JP3526893B2 - 高温超伝導体の回転対称成形部品の製造方法 - Google Patents

高温超伝導体の回転対称成形部品の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、請求項1の前提部によ
る高温超伝導体の回転対称成形部品の製造方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】請求項1の前提部は、ドイツ国特許出願
公開(DE−A1)第4019368号から公知である
先行技術に関係する。そこには、ビスマス・2層銅酸塩
を主体とするシリンダないしはリングの製造方法が記載
されている。この場合には均質な溶融物が回転する冷溶
融型中へ振飛ばされる。試験片内部および縁部における
非常に異なる凝固速度により、著しく異なる密度および
全内部応力を有する組織が生じる。臨界電流密度の値に
ついては、何も報告されていない。
【0003】ヨーロッパ公開特許第482221号か
ら、Bi対Sr対Ca対Cuの割合が(2−X):2:
(1+V):(2+W)であり、0.05≦×≦0.
6;0<V<0.5および0<W≦0.5であるBi−
Sr−Ca−Cu−O型のセラミック高温超伝導体の製
造方法が公知である。BiおよびCuの酸化物ならびに
CaおよびSrの炭酸塩を、溶融温度以下、とくに80
0℃でBi−2層化合物に変換する。次いで、粉末混合
物を所望の型に押込み、溶融温度よりも数度高い温度で
1時間1barのO2下で溶融する。2工程法(1ba
rのO2下860℃で13時間および空気中800℃で
60時間)で材料を後処理し、Biの2層化合物に変換
する。引き続く冷却は、N2雰囲気中700℃以下で行
なわれた。磁場なしでは、臨界電流密度jcは1.6K
A/cm2である。X=0.05、800℃で18時間
の後処理を用いると、jc(B=0)=2.12KA/
cm2が測定された。
【0004】ヨーロッパ公開特許(EP−A2)第35
1844号から、94Kの跳躍温度(Sprungst
emperatur)および2KA/cm2の臨界電流
密度を有するBi−Sr−Ca−Cu−O型の高温超伝
導体を製造することが公知である。酸素雰囲気中900
℃で30分の熱処理後、10分間920℃に加熱し、引
き続き880℃で6時間冷却した。その後、2K/mi
nの冷却速度で600℃に冷却し、引き続き窒素雰囲気
中で室温にまで冷却した。
【0005】加瀬準一郎等(銀におけるBi2Si2Ca
1Cu2Oxテクスチャードテープの部分的溶融成長法、
Journal of Applied Physic
s,第29巻、No.7(1990年7月)、L109
6頁〜L1099頁)により、77Kの温度において外
部磁場なしで、配向された厚膜の13KA/cm2の臨
界電流密度jcを達成することが公知である。
【0006】この方法の欠点は、膜厚<100μmに制
限されることである。
【0007】上記のヨーロッパ公開特許(EP−A2)
第351844号におけるように、ここでも粉末が、圧
縮または振とうされて、とくに銀からなる平らな下地上
に設けられる。部分的に溶融した状態で重力の作用下
に、粉末はコンパクトな物体またはフィルムに圧縮され
る。この方法は液体の不均一な流動ないしは流出のた
め、平らでない、たとえばシリンダ状下敷きの場合には
役に立たない。
【0008】トリスコーン(G.Triscone)等
の論文(酸素含量によるBi2Sr2CaCu28+xの
超伝導性の変化、Physica C176(1991
年)、第247頁〜第256頁、殊に第248頁の第1
図)から、平衡熱処理の場合跳躍温度Tcはどのように
酸素分圧に依存するかが公知である。それによれば、任
意の製法および大きさのBi2212超伝導体は跳躍温
度に関して最適なものにすることができる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、冒頭
に述べた種類の高温超伝導体の回転対称成形部品の製造
方法を、77Kの温度において800A/cm2より大
きい臨界電流密度を達成しうるようにさらに発展させる
ことである
【0010】
【課題を解決するための手段】この課題は、本発明によ
れば請求項1に記載された手段によって解決される。
【0011】本発明の1つの利点は導体断面積が与えら
れている場合により高い電流で作業することができるこ
とである。たとえば遮蔽目的のためおよび誘導型電流制
限器のため高い電流負荷容量を有する成形品を製造でき
る。
【0012】もう1つの利点は回転溶融物の均質な凝固
が成形部品の均質な組織をもたらすことである。これに
よって、超伝導性がシリンダの厚さに依存せず、2mm
よりも小さい厚さを有する加工片も高い臨界電流密度値
を維持して製造することができる。
【0013】とくに有利なのは高温超伝導体を遮蔽目的
に使用する場合、該高温超伝導体を溶融型中に放置する
ことである。この場合、溶融型中へ投入される金属、た
とえば銀が良伝導バイパスとして働く。
【0014】次に、本発明を図面につき詳述する。
【0015】図1において1は制御可能なモータを表わ
し、モータは駆動軸2を介して高温耐性の鋼またはセラ
ミックからなるドラムないしは溶融型4と接続されてい
る。制御可能な炉3中に配置された、右側だけが開いて
いる溶融型4は、80mmの深さないしは幅および20
0mmの直径を有する。溶融型4中へは金属型ないしは
銀型部分、ないしはプロフィル形につば出しされ、前方
のストッパ6および後方のストッパ7を有する銀薄板5
が挿入されている。これらのストッパ6,7は、あらか
じめ定めうる縁高さhを有する。銀薄板5は0.2mm
の厚さおよび70mmの幅(b)を有する。
【0016】溶融型4は、その線膨脹係数が超伝導体の
線膨脹係数に等しいかまたはそれよりも最大5μm/m
・K大きい高温耐性金属からなる。超伝導体およびその
溶融相に対し不活性の材料、とくに銀または金またはこ
れら金属の合金からなる金属型は、あとで超伝導体上に
外装としてとどまることができる。
【0017】他の構成においては、銀はたとえばめっき
により溶融型4上に層として強固に付着するように設け
られていてもよい。この場合、前方および後方のストッ
パ6,7はなくなる。
【0018】部分的溶融物の原料としては化学量論的組
成Bi2+XEA3Cu2Oy(−0.15<×<0.4;
8≦y≦8.3;EA=アルカリ土類金属またはアルカ
リ土類金属からなる混合物、殊にSrとCaからなる、
Sr対Ca=(2+Z):(1−Z)(0<Z<0.
2)、とくに2.2:0.8の割合の混合物が使用され
る。粉末には10M%までの割合で銀粉末が混合されて
いてもよい。この粉末混合物は、部分的溶融前に、下記
に記載する前処理を施す。
【0019】この粉末状原料ないしはBi2Sr2CaC
28粉末8は、乾燥状態で、または粉末、有機溶媒お
よび結合剤からなる懸濁液として、室温で供給とい9に
より溶融型4中へ投入される。供給とい9は炉3の閉鎖
可能の開口3aを通って案内されている。粉末8を投入
する間、溶融型4の回転数nは、粉末8に働く遠心加速
度ω2・γが重力加速度gを少なくとも相殺するために
十分に大きくなければならない、つまり(2πn)2γ
≧g(γ=溶融型4内の粉末8の内径、ω=2πn=円
振動数)でなければならない(図2における機能ブロッ
ク10参照)。とくに、溶融型4の回転数nは、n>
[1.3・g/(π2・d)]0.5(ただしπ=3.1
4、d=溶融型4の直径)の値にもたらすべきである。
【0020】図2につき、高温超伝導体の回転対称成形
部品の製造方法を説明する。
【0021】粉末8を溶融型4中に入れた後、その遠心
機類似の回転数nを、粉末のなお特定のち密化を達成す
るため、数値n=10s~1±3s~1に上げる。炉内雰囲
気は、たとえばO2,N2,Arのようなガスを吹込むこ
とにより定義して調節することができる。ガス密の構成
においては、低圧および過圧が可能である。粉末8を懸
濁液として入れた場合には、上記の回転数nの維持下
に、酸素分圧p(O2)≧0.2barにおいて、加熱
速度dT/dt<200K/hで、500℃±50Kの
融成温度TAに加熱し、10minないし45minの
範囲内の焼成時間DAの間この融成温度に保つ(機能ブ
ロック11参照)。この融成温度TAでは、結合剤は、
存在する場合には、溶融する。
【0022】機能ブロック12〜18に記載した別の工
程の間も、溶融すべき粉末および溶融した粉末8は溶融
型4中にとどまり、その際加熱速度および冷却速度は常
に300K/h未満に保たれる。従って、溶融型4およ
び高温超伝導体は等温である。それで、強い熱勾配がさ
けられ、これからち密で均質な組織が生じる。
【0023】部分的溶融は、TmK≦T1≦Tm+10
Kの範囲内、とくにTmK≦T1≦Tm+6K(Tm=
溶融温度、K=ケルビン)の温度範囲の第1加工温度
で、15min≦D1≦3hの範囲内、とくに30mi
n≦D1≦2hの範囲内の第1工程時間の間酸素分圧p
(O2)≧0.8barで実施される(機能ブロック1
2参照)。粉末状原料の溶融温度が溶融時間の増加につ
れて低下する場合には炉の温度を相応に上げる。粉末8
の部分的溶融は約880℃〜930℃で行なわれる。
【0024】引き続き、試料を機能ブロック13により
酸素分圧p(O2)≧0.8barにおいて、8K/h
≦−dT/dt≦160K/hの冷却速度で次の第1長
時間焼なまし(1.Langzeitgluehen)
の第2工程温度T2に冷却する。
【0025】機能ブロック14による第1長時間焼なま
しは、酸素分圧p(O2)≧0.8bar、830℃≦
T2≦870℃の温度範囲内、とくに840℃≦T2≦
850℃の温度範囲内の第2工程温度T2で、10h≦
D2≦60hの時間範囲内、とくに20h≦D2≦40
hの時間範囲内の第2工程時間の間行なわれる。第1長
時間焼なましおよび次の工程の場合に超伝導体は凝固
し、結合するので、ここからは回転を省くことができ
る。
【0026】機能ブロック15による引き続く第2長時
間焼なましは、0.2bar≦p(O2)≦0.5ba
rの圧力範囲内の酸素分圧で、750℃≦T3≦820
℃の温度範囲内、とくに780℃≦T3≦820℃の温
度範囲内の第3工程温度T3で、10h≦D3≦400
hの時間範囲内、とくに20h≦D3≦200hの時間
範囲内の第3工程時間D3の間行なわれる。
【0027】その後、(機能ブロック16参照)、冷却
速度−dT/dt=100K/h±20K/hで冷却
し、その際冷却は不活性雰囲気中、とくに窒素雰囲気中
温度T≦700℃で実施される。
【0028】方法の別の実施形では、炉3を、部分的溶
融後、室温に冷却することができる。別の工程は、回転
しない他の炉(図示せず)中で実施することができる。
【0029】跳躍温度Tcの最適化のために、その後機
能ブロック17による第3長時間焼なましを、0.1b
ar≦p(O2)≦0.2barの圧力範囲内の酸素分
圧で、760℃≦T4≦800℃の温度範囲内、とくに
770℃≦T4≦790℃の温度範囲内の第4工程温度
で、50h≦D4≦300hの時間範囲内、とくに90
h≦D4≦150hの範囲内の第4工程時間で実施する
ことができる。
【0030】引き続く、機能ブロック18による冷却
は、機能ブロック16による冷却と同様に行なわれる。
【0031】
【実施例】例1 直径200mm、幅b80mmおよび縁の高さh10m
mを有する銀型5中で、2.5s−1 の回転数nで、B
SrCaCu粉末8 700gを均一に分
配した。加熱する間、回転数nを、材料圧縮のため約1
0s−1に高める。相分離をさけるため、溶融温度で再
び緩慢な回転数nで運転した。次いで、1barのO
雰囲気下に60K/hの加熱速度で900℃に加熱し、
この温度を粉末状原料を溶融するため2時間保持した。
次の850℃に冷却するのは60K/hの冷却速度で行
なった。850℃の温度を60時間保持した。その後、
700℃に冷却した。室温に冷却するのはN雰囲気中
で100K/hの冷却速度で行なった。こうして得られ
た超伝導シリンダは2.5mmの壁厚を有し、銀型5か
ら問題なしに離型できた。臨界電流密度jcは850A
/cmであった。
【0032】例2 例1による銀型の代りに、高温耐性のNi・Cr合金ま
たはFe・Ni合金からなる、壁厚1mm、直径200
mm、幅b8mmおよび縁の高さh3mmを有し、めっ
きにより50μmの銀層で被覆したシリンダ状型を使用
した。この型中へ、上記したように、回転下に、粒径≦
5μmを有する微粒状Bi2Sr2CaCu28粉末8の
懸濁液を、Bi2Sr2CaCu28粉末8と結合剤から
なる乾燥塗膜が約0.2mmであるような量で投入し
た。例1による加熱プログラムとは異なり、炉雰囲気は
0.8barN2中0.2barO2を有する合成空気を
含有していた。900℃での滞留時間は10分にすぎな
かった。溶融温度Tmから850℃の保持温度に冷却す
るのは、10K/hの冷却速度で行なった。それによ
り、77Kで約8KA/cm2の臨界電流密度jcを有
し、結晶学的c軸が回転軸に対して非常に良好に配向さ
れている約50μmの厚さの層が得られる。この高温超
伝導体は、とくに下敷を分離せずに、電流制限器に挿入
される。それというのも銀を有する外側型5は、機械的
および電気的支持体として働くからである。
【0033】すべての実施において、臨界転移温度Tc
は93K以上であった。
【図面の簡単な説明】
【図1】モータ駆動の溶融型を有する炉の断面図。
【図2】回転対称の高温超伝導体の製造方法のブロック
系統図。
【符号の説明】
1 モータ 2 駆動軸 3 炉 4 ドラム、溶融型 5 銀薄板、銀型、金属型 6 5の前方ストッパ 7 5の後方ストッパ 8 粉末混合物、5内の粉末 9 供給とい 10〜18 機能ブロック b 幅 DA 融成時間 D1〜D4 第1〜第4工程時間 h 5の縁の高さ jc 臨界電流密度 n 回転数 p(O2) 酸素分圧 r 8の内径 T 温度 T1〜T4 第1〜第4工程温度 Tm 溶融温度
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−275920(JP,A) 特開 平4−228473(JP,A) 特開 平1−153567(JP,A) 特開 平1−163919(JP,A) 特開 平2−199057(JP,A) 特開 平2−30655(JP,A) 特開 平4−146102(JP,A) 特開 平4−280690(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C30B 1/00 - 35/00 C01G 29/00 C01G 1/00 C04B 35/60 H01L 39/24 EUROPAT(QUESTEL)

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 粉末状原料から高温超伝導体の回転対称
    成形部品を製造するため、 a)成形部品が回転する溶融型(4)中で、高温超伝導
    体の溶融温度(Tm)より上の第1工程温度(T1)に
    おいてその回転対称形を得、 b)溶融型(4)の回転数(n)は少なくとも、原料に
    働く遠心力が少なくとも重力に等しいような大きさであ
    る方法において、 c)粉末状原料を回転する溶融型(4)中へ投入し、 d)引き続き第1工程温度(T1)で溶融し、溶融型
    (4)中で凝固させることによって固体のつながりのあ
    る加工片を形成することを特徴とする高温超伝導体の回
    転対称成形部品の製造方法。
  2. 【請求項2】 a)粉末状原料を溶融型(4)中で、T
    mK≦T1≦Tm+10K(Tm=粉末状原料の溶融温
    度、K=ケルビン)の温度範囲内の第1工程温度(T
    1)で、 b)15min≦D1≦3hの時間範囲内の第1工程時
    間(D1)の間溶融することを特徴とする請求項1記載
    の方法。
  3. 【請求項3】 a)溶融を、TmK≦T1≦Tm+6K
    Tm=粉末状原料の溶融温度、K=ケルビン)の温度
    範囲内の第1工程温度(T1)で、 b)30min≦D1≦2hの時間範囲内の第1工程時
    間の間実施することを特徴とする請求項1または2記載
    の方法。
  4. 【請求項4】 a)粉末状原料を液状懸濁液で室温で溶
    融型(4)中へ投入し、 b)500℃±50Kの融成温度(TA)に加熱する
    間、溶融型(4)の回転数(n)をn>[1.3・g/
    (π2・d)]0.5の値にする(π=3.14、d=溶融
    型(4)の直径、g=重力加速度)ことを特徴とする請
    求項1から3までのいずれか1項記載の方法。
  5. 【請求項5】 a)溶融を酸素分圧p(O2)≧0.8
    barで実施し、 b)700℃から室温に冷却するのを窒素雰囲気中で行
    なうことを特徴とする請求項1から4までのいずれか1
    項記載の方法。
  6. 【請求項6】 a)溶融した後、8K/h≦−dT/d
    t≦160K/hの冷却速度(−dT/dt)で第2工
    程温度(T2)に冷却し、 b)830℃≦T2≦870℃の温度範囲内の第2工程
    温度(T2)における第1長時間焼なましを、 c)10h≦D2≦60hの時間範囲内の第2工程時間
    (D2)の間 d)酸素分圧p(O2)≧0.8barで実施し、 e)殊に、第1長時間焼なましを、840℃≦T2≦8
    50℃の温度範囲内の第2工程温度(T2)で実施し、 f)殊に、溶融した加工片を有する溶融型(4)を、溶融
    した後、回転せずに室温に冷却することを特徴とする請
    求項1から5までのいずれか1項記載の方法。
  7. 【請求項7】 a)第2長時間焼なましを、750℃≦
    T3≦820℃の温度範囲内の第3工程温度(T3)
    で、 b)10h≦D3≦400hの時間範囲内の第3工程時
    間(D3)の間、 c)0.2bar≦p(O2)≦0.5barの範囲内
    の酸素分圧p(O2)で実施し、 d)殊に、第2長時間焼なましを、780℃≦T3≦8
    20℃の温度範囲内の第3工程温度(T3)で、 e)20h≦D3≦200hの時間範囲内の第3工程時
    間(D3)の間実施することを特徴とする請求項1から
    6までのいずれか1項記載の方法。
  8. 【請求項8】 a)室温に冷却した後、第3長時間焼な
    ましを、760℃≦T4≦800℃の温度範囲内の第4
    工程温度(T4)で、 b)50h≦D4≦300hの時間範囲内の第4工程時
    間(D4)の間、 c)0.1bar≦p(O2)≦0.2barの範囲内
    の酸素分圧で実施し、 d)殊に、第3長時間焼なましを、770℃≦T4≦7
    90℃の温度範囲内の第4工程温度(T4)で、 e)90h≦D4≦150hの時間範囲内の第4工程時
    間の間実施することを特徴とする請求項1から7までの
    いずれか1項記載の方法。
  9. 【請求項9】 a)溶融型(4)が、線膨脹係数が超伝
    導体の線膨脹係数に等しいかまたはそれよりも5μm/
    m・K未満大きい高温耐性金属からなり、 b)溶融型(4)は内側が、超伝導体およびその溶融相
    に対して不活性である材料からなる金属型(5)で被覆
    されており、 c)この金属型(5)が外装および電気安定材として超
    伝導体上にとどまり、 d)殊に、金属型(5)が銀または金またはこれら金属
    の合金からなることを特徴とする請求項1から8までの
    いずれか1項記載の方法。
  10. 【請求項10】 a)高温超伝導体がBi2+XEA3Cu
    2Oyタイプのもの(−0.15<×<0.4、EA=
    アルカリ土類金属またはアルカリ土類金属からなる混合
    物、殊にSrとCaからなる、Sr対Ca=(2+
    Z):(1−Z)(0<Z<0.2、8≦y≦8.3)
    の混合物)であり、 b)粉末状原料は数回か焼し、そのつど引き続き磨砕す
    ることによって製造し、 c)殊に、反応した粉末に、銀粉末を10M%までの濃
    度で混合することを特徴とする請求項1から9までのい
    ずれか1項記載の方法。
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