは電力輸送用としての適用も可能である
が、その他に、例えば、多数枚積層して、シースの内部
に収納し、大容量用の超電導導体として使用することも
できる。
なお、前記実施冷においては、Y−Ba−Cu−O系の酸
化物超電導材の製造方法について説明したが、本発明は
その他のA−B−Cu−O系の超電導材の製造に適用でき
るのは勿論である。また、Y−Ba−Cu−O系以外の酸化
物超電導材を製造する場合には、混合層3の生成用に用
いる原料粉末に別種のものを用い、周期律表II a族元素
としてBa以外の元素を用いれば良い。即ち、原料粉末を
調製する場合に、周期律表III a族元素の化合物粉末と
して、Sc,Y,La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,
Yb,Luなどの化合物粉末の1種以上を用い、周期律表II
a族元素の化合物粉末として、Sr,Mg,Ba,Raなどの化合物
粉末の1種以上を用いれば良い。
なおまた、前記実施例においては、テープ状の基材1
を用いたが、基材1の形状は管状や線状であっても差し
支えない。
「製造例」 幅1mm、厚さ0.2mmのNi製のテープ上に、硫酸銅浴を用
い、メッキ法により厚さ5μmの銅層を形成した。ま
た、Y2Ba1Cu1O5なる組成の酸化物粉末と、Ba:Cu=3:5な
る割合としたBa−Cu混合粉末(BaCO3とCuO粉末の混合
体)をY:Ba:Cu=1:2:3の比率になるように混合し、混合
粉末を有機バインダーを含む有機溶媒中に溶解してスラ
リー状とし、このスラリーに前記テープを連続的に通過
させ、厚さ約40μmの混合層を形成した。
次いでこの基材をAr雰囲気中において600℃で24時間
加熱する中間熱処理を行い、続いて1気圧の酸素ガス雰
囲気中において925℃で24時間加熱する熱処理を行い、
その後に室温まで徐冷して超電導テープを得た。
この超電導テープは 臨界温度 90K 臨界電流密度 104A/cm2(77Kにおいて) の優秀な値を示した。
前記超電導テープを光学顕微鏡で断面観察したとこ
ろ、約30μmの反応層を確認することができた。この反
応層をX線回折法により分析したところY1Ba2Cu3O
7−δなる組成の斜方晶の単相構造であることを確認で
きた。
「発明の効果」 以上説明したように本発明は、中間熱処理によって銅
層と混合層の元素を相互拡散させて中間反応層を生成さ
せた後に、最終熱処理を行って酸化物超電導層を生成さ
せるために、中間反応層に沿って結晶配向性の整った均
質で緻密な酸化物超電導層を生成できる効果がある。
また、混合層の元素を周囲の層に拡散させて酸化物超
電導層を生成させるので、混合層の厚さを調節すること
によって酸化物超電導層の厚さを制御することができ
る。更に、混合層と銅層の元素を相互拡散反応させて超
電導層を生成させるので基材の全長にわたり均一な酸化
物超電導層を生成できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図ないし第5図は、本発明の一実施例を説明するた
めのもので、第1図は基材の横断面図、第2図は銅層を
形成した基材の断面図、第3図は被覆材の断面図、第4
図は中間反応層を示す断面図、第5図は酸化物超電導材
の断面図である。 1……基材、2……銅層、3……混合層、4……被覆
材、5……中間反応層、6……酸化物超電導層、A……
超電導材。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 池野 義光 東京都江東区木場1丁目5番1号 藤倉 電線株式会社内 (72)発明者 定方 伸行 東京都江東区木場1丁目5番1号 藤倉 電線株式会社内 (72)発明者 青木 伸哉 東京都江東区木場1丁目5番1号 藤倉 電線株式会社内 (72)発明者 太刀川 恭治 東京都世田谷区成城3丁目13番29号

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】一般式A−B−Cu−O(ただしAは、Y,S
    c,La,Yb,Er,Eu,Ho,Dy等の周期律表III a族元素の1種以
    上を示し、Bは、Mg,Ca,Sr,Ba等の周期律表II a族元素
    の1種以上を示す。)で示される組成の酸化物超電導層
    を具備してなる酸化物系超電導材の製造方法において、
    金属製の芯材の外方に銅層を形成し、この銅層の外方に
    A2B1Cu1O5なる組成の酸化物とB−Cu酸化物とからなる
    混合層を形成して被覆材を形成し、この被覆材を真空ま
    たは不活性ガス雰囲気において400〜800℃に加熱する中
    間熱処理を行って銅層中の元素と混合層中の元素を相互
    拡散させて中間反応層を形成し、この後に酸素雰囲気中
    において800〜1100℃の温度で酸化物超電導体を生成さ
    せる最終熱処理を行うことを特徴とする酸化物系超電導
    材の製造方法。
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