JP3569885B2 - 酸化物超電導体の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は酸化物超電導体およびその製造方法にかかるもので、とくにBi系の酸化物超電導体であって、Bi−2223組成とBi−2212組成との適切量の混相により、磁場下での超電導特性が向上可能であって、たとえば電流リードなどに応用される酸化物超電導体およびその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来のBi系高温度超電導体の中で、たとえば電流リードとして実用可能なものには、高温相とよばれるBi−2223組成と、低温相と呼ばれるBi−2212組成とがある。
【0003】
Bi−2223は、BiのほかにSr、Ca、Cuの3元素を含み、それぞれの原子比が、Bi:Sr:Ca:Cu=2:2:2:3であるものをいう。
【0004】
Bi−2212は、BiのほかにSr、Ca、Cuの3元素を含み、それぞれの原子比が、Bi:Sr:Ca:Cu=2:2:1:2であるものをいう。
【0005】
これらが超電導に転移する温度(臨界温度)は、高温相のBi−2223が約110K、低温相のBi−2212が約80Kであり、従来ではどちらかの組成をほぼ単相化して電流リードとして利用している。
【0006】
すなわち、一般にBi−2212組成は、その臨界温度(Tc)が80Kであり、液体窒素温度(77K)に比較してわずかに高いだけであるため、液体窒素温度での使用は実際には非常に難しい。
【0007】
しかしながら、温度40K以下においては、磁場下での特性がBi−2223よりもすぐれている。したがって、従来のBi−2212の電流リードは温度40K以下で使用することが望ましい。
【0008】
これに対してBi−2223組成は、その臨界温度(Tc)が110Kであり、液体窒素温度においても実用可能ではあるが、弱い磁場であっても印加するとその超電導特性が急激に低下してしまうという問題がある。
【0009】
Bi−2223組成は、これが発見された当初はその単相化が非常に難しく、Bi−2212あるいはBi−2201との混相となっていた。
【0010】
しかし、Biの一部をPbで置換することにより、その単相化が容易になっている。現在ではほぼ単相のBi−2223による電流リードが、一般的な固相反応法により得られている。
【0011】
固相反応法とは、原料粉末を混合し、金型あるいはゴム型などで成形し、焼成して反応させる製造方法である。
【0012】
一方、Bi−2212は、これを一度溶融させ、ゆっくりと凝固させることにより容易に単相化が可能であり、線材のようなシースに覆われているものに関しては製造時に型などを必要とせず、非常に有効である。また、低温での磁場依存性はBi−2223よりも小さいため、低温および強磁場下で使用する場合にはすぐれている。しかしながら、電流リードとするためには、形状を保つために鋳造法や一方向凝固法などが必要であり、これらの方法により作製は可能であるが、細かい制御および時間を要するとともに、一般的な手法である固相反応法によっては製造することが困難である。
【0013】
したがって、電流リードとして、現在では、比較的容易に作製が可能であるBi−2223組成が広く利用されている。
【0014】
上述のように、電流リードとして広範囲で使用されているBi−2223組成は、現在、Biの一部をPbにより置換する方法により作製することが一般的であり、この置換を行わない電流リードは全くない。
【0015】
しかしながら、Pbによる一部置換を行うことなしにBi−2223を生成させるという報告は、わずかではあるがなされており、Bi−2223単相に近いものが得られている。ただし、これらの報告はそのすべてがショートサンプルで実験されており、X線回折による相同定、および臨界温度測定などによる評価でしかなく、実際に数十アンペアの電流を流したものではない。
【0016】
この理由は、従来の製造方法によってはBiの一部をPbにより置換せずには、Bi−2223のほぼ単相化した大きなバルクは作製することができないことによる。
【0017】
したがって、ほぼ単相化したBi−2223を得ることが困難であるため、これまでは数百アンペアの大電流を流すことはできなかった。また、Pbによる一部置換をせずに作製されたほぼ単相化したBi−2223組成は、磁場依存性が、Pbにより一部置換されたBi−2223よりも大きく、不利であるという問題がある。
【0018】
また、従来のPbによるBiの一部を置換した組成のもので、熱処理条件の違いによりBi−2223とBi−2212とが混相となる場合もあり得るが、こうした場合、Bi−2212以外にもCa2 PbO4 などの不純物相が析出するために、Bi−2223相を乱してしまい、大きく超電導特性は低下してしまうという問題がある。
【0019】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は以上のような諸問題にかんがみなされたもので、たとえば温度77Kで、臨界電流密度が300A/cm2 など、実用レベルでの高温超電導体を得ることができる酸化物超電導体およびその製造方法を提供することを課題とする。
【0020】
また本発明は、Bi−2223およびBi−2212の混相状態によって、磁場依存性が小さいとともに、高温相としての超電導特性を発揮可能な酸化物超電導体およびその製造方法を提供することを課題とする。
【0021】
また本発明は、Biの一部をPbにより置換することなく、ないしはPbを添加することなく、電流リードなどに応用可能な高温超電導体を得ることができる酸化物超電導体およびその製造方法を提供することを課題とする。
【0022】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明は、超電導材料粉末を焼成する第1回目の焼成温度に対し、第2回目以降の焼成温度を低くすること、さらには第1回目の焼成雰囲気の酸素分圧を大気圧よりも低くし、第2回目以降の焼成雰囲気の酸素分圧を大気圧と同等にすることに着目したもので、第一の発明は、Sr、Ca、およびCuを含むBi系の酸化物超電導体であって、Bi−2212組成とBi−2223組成との比が、1−X:X (X=0.4〜0.8)であることを特徴とする酸化物超電導体である。
【0023】
第二の発明は、Sr、Ca、およびCuを含むBi系の酸化物超電導体の製造方法であって、上記Bi、Sr、Ca、およびCuを含む原料粉末を複数回にわたって熱処理するにあたり、第1回目の焼成温度に対し、第2回目以降の焼成温度を低くすることを特徴とする酸化物超電導体の製造方法である。
【0024】
上記第1回目の焼成雰囲気の酸素分圧を大気圧よりも低くし、第2回目以降の焼成雰囲気の酸素分圧を大気圧と同等にすることができる。
【0025】
図1にもとづき、より詳細に説明する。
【0026】
図1は、本発明の製造工程のフローチャート図であって、出発材料として、Bi2 O3 、SrCO3 、CaCO3 、CuOを準備する(ステップS1)。
【0027】
これらの組成比としては、
Bi:Sr:Ca:Cu:O=2:2−X:2−Y:3−Z:δ
(X=0.1〜0.3、Y=−0.2〜0.2、Z=−0.2〜0.3、δは任意)、である。
【0028】
そして、ステップS2において、出発材料を混合する。次に、ステップS3において仮焼するとともに、ステップS4において粉砕し、超電導材料粉末を得る(ステップS5)。ここで、ステップS3の仮焼とステップS4の粉砕は、繰返して行われる。
【0029】
この仮焼条件としては、温度800〜820℃で5〜15hr保持し、昇温および降温速度は1〜3℃/minで、雰囲気酸素分圧は5〜15%である。
【0030】
この酸素分圧の範囲以外では、最適温度範囲が狭くなり、温度を正確に(たとえば1〜2℃の精度で)制御する必要がある。したがって、若干の温度のずれによりBi−2223が生成しなくなってしまうおそれがある。すなわち、この酸素分圧の範囲内で熱処理することが必要である。
【0031】
ステップS6において任意の形状に成形する。たとえば電流リードとしては所定寸法の円筒体とする。
【0032】
ステップS7における熱処理(NO.1)およびステップS8における中間C.I.P.(冷間等方加工プレス)を複数回(たとえば2〜3回)繰り返す。
【0033】
ただし、第1回目の焼成温度を850〜870℃と若干高くし、第2回目以降の焼成温度を840〜860℃と第1回目の焼成温度よりわずかに低くする。なお、焼成温度の保持時間はともに100hr、昇温および降温速度は1〜3℃/minで、雰囲気酸素分圧は第1回目の焼成工程では5〜15%、第2回目以降の雰囲気酸素分圧は大気と同等(約22%)である。
【0034】
中間C.I.P.のC.I.P.圧は3000〜4000kgf/cm2 である。
【0035】
最後のステップS9において、再度の熱処理(NO.2)を行う。この熱処理の諸条件は、第2回目以降の焼成工程と同様である。このような処理を経て、本発明による超電導体が得られる(ステップS10)。
【0036】
本発明による酸化物超電導体およびその製造方法においては、上述のような焼成条件により超電導体を作製すると、Bi−2212組成とBi−2223組成との比が、
1−X:X (X=0.4〜0.8)、となる。
【0037】
こうした本発明により得られる超電導体は、従来のPbによってBiを一部置換したBi−2223よりも温度77Kでの臨界電流Icは低いものの、さらに低温では臨界電流Icおよび臨界電流密度Jcを実用レベルに大きくすることも可能であるとともに、磁場依存性が小さく、低温かつ磁場下での劣化を抑えることができる。
【0038】
しかも、応用製品として電流リードなどを、従来より行われている簡便な固相反応法(粉末固相法)により作製が可能である。
【0039】
なお、本発明による酸化物超電導体の製造方法により製造された超電導体は、電流リードにかかわらず、Bi系超電導体すべてに応用可能であって、たとえば銀シース線材、ケーブル、磁気シールド体、あるいは薄膜などがあげられる。とくに、磁場下での使用には従来のものよりもすぐれている。
【0040】
【発明の実施の形態】
つぎに本発明の実施例を説明する。まず、図1のフローチャート図にしたがって、Bi:Sr:Ca:Cu:O=2:1.7:2.2:3.2:δ(δは任意)の組成の原材料から焼成温度、第1回目860℃、第2回目850℃、昇温および降温速度2.5℃/min、第1回目の雰囲気酸素分圧が8%O2 、第2回目の雰囲気酸素分圧が22%O2 、および中間C.I.P.の圧力が3200kgf/cm2 で製造した電流リードの特性を図2ないし図4に示す。
【0041】
図2は、製造した試料のX線回折結果を示すグラフであって、この試料は、臨界電流Icが約300A(ただし、温度77K、磁場0T)であった。なお、試料の形状は、φ20×100Lmm、肉厚1.40mmの円筒体で、臨界電流密度Jcは約320A/cm2 であった。
【0042】
図中上方のグラフが本発明による酸化物超電導体の電流リードであり、下方のグラフが従来のBi−2223の電流リードである。△印は、Bi−2212組成を示し、○印はBi−2223組成を示す。
【0043】
本発明による試料はBi−2212:Bi−2223=3:7という比の混相状態で、従来の試料はほとんどがBi−2223組成のピークからなり、Bi−2223組成がほぼ単相であることがわかる。
【0044】
本発明により製造された酸化物超電導体は、Bi−2212組成およびBi−2223組成の混相であるとともに、両組成のそれぞれの長所を兼ね備えている。
【0045】
すなわち、本発明の酸化物超電導体は、温度77K前後で印加磁場がゼロであれば、臨界電流密度Jcは約320A/cm2 となって実用可能であり、また温度が60K以下と低温になれば、かなりの印加磁場(たとえば1T前後)をかけても臨界電流密度Jcは270A/cm2 以上となり、実用可能である。
【0046】
つまり、たとえば実用レベルとしての、温度60K、磁場1T中において、臨界電流Icが300A、臨界電流密度Jcが320A/cm2 以上である条件を満足することができる。
【0047】
図3は、印加磁場1Tにおける各温度での臨界電流Icのグラフであって、図中実線が本発明による酸化物超電導体の電流リード、点線が従来のBi−2223の電流リードをそれぞれ示す。
【0048】
図示のように、印加磁場1Tのもとにおいて、本発明による電流リードの臨界電流Icは、温度60Kでは250A以上、温度50Kでは900A以上、温度40Kでは1300A以上であって、これらの値は電流リードとしては充分使用可能である。
【0049】
従来の電流リードの臨界電流Icと比較すると、温度50Kで、ほぼ同等の値となり、温度40Kでは本発明の電流リードの方が値が高くなっている。
【0050】
図4は、各温度における、温度77K、磁場0Tでの臨界電流Ic77K で標準化(規格化)した磁場中の臨界電流Ic/Ic77K 示すグラフであって、本発明の場合および従来の場合(従来のBi−2223)をともに示す。
【0051】
なお、温度77K、磁場0Tでの臨界電流は、本発明の場合が300A、従来の場合が1100Aである。
【0052】
温度40K、磁場1Tにおいて、本発明による電流リードはIc/Ic77K の値が約4.5であり、従来では約1.0である。
【0053】
このときの臨界電流Icの絶対値としては、本発明の場合1350A、従来の場合1100Aであり、この条件下での使用では、本発明による電流リードの臨界電流の方が従来のものよりも大きくなる。
【0054】
例えば、Bi−2223とBi−2212との混相によって形成された電流リードは、図5に示された磁界発生装置に適用される。
【0055】
磁界発生装置50は、主に、Nb3Snの超電導磁石51、第1ステージ52、第2ステージ53、冷凍機54を含む。超電導磁石51は、第2ステージ53に取り付けられており、冷凍機54によって7Kまで冷却される。超電導磁石51は、100Aの電流で2.5Tの磁界を発生する共に、常温で50mmのボア径を有している。
【0056】
さらに、Bi−2223とBi−2212との混相によって形成された第1の電流リード55は、第1ステージ52と第2ステージ53との間に接続されている。この場合、第1の電流リード55は、20mmの直径と150mmの長さを有する円筒状のチューブに成形されている。さらに、第1の電流リード55は、77Kで300Aの臨界電流と300A/cm2の臨界電流密度を有している。
【0057】
また、銅により形成された第2の電流リード56は、第1ステージ52と冷凍機54との間に接続されている。この場合、第1ステージ52は、45K近辺の温度を有している。このように、第1電流リード55は、第1ステージ52に高温端(45K)で接続される共に、第2ステージ53に低温端(7K)で接続されている。
【0058】
このような構成の下、電流は第2電流リード56を介して第1ステージ52に供給され、さらに、第1ステージ52から第1の電流リード55を介して超電導磁石51に供給される。この場合、超電導磁石51が2.5Tの磁界を発生するとき、第1の電流リード55の高温端Aは0.07Tの磁界にさらされ、第1の電流リード55の低温端Bは0.2Tの磁界にさらされる。
【0059】
次に、第1の電流リード55が図5に示す磁界発生装置50に適用されたときの第1の電流リード55の性能(特性)が図6に示されている。高温端Aの温度、低温端Bの温度、高温端Aの電圧が図6にそれぞれ示されている。ここで、高温端Aの電圧は、第1の電流リード55の接触抵抗を表す。
【0060】
電流がゼロの時、第1の電流リード55の両端A,Bの温度はそれぞれ10K,45Kである。電流が100Aに上昇すると、2.5Tの磁界が超電導磁石51のボアの中心に発生する。この結果、第1電流リード55は、低温端Bで0.2T、高温端Aで0.07Tの磁界にさらされる。100Aの電流が供給される時、0.25mVの電圧が第1電流リード55の高温端Aに印加される。この電圧は、上記接触抵抗が原因となって生じる。
【0061】
図6に示されているように、電流が超電導磁石51に供給されると、高温端A及び低温端Bの温度は上昇する。しかし、電流が保持されると、温度は一定に維持される。
【0062】
実際に、電流が第1の電流リード55を介して超電導磁石51に、2時間供給された。この結果、第1電流リード55の温度と電圧がほとんど一定に維持されると共に、磁界が安定して発生することが確認された。このように、上記混相の第1の電流リード55は、図5に示された磁界発生装置50の電流リードとして充分に実用的なレベルにある。
【0063】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、複数回の焼成工程における焼成温度を第2回目以降について、より低温とするようにしたので、混相状態のBi−2212組成およびBi−2223組成を得て、両組成のそれぞれの長所を兼ね備え、比較的高温相であって、磁場特性の良好な酸化物超電導体とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の製造工程のフローチャート図である。
【図2】同、製造した試料のX線回折結果を示すグラフである。
【図3】同、印加磁場1Tにおける各温度での臨界電流Icのグラフである。
【図4】同、各温度における、温度77K、磁場0Tでの臨界電流Ic77K で規格化した磁場中の臨界電流Ic/Ic77K を示すグラフである。
【図5】本発明の電流リードが適用される磁界発生装置の概略図である。
【図6】図5に示された電流リードの性能(特性)を示すグラフである。
Claims (2)
- Sr、Ca、およびCuを含むBi系の酸化物超電導体の製造方法であって、
前記Bi、Sr、Ca、およびCuを含む原料粉末を複数回にわたって熱処理するにあたり、第1回目の焼成温度に対し、第2回目以降の焼成温度を低くすることを特徴とする酸化物超電導体の製造方法。 - 前記第1回目の焼成雰囲気の酸素分圧を大気圧よりも低くし、第2回目以降の焼成雰囲気の酸素分圧を大気圧と同等にすることを特徴とする請求項1記載の酸化物超電導体の製造方法。
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