JP3728504B2 - ＭｇＢ２超伝導線材の作製方法 - Google Patents
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【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、ＭｇＢ2超伝導線材の作製方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、ＭｇＢ2超伝導線材の臨界電流密度（Ｊc）−磁界（Ｂ）特性を改善し得るIn-situプロセスによるＭｇＢ2超伝導線材の作製方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
ＭｇＢ2超伝導体は金属系超伝導体の中で最も高い臨界温度Ｔc＝３９Ｋを示す他、軽量、安価であるなど、実用上、数多くの利点を兼ね備えている。このような利点から、冷却コストが抑えられる２０Ｋ程度の温度域での使用や低磁界用の実用材料であるＮｂ−Ｔｉ超伝導線材の代替材など、各種の検討が行われている。
【０００３】
超伝導線材の作製方法として、超伝導体粉末を金属管内に充填し加工するＰＩＴ(powder-in-tube)法が一般に知られているが、このＰＩＴ法を適用して現在得られているＭｇＢ2超伝導線材の臨界電流密度（Ｊc）−磁界（Ｂ）特性は実用レベルに程遠く、その改善が急務である。
【０００４】
この出願の発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ＭｇＢ2超伝導線材のＪc−Ｂ特性を改善し得るIn-situプロセスによるＭｇＢ2超伝導線材の作製方法を提供することを解決すべき課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前述のＰＩＴ法は充填する粉末の種類により二つのプロセスに大別される。ひとつは、市販若しくは自作のＭｇＢ2粉末を金属管内に充填し、加工して線材化するex-situ法、もうひとつは、ＭｇＢ2生成用の原料粉末、たとえばＭｇとＢなどを金属管内に充填し、加工後、加熱処理により金属管内でＭｇＢ2を生成させるin-situ法である。後者のin-situ法に使用される金属管、すなわちシース材には、加熱によりＭｇと化合物を生成しないことが要求される。このため、主な構成元素はＦｅ、Ｔａ、Ｎｂなどに限定されている。この内、加工性、重量、コストなどの諸点から、Ｆｅ若しくは炭素鋼などのＦｅ基合金が最も有望であるとされている。
【０００６】
現時点では、ex-situ法、in-situ法を比較すると、ex-situ法を適用して作製したＭｇＢ2超伝導線材の方が優れた臨界電流密度（Ｊc）−磁界（Ｂ）特性を示す。しかしながら、作製パラメータを考慮するならば、パラメータの少ないex-situ法よりもパラメータの多いin-situ法の方が、特性改善に余地があり、有利であると考えられる。
【０００７】
だが、in-situ法では、粉末のＢが金属管を構成する元素であるＦｅ、Ｔａ、Ｎｂなどと反応して金属硼化物が生成し、これにより、コア層の充填率が下がり、Ｊc−Ｂ特性が十分高くならない。
【０００８】
そこで、この出願の発明では、金属管内に充填する粉末をＭｇとＢの混合粉末からＭｇＨ2とＢの混合粉末に替え、これにより、前述したＦｅとＢの反応など、Ｍｇ及びＢと金属管を構成する各種元素との反応を抑制する。たとえば、硼化鉄はＦｅとＢが直接反応するのではなく、主にＭｇとＦｅの液相（Ｍｇ，Ｆｅ）がＢと反応して生成すると考えられる。ＭｇＨ2粉末は液相生成温度以下でのＭｇＢ2の生成反応を促進することによって硼化鉄の生成を抑制する。これは一例であるが、このようにして、この出願の発明は、金属管内に充填する粉末と金属管を構成する各種元素との反応を抑制し、コア層の厚み低下、これにともなう臨界電流の低下を抑え、Ｊc−Ｂ特性を改善する。
【０００９】
すなわち、この出願の発明は、ＭｇＨ2粉末とＢ粉末を１：ｘ（１≦ｘ≦３）のモル比で混合した混合物を金属管内に充填し、テープ状若しくはワイヤー状に加工した後、不活性ガスを主成分とする雰囲気中で500℃〜1000℃の温度域に加熱し、ＭｇＨ2とＢを反応させてＭｇＢ2超伝導線材を作製することを特徴とするＭｇＢ2超伝導線材の作製方法（請求項１）を提供する。
【００１０】
またこの出願の発明は、金属管はＦｅを主な構成元素とする若しくはＦｅ基合金から作製されていること（請求項２）を一態様として提供する。
【００１１】
以下、実施例を示しつつ、この出願の発明のＭｇＢ2超伝導線材の作製方法についてさらに詳しく説明する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
この出願の発明のＭｇＢ2超伝導線材の作製方法は、以上からも明らかなとおり、in-situプロセスである。金属管内に充填する粉末はＭｇＨ2粉末とＢ粉末を１：ｘ（１≦ｘ≦３）のモル比で混合した混合物である。金属管は、前述したとおり、加工性、重量、コストなどの諸点からＦｅを主な構成元素とする金属若しくは炭素鋼などのＦｅ基合金から作製されたものが最も適当であるとされているが、このようなＦｅを主な構成元素とする金属若しくは炭素鋼などのＦｅ基合金から作製された金属管がシース材として用いられる場合、ＭｇＨ2粉末は前述したＭｇとＦｅの液相（Ｍｇ，Ｆｅ）の生成温度以下でのＭｇＢ2の生成を促進することによって硼化鉄の生成を抑制することができる。もちろん、金属管にはＦｅを主要構成元素とする以外のものの採用が可能であり、この場合、ＭｇＨ2粉末はＭｇと金属管を構成する各種元素との直接の反応を抑制することができる。このようにして、ＭｇＨ2粉末はコア層の厚みの低下、臨界電流の低下を抑え、臨界電流密度（Ｊc）−磁界（Ｂ）特性を改善する。
【００１３】
一方、ＭｇＨ2粉末とＢ粉末の混合比（モル比）１：ｘが前記範囲から外れると、コア層に残存する不純物層の増加、密度の低下などが起こり、Ｊc−Ｂ特性は著しく劣化する。また、ＭｇＨ2とＢを反応させてＭｇＢ2とするときの温度は、500℃〜1000℃の温度域に限定される。500℃未満ではＭｇＢ2の生成速度がきわめて遅く、ＭｇＢ2超伝導線材の作製に反映し、一方、1000℃を超えると、生成したＭｇＢ2が分解するなどしてＪc−Ｂ特性が劣化する。
【００１４】
加熱は、前述のとおり、不活性ガスを主成分とする雰囲気中で行うが、不活性ガスの種類には特に制限はない。アルゴンなど任意の不活性ガスを用いることができる。また、不活性ガスは水素ガスなどの各種ガスと適当な混合比で混合することができる。ただし、酸素ガスの使用は適当でない。これは、加熱中にＭｇが酸素ガスと反応し、特性が劣化するからである。
【００１５】
この出願の発明のＭｇＢ2超伝導線材の作製方法により作製されるＭｇＢ2超伝導線材は、従来のin-situ法により作製されるＭｇＢ2超伝導線材に比べ、Ｊc−Ｂ特性はおよそ３倍以上向上する。
【００１６】
【実施例】
市販のＭｇＨ2粉末とＢ粉末をモル比で１：２となるように混合し、その混合粉末を、外径６mm、内径3.4mmのＦｅ管及び炭素鋼（ＣＳ）管内に充填し、溝ロール及び平ロールを用いて幅３mm、厚み0.5mmのテープ状に加工した。
【００１７】
比較のために、Ｍｇ粉末とＢ粉末を用いて、同様にしてテープ状に加工した。
【００１８】
以上のテープ状物を長さ３mm程度に切断し、アルゴン及び水素の混合ガス気流中で700℃に加熱し、１時間保持した後、炉冷した。
【００１９】
得られた試料について特性を評価した。磁化によるＴc測定ではともに３８Ｋ程度であったが、4.2Ｋでの臨界電流密度（Ｊc）−磁界（Ｂ）特性は三種類の試料で異なっていた。磁界は試料表面に平行に印加して測定したが、図１に示したとおり、ＭｇＨ2粉末とＢ粉末の混合粉末を使用した試料の方がＭｇ粉末とＢ粉末の混合粉末を使用した試料に比べ高い特性を示した。
【００２０】
また、三種類の試料のＸ線回折測定の結果、Ｍｇ粉末とＢ粉末の混合粉末を使用した試料にはＭｇＢ2の他、硼化鉄（ＦｅｘＢ[ｘ＝１，２]）の存在が確認された。これに対し、ＭｇＨ2粉末とＢ粉末の混合粉末を使用した試料はＭｇＢ2のほぼ単相であった。
【００２１】
さらに、試料の断面組織を観察すると、Ｍｇ粉末とＢ粉末の混合粉末を使用した試料ではＦｅとの界面に厚い反応層が見られたのに対し、ＭｇＨ2粉末とＢ粉末の混合粉末を使用した試料ではその反応層は薄かった。
【００２２】
さらにまた、炭素鋼（ＣＳ）のシースでは、より高いＪcが得られている。これは、ＣＳの方がＦｅよりも機械的強度が高く、したがって、ＭｇＢ2コア層の充填率が向上したためと考えられる。
【００２３】
以上の結果から、in-situプロセスによるＭｇＢ2超伝導線材の作製において、ＭｇＨ2粉末とＢ粉末の混合粉末の採用によりＭｇとＦｅの反応が抑制され、硼化鉄の生成が抑えられた。コア層の密度が減少せず、臨界電流の低下が抑えられ、Ｊc−Ｂ特性が向上した。
【００２４】
もちろん、この出願の発明は、以上の実施形態及び実施例によって限定されるものではない。金属管の材質、不活性ガスを主成分とする雰囲気の種類、混合比、加工方法及び加工条件、線材の形状などの細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。
【００２５】
【発明の効果】
以上詳しく説明した通り、この出願の発明によって、In-situプロセスによるＭｇＢ2超伝導線材の作製において、ＭｇＢ2超伝導線材の臨界電流密度（Ｊc）−磁界（Ｂ）特性が改善される。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例における臨界電流密度（Ｊc）−磁界（Ｂ）特性を示したグラフである。
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、ＭｇＢ2超伝導線材の作製方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、ＭｇＢ2超伝導線材の臨界電流密度（Ｊc）−磁界（Ｂ）特性を改善し得るIn-situプロセスによるＭｇＢ2超伝導線材の作製方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
ＭｇＢ2超伝導体は金属系超伝導体の中で最も高い臨界温度Ｔc＝３９Ｋを示す他、軽量、安価であるなど、実用上、数多くの利点を兼ね備えている。このような利点から、冷却コストが抑えられる２０Ｋ程度の温度域での使用や低磁界用の実用材料であるＮｂ−Ｔｉ超伝導線材の代替材など、各種の検討が行われている。
【０００３】
超伝導線材の作製方法として、超伝導体粉末を金属管内に充填し加工するＰＩＴ(powder-in-tube)法が一般に知られているが、このＰＩＴ法を適用して現在得られているＭｇＢ2超伝導線材の臨界電流密度（Ｊc）−磁界（Ｂ）特性は実用レベルに程遠く、その改善が急務である。
【０００４】
この出願の発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ＭｇＢ2超伝導線材のＪc−Ｂ特性を改善し得るIn-situプロセスによるＭｇＢ2超伝導線材の作製方法を提供することを解決すべき課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前述のＰＩＴ法は充填する粉末の種類により二つのプロセスに大別される。ひとつは、市販若しくは自作のＭｇＢ2粉末を金属管内に充填し、加工して線材化するex-situ法、もうひとつは、ＭｇＢ2生成用の原料粉末、たとえばＭｇとＢなどを金属管内に充填し、加工後、加熱処理により金属管内でＭｇＢ2を生成させるin-situ法である。後者のin-situ法に使用される金属管、すなわちシース材には、加熱によりＭｇと化合物を生成しないことが要求される。このため、主な構成元素はＦｅ、Ｔａ、Ｎｂなどに限定されている。この内、加工性、重量、コストなどの諸点から、Ｆｅ若しくは炭素鋼などのＦｅ基合金が最も有望であるとされている。
【０００６】
現時点では、ex-situ法、in-situ法を比較すると、ex-situ法を適用して作製したＭｇＢ2超伝導線材の方が優れた臨界電流密度（Ｊc）−磁界（Ｂ）特性を示す。しかしながら、作製パラメータを考慮するならば、パラメータの少ないex-situ法よりもパラメータの多いin-situ法の方が、特性改善に余地があり、有利であると考えられる。
【０００７】
だが、in-situ法では、粉末のＢが金属管を構成する元素であるＦｅ、Ｔａ、Ｎｂなどと反応して金属硼化物が生成し、これにより、コア層の充填率が下がり、Ｊc−Ｂ特性が十分高くならない。
【０００８】
そこで、この出願の発明では、金属管内に充填する粉末をＭｇとＢの混合粉末からＭｇＨ2とＢの混合粉末に替え、これにより、前述したＦｅとＢの反応など、Ｍｇ及びＢと金属管を構成する各種元素との反応を抑制する。たとえば、硼化鉄はＦｅとＢが直接反応するのではなく、主にＭｇとＦｅの液相（Ｍｇ，Ｆｅ）がＢと反応して生成すると考えられる。ＭｇＨ2粉末は液相生成温度以下でのＭｇＢ2の生成反応を促進することによって硼化鉄の生成を抑制する。これは一例であるが、このようにして、この出願の発明は、金属管内に充填する粉末と金属管を構成する各種元素との反応を抑制し、コア層の厚み低下、これにともなう臨界電流の低下を抑え、Ｊc−Ｂ特性を改善する。
【０００９】
すなわち、この出願の発明は、ＭｇＨ2粉末とＢ粉末を１：ｘ（１≦ｘ≦３）のモル比で混合した混合物を金属管内に充填し、テープ状若しくはワイヤー状に加工した後、不活性ガスを主成分とする雰囲気中で500℃〜1000℃の温度域に加熱し、ＭｇＨ2とＢを反応させてＭｇＢ2超伝導線材を作製することを特徴とするＭｇＢ2超伝導線材の作製方法（請求項１）を提供する。
【００１０】
またこの出願の発明は、金属管はＦｅを主な構成元素とする若しくはＦｅ基合金から作製されていること（請求項２）を一態様として提供する。
【００１１】
以下、実施例を示しつつ、この出願の発明のＭｇＢ2超伝導線材の作製方法についてさらに詳しく説明する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
この出願の発明のＭｇＢ2超伝導線材の作製方法は、以上からも明らかなとおり、in-situプロセスである。金属管内に充填する粉末はＭｇＨ2粉末とＢ粉末を１：ｘ（１≦ｘ≦３）のモル比で混合した混合物である。金属管は、前述したとおり、加工性、重量、コストなどの諸点からＦｅを主な構成元素とする金属若しくは炭素鋼などのＦｅ基合金から作製されたものが最も適当であるとされているが、このようなＦｅを主な構成元素とする金属若しくは炭素鋼などのＦｅ基合金から作製された金属管がシース材として用いられる場合、ＭｇＨ2粉末は前述したＭｇとＦｅの液相（Ｍｇ，Ｆｅ）の生成温度以下でのＭｇＢ2の生成を促進することによって硼化鉄の生成を抑制することができる。もちろん、金属管にはＦｅを主要構成元素とする以外のものの採用が可能であり、この場合、ＭｇＨ2粉末はＭｇと金属管を構成する各種元素との直接の反応を抑制することができる。このようにして、ＭｇＨ2粉末はコア層の厚みの低下、臨界電流の低下を抑え、臨界電流密度（Ｊc）−磁界（Ｂ）特性を改善する。
【００１３】
一方、ＭｇＨ2粉末とＢ粉末の混合比（モル比）１：ｘが前記範囲から外れると、コア層に残存する不純物層の増加、密度の低下などが起こり、Ｊc−Ｂ特性は著しく劣化する。また、ＭｇＨ2とＢを反応させてＭｇＢ2とするときの温度は、500℃〜1000℃の温度域に限定される。500℃未満ではＭｇＢ2の生成速度がきわめて遅く、ＭｇＢ2超伝導線材の作製に反映し、一方、1000℃を超えると、生成したＭｇＢ2が分解するなどしてＪc−Ｂ特性が劣化する。
【００１４】
加熱は、前述のとおり、不活性ガスを主成分とする雰囲気中で行うが、不活性ガスの種類には特に制限はない。アルゴンなど任意の不活性ガスを用いることができる。また、不活性ガスは水素ガスなどの各種ガスと適当な混合比で混合することができる。ただし、酸素ガスの使用は適当でない。これは、加熱中にＭｇが酸素ガスと反応し、特性が劣化するからである。
【００１５】
この出願の発明のＭｇＢ2超伝導線材の作製方法により作製されるＭｇＢ2超伝導線材は、従来のin-situ法により作製されるＭｇＢ2超伝導線材に比べ、Ｊc−Ｂ特性はおよそ３倍以上向上する。
【００１６】
【実施例】
市販のＭｇＨ2粉末とＢ粉末をモル比で１：２となるように混合し、その混合粉末を、外径６mm、内径3.4mmのＦｅ管及び炭素鋼（ＣＳ）管内に充填し、溝ロール及び平ロールを用いて幅３mm、厚み0.5mmのテープ状に加工した。
【００１７】
比較のために、Ｍｇ粉末とＢ粉末を用いて、同様にしてテープ状に加工した。
【００１８】
以上のテープ状物を長さ３mm程度に切断し、アルゴン及び水素の混合ガス気流中で700℃に加熱し、１時間保持した後、炉冷した。
【００１９】
得られた試料について特性を評価した。磁化によるＴc測定ではともに３８Ｋ程度であったが、4.2Ｋでの臨界電流密度（Ｊc）−磁界（Ｂ）特性は三種類の試料で異なっていた。磁界は試料表面に平行に印加して測定したが、図１に示したとおり、ＭｇＨ2粉末とＢ粉末の混合粉末を使用した試料の方がＭｇ粉末とＢ粉末の混合粉末を使用した試料に比べ高い特性を示した。
【００２０】
また、三種類の試料のＸ線回折測定の結果、Ｍｇ粉末とＢ粉末の混合粉末を使用した試料にはＭｇＢ2の他、硼化鉄（ＦｅｘＢ[ｘ＝１，２]）の存在が確認された。これに対し、ＭｇＨ2粉末とＢ粉末の混合粉末を使用した試料はＭｇＢ2のほぼ単相であった。
【００２１】
さらに、試料の断面組織を観察すると、Ｍｇ粉末とＢ粉末の混合粉末を使用した試料ではＦｅとの界面に厚い反応層が見られたのに対し、ＭｇＨ2粉末とＢ粉末の混合粉末を使用した試料ではその反応層は薄かった。
【００２２】
さらにまた、炭素鋼（ＣＳ）のシースでは、より高いＪcが得られている。これは、ＣＳの方がＦｅよりも機械的強度が高く、したがって、ＭｇＢ2コア層の充填率が向上したためと考えられる。
【００２３】
以上の結果から、in-situプロセスによるＭｇＢ2超伝導線材の作製において、ＭｇＨ2粉末とＢ粉末の混合粉末の採用によりＭｇとＦｅの反応が抑制され、硼化鉄の生成が抑えられた。コア層の密度が減少せず、臨界電流の低下が抑えられ、Ｊc−Ｂ特性が向上した。
【００２４】
もちろん、この出願の発明は、以上の実施形態及び実施例によって限定されるものではない。金属管の材質、不活性ガスを主成分とする雰囲気の種類、混合比、加工方法及び加工条件、線材の形状などの細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。
【００２５】
【発明の効果】
以上詳しく説明した通り、この出願の発明によって、In-situプロセスによるＭｇＢ2超伝導線材の作製において、ＭｇＢ2超伝導線材の臨界電流密度（Ｊc）−磁界（Ｂ）特性が改善される。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例における臨界電流密度（Ｊc）−磁界（Ｂ）特性を示したグラフである。
Claims (2)
- ＭｇＨ2粉末とＢ粉末を１：ｘ（１≦ｘ≦３）のモル比で混合した混合物を金属管内に充填し、テープ状若しくはワイヤー状に加工した後、不活性ガスを主成分とする雰囲気中で500℃〜1000℃の温度域に加熱し、ＭｇＨ2とＢを反応させてＭｇＢ2超伝導線材を作製することを特徴とするＭｇＢ2超伝導線材の作製方法。
- 金属管はＦｅを主な構成元素とする若しくはＦｅ基合金から作製されている請求項１記載のＭｇＢ2超伝導線材の作製方法。
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|---|---|---|---|
| JP2002142187A JP3728504B2 (ja) | 2002-05-16 | 2002-05-16 | ＭｇＢ２超伝導線材の作製方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002142187A JP3728504B2 (ja) | 2002-05-16 | 2002-05-16 | ＭｇＢ２超伝導線材の作製方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003331670A JP2003331670A (ja) | 2003-11-21 |
| JP3728504B2 true JP3728504B2 (ja) | 2005-12-21 |
Family
ID=29702566
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002142187A Expired - Lifetime JP3728504B2 (ja) | 2002-05-16 | 2002-05-16 | ＭｇＢ２超伝導線材の作製方法 |
Country Status (1)
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| JP (1) | JP3728504B2 (ja) |
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| CN100345224C (zh) * | 2005-07-28 | 2007-10-24 | 上海大学 | 脉冲磁场作用下原位自生MgB2超导材料的制备方法 |
| WO2007049623A1 (ja) * | 2005-10-24 | 2007-05-03 | National Institute For Materials Science | ＭｇＢ2超伝導線材の製造方法 |
| KR100835334B1 (ko) | 2007-03-09 | 2008-06-04 | 한국전기연구원 | 일관 공정에 의한 초전도 테이프 제조방법 및 장치 |
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-
2002
- 2002-05-16 JP JP2002142187A patent/JP3728504B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| JP2003331670A (ja) | 2003-11-21 |
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