JP2603482B2 - 超伝導体の製造方法 - Google Patents

超伝導体の製造方法

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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C45/00Preparation of compounds having >C = O groups bound only to carbon or hydrogen atoms; Preparation of chelates of such compounds
    • C07C45/56Preparation of compounds having >C = O groups bound only to carbon or hydrogen atoms; Preparation of chelates of such compounds from heterocyclic compounds
    • C07C45/57Preparation of compounds having >C = O groups bound only to carbon or hydrogen atoms; Preparation of chelates of such compounds from heterocyclic compounds with oxygen as the only heteroatom

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、超伝導体の製造方法に関し、更に詳しく
は、レーザビームの照射による酸化物系超伝導体の製造
方法に関するものである。
〔従来の技術およびその問題点〕
超伝導体は、ある一定温度(臨界温度)以下になると
その電気抵抗が0となるものであり、その性質を利用し
て核磁気共鳴断層診断装置や粒子加速器等に使用されて
いる。
従来より、この超伝導体の材料としては、ニオブチタ
ン(Nb−Ti)、ニオブジルコニウム(Nb−Zr)等の合
金、ニオブスズ(Nb3Sn)等の金属間化合物が知られて
いる。しかし、これら材料からなる超伝導体は、電気抵
抗が0となる臨界温度が20K(絶対温度)以下であり、
核磁気共鳴断層診断装置や粒子加速器等の実用化には、
臨界温度がそれ以上のものが望まれていた。
その後、電気抵抗が0となる臨界温度が20K以上の材
料として、ランタン−バリウム−銅−酸素(La−Ba−Cu
−O)系、またイットリウム−バリウム−銅−酸素(Y
−Ba−Cu−O)系等の酸化物超伝導体が発見され、上記
臨界温度が30K〜90Kに上昇し、更には該臨界温度が室温
以上の超伝導体が発見されるまでに至っており、これに
より超伝導レベルが液体窒素温度レベル(窒素の沸点:7
7K)以上になり、該超伝導体の応用範囲が拡がった。
この酸化物系超伝導体の一つとして、L−M−Cu−O
系超伝導体(Lはイットリウム、ランタノイド元素、M
は周期律表第IIa族元素)がある。このL−M−Cu−O
系超伝導体の製造方法としては、一般に、Lの酸化物、
Cuの酸化物およびMの炭酸塩を原料とし、これら原料粉
を炉内で仮焼、焼結して酸化物焼結体としている。
しかしながら、この酸化物系超伝導体の製造方法で
は、仮焼および焼結の段階において、Mの炭酸塩の分
解、酸化物の焼結には、それぞれ数時間ないし十数時間
を必要とするため、コスト的に問題があり、ライン生産
には不向きである。また、仮焼および焼結では炉中で被
処理材全体を加熱処理するため、加熱不要部や加熱して
はいけない部分までも加熱処理せざるを得ず、所望部位
のみの超伝導体には問題があり、例えば、IC部品等への
応用には制限があった。
そこで、本発明者等は、上述の従来技術の問題点を解
決すべく鋭意研究し、各種の系統的実験を重ねた結果、
本発明を成すに至ったものである。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、短時間で超伝導体を製造する方法を
提供するにある。
また、発明の他の目的は、所望の部位のみの超伝導化
を実現することにある。
〔発明の説明〕
発明の構成 本発明の超伝導体の製造方法は、L−M−Cu−O系超
伝導体(Lはイットリウム、ランタノイド元素のうち一
種または二種以上、Mは周期律表第IIa族元素のうちの
一種または二種以上)を構成する原料の成形体に、酸化
性雰囲気中にエネルギー密度が0.24ないし0.8W/mm2のレ
ーザビームを40秒ないし30分間照射することよりなるこ
とを特徴とするものである。
発明の作用および効果 本発明の製造方法により、超伝導体を短時間で製造す
ることができる。これにより、ラインでの生産を可能に
するとともに、製造コストを低減することができる。
また、被処理材の所望の部位のみの超伝導化を図るこ
とができる。
このように、本発明の超伝導体の製造方法により上述
の効果が得られるメカニズムについては、未だ必ずしも
明らかではないが、次のように考えられる。
すなわち、超伝導体原料の成形体にレーザビームが照
射されると、該原料成形体表面でレーザービームが吸収
され、急激に温度が上昇すると同時に成形体内部に熱が
伝わり、レーザビーム照射時間内に成形体の内部領域ま
でが焼結温度に加熱され、超伝導体原料の分解反応、焼
結反応および周囲を取り巻く雰囲気からの酸素の成形体
内への拡散が促進され、超伝導特性を有する物質を形成
し、短時間で超伝導体が形成されるものと思われる。
また、レーザビームの照射により加熱処理を行うの
で、局部を急速加熱することができ、所望部位の超伝導
化を図ることができるものと思われる。
〔発明の実施態様〕
本発明の超伝導体の製造方法は、以下の実施態様を採
りうる。
本発明において、L−M−Cu−O系超伝導体を構成す
る原料は、Lの酸化物、Cuは酸化物およびMの炭酸塩か
らなるものであることが好ましい。また、この原料から
なる成形体は、原料の粉末をアルコール中で数時間混合
し、乾燥したものを圧粉成形して得られるものであるこ
とが好ましい。
また、超伝導体を構成する原料の成形体に照射するレ
ーザビームとしては、炭酸ガス(CO2)レーザ、YAGレー
ザ等の加工用レーザが適している。
また、超伝導体原料に照射するレーザビームのエネル
ギー密度は、0.24〜0.8W/mm2である。これは、該エネル
ギー密度が0.24W/mm2未満の場合には、超伝導体原料の
分解反応、焼結反応に長時間を要するか、若しくは超伝
導体原料の分解反応、焼結反応が進行しないからであ
る。また、該エネルギ密度が0.8W/mm2を越える場合に
は、超伝導体原料の温度が急速に上昇するため材料に熱
衝撃による割れを生じたり、超伝導体原料の分解反応、
焼結反応の急速な反応により超伝導特性を示すLM2Cu3Ox
(X=6.5〜7)をも分解し、レーザ加熱処理して得ら
れた焼結体が超伝導特性を示さないからである。
このレーザビームの照射時間は、レーザビームのエネ
ルギー密度と関連しており、エネルギー密度が比較的高
い場合には照射時間は比較的短くてよい。なお、他の条
件によっても異なるが、概ねこのエネルギー密度が0.8W
/mm2程度の場合には約40秒以上の照射時間で加熱処理が
でき、また、エネルギー密度が0.4W/mm2程度の場合には
約80秒以上の照射時間が適している。また、エネルギー
密度が0.24W/mm2程度の場合には、照射時間が20分〜30
分であることが好ましい。この照射時間が60分以上にな
ると、超伝導特性を示すLM2Cu3Ox(X=6.5〜7)が分
解し、レーザ加熱処理して得られた焼結体が超伝導特性
を示さないからである。
また、レーザ加熱処理の雰囲気としては、酸化性雰囲
気で行う。従って、レーザノズルからシールドガスとし
て酸素を含有するガスを超伝導体原料に吹きつけるか、
酸素を含むガスが充満した容器内で加熱処理を行うこと
が好ましい。
また、超伝導体を構成する原料の成形体に照射するレ
ーザビームのエネルギー密度が比較的高い場合、例えば
該エネルギー深度が0.8W/mm2程度の場合には、原料成形
体を予め100〜600℃に加熱しておくことが好ましい。こ
れは、予熱することにより、レーザビームの照射時に原
料成形体の割れを防ぐことができるからである。また、
レーザビームによる加熱処理を施す場合、原料成形体は
耐熱レンガ等の比較適断熱性の高い材料におくことによ
り、割れを防ぎ均一な加熱処理を施すことができる。
また、超伝導体を構成する原料の成形体に、レーザビ
ームを照射する際、パターン状に走査することにより、
若しくはレーザビームを透過しないマスクを使用してレ
ーザビームをパターン状に照射することにより、超伝導
体をパターン状に製造することができる。
〔実施例〕
以下に、本発明および実施態様の内容を、具体的に説
明する。
実施例 先ず、焼成後の組成がYBa2Cu3O6.5となるように超伝
導体原料Y2O3、Ba2CO3、CuOの粉末を用意した。次い
で、この原料粉末をエタノール中で混合し、乾燥した後
に粉砕して粉末状とし、この粉末を直径20mm×厚さ3mm
のペレット状に500kg/cm2の圧力で成形して、原料成形
体を得た。
次に、この原料成形体(ワーク)に、第1表に示すレ
ーザエネルギー密度、照射時間でCO2レーザを照射して
本実施例の焼結体を得た。この際、使用したレーザのビ
ーム径は直径30mmまたは40mm、シールドガスとしては酸
素を用い、レーザトーチからのガスの流量は25l/min、
サイドシールドノズルからのガスの流量は0、10または
25l/min(第1表に示す)で行った。また、レーザビー
ムのエネルギー密度を0.8W/mm2とした場合には、ワーク
を予め300℃に加熱した。この時の、レーザビームによ
る加熱処理について、第1図を用いて説明する。先ず、
レーザ発振装置1で発生したレーザビーム4は、レーザ
トーチ3内の集光レンズ2により絞られ、ワーク台6上
に置かれたワーク5に照射される。この時、レーザビー
ム4の照射と同時にレーザトーチよりシールドガス7を
吹きつけ、ワーク5の酸素の拡散を促進する。更に、そ
れと同時にサイドシールドノズル9によりサイドシール
ドガス8として酸素をワーク5上に吹きつけ、ワーク5
への酸素の拡散を促進する。この際、ワーク台6は、ワ
ークの急激な温度降下を防止するために耐火レンガを使
用した。
得られた焼結体の評価試験を行った。先ず、焼結体の
レーザビーム照射面の電気抵抗値(10mm間隔)をテスタ
にて測定した。この場合、超伝導特性を示すYBa2Cu3Ox
(X=6.5〜7.0)は常温でも電気抵抗値が低いので、常
温での抵抗値を測定することにより超伝導体が生成して
いるかどうかが凡そ判定できる。得られた結果を、第1
表に示す。
次に、この焼結体の物質同定を、X線回折により行っ
た。その結果、第1表に示す。表中、YBa2Cu3Ox(X=
6.5〜7.0)の存在が確認されたものを○で、確認されな
かったものを×で示す。
次に、試験番号8および16について、更に焼結体を長
さ10mm×幅5mm×厚さ1mmに切出し、4端子法で電気抵抗
と温度との関係を測定した。その結果を、第2図に示
す。図中、「A」は試験番号8の結果を、「B」は試験
番号16の結果をそれぞれ示す。
なお、比較のために、レーザビームのエネルギー密度
または/および照射時間が本発明外のものについて、第
2表に示す条件で同様にして比較用焼結体を作成し、同
様の比較試験を行った。なお、電気抵抗と温度との関係
の測定試験は、試験番号C4およびC11について行った。
その結果を、第2表および第2図に併せて示す。「C4」
は試験番号C4の結果を、「C11」は試験番号C11の結果を
それぞれ示す。
第1表,第2表および第2図から明らかのごとく、本
実施例にかかる場合には、短時間のレーザ加熱処理によ
り超伝導体が得られることが分かる。
特に、パワー密度が0.8W/mm2の場合は照射時間が40秒
以上で、パワー密度が0.42W/mm2、パワー密度が0.40W/m
m2の場合は照射時間が80秒以上で、パワー密度が0.24W/
mm2の場合は照射時間320秒以上で超伝導物質が生成して
いることが分かる。また、サイドシールドガスの流量が
異なるときの電気抵抗値を見ると、本実施例における最
大流量の25l/minの時が最も電気抵抗値を下げており、
この条件で行うことが好ましいようである。
【図面の簡単な説明】
図は、本発明および実施態様の実施例を示し、第1図は
実施例で用いたレーザ加熱処理装置の模式図、第2図は
得られた焼結体の電気抵抗と温度との関係示す線図であ
る。 1…レーザ発振装置、2…集光レンズ 3…レーザトーチ、4…レーザビーム 5…ワーク、6…ワーク台 A…試験番号8 B…試験番号16 C4…試験番号C4 C11…試験番号C11
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−276812(JP,A) 特開 昭63−292530(JP,A) 特開 昭64−56359(JP,A)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】L−M−Cu−O系超伝導体(Lはイットリ
    ウム、ランタノイド元素のうち一種または二種以上、M
    は周期律表第IIa族元素のうちの一種または二種以上)
    を構成する原料の成形体に、酸化性雰囲気中でエネルギ
    ー密度が0.24ないし0.8W/mm2のレーザビームを40秒ない
    し30分間照射することよりなり、短時間で超伝導体を製
    造することを特徴とする超伝導体の製造方法。
  2. 【請求項2】L−M−Cu−O系超伝導体を構成する原料
    の成形体が、予め800ないし950℃の温度範囲内で仮焼し
    たものであることを特徴とする特許請求の範囲第(1)
    項記載超伝導体の製造方法。
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