JP6775215B2 - 鉄系超伝導永久磁石およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、米国国立科学財団の材料研究所により与えられた認可番号DMR1306785、DMR1157490の下に、米国政府の支援によりなされた。米国政府は、本発明に一定の権利を有する。
前記鉄系多結晶は、層状構造を構成するFeの正方格子を含む。
前記鉄系多結晶は、As、P、S、Se、Te、FまたはOを含む、1つ以上のアニオン原子をさらに含んでいてもよい。
鉄系粉末を準備するステップと、
前記鉄系粉末を第1容器内で圧縮するステップと、
前記鉄系粉末を第2容器内で熱処理するステップと、
約40Kより低い温度で前記鉄系多結晶を磁化して鉄系多結晶超伝導永久磁石を得るステップと、を含む
方法が提供される。
前記鉄系多結晶を磁化して鉄系多結晶超伝導永久磁石を得るステップは、磁場、パルス磁場、電場または電磁場を用いて前記鉄系多結晶を磁化するステップをさらに含んでいてもよい。
高磁場バルク磁石は、高いJc bulkと大きいrを有し、明確に定義された形状を有していることが必要である。したがって、磁場捕捉能力は、Jc(H)(Ba122についてHc2>90T)と機械的強度により大部分が制限される。
対照的に、MgB2は、固有の電流ブロックを受けず、また、直径が大きい多結晶バルクとして製造できる。しかし、現在のところ、MgB2は、Hc2(限界Jc(H))が十分に高くなく、高磁場用途に関してYBCOと張り合うことができない。
Ba122は、YBCOおよびMgB2よりもTcとJcが低いにもかかわらず、MgB2の形状自由度を有し、高磁場においてより良好なJc(H)特性を示す。
2つのHIP熱処理を実施してから再度ミリング加工を実施し、その後、約3gから約5gのBa122のパウダーを圧縮して直径15.9mmのペレットとし、276MPaでの冷間等方圧加圧法(CIP)によりさらに圧縮した。
次に、これらをAg箔でラッピングし、鋼管内に挿入した。鋼管は、予めペレットと箔を合わせた直径を有するように慎重に加工し、真空下で両端に栓をして溶接したものを用いた。
栓は、ペレットに向かって面取りし、鋼管がペレットの周囲を圧縮しやすくなるようにした。
次に、溶融チューブを揺動させかつ冷間等方圧加圧し、サンプルの直径を約10%低下させた。
最後に、熱間等方圧加圧法により、600℃で10時間、再度熱処理を行った。熱処理の後、ダイヤモンドソーを用いて鋼管をスライスし、ペレット表面を露出させた。
25gから2000gの負荷を用いて、ペレットの表面に対して室温でビッカース硬度(HV)の測定を行った。
光学顕微鏡と走査型電子顕微鏡を用いて、微小なくぼみ(micro-indentations)の検討、測定を行った。
クライオスタットの大きさが限られているので、MOイメージングは厚さ3.7mmのサンプルに対して実施した。
次に、スペーサの片面に、トランスバース型極低温ホールセンサを含む直径約10mm、総厚さ約18.4mmのディスク形状122のバルクを積層し、ペレット間の磁束密度を測定した。
スタックの外側端に別のホールセンサを取り付けた。8Tの外部磁場を印加した状態で、ギフォードマクマホン極低温冷却器により約5Kまで冷却し、その後、外部磁場を取り除いた。
磁化を磁場中冷却し、外部磁場をゼロまで低下させた後、バルク内に捕捉された磁束密度を、スペーサの中心で、温度を上昇させつつ(0.2K/分の割合で)、さらに、これとは別に時間の関数として測定した。
磁気ヒステリシスループの測定について、サンプルを5Kまで零磁場冷却し、サンプルスタック中の磁束密度を、増減する外部磁場の関数として記録した。
ビッカース押込み(Vickers hardness indentation)の結果は、バルク材料が約1GPaより大きい高硬度と約1MPam0.5より大きい破壊靱性を有することを示している。
サンプル直径が比較的小さく、高磁場中で大きな不可逆磁場(>90T)と小さなJCの減衰とを示すBa0.6K0.4Fe2As2を用いると、より大きなバルクは、10Tを超える非常に高い磁場を捕捉すると予想される。
多結晶は、テクスチャ構造であっても非テクスチャ構造であってもよい。
図1Bは、Fe系超伝導体(122相)115の多結晶構造を示す。
多結晶構造は、Fe原子125、アルカリ土類金属130およびプニクチド原子135を含んでいる。
HVの平均値は3.5(±0.2)GPaであった。
くぼみの角からクラックが伝播するのが観察された。これは、脆性材料では一般的に起こる。
図3Aは、厚さ3.7mmのバルクの1つの光学像を示している。
サンプル全体にわたって循環するバルク電流が生成する磁束密度を、磁気光学イメージングにより、図3Bと図3Cに示している。
図3Bと図3Cは、120mTの磁場を印加し、その後サンプルをT c からそれぞれ11Kと20Kまで磁場中冷却し、続けて磁場を取り除いたことにより捕捉された誘導電流により生じる残留磁束密度(Happ=0)を示している。
画像は、巨視的に見て均一である、周縁部での捕捉磁場勾配を示している。
図3Bと図3Bに示す淡いコントラストは、サンプルの表面に対して垂直な方向の磁束密度が大きいことに対応している。
H2は、H1から3.7mm離れた位置(最大の磁場が生じると予測されるスタックの中央から5.5mmの位置)に配置した。
5Kで、バルクスタックは、外側表面上(H1)で0.68Tの磁場を捕捉し、バルク間(H2)で1.02Tの磁場を捕捉した。
捕捉磁場の大きさは、温度の上昇とともに低下し、Tc(約33K)で消失した。
磁石スタックの全厚さと実験的にH1から得た捕捉磁場を用いて、ビオサバール近似により巨視的電流密度の平均値を求めたところ、約50kAcm2であった。
これは、T=4.2K、Happ=0.6Tで小さいバルクサンプルに対して局所的磁化測定を行うことにより得られたJcに合う。
一例では、磁化した磁石の予期しない急冷により、外部磁場が、2T/secより大きい傾斜率に対応する、Happ=1.5Tから0Tまで急速に(1秒以内で)、除去された。磁束が急激に除去されたにもかかわらず、予想される臨界状態に素早く移行した捕捉磁場の値および磁気クリープの挙動は、Happがゆっくりと除去された制御プロセス中のデータと同一であった。
この実施形態では、サンプルを5Kまでゼロ磁場冷却し、サンプルスタック内部(H2)での磁束密度を、外部磁場の大きさを上昇、低下させつつ記録した。
差し込み図は、測定した最大磁場(8T)を超えてもヒステリシスループが開いた状態を維持していることを示している。
サンプルは、0.7TのHappよりも小さい磁場で良好な遮蔽挙動を示した。また、ヒステリシスループは、8T(磁化した磁石の最大印加磁場である)より大きいHappで開いた状態を維持した(差し込み図を参照)。
捕捉磁場は、5Kの状態で1日経過させた後、約3%減衰した。
図6Bは、5K、10Kおよび20Kでの捕捉磁場の緩和を正規化して時間の関数として示したグラフである。
磁石のクリープ速度は、熱的に活性化された磁束密度のデピンニングに起因して、維持する温度の上昇とともに増加した。
捕捉磁場は、20Kの状態で1日経過させた後、約7%減衰した。
図6Aと図6Bに示す磁束のクリープ状態では、大きいKドープBa122の固有の特性に起因して生じる磁場が若干減衰していることが示されている。
超伝導永久磁石として実際に利用する場合、この臨界状態からの調整を行って磁束の状態を熱的に安定化させて約0.1ppm/h未満とし、これにより減衰を大幅に小さくする。
したがって、磁場を捕捉した後、温度、電流および磁場のうち何れかまたはすべてを制御し、臨界状態で生じる磁場よりも安定化した磁場を生成させることができる。
パウダーインチューブ技術とその後に行う低温反応により、幾つかのバルクを1回で製造できる。
次に、バルクをスライスして所望の厚さとしてもよい。ここで、HIPの長さと直径により、最大バルク寸法が制限される。
さらに、鋼チューブには補強リングを追加する。この補強リングは、バルクの機械的強度をさらに向上させるように容易に設計可能なものであってよい。バルクの機械的強度の向上は、REBCOバルクを用いた高強度磁場を捕捉する上で非常に重要であることが照明されている。
捕捉磁場と電流との相互作用によりJc×Bに比例して大きくなる機械的な力が生じるので、高強度バルクと外部補強が重要である。
高い破壊靱性(Kc)を有する超伝導体は、その脆性破壊する構造に起因して、高磁場用途で用いられることが望ましい。
微小なくぼみの角部から伝播する微小クラックの長さから、以下の式に従って、Kcは大まかに約2.35(±0.14)MPam0.5であると計算した。
この破壊靱性は、単結晶MnドープBa122、熱間等方圧加圧法により製造したMgB2、トップシード溶融成長(top-seeded melt-grown)法により製造したバルクYBCOを凌ぎ、ほぼ多結晶Al2O3に等しい。
表1には、YBCOとMgB2のバルクと比較した場合のBa122の特性をまとめている。
磁化プロセス中、磁化している磁石を急冷したときであっても、ホール効果の測定で磁束なだれ(flux avalanche)は観測されなかった。上述のとおり、これは、Ba122が、MgB2やYBCOのバルクと比べて磁束ジャンプや磁束なだれを起こしにくいことを示している。
これは、金属Ba122バルクの高い熱伝導率に、または、ここでテストされたサンプルのサイズが小さいことに起因する良好な熱安定性に起因する可能性がある。
図3によって支持された高いHirrは、高磁場を捕捉するためにBa122バルクを使用する可能性を示唆しているが、磁気クリープ速度(5Kで、1日後に3%未満)は、依然としてMgB2の場合(20Kで1.5%未満)より高い。
図7Bは、図7Aに示すバルクJc(H)のデータを用いて計算したKドープBa122とMgB2の最大Btrappedをrの関数として示している。
この計算は、無限に長い円筒に対して行ったものであり、径方向の磁場依存性Jcを考慮している。
無限に長い円筒形状(A0=1)では、局所的電流密度j(x)は自己場に起因して径方向x(0<x<r)で変化するが、周方向および長さ方向では変化しない。
したがって、局所的磁束密度b(x)とj(x)は以下の式を用いて計算できる。
文献でのMgB2バルク磁石は通常はドープされておらず、図7(b)に示した4.2Kでの高磁場捕捉能力は実証されていないが、CドープMgB2バルク材料についてJcのデータを含めたものとした。
低磁場でrが小さい場合には、MgB2はBa122を凌いでいるが、Ba122バルクは、低温で、YBCOの大きさ制限を超えて(r>50mm)非常に高い性能を有し、r≧92mmのサンプルでは20KであってもMgB2よりも高強度の磁場を捕捉できるだろう。
このような大きなバルクは、エネルギー貯蔵用途における磁気浮上に有用であり、コンパクト磁気共鳴装置において高磁場を提供することができる。
スタック中央での磁場の大きさは、この値の約2倍(約1.36T)であると考えられる。
H1とスタック中央との間に位置するH2で測定した値は1.02Tであった。これは、0.68Tと1.36Tの間の値である。
5mmまでの半径の、予測される1.36Tまでの中央の捕捉磁場は、図7Bに示された理想的な最大捕捉磁場の約65%である。これはおそらく、サンプルの有限の厚さと、図7Aに示されたものよりもわずかに低いJC(H)の挙動とが原因である。
ただし、文献で報告されているBa122、Sr122のJc特性が改善していることに鑑みれば、加工と粒子の部分配置をより良好に行うことにより、Jcを改善する余地がまだ十分に存在する。
以下に留意することが重要である。つまり、図7Bに示す値はJc(H)に比例して大きくなるので、Ba122が低磁場であってもMgB2に十分匹敵するために必要なことは、Jc(H)が適度に改善することである。
磁気光学イメージングは、新規材料が、サンプル全体にわたって循環する巨視的電流を有することを提示している。
捕捉磁場の時間依存性は、磁気クリープ速度が小さいことを示している(5Kで24時間経過させた後、約3%)。
ビッカース押込みは、バルク材料が3.5GPaまでの硬度と、2.35MPam0.5までの破壊靱性とを有することを示している。
大きいバルクでは、KドープBaFe2As2のHc2が大きくなることを考えれば、より大きい磁場を捕捉することが期待される。
Jc(H)を適度に改善することにより、Ba122バルクは、永久磁石用途において、REBCOおよびMgB2に対して非常に高い競争力を持つであろう。
Claims (21)
- 超伝導多結晶バルクを含む超伝導永久磁石であって、
前記超伝導多結晶バルクは、アルカリ土類金属と、鉄原子と、1つ以上のプニクチドとを含み、
前記超伝導多結晶バルクの結晶粒は、10μmより小さく、
前記超伝導永久磁石は、40Kより低い温度で、最大で1Tより大きい磁場を捕捉でき、
前記超伝導多結晶バルク中には、BaXO 3 [Xは、Zr、Sn、Hf及びTiからなる群から選択される少なくとも一種の元素である。]で表される化合物からなる粒径30nm以下のナノ粒子が、1×10 21 m −3 以上の体積密度で分散していない、
超伝導永久磁石。 - 前記超伝導永久磁石は、超伝導多結晶バルクディスクのスタックを含む、
請求項1に記載の超伝導永久磁石。 - 前記超伝導多結晶バルクは、層状構造を構成する鉄原子の正方格子を含む、
請求項1に記載の超伝導永久磁石。 - 前記超伝導多結晶バルクは、1つ以上の多結晶円筒のスタックを更に含む、
請求項1に記載の超伝導永久磁石。 - 前記超伝導多結晶バルクは、非テクスチャ構造の多結晶化合物を含む、
請求項1に記載の超伝導永久磁石。 - 前記超伝導多結晶バルクは、テクスチャ構造の多結晶化合物を含む、
請求項1に記載の超伝導永久磁石。 - 前記永久磁石の所定領域内で、空間的かつ時間的に、略均一に磁場が分布している、
請求項1に記載の超伝導永久磁石。 - 前記超伝導多結晶バルクは、ビッカース硬度が1GPaより大きい多結晶化合物を含む、
請求項1に記載の超伝導永久磁石。 - 前記超伝導多結晶バルクは、1MPam0.5より大きい破壊靱性を示す多結晶化合物を含む、
請求項1に記載の超伝導永久磁石。 - 磁力線群に対して垂直な平面において、磁力線群の中心から前記平面のエッジまでの最短距離が1mm以上10000mm以下である、
請求項1に記載の超伝導永久磁石。 - 導電体材料または絶縁体材料との複合材を形成する、
請求項1に記載の超伝導永久磁石。 - 超伝導多結晶バルクを含む超伝導永久磁石であって、
前記超伝導永久磁石の前記超伝導多結晶バルクは、少なくとも1つの超伝導多結晶バルクディスクをさらに含み、
前記少なくとも1つの超伝導多結晶バルクディスクは、
層状構造を構成する鉄原子の正方格子と、
1つ以上のプニクチドと、
アルカリ土類金属とを含み、
前記少なくとも1つの超伝導多結晶バルクディスクの結晶粒は、10μmより小さく、
前記超伝導永久磁石は、40Kより低い温度で、最大で1Tより大きい磁場を捕捉でき、
前記超伝導多結晶バルク中には、BaXO 3 [Xは、Zr、Sn、Hf及びTiからなる群から選択される少なくとも一種の元素である。]で表される化合物からなる粒径30nm以下のナノ粒子が、1×10 21 m −3 以上の体積密度で分散していない、
超伝導永久磁石。 - 前記少なくとも1つの超伝導多結晶バルクディスクは、2つ以上の超伝導多結晶バルクディスクを含む超伝導多結晶バルクディスクのスタックを含む、請求項12に記載の超伝導永久磁石。
- 前記超伝導多結晶バルクの半径は、5mm以上である、
請求項1〜13のいずれか1項に記載の超伝導永久磁石。 - 請求項1又は請求項12に記載の超伝導永久磁石の製造方法であって、
鉄系粉末を準備するステップと、
前記鉄系粉末を第1容器内で圧縮するステップと、
前記鉄系粉末を第2容器内で熱処理して前記超伝導多結晶バルクを得るステップと、
40Kより低い温度で前記超伝導多結晶バルクを磁化して前記超伝導永久磁石を得るステップと、を含む
方法。 - 前記第1容器と前記第2容器は同じ容器である、
請求項15に記載の方法。 - 前記第1容器と前記第2容器は異なる容器である、
請求項15に記載の方法。 - 前記超伝導多結晶バルクを磁化して前記超伝導永久磁石を得るステップは、
磁場、パルス磁場、電場または電磁場を用いて前記超伝導多結晶バルクを磁化するステップをさらに含む、
請求項15に記載の方法。 - 前記超伝導多結晶バルクは、層状構造を構成するFeの正方格子を含む、
請求項15に記載の方法。 - 前記超伝導多結晶バルクは、As、P、S、Se、Te、FまたはOを含むアニオン原子の1つ以上をさらに含む、
請求項15に記載の方法。 - 請求項1〜14のいずれか1項に記載の超伝導永久磁石を備える磁気共鳴装置。
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