JP3889822B2 - 酸化物超電導材料の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は酸化物超電導材料の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超電導のピンニング効果を利用した浮上技術は、無制御で安定な浮上を実現できる革新的技術として、高真空用ターボ分子ポンプや電力貯蔵用フライホイール等の軸受装置に適用することが提案されている。このような超電導を利用した浮上応用には、強いピンニング力を示す超電導材料が必要である。強いピンニング力を示す超電導材料の製造方法としては、例えば特開平２−１５３８０３号公報に開示されているＱＭＧ法、あるいは特開平４−１１９９６８号公報に開示されているＭＰＭＧ法、応用物理第６４巻（１９９５）第４号第３６８頁に開示されているＯＣＭＧ法などのような溶融法を利用して製造された酸化物超電導材料がある。溶融法では、秤量、混練、成形、焼成（半溶融、結晶成長）、酸素富化の手順で試料を作製する。ここで酸素富化とは、試料を酸化性雰囲気中、望ましくは酸素雰囲気中で熱処理することによって、試料中の酸素量を増加させることである。焼成体に対して酸素富化を行う理由は、酸化物超電導材料では結晶成長中の結晶構造は正方晶で超電導相ではなく、酸素富化によって超電導相である斜方晶に構造相転移させる必要があるためである。
【０００３】
しかしながら、酸化物超電導材料を実際の軸受装置等の製品に組み込む場合には、酸化物超電導材料を焼成体の形状そのままで利用することは稀であり、一般的には酸化物超電導材料を切断機、旋盤、研磨機等を用いて所定の形状に加工する必要がある。したがって、これまでは下記の手順で酸化物超電導材料を製造して実際の装置に組み込んでいた。
試料作製（例えば、溶融法）→ 浮上力評価、試料選別 → 加工
ここで、試料作製後浮上力の評価および試料選別を行うことは、セラミックスのような難加工性材料を加工する場合に、不必要な試料を加工する手間が省けることになる。また、試料間の浮上力のばらつきを小さくすることにも役立つことになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した酸化物超電導材料の製造方法では、加工後に浮上力が低下する等の問題点がある。超電導浮上応用の実現には高い浮上力の酸化物超電導材料が必要である。したがって、本発明はこのような問題点を解決し、加工過程を含む酸化物超電導材料の製造方法において、加工後の浮上力の低下等の特性劣化の小さい製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記の課題を解決するものであって、単結晶状のＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏx相中にＲＥ2ＢａＣｕＯ5が分散している酸化物超電導材料（ＲＥはＹを含む希土類元素およびそれらの組み合わせ）の製造方法において、秤量、混練、成形、種付けを行う焼成過程により焼成体を作製し、切断、切削、研磨を含む加工過程で焼成体を所定の形状に加工した後に、酸素富化過程で焼成体の酸素量を富化することを特徴とする製造方法である。また前記ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏx相の結晶構造が前記加工過程において正方晶であることも特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、酸化物超電導材料の浮上力について精力的な研究を鋭意推進してきた結果、切断、切削、研磨等の加工過程を含む酸化物超電導材料の製造方法において、加工後の浮上力の低下等の特性劣化の原因は、酸素富化過程で生じたクラックが加工過程で大きくなったためであることを見出した。すなわち、Ｙ系酸化物超電導材料においては、酸素富化過程で試料中に酸素が取り込まれると正方晶から斜方晶に構造相転移を起こすが、酸素の拡散に時間がかかることから、試料全体が一度に構造相転移を起こすのではなく、構造相転移は部分的に起こる。その結果、試料内部に歪みが生じ、クラックが発生するのである。構造相転移に伴って発生したクラックが加工時に試料に加わる応力によって成長し、試料の浮上力の低下につながるのである。
【０００７】
酸化物超電導材料においては、超電導性を発現させるためには酸素富化過程は必須であり、それに伴うクラックの発生は避けがたい。しかしながら、本発明者らは加工時に試料に加わる応力が小さいときには、既に存在しているクラックは成長するけれども試料には新たなクラックはほとんど生じないことを見出した。本発明はこのことを利用したものである。すなわち、本発明は酸素富化過程の前に加工過程を行い、その後に酸素富化過程を行うことを特徴とするものである。本発明のように所定の形状に加工した後に酸素富化を行えば、試料中に生じるクラックは酸素富化過程に伴うものだけであり、その後加工を行う必要がないのでこれらのクラックは大きくなることはない。したがって、加工過程を含む酸化物超電導材料の製造の全工程で発生するクラックの最終的な大きさが抑制される。その結果、浮上力の低下も小さくなる。
【０００８】
【実施例】
図１は、本発明の酸化物超電導材料の製造方法の一実施例を示すフローチャートである。図２は、従来の酸化物超電導材料の製造方法の一例を示すフローチャートである。図１の製造方法で作製した試料を本発明材、図２の製造方法で作製した試料を比較材と呼ぶ。本発明材と比較材の製造方法において、本発明の効果を調べるために秤量過程から焼成過程までは同じにしてある。
【０００９】
以下に本実施例で使用した酸化物超電導材料の製造方法を述べる。まず最初に、市販されている純度９９．９％のイットリウム（Ｙ）、バリウム（Ｂａ）、銅（Ｃｕ）の酸化物を１．３：１．７：２．４の比で秤量し、それに白金を０．５重量％加えた。この秤量粉を２時間かけて十分混練してから、大気中で９００℃で約８時間仮焼した。次に、金型を用いて円柱形状に成形した。この成形体を１１００℃まで８時間かけて昇温し、３０分保持した後、降温途中で種付けを行い、１００５〜９８０℃の温度領域を１００時間かけて徐冷し結晶成長させた。上述した製造方法で作製した焼成体は、単結晶状のＲＥＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 相（ＲＥはここではＹ）中にＲＥ2 ＢａＣｕＯ5 が分散しているような微細組織を有する。ＲＥ2 ＢａＣｕＯ5 相の割合は３０％モル濃度であり、その大きさは平均１〜２μｍである。試料の加工前の大きさは、直径が４６ｍｍ、厚さが２５ｍｍである。ここまでは本発明材と比較材は同じである。
【００１０】
本発明材では、一例として焼成体を水を使用しないドライ工程で六角柱状に加工した。六角形の大きさは、対角線の長さが４３ｍｍ、厚さが１５ｍｍである。図３はこの加工方法を示す平面図で１が加工後の六角柱材、２が加工により除去した部分である。その後、六角柱状に加工した試料に対して、酸素雰囲気中において５００〜４００℃の温度領域を１００時間程度熱処理して酸素富化を行った。一方、比較材では、先に酸素雰囲気中において５００〜４００℃に温度領域を１００時間程度熱処理して酸素富化を行った。その後、焼成体を水を使用しないドライ工程で、本発明と同じく六角柱状に加工した。
【００１１】
本実施例の効果を調べるため、本発明材と比較材に対して浮上力の測定を行った。浮上力測定は、図４に示す装置を用いて以下の手順で行われた。まず最初に、超電導材料である測定試料３を容器４中に固定し、液体窒素５に浸漬させることにより十分冷却し、超電導状態にさせる。その後、下部に表面磁界０．３ＴのＳｍＣｏ系永久磁石６を取り付けたロッド７を矢印９の方向に測定試料３に近づけ、接触させる。その時の浮上力の大きさは、荷重測定用ロードセル８の値から評価される。表１に、測定結果を示す。本発明材の浮上力は約１０．０ｋｇｆであり、一方比較材の浮上力は約７．８ｋｇｆであった。本発明材の浮上力の方が２〜３割程度向上していることが分かる。したがって、本発明材は浮上力の低下防止に効果があると言える。
【００１２】
【表１】
【００１３】
次に、試料内部のクラック等の超電導性が弱い部分を調べるため、本発明材と比較材の捕捉磁束密度分布の測定を行った。捕捉磁束密度分布の測定は以下の手順で行った。冷却前の試料に磁場を印加し、試料を冷却後磁場をゼロにする。このとき超電導体に磁場が捕捉される。捕捉された磁場の面分布をホール素子を用いて測定する。捕捉磁束密度が大きいほど、試料の超電導性が優れていると言える。試料内部にクラック等の超電導性が弱い部分が存在すると、そこでは捕捉磁束密度がほとんどゼロになる。測定結果を図５と図６に示すが、（ａ）図は捕捉磁場密度の分布を立体グラフに示したもの、（ｂ）図は（ａ）図と同じものを等高線のグラフに示したものである。図５は本発明材のもので、図６は比較材のものであるが、図５は１つの高い山形できれいな対称形をなし、試料内部に大きなクラックが存在しないことを示している。一方、図６は低いピークが幾つも存在し、試料内部にクラックが存在することを示唆している。したがって捕捉磁束密度分布の測定からも、本発明の有用性が示されたと言える。
【００１４】
【発明の効果】
本発明による酸化物超電導材料の製造方法は、酸素富化過程を行う前に試料を所定の形状に加工することで、加工過程を含む酸化物超電導材料の製造の全工程で発生するクラックの最終的な大きさを抑制し、加工過程を含む酸化物超電導材料の製造方法で起こる浮上力の低下を極めて効果的に抑制できるものである。したがって、本発明は広汎な技術分野において超電導浮上応用の実用化を可能にするものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の酸化物超電導材料の製造方法の例を示すフローチャート
【図２】従来の酸化物超電導材料の製造方法の例を示すフローチャート
【図３】実施例における加工方法を示す平面図
【図４】浮上力の測定装置の概念図
【図５】本発明材の捕捉磁束密度分布の測定結果を示す、（ａ）立体グラフと（ｂ）等高線グラフ
【図６】比較材の捕捉磁束密度分布の測定結果を示す、（ａ）立体グラフと（ｂ）等高線グラフ
【符号の説明】
１ 加工後の六角柱材
２ 加工により除去した部分
３ 測定試料
４ 容器
５ 液体窒素
６ 永久磁石
７ ロッド
８ ロードセル
【発明の属する技術分野】
本発明は酸化物超電導材料の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超電導のピンニング効果を利用した浮上技術は、無制御で安定な浮上を実現できる革新的技術として、高真空用ターボ分子ポンプや電力貯蔵用フライホイール等の軸受装置に適用することが提案されている。このような超電導を利用した浮上応用には、強いピンニング力を示す超電導材料が必要である。強いピンニング力を示す超電導材料の製造方法としては、例えば特開平２−１５３８０３号公報に開示されているＱＭＧ法、あるいは特開平４−１１９９６８号公報に開示されているＭＰＭＧ法、応用物理第６４巻（１９９５）第４号第３６８頁に開示されているＯＣＭＧ法などのような溶融法を利用して製造された酸化物超電導材料がある。溶融法では、秤量、混練、成形、焼成（半溶融、結晶成長）、酸素富化の手順で試料を作製する。ここで酸素富化とは、試料を酸化性雰囲気中、望ましくは酸素雰囲気中で熱処理することによって、試料中の酸素量を増加させることである。焼成体に対して酸素富化を行う理由は、酸化物超電導材料では結晶成長中の結晶構造は正方晶で超電導相ではなく、酸素富化によって超電導相である斜方晶に構造相転移させる必要があるためである。
【０００３】
しかしながら、酸化物超電導材料を実際の軸受装置等の製品に組み込む場合には、酸化物超電導材料を焼成体の形状そのままで利用することは稀であり、一般的には酸化物超電導材料を切断機、旋盤、研磨機等を用いて所定の形状に加工する必要がある。したがって、これまでは下記の手順で酸化物超電導材料を製造して実際の装置に組み込んでいた。
試料作製（例えば、溶融法）→ 浮上力評価、試料選別 → 加工
ここで、試料作製後浮上力の評価および試料選別を行うことは、セラミックスのような難加工性材料を加工する場合に、不必要な試料を加工する手間が省けることになる。また、試料間の浮上力のばらつきを小さくすることにも役立つことになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した酸化物超電導材料の製造方法では、加工後に浮上力が低下する等の問題点がある。超電導浮上応用の実現には高い浮上力の酸化物超電導材料が必要である。したがって、本発明はこのような問題点を解決し、加工過程を含む酸化物超電導材料の製造方法において、加工後の浮上力の低下等の特性劣化の小さい製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記の課題を解決するものであって、単結晶状のＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏx相中にＲＥ2ＢａＣｕＯ5が分散している酸化物超電導材料（ＲＥはＹを含む希土類元素およびそれらの組み合わせ）の製造方法において、秤量、混練、成形、種付けを行う焼成過程により焼成体を作製し、切断、切削、研磨を含む加工過程で焼成体を所定の形状に加工した後に、酸素富化過程で焼成体の酸素量を富化することを特徴とする製造方法である。また前記ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏx相の結晶構造が前記加工過程において正方晶であることも特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、酸化物超電導材料の浮上力について精力的な研究を鋭意推進してきた結果、切断、切削、研磨等の加工過程を含む酸化物超電導材料の製造方法において、加工後の浮上力の低下等の特性劣化の原因は、酸素富化過程で生じたクラックが加工過程で大きくなったためであることを見出した。すなわち、Ｙ系酸化物超電導材料においては、酸素富化過程で試料中に酸素が取り込まれると正方晶から斜方晶に構造相転移を起こすが、酸素の拡散に時間がかかることから、試料全体が一度に構造相転移を起こすのではなく、構造相転移は部分的に起こる。その結果、試料内部に歪みが生じ、クラックが発生するのである。構造相転移に伴って発生したクラックが加工時に試料に加わる応力によって成長し、試料の浮上力の低下につながるのである。
【０００７】
酸化物超電導材料においては、超電導性を発現させるためには酸素富化過程は必須であり、それに伴うクラックの発生は避けがたい。しかしながら、本発明者らは加工時に試料に加わる応力が小さいときには、既に存在しているクラックは成長するけれども試料には新たなクラックはほとんど生じないことを見出した。本発明はこのことを利用したものである。すなわち、本発明は酸素富化過程の前に加工過程を行い、その後に酸素富化過程を行うことを特徴とするものである。本発明のように所定の形状に加工した後に酸素富化を行えば、試料中に生じるクラックは酸素富化過程に伴うものだけであり、その後加工を行う必要がないのでこれらのクラックは大きくなることはない。したがって、加工過程を含む酸化物超電導材料の製造の全工程で発生するクラックの最終的な大きさが抑制される。その結果、浮上力の低下も小さくなる。
【０００８】
【実施例】
図１は、本発明の酸化物超電導材料の製造方法の一実施例を示すフローチャートである。図２は、従来の酸化物超電導材料の製造方法の一例を示すフローチャートである。図１の製造方法で作製した試料を本発明材、図２の製造方法で作製した試料を比較材と呼ぶ。本発明材と比較材の製造方法において、本発明の効果を調べるために秤量過程から焼成過程までは同じにしてある。
【０００９】
以下に本実施例で使用した酸化物超電導材料の製造方法を述べる。まず最初に、市販されている純度９９．９％のイットリウム（Ｙ）、バリウム（Ｂａ）、銅（Ｃｕ）の酸化物を１．３：１．７：２．４の比で秤量し、それに白金を０．５重量％加えた。この秤量粉を２時間かけて十分混練してから、大気中で９００℃で約８時間仮焼した。次に、金型を用いて円柱形状に成形した。この成形体を１１００℃まで８時間かけて昇温し、３０分保持した後、降温途中で種付けを行い、１００５〜９８０℃の温度領域を１００時間かけて徐冷し結晶成長させた。上述した製造方法で作製した焼成体は、単結晶状のＲＥＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 相（ＲＥはここではＹ）中にＲＥ2 ＢａＣｕＯ5 が分散しているような微細組織を有する。ＲＥ2 ＢａＣｕＯ5 相の割合は３０％モル濃度であり、その大きさは平均１〜２μｍである。試料の加工前の大きさは、直径が４６ｍｍ、厚さが２５ｍｍである。ここまでは本発明材と比較材は同じである。
【００１０】
本発明材では、一例として焼成体を水を使用しないドライ工程で六角柱状に加工した。六角形の大きさは、対角線の長さが４３ｍｍ、厚さが１５ｍｍである。図３はこの加工方法を示す平面図で１が加工後の六角柱材、２が加工により除去した部分である。その後、六角柱状に加工した試料に対して、酸素雰囲気中において５００〜４００℃の温度領域を１００時間程度熱処理して酸素富化を行った。一方、比較材では、先に酸素雰囲気中において５００〜４００℃に温度領域を１００時間程度熱処理して酸素富化を行った。その後、焼成体を水を使用しないドライ工程で、本発明と同じく六角柱状に加工した。
【００１１】
本実施例の効果を調べるため、本発明材と比較材に対して浮上力の測定を行った。浮上力測定は、図４に示す装置を用いて以下の手順で行われた。まず最初に、超電導材料である測定試料３を容器４中に固定し、液体窒素５に浸漬させることにより十分冷却し、超電導状態にさせる。その後、下部に表面磁界０．３ＴのＳｍＣｏ系永久磁石６を取り付けたロッド７を矢印９の方向に測定試料３に近づけ、接触させる。その時の浮上力の大きさは、荷重測定用ロードセル８の値から評価される。表１に、測定結果を示す。本発明材の浮上力は約１０．０ｋｇｆであり、一方比較材の浮上力は約７．８ｋｇｆであった。本発明材の浮上力の方が２〜３割程度向上していることが分かる。したがって、本発明材は浮上力の低下防止に効果があると言える。
【００１２】
【表１】
次に、試料内部のクラック等の超電導性が弱い部分を調べるため、本発明材と比較材の捕捉磁束密度分布の測定を行った。捕捉磁束密度分布の測定は以下の手順で行った。冷却前の試料に磁場を印加し、試料を冷却後磁場をゼロにする。このとき超電導体に磁場が捕捉される。捕捉された磁場の面分布をホール素子を用いて測定する。捕捉磁束密度が大きいほど、試料の超電導性が優れていると言える。試料内部にクラック等の超電導性が弱い部分が存在すると、そこでは捕捉磁束密度がほとんどゼロになる。測定結果を図５と図６に示すが、（ａ）図は捕捉磁場密度の分布を立体グラフに示したもの、（ｂ）図は（ａ）図と同じものを等高線のグラフに示したものである。図５は本発明材のもので、図６は比較材のものであるが、図５は１つの高い山形できれいな対称形をなし、試料内部に大きなクラックが存在しないことを示している。一方、図６は低いピークが幾つも存在し、試料内部にクラックが存在することを示唆している。したがって捕捉磁束密度分布の測定からも、本発明の有用性が示されたと言える。
【００１４】
【発明の効果】
本発明による酸化物超電導材料の製造方法は、酸素富化過程を行う前に試料を所定の形状に加工することで、加工過程を含む酸化物超電導材料の製造の全工程で発生するクラックの最終的な大きさを抑制し、加工過程を含む酸化物超電導材料の製造方法で起こる浮上力の低下を極めて効果的に抑制できるものである。したがって、本発明は広汎な技術分野において超電導浮上応用の実用化を可能にするものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の酸化物超電導材料の製造方法の例を示すフローチャート
【図２】従来の酸化物超電導材料の製造方法の例を示すフローチャート
【図３】実施例における加工方法を示す平面図
【図４】浮上力の測定装置の概念図
【図５】本発明材の捕捉磁束密度分布の測定結果を示す、（ａ）立体グラフと（ｂ）等高線グラフ
【図６】比較材の捕捉磁束密度分布の測定結果を示す、（ａ）立体グラフと（ｂ）等高線グラフ
【符号の説明】
１ 加工後の六角柱材
２ 加工により除去した部分
３ 測定試料
４ 容器
５ 液体窒素
６ 永久磁石
７ ロッド
８ ロードセル
Claims (2)
- 単結晶状のＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏx相中にＲＥ2ＢａＣｕＯ5が分散している酸化物超電導材料（ＲＥはＹを含む希土類元素およびそれらの組み合わせ）の製造方法において、秤量、混練、成形、種付けを行う焼成過程により焼成体を製作し、切断、切削、研磨を含む加工過程で焼成体を所定の形状に加工した後に、酸素富化過程で焼成体の酸素量を富化することを特徴とする酸化物超電導材料の製造方法。
- 前記ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏx相の結晶構造が前記加工過程において正方晶であることを特徴とする請求項１に記載の酸化物超電導材料の製造方法。
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