JP6105088B2 - MgB2超電導線材およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、MgB2超電導線材およびその製造方法に関する。
二ホウ化マグネシウム(MgB2)の臨界温度(転移温度)は39Kであり、従来の金属超電導体(例えばニオブチタン(NbTi)やニオブ3スズ(Nb3Sn)等)の臨界温度よりも高い。そのため、MgB2を用いた超電導磁石は、高価で希少な液体ヘリウム(沸点:4.2K)を使用しない運転が可能となる。また、酸化物系の超電導体に対して、MgB2を用いた超電導磁石は、永久電流モードで運転したとき、磁場安定度が高いという特長を有する。
MgB2超電導磁石を構成するためには、MgB2を線材にしてコイル状に巻線する必要がある。線材への要求仕様としては、高磁場中でも高い電流密度で通電可能であること、および、長尺にわたって(例えば1km以上の長さ)、臨界電流(Ic)が均一であること、の二つが重要である。MgB2超電導線材は一般に、マグネシウム(Mg)とホウ素(B)の混合粉またはMgB2粉、更にはそれらに第三元素(炭素等)を添加した粉末を金属管に充填し、伸線加工する方法(パウダーインチューブ法、以下PIT法と略す)で作製される。MgとBの混合粉を充填した場合(in−situ法)は伸線加工した線材を熱処理することにより、MgB2が生成される。また、MgB2粉を充填した場合(ex-situ法)も、通常は粒同士の結合性を向上させるために熱処理を行う。
図1Aおよび図1Bは、PIT法で作製した従来のMgB2超電導線材の断面模式図の一例である。MgB2超電導線材11は、内側のMgB2コア12と、コア12の外側に位置する金属シース13とから構成される。金属シース13は、コア12側に位置するバリア層14と、バリア層14の外側に位置する安定化層15とから構成される。バリア層14は、熱処理プロセスにおいて安定化層と充填粉末の反応を防ぐための層であり、鉄(Fe)、ニオブ(Nb)などの層である。安定化層15は、高い電気伝導・熱伝導を有する層であり、銅(Cu)などの層である。
線材に通電可能な電流密度(臨界電流密度、Jc)を向上させるためには、MgB2の粒同士の電気的結合度が高い、すなわち粒間の空隙・異相(未反応物、酸化物など)が少ないことが必要である。前述のin−situ法では、伸線加工後にMgB2を生成させるため、MgB2粒同士は結合しやすい。しかし、Mg+2B→MgB2の反応において体積収縮が起こるため、伸線加工後の充填率が約90%と高くても、熱処理後には67%に低下する。
in−situ法において、初期充填率を改善する方法として、原料粉末のメカニカルミリングが有効である。金属容器に、MgとBの粉末、金属ボールを入れて、遊星ボールミル装置を用いて高速で回転させることにより、硬いB粉が軟らかいMg粉にめり込んだ状態となる。その混合粉を金属管へ充填し、伸線加工すると、粉末粒子間の空隙がほとんどない状態となるため、初期充填率は100%に近い値となる。それにより、熱処理後の充填率も74%まで向上する。
一方、ex−situ法では、in−situ法のような体積収縮がないため、伸線加工後の高い充填率(約80%)が維持されるが、生成済みのMgB2粒同士は焼結し難いという難点がある。ex−situ法の焼結性を改善するために、MgB2粉にMgとBの混合粉を添加する中間的な方法(Premix法)もある。以上の技術に関連して、特許文献1および特許文献2が知られている。
線材のJc向上を目的として、メカニカルミリングした混合粉末によるin−situ法、ex−situ法、Premix法を採用した場合、確かに短尺試料のJcは向上する。ただし、線材を実用化するためには、長尺線材を製造可能であること、および、その通電特性が全長にわたって均一であることが重要であり、高いJc化と長尺均一性の両立が課題である。
線材の通電特性の長尺均一性とは、線材断面におけるMgB2コア形状の均一性である。すなわち、長手方向にわたってMgB2コアの形状に乱れがないこと(例えば円断面の単芯線の場合は、コア形状が真円に近いこと)、またコアの断面積が均一であることが要求される。
MgとBの粉末を軽く混合したin−situ法では、軟らかいMg粉末が伸線加工中に長手方向に伸びるため加工性が良く、周囲の金属シースへの負荷が小さい。そのため、コアの形状が乱れることなく、長尺均一性を確保しやすい。しかし、メカニカルミリングしたMgとBの混合粉末およびMgB2粉末は、Mg粉末と比べて硬いため、伸線加工中に金属シースを塑性変形させる。図1Aおよび図1Bにそのときの線材の横断面、縦断面をそれぞれ示す。伸線加工中にバリア層14が変形することで、MgB2コア断面の形状が長手方向に不均一となり、臨界電流(Ic)が不均一となる。さらに変形が進み、バリア層14が破れてしまうと、コア12に含まれるMgが熱処理中に安定化層15と反応してしまい、Icは急激に低下する。また、最悪の場合には、バリア層14のクラックが起点となり、伸線加工中の断線につながる。それを防ぐためにはバリア層14を厚くする必要があるが、それにより電流密度が低下する。
本発明の目的は、MgB2超電導線材の高Jc化と長尺均一性の両立に関する上記の課題を解決し、全長にわたって均一に、高い電流密度で通電可能な線材、および、その線材の製造方法を提供することである。
本発明者らは前記課題を解決するべく検討した結果、線材断面構成の改善により前記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。上記課題を解決する為に、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例をあげるならば、MgB2を含むコアと、前記コアを囲む金属シースとから構成されるMgB2超電導線材であって、前記コアが、中心側に位置する第1のMgB2コアと、前記第1のMgB2コアの外側に位置する第2のMgB2コアとを少なくとも備え、前記第2のMgB2コアの密度は、前記第1のMgB2コアの密度より小さいMgB2超電導線材が提供される。
また、その他の例によれば、上記課題を解決するMgB2超電導線材の製造方法が提供される。当該MgB2超電導線材の製造方法は、MgとBの粉末成形体を作製する工程と、前記MgとBの粉末成形体を金属管に充填する工程と、前記金属管を伸線加工する工程と、前記金属管を熱処理する工程と、を含み、前記MgとBの粉末成形体を作製する工程は、MgとBの混合粉の円柱状の第1の成形体を作製する工程と、MgとBの混合粉の円筒状の第2の成形体であって、前記第1の成形体よりも密度が小さい第2の成形体を作製する工程と、を含む。
本発明によれば、全長にわたって均一に、高い通電特性を有する超電導線材を提供することができる。
本発明に関連する更なる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、上記した以外の、課題、構成および効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。
本発明に関連する更なる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、上記した以外の、課題、構成および効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。
以下、添付図面を参照して本発明の実施例について説明する。なお、添付図面は本発明の原理に則った具体的な実施例を示しているが、これらは本発明の理解のためのものであり、決して本発明を限定的に解釈するために用いられるものではない。
[第1実施例]
図2Aおよび図2Bは、本発明の第1実施例におけるMgB2超電導線材の断面模式図の一例である。
本実施例のMgB2超電導線材1は、MgB2コア2と、MgB2コア2を囲む金属シース5とを備える。金属シース5は、コア2側に位置するバリア層6と、バリア層6の外側に位置する安定化層7とから構成される。
図2Aおよび図2Bは、本発明の第1実施例におけるMgB2超電導線材の断面模式図の一例である。
本実施例のMgB2超電導線材1は、MgB2コア2と、MgB2コア2を囲む金属シース5とを備える。金属シース5は、コア2側に位置するバリア層6と、バリア層6の外側に位置する安定化層7とから構成される。
本実施例の特徴として、MgB2コア2は、中心に位置する高密度MgB2コア3と、高密度MgB2コア3よりも密度が小さく、かつ高密度MgB2コア3の外側に位置する低密度MgB2コア4とから構成されている。したがって、低密度MgB2コア4が、金属シース5のバリア層6と隣接して配置されることになる。低密度MgB2コア4は、高密度MgB2コア3よりも密度が小さくなっているが、以下では、これらのコア3、4の詳細について説明する。
高密度MgB2コア3は、遊星ボールミル装置を用いてMgとBをメカニカルミリングした混合粉末(以下、強混合粉と呼ぶ)もしくはMgB2粉末を充填した部分である。高密度MgB2コア3には、図2Bの拡大図に示すように、数μm以下の微小な空隙8のみ存在する。なお、通電特性などを考慮すると、高密度MgB2コア3の密度は、MgB2の真密度(2.62g/cm)の70%以上であることが好ましい。
低密度MgB2コア4は、MgとBの粉末を軽く混合した粉末(以下、弱混合粉と呼ぶ)を充填した部分である。伸線加工時には、低密度MgB2コア4の部分に軟らかいMg粉末が存在するため、低密度MgB2コア4は、高密度MgB2コア3の部分とバリア層6との間の緩衝材として働く。それにより、バリア層6の変形が抑制されるため、バリア層6の破れや断線を防ぐことができる。ただし熱処理後には、Mgが存在していた部分が、MgB2超電導線材の長手方向に延びる扁平な空隙9となる。空隙9は、数十μm程度の大きさである。
本実施例のMgB2超電導線材を作製するためには、金属管への原料粉末充填時に、そのような構成にする必要がある。図4は、MgB2超電導線材における粉末充填方法を示す図である。図4の例では、バリア層6と安定化層7を有する金属管へ、高密度MgB2コア3の原料粉末および低密度MgB2コア4の原料粉末を充填する。その際に、設計通りの断面構成を実現するためには、それぞれの粉末を加圧成形体として充填することが望ましい。低密度MgB2コア4用の円筒状の弱混合粉成形体42の中に、高密度MgB2コア3用の円柱状の強混合粉成形体41を挿入する。成形体41、42からなる成形体を、所望の長さとなるように複数個金属管へ充填する。そのような成形体を充填することで、初期の粉末配置および粉末密度を制御することが可能となり、長尺均一性の向上につながる。
次に、本発明のMgB2超電導線材の製造方法について具体的に説明する。
<金属管作製>
金属管(金属シース5)は、バリア層6と安定化層7の二層構造とする。安定化層7は、短尺線材に試験的に通電するだけであれば無くても構わないが、コイルやケーブルとして使用する場合には必須である。本実施例では、バリア層6に鉄(Fe)、安定化層7に銅(Cu)を使用した。バリア層6には、熱処理中に充填したMg、Bと反応しないこと、また、細い線径まで伸線加工することが必要であるため、加工性が良いことが要求される。そのような材料としては、Feの他にニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、ニッケル(Ni)またはそれらを含む合金が使用可能である。
金属管(金属シース5)は、バリア層6と安定化層7の二層構造とする。安定化層7は、短尺線材に試験的に通電するだけであれば無くても構わないが、コイルやケーブルとして使用する場合には必須である。本実施例では、バリア層6に鉄(Fe)、安定化層7に銅(Cu)を使用した。バリア層6には、熱処理中に充填したMg、Bと反応しないこと、また、細い線径まで伸線加工することが必要であるため、加工性が良いことが要求される。そのような材料としては、Feの他にニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、ニッケル(Ni)またはそれらを含む合金が使用可能である。
安定化層7は、超電導体がクエンチ(常電導転移)したときに電流パスとなるように抵抗率が低いこと、また、特に冷媒フリーで伝導冷却する場合には、熱伝導率が高いことが要求される。そのような材料としては、Cuの他にアルミニウム(Al)、銀(Ag)、金(Au)、またはそれらを含む合金が使用可能である。バリア層6と安定化層7は事前に一体化しておくことが望ましい。その手法としては、機械的に圧力をかけて一体化させる方法や、電気化学的に被覆(めっき)する方法がある。本実施例では、Fe管にCuをめっきしたパイプを用いた。
<原料粉末>
本実施例では、高密度MgB2コア3の原料粉末として、MgとBをメカニカルミリングした混合粉(強混合粉)を使用し、この混合粉を金属管に充填した。具体的には、MgとBの粉末を化学量論組成になるよう秤量して、超硬合金であるタングステンカーバイド(WC)製の容器の中に、WC製のボールとともに入れ、遊星ボールミル装置によって400rpm×6hrの処理を行った。Mg粒子中にB粒子がめり込んだ状態になっていれば、混合方法は上記の方法でなくても構わない。また、本実施例では、MgとBの強混合粉を使用したが、MgB2粉末を充填することも高密度化には有効である。ただし粒同士の結合性を上げるためには、高温・長時間の熱処理が必要である。
本実施例では、高密度MgB2コア3の原料粉末として、MgとBをメカニカルミリングした混合粉(強混合粉)を使用し、この混合粉を金属管に充填した。具体的には、MgとBの粉末を化学量論組成になるよう秤量して、超硬合金であるタングステンカーバイド(WC)製の容器の中に、WC製のボールとともに入れ、遊星ボールミル装置によって400rpm×6hrの処理を行った。Mg粒子中にB粒子がめり込んだ状態になっていれば、混合方法は上記の方法でなくても構わない。また、本実施例では、MgとBの強混合粉を使用したが、MgB2粉末を充填することも高密度化には有効である。ただし粒同士の結合性を上げるためには、高温・長時間の熱処理が必要である。
低密度MgB2コア4の原料粉末には、MgとBを軽く混合した粉末(弱混合粉)を使用した。具体的には、MgとBの粉末を化学量論組成になるよう秤量し、SUS304製のボールと共にプラスチックの容器に入れ、ボールミル装置によって6hr混合した。この方法に限らず、Vミキサー、乳鉢による混合でも構わない。上記の粉末を扱う場合には、酸化を防ぐために、グローブボックス中で作業を行った。グローブボックス中の水分量と酸素量はいずれも10ppm以下に制御することが望ましい。高磁場中における通電特性を向上させる場合には、高密度MgB2コア3の原料粉末および低密度MgB2コア4の原料粉末に対して、炭素などの第3元素を添加することが有効である。
<粉末成形・充填>
上記のようにして得られた原料粉末を加圧して成形体を作製する。強混合粉を円柱状の金型に充填する。また、弱混合粉を円筒状の金型に充填する。そして、これらの金型をプレス機で加圧した。ここで作製された強混合粉の成形体および弱混合粉の成形体を金属管に充填した後、伸線加工によって密度が向上するため、ここでは大きな力で加圧する必要は無く、成形体が崩れずにハンドリングできる程度(数十MPa)で十分である。
上記のようにして得られた原料粉末を加圧して成形体を作製する。強混合粉を円柱状の金型に充填する。また、弱混合粉を円筒状の金型に充填する。そして、これらの金型をプレス機で加圧した。ここで作製された強混合粉の成形体および弱混合粉の成形体を金属管に充填した後、伸線加工によって密度が向上するため、ここでは大きな力で加圧する必要は無く、成形体が崩れずにハンドリングできる程度(数十MPa)で十分である。
円筒状の弱混合粉成形体42(低密度MgB2コア4用の成形体)に円柱状の強混合粉成形体41(高密度MgB2コア3用の成形体)を挿入し、それを金属管へ充填した。設計通りの線材断面構成を実現するためには、弱混合粉および強混合粉の両方を成形体として充填することが望ましいが、必須ではない。例えば、成形体作製の手間を削減するために、円筒状の弱混合粉成形体42を金属管へ充填した後、中央の穴へ強混合粉をタッピングで充填することも可能である。
<伸線加工>
上記のように原料粉末を充填した金属管を、1パス当たりの減面率(断面積減少率)が8〜12%の範囲内となるように、伸線装置を用いて加工を繰り返し、所望の直径(本実施例ではφ0.5mm)まで加工した。なお、伸線装置としては、静水圧押出機、ドローベンチ、伸線機、スエージャー、カセットローラーダイス、溝ロールなどを利用可能である。
上記のように原料粉末を充填した金属管を、1パス当たりの減面率(断面積減少率)が8〜12%の範囲内となるように、伸線装置を用いて加工を繰り返し、所望の直径(本実施例ではφ0.5mm)まで加工した。なお、伸線装置としては、静水圧押出機、ドローベンチ、伸線機、スエージャー、カセットローラーダイス、溝ロールなどを利用可能である。
<熱処理>
最後に、伸線加工した線材に対して、非酸化性雰囲気中、600℃以上850℃以下の温度で数分から数10時間保持する熱処理(焼結熱処理)を施す。これにより、MgB2相を生成させてMgB2超電導線材とする。当該熱処理は、充填粉末の望まない酸化を防ぐために、非酸化性雰囲気で行うことが望ましい。具体的には、アルゴン(Ar)、窒素(N2)などの不活性ガス、または中真空以上の真空度を有する真空(総称して非酸化性雰囲気)が望ましく、いずれにおいても水分と酸素の含有量が共に10ppm以下であることが望ましい。
最後に、伸線加工した線材に対して、非酸化性雰囲気中、600℃以上850℃以下の温度で数分から数10時間保持する熱処理(焼結熱処理)を施す。これにより、MgB2相を生成させてMgB2超電導線材とする。当該熱処理は、充填粉末の望まない酸化を防ぐために、非酸化性雰囲気で行うことが望ましい。具体的には、アルゴン(Ar)、窒素(N2)などの不活性ガス、または中真空以上の真空度を有する真空(総称して非酸化性雰囲気)が望ましく、いずれにおいても水分と酸素の含有量が共に10ppm以下であることが望ましい。
<長尺均一性評価>
以上のように作製したφ0.5mm×長さ300mの線材を、長さ30mごとに切断し、各端部のサンプリング(計11本)、樹脂埋め、研磨を行い、光学顕微鏡による断面観察を実施した。それによりMgB2コア形状の長尺均一性を評価した。具体的には、各断面において、MgB2コアの真円度(平均半径からのズレの最大値)およびMgB2コア面積のバラツキを評価した。比較のために、強混合粉末のみを充填した従来方法によって作製した線材についても同様の評価を行った。その結果、従来方法による線材では、MgB2コアの平均半径からのズレの最大値は平均約15%、MgB2コア面積のバラツキは平均値±5%程度であった。それに対し、本実施例による線材では、MgB2コアの平均半径からのズレの最大値は平均約5%であり、MgB2コア面積のバラツキは平均値±1%であった。これより強混合粉と弱混合粉の二層充填による長尺均一性向上の効果が確認された。
以上のように作製したφ0.5mm×長さ300mの線材を、長さ30mごとに切断し、各端部のサンプリング(計11本)、樹脂埋め、研磨を行い、光学顕微鏡による断面観察を実施した。それによりMgB2コア形状の長尺均一性を評価した。具体的には、各断面において、MgB2コアの真円度(平均半径からのズレの最大値)およびMgB2コア面積のバラツキを評価した。比較のために、強混合粉末のみを充填した従来方法によって作製した線材についても同様の評価を行った。その結果、従来方法による線材では、MgB2コアの平均半径からのズレの最大値は平均約15%、MgB2コア面積のバラツキは平均値±5%程度であった。それに対し、本実施例による線材では、MgB2コアの平均半径からのズレの最大値は平均約5%であり、MgB2コア面積のバラツキは平均値±1%であった。これより強混合粉と弱混合粉の二層充填による長尺均一性向上の効果が確認された。
<通電特性評価>
通電特性を向上させるためには、上記長尺均一性を確保できる範囲で、高密度MgB2コア3の断面積(線材の長手方向に対して垂直な断面の面積、図2Aの断面に相当)が広いことが望ましい。特に、高密度MgB2コア3の断面積が、コア2の全体の断面積の50%以上であることが好ましい。本実施例では、最終線径φ0.5mmのときの各層の外径は、Cu:φ0.5mm、Fe:φ0.4mm、低密度MgB2コア4(弱混合粉):φ0.3mm、高密度MgB2コア3(強混合粉):φ0.23mmであり、低密度コア:高密度コアの断面積比は約4:6であった。また、この例における高密度MgB2コア3の密度は、MgB2の真密度(2.62g/cm)の70%以上である。
通電特性を向上させるためには、上記長尺均一性を確保できる範囲で、高密度MgB2コア3の断面積(線材の長手方向に対して垂直な断面の面積、図2Aの断面に相当)が広いことが望ましい。特に、高密度MgB2コア3の断面積が、コア2の全体の断面積の50%以上であることが好ましい。本実施例では、最終線径φ0.5mmのときの各層の外径は、Cu:φ0.5mm、Fe:φ0.4mm、低密度MgB2コア4(弱混合粉):φ0.3mm、高密度MgB2コア3(強混合粉):φ0.23mmであり、低密度コア:高密度コアの断面積比は約4:6であった。また、この例における高密度MgB2コア3の密度は、MgB2の真密度(2.62g/cm)の70%以上である。
ここで、本実施例との比較のため、弱混合粉のみを充填した線材(比較例)を作製した。本実施例の線材および比較例の弱混合粉充填の線材について、MgB2コアの臨界電流密度(Jc)を磁化測定から評価し、その結果、20K、0〜5Tでは、平均して約15%のJc向上が確認できた。高密度MgB2コアの断面積比を大きくすれば、さらなるJc向上が期待される。
図5は、第1実施例のMgB2超電導線材の製造方法を示す図である。まず、上記のように、バリア層6と安定化層7の二層構造の金属管を作製する(510)。次に、上記で示したいずれかの方法によって、Mg粉とB粉を軽く混合し、MgとBの弱混合粉とする(521)。その後、円筒状の金型を用いて弱混合粉の成形体を作製する(522)その後、円筒状の弱混合粉成形体を金属管に充填する(520)。
また、Mg粉とB粉をメカニカルミリングで混合し、MgとBの強混合粉とする(531)。なお、高密度MgB2コア3の原料粉末として、MgB2粉末を用いてもよい。次に、円柱状の金型を用いて強混合粉(あるいは、MgB2粉末)の成形体を作製する(532)。その後、円柱状の強混合粉成形体を金属管に充填する(530)。なお、ここでは、弱混合粉成形体を金属管に充填し、その後、強混合粉成形体を金属管に充填する手順としたが、上述したように、弱混合粉成形体に強混合粉成形体を充填した後に、弱混合粉成形体および強混合粉成形体が一体となった成形体を金属管に充填する手順としてもよい。その後、上述した方法によって伸線加工し(540)、伸線加工した線材に対して熱処理を施す(550)。
[第2実施例]
次に、第2実施例について説明する。高密度MgB2コア3は、充填率が高い割に、粒同士の結合性が悪いという難点がある。それを改善するために、高密度MgB2コア3の原料粉末に、弱混合粉を添加することが有効である。弱混合粉を添加すると、硬い強混合粉もしくはMgB2粉の粒間に、小さなB粒子が入り込む。そこでMgB2が生成することによって、粒同士の接触面積が拡大し、焼結が促進される。
次に、第2実施例について説明する。高密度MgB2コア3は、充填率が高い割に、粒同士の結合性が悪いという難点がある。それを改善するために、高密度MgB2コア3の原料粉末に、弱混合粉を添加することが有効である。弱混合粉を添加すると、硬い強混合粉もしくはMgB2粉の粒間に、小さなB粒子が入り込む。そこでMgB2が生成することによって、粒同士の接触面積が拡大し、焼結が促進される。
図3Aおよび図3Bは、本発明の第2実施例におけるMgB2超電導線材の断面模式図の一例である。高密度MgB2コア3以外の構成は、第1実施例と同様であり、説明を省略する。本実施例では、高密度MgB2コア3の原料粉末に弱混合粉を添加することにより、高密度MgB2コア3が作製される。この場合、図3Bの拡大図に示すように、高密度MgB2コア3にMgの拡散による空隙9が生じる。したがって、高密度MgB2コア3では、数μm以下の微小な空隙8と数十μm程度の空隙9が混在する。空隙9が生じることにより、充填率は下がってしまうが、それよりも結合性改善の効果が大きいため、通電特性が改善される。
空隙9は、MgB2超電導線材の長手方向に延びる扁平な形状であり、低密度MgB2コア4内に存在する空隙9と同様の形状である。高密度MgB2コア3用の強混合粉に弱混合粉を添加するため、高密度MgB2コア3内の空隙9の占める割合は、低密度MgB2コア4内の空隙9の占める割合より小さい。なお、通電特性などを考慮して、高密度MgB2コア3内の空隙9の占める割合は、20%以下であることが好ましい。
図6は、第2実施例のMgB2超電導線材の製造方法を示す図である。第1実施例で説明した内容と同じ工程については図5と同じ番号を付して、説明を省略する。以下では、高密度MgB2コア3用の混合粉の成形体を作製する工程のみを説明する。
まず、Mg粉とB粉をメカニカルミリングで混合し、MgとBの強混合粉(第1の混合粉)を準備する(533)。なお、これの代替として、MgB2粉末を用いてもよい。また、弱混合粉用として上記で示したボールミル装置、Vミキサー、または乳鉢のいずれかによってMg粉とB粉を軽く混合し、MとBの弱混合粉(第2の混合粉)を準備する(534)。その後、MgとBの強混合粉とMgとBの弱混合粉とを軽く混合して、高密度MgB2コア3用の混合粉する(535)。その後、円柱状の金型を用いて、工程535で作製された混合粉の成形体を作製する(536)。
<通電特性評価>
第2実施例についても評価を行った。第2実施例として、第1実施例に記載の強混合粉(高密度MgB2コア3用の強混合粉)に10質量%の弱混合粉を加え、その他は第1実施例と同様に線材を作製した。第1実施例と同様にMgB2コアのJcを評価した結果、第1実施例の線材と比較して、さらに約15%のJc向上が確認できた。
第2実施例についても評価を行った。第2実施例として、第1実施例に記載の強混合粉(高密度MgB2コア3用の強混合粉)に10質量%の弱混合粉を加え、その他は第1実施例と同様に線材を作製した。第1実施例と同様にMgB2コアのJcを評価した結果、第1実施例の線材と比較して、さらに約15%のJc向上が確認できた。
以上の実施例によれば、全長にわたって均一に、高い通電特性を有する超電導線材を提供することができる。また、以上の実施例のMgB2超電導線材を用いることで、従来よりも高性能な超電導ケーブル、または超電導磁石(MRI、NMR等へ適用)の実現が可能である。
なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることがあり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
以上の実施例では、MgB2コア2を2つのコアで作製したが、3個以上のコアで作製してもよい。この場合、中心から外側に行くに従って、コアの密度が小さくなるように構成してもよい。
以上の実施例では、断面形状が円の丸線および単一のMgB2コアを有する単芯線を対象に説明したが、断面形状が四角の角線もしくはテープ線および複数のMgB2コアを有する多芯線についても、本発明によって同様の効果が期待できる。
1 :MgB2超電導線材
2 :MgB2コア
3 :高密度MgB2コア(第1のMgB2コア)
4 :低密度MgB2コア(第2のMgB2コア)
5 :金属シース
6 :バリア層
7 :安定化層
8 :空隙
9 :空隙
41 :強混合粉成形体
42 :弱混合粉成形体
2 :MgB2コア
3 :高密度MgB2コア(第1のMgB2コア)
4 :低密度MgB2コア(第2のMgB2コア)
5 :金属シース
6 :バリア層
7 :安定化層
8 :空隙
9 :空隙
41 :強混合粉成形体
42 :弱混合粉成形体
Claims (16)
- MgB2を含むコアと、前記コアを囲む金属シースとから構成されるMgB2超電導線材であって、
前記コアが、中心側に位置する第1のMgB2コアと、前記第1のMgB2コアの外側に位置する第2のMgB2コアとを少なくとも備え、前記第2のMgB2コアの密度は、前記第1のMgB2コアの密度より小さいことを特徴とするMgB2超電導線材。 - 請求項1に記載のMgB2超電導線材において、
前記第1のMgB2コアの密度が、MgB2の真密度(2.62g/cm)の70%以上であることを特徴とするMgB2超電導線材。 - 請求項1に記載のMgB2超電導線材において、
前記第1のMgB2コアの断面積が、前記コアの全体の断面積の50%以上であることを特徴とするMgB2超電導線材。 - 請求項1に記載のMgB2超電導線材において、
前記第1のMgB2コアの中に、当該MgB2超電導線材の長手方向に延びる空隙があることを特徴とするMgB2超電導線材。 - 請求項4に記載のMgB2超電導線材において、
前記第1のMgB2コア内の前記空隙は、前記第2のMgB2コア内に存在する空隙と同様の形状であり、前記第1のMgB2コア内の前記空隙の占める割合は、前記第2のMgB2コア内の前記空隙の占める割合より小さいことを特徴とするMgB2超電導線材。 - 請求項4に記載のMgB2超電導線材において、
前記第1のMgB2コア内の前記空隙の占める割合は、20%以下であることを特徴とするMgB2超電導線材。 - 請求項1に記載のMgB2超電導線材を用いた超電導ケーブルまたは超電導磁石。
- MgB2超電導線材の製造方法であって、
MgとBの粉末成形体を作製する工程と、
前記MgとBの粉末成形体を金属管に充填する工程と、
前記金属管を伸線加工する工程と、
前記金属管を熱処理する工程と、
を含み、
前記MgとBの粉末成形体を作製する工程は、
MgとBの混合粉の円柱状の第1の成形体を作製する工程と、
MgとBの混合粉の円筒状の第2の成形体であって、前記第1の成形体よりも密度が小さい第2の成形体を作製する工程と、
を含むことを特徴とするMgB2超電導線材の製造方法。 - 請求項8のMgB2超電導線材の製造方法において、
前記第1の成形体を作製する工程は、Mg粉とB粉をメカニカルミリングして第1の混合粉を準備することを含むことを特徴とするMgB2超電導線材の製造方法。 - 請求項9のMgB2超電導線材の製造方法において、
前記第1の成形体を作製する工程は、前記第1の混合粉を円柱状の金型に入れて加圧することを更に含むことを特徴とするMgB2超電導線材の製造方法。 - 請求項8のMgB2超電導線材の製造方法において、
前記第1の成形体を作製する工程は、MgB2粉末を円柱状の金型に入れて加圧することを含むことを特徴とするMgB2超電導線材の製造方法。 - 請求項9のMgB2超電導線材の製造方法において、
前記第1の成形体を作製する工程は、
Mg粉とB粉を、ボールミル装置、Vミキサー、または乳鉢のいずれかによって軽く混合して第2の混合粉を準備する工程と、
前記第1の混合粉と前記第2の混合粉とを混合して、前記第1の成形体用の混合粉を準備する工程と、
を含むことを特徴とするMgB2超電導線材の製造方法。 - 請求項8のMgB2超電導線材の製造方法において、
前記第1の成形体を作製する工程は、
Mg粉とB粉を、ボールミル装置、Vミキサー、または乳鉢のいずれかによって軽く混合して混合粉を準備する工程と、
MgB2粉末と前記混合粉とを混合して、前記第1の成形体用の混合粉を準備する工程と、
を含むことを特徴とするMgB2超電導線材の製造方法。 - 請求項8のMgB2超電導線材の製造方法において、
前記第2の成形体を作製する工程は、Mg粉とB粉を、ボールミル装置、Vミキサー、または乳鉢のいずれかによって軽く混合して前記第2の成形体用の混合粉を準備することを含むことを特徴とするMgB2超電導線材の製造方法。 - 請求項14のMgB2超電導線材の製造方法において、
前記第2の成形体を作製する工程は、前記混合粉を円筒状の金型に入れて加圧することを更に含むことを特徴とするMgB2超電導線材の製造方法。 - 請求項8のMgB2超電導線材の製造方法において、
前記MgとBの粉末成形体を金属管に充填する工程は、
円柱状の前記第1の成形体を円筒状の前記第2の成形体に挿入して、その後、前記第1の成形体及び前記第2の成形体からなる成形体を前記金属管に充填する工程、あるいは、
前記金属管に前記第2の成形体を充填し、その後、前記金属管に前記第1の成形体を充填する工程
のいずれかを含むことを特徴とするMgB2超電導線材の製造方法。
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