JP5626658B2 - 鉄系超電導線材とその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、鉄を主成分とした鉄系超電導体を用いた鉄系超電導線材とその製造方法に関する。
２００８年初頭、鉄系超電導体が発見された（非特許文献１）。この発見を契機に、類似化合物に超電導体が次々と見出され、鉄系超電導体は、新しい高温超電導体の鉱脈になると期待されている。
また、鉄系超電導体は、臨界電流密度および臨界磁場が高く、応用的にも期待が高まっている。その中で最も単純な構造を持つＦｅＳｅ、ＦｅＴｅ、ＦｅＳｅ１−ｘＴｅｘ（０＜ｘ＜１）、ＦｅＴｅ１−ｘＳｘ（０＜ｘ＜１）などが、本発明者らによって開発された（たとえば、非特許文献２−３）。また、Ｆｅとカルコゲンの化合物中のモル比は、Ｆｅが若干過剰となっていることが知られている。これらの鉄系超電導体は、毒性が比較的低いことや構造の単純さなどから応用化に適していると考えられている。
J.Am.Chem.Soc.,130, 3296 (2008) Appl. Phys. Lett., 94, 012503 (2009) Appl. Phys. Lett., 93, 152505 (2008)
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本発明は、このような鉄系超電導体の実用的展開を図り、ＦｅＳｅ、ＦｅＴｅ、ＦｅＳｅ１−ｘＴｅｘ（０＜ｘ＜１）、ＦｅＴｅ１−ｘＳｘ（０＜ｘ＜１）などの鉄系超電導物質を用いた鉄系超電導線材とその製造方法を提供することを課題としている。
上記の課題を解決するために、本発明の鉄系超電導線材は、主として鉄から形成された筒状シース体の内部に、Ｓｅ、ＴｅまたはＳの単体もしくは２種以上の混合物またはこれらの化合物である原料物質が装填され、この原料物質が、筒状シース体を形成している鉄と反応して、ＦｅＳｅ、ＦｅＴｅ、ＦｅＳｅ １−ｘ Ｔｅ ｘ （０＜ｘ＜１）またはＦｅＴｅ １−ｘ Ｓ ｘ （０＜ｘ＜１）のいずれか一つである鉄系超電導体が生成していることを特徴とする。
この鉄系超電導線材においては、鉄系超電導線材の多数本が一体化されて多芯線に形成されていることも可能である。
本発明の鉄系超電導線材の製造方法は、主として鉄から形成された筒状シース体の内部に、鉄以外の鉄系超電導体を構成するＳｅ、ＴｅまたはＳの単体もしくは２種以上の混合物またはこれらの化合物である原料物質を装填した後、機械的加工を行い、線材化し、１００−１０００℃で１分−５００時間の加熱処理を行い、筒状シース体を形成する鉄と筒状シース体の内部に装填された原料物質とを反応させて、ＦｅＳｅ、ＦｅＴｅ、ＦｅＳｅ １−ｘ Ｔｅ ｘ （０＜ｘ＜１）またはＦｅＴｅ １−ｘ Ｓ ｘ （０＜ｘ＜１）のいずれか一つである鉄系超電導体を生成させ、鉄系超伝導線材を得ることを特徴とする。
本発明の鉄系超電導線材とその製造方法によれば、主として鉄から形成された筒状体を用い、その内部に鉄系超電導体を構成する他の原料物質を装填することによって、簡便に鉄系超電導線材を作製することができ、鉄系超電導線材の超電導特性は安定して発現する。
本発明の鉄系超電導線材では、主として鉄から形成された筒状体を用い、この筒状体を形成する鉄と、筒状体の内部に装填され、鉄系超電導体を構成する鉄以外の化学成分元素である原料物質とによって、鉄系超電導体が生成する。すなわち、主として鉄から形成された筒状体の内部に、筒状体を形成する鉄を化学成分元素の一つとする鉄系超電導体が生成している。
筒状体は、鉄系超電導体の生成に寄与するために、主として鉄から形成されたものであり、鉄系超電導体の生成を阻害しない限り、筒状体は、鉄以外の添加物や不可避的不純物を含有することができる。たとえば、Ｈｅｘａｇｏｎａｌ相、Ｐｙｒｉｔｅ相、銀，酸化鉄、ビスマスなどの添加が許容される。
本発明の鉄系超電導線材において鉄系超電導体は、その化学組成として、これまでに開発されているＦｅＳｅ、ＦｅＴｅ、ＦｅＳｅ１−ｘＴｅｘ（０＜ｘ＜１）、ＦｅＴｅ１−ｘＳｘ（０＜ｘ＜１）などが主に例示されるが、線材化が可能である限り、化学組成は特に制限されない。
一方、鉄系超電導体を構成する化学成分元素の組成比は、適宜変更が可能である。たとえば、ＦｅＳｅ１−ｘＴｅｘ（０＜ｘ＜１）、ＦｅＴｅ１−ｘＳｘ（０＜ｘ＜１）におけるＳｅとＴｅの比率やＴｅとＳの比率などは、０＜ｘ＜１の範囲内で適宜変更が可能である。
主として鉄から形成される筒状体は、超電導線材のシースとしての機能および役割を果たすこともできる。
筒状体に装填される鉄以外の元素原料には、Ｓｅ、ＴｅまたはＳの単体もしくは混合物、またはＳｅＴｅ、ＴｅＳなどの、あらかじめ合成した化合物を用いることができる。
本発明の鉄系超電導線材の製造方法は、以下に例示される。
１） 主として鉄から形成された筒状体の内部に、鉄系超電導体を構成する鉄以外の化学成分元素である原料物質を装填する。
２） 圧延などの機械的加工を行い、線材化する。
３） １００−１０００℃で１分−５００時間の加熱処理を行い、鉄系超電導体を生成させる。
筒状体の内部に装填する原料物質にあらかじめ合成したＳｅＴｅやＴｅＳを用いる場合、熱処理時におけるＳｅやＳの蒸発を抑えるのに有効となる。
また、加熱処理は、不活性ガス雰囲気下の密閉状態で行うことによって、ＳｅやＳの拡散を効果的に抑えることができる。
さらに、ピニングセンターを導入するために、筒状体の内部に装填するＳｅＴｅなどの鉄以外の原料物質には、超電導特性を阻害しない程度に添加物、たとえば、Ｈｅｘａｇｏｎａｌ相、Ｐｙｒｉｔｅ相、銀，酸化鉄、ビスマスなどを配合することができる。
本発明は、鉄系超電導線材の臨界電流を通電試験により観測することに初めて成功したことにより完成されたものであり、今後の鉄系超電導体の線材化に大きな技術的指針を与える可能性がある。たとえば、鉄系超電導線材の多数本が一体化されて多芯線に形成されている多芯鉄系超電導線材が実現可能である。
線材の試作はPowder-in-Tube法を用いて行った。シースとして外径６mm、内径３．５mmの鉄製チューブを用い、その内部に、Ｓｅまたはあらかじめ合成しておいたＳｅＴｅを装填し、鉄製チューブの両端を封じた。この後、溝ロールを用いて外径が２mmになるまで圧延し、さらに平ロールを用いて幅４−５mm、厚さ０．５５mm程度になるまで圧延した。得られた線材を４cm程度に切断し、この短尺の線材を石英管の中にアルゴンガス雰囲気下（大気圧に等しい）に封入した。そして、表１に示した条件において加熱処理を行った。加熱温度は、４５０−５５０℃であり、加熱時間は、昇温時間を含めると、３−４時間である。加熱処理後、通電試験により電圧−電流測定を行い、臨界電流（Ｉｃ）を見積もった。
図１（ａ）は、鉄製チューブ（シース）の内部にＳｅＴｅ粉末を装填し、圧延した焼成前の線材を示した写真であり、図１（ｂ）は、アルゴンガス雰囲気中で加熱処理した焼成後の線材を示した写真である。
なお、鉄以外の原料物質に用いたＳｅＴｅは、ＳｅとＴｅを１：１のモル比に計量し、石英管の内部に真空封入した後、５００℃で８時間焼成することにより合成し、その後、粉砕したものである。
また、ＳｅおよびＴｅには、以下のものを使用した。
Ｓｅは、高純度化学社製のＳｅ粉末であり、純度９９．９％up、平均粒径７５μmのものである。
Ｔｅは、高純度化学社製のＴｅ粉末であり、純度９９．９％、平均粒径１５０μmのものである。
図２図中に示したSample １およびSample ２に示したように、表１に示した実験No. １および実験No. ２の条件で焼成して作製したＦｅＳｅ１−ｘＴｅｘ（０＜ｘ＜１）線材（Sample １が実験No. １に対応し、Sample ２が実験No. ２に対応する）について、ある一定電流までゼロ抵抗状態が確認され、しきい値を０．１μVとして臨界電流を見積もることに成功した。鉄系超電導体線材が実現されている。
線材の断面を研磨し、光学顕微鏡およびＳＥＭ(Scanning Electron Microscope)により断面の観察を行い、また、ＥＤＸ(Energy Dispersive X-ray spectroscopy)を用いて元素の面マッピングを行った。
図３は、表1に示した実験No. １の条件で作製した線材を樹脂に埋め込み、研磨した後の線材の断面を写した光学顕微鏡写真である。図４は、表1に示した実験No. １の条件で作製した線材の断面の走査電子顕微鏡像である。図５は、表1に示した実験No. １の条件で作製した線材の断面のＥＤＸ(Energy Dispersive X-ray spectroscopy)による面マッピングである。Ｆｅ-Kα線、Ｓｅ-Ｌα線およびＴｅ-Ｌα線を用いて分析を行った。鉄シースの内部に、化学組成がＦｅＳｅ１−ｘＴｅｘ（０＜ｘ＜１）である鉄系超電導体が生成していることが確認された。
表１に示した実験No. １および実験No. ２と同様の条件で、化学組成がＦｅＳｅ、ＦｅＴｅ１−ｘＳｘ（０＜ｘ＜１）である鉄系超電導線材を作製することができた。ＦｅＴｅ１−ｘＳｘ（０＜ｘ＜１）超電導線材の作製では、ＴｅとＳをあらかじめ反応させて合成し、その組成比を変えたＴｅ１−ｘＳｘを鉄以外の原料物質に用いた。ＦｅＳｅ、ＦｅＳｅ１−ｘＴｅｘ（０＜ｘ＜１）およびＦｅＴｅ１−ｘＳｘ（０＜ｘ＜１）の多結晶体の研究から固溶系の合成が可能であることが分かっている。たとえば、ＴｅとＳを１：１のモル比で混合し、石英ガラス管内に真空封入した後、４００℃で１/２日間焼成することによって、全量が反応したＴｅＳが得られた。
このＴｅＳを、また、組成比の調整のためにＴｅとともに、鉄製チューブ（シース）の内部に装填し、線材化した後に、４５０−６００℃の加熱処理を行い、鉄系超電導体の化学組成が、ＦｅＴｅ１−ｘＳｘ（０＜ｘ＜１）である鉄系超電導線材を得た。いずれの鉄系超電導線材に関しても、臨界電流が観測された。
なお、本発明の鉄系超電導線材とその製造方法は、上記実施例に限定されるものでないことはいうまでもない。
本発明の鉄系超電導線材とその製造方法によって、ＦｅＳｅ、ＦｅＴｅ、ＦｅＳｅ１−ｘＴｅｘ（０＜ｘ＜１）、ＦｅＴｅ１−ｘＳｘ（０＜ｘ＜１）などの鉄系超電導物質を用いた鉄系超電導線材を簡便に作製することができる。鉄系超電導体の実用化が見込まれ、その応用および展開が期待される。
Claims (3)
- 主として鉄から形成された筒状シース体の内部に、Ｓｅ、ＴｅまたはＳの単体もしくは２種以上の混合物またはこれらの化合物である原料物質が装填され、この原料物質が、筒状シース体を形成している鉄と反応して、ＦｅＳｅ、ＦｅＴｅ、ＦｅＳｅ １−ｘ Ｔｅ ｘ （０＜ｘ＜１）またはＦｅＴｅ １−ｘ Ｓ ｘ （０＜ｘ＜１）のいずれか一つである鉄系超電導体が生成していることを特徴とする鉄系超電導線材。
- 請求項１に記載の鉄系超電導線材の多数本が一体化されて多芯線に形成されていることを特徴とする多芯鉄系超電導線材。
- 主として鉄から形成された筒状シース体の内部に、鉄以外の鉄系超電導体を構成するＳｅ、ＴｅまたはＳの単体もしくは２種以上の混合物またはこれらの化合物である原料物質を装填した後、機械的加工を行い、線材化し、１００−１０００℃で１分−５００時間の加熱処理を行い、筒状シース体を形成する鉄と筒状シース体の内部に装填された原料物質とを反応させて、ＦｅＳｅ、ＦｅＴｅ、ＦｅＳｅ １−ｘ Ｔｅ ｘ （０＜ｘ＜１）またはＦｅＴｅ １−ｘ Ｓ ｘ （０＜ｘ＜１）のいずれか一つである鉄系超電導体を生成させ、鉄系超電導線材を得ることを特徴とする鉄系超電導線材の製造方法。
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