JP4972802B2 - 酸化物超伝導焼結体の製造方法 - Google Patents
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Description
溶融凝固法では、超伝導体を半溶融状態にして、種結晶から結晶成長させる方法のため、結晶成長時に精密な温度制御が必要なうえ大型化が困難であり製造速度も著しく遅い。
一方、薄膜法の場合、下地となる基体の配向性が成膜する超伝導体の配向性を決定づけるため、実用的には安価で高い配向性をもつ下地基体が必要となる。
Y−Ba−Cu−O系酸化物超伝導体は、一般的にYBa2Cu3O6+yの組成のことを指すが、ab面内に超伝導面を形成するCuO2構造と電荷供給層となるCuOy一重鎖構造が交互にc軸方向に積層した結晶構造を有することが知られている。また、類似構造として、c軸方向にCuO2−CuOy一次元鎖−CuO2−(CuO)2二重鎖の周期で積層したY2Ba4Cu7O14+yや、CuO2構造と(CuO)2二重鎖構造が交互にc軸方向に積層したYBa2Cu4O8がある。
したがって、本発明の目的は、精密な温度制御を要する溶融凝固法や高配向性基体を要する薄膜法を使わない方法で2軸もしくは3軸配向組織を形成する新しい酸化物超伝導体およびその製造方法を提供することである。
発明3は、発明1の製造方法において、前記超伝導酸化物粉末が静磁場により配向される回転速度が0〜1rpmであり、前記静磁場による配向が行われない高速度が30〜60rpmであることを特徴とする酸化物超伝導焼結体の製造方法。
発明4は、発明1の製造方法において、前記超伝導酸化物粉末が、以下の酸化物1〜酸化物4からなる群から選択される少なくとも一種であることを特徴とする酸化物超伝導焼結体の製造方法。
酸化物1:一般式REBa 2 Cu 3 O 6+y で表される複合酸化物。
酸化物2:一般式RE 2 Ba 4 Cu 7 O 14+y で表される複合酸化物。
酸化物3:一般式REBa 2 Cu 4 O 8 で表される複合酸化物。
酸化物4:上記酸化物1、酸化物2および酸化物3において、RE、BaおよびCuから選ばれた少なくとも一種の元素が他の金属元素で部分的に置換された酸化物。
但し、酸化物1〜3において、式中、RE=Y又はその他の希土類元素(Ce,Pmを除く)である。
a軸およびb軸方向のJcはc軸方向のJcに比べて10倍以上高いため、c軸配向組織がまず重要である。
非特許文献1によれば、c軸を共有しab軸方向にずらして接合した2つの結晶のJcはずれ角に依存した変化を示し、ずれ角が10度以下のとき高いJcを示すことがわかっている。5度以下とするのがより好ましい。
非特許文献1:Dimos他、Phys.Rev.Lett.61(1988)219.
酸化物1:一般式REBa2Cu3O6+y(式中、RE=Y又はその他の(Ce,Pmを除く))で表される複合酸化物であって、CuO2面とCuOy鎖が交互に積層した層状構造を有する酸化物。
酸化物2:一般式RE2Ba4Cu7O14+y(式中、RE=又はその他の(Ce,Pmを除く)、0≦y≦1.5)で表される複合酸化物であって、CuO2面とCuOy鎖またはCuO二重鎖が交互に積層した層状構造を有する酸化物。
酸化物3:一般式REBa2Cu4O8(式中、RE=Y又はその他の希土類元素(Ce,Pmを除く))で表される複合酸化物であって、CuO2面とCuO二重鎖が交互に積層した層状構造を有する酸化物
酸化物4:上記酸化物1、酸化物2および酸化物3において、RE、BaおよびCuから選ばれた少なくとも一種の元素が他の金属元素で部分的に置換された酸化物。
その他の希土類元素のうち、CeおよびPmでは高温超伝導相の生成が起こらない。特にPmは放射性元素のため取り扱えない。
分散媒については、酸化物超伝導体中のBaと水との反応による超伝導性の劣化を避けるため非水系の分散媒が好ましい。例えば、エタノール、エタノール・トルエン混合溶液、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノールなどの各種アルコール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、プロピレングリコールなどの多価アルコール類、エタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、N−メチルジエタノールアミン、N−エチルジエタノールアミンなどのアミン類、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、アセチルアセトンなどの各種ケトン、ペンタン、ヘキサン、へプタン、ノナン、デカンなどの飽和炭化水素、ベンゼン、エチルベンゼン、ドデシルベンゼン、トルエン、キシレン、ナフテン系炭化水素などの芳香族炭化水素、トリクロロトリフルオロエチレン、臭化エチルなどのハロゲン化炭化水素、あるいはシリコンオイル等などが考えられる。
回転変調磁場配向中に配向を維持したまま分散媒を排出する機構が必要であり、底に石膏あるいは多孔質アルミナなどを使うことにより鉛直下方にのみ分散媒を排出できる。
なお上限に限りはないが、12T(テスラ)が磁場発生技術の上限である。
配向のブレについては、ロッキングカーブの半値幅で15°以下とするのが好ましく、10°以下、より好ましくは6°以下とするのがよい。
固相反応法によりY2Ba4Cu7O14+y酸化物超伝導焼結体を作製し粉砕した。平均粒径5ミクロン程度のY2Ba4Cu7O14+y粉末0.15gおよびエポキシ樹脂未硬化液1.5gの混練物を、12テスラの水平静磁場中で静止および水平面に回転の2つの工程を15分ごとに繰り返し、この工程をエポキシ樹脂の硬化時間である12時間続けた。ただし、静止位置は最初の静止工程における配置と同じとし、回転工程の回転速度は毎分30回転とした。得られたY2Ba4Cu7O14+y配向粉末をX線回折法で分析したところ、水平磁場印加方向に平行にc軸が、水平回転面に対して垂直にb軸が、これらの垂直方向にa軸が向くことがわかった。また、ロッキングカーブの半値幅からc軸配向性は1.3度、0113および1012反射を使った極点図形の半値幅からab面の面内配向性は4度の高い配向性を示した。
前記三軸配向実験に基づき、下表1に示すとおりにして、焼結体を得た、それらの物性及びJcは下表の通りである。
図8は、表1の配向及び固形化に使用した装置の概略図である。
円筒形の容器の下部にドレンバルブを設け、内部にはフィルター受け網とそのうえに、超伝導体粉末を透過しないフィルターを設置したものである。
この装置を用いて、原料スラリーを容器内に入れ、三軸配向を終了した後、ドレンバルブを開いて、容器内から分散媒を静かに流出させ、配向された超伝導体粉末が配向を崩さずにフィルター上に堆積させることができた。
その後、自然乾燥若しくは加熱乾燥により、容器からの取り出し及び焼結装置への搬入においても崩れない程度に固化した。(以上の方法を、以下、堆積法と記す)
実施例1と同様な混練物(原料スラリー)を、12テスラの水平静磁場中で水平面に回転する回転速度を水平磁場方向とそれに垂直方向で変化させた。水平磁場方向を0°と定義し、x=10とした静磁場方向から0〜(x)°、(180−x)〜(180+x)°および(360−x)〜360°の角度領域では回転速度を毎分1回転とし、それ以外の角度領域では毎分60回転とした。この工程をエポキシ樹脂の硬化時間まで続けた。得られたY2Ba4Cu7O15−y配向粉末をX線回折法で分析したところ、水平磁場印加方向に平行にc軸が、水平回転面に対して垂直にb軸が、これらの垂直方向にa軸が向くことがわかった。また、ロッキングカーブの半値幅からc軸配向性は2度、0113および1012反射を使った極点図形の半値幅からab面の面内配向性は4度の高い配向性を示した。
前記三軸配向実験に基づき、下表2に示すとおりにして、焼結体を得た。それらの物性及びJcは下表の通りである。
図9は、前記図8に示す堆積法に用いた装置のフィルターを金属板製の基材に変更したものである。
三軸配向が済んだ後、図9では、前記基材を吸引側とするように電極を配置して、電気泳動を利用して、配向された粉末を前記基材上に堆積し、その後、容器内の液体を排除して、自然乾燥若しくは加熱乾燥により、基材に粉末を固着させる。(以上の方法を、以下、電気泳動法と記す)
磁場を1テスラで実施したことを除いて、実施例2を繰り返して、超伝導体を作製した。得られたY2Ba4Cu7O15−y配向粉末をX線回折法で分析したところ、水平磁場印加方向に平行にc軸が、水平回転面に対して垂直にb軸が、これらの垂直方向にa軸が向くことがわかった。また、ロッキングカーブの半値幅からc軸配向性は3度、0113および1012反射を使った極点図形の半値幅からab面の面内配向性は6度の高い配向性を示した。
前記三軸配向実験に基づき、下表3に示すとおりにして、焼結体を得た。それらの物性及びJcは下表3の通りである。
対象物質をEr2Ba4Cu7O14+y粉末で実施したことを除いて、実施例2を繰り返して、超伝導体を作製した。なお、平均粒径5ミクロン程度のEr2Ba4Cu7O14+y粉末0.15gおよびエポキシ樹脂未硬化液1.5gの混練物を用いた。得られたEr2Ba4Cu7O14+y配向粉末をX線回折法で分析したところ、水平磁場印加方向に平行にb軸が、水平回転面に対して垂直にc軸が、これらの垂直方向にa軸が向くことがわかった。また、ロッキングカーブの半値幅からc軸配向性は2度、0113および1012反射を使った極点図形の半値幅からab面の面内配向性は5度の高い配向性を示した。
前記三軸配向実験に基づき、下表4に示すとおりにして、焼結体を得た。それらの物性及びJcは下表4の通りである。
対象物質をYBa2Cu4O8粉末で実施したことを除いて、実施例2を繰り返して、超伝導体を作製した。得られたYBa2Cu4O8配向粉末をX線回折法で分析したところ、水平磁場印加方向に平行にc軸が、水平回転面に対して垂直にb軸が、これらの垂直方向にa軸が向くことがわかった。また、ロッキングカーブの半値幅からc軸配向性は2度、106および017反射と使った極点図形の半値幅からab面の面内配向性は4度の高い配向性を示した。
前記三軸配向実験に基づき、下表5に示すとおりにして、焼結体を得た。それらの物性及びJcは下表5の通りである。
対象物質をYBa2Cu3O6+y粉末およびErBa2Cu3O6+y粉末で実施したことを除いて、実施例2を繰り返して、超伝導体を作製した。得られたYBa2Cu3O6+y配向体およびErBa2Cu3O6+y配向体をX線回折法で分析したところ、YBa2Cu3O6+y配向体では水平磁場印加方向に平行にc軸が、水平回転面に対して垂直にaまたはb軸が、これらの垂直方向にbまたはa軸が向くことがわかった。ErBa2Cu3O6+y配向体では水平磁場印加方向に平行にaまたはb軸が、水平回転面に対して垂直にc軸が、これらの垂直方向にbまたはa軸が向くことがわかった。また、いずれの配向体もロッキングカーブの半値幅からc軸配向性は2度、ab面の面内配向性は10度の高い配向性を示した。
前記三軸配向実験に基づき、下表6に示すとおりにして、焼結体を得た。それらの物性及びJcは下表6の通りである。
前記図8、9に示す容器と同様な容器内に板状の電極を設置し、上部には、ロール状の吸引側電極を設置し、前記ロール状電極に線状又は帯状の基材を掛け渡して、掛け渡された基材の一部が前記容器内の原料スラリーに漬されるようにして設置する。(図10、図11参照)
このようにして、磁力による三軸配向が終了した後、前記両電極に通電し、電気泳動により、スラリー中の粉末を基材に吸着する。この際、適度な量が吸着するように、前記基材の移動速度を設定することで、三軸配向された粉末が適切な厚さで基材に付着することとなる。
その後、乾燥工程を経て、連続焼成装置内に送り込み、焼成することで、基材表面に超伝導体粉末が焼結した線状若しくは帯状の焼結体を得ることができた。
なお、図10は、Er系超伝導体用であり、図11は、Y系超伝導体用である。
金属基体上に堆積させて提供される超伝導線材の場合、電流輸送方向となる基体表面方向に対して垂直にc軸方向を揃える必要がある。RE=Yでは磁化容易軸がc軸方向であることから、静磁場印加方向である水平方向にc軸が向くので金属基体表面を静磁場印加方向に対して垂直に配置すると良い。一方、RE=Erでは磁化困難軸がc軸であることから磁場回転面に垂直にc軸が向くことになるので、金属基体は磁場回転面に平行に設置することになる。
この知見に基づき、図10では、下から上に、図11では左から右に泳動させる構造とした。
Claims (4)
- CuO 2 面とCuO y 鎖および/又はCuO二重鎖がc軸方向に交互に積層した層状構造を有し、三軸を有する超伝導酸化物粉末が液状分散媒中に分散された原料スラリーを用いて前記超伝導酸化物粉末を所定の形状に固化した後、これを焼成して、
前記三軸がそれぞれ同一方向に配向されてなり、X線回折法で得られた三軸の半値幅がそれぞれ10°以下である超伝導酸化物粉末が焼結されてなる酸化物超伝導焼結体を製造する方法であって、
前記原料スラリーに対して一方向の静磁場を印加した状態で、前記原料スラリーに対する静磁場の印加方向を、印加方向に直交する一方向を中心にして相対回転させ、その相対回転の一定位置において、前記超伝導酸化物粉末が静磁場により配向される回転速度(速度ゼロを含む)とし、他の箇所で、静磁場による配向が行われない高速度で回転させる操作を繰り返して、ロッキングカーブ法による前記超伝導酸化物粉末のc軸配向度を3度以下とし、CuO 2 面すなわちab面の面内配向度を10度以下とする工程と、
各超伝導酸化物粉末を、堆積法又は電気泳動法によりフィルター又は基材に堆積する工程と、
堆積物を自然乾燥又は加熱乾燥により固化する工程と、を有することを特徴とする酸化物超伝導焼結体の製造方法。 - 請求項1に記載の製造方法において、前記印加する静磁場が0.1〜12T(テスラ)であることを特徴とする酸化物超伝導焼結体の製造方法。
- 請求項1に記載の製造方法において、前記超伝導酸化物粉末が静磁場により配向される回転速度が0〜1rpmであり、前記静磁場による配向が行われない高速度が30〜60rpmであることを特徴とする酸化物超伝導焼結体の製造方法。
- 請求項1に記載の酸化物超伝導焼結体の製造方法において、前記超伝導酸化物粉末が、以下の酸化物1〜酸化物4からなる群から選択される少なくとも一種であることを特徴とする酸化物超伝導焼結体の製造方法。
酸化物1:一般式REBa 2 Cu 3 O 6+y で表される複合酸化物。
酸化物2:一般式RE 2 Ba 4 Cu 7 O 14+y で表される複合酸化物。
酸化物3:一般式REBa 2 Cu 4 O 8 で表される複合酸化物。
酸化物4:上記酸化物1、酸化物2および酸化物3において、RE、BaおよびCuから選ばれた少なくとも一種の元素が他の金属元素で部分的に置換された酸化物。
但し、酸化物1〜3において、式中、RE=Y又はその他の希土類元素(Ce,Pmを除く)である。
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