JP5364467B2 - 超電導線材 - Google Patents
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Description
安定化層を設ける手法としては、スパッタリングや蒸着等の物理的法により、銀(Ag)からなる安定化層(銀安定化層)を形成する方法(特許文献1参照)や、はんだを介して銀安定化層上に安価な銅(Cu)からなる安定化層(銅安定化層)を形成する方法(特許文献2参照)が開示されている。
このように、超電導層を安定化させて焼損を防止するために金属安定化層を設けた超電導線材においては、交流損失を低減するために、超電導層を細線化することが重要となる。
また、銀安定化層上にはんだを介して銅安定化層を設けた超電導線材では、細線化が難しいという問題点があった。具体的には、レーザ照射で細線化する場合には、レーザ照射部位が高温になるので、はんだが溶けて銅安定化層が剥離してしまうことがある。また、フォトリソグラフィーで細線化する場合には、安定化層全体が厚いために細線化自体が難しく、そのための装置も構成が複雑になってしまう。また、エッチングで細線化する場合には、はんだがエッチングされて、銅安定化層が剥離してしまうことがある。
このように、従来は、簡便に製造でき、且つ実用に供し得る超電導線材が無いのが実情であった。
本発明は、金属基材の表面側に金属酸化物からなる中間層、超電導層及び第一の金属安定化層がこの順に積層され、前記中間層に達して前記第一の金属安定化層及び超電導層を幅方向に分割する溝が、前記第一の金属安定化層及び超電導層に、長手方向に沿って一体に形成され、金属基材の裏面側に第二の金属安定化層が積層され、該第二の金属安定化層が、前記超電導層と電気的に接続されていることを特徴とする超電導線材を提供する。
本発明の超電導線材は、前記第二の金属安定化層が、導電性の接合層を介して前記金属基材の裏面に積層されていることが好ましい。
本発明の超電導線材は、前記第二の金属安定化層が、長手方向両端に余長部を有し、該余長部が前記金属基材の表面側に折り返され、前記第一の金属安定化層と電気的に接続されていることが好ましい。
以下、図面を参照しながら、本発明について詳細に説明する。
超電導線材1においては、金属基材11の表面11c上に、中間層12、超電導層13及び第一の金属安定化層14がこの順に積層されている。また、金属基材11の裏面11d上には、接合層15及び第二の金属安定化層16がこの順に積層されている。
キャップ層の材質は、上記機能を発現し得るものであれば特に限定されないが、好ましいものとして具体的には、CeO2、Y2O3、Al2O3、Gd2O3、Zr2O3、Ho2O3、Nd2O3等が例示できる。キャップ層の材質がCeO2である場合、キャップ層は、Ceの一部が他の金属原子又は金属イオンで置換されたCe−M−O系酸化物を含んでいても良い。
中間層12が、前記金属酸化物層の上にキャップ層が積層された複数層構造である場合には、キャップ層の厚さは、通常は、0.1〜1.5μmであることが好ましく、0.3〜1μmであることがより好ましい。このような範囲とすることで、一層高い効果が得られる。
超電導層13のこれら分割層における、金属基材の表面11c(中間層12の積層面)に対して略平行な方向の幅W131、W132及びW133は、それぞれ互いに同一でも異なっていても良いが、通常はほぼ同一とされる。
また、金属基材の表面11c(中間層12の積層面)に対して略平行な方向における第一の溝18の幅S131及び第二の溝19の幅S132は、それぞれ互いに同一でも異なっていても良いが、通常はほぼ同一とされる。
超電導層13の厚さは、0.5〜9μmであることが好ましく、1〜5μmであることがより好ましい。
超電導層13は、スパッタ法、真空蒸着法、レーザ蒸着法、電子ビーム蒸着法、化学気相成長法(CVD法)等の物理的蒸着法;熱塗布分解法(MOD法)等で積層でき、なかでもレーザ蒸着法が好ましい。
また、金属基材の表面11c(中間層12の積層面)に対して略平行な方向における、第一の溝18の幅S141及び第二の溝19の幅S142は、それぞれ互いに同一でも異なっていても良いが、通常はほぼ同一とされる。
このように、第一の溝18及び第二の溝19の前記幅は、超電導層13と第一の金属安定化層14との間で、通常は略同等とされる。
第一の金属安定化層14の厚さは、3〜10μmであることが好ましい。下限値以上とすることで、超電導層13を安定化する一層高い効果が得られ、上限値以下とすることで、超電導線材1を薄型化できる。
第一の金属安定化層14は、公知の方法で積層できるが、なかでもスパッタ法が好ましい。また、第一の金属安定化層14を形成する最終工程で、酸素熱処理を行うことが好ましい。
接合層15は、導電性であることが好ましく、銀のペーストやはんだであることがより好ましい。
接合層15の厚さは、1〜5μmであることが好ましい。下限値以上とすることで、一層高い接着固定効果が得られ、上限値以下とすることで、超電導線材1を薄型化できる。
また、余長部160はそれぞれ、折り返し開始部160aを基点として、これよりも長手方向において端部16a側の部位が、基材表面11c側へ折り返されている。このように、第二の金属安定化層16の余長部160は、基材表面11c側へ合計で約180°の角度だけ折り返されており、端部16a側に位置し、第一の金属安定化層14と対向する面160cが、端部接合層17に接触するようにして、端部接合層17を介して第一の金属安定化層14上に積層されている。この状態で、第一の切欠部161及び第二の切欠部162は、前記第一の溝18及び第二の溝19と配置位置が一致している。
また、ここでは、余長部160が、これよりも上方に位置する接合層15の端部15a、金属基材11の端部11a、中間層12の端部12a、超電導層13の端部13a、及び第一の金属安定化層14の端部14aのいずれにも接触することなく、二つ折りで又は湾曲して折り返された例を示しているが、本発明においてはこれに限定されず、前記端部11a〜15aのいずれか一つ以上と接触するように折り返されても良い(図示略)。
端部接合層17は、導電性であり、はんだであることが好ましい。
このように第二の金属安定化層16は、第一の金属安定化層14及び超電導層13と電気的に接続され、第一の金属安定化層14と共に、超電導層13を安定化する
二つある端部接合層17の厚さは、互いに同一でも異なっていても良く、接合層15の場合と同様の理由で、1〜5μmであることが好ましい。
また、超電導線材1の長手方向における、端部接合層17の長さ(長手方向における前記余長部160の接着固定部の長さ)Lは、互いに同一でも異なっていても良く、第二の金属安定化層16を安定的に接着固定できれば特に限定されないが、30〜200mmであることが好ましい。下限値以上とすることで、第二の金属安定化層16を一層安定して第一の金属安定化層14に接着固定でき、上限値以下とすることで、超電導線材1を一層低コストで製造できる。
第二の金属安定化層16の厚さは、材質に応じて適宜調整すれば良い。例えば、銀より導電性が低い銅等で形成する場合には、40〜300μmであることが好ましい。下限値以上とすることで、超電導層13の焼損を防止する一層高い効果が得られ、上限値以下とすることで、超電導線材1を薄型化できる。
被覆層は、例えば、超電導線材等の絶縁被覆に通常使用される、各種樹脂や酸化物等の公知の材質からなるもので良い。
前記樹脂として具体的には、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ポリエステル樹脂、ケイ素樹脂、シリコン樹脂、アルキッド樹脂、ビニル樹脂等が例示できる。また、紫外線硬化性樹脂が好ましい。
前記酸化物としては、CeO2、Y2O3、Gd2Zr2O7、Gd2O3、ZrO2−Y2O3(YSZ)、Zr2O3、Ho2O3等が例示できる。
被覆層による被覆の厚さは特に限定されず、被覆対象部位等に応じて、適宜調節すれば良い。
被覆層は、その材質に応じて公知の方法で形成すれば良く、例えば、原料を塗布して、これを硬化させれば良い。また、シート状のものが入手できる場合には、これを使用して積層しても良い。
例えば、第一の金属安定化層14及び超電導層13に形成する溝の数は、二つに限定されず、一つでも良いし、三つ以上でも良く、目的に応じて適宜調整すれば良い。
また、例えば、第二の金属安定化層16は、第一の切欠部161及び第二の切欠部162が形成されていなくても良い。
さらに、第二の金属安定化層16は、超電導層13と電気的に接続されていれば、必ずしも、図1に示す接続形態でなくても良い。
まず、図2(a)に示すように、金属基材の表面11c上に、中間層12、超電導層13及び第一の金属安定化層14をこの順に積層する。
したがって、超電導層の安定化と交流損失の低減が可能な超電導線材を、簡便に且つ低コストで製造できる。
図2に示す製造方法で、図1に示す超電導線材1を製造した。具体的には、以下の通りである。
ハステロイC276からなる幅5mm、長さ10m、厚さ0.1mmの金属基材表面上に、中間層としてIBAD法で厚さ1μmのGd2Zr2O7層を積層し、その上にさらに、パルスレーザ蒸着法(Pulsed Laser Deposition法、以下、PLD法と略記する)で厚さ0.5μmのCeO2層を積層した。そして、CeO2層上に、PLD法で厚さ1μmのなる組成の超電導層を積層し、超電導層上にスパッタ法で厚さ7μmの銀からなる第一の金属安定化層を積層した。
次いで、回転させた超硬刃により、幅100μmの第一の溝及び第二の溝を、第一の金属安定化層及び超電導層に形成して、第一の金属安定化層及び超電導層を分割した。
次いで、前記基材の裏面上に接合層となる銀ペーストを塗布し、厚さ0.1mmの銅テープを、表1に示す条件で5m/時間の速度で銀ペースト上に載せ、銀ペーストを加熱硬化させながら張り合わせることで、銅からなる第二の金属安定化層を積層した。この時、第二の金属安定化層の両端部に、長さ100mmの余長部を残した。加熱硬化は、基材裏面上の銀ペーストに銅テープを載せ、これを加熱炉に通してから加熱したロールで挟むことで行った。
次いで、前記余長部に、前記第一の溝及び第二の溝と重なるように位置合わせした第一の切欠部及び第二の切欠部を形成し、余長部を基材表面側へ折り返して、端部接合層となるはんだを介して第一の金属安定化層上に積層し、超電導線材を得た。
得られた超電導線材について、接合層及び端部接合層の劣化が無いか、外観を確認した。また、基材裏面上への接合層及び第二の金属安定化層形成前後における超電導特性の劣化の有無を確認した。さらに、超電導層の安定化効果の程度を確認した。結果を表1に示す。
銅テープを銀ペーストに接触させ、150〜200℃に加熱したプレス機で一分間プレスし、銀ペーストを加熱硬化させて銅テープを張り合わせることで、銅からなる第二の金属安定化層を積層したこと以外は、実施例1〜5と同様に超電導線材を得た。
その結果、得られた超電導線材は、実施例1〜5と同様に、接合層及び端部接合層の劣化が無く、外観が良好で、基材裏面上への接合層及び第二の金属安定化層形成前後における超電導特性の劣化も無かった。超電導層の安定化効果については、100Kまで良好であった。
第二の金属安定化層の両端部に余長部を残さず、第二の金属安定化層を第一の金属安定化層上に積層しなかったこと以外は、実施例1〜5と同様に超電導線材を得た。結果を表2に示す。
銅テープを銀ペーストに接触させ、150〜200℃に加熱したプレス機で一分間プレスし、銀ペーストを加熱硬化させて銅テープを張り合わせることで、銅からなる第二の金属安定化層を積層し、さらに、第二の金属安定化層の両端部に余長部を残さず、第二の金属安定化層を第一の金属安定化層上に積層しなかったこと以外は、実施例1〜5と同様に超電導線材を得た。
その結果、得られた超電導線材は、実施例1〜5と同様に、接合層及び端部接合層の劣化が無く、外観が良好で、基材裏面上への接合層及び第二の金属安定化層形成前後における超電導特性の劣化も無かった。超電導層の安定化効果については、95Kまで良好であった。
Claims (2)
- 金属基材の表面側に金属酸化物からなる中間層、超電導層及び第一の金属安定化層がこの順に積層され、前記中間層に達して前記第一の金属安定化層及び超電導層を幅方向に分割する溝が、前記第一の金属安定化層及び超電導層に、長手方向に沿って一体に形成され、金属基材の裏面側に第二の金属安定化層が積層され、前記第二の金属安定化層が、前記超電導層と電気的に接続され、長手方向両端に余長部を有し、該余長部が前記金属基材の表面側に折り返され、前記第一の金属安定化層と電気的に接続されていることを特徴とする超電導線材。
- 前記第二の金属安定化層が、導電性の接合層を介して前記金属基材の裏面に積層されていることを特徴とする請求項1に記載の超電導線材。
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