JP6307987B2 - 酸化物超電導薄膜線材 - Google Patents
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Description
本願発明は、レア・アース系の酸化物超電導層を有し、主として外表面を樹脂コートして使用される酸化物超電導薄膜線材に関する。
液体窒素の温度で超電導性を有する高温超電導材料の発見以来、ケーブル、限流器、マグネットなどの電力機器への応用を目指した高温超電導線材の開発が活発に行われている。中でも基板上にレア・アース系の酸化物超電導材料の薄膜（酸化物超電導層）を形成させた酸化物超電導薄膜線材が注目されている。
酸化物超電導薄膜線材は、一般的に金属基板上にセラミック製の中間層が形成された２軸配向性の基板と、前記基板上にエピタキシャル成長によって形成されたＲＥＢＣＯ（ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−δ：ＲＥはレア・アース）で示される酸化物超電導材料などからなる酸化物超電導層（以下、単に「超電導層」ともいう）と、前記超電導層上に気相成長によって形成された銀（Ａｇ）保護層と、線材の外周にめっきによって形成された銅（Ｃｕ）安定化層とを備えている。
このような酸化物超電導薄膜線材は、通常裸線のままではなく、Ｃｕ安定化層の周囲を電気絶縁用の樹脂でコートして使用される（例えば、特許文献１）。
しかしながら、従来の樹脂コートされた酸化物超電導薄膜線材は、樹脂コートの膨れや剥がれが発生して絶縁性が低下する恐れがあった。
そこで、本願発明は、樹脂コートの膨れや剥がれの発生を確実に防止することができる酸化物超電導薄膜線材を提供することを課題とする。
本願発明は、
金属基板上にセラミック製の中間層が形成された２軸配向性の基板と、
前記基板上に形成された酸化物超電導層と、
前記酸化物超電導層上に形成されたＡｇ保護層と、
前記基板、前記酸化物超電導層、前記Ａｇ保護層を積層させた積層体の外周に形成されたＣｕ安定化層とを備え、
前記積層体の外周に形成された前記Ｃｕ安定化層の上面と下面の表面粗さが、ＪＩＳ Ｂ０６０１ ２０１３の算術平均粗さＲａで０．３〜１μｍである酸化物超電導薄膜線材である。
金属基板上にセラミック製の中間層が形成された２軸配向性の基板と、
前記基板上に形成された酸化物超電導層と、
前記酸化物超電導層上に形成されたＡｇ保護層と、
前記基板、前記酸化物超電導層、前記Ａｇ保護層を積層させた積層体の外周に形成されたＣｕ安定化層とを備え、
前記積層体の外周に形成された前記Ｃｕ安定化層の上面と下面の表面粗さが、ＪＩＳ Ｂ０６０１ ２０１３の算術平均粗さＲａで０．３〜１μｍである酸化物超電導薄膜線材である。
本願発明によれば、樹脂コートの膨れや剥がれの発生を確実に防止することができる酸化物超電導薄膜線材を提供することができる。
［本願発明の実施形態の説明］
最初に本願発明の実施形態を列記して説明する。
最初に本願発明の実施形態を列記して説明する。
（１）本願発明の実施形態は、
金属基板上にセラミック製の中間層が形成された２軸配向性の基板と、
前記基板上に形成された酸化物超電導層と、
前記酸化物超電導層上に形成されたＡｇ保護層と、
前記基板、前記酸化物超電導層、前記Ａｇ保護層を積層させた積層体の外周に形成されたＣｕ安定化層とを備え、
前記積層体の外周に形成された前記Ｃｕ安定化層の上面と下面の表面粗さが、ＪＩＳ Ｂ０６０１ ２０１３の算術平均粗さＲａで０．３〜１μｍである酸化物超電導薄膜線材である。
金属基板上にセラミック製の中間層が形成された２軸配向性の基板と、
前記基板上に形成された酸化物超電導層と、
前記酸化物超電導層上に形成されたＡｇ保護層と、
前記基板、前記酸化物超電導層、前記Ａｇ保護層を積層させた積層体の外周に形成されたＣｕ安定化層とを備え、
前記積層体の外周に形成された前記Ｃｕ安定化層の上面と下面の表面粗さが、ＪＩＳ Ｂ０６０１ ２０１３の算術平均粗さＲａで０．３〜１μｍである酸化物超電導薄膜線材である。
本発明者は、樹脂コートの膨れや剥がれについて種々の検討を行った結果、樹脂コートと接するＣｕ安定化層の表面粗さが、上記した樹脂コートの膨れや剥がれに影響していることを見出した。
即ち、Ｃｕ安定化層の表面粗さが大きすぎる場合、Ｃｕ安定化層と樹脂コートとの間に隙間ができ、この隙間に滲み込んだ冷媒（液体窒素）が室温復帰時に気化するため、樹脂コートの膨れが発生する。
一方、Ｃｕ安定化層の表面粗さが小さすぎて表面が平滑すぎる場合、充分なアンカー効果が発揮できず、Ｃｕ安定化層と樹脂コートとの密着性が低下して樹脂コートの剥がれが発生する。
そして、さらに検討を重ねた結果、具体的には、Ｃｕ安定化層の上面と下面の表面粗さが、ＪＩＳ Ｂ０６０１ ２０１３の算術平均粗さＲａで１μｍを超えると樹脂コートの膨れが発生し、０．０５μｍを下廻ると樹脂コートの剥がれが発生するが、算術平均粗さＲａで０．０５〜１μｍであれば、これらが発生しないことが分かった。
なお、酸化物超電導薄膜線材は、一般的に厚みが０．１ｍｍ程度であり、側面の面積が極めて小さいため、側面において算術平均粗さＲａを測定することは困難である。このため、本実施形態においては、上面および下面の算術平均粗さＲａを指標として用いている。
（２）そして、前記酸化物超電導薄膜線材は、
前記Ｃｕ安定化層の上面と下面の表面粗さが、ＪＩＳ Ｂ０６０１ ２０１３の算術平均粗さＲａで０．３〜０．５μｍであることが好ましい。
前記Ｃｕ安定化層の上面と下面の表面粗さが、ＪＩＳ Ｂ０６０１ ２０１３の算術平均粗さＲａで０．３〜０．５μｍであることが好ましい。
上記したように、算術平均粗さＲａで０．０５〜１μｍであれば、樹脂コートの膨れや剥がれが発生しないが、０．１〜０．５μｍであると、より確実に樹脂コートの膨れや剥がれを防止することができる。
（３）また、前記酸化物超電導薄膜線材は、
さらに、前記Ｃｕ安定化層の外表面に、電気絶縁性の樹脂がコートされていることが好ましい。
さらに、前記Ｃｕ安定化層の外表面に、電気絶縁性の樹脂がコートされていることが好ましい。
上記した酸化物超電導薄膜線材は、Ｃｕ安定化層の上面および下面の表面粗さが適切な範囲に調整されているため、Ｃｕ安定化層の外表面を樹脂コートすることにより、樹脂コートの膨れや剥がれが発生して絶縁性が低下する恐れがない酸化物超電導薄膜線材を提供することができる。
[本願発明の実施形態の詳細]
以下、本願発明を実施形態に基づき、図面を参照して説明する。なお、本願発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
以下、本願発明を実施形態に基づき、図面を参照して説明する。なお、本願発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１．酸化物超電導薄膜線材
はじめに酸化物超電導薄膜線材について説明する。本実施形態の酸化物超電導薄膜線材は、Ｃｕ安定化層の上面と下面の表面粗さが、ＪＩＳ Ｂ０６０１ ２０１３の算術平均粗さＲａで０．０５〜１μｍであること以外は、基本的には従来の一般的な酸化物超電導薄膜線材と同じである。
はじめに酸化物超電導薄膜線材について説明する。本実施形態の酸化物超電導薄膜線材は、Ｃｕ安定化層の上面と下面の表面粗さが、ＪＩＳ Ｂ０６０１ ２０１３の算術平均粗さＲａで０．０５〜１μｍであること以外は、基本的には従来の一般的な酸化物超電導薄膜線材と同じである。
上記したように、本実施形態の酸化物超電導薄膜線材は、酸化物超電導薄膜線材のＣｕ安定化層の上面および下面の表面粗さを、ＪＩＳ Ｂ０６０１ ２０１３の算術平均粗さＲａで０．０５〜１μｍ、好ましくは、０．１〜０．５μｍとすることにより、隙間に冷媒が滲み込むことにより生じる樹脂コートの膨れの発生を確実に防止することができると共に、充分なアンカー効果を発揮させることにより樹脂コートの剥がれを確実に防止することができる。
図１は本実施形態の酸化物超電導薄膜線材の構成を模式的に示す横断面図である。酸化物超電導薄膜線材１は、金属基板１１上にセラミック製の中間層１２が形成された２軸配向性の基板と、前記基板上にエピタキシャル成長によって形成された超電導層１３と、超電導層１３上に形成されたＡｇ保護層１４と、金属基板１１、中間層１２、超電導層１３、Ａｇ保護層１４を積層させた積層体の外周を被覆するように形成されたＣｕ安定化層１５とを備えている。なお、１６と１７はそれぞれＣｕ安定化層１５の上面と下面であり、１８は側面である。
また、酸化物超電導薄膜線材１は、一般的に幅が２〜１０ｍｍ、厚みが０．０５〜０．２ｍｍのサイズの酸化物超電導薄膜線材が用いられ、好ましい一例として、幅が４ｍｍであり、厚みが０．１ｍｍの酸化物超電導薄膜線材が挙げられる。
（１）金属基板
金属基板１１には、表面が２軸配向している配向金属基板、もしくはＳＵＳ、ハステロイ基板が用いられる。配向金属基板としては、具体的にはＮｉ合金基板、ＳＵＳやハステロイをベース金属とし、Ｃｕ、Ｎｉなどを貼り合わせたクラッドタイプの金属基板などが挙げられる。
金属基板１１には、表面が２軸配向している配向金属基板、もしくはＳＵＳ、ハステロイ基板が用いられる。配向金属基板としては、具体的にはＮｉ合金基板、ＳＵＳやハステロイをベース金属とし、Ｃｕ、Ｎｉなどを貼り合わせたクラッドタイプの金属基板などが挙げられる。
（２）中間層
金属基板として配向金属基板が用いられる場合、中間層１２は、金属基板１１側から順に金属基板１１の配向を引き継いでエピタキシャル成長させるためのシード層（種層）、金属基板１１の金属元素が超電導層１３側に拡散するのを防止するためのバリア層（拡散防止層）、超電導層１３と格子整合性を有し、超電導層１３をエピタキシャル成長させるためのキャップ層（格子整合層）の多層構造で形成されており、例えば、Ｙ２Ｏ３、ＹＳＺ、ＣｅＯ２の３層構造の中間層が好ましく用いられ、例えばＲＦスパッタ法を用いて形成される。
金属基板として配向金属基板が用いられる場合、中間層１２は、金属基板１１側から順に金属基板１１の配向を引き継いでエピタキシャル成長させるためのシード層（種層）、金属基板１１の金属元素が超電導層１３側に拡散するのを防止するためのバリア層（拡散防止層）、超電導層１３と格子整合性を有し、超電導層１３をエピタキシャル成長させるためのキャップ層（格子整合層）の多層構造で形成されており、例えば、Ｙ２Ｏ３、ＹＳＺ、ＣｅＯ２の３層構造の中間層が好ましく用いられ、例えばＲＦスパッタ法を用いて形成される。
金属基板１１としてＳＵＳ、ハステロイ基板が用いられる場合、中間層１２は、ＩＢＡＤ（Ｉｏｎ Ｂｅａｍ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法にて形成する結晶配向層、および超電導層１３をエピタキシャル成長させるためのキャップ層の多層構造で形成されており、例えば、Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７、ＣｅＯ２が好ましく用いられる。
（３）超電導層
超電導層１３は、エピタキシャル成長によって２軸配向させた例えばレア・アース系の酸化物超電導材料で形成され、具体的には、例えばＹＢＣＯ（ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−δ）やＧｄＢＣＯ（ＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−δ）が用いられる。超電導層１３の形成にはＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＭＯＤ（塗布熱分解）法などの方法が用いられる。
超電導層１３は、エピタキシャル成長によって２軸配向させた例えばレア・アース系の酸化物超電導材料で形成され、具体的には、例えばＹＢＣＯ（ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−δ）やＧｄＢＣＯ（ＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−δ）が用いられる。超電導層１３の形成にはＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＭＯＤ（塗布熱分解）法などの方法が用いられる。
（４）Ａｇ保護層
超電導層１３上にＡｇ保護層１４が設けられている。Ａｇ保護層１４の形成には例えばスパッタ法が用いられる。なお、Ａｇ保護層１４の形成後、必要に応じて酸素雰囲気中で熱処理（酸素アニール）が行われる。
超電導層１３上にＡｇ保護層１４が設けられている。Ａｇ保護層１４の形成には例えばスパッタ法が用いられる。なお、Ａｇ保護層１４の形成後、必要に応じて酸素雰囲気中で熱処理（酸素アニール）が行われる。
（５）Ｃｕ安定化層
Ｃｕ安定化層１５は、金属基板１１上に、中間層１２、超電導層１３、Ａｇ保護層１４を積層させた積層体の外周にめっき処理を行うことにより形成される。本実施形態において、このＣｕ安定化層１５は、上面１６と下面１７の表面粗さが、算術平均粗さＲａで０．０５〜１μｍに設定されている。
Ｃｕ安定化層１５は、金属基板１１上に、中間層１２、超電導層１３、Ａｇ保護層１４を積層させた積層体の外周にめっき処理を行うことにより形成される。本実施形態において、このＣｕ安定化層１５は、上面１６と下面１７の表面粗さが、算術平均粗さＲａで０．０５〜１μｍに設定されている。
このような表面粗さは、例えば、Ｃｕ安定化層１５を形成するめっきの条件を調整することにより得ることができる。具体的なめっき条件は例えば以下の通りである。
・めっき液
組成：硫酸銅 １００ｇ／ｌ
硫酸 １５０ｇ／ｌ
・電流密度：１〜１０Ａ／ｄｍ２
組成：硫酸銅 １００ｇ／ｌ
硫酸 １５０ｇ／ｌ
・電流密度：１〜１０Ａ／ｄｍ２
上記した条件で所定時間めっき処理することにより、上面１６及び下面１７の算術平均粗さＲａが０．０５〜１μｍのＣｕ安定化層１５を形成することができる。
なお、上記しためっき条件により上面１６及び下面１７の表面粗さを調整することに替えて、Ｃｕ安定化層１５を形成した後、上面１６及び下面１７に機械研磨等を施すことにより、上面１６及び下面１７の算術平均粗さＲａを０．０５〜１μｍに調整してもよい。
２．樹脂コートされた酸化物超電導薄膜線材
次に、樹脂コートされた酸化物超電導薄膜線材について説明する。図２は樹脂コートされた酸化物超電導薄膜線材の構成を模式的に示す横断面図である。この酸化物超電導薄膜線材は、Ｃｕ安定化層１５の外表面が樹脂コート２１で被覆されている。
次に、樹脂コートされた酸化物超電導薄膜線材について説明する。図２は樹脂コートされた酸化物超電導薄膜線材の構成を模式的に示す横断面図である。この酸化物超電導薄膜線材は、Ｃｕ安定化層１５の外表面が樹脂コート２１で被覆されている。
樹脂コート２１には、材質がポリイミド、エポキシ樹脂などの電気絶縁性の樹脂が用いられ、肉厚が５〜２０μｍになるようにＣｕ安定化層１５の外表面に形成される。
コート方法には、原料樹脂を液状にしてＣｕ安定化層１５の外表面に塗布した後、加熱または光照射により硬化させる方法などが好ましく用いられる。このようにして樹脂がコートされた酸化物超電導薄膜線材は、上面１６および下面１７の算術平均粗さＲａが適切に調整されているＣｕ安定化層１５の上に樹脂のコートが行われているため、樹脂コート２１の膨れや剥がれの発生が確実に防止されて、樹脂コート２１による絶縁性を充分に発揮させることができる酸化物超電導薄膜線材を提供することができる。
［実験例］
次に、実験例に基づき、本願発明をより具体的に説明する。
次に、実験例に基づき、本願発明をより具体的に説明する。
１．酸化物超電導薄膜線材の作製
最初に、金属基板として、厚み１００μｍ、幅３０ｍｍ、長さ１００ｍのＳＵＳ／Ｃｕ／Ｎｉクラッド材を用意した。
最初に、金属基板として、厚み１００μｍ、幅３０ｍｍ、長さ１００ｍのＳＵＳ／Ｃｕ／Ｎｉクラッド材を用意した。
次に、金属基板上に、スパッタ法を用いて、厚み０．５μｍの３層構造の中間層（Ｙ２Ｏ３：０．２μｍ、ＹＳＺ：０．２μｍ、ＣｅＯ２：０．１μｍ）を形成した。
次に、ＰＬＤ法を用いてＧｄＢＣＯ酸化物超電導層（厚み４μｍ）を形成した後、スパッタ法を用いてＡｇ安定化層（厚み３μｍ）を形成して積層体とし、幅広の酸化物超電導薄膜線材を作製した。そして、幅広の酸化物超電導薄膜線材を幅４ｍｍに細線化した。
そして、細線化した積層体の外周に、以下に示す条件でめっき処理を行い、電流密度を調整することにより、表１のそれぞれに示す算術平均粗さＲａでＣｕ安定化層を形成して、実験例１〜７の試験体を作製した。
・めっき液
組成：硫酸銅 １００ｇ／ｌ
硫酸 １５０ｇ／ｌ
・電流密度：１〜１０Ａ／ｄｍ２
組成：硫酸銅 １００ｇ／ｌ
硫酸 １５０ｇ／ｌ
・電流密度：１〜１０Ａ／ｄｍ２
次に、各実験例の酸化物超電導薄膜線材のＣｕ安定化層の外表面に、電気絶縁性の樹脂であるポリイミドを厚さ８μｍ被覆して、樹脂コートされた酸化物超電導薄膜線材を作製した。
２．評価
（１）膨れ試験
樹脂コートされた酸化物超電導薄膜線材を、液体窒素に１分程度浸漬して冷却した後、液体窒素から取り出して室温まで戻すという操作を５回繰り返し、膨れが発生していないかを目視にて観察することにより、各実験例の樹脂コートの膨れの程度を評価した。結果を表１に示す。
（１）膨れ試験
樹脂コートされた酸化物超電導薄膜線材を、液体窒素に１分程度浸漬して冷却した後、液体窒素から取り出して室温まで戻すという操作を５回繰り返し、膨れが発生していないかを目視にて観察することにより、各実験例の樹脂コートの膨れの程度を評価した。結果を表１に示す。
（２）剥がれ試験
樹脂コートされた酸化物超電導薄膜線材を、液体窒素に１分程度浸漬して冷却した後、液体窒素から取り出して室温まで戻すという操作を５回繰り返し、剥がれが発生していないかを目視にて観察することにより、各実験例の樹脂コートの剥がれ易さの程度を評価した。結果を表１に示す。
樹脂コートされた酸化物超電導薄膜線材を、液体窒素に１分程度浸漬して冷却した後、液体窒素から取り出して室温まで戻すという操作を５回繰り返し、剥がれが発生していないかを目視にて観察することにより、各実験例の樹脂コートの剥がれ易さの程度を評価した。結果を表１に示す。
（３）Ｉｃ評価
膨れ試験および剥がれ試験の実施前後で臨界電流値Ｉｃの評価を、７７Ｋ、自己磁場下にて行い、試験後の線材に劣化が生じていないかを確認した。結果を表１に示す。
膨れ試験および剥がれ試験の実施前後で臨界電流値Ｉｃの評価を、７７Ｋ、自己磁場下にて行い、試験後の線材に劣化が生じていないかを確認した。結果を表１に示す。
表１より、算術平均粗さＲａが１μｍ以下の実験例１〜６は、Ｃｕ安定化層が平滑であるため、樹脂コートの膨れが適切に防止できていることが確認された。
また、算術平均粗さＲａが０．０５μｍ以上の実験例２〜７は、充分なアンカー効果を発揮できる程度の表面粗さを有しているため、樹脂コートの剥がれが適切に防止できていることが確認された。
このことから、Ｃｕ安定化層の上面と下面の表面粗さが、算術平均粗さＲａで０．０５〜１μｍである実験例２〜６の場合、樹脂コートの膨れや剥がれの発生を確実に防止できることが確認された。
さらに、Ｃｕ安定化層の上面と下面の表面粗さが、算術平均粗さＲａで０．１〜０．５μｍである実験例３〜５の場合、試験後のＩｃ低下量が小さいため、より確実に、樹脂コートの膨れや剥がれの発生を確実に防止できていることが分かる。
そして、上記の結果は、酸化物超電導層をＧｄＢＣＯ酸化物超電導層からＹＢＣＯ酸化物超電導層に変更しても、ＧｄＢＣＯ酸化物超電導層の場合と同様であった。
本願発明は、レア・アース系などの酸化物超電導層を備える酸化物超電導薄膜線材において、樹脂コートの膨れや剥がれの発生を確実に防止することを可能にするものであり、酸化物超電導薄膜線材の実用化の一層の推進に寄与する。
１ 酸化物超電導薄膜線材
１１ 金属基板
１２ 中間層
１３ 超電導層
１４ Ａｇ保護層
１５ Ｃｕ安定化層
１６ 上面
１７ 下面
１８ 側面
２１ 樹脂コート
１１ 金属基板
１２ 中間層
１３ 超電導層
１４ Ａｇ保護層
１５ Ｃｕ安定化層
１６ 上面
１７ 下面
１８ 側面
２１ 樹脂コート
Claims (3)
- 金属基板上にセラミック製の中間層が形成された２軸配向性の基板と、
前記基板上に形成された酸化物超電導層と、
前記酸化物超電導層上に形成されたＡｇ保護層と、
前記基板、前記酸化物超電導層、前記Ａｇ保護層を積層させた積層体の外周に形成されたＣｕ安定化層とを備え、
前記積層体の外周に形成された前記Ｃｕ安定化層の上面と下面の表面粗さが、ＪＩＳ Ｂ０６０１ ２０１３の算術平均粗さＲａで０．３〜１μｍである酸化物超電導薄膜線材。 - 前記Ｃｕ安定化層の上面と下面の表面粗さが、ＪＩＳ Ｂ０６０１ ２０１３の算術平均粗さＲａで０．３〜０．５μｍである請求項１に記載の酸化物超電導薄膜線材。
- さらに、前記Ｃｕ安定化層の外表面に、電気絶縁性の樹脂がコートされている請求項１または請求項２に記載の酸化物超電導薄膜線材。
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