JP2761727B2 - 酸化物超電導体の製法 - Google Patents

酸化物超電導体の製法

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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、例えば磁気浮上列車及び粒子加速器等の超
電導コイル部分や電子デバイス等に使用される高臨界電
流密度を有する酸化物超電導体の製法に関するものであ
る。
〔先行技術〕
現在、超電導体はNbTi,Nb3Snなどに代表される金属系
超電導体が実用化されているが、その臨界温度(Tc)は
たかだか20K程度までである。
しかしながら近年、希土類元素、アルカリ土類元素及
び酸化銅の混合物からなる複合酸化物系超電導体はその
Tcが従来の超電導体と比べ著しく高いものであること
が、フィジカル レビューレターズ58(1978)第908頁
から第910頁(Physical Review Letters 58(1978)pp9
08−910)などにおいて発表され、冷媒として高価で極
低温(4.2K)の液体ヘリウムよりも比較的高温(77K)
の液体窒素で充分使用可能となった。それゆえ、この酸
化物超電導体の各種利用分野における実用化の目度に大
きな前進がみられた。これらの発表に伴い上記利用分野
におけるバルク状又は薄膜状の酸化物超電導体におい
て、そのTcをさらに常温まで高めようとする研究と平行
して、77Kにおける臨界電流密度(Jc)を向上させる研
究がさかんに行われている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
この酸化物超電導体の実用化には、その用途に応じ材
料の性能、特に臨界温度(Tc)と臨界電流密度(Jc)の
向上が要求される。
RE1Ba2Cu3O7−δ(RE:希土類元素)系組成の酸化物
超電導体は、斜方系に属し、その単位の格子パラメータ
はほぼa=3.89Å、b=3.82Å、c=11.67Åであり、
物理的な特性も大きな異方性を有することが明確になっ
ている。その為、SrTiO3,MgOなどの単結晶基板上にエピ
タキシャル成長させて、C軸配向させた薄膜の場合、そ
のJcは1×106A/cm2(磁場が0Tの時でかつ77Kにおい
て)に達している。しかし乍ら、これに比べ通常の粉体
固体反応で製造した焼結体においては、1×103A/cm
2(磁場が0Tの時でかつ77Kにおいて)程度とかなり小さ
い。この値は、磁界を印加することによりさらに下が
り、1Tの時1×102A/cm2程度となる。
このように、従来の酸化物超電導体の電流密度は金属
系の超電導体に比べ低く、実用的レベルに達していない
のが現状である。
〔発明の目的〕
本発明の目的は臨界温度Tcを劣化させることなく、臨
界電流密度Jcを向上し得るRE1Ba2Cu3O7−δ系の酸化物
超電導体の製法を提供するにある。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明者等は上記問題点に対し、研究を進めた結果、
RE1Ba2Cu3O7−δ(RE=希土類元素)粉末に対し液相形
成成分としてRE2O3粉末をRE1Ba2Cu3O7−δ 1モルに対
し、0.01〜0.20モルに相当する量で添加混合し、これを
成形後、酸化性雰囲気で液相成形成分が溶出し得る焼成
温度で保持後、冷却することによりRE1Ba2Cu3O7−δ
結晶が再配列し、一方向に緻密に積層された結晶組織が
形成され、それにより臨界電流密度Jcが1500Oeの磁場内
で1×103A/cm2以上の酸化超電導体が得られることを知
見したものである。以後、化学式中のREの説明を省略す
る。
以下、本発明を詳述する。なお、化学式中のREに関す
る但書きは省略して説明する。
Y1Ba2Cu3O7−δ系に代表されるRE1Ba2Cu3O7−δ
酸化物超電導体の製造には、通常、Y1Ba2Cu3O7−δ
成粉をつくり、これを成形後、酸化雰囲気で焼結するこ
とによって多結晶の焼結超電導体を得る方法が用いられ
ている。この方法によれば結晶組織は等軸的なものとな
るが、RE1Ba2Cu3O7−δ系結晶はそれ自体、異方性をも
ち、電気的特性も結晶軸方向により異なることが知られ
ている。
よって、上記のような等軸的な結晶組織の多結晶体に
おいては、各結晶の向きがまちまちであるため、その電
気的特性は最も低い特性の結晶の向きに支配されること
になる。また、電気的特性に対し粒界が影響することは
もちろんの事である。
本発明によれば、多結晶の酸化物超電導体において、
その板状結晶を同一方向に緻密に積層した組織とするこ
とにより、各結晶粒子の結晶軸による電気的特性の異方
性の影響が低減され、且つ積層構造であることから結晶
粒子相互の粒界相が薄く、粒子が密に接着する。粒界相
が薄くなるとその粒界のポテンシャルが粒界の厚い従来
のRE1Ba2Cu3O7−δの粒界ポテンシャルに比べ低くな
る。このような理由により、単位面積あたりの電流密度
は大きく向上することとなる。
本発明の製法によれば、RE1Ba2Cu3O7−δ粉に対し液
相形成成分としてRE2O3粉末を添加し、これを成形後、
酸化性雰囲気で且つ、液相形成成分が溶出する温度にて
保持する。
この時、RE1Ba2Cu3O7−δは下記 2RE1Ba2Cu3O7−δ→RE2Ba1Cu1O5+3BaCuO2+2CuO に示すように、RE2Ba1Cu1O5とBaCuO2とCuOとから成る液
相成分とに分離し、RE2Ba1Cu1O5結晶を液相成分が取り
囲んだ状態となる。
その後冷却過程においてRE2Ba1Cu1O5とBaCuO2とCuOが
包晶反応によって再結合しRE1Ba2Cu3O7−δが再生成さ
れる。この時、RE1Ba2Cu3O7−δ結晶はRE2Ba1Cu1O5
結晶の向きに従って成長する。よって本発明によれば、
液相形成成分として添加したRE2O3が液相形成後、この
液相成分が系外に溶出(流動)する過程においてRE2Ba1
Cu1O5を一方向に配向させることにより、RE1Ba2Cu3O
7−δ結晶をその方向に配向させることが可能となり、
結果として、前述したような板状結晶を同一方向に緻密
に積層した組織の酸化物超電導体を得ることができる。
本発明において用いられるRE1Ba2Cu3O7−δ粉末は固
相反応法、共沈法、ゾル−ゲル法、気相合成法等によっ
て合成された任意のものを用いることができるが、好ま
しくは平均粒径0.5〜3.0μmのものを用いる。
RE2O3の液相形成成分は焼成時の液相生成温度を下げ
るために0.5〜2.0μmの微粉であることが望ましい。
本発明におけるRE2O3の液相形成成分の添加量は前述
したように焼成−冷却過程においてRE2Ba1Cu1O5結晶を
配向し得る液相成分の溶出(流動)を生じせしめる量に
設定される。よって、この液相形成成分の量が少なすぎ
るとRE2Ba1Cu1O5結晶の配向がなされず結果として再生
成されるRE1Ba2Cu3O7−δ結晶を配向することができ
ず、臨界電流密度の向上が望めない。一方、液相形成成
分の量が多すぎるとRE2Ba1Cu1O5の配向は生じるが、最
終的にRE1Ba2Cu3O7−δ結晶の粒界にBaCuO2,CuO,Y2Ba1
Cu1O5の結晶が多く析出し、臨界電流密度の極端な低下
を生じる。このような理由からRE2O3の液相形成成分の
量はRE1Ba2Cu3O7−δ粉末1モル当たり、0.01〜20モ
ル、特に0.03〜0.10モルに設定される。
このように配合された粉末はミル等により均一混合
後、成形を行う。
成形に際しては公知の成形手段が採用される。具体的
にはドクターブレード法、引上げ法、押出し法、プレス
成形法等が挙げられ、さらに伸線の製造に際し、Ag等の
管内に入れ、これを伸線加工することももちろん可能で
ある。
このようにして得られた成形体は酸化雰囲気で焼成さ
れる。また、この時の温度は前述した液相形成成分が系
外に溶出するような焼成温度、言い換えれば系内で液相
が流動し、RE2Ba1Cu1O5結晶を配向し得る温度に設定さ
れる。具体的には、大気中で980〜1150℃、酸素中で100
0〜1200℃に設定する。この焼成温度を大気中で980℃よ
り低く、あるいは酸素中で1000℃より低く設定すると液
相形成成分の溶出、流動が生じないため、結晶を配向す
ることができず、臨界電流密度は向上しない。
一方、空気中で1150℃より高く、あるいは酸素中で12
00℃より高くするとRE1Ba2Cu3O7−δ結晶が再生成され
難くなり、RE2Ba1Cu1O5のままで残存し超電導を示さな
くなる。
焼成における最高温度での保持時間は試料の形状によ
り決定されるが、ほぼ3〜30分間保持される。
焼成後の冷却過程は前述したようにRE2Ba1Cu1O5と、B
aCuO2,CuOとの包晶反応によって生成されるるRE1Ba2Cu3
O7−δ結晶を成長を促進する。この時の冷却温度はRE1
Ba2Cu3O7−δの結晶粒子の大きさに影響を与えるが、
一般には50〜200℃/hrの速度で冷却すれば良い。
このようにして得られたRE1Ba2Cu3O7−δ系酸化物超
電導体は、後述する実施例からも明らかな通り優れた特
性を示すもので、臨界温度Tcが77K以上で、臨界電流密
度1000A/cm2(1500Oe磁場、77K)以上が達成さされる。
なお、本発明において今まで述べた化学式中のREは一
般的希土類元素であり、具体的にはY,Lu,Yb,Tm,Er,Ho,D
y,Gd,Eu,Sm,Ndが挙げられる。
さらに、本発明によれば、RE1Ba2Cu3O7−δにおける
Ba,Cu,Oのそれぞれに対し、RE1Ba2Cu3O7−δ系の超電
導特性を劣化させない範囲において他の元素で一部置換
したものにももちろん適用することができる。
以下、本発明を次の例で説明する。
〔実施例1〕 Y2O3 9.09モル%とBaCO3 36.36モル%と、CuO 54.55
モル%を混合し、混合粉末を880℃で5時間仮焼後、粉
砕し、Y1Ba2Cu3O7−δの粉末(平均粒径2.0μm)を得
た。このY1Ba2Cu3O7−δ粉末1モルに対し、0.05〜0.1
5モル%Y2O3粉末(平均粒径1.0μm)を混合した。この
Y1Ba2Cu3O7−δ粉末とY2O3の混合粉末を12mmφのペレ
ット状に成形した。この成形体を空気中で980〜1150
℃、酸素中で1000〜1200℃、1〜2時間焼成した後、10
0℃/hrの速度で冷却しさらに酸素中600℃で5時間のア
ニールを行い、その後、200℃までゆっくり冷却し、4
×3×0.8mmの大きさに、試料を加工した。
尚、Y2O3の添加量および焼成条件を第1表に示すよう
に変えて試料1〜8を作成した。
得られた試料に対し、四端子法により温度に対する抵
抗変化を調べ、オンセット温度(Tco)、オフセット温
度(Tce)を調べた。
また、振動試料型磁力計により前記試料のM−Hヒス
テリシスにおいて、昇磁カーブと減磁カーブとの磁化の
差ΔMは 式 ΔM=μo・d・Jc として表わされる。ここで、μoは真空の透磁率、dは
板状サンプルの巾1/2、Jcは臨界電流密度を表わす。ヒ
ステリシスカーブから前記式を用いて磁化の差ΔMより
臨界電流密度Jcを求めた。また各試料に対し、電子顕微
鏡により結晶組織を観察し、Y1Ba2Cu3O7−δ結晶を配
向の有無を確認した。
第1表から明らかなように、焼成温度が所定の範囲よ
り低い場合(試料番号1,4)は、結晶の配向がわずかし
か確認できず、それに伴って、臨界電流密度は向上しな
かった。また、焼成温度が高い場合(試料番号3,6)
は、結晶の配向は確認できるが、Y1Ba2Cu3O7−δ結晶
の再生成が少なく、1500Oeの磁場では超電導を示さず、
臨界電流密度の測定ができなかった。さらに添加物の量
が0.01モルを下回る場合(試料番号7)は、結晶の配向
が一部にしか認められず、臨界電流密度も低いものであ
った。また、添加量が0.20モルを越える場合(試料番号
10)は、結晶の配向は認められたが結晶の粒界が多く残
存し、超電導特性を示さなかった。
これに対し、他の本発明の試料2,5,8,9はいずれも優
れた特性を示し、Tceが88K以上、臨界電流密度1000A/cm
2以上が達成された。
(発明の効果) 以上詳述した通り、本発明によればRE1Ba2Cu3O7−δ
結晶が一方向に緻密に積層された結晶組織を有する超電
導体が得られ、それにより臨界温度Tcを劣化させること
なく臨界電流密度Jcを1500Oeの磁場下で1×103A/cm2
上に高めることができる。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】RE1Ba2Cu3O7−δ(RE:希土類元素)粉末
    に、液相形成成分として、該RE1Ba2Cu3O7−δ 1モル当
    たり、0.01〜0.20モルのRE2O3(RE;希土類元素)粉末を
    加えた混合粉末を成形後、酸化性雰囲気で前記液相形成
    成分が溶出し得る焼成温度で保持後、冷却して結晶の再
    配列を生ぜしめることを特徴とする酸化物超電導体の製
    法。
  2. 【請求項2】前記液相形成成分が溶出し得る焼成温度が
    大気中で980〜1150℃、酸素中で1000〜1200℃である特
    許請求の範囲第1項記載の酸化物超電導体の製法。
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