JP6804050B2 - 超電導線材の製造方法および超電導線材接合用部材 - Google Patents
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Description
酸化物超電導膜を有する超電導線材の端部同士を接合面として接合して長尺化された超電導線材を製造する超電導線材の製造方法であって、
前記接合面の前記酸化物超電導膜上に、酸化物超電導材料の微結晶を設ける工程と、
前記微結晶が設けられた前記接合面同士を重ね合わせて貼り合わせる貼り合わせ工程と、
重ね合わされた前記接合面を加熱して前記微結晶を成長させることにより、前記酸化物超電導材料の超電導層を接合層として形成して、前記接合面同士を接合する加熱接合工程とを備えている超電導線材の製造方法である。
酸化物超電導膜を有する2本の超電導線材の端部に位置する酸化物超電導膜同士を跨ぐように貼り付けられた状態で加熱されることにより、前記2本の超電導線材を接合して長尺化させる超電導線材接合用部材であって、
前記酸化物超電導膜に貼り付けられる接合面上に、酸化物超電導材料の微結晶が設けられている超電導線材接合用部材である。
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
酸化物超電導膜を有する超電導線材の端部同士を接合面として接合して長尺化された超電導線材を製造する超電導線材の製造方法であって、
前記接合面の前記酸化物超電導膜上に、酸化物超電導材料の微結晶を設ける工程と、
前記微結晶が設けられた前記接合面同士を重ね合わせて貼り合わせる貼り合わせ工程と、
重ね合わされた前記接合面を加熱して前記微結晶を成長させることにより、前記酸化物超電導材料の超電導層を接合層として形成して、前記接合面同士を接合する加熱接合工程とを備えている超電導線材の製造方法である。
前記微結晶を設ける工程は、前記接合面の前記酸化物超電導膜上に、酸化物超電導材料の微結晶を生成させる微結晶生成工程であることが好ましい。
前記微結晶生成工程は、
前記接合面の前記酸化物超電導膜上に、前記酸化物超電導材料を構成する金属の有機化合物を含む溶液を塗布して塗膜を形成する塗膜形成工程と、
前記塗膜を熱処理することにより熱分解して、前記酸化物超電導材料の前駆体を仮焼膜として形成する仮焼熱処理工程と、
前記仮焼膜を、1〜100%の酸素濃度雰囲気下、前記仮焼膜の分解温度以上の温度で熱処理することにより、前記仮焼膜を分解して前記酸化物超電導材料の微結晶を生成させる仮焼膜分解工程と
を備えていることが好ましい。
前記金属の有機化合物として、フッ素を含まない有機金属化合物を用いることが好ましい。
前記微結晶を設ける工程は、
前記酸化物超電導材料の微結晶を含む接合材を予め作製する接合材作製工程と、
予め作製された前記接合材を、前記接合面の前記酸化物超電導膜上に配置する接合材配置工程とを備えていることが好ましい。
前記接合材作製工程は、
接合材生成用の基材上に、前記酸化物超電導材料を構成する金属の有機化合物を含む溶液を塗布して塗膜を形成する塗膜形成工程と、
前記塗膜を熱処理することにより熱分解して、前記酸化物超電導材料の前駆体を仮焼膜として形成する仮焼熱処理工程と、
前記仮焼膜を、1〜100%の酸素濃度雰囲気下、前記仮焼膜の分解温度以上の温度で熱処理することにより、前記仮焼膜を分解して前記酸化物超電導材料の微結晶を生成させる仮焼膜分解工程と、
生成された微結晶を、前記接合材生成用の基材から剥がすことにより前記接合材を作製する剥離工程とを備えていることが好ましい。
前記金属の有機化合物として、フッ素を含まない有機金属化合物を用いることが好ましい。
前記接合層を構成する酸化物超電導材料は、前記超電導線材の前記酸化物超電導膜を構成する酸化物超電導材料と同じ温度、もしくは、より低い温度で結晶が成長する酸化物超電導材料であることが好ましい。
前記接合層には、Ag、Au、Ptの何れかの粒子を含有させることが好ましい。
前記加熱接合工程においては、前記微結晶の一部が液相を経由して成長するように設定することが好ましい。
前記加熱接合工程においては、前記微結晶の30質量%以下が液相を経由して成長するように設定することが好ましい。
前記微結晶を設ける工程において、前記接合面の前記酸化物超電導膜上に点在するように前記微結晶を設けることが好ましい。
前記接合面の面積の10%以上の空隙が形成されるように、前記微結晶を設けることが好ましい。
前記接合層における非c軸配向の超電導材料の占める割合は、c軸配向の超電導材料および非c軸配向の超電導材料の合計に対して10〜95体積%であることが好ましい。
前記接合層と前記酸化物超電導膜との界面における前記c軸配向超電導材料の面積が、前記超電導線材の前記超電導層の断面積の10倍以上であることが好ましい。
前記接合層を形成する前記酸化物超電導材料は、REBCO系の酸化物超電導材料であることが好ましい。
前記接合層として、イットリア安定化ジルコニアを含む接合層を形成することが好ましい。
酸化物超電導膜を有する2本の超電導線材の端部に位置する酸化物超電導膜同士を跨ぐように貼り付けられた状態で加熱されることにより、前記2本の超電導線材を接合して長尺化させる超電導線材接合用部材であって、
前記酸化物超電導膜に貼り付けられる接合面上に、酸化物超電導材料の微結晶が設けられている超電導線材接合用部材である。
前記微結晶は、
前記接合面上に、酸化物超電導材料を構成する金属の有機化合物を含む溶液を塗布して塗膜を形成する塗膜形成工程と、
前記塗膜を熱処理することにより熱分解して、前記酸化物超電導材料の前駆体を仮焼膜として形成する仮焼熱処理工程と、
前記仮焼膜を、1〜100%の酸素濃度雰囲気下、前記仮焼膜の分解温度以上の温度で熱処理することにより、前記仮焼膜を分解して前記酸化物超電導材料の微結晶を生成させる仮焼膜分解工程と
を経て作製されていることが好ましい。
上記した(5)の態様の超電導線材の製造方法において用いられる前記酸化物超電導材料の微結晶を含む接合材である。
以下、本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。
図1は本実施形態に係る超電導線材を模式的に示す縦断面図であり、図1に示すように、本実施形態においては、2本の超電導線材11、21の酸化物超電導膜14、24が接合層31を介して貼り合わされて、長尺化された超電導線材1が製造される。具体的には、超電導線材11の酸化物超電導膜14と、超電導線材21の酸化物超電導膜24とを対向させて重ね合わせた接合面に酸化物超電導材料の超電導層が接合層31として形成されている。なお、図1中の12、22は金属基板であり、13、23は中間層である。
図2は本実施形態に係る超電導線材の製造方法の工程を示す図である。本実施形態においては、酸化物超電導膜上に酸化物超電導材料の微結晶を設ける工程として、酸化物超電導材料の微結晶を生成させる微結晶生成工程を有している。
本実施形態においては、従来の方法とは異なり、仮焼膜が形成された接合層同士を貼り合わせる工程に先立って、微結晶生成工程を設けている。そして、この微結晶生成工程においては、以下に示すように、塗膜形成工程、仮焼熱処理工程、仮焼膜分解工程を経て微結晶を生成させている。
最初に、接合面となる2本の超電導線材11、21の長尺方向の両端部の酸化物超電導膜14、24上に、酸化物超電導材料を構成する金属の有機化合物を含む溶液を塗布した後、乾燥させて塗膜を形成する。
次に、乾燥した塗膜を熱処理することにより熱分解して、酸化物超電導材料の前駆体を仮焼膜として形成する。
上記したように、酸化物超電導材料の前駆体である仮焼膜にはBaCO3などの炭素化合物が含まれており、この前駆体から酸化物超電導材料を生成させるためには、仮焼膜に含まれる炭素化合物を分解させる必要がある。
次に、酸化物超電導材料の微結晶が生成された接合面同士を重ね合わせて押圧治具等で固定し、さらに、接合面同士を1MPa以上の圧力で押し付けることにより、貼り合わせる。
次に、接合面同士を接合する加熱接合工程として、本焼熱処理工程を行う。この本焼熱処理工程では、酸化物超電導材料の生成温度以上の温度で加熱することにより接合面同士を接合する。具体的には、図5に示すように、低酸素濃度(例えば、酸素濃度100ppm)のAr雰囲気下において、100℃/分程度の昇温速度で800℃程度まで昇温し、その後、同程度の降温速度で常温まで降温する。
(1)微結晶を設ける工程の他の形態
上記した実施形態では、酸化物超電導膜上に微結晶を設ける工程として、酸化物超電導材料の微結晶を生成させる微結晶生成工程を行っているが、本発明はこれに限定されない。例えば、酸化物超電導材料の微結晶を含む接合材を別の工程で予め作製し、この接合材を酸化物超電導膜上に配置してもよい。このような場合であっても、接合面上に酸化物超電導材料の超電導層を安定して形成することができ、抵抗の発生がない超電導状態で超電導線材同士を接続することができる。
上記した実施形態においては、酸化物超電導材料からなる接合層のみで超電導線材同士を接合しているが、この接合を補強するという観点から、接合層にAg、Au、Ptの何れかを含む接合補助材を配置することが好ましい。
また、接合面同士を接合する加熱接合工程は、微結晶を一時的に溶融させて、微結晶の一部、好ましくは30質量%以下の微結晶が液相を経由してから成長するような条件に設定することが好ましい。このように液相を経由してから微結晶を成長させることにより、短時間で微結晶を成長させて接合層を形成することができる。
また、接合層に含まれるc軸配向の超電導材料に十分な量の酸素を導入するという観点から、微結晶を設ける工程において、酸化物超電導膜上に点在するように微結晶を設けることが好ましい。
また、酸素が導入されたc軸配向の超電導材料を多く含んだ接合層を形成するためには、接合層における非c軸配向の超電導材料の割合を、c軸配向の超電導材料および非c軸配向の超電導材料の合計に対して10〜95体積%にすることが好ましい。このような割合で接合層に非c軸配向の超電導材料が形成されている場合、非c軸配向の結晶とc軸配向の結晶の粒間が酸素拡散経路となるため、c軸配向の超電導材料に十分な酸素を供給して、酸素が導入されたc軸配向の超電導材料を多く形成することができる。
また、酸化物超電導体の臨界電流密度はab面とc軸方向で異なり、c軸方向の臨界電流密度はab面に比べて1/10となるので、接合層と酸化物超電導膜との界面におけるc軸配向超電導材料の面積は、超電導線材の超電導層の断面積の10倍以上であることが必要である。これにより、接合層が超電導線材と同等以上の臨界電流値を得ることができる。
酸化物超電導材料を有する接合層を生成する際に、イットリア安定化ジルコニアのナノ粉末を接合層を作製する際の溶液に添加することにより、接合層にイットリア安定化ジルコニアを含ませることができる。このイットリア安定化ジルコニアは、超電導材料との反応性が低く、かつ、酸素透過性を有しているため、c軸配向の超電導材料に適切に酸素を導入することができる。
次に実験例に基づき、本発明をより具体的に説明する。
第1の実験として、下記のように、酸化物超電導膜上に酸化物超電導材料の微結晶を生成させ、超電導線材を貼り合わせた後、微結晶を成長させて接合層を形成して2本の超電導線材を接合することにより長尺化された超電導線材を作製し、接合層に酸化物超電導材料の超電導層が形成されているかを調べた。
次に、上記した実施形態に係る製造方法を含む種々の方法を用いて2本の超電導線材を接合して長尺化された超電導線材を作製し、作製後の超電導線材の性能を評価した。
(a)実験例1
上記した第1の実験と同様に、酸化物超電導膜上に微結晶を生成させ、生成された微結晶から接合層を形成することにより、2本の超電導線材(幅4mm、長さ100mm)を接合して長尺の超電導線材を作製した。なお、接合層を形成させる際の条件は上記した第1の実験と同じ条件とし、治具を用いて接合層同士を貼りあわせて長尺化された超電導線材を作製した。
微結晶生成工程における加熱雰囲気を酸素濃度1%にしたことを除いて、実験例1と同じ条件で2本の超電導線材を接合し、長尺の超電導線材を作製した。
実験例1、2のような微結晶生成工程を行なわずに、仮焼熱処理後の仮焼膜同士を貼り合わせて本焼熱処理を行うことにより2本の超電導線材を接合し、長尺の超電導線材を作製した。なお、他の条件は実験例1、2と同様に設定した。
実験例1〜3で用いた超電導線材と同じ超電導線材をAgによる拡散接合で接合し、長尺の超電導線材を作製した。
実験例4と同様に、超電導線材にAg保護層とCu安定化層を設け、Cu安定化層同士をはんだを用いて接合し、長尺の超電導線材を作製した。
予め作製した超電導材料の微結晶を含む接合材を2本の超電導線材の超電導層の間に配置した後、接合面を加熱して微結晶を成長させることにより接合面同士を接合して長尺の超電導線材を作製した。なお、他の条件は実験例1と同じ条件に設定した。
それぞれの実験例について、2本の超電導線材の接合部分における抵抗率(接合界面の抵抗率)と臨界電流値(Ic)を測定した。なお、測定は、液体窒素温度(77K)における4端子法を用いて行った。
上記した評価の結果を表1に示す。
次に、上記した実験例1〜実験例3、実験例6に記載のそれぞれの方法で、長尺化された超電導線材を20本作製して、各方法における歩留まりを評価した。
11、21 超電導線材
12、22 金属基板
13、23 中間層
14、24 酸化物超電導膜
31 接合層
Claims (8)
- 酸化物超電導膜を有する超電導線材の端部同士を接合面として接合して長尺化された超電導線材を製造する超電導線材の製造方法であって、
前記接合面の前記酸化物超電導膜上に、酸化物超電導材料の微結晶を設ける工程と、
前記微結晶が設けられた前記接合面同士を重ね合わせて貼り合わせる貼り合わせ工程と、
重ね合わされた前記接合面を前記酸化物超電導材料の結晶成長温度で加熱して前記微結晶を固相を維持したまま成長させることにより、前記酸化物超電導材料の超電導層を接合層として形成して、前記接合面同士を接合する加熱接合工程とを備えている超電導線材の製造方法。
- 前記微結晶を設ける工程が、前記接合面の前記酸化物超電導膜上に、酸化物超電導材料の微結晶を生成させる微結晶生成工程である請求項1に記載の超電導線材の製造方法。
- 前記微結晶を設ける工程が、
前記酸化物超電導材料の微結晶を含む接合材を予め作製する接合材作製工程と、
予め作製された前記接合材を、前記接合面の前記酸化物超電導膜上に配置する接合材配置工程とを備えている請求項1に記載の超電導線材の製造方法。 - 前記接合層を構成する酸化物超電導材料が、前記超電導線材の前記酸化物超電導膜を構成する酸化物超電導材料と同じ温度、もしくは、より低い温度で結晶が成長する酸化物超電導材料である請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の超電導線材の製造方法。
- 前記接合層に、Ag、Au、Ptの何れかの粒子を含有させる請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の超電導線材の製造方法。
- 前記接合層を形成する前記酸化物超電導材料は、REBCO系の酸化物超電導材料である請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の超電導線材の製造方法。
- 酸化物超電導膜を有する2本の超電導線材の端部に位置する酸化物超電導膜同士を跨ぐように貼り付けられた状態で加熱されることにより、前記2本の超電導線材を接合して長尺化させる超電導線材接合用部材であって、
前記酸化物超電導膜に貼り付けられる接合面上に、酸化物超電導材料の微結晶が設けられている超電導線材接合用部材。 - 請求項3に記載の超電導線材の製造方法において用いられる前記酸化物超電導材料の微結晶を含む接合材。
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