JP4659176B2 - 酸化物超電導線材及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
【０００２】
本発明は超電導線材及びその製造方法に係り、特に超電導マグネット、電力機器等に使用するＢｉ系の酸化物超電導線材及びその製造方法に関する。
【従来の技術】
【０００３】
酸化物超電導線材は、一般的に銀又は銀合金からなるチューブに超電導体の構成元素の酸化物又は炭酸化物粉末を充填し、これに縮径加工を施すか、更に圧延加工を施して丸線又はテープ状に加工した後、熱処理を施すことにより製造されている。
【０００４】
このような超電導線材の臨界電流値を向上させるために、チューブ内の酸化物粉末の充填密度を増加させて熱処理後の超電導体組織を緻密化することにより、線材内部の超電導電流の電流経路が寸断されないように加工条件を最適化することが行われている。しかしながら、超電導線材一本当たりの断面積は加工限界など種々の要因により限界が存在し、現状では、線材一本当たりの超電導電流は数十〜数百アンペア程度に限定されている上、線材の機械強度の低さが問題となる。大型電力機器や大型マグネットに使用する場合、これらの機器の仕様に合わせた容量の通電を行うことが必要である。超電導エネルギー貯蔵装置や加速器等の大型機器では、その必要とされる通電容量は数キロ〜数十キロアンペアに達する。このため、線材を撚り合わせることが必要となる。
【０００５】
これを解決するために線材を撚り合せ、導体化することが試みられている。撚線を行うためには、丸線材を使う必要があるが、超電導体の粒子の形状が鱗片状であるために超電導フィラメント形状を丸くすると超電導粒子の配向が得られず、高い臨界電流密度を達成することができない。
また、一般に製造されている酸化物超電導線材はテープ形状をしており、これまで金属系超電導線材で用いられていた撚線加工を施すことは困難である。これは、酸化物超電導体の粒子が鱗片状をしており、高い臨界電流密度（Ｊｃ）を達成するためには、これを高配向で積層させることが必要であることに原因がある。
【０００６】
以上の問題を解決するために、これまでさまざまな検討がなされてきた。一つは、予め多芯フィラメントのテープ状線材を作製し、これを複数本重ねてブロックを形成し、隣り合ったブロックが６０度あるいは９０度になるように組み合わせ、銀あるいは銀合金チューブに挿入した後、縮径加工を施すという手法である。
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
以上の方法によれば、丸形状の中にテープ線材が形成されることになり、上記の問題点が解決されることになる。しかしながら、この線材構造は、通常のテープ状線材や丸線材以上に加工工程が複雑になるため、コストの上昇に繋がるという問題がある。また、このような複雑な構造を取ることによって、銀比が増大し、これも線材価格の上昇に繋がる。
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたもので、マトリックス内にランダムに配置された多数本の扁平形状の超電導フィラメントを有することにより、撚線に必要な形状と高いＪｃを得ることができる断面円形の酸化物超電導線材及びその製造方法を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以上の目的を達成するために、本発明の酸化物超電導線材は、断面円形の銀又は銀合金マトリックス中に、扁平形状の超電導フィラメントの多数本を、マトリックスの断面内において、各フィラメントの扁平方向がランダムになるように配置したものである。
【０００９】
このため、本発明による酸化物超電導線材は、銀又は銀合金マトリックス中に、複数本の扁平形状の超電導フィラメントの扁平方向が規則的になるように配置し、長辺と短辺の比率を（４〜１．５）：１に平角形状に成形したブロックの多数がランダムに収容され、異なるブロック間において前記扁平形状の超電導フィラメントの扁平方向がランダムになるように成形されているようにしたものである。
【００１０】
この酸化物超電導線材は、銀又は銀合金パイプ中に、超電導体を構成する元素を所定の比率で含む混合粉末又は超電導前駆体粉末を充填し、これに縮径加工を施した素線の複数本を銀又は銀合金パイプ中に収容した後、縮径加工及びロール加工を施して長辺と短辺の比率が（４〜１．５）：１となるように平角形状に成形し、次いでこの多数本を銀又は銀合金パイプ中にランダムに収容し、さらに縮径加工を施した後、熱処理を施すことにより製造することができる。
【００１１】
以上の酸化物超電導線材の製造方法において、平角形状の成形は、その断面における長辺と短辺の比率が、（４〜１．５）：１とする必要があり、特に長辺と短辺の比率が、（３〜２）：１であることが好適である。
長辺と短辺の比率が大きくなると以後の縮径加工の際にフィラメント切れが生じ、またこの比率が小さくなると、高配向が得られないため、偏平形状の超電導フィラメントによる高Ｊｃ化の効果は得られない。
【００１２】
以上の酸化物超電導線材及びその製造方法において、その加工性及び特性の観点から、マトリックスは純銀で形成することが好ましい。即ち、超電導フィラメントに接触する部分に用いるマトリックス材には、純銀を用い、最外層シース材料には、純銀あるいは銀合金を用いる。機械強度が必要な場合は、最外層に銀合金を用いることが望ましい。この場合の銀合金は、高純度銀にＡｌ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｓｂ、Ｎｉ、Ｚｒの中から１種類あるいは複数の元素を選択して添加したものを用いる。添加量は添加元素の総量で０．０２ｗｔ％〜１ｗｔ％であることが好ましい。添加量が１ｗｔ％を越えると、銀合金の伸びが極端に減少し、割れや断線が生じる。また、添加量が０．０２ｗｔ％未満では、添加による強度の上昇が期待できない。
【００１３】
また、扁平形状の超電導フィラメントは、Ｂｉ（２２１２）相（Ｂｉ：Ｓｒ：Ｃａ：Ｃｕ＝２：２：１：２の元素数比）又はＢｉ（２２２３）相（Ｂｉ：Ｓｒ：Ｃａ：Ｃｕ＝２：２：２：３の元素数比）により形成される。
【００１４】
さらに、扁平形状の超電導フィラメントの本数は、加工のできる限り任意に選定することが可能であるが、このフィラメントは、その断面における短辺が５〜２０μｍであることが好ましい。フィラメントの厚さは、超電導粒子の配向に影響を与え、５μｍ未満では熱処理時の反応が激しく、不純物が生成しやすくなり、また、２０μｍを越えると超電導粒子の配向が起こらない。最終線材径は撚線加工ができる限り、任意に選択することが可能である。
【００１５】
以上の断面円形の酸化物超電導線材は、撚線によって大容量導体とすることが容易である。撚線の形状は、ラザフォード型圧縮成型導体、ロープ型撚線導体のいずれでも可能である。ラザフォード型圧縮成型導体を形成する場合、機械強度が必要な場合は、中心に銀合金あるいは拡散防止層付のＮｉＣｒ系の補強材を配置することができる。また、ロープ型撚線導体では、撚線の任意の本数を銀合金あるいはＮｉＣｒ系の補強材に置換することで機械強度を上げることが可能である。この場合、ＮｉＣｒ系の補強材の周囲に拡散防止層を設けることが好ましい。
【発明の実施の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について説明する。純銀パイプ中に酸化物超電導体の各構成元素を含む混合粉末を所定の元素数比で充填し、これに縮径加工を施してシングル線を製造する。このシングル線の多数本を束ねて銀パイプに挿入し、さらに縮径加工を施した後、ロール加工を施して平角形状の一次マルチ線を製造する。この一次マルチ線の多数本を束ねて銀合金パイプに挿入し、さらに縮径加工を施して断面円形に成形した後、次いで、酸素雰囲気中で焼成して酸化物超電導線材を製造する。
【００１７】
図２は、本発明の断面円形の酸化物超電導線材の一実施例の断面図を示したもので、この線材は以下の方法により製造した。
まず、外径φ２０ｍｍ、内径φ１８ｍｍの純銀パイプ中にＢｉ₂ Ｏ₃ 、ＳｒＣＯ₃ 、ＣａＣＯ₃ 及びＣｕＯの各粉末を、Ｂｉ：Ｓｒ：Ｃａ：Ｃｕ＝２：２：１：２の元素数比で配合した混合粉末を充填し、これに縮径加工を施した後、この６１本を束ねて銀パイプ中に収容し、再度外径φ１ｍｍまで縮径加工を施した後、これにロール加工を施し、長辺：短辺の比が２：１となるように成形して断面平角形状の一次マルチ線を製造した。この多数本を超電導フィラメント数が６１０本となるようにランダムに束ねてＡｇ−０．２ｗｔ％Ｍｇ合金パイプに挿入し、外径φ０．８ｍｍまで縮径加工を施した。
次いで、酸素雰囲気中で最高温度８５０℃で１２０時間焼成して断面円形の酸化物超電導線材を製造した。
このようにして製造した図２に示す構造の超電導フィラメント数６１０本の酸化物超電導線材の液体Ｈｅ中での臨界電流密度（Ｊｃ）〜磁界（Ｂ）特性を測定した結果、図１の結果が得られた。
【００１８】
図１に合わせて示した比較例は、上記の図２に示す構造の超電導線材における一次マルチ線として、ロール加工を施す前の外径φ１ｍｍまで縮径加工を施した断面円形の一次マルチ線を用い、他は図２に示す実施例と同様の方法により製造したものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明による酸化物超電導線材は、以上の実施例で明らかなように、銀又は銀合金マトリックス中に、扁平形状の超電導フィラメントの多数本を全体としてランダムに配置したことにより、撚線に必要な形状と高いＪｃを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明による酸化物超電導線材（図２に示す構造）の臨界電流密度（Ｊｃ）〜磁界（Ｂ）特性を示すグラフである。
【図２】本発明による酸化物超電導線材の一実施例の断面図である。

Claims (7)

1. 銀又は銀合金マトリックス中に、複数本の扁平形状の超電導フィラメントの扁平方向が規則的になるように配置し、長辺と短辺の比率を（４〜１．５）：１に平角形状に成形したブロックの多数がランダムに収容され、異なるブロック間において前記扁平形状の超電導フィラメントの扁平方向がランダムになるように成形されていることを特徴とする断面円形の酸化物超電導線材。
2. 扁平形状の超電導フィラメントは、Ｂｉ（２２１２）相又はＢｉ（２２２３）相からなることを特徴とする請求項１記載の断面円形の酸化物超電導線材。
3. 扁平形状の超電導フィラメントは、その断面における短辺が５〜20μｍであることを特徴とする請求項１又は２記載の断面円形の酸化物超電導線材。
4. 銀又は銀合金パイプ中に、超電導体を構成する元素を所定の比率で含む混合粉末又は超電導前駆体粉末を充填し、これに縮径加工を施した素線の複数本を銀又は銀合金パイプ中に収容した後、縮径加工及びロール加工を施して長辺と短辺の比率が（４〜１．５）：１となるように平角形状に成形し、次いでこの多数本を銀又は銀合金パイプ中にランダムに収容し、さらに縮径加工を施した後、熱処理を施すことにより、超電導フィラメントの扁平方向がほぼ規則的になるように配置したブロックの多数が、銀又は銀合金マトリックス中において、異なるブロック間において扁平形状の各超電導フィラメントの扁平方向がランダムになるように配置されたことを特徴とする断面円形の酸化物超電導線材の製造方法。
5. 扁平形状の超電導フィラメントは、Ｂｉ（２２１２）相又はＢｉ（２２２３）相からなることを特徴とする請求項４記載の断面円形の酸化物超電導線材の製造方法。
6. 平角形状の成形は、その断面における長辺と短辺の比率が、（３〜２）：１であることを特徴とする請求項４又は５記載の断面円形の酸化物超電導線材の製造方法。
7. 扁平形状の超電導フィラメントは、その断面における短辺が５〜２０μｍであることを特徴とする請求項４乃至６いずれか１項記載の断面円形の酸化物超電導線材の製造方法。

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