JP2588399B2 - 超電導セラミツクス - Google Patents
超電導セラミツクスInfo
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
- Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment
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- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
- Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
- Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 「発明の利用分野」 本発明は酸化物セラミック系超電導材料に関する。
「従来の技術」 従来、超電導材料は、水銀、鉛等の元素、NbN,Nb3Ge,
Nb3Ga等の合金またはNb3（Al0.8Ge0.2）等の三元素化合
物よりなる金属材料が用いられている。しかしこれらの
Tc（超電導臨界温度）オンセットは25Kまでであった。
Nb3Ga等の合金またはNb3（Al0.8Ge0.2）等の三元素化合
物よりなる金属材料が用いられている。しかしこれらの
Tc（超電導臨界温度）オンセットは25Kまでであった。
他方、近年、セラミック系の超電導材料が注目されて
いる。この材料は最初IBMのチューリッヒ研究所よりBa
−La−Cu−Ｏ（バラクオ）系酸化物高温超電導体として
報告され、さらにLSCO（第二銅酸−ランタン−ストロン
チューム）として知られてきた。これらは（A1-xBx）yC
uOz,x＝0.01〜0.3,y＝1.3〜2.2,z＝2.0〜4.5におけるA,
Bとして、それぞれ１種類の元素を用いるのみであるた
め、Tcオンセットが30Kしか得られなかった。
いる。この材料は最初IBMのチューリッヒ研究所よりBa
−La−Cu−Ｏ（バラクオ）系酸化物高温超電導体として
報告され、さらにLSCO（第二銅酸−ランタン−ストロン
チューム）として知られてきた。これらは（A1-xBx）yC
uOz,x＝0.01〜0.3,y＝1.3〜2.2,z＝2.0〜4.5におけるA,
Bとして、それぞれ１種類の元素を用いるのみであるた
め、Tcオンセットが30Kしか得られなかった。
「従来の問題点」 しかし、これら酸化物セラミックスの超電導の可能性
はペロブスカイト型の構造を利用しているもので、その
Tcも30Kがその限界であった。
はペロブスカイト型の構造を利用しているもので、その
Tcも30Kがその限界であった。
このため、このTcoをさらに高くし、望むべくは液体
窒素温度（77K）またはそれ以上で動作せしめることが
強く求められていた。
窒素温度（77K）またはそれ以上で動作せしめることが
強く求められていた。
「問題を解決すべき手段」 本発明は、かかる高温で超電導を呈するべく、新しい
素材を探し求めた。その結果、銅の酸化物層を２層含む
新型ペロブスカイト型構造においてTcオンセットも50〜
107Kにまで向上させ得ることが明らかになった。
素材を探し求めた。その結果、銅の酸化物層を２層含む
新型ペロブスカイト型構造においてTcオンセットも50〜
107Kにまで向上させ得ることが明らかになった。
本発明の超電導性セラミックスは（A1-xBx）yCuzOw・
（A1-X′Ｂ′ｘ′）ｙ′Cuz′Ow′,0＜x,x′＜1,y,y′
＝2.0〜4.0好ましくは2.5〜3.5,z,z′＝1.0〜4.0好まく
は1.5〜3.5,w,w′＝4.0〜10.0好ましくは６〜８で一般
的に示し得るものである。Ａとして、Ｙ（イットリュー
ム）を用いる。
（A1-X′Ｂ′ｘ′）ｙ′Cuz′Ow′,0＜x,x′＜1,y,y′
＝2.0〜4.0好ましくは2.5〜3.5,z,z′＝1.0〜4.0好まく
は1.5〜3.5,w,w′＝4.0〜10.0好ましくは６〜８で一般
的に示し得るものである。Ａとして、Ｙ（イットリュー
ム）を用いる。
またB,B′はBa（バリューム）,Sr（ストロンチュー
ム）,Ca（カルシューム）より選ばれた元素のうち少な
くとも２種類を用いている。
ム）,Ca（カルシューム）より選ばれた元素のうち少な
くとも２種類を用いている。
本願発明は銅を層構造とせしめ、これを１分子内で１
層または対称構造の２層構造とし、この層の最外核電子
の電子の軌道により超電導を呈せしめ得るモデルを前提
としている。
層または対称構造の２層構造とし、この層の最外核電子
の電子の軌道により超電導を呈せしめ得るモデルを前提
としている。
従来から知られている（Ba,K）BiO3等の超電導体はAB
O3型ペロブスカイト構造をしており、１分子内に、６つ
の酸素がＢを囲んだ酸素８面体からなる１つの層を有す
る。
O3型ペロブスカイト構造をしており、１分子内に、６つ
の酸素がＢを囲んだ酸素８面体からなる１つの層を有す
る。
これに対し、本発明の超電導体はABO3型ペロブスカイ
ト型結晶の単位胞をｃ軸方向に３つ積層した構造を基本
とする。本発明の超電導材料の代表例はAB2Cu3O7で示す
ことができる。AB2Cu3O7の分子は完全なペロブスカイト
型結晶構造に比較して２つの酸素が欠落しているため、
１分子内の３つのCuは酸素８面体に囲まれる配位ではな
く、２つのCu（１）は５つの酸素に囲まれたプラミッド
状の［Cu（１）O5］配位をとり、１つのCu（２）は４つ
の酸素に囲まれた菱形状の［Cu（２）O4］配位をとる。
ト型結晶の単位胞をｃ軸方向に３つ積層した構造を基本
とする。本発明の超電導材料の代表例はAB2Cu3O7で示す
ことができる。AB2Cu3O7の分子は完全なペロブスカイト
型結晶構造に比較して２つの酸素が欠落しているため、
１分子内の３つのCuは酸素８面体に囲まれる配位ではな
く、２つのCu（１）は５つの酸素に囲まれたプラミッド
状の［Cu（１）O5］配位をとり、１つのCu（２）は４つ
の酸素に囲まれた菱形状の［Cu（２）O4］配位をとる。
１分子内において、これらのCu−Ｏの配位体は［Cu
（２）O4］菱形を挟んで、これらの２つの［Cu（１）
O5］ピラミッド状の多面体が頂点をつきあわせたかたち
で、対称的に配列している。また、AB2Cu3O7の結晶構造
は１分子内の２つの［Cu（１）O5］ピラミッドの底面
が、それぞれ他の分子の［Cu（１）O5］ピラミッドの底
面と対峙するように積層した積層構造を有する。なお、
Cu（１）はこのピラミッドの底面のほぼ中央に位置して
いる。
（２）O4］菱形を挟んで、これらの２つの［Cu（１）
O5］ピラミッド状の多面体が頂点をつきあわせたかたち
で、対称的に配列している。また、AB2Cu3O7の結晶構造
は１分子内の２つの［Cu（１）O5］ピラミッドの底面
が、それぞれ他の分子の［Cu（１）O5］ピラミッドの底
面と対峙するように積層した積層構造を有する。なお、
Cu（１）はこのピラミッドの底面のほぼ中央に位置して
いる。
本発明の（A1-xBx）yCuzOw・（A1-X′Ｂ′ｘ）ｙ′Cu
z′Ow′においては、上述した［Cu（１）O5］ピラミッ
ドの底面のように、銅とこれを取り囲む酸素がつくる層
の最外核電子の電子の軌道により超電導を呈すると予測
される。
z′Ow′においては、上述した［Cu（１）O5］ピラミッ
ドの底面のように、銅とこれを取り囲む酸素がつくる層
の最外核電子の電子の軌道により超電導を呈すると予測
される。
このため、本発明では、より高いTcoを得るために、
銅とこれを取り囲む酸素がつくる平面を１分子内で１層
または、ab平面に対して対称構造の２層構造を前提とす
る。
銅とこれを取り囲む酸素がつくる平面を１分子内で１層
または、ab平面に対して対称構造の２層構造を前提とす
る。
かかる構造においては、銅と銅のまわりの酸素の原子
をより層構造とせしめ、この層をキャリアが移動しやす
くするため、本発明構造における（A1-xBx）yCuzOw・
（A1-X′Ｂ′ｘ′）ｙ′Cuz′Ow′におけるA,Bの選ばれ
る元素が重要である。特にＡ元素を元素周期律表III a
の族であるＹ（イットリューム）を用いている。さらに
本発明は、B,B′として元素周期律表におけるII a族で
あるBa（バリューム）,Sr（ストロンチューム）,Ca（カ
ルシューム）より選ばれた元素のうちの少なくとも２種
類を用いている。
をより層構造とせしめ、この層をキャリアが移動しやす
くするため、本発明構造における（A1-xBx）yCuzOw・
（A1-X′Ｂ′ｘ′）ｙ′Cuz′Ow′におけるA,Bの選ばれ
る元素が重要である。特にＡ元素を元素周期律表III a
の族であるＹ（イットリューム）を用いている。さらに
本発明は、B,B′として元素周期律表におけるII a族で
あるBa（バリューム）,Sr（ストロンチューム）,Ca（カ
ルシューム）より選ばれた元素のうちの少なくとも２種
類を用いている。
かくすることにより、A,B,B′に対し、単に１つのみ
の元素を用いるこれまでの構造に比べて、多結晶を呈す
る１つの結晶粒を大きくでき、ひいてはその結晶粒界で
のバリアをより消失させ得る構成とせしめた。その結
果、Tcオンセットをさらに高くさせ得る。そしてその理
想は単結晶構造である。
の元素を用いるこれまでの構造に比べて、多結晶を呈す
る１つの結晶粒を大きくでき、ひいてはその結晶粒界で
のバリアをより消失させ得る構成とせしめた。その結
果、Tcオンセットをさらに高くさせ得る。そしてその理
想は単結晶構造である。
本発明は出発材料の酸化物または炭酸化物を混合し、
一度加圧して、出発材料の酸化物または炭酸化物により
（A1-xBx）yCuzOw・（A1-X′Ｂ′ｘ′）ｙ′Cuz′Ow′
型の分子を作り得る。
一度加圧して、出発材料の酸化物または炭酸化物により
（A1-xBx）yCuzOw・（A1-X′Ｂ′ｘ′）ｙ′Cuz′Ow′
型の分子を作り得る。
さらにこれを微粉末化し、再び加圧してタブレット化
し、本焼成をする工程を有せしめている。
し、本焼成をする工程を有せしめている。
「作用」 本発明の新型のセラミック超電導素材はきわめて簡単
に作ることができる。特にこれらはその出発材料として
3Nまたは4Nの純度の酸化物または炭酸化物を用い、これ
をボールミルを用いて微粉末に粉砕し、混合する。する
と、化学量論的に（A1-xBx）yCuzOw・（A1-X′Ｂ′
ｘ′）ｙ′Cuz′Ow′,x,x′,y,y′,z,z′,w,w′のそれ
ぞれの値を任意に変更、制御することができる。
に作ることができる。特にこれらはその出発材料として
3Nまたは4Nの純度の酸化物または炭酸化物を用い、これ
をボールミルを用いて微粉末に粉砕し、混合する。する
と、化学量論的に（A1-xBx）yCuzOw・（A1-X′Ｂ′
ｘ′）ｙ′Cuz′Ow′,x,x′,y,y′,z,z′,w,w′のそれ
ぞれの値を任意に変更、制御することができる。
本発明においては、かかる超電導材料を作るのに特に
高価な設備を用いなくともよいという他の特徴も有す
る。
高価な設備を用いなくともよいという他の特徴も有す
る。
以下に実施例に従い、本発明を記す。
「実施例１」 本発明の実施例として、ＡとしてＹ、ＢとしてBa,B′
としてCaを用いた。
としてCaを用いた。
出発材料はＹ化合物として酸化イットリューム（Y
2O3,Ba化合物としてBaCO3,Ca化合物としてCaCO3,銅化合
物としてCuOを用いた。これらは高純度化学工業株式会
社より入手し、純度は99.95％またはそれ以上の微粉末
を用い、ｘ＝0.33（A:B＝1:2）,x′＝0.67（A:B＝2:
1）,y＝1,y′＝1,z＝3,z′＝3,w,w′＝６〜８となるべ
く選んだ。またB,B′であるBaおよびCaを1:1とした。
2O3,Ba化合物としてBaCO3,Ca化合物としてCaCO3,銅化合
物としてCuOを用いた。これらは高純度化学工業株式会
社より入手し、純度は99.95％またはそれ以上の微粉末
を用い、ｘ＝0.33（A:B＝1:2）,x′＝0.67（A:B＝2:
1）,y＝1,y′＝1,z＝3,z′＝3,w,w′＝６〜８となるべ
く選んだ。またB,B′であるBaおよびCaを1:1とした。
これらを十分乳鉢で混合しカプセルに封入し、3Kg/cm
2の荷重を加えてタブレット化（大きさ10mmφ×3mm）し
た。さらに酸化性雰囲気、例えば大気中で500〜1000
℃、例えば700℃で８時間加熱酸化をした。この工程を
仮焼成とした。
2の荷重を加えてタブレット化（大きさ10mmφ×3mm）し
た。さらに酸化性雰囲気、例えば大気中で500〜1000
℃、例えば700℃で８時間加熱酸化をした。この工程を
仮焼成とした。
次にこれを粉砕し、乳鉢で混合した。そしてその粉末
の平均粒半径が10μｍ以下の大きさとなるようにした。
の平均粒半径が10μｍ以下の大きさとなるようにした。
さらにこれをカプセルに封入し50Kg/cm2の圧力でタブ
レットに加圧して成型した。この加圧の同時に加熱をす
るホットプレス式を採用してもよい。
レットに加圧して成型した。この加圧の同時に加熱をす
るホットプレス式を採用してもよい。
次に500〜1000℃、例えば900℃の酸化分雰囲気、例え
ば大気中で酸化して、本焼成を10〜50時間、例えば15時
間行った。
ば大気中で酸化して、本焼成を10〜50時間、例えば15時
間行った。
次にこの試料を酸素を少なくさせたO2−Ar中で加熱
（600〜1100℃,3〜30時間、例えば800℃、20時間）し
て、還元させた。すると新型の構造がより顕著に観察さ
れるようになった。
（600〜1100℃,3〜30時間、例えば800℃、20時間）し
て、還元させた。すると新型の構造がより顕著に観察さ
れるようになった。
この試料を用いて固有抵抗と温度との関係を調べた。
すると最高温度が得られたものとしてのTcオンセット
（超電導の始まる温度）として104K,Tco（電気抵抗の零
となる温度）として93Kを観察することができた。
すると最高温度が得られたものとしてのTcオンセット
（超電導の始まる温度）として104K,Tco（電気抵抗の零
となる温度）として93Kを観察することができた。
なお、本実施例の超電導セラミックスの結晶構造を解
析するために、このタブレットを粉砕して粉末試料を作
製し、この粉末試料のＸ線回折パターンを測定した。こ
のＸ線回折パターンをリートベルト法で解析することに
より、結晶構造を同定した。この結果、本実施例の超電
導体はペロブスカイト構造を主として有するが、新型の
構造も同時に確認され、この新型構造を有する部分が高
いTcを有する部分と推測された。
析するために、このタブレットを粉砕して粉末試料を作
製し、この粉末試料のＸ線回折パターンを測定した。こ
のＸ線回折パターンをリートベルト法で解析することに
より、結晶構造を同定した。この結果、本実施例の超電
導体はペロブスカイト構造を主として有するが、新型の
構造も同時に確認され、この新型構造を有する部分が高
いTcを有する部分と推測された。
この新型構造においては、１分子内に［CuO5］で示さ
れる２つのピラミッド状の酸素多面体が頂点をつきあわ
せたかたちで、ab平面関して対称的に配置しており、こ
のような分子が、ピラミッドの底面が対峙するようにｃ
軸方向に積層した層状構造を呈していた。なお、銅はピ
ラミッドの底面のほぼ中央に位置していた。
れる２つのピラミッド状の酸素多面体が頂点をつきあわ
せたかたちで、ab平面関して対称的に配置しており、こ
のような分子が、ピラミッドの底面が対峙するようにｃ
軸方向に積層した層状構造を呈していた。なお、銅はピ
ラミッドの底面のほぼ中央に位置していた。
「実施例２」 実施例１において、B,B′としてBa,Srに加えＢ″とし
てCaCO3を20〜30％加えた。するとTcオンセットをさら
に３〜5Kを向上させることができた。
てCaCO3を20〜30％加えた。するとTcオンセットをさら
に３〜5Kを向上させることができた。
「効果」 本発明により、これまでまったく不可能とされていた
セラミック超電導体を作ることができるようになった。
セラミック超電導体を作ることができるようになった。
本発明において仮焼成をした後に微粉末化する工程に
より、初期状態でのそれぞれの出発材料の化合物を到達
材料、即ち（A1-xBx）yCuzOw・（A1-X′Ｂ′ｘ′）ｙ′
Cuz′Ow′で示される材料を含む化合物とするものであ
る。
より、初期状態でのそれぞれの出発材料の化合物を到達
材料、即ち（A1-xBx）yCuzOw・（A1-X′Ｂ′ｘ′）ｙ′
Cuz′Ow′で示される材料を含む化合物とするものであ
る。
さらにこの到達材料の化合物における分子構造内で銅
の層構造をよりさせやすくするため、原子周期律表にお
けるII a、III aの元素を複数個混合させた。かくして
最終完成化合物中に、ボイド等が空穴の存在をより除去
することができ、ひいてはTcオンセット、Tcoをより高
温化できるものと推定される。
の層構造をよりさせやすくするため、原子周期律表にお
けるII a、III aの元素を複数個混合させた。かくして
最終完成化合物中に、ボイド等が空穴の存在をより除去
することができ、ひいてはTcオンセット、Tcoをより高
温化できるものと推定される。
また本発明の分子式で示される超電導セラミックスは
その超電導の推定メカニズムとして、銅の酸化物が構造
において層構造を有し、その層構造も一分子内で一層ま
たは２層構成を有し、その層内をキャリアが超電導をし
ているものと推定される。
その超電導の推定メカニズムとして、銅の酸化物が構造
において層構造を有し、その層構造も一分子内で一層ま
たは２層構成を有し、その層内をキャリアが超電導をし
ているものと推定される。
本発明の実施例は、タブレットにしたものである。し
かしタブレットにするのではなく、仮焼成または本焼成
の後の粉末を溶媒にとかし、基板等にその溶液をコーテ
ィングをし、これを酸化性雰囲気で焼成し、さらにその
後還元性雰囲気で本焼成をすることによって、薄膜の超
電導セラミックスとすることも可能である。
かしタブレットにするのではなく、仮焼成または本焼成
の後の粉末を溶媒にとかし、基板等にその溶液をコーテ
ィングをし、これを酸化性雰囲気で焼成し、さらにその
後還元性雰囲気で本焼成をすることによって、薄膜の超
電導セラミックスとすることも可能である。
本発明により超電導体を容易に低価格で作ることがで
きるようになった。
きるようになった。
Claims (1)
- 【請求項１】（A1-xBx）yCuzOw・（A1-X′Ｂ′ｘ′）
ｙ′Cuz′Ow′,0＜x,x′＜1,y,y′＝2.0〜4.0好ましく
は2.5〜3.5,z,z′＝1.0〜4.0好ましくは1.5〜3.5,w,w′
＝4.0〜10.0好ましくは６〜８を有し、ＡはＹ（イット
リューム）元素よりなり、ＢおよびＢ′はBa（バリュー
ム）,Sr（ストロンチューム）,Ca（カルシューム）より
選ばれた少なくとも２種類の材料の元素よりなる超電導
性を有するセラミックス材料であることを特徴とする超
電導セラミックス。
Priority Applications (10)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62072483A JP2588399B2 (ja) | 1987-03-25 | 1987-03-25 | 超電導セラミツクス |
| EP87309081A EP0283620A1 (en) | 1987-03-25 | 1987-10-14 | Superconducting ceramics |
| CN87101149A CN1027329C (zh) | 1987-03-25 | 1987-12-12 | 超导陶瓷 |
| KR1019870014637A KR910001345B1 (ko) | 1987-03-25 | 1987-12-21 | 초전도 세라믹스 |
| AU13569/88A AU598118B2 (en) | 1987-03-25 | 1988-03-24 | Superconducting ceramics |
| AU51192/90A AU5119290A (en) | 1987-03-25 | 1990-03-08 | Superconducting ceramics |
| AU51193/90A AU632312B2 (en) | 1987-03-25 | 1990-03-08 | Superconducting ceramics |
| KR1019900017569A KR910001343B1 (ko) | 1987-03-25 | 1990-10-31 | 초전도 세라믹스의 제조방법 |
| KR1019900017568A KR910001346B1 (ko) | 1987-03-25 | 1990-10-31 | 초전도 세라믹스 |
| US08/065,757 US7112556B1 (en) | 1987-03-25 | 1993-05-24 | Superconducting ceramics |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62072483A JP2588399B2 (ja) | 1987-03-25 | 1987-03-25 | 超電導セラミツクス |
Related Child Applications (3)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3094813A Division JPH0517202A (ja) | 1991-04-01 | 1991-04-01 | 超電導セラミツクス |
| JP3094827A Division JPH0517204A (ja) | 1991-04-01 | 1991-04-01 | 超電導セラミツクス |
| JP3094815A Division JPH0517203A (ja) | 1991-04-01 | 1991-04-01 | 超電導セラミツクス |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63236750A JPS63236750A (ja) | 1988-10-03 |
| JP2588399B2 true JP2588399B2 (ja) | 1997-03-05 |
Family
ID=13490613
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62072483A Expired - Fee Related JP2588399B2 (ja) | 1987-03-25 | 1987-03-25 | 超電導セラミツクス |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2588399B2 (ja) |
-
1987
- 1987-03-25 JP JP62072483A patent/JP2588399B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌ．５８ Ｎｏ．９ Ｐ．９０８〜９１２ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63236750A (ja) | 1988-10-03 |
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