JP5417164B2 - 超電導線材の修復方法及び修復構造を有する超電導線材 - Google Patents
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Description
ここで例えば、安定化層106は、良導電性を有する銅などの金属層からなり、例えばハンダ付きの銅の金属テープを銀からなる保護層105の表面(安定化層形成面)105aに貼り合わせることで形成されている。
本発明は、安定化層の密着不良箇所が密着性良く修復されており、良好な超電導特性が得られるとともに、超電導層が超電導状態から常電導状態に遷移しようとしたとき、超電導層の電流を安定化層に確実に転流することができる構成の超電導線材を提供することを目的とする。
本発明は、基材上に、少なくとも超電導層が設けられてなる超電導積層体と、該超電導積層体の前記基材と反対側の表面に、導電性接合材を介して接合された安定化層とを有する超電導線材について、前記超電導積層体の表面に対して前記安定化層の密着性が低い密着不良箇所を修復する超電導線材の修復方法であって、前記密着不良箇所付近の導電性接合材を、エッチング液を用いて選択的に除去し、前記密着不良箇所の前記安定化層を、前記超電導積層体の表面から剥離する工程と、前記超電導積層体の表面から剥離した前記安定化層を、前記超電導線材から除去する工程と、前記導電性接合材および前記安定化層の前記各工程で除去された欠損部に、金属微粒子を含有する導電性ペーストを供給し、焼成することによって、前記欠損部を前記金属微粒子の焼結体によって補填する工程とを有することを特徴とする。
本発明において、前記導電性ペーストは、銀微粒子と界面活性剤とを含有するものを使用することができる。
本発明において、エッチング液により選択的に除去する際のエッチング液の温度は、80℃以上であることが好ましい。
このようにして欠損部に補填された金属微粒子の焼結体は、隣り合う各金属微粒子同士が各界面で接合しており、優れた導電性を有する。また、この金属微粒子の焼結体は、超電導積層体の表面、及び、欠損部周囲の導電性接合材及び安定化層の各端面と密着性良く接合しており、これら各部と電気的に接続している。このため、修復された超電導線材では、金属微粒子で補填された部分が安定化層の一部として良好に機能し、超電導層が超電導状態から常電導状態に遷移しようとしたとき、超電導層の電流が安定化層に確実に転流し、超電導層の特性劣化や焼損を抑止することができる。
まず、本発明の修復方法によって修復される超電導線材の一構造例について説明する。
図1は、本発明の修復方法によって修復される超電導線材の一例を模式的に示す概略斜視図である。
図1に示す超電導線材Aは、テープ状の基材11の上に、ベッド層12、中間層15、キャップ層16、酸化物超電導層17及び安定化基層18がこの順に積層されて構成された超電導積層体1と、該超電導積層体1の表面18aに、ハンダ層3を介して接着された安定化層2とによって概略構成されている。なお、超電導線材Aの構造においてベッド層12は略することもできる。
なお、ベッド層12と基材11との間には拡散防止層を設けることもできる。拡散防止層11は、基材11の構成元素拡散を防止する目的で形成されたもので、窒化ケイ素(Si3N4)、酸化アルミニウム(Al2O3、「アルミナ」とも呼ぶ)、あるいは、GZO(Gd2Zr2O7)等から構成され、その厚さは例えば10〜400nmである。
この中間層15をIBAD法により良好な結晶配向性(例えば結晶配向度15゜以下)で成膜するならば、その上に形成するキャップ層16の結晶配向性を良好な値(例えば結晶配向度5゜前後)とすることができ、これによりキャップ層16の上に成膜する酸化物超電導層17の結晶配向性を良好なものとして優れた超電導特性を発揮できるようにすることができる。
中間層15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、イオンビームアシスト蒸着法(以下、IBAD法と略記する)、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);溶射等、酸化物薄膜を形成する公知の方法で積層できる。特に、IBAD法で形成された前記金属酸化物層は、結晶配向性が高く、酸化物超電導層17やキャップ層の結晶配向性を制御する効果が高い点で好ましい。IBAD法とは、蒸着時に、下地の蒸着面に対して所定の角度でイオンビームを照射することにより、結晶軸を配向させる方法である。通常は、イオンビームとして、アルゴン(Ar)イオンビームを使用する。例えば、Gd2Zr2O7、MgO又はZrO2−Y2O3(YSZ)からなる中間層15は、IBAD法における結晶配向度を表す指標であるΔΦ(FWHM:半値全幅)の値を小さくできるため、特に好適である。
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。
CeO2層の膜厚は、50nm以上であればよいが、十分な配向性を得るには100nm以上が好ましく、500nm以上であれば更に好ましい。但し、厚すぎると結晶配向性が悪くなるので、500〜1000nmとすることが好ましい。
酸化物超電導層17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)等で積層することができ、なかでも生産性の観点から、TFA−MOD法(トリフルオロ酢酸塩を用いた有機金属堆積法、塗布熱分解法)、PLD法又はCVD法を用いることが好ましい。
このMOD法は、金属有機酸塩を塗布後熱分解させるもので、金属成分の有機化合物を均一に溶解した溶液を基材上に塗布した後、これを加熱して熱分解させることにより基材上に薄膜を形成する方法であり、真空プロセスを必要とせず、低コストで高速成膜が可能であるため長尺のテープ状酸化物超電導導体の製造に適している。
ここで、本実施形態では、以上に説明した基材11、ベッド層12、中間層15、キャップ層16、酸化物超電導体層17及び安定化基層18が、超電導積層体1を構成する。
安定化層2は、良導電性の金属材料からなり、超電導線材Aに臨界電流を越える事故電流などが供給されて超電導層Aが超電導状態から常電導状態に遷移しとうとしたときに、安定化基層18とともに、酸化物超電導層17の電流が転流するバイパスとして機能する。これにより、事故電流による酸化物超電導層17の特性劣化や損傷が防止される。
ここで、このようにして形成された安定化層2は、安定化基層18の表面18aに対して密着性が低い密着不良箇所が生じる場合がある。安定化層2の密着不良箇所では、酸化物超電導層17が超電導状態から常電導状態に遷移したときに、酸化物超電導層17の電流が安定化層2側に転流され難くなるため、酸化物超電導層17の特性劣化や損傷の原因となるおそれがある。
まず、本発明の超電導線材の修復方法の第1実施形態について説明する。
図2は、超電導線材の密着不良箇所を示す概略縦断面図である。また、図3〜図6は、それぞれ第1実施形態の超電導線材の修復方法を工程順に示すもので、図3は、ハンダ層除去工程を示す概略縦断面図、図4は、安定化層除去工程を示す概略縦断面図、図5は、導電性ペースト供給工程を示す概略縦断面図、図6は、導電性ペースト焼成工程を示す概略縦断面図である。
以下、本実施形態にかかる超電導線材の修復方法の各工程について順次説明する。
密着不良箇所21の検出方法は、特に限定するものではないが、例えば、超電導線材Aの端面や側面を目視もしくは顕微鏡によって観察するか、あるいは、冷却して超電導状態としてから部分的に通電試験を行い、超電導線材Aの臨界電流密度を長手方向あるいは幅方向に部分的に計測するなどの手段を行い、製品に求められている規格値よりも臨界電流密度が低下している部分を密着不良部分として検知することができる。
具体的には、超電導線材Aの密着不良箇所21付近を、他の各部に対してハンダ層3を選択的にエッチングするエッチング液に浸漬する。これにより、他の各部の侵食を抑えて密着不良箇所21のハンダ層3のみを選択的に除去し、安定化基層18の表面18aから安定化層2を分離することができる。
これにより、無機酸と選択エッチング液との容量比や、温度等のエッチング条件を制御することで、ハンダ層3を、他の各部に対して選択的にエッチングすることができる。
これらは、無機酸と、該無機酸よりも前記導電性接合材の前記超電導層に対するエッチング選択比が高い選択エッチング液との混合エッチング液と表記することができる。
また、選択エッチング液には、例えば、市販品として、クロムを溶解することができる薬液として著名なメック社製のCHシリーズ(1860、1920など)、ADEKA社製のアデカテックWシリーズ、日本化学産業社製のFLICKER、荏原社製のシードロン等、主にCrを溶解することで知られる選択エッチング液があり、これらのうちから1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。中でもメック社製のCHシリーズが好適である。
エッチング液に浸漬する時間は、エッチング温度やハンダ層3の組成等によっても異なるが、60〜120分程度が適当である。
安定化層2を除去する方法は、特に限定されないが、例えば、機械的な刃を用いた切断やレーザービームによる溶断、あるいは、銅のみを溶解するエッチング液を用いて部分的に溶解除去するなどの方法を単独あるいは適宜組み合わせて適用することができる。この安定化層2の部分除去工程においてハンダ層3はエッチング液にて除去しているので安定化基層18から分離している安定化層2を容易に切断あるいは溶断することができ、安定化基層18あるいはその下の酸化物超電導層17を損傷させることなく安定化層2の部分除去ができる。
導電性ペースト4は、導電性を有する金属微粒子41を界面活性剤などの分散媒中に含有するものである。導電性ペースト4を欠損部22に供給して焼成すると、導電性ペースト4に含まれる各金属微粒子41間で元素拡散が生じること等により、隣り合う各金属微粒子41同士が各界面で接合するとともに、安定化基層18の表面18aに接する各金属微粒子41、および、欠損部2周囲の安定化層2及びハンダ層3の端面に接する各金属微粒子41が、これら表面と接合する。その結果、図6に示すように、欠損部22に、金属微粒子41の焼結体43が該欠損部を補填するように生成される。なお、図6では見やすいように金属微粒子41の大きさを誇張して示しているが、金属微粒子41は実際は後述する大きさのナノオーダーの大きさの微粒子である。
導電性ペースト4の焼成温度は、金属微粒子41の種類によっても異なるが、銀微粒子を含む導電性ペースト4の場合には150〜200℃程度とすることが好ましい。これにより、酸化物超電導層17の熱劣化を抑えつつ、銀微粒子を確実に焼結させることができる。なお、具体的に使用できる導電ペーストは藤倉化成株式会社の商品名「ナノドータイトシリーズ」、ハリマ化成株式会社の商品名「ナノペースト」などを適用することができる。
図7、図8は、それぞれ第2実施形態の超電導線材の修復方法を工程順に示すもので、図7は、溶融ハンダ供給工程を示す概略縦断面図、図8は、ハンダ固化工程を示す概略縦断面図である。
以下、第2実施形態に係る超電導線材の修復方法について説明するが、先の第1実施形態と同じ工程については説明を略し、相違点を中心に説明する。
ここで、仮に安定化層2を直接機械的に剥離した場合、その際の負荷によって酸化物超電導層17に損傷を与える可能性がある。これに対して、本実施形態のように、密着不良箇所21のハンダ層3を、エッチング液を用いて選択的に除去して安定化層2を剥離し、安定化層2を除去しない状態のまま、以下のハンダ供給工程を行うことにより、酸化物超電導層17の損傷を抑えて、密着不良箇所21の安定化層2を容易且つ確実に剥離し修復することができる。
これにより、安定化層2の密着不良箇所21であった部分も、安定化基層18の表面18aにハンダ5を介して密着性良く接合され、電気的に接続される。このため、補修された超電導線材Aでは、安定化層2の密着不良箇所21であった部分が安定化層2の一部として良好に機能し、酸化物超電導層17が超電導状態から常電導状態に遷移しようとしたとき、酸化物超電導層17の電流が安定化層2に確実に転流し、酸化物超電導層17の特性劣化や損傷を抑止することができる。
ここで用いるハンダ5としては、特に限定されず、例えば、Pb−Sn系合金ハンダの他、Sn−Ag系合金、Sn−Bi系合金、Sn−Cu系合金、Sn−Zn系合金等の鉛フリーハンダ等が挙げられ、これらのうちから1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。
次に、本発明の超電導線材の実施形態について説明する。
本実施形態の超電導線材は、安定化層及びハンダ層の一部が、金属微粒子の焼結体(修復構造)によって構成されており、前記第1実施形態の修復方法によって修復された超電導線材(図6に示す超電導線材)の構成とされている。
金属微粒子41の焼結体43は、例えば、安定化層2の密着不良箇所21を、前記第1実施形態の修復方法によって修復することによって形成することができる。
金属微粒子41の焼結体43は、隣り合う各金属微粒子41同士が各界面で接合していることにより、優れた導電性を有する。また、この焼結体43は、安定化基層18の表面18a、及び、焼結体43周囲の安定化層2及びハンダ層3の各端面と密着性良く接合しており、これら各部18、2、3と電気的に接続している。このため、金属微粒子41の焼結体43によって密着不良箇所21が修復構造とされた超電導線材Aでは、焼結体43も安定化層2の一部として良好に機能し、酸化物超電導層17が超電導状態から常電導状態に遷移しようとしたとき、酸化物超電導層17の電流が安定化層2に確実に転流し、酸化物超電導層17の特性劣化や損傷を抑止することができる。従ってこの実施形態では焼結体43で修復された部分が修復構造とされている。
<ハンダ層のエッチング条件の検討>
まず、修復対象となる超電導線材を用意した。
超電導線材は、10mm幅のハステロイテープ(ハステロイC276:米国ヘインズ社商品名)の基材上に、拡散防止層としての厚さ150nmのAl2O3層と、ベッド層としての厚さ50nmのY2O3膜と、MgO膜(10nm)からなる中間層と、CeO2からなるキャップ層(500nm)、Gd123(GdBa2Cu3O7−X)系超電導層(1000nm)、Agの安定化基層(10μm)、ハンダ層、Cuの安定化層がこの順に積層されたものである。なお、Cuの安定化層はハンダ層付きの銅テープからなり、この銅テープを加熱し加圧することで銀の安定化基層に溶着したものである。
そして、80℃に加温された無機酸及び室温の無機酸に、それぞれ上述の構成の超電導線材を90分間浸漬し、超電導線材のエッチング状況を調べた。
また、無機酸の代わりに、表1に示す選択エッチング液を用いた試験例と、無機酸の代わりに、表1に示す塩酸+選択エッチング液(容量比2:1)の混合エッチング液を用いて超電導線材のエッチング状況を調べた。
なお、ここでは選択エッチング液として、メック社製のCHシリーズ1860を用いた。
各実験例におけるエッチング状況の試験結果を表1に示す。
このことから、超電導層に損傷を与えることなくハンダ層のみを超電導線材からエッチングして除去するには、塩酸と選択エッチング液の混合エッチング液を加温して用いるのが良いことがわかった。
更に、塩酸と選択エッチング液(CHシリーズ1860)を2:1の容量比で混合した混合エッチング液を用い、混合エッチング液の温度は、表2に示すように変化させて試験した。
各実験例におけるエッチング状況の試験結果を表2に示す。
このことから、塩酸と選択エッチング液の混合エッチング液を用いる場合には、その容量比は1:1〜10:1の範囲が好ましいことがわかった。
以上のことから、混合エッチング液の温度は70℃以上100℃未満とするのが望ましいことがわかった。
まず、予めハンダを欠損させて密着不良箇所を形成した超電導線材を作成した。ハンダ欠損部分はハステロイの基材上において、幅5mm×長さ10mmの領域に渡り、ハンダを故意的に溶融不足状態として密着不良部分を有する超電導線材を作成した。
塩酸と選択エッチング液(CHシリーズ1860)とを2:1の容量比で混合した混合エッチング液を調製し、ウォーターバスで80℃に加温した。
次に、加温された混合エッチング液に、超電導線材の前記ハンダ欠損部分とその周囲部分を90分間、浸漬した。これにより、密着不良箇所を含むハンダ層を選択的に溶解して除去され、安定化基層の表面から安定化層が剥離した。
次に、ハンダ層と安定化層の除去された欠損部に、銀ナノペースト(藤倉化成株式会社:商品名ナノドータイトシリーズ)を塗布し、150℃で30分間焼成した。その結果、ハンダ層と安定化層の欠損部を銀ナノペーストの焼結体で補填することができた。
このことから、本発明の超電導線材の修復方法によって安定化層の密着不良箇所を修復することにより、安定化層の機能が回復し、臨界電流以上の電流による超電導層の焼損が防止できることがわかった。
Claims (6)
- 基材上に、少なくとも超電導層が設けられてなる超電導積層体と、該超電導積層体の前記基材と反対側の表面に、導電性接合材を介して接合された安定化層とを有する超電導線材について、前記超電導積層体の表面に対して前記安定化層の密着性が低い密着不良箇所を修復する超電導線材の修復方法であって、
前記密着不良箇所付近の導電性接合材を、エッチング液を用いて選択的に除去し、前記密着不良箇所の前記安定化層を、前記超電導積層体の表面から剥離する工程と、
前記超電導積層体の表面から剥離した前記安定化層を、前記超電導線材から除去する工程と、
前記導電性接合材および前記安定化層の前記工程で除去された欠損部に、金属微粒子を含有する導電性ペーストを供給し、焼成することによって、前記欠損部を前記金属微粒子の焼結体によって補填する工程とを有することを特徴とする超電導線材の修復方法。 - 前記導電性ペーストは、銀微粒子と界面活性剤とを含有することを特徴とする請求項1に記載の超電導線材の修復方法。
- 基材上に、少なくとも超電導層が設けられてなる超電導積層体と、該超電導積層体の前記基材と反対側の表面に、導電性接合材を介して接合された安定化層とを有する超電導線材について、前記超電導積層体の表面に対して前記安定化層の密着性が低い密着不良箇所を修復する超電導線材の修復方法であって、
前記密着不良箇所付近の導電性接合材を、エッチング液を用いて選択的に除去し、前記密着不良箇所の前記安定化層を前記超電導積層体の表面から剥離する工程と、
前記超電導積層体の表面と、該表面から剥離した前記安定化層との隙間に、溶融状態のハンダを供給して固化し、前記超電導積層体の表面と、該表面から剥離した前記安定化層とをハンダを介して接着する工程とを有することを特徴とする超電導線材の修復方法。 - 前記エッチング液は、無機酸と、有機酸塩を含む無機酸の水溶液との混合エッチング液であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の超電導線材の修復方法。
- 前記エッチング液により選択的に除去する際のエッチング液の温度は、80℃以上であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の超電導線材の修復方法。
- 基材上に、少なくとも超電導層が設けられてなる超電導積層体と、該超電導積層体の前記基材と反対側の表面に、導電性接合材を介して接着された金属材料製の安定化層とを有する超電導線材であって、
前記安定化層は、その一部が金属微粒子の焼結体により構成されている修復構造を有することを特徴とする超電導線材。
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