JP6948692B2 - ＭｇＢ２バルク体の製造方法およびＭｇＢ２バルク体 - Google Patents

Description

本発明は、ＭｇＢ_２バルク体の製造方法およびＭｇＢ_２バルク体に関する。

ＭｇＢ_２（二ホウ化マグネシウム）超伝導体は、３９Ｋという非常に高い臨界温度（Ｔ_ｃ）を持つことから、液体ヘリウム冷却不要の高温度（１０Ｋ〜２０Ｋ）での応用に期待が高まっている。また、超伝導バルク磁石は、電磁石と比較して、より磁場が高く、小型化が可能である。

例えば特許文献１には、ホウ素元素含有粉末と、マグネシウム元素含有粉末とが混合されてなる原料粉末を、任意のバルク形状に成型した後、熱処理を行って、ＭｇＢ_２超伝導バルク磁石を製造することが記載されている。

特開２０１２−９９５６４号公報

しかしながら、特許文献１に記載された方法では、熱処理によって、マグネシウムが溶融するために空隙が生じ、ＭｇＢ_２超伝導バルク磁石の充填率が低下する場合がある。さらに、マグネシウムは非常に活性が高いため、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）が生成し、ＭｇＢ_２の純度が低下する場合がある。そのため、特許文献１に記載された方法で製造されたＭｇＢ_２超伝導バルク磁石では、臨界電流密度（Ｊｃ）や捕捉磁場強度を必ずしも高くできない。

本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、充填率が高く、かつＭｇＢ_２の純度が高いＭｇＢ_２バルク体の製造方法を提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、充填率が高く、かつＭｇＢ_２の純度が高いＭｇＢ_２バルク体を提供することにある。

本発明に係るＭｇＢ_２バルク体の製造方法は、
元素としてのホウ素を含む原料粉末からホウ素バルク体を成型する成型工程と、
気体のマグネシウムと、前記ホウ素バルク体と、を反応させる反応工程と、
を含む。

このようなＭｇＢ_２バルク体の製造方法では、充填率が高く、かつＭｇＢ_２の純度が高いＭｇＢ_２バルク体を製造することができる。

本発明に係るＭｇＢ_２バルク体の製造方法において、
前記原料粉末は、ホウ素粉末であり、
前記ホウ素バルク体のかさ密度は、０．９ｇ／ｃｍ^３以上１．２３ｇ／ｃｍ^３以下であってもよい。

このようなＭｇＢ_２バルク体の製造方法では、ＭｇＢ_２バルク体の充填率を高くすることができる。

本発明に係るＭｇＢ_２バルク体の製造方法において、
前記原料粉末は、ホウ素粉末であり、
前記ホウ素バルク体のかさ密度は、１．０ｇ／ｃｍ^３以上１．２３ｇ／ｃｍ^３以下であってもよい。

このようなＭｇＢ_２バルク体の製造方法では、ＭｇＢ_２バルク体の充填率をより高くすることができる。

本発明に係るＭｇＢ_２バルク体の製造方法において、
前記原料粉末の主成分は、ホウ素粉末であり、
前記ホウ素バルク体のかさ密度は、０．９ｇ／ｃｍ^３以上１．２３ｇ／ｃｍ^３以下であってもよい。

このようなＭｇＢ_２バルク体の製造方法では、ＭｇＢ_２バルク体の充填率を高くすることができる。

本発明に係るＭｇＢ_２バルク体の製造方法において、
前記原料粉末の主成分は、ホウ素粉末であり、
前記ホウ素バルク体のかさ密度は、１．０ｇ／ｃｍ^３以上１．２３ｇ／ｃｍ^３以下であってもよい。

このようなＭｇＢ_２バルク体の製造方法では、ＭｇＢ_２バルク体の充填率をより高くすることができる。

本発明に係るＭｇＢ_２バルク体の製造方法において、
前記原料粉末は、ホウ素粉末およびホウ化マグネシウム粉末を含んでもよい。

このようなＭｇＢ_２バルク体の製造方法では、反応工程において、ＭｇＢ_２バルク体にクラックが生じることを抑制することができる。

本発明に係るＭｇＢ_２バルク体の製造方法において、
前記気体のマグネシウムは、固体または液体のマグネシウムを気化させたものであり、
前記原料粉末中のホウ素に対する前記固体または液体のマグネシウムの組成比は、０．５より大きくてもよい。

本発明に係るＭｇＢ_２バルク体の製造方法において、
前記反応工程は、５００℃以上９５０℃以下の温度で行われてもよい。

このようなＭｇＢ_２バルク体の製造方法では、固体のマグネシウムを十分に蒸発させて反応時間を短縮することができ、かつ、反応工程で用いる容器の寿命を長くすることができる。

本発明に係るＭｇＢ_２バルク体は、
超伝導体であって、充填率が７０％以上であり、ＭｇＢ_２の純度が９５ａｔ％以上である。

このようなＭｇＢ_２バルク体では、充填率が高く、かつＭｇＢ_２の純度が高い。

本発明に係るＭｇＢ_２バルク体において、
充填率が７５％以上であってもよい。

このようなＭｇＢ_２バルク体では、充填率がより高い。

本発明に係るＭｇＢ_２バルク体において、
ＭｇＢ_２の純度が９７．５ａｔ％以上であってもよい。

このようなＭｇＢ_２バルク体では、ＭｇＢ_２の純度がより高い。

本発明に係るＭｇＢ_２バルク体において、
ｍｍ以上のオーダーであってもよい。

このようなＭｇＢ_２バルク体では、電流を多く流すことができ、高い捕捉磁場強度を得ることができる。

本実施形態に係るＭｇＢ_２バルク体を模式的に示す斜視図。 本実施形態に係るＭｇＢ_２バルク体の製造装置を模式的に示す断面図。 本実施形態に係るＭｇＢ_２バルク体の製造装置を模式的に示す斜視図。 本実施形態に係るＭｇＢ_２バルク体の製造装置の一部を模式的に示す斜視図。 本実施形態に係るＭｇＢ_２バルク体の製造装置を模式的に示す断面図。 本実施形態に係るＭｇＢ_２バルク体の製造方法を説明するためのフローチャート。 ホウ素粉末のかさ密度と、ＭｇＢ_２バルク体の充填率と、の関係を示すグラフ。 実施例１に係るＭｇＢ_２バルク体のＳＥＭ像。 比較例に係るＭｇＢ_２バルク体のＳＥＭ像。 粉末Ｘ線回折の結果。 ＭｇＢ_２とＭｇＯとの割合を示す表。 実施例１に係るＭｇＢ_２バルク体の光学顕微鏡像。 実施例２に係るＭｇＢ_２バルク体の光学顕微鏡像。 実施例２に係るＭｇＢ_２バルク体のＳＥＭ像。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１． ＭｇＢ_２バルク体
まず、本実施形態に係るＭｇＢ_２バルク体について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係るＭｇＢ_２バルク体１０を模式的に示す斜視図である。

ＭｇＢ_２バルク体１０は、超伝導を発現する超伝導体である。図示の例では、ＭｇＢ_２バルク体１０は、円盤状の形状（外形）を有しているが、その形状は特に限定されず、例えば、板状、リング状などであってもよい。ＭｇＢ_２バルク体１０は、超伝導バルク磁石であってもよい。

ＭｇＢ_２バルク体１０は、塊状の物体である。ＭｇＢ_２バルク体１０は、ｍｍ（ミリメ
ートル）以上のオーダーである。すなわち、ＭｇＢ_２バルク体１０は、重心と、目視による外形の表面と、の間の距離が０．５ｍｍ以上である。ＭｇＢ_２バルク体１０が円盤状の形状を有している場合、厚さＴおよび直径Ｄが１ｍｍ以上である。例えば、厚さＴは、１ｍｍ以上５０ｃｍ以下であり、直径Ｄは、１ｍｍ以上１ｍ以下である。なお、ＭｇＢ_２バルク体１０は、ｃｍ（センチメートル）オーダーであってもよいし、ｍ（メートル）オーダーであってもよい。

ＭｇＢ_２バルク体１０は、ＭｇＢ_２（二ホウ化マグネシウム）を含む。ＭｇＢ_２バルク体１０におけるＭｇＢ_２の純度（ＭｇＢ_２バルク体１０全量に対するＭｇＢ_２の割合）は、９５ａｔ％（アトミックパーセント）以上であり、好ましくは、９７．５ａｔ％以上である。ＭｇＢ_２バルク体１０におけるＭｇＢ_２の純度は、例えば、粉末Ｘ線回折におけるリートベルト分析によって求めることができる。

ＭｇＢ_２バルク体１０は、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）を含んでいてもよい。ＭｇＢ_２バルク体１０におけるＭｇＯの割合（ＭｇＢ_２バルク体１０全量に対するＭｇＯの割合）は、５ａｔ％以下であり、好ましくは、２．５ａｔ％以下である。さらに、ＭｇＢ_２バルク体１０は、ＭｇＢ_２以外のホウ化マグネシウム（例えばＭｇＢ_４やＭｇＢ_７）を含んでいてもよい。ＭｇＢ_２バルク体１０の組成は、例えば、ＳＥＭ／ＥＤＸ（走査型電子顕微鏡／エネルギー分散型Ｘ線分光法）で求めることができる。

ＭｇＢ_２バルク体１０は、例えば、多孔質である。ＭｇＢ_２バルク体１０の充填率は、７０％以上であり、好ましくは、７５％以上である。ＭｇＢ_２バルク体１０の充填率を求めるには、まず、ＭｇＢ_２バルク体１０の質量および体積（外形の体積）を測定し、ＭｇＢ_２の比重に基づいて、求めることができる。ＭｇＢ_２バルク体１０の体積は、例えば、ＭｇＢ_２バルク体１０の形状が円盤状の場合は、直径および厚さを測定することにより求めることができる。

ＭｇＢ_２バルク体１０は、例えば、以下の特徴を有する。

ＭｇＢ_２バルク体１０では、超伝導体であって、充填率が７０％以上であり、ＭｇＢ_２の純度が９５ａｔ％以上である。そのため、ＭｇＢ_２バルク体１０は、充填率が高く、かつＭｇＢ_２の純度が高い。したがって、ＭｇＢ_２バルク体１０は、高い臨界電流密度および高い捕捉磁場強度を有することができる。

ＭｇＢ_２バルク体１０では、充填率が７５％以上であってもよい。そのため、ＭｇＢ_２バルク体１０は、充填率がより高い。

ＭｇＢ_２バルク体１０では、ＭｇＢ_２の純度が９７．５ａｔ％以上であってもよい。そのため、ＭｇＢ_２バルク体１０は、純度がより高い。

ＭｇＢ_２バルク体１０では、ｍｍ以上のオーダーであってもよい。このような、ＭｇＢ_２バルク体１０では、例えばμｍ（マイクロメートル）のオーダーである場合に比べて、電流を多く流すことができ、高い捕捉磁場強度を得ることができる。

２． ＭｇＢ_２バルク体の製造装置
次に、本実施形態に係るＭｇＢ_２バルク体の製造装置について、図面を参照しながら説明する。図２は、本実施形態に係るＭｇＢ_２バルク体の製造装置１００を模式的に示す断面図である。図３は、本実施形態に係るＭｇＢ_２バルク体の製造装置１００を模式的に示す斜視図である。ＭｇＢ_２バルク体の製造装置１００（以下、単に「製造装置１００」ともいう）は、本発明に係るＭｇＢ_２バルク体（例えばＭｇＢ_２バルク体１０）を製造する
ための装置である。

製造装置１００は、図２および図３に示すように、容器２０と、第１壁部３０と、第２壁部３２と、第３壁部３４と、第４壁部３６と、を含む。

容器２０の形状は、内部に空間を形成することができれば、特に限定されないが、図示の例では、円筒状である。容器２０は、例えば、互いに対向する第１円盤部２２および第２円盤部２４と、円盤部２２，２４に接続された筒部２６と、を有している。容器２０内（容器２０の内部）は、例えば、空気で密閉された空間である。容器２０の材質は、例えば、鉄、ステンレス、銅、白金、チタン、ニオブ、タンタルなどである。

第１壁部３０および第２壁部３２は、容器２０内に設けられている。壁部３０，３２は、筒部２６に設けられている。図２に示すように断面視において、筒部２６は、互いに対向する第１部分２６ａおよび第２部分２６ｂを有している。壁部３０，３２は、第１部分２６ａに設けられ、第１部分２６ａから第２部分２６ｂ側に向けて延出している。壁部３０，３２は、第２部分２６ｂと離間している。すなわち、壁部３０，３２と第２部分２６ｂとの間には、空隙が設けられている。壁部３０，３２の材質は、例えば、容器２０と同じである。

第１壁部３０は、固体のマグネシウム２が配置される第１マグネシウム配置領域４０を規定する。具体的には、第１マグネシウム配置領域４０は、第１壁部３０、第１円盤部２２、および筒部２６によって規定される。第１壁部３０は、第１マグネシウム配置領域４０に配置された固体のマグネシウム２が熱処理によって液体となった場合に、液体となったマグネシウムがホウ素バルク体４に接触することを防止することができる。

第２壁部３２は、固体のマグネシウム２が配置される第２マグネシウム配置領域４２を規定する。具体的には、第２マグネシウム配置領域４２は、第２壁部３２、第２円盤部２４、および筒部２６によって規定される。第２壁部３２は、第２マグネシウム配置領域４２に配置された固体のマグネシウム２が熱処理によって液体となった場合に、液体となったマグネシウムがホウ素バルク体４に接触することを防止することができる。

第３壁部３４および第４壁部３６は、容器２０内に設けられている。壁部３４，３６は、第１壁部３０の第１マグネシウム配置領域４０側とは反対側であって、かつ、第２壁部３２の第２マグネシウム配置領域４２側とは反対側の領域に設けられている。壁部３４，３６は、第１壁部３０と第２壁部３２との間に設けられている。壁部３４，３６の材質は、例えば、容器２０と同じである。

ここで、図４は、第３壁部３４および第４壁部３６を模式的に示す斜視図である。壁部３４，３６は、図４に示すように、例えば、円盤状の形状を有している。壁部３４，３６の形状および大きさは、例えば、同じである。壁部３４，３６には、貫通孔３８が設けられている。貫通孔３８は、円盤状の壁部３４，３６を厚さ方向に貫通している。貫通孔３８は、複数設けられている。図示の例では、複数の貫通孔３８は、三角格子状に設けられている。

第３壁部３４および第４壁部３６は、図２に示すように、ホウ素バルク体４が配置されるホウ素配置領域４４を規定する。ホウ素バルク体４は、元素としてのホウ素を含む原料粉末から成型されたものである。壁部３４，３６は、ホウ素バルク体４を挟んで支持する。第３壁部３４と第４壁部３６との間の距離は、例えば、１ｍｍ以上である。ホウ素配置領域４４と第１円盤部２２との間の距離と、ホウ素配置領域４４と第２円盤部２４との間の距離とは、例えば、等しい。

第１マグネシウム配置領域４０とホウ素配置領域４４とは、連通している。具体的には、第１壁部３０と第２部分２６ｂとの間に空隙が設けられ、かつ、第３壁部３４に貫通孔３８が設けられていることにより、第１マグネシウム配置領域４０とホウ素配置領域４４とは、連通している。

第２マグネシウム配置領域４２とホウ素配置領域４４とは、連通している。具体的には、第２壁部３２と第２部分２６ｂとの間に空隙が設けられ、かつ、第４壁部３６に貫通孔３８が設けられていることにより、第２マグネシウム配置領域４２とホウ素配置領域４４とは、連通している。

第１マグネシウム配置領域４０とホウ素配置領域４４とが連通し、かつ、第２マグネシウム配置領域４２とホウ素配置領域４４とが連通しているため、固体のマグネシウム２を熱処理により気化させて、気体のマグネシウムをホウ素バルク体４に接触させることができる。

容器２０は、図示せぬ電気炉内に配置され、熱処理される。これにより、マグネシウム配置領域４０，４２に配置された固体のマグネシウム２を熱処理することができる。

なお、図５に示すように、第２壁部３２および第４壁部３６が設けられることなく、第２マグネシウム配置領域４２が規定されていなくてもよい。この場合、ホウ素バルク体４は、第３壁部３４と第２円盤部２４とに挟まれて支持される。ただし、気体のマグネシウムを、均一性よくホウ素バルク体４中に拡散させることを考慮すると、図２に示すように、第２マグネシウム配置領域４２を設けることが好ましい。

３． ＭｇＢ_２バルク体の製造方法
次に、本実施形態に係るＭｇＢ_２バルク体１０の製造方法について、図面を参照しながら説明する。図６は、本実施形態に係るＭｇＢ_２バルク体１０の製造方法を説明するためのフローチャートである。以下では、一例として、製造装置１００を用いたＭｇＢ_２バルク体１０の製造方法について説明する。

（１）まず、元素としてのホウ素を含む原料粉末からホウ素バルク体４を成型する（ステップＳ１、成型工程）。具体的には、原料粉末を、例えばダイスなどの装置を用いてプレス成型し、ホウ素バルク体４を成型する。ホウ素バルク体４の形状（外形の形状）は、ペレット状であり、具体的には、円盤状である。ホウ素バルク体４の形状によって、ＭｇＢ_２バルク体１０の形状を適宜設定することができる。

ホウ素バルク体４のかさ密度は、原料粉末がホウ素粉末である場合、例えば、０．９ｇ／ｃｍ^３以上１．２３ｇ／ｃｍ^３以下であり、好ましくは、１．０ｇ／ｃｍ^３以上１．２３ｇ／ｃｍ^３以下であり、より好ましくは、１．１ｇ／ｃｍ^３以上１．２３ｇ／ｃｍ^３以下である。ホウ素バルク体４のかさ密度は、例えば、「ＪＩＳ１６２８−１９９７」に準じて測定することができる。

なお、原料粉末は、主成分がホウ素粉末であれば、ホウ素粉末以外の粉末を含んでいてもよい。この場合において、ホウ素バルク体４のかさ密度は、例えば、０．９ｇ／ｃｍ^３以上１．２３ｇ／ｃｍ^３以下であり、好ましくは、１．０ｇ／ｃｍ^３以上１．２３ｇ／ｃｍ^３以下であり、より好ましくは、１．１ｇ／ｃｍ^３以上１．２３ｇ／ｃｍ^３以下である。

ここで、図７は、ホウ素バルク体４のかさ密度と、製造されるＭｇＢ_２バルク体（Ｍｇ
Ｂ_２バルク体１０）の充填率と、の関係を示すグラフである。図７に示す充填率は、以下のように求めたものである。

原料粉末がホウ素粉末である場合、ホウ素バルク体４のかさ密度をｘｇ／ｃｍ^３とすると、ホウ素バルク体４の質量は、１ｃｍ^３あたりｘｇである。Ｍｇ＋２Ｂ→ＭｇＢ_２より、１ｃｍ^３あたりのホウ素バルク体４から生成するＭｇＢ_２バルク体の質量は２．１２５ｘｇとなる。

充填率は、下記式（１）で定義される。充填率＝実際に存在するＭｇＢ_２の質量（ｇ）／全空間がＭｇＢ_２で満たされているときのＭｇＢ_２の質量（ｇ）×１００（％） ・・・ （１）

したがって、ＭｇＢ_２の密度が２．６２ｇ／ｃｍ^３であることを考慮すると、ＭｇＢ_２の単位質量あたりの充填率は、（２．１２５ｘ／２．６２）×１００（％）と計算できる。以上により、図７に示す充填率を求めることができる。

以上により、ホウ素バルク体４のかさ密度を上記の範囲とすることにより、ＭｇＢ_２バルク体１０の充填率を高くすることができる。

原料粉末は、ホウ素粉末であってもよい。原料粉末は、ホウ素粉末およびホウ化マグネシウム粉末を含んでいてもよい。すなわち、成型工程では、ホウ素粉末と、ホウ化マグネシウム粉末と、の混合物からホウ素バルク体４を成型してもよい。ホウ素粉末は、ホウ素の粉末であり、ホウ化マグネシウム粉末は、ホウ素およびマグネシウムからなる化合物の粉末である。ホウ化マグネシウム粉末は、例えば、ＭｇＢ_２粉末、ＭｇＢ_４粉末、または、これらの混合物などである。原料粉末は、さらに、Ｂ_４Ｃ粉末などのホウ素化合物の粉末を含んでいてもよい。

原料粉末がホウ素粉末およびホウ化マグネシウム粉末を含む場合、ホウ素粉末に対するホウ化マグネシウム粉末の割合は、例えば、２０ｍｏｌ％（モルパーセント）以上４０ｍｏｌ％以下である。上記割合を２０ｍｏｌ％以上とすることにより、反応工程において、ＭｇＢ_２バルク体１０にクラックが生じることを抑制することができる。さらに、上記割合を４０ｍｏｌ％以下とすることにより、気体のマグネシウムと固体のホウ素をと反応させてＭｇＢ_２を生成する割合が小さくなることを抑制することができる。

原料粉末中のホウ素に対する固体のマグネシウム２の組成比（Ｍｇ／Ｂ比（原子数の比））は、例えば、０．５より大きく１以下である。（Ｍｇ／Ｂ比）を１以下とすることにより、マグネシウムの無駄を抑制することができる。

（２）次に、図２に示すように、マグネシウム配置領域４０，４２に固体（固相）のマグネシウム２を配置し、さらにホウ素配置領域４４にホウ素バルク体４を配置し、容器２０を密閉する（ステップＳ２、配置工程）。配置工程は、空気中で行われてもよい。固体のマグネシウム２は、例えば、マグネシウム粉末である。

（３）次に、固体のマグネシウム２を気化させ、これによって生じる気体のマグネシウムと、ホウ素バルク体４と、を反応させる（ステップＳ３、反応工程）。反応工程により、ＭｇＢ_２バルク体１０が製造される（Ｍｇ＋２Ｂ→ＭｇＢ_２）。反応工程は、密閉された空間（図示の例では容器２０内）で行われる。

反応工程は、例えば、５００℃以上９５０℃以下の温度で行われる。５００℃以上の温度に熱処理することにより、固体のマグネシウム２を十分に蒸発させることができ、反応
時間を短縮することができる。さらに、９５０℃以下の温度に熱処理することにより、容器２０の寿命を長くすることができる。熱処理（焼成）は、例えば、容器２０を図示せぬ電気炉内に配置して行われる。

酸化マグネシウムの沸点は、非常に高いため、反応工程における熱処理では、蒸発しない。したがって、反応工程における熱処理では、固体のマグネシウム２のみを蒸発させてホウ素バルク体４と接触させることができ、酸化マグネシウムとホウ素バルク体４とが接触することを抑制することができる。

なお、マグネシウムの融点は、６５０℃であり、マグネシウムの沸点は、１１００℃である。酸化マグネシウムの融点は、２８００℃であり、酸化マグネシウムの沸点は、３６００℃である。

反応工程における熱処理時間は、例えば、２４時間以上１００時間以下である。熱処理時間を２４時間以上とすることにより、気体のマグネシウムをホウ素バルク体４に均一性よく拡散させることができる。熱処理時間を１００時間以下とすることにより、工程の短縮化を図ることができる。

以上の工程により、ＭｇＢ_２バルク体１０を製造することができる。ＭｇＢ_２バルク体１０の製造方法は、上記のように、気体（気相）のマグネシウムを輸送し、ホウ素バルク体４中に拡散させてホウ素バルク体４と反応させるマグネシウム気相輸送（ＭＶＴ：Ｍｇ
Ｖａｐｏｒ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ）法を用いている。

ＭｇＢ_２バルク体１０の製造方法は、例えば、以下の特徴を有する。

ＭｇＢ_２バルク体１０の製造方法では、元素としてのホウ素を含む原料粉末からホウ素バルク体４を成型する成型工程と、気体のマグネシウムと、ホウ素バルク体４と、を反応させる反応工程と、を含む。そのため、ＭｇＢ_２バルク体１０の製造方法では、ホウ素粉末と、マグネシウム粉末と、を混合して得た原料粉末を金属管に詰めた後、金属管の両端を閉じて熱処理を行い、ＭｇＢ_２を製造する方法（ＰＩＣＴ（ｐｏｗｄｅｒ−ｉｎ−ｃｌｏｓｅｄ−ｔｕｂｅ）法）に比べて、充填率が高いＭｇＢ_２バルク体１０を製造することができる（詳細は、後述する「４． 実験例」参照）。

さらに、ＭｇＢ_２バルク体１０の製造方法では、ＰＩＣＴ法に比べて、酸化マグネシウムの割合が小さく、ＭｇＢ_２の純度が高いＭｇＢ_２バルク体１０を製造することができる（詳細は、後述する「４． 実験例」参照）。

さらに、ＭｇＢ_２バルク体１０の製造方法では、気体のマグネシウムとホウ素バルク体４とを反応させるため、ホウ素バルク体４中にマグネシウムを均一性よく拡散させることができる。例えば、液体のマグネシウムとホウ素バルク体とを反応させる場合は、重力の影響を受け、ホウ素バルク体４中にマグネシウムを均一性よく拡散させることができない場合がある。

さらに、ＭｇＢ_２バルク体１０の製造方法では、高圧合成法を用いずに、気体のマグネシウムとホウ素バルク体４とを反応させて、ＭｇＢ_２バルク体１０を製造することができる。

ＭｇＢ_２バルク体１０の製造方法では、原料粉末は、ホウ素粉末であってもよく、ホウ素バルク体４のかさ密度は、０．９ｇ／ｃｍ^３以上１．２３ｇ／ｃｍ^３以下であってもよく、好ましくは、１．０ｇ／ｃｍ^３以上１．２３ｇ／ｃｍ^３以下であってもよい。そのた
め、ＭｇＢ_２バルク体１０の製造方法では、ＭｇＢ_２バルク体１０の充填率を高くすることができる。

ＭｇＢ_２バルク体１０の製造方法では、原料粉末の主成分は、ホウ素粉末であってもよく、ホウ素バルク体４のかさ密度は、０．９ｇ／ｃｍ^３以上１．２３ｇ／ｃｍ^３以下であってもよく、好ましくは、１．０ｇ／ｃｍ^３以上１．２３ｇ／ｃｍ^３以下であってもよい。そのため、ＭｇＢ_２バルク体１０の製造方法では、ＭｇＢ_２バルク体１０の充填率を高くすることができる。

ＭｇＢ_２バルク体１０の製造方法では、ホウ素バルク体４を成型するための原料粉末は、ホウ素粉末およびホウ化マグネシウム粉末を含んでもよい。そのため、ＭｇＢ_２バルク体１０の製造方法では、原料粉末がホウ素粉末のみから構成されている場合に比べて、反応工程において、ＭｇＢ_２バルク体１０にクラックが生じることを抑制することができる（詳細は、後述する「４． 実験例」参照）。

ＭｇＢ_２バルク体１０の製造方法では、原料粉末中のホウ素に対する固体のマグネシウム２の組成比は、０．５より大きくてもよい。

ＭｇＢ_２バルク体１０の製造方法では、反応工程は、５００℃以上９５０℃以下の温度で行われてもよい。そのため、ＭｇＢ_２バルク体１０の製造方法では、固体のマグネシウム２を十分に蒸発させて反応時間を短縮することができ、かつ、容器２０の寿命を長くすることができる。

なお、上記では、ホウ素バルク体４と反応する気体のマグネシウムが、固体のマグネシウムを気化させたものである例について説明したが、ホウ素バルク体４と反応する気体のマグネシウムは、液体のマグネシウムを気化させたものであってもよい。また、ホウ素バルク体４と反応する気体のマグネシウムは、固体から直接気化したものであってもよい。

４． 実験例
以下に実験例を示し、本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実験例によって何ら限定されるものではない。

４．１． 試料の作製
上述したようなＭＶＴ法により、ＭｇＢ_２バルク体を作製（製造）した。具体的には、質量０．６０ｇのホウ素粉末をプレス成型し、円盤状のホウ素バルク体を形成した。ホウ素バルク体および固体のマグネシウムを、図２および図３に示したような製造装置の容器内に配置した。固体のマグネシウム（Ｍｇ）と、ホウ素粉末（Ｂ）と、の組成比が、Ｍｇ：Ｂ＝１．１：２の関係を満たすように、固体のマグネシウムを容器内に配置した。固体のマグネシウムは、図２に示すように、２箇所に分けて配置した。

ホウ素バルク体および固体のマグネシウムが収容された容器を、炉内に配置し、熱処理を行った。具体的には、室温から２時間かけて８００℃まで昇温させ、８００℃で７２時間熱処理し、その後、自然冷却した。

以上の工程により、質量１．２８ｇ、直径約２０ｍｍ、厚さ約２．０ｍｍの円盤状のＭｇＢ_２バルク体を作製した。

比較例として、ＰＩＣＴ法により、マグネシウム粉末とホウ素粉末との混合粉末を、８００℃で熱処理を行うことにより、直径約２０ｍｍ、厚さ約２．０ｍｍの円盤状のＭｇＢ_２バルク体を作製した。

４．２． 充填率の評価
ＭｇＢ_２バルク体の充填率を測定した。具体的には、ＭｇＢ_２バルク体の質量および体積を測定し、ＭｇＢ_２の比重に基づいて、充填率を求めた。体積は、ＭｇＢ_２バルク体を円盤状とし、直径２０ｍｍ、厚さ２．０ｍｍとして計算した。

ＭＶＴ法により作製したＭｇＢ_２バルク体（実施例１に係るＭｇＢ_２バルク体）の充填率は、７８％であった。一方、ＰＩＣＴ法により作製したＭｇＢ_２バルク体（比較例に係るＭｇＢ_２バルク体）の充填率は、４８％であった。したがって、ＭＶＴ法により作製したＭｇＢ_２バルク体は、ＰＩＣＴ法により作製したＭｇＢ_２バルク体よりも、充填率が高いことがわかった。

図８は、ＭＶＴ法により作製したＭｇＢ_２バルク体の断面のＳＥＭ像である。図９は、ＰＩＣＴ法により作製したＭｇＢ_２バルク体の断面のＳＥＭ像である。なお、図８および図９は、同じ倍率のＳＥＭ像である。

図９に示すように、ＰＩＣＴ法により作製したＭｇＢ_２バルク体には、クレーターのような窪みが観察された。この窪みは、マグネシウム粉末とホウ素粉末との混合粉末を熱処理することによって、マグネシウムが溶融して、生じたものである。すなわち、熱処理を行う前には、窪みの位置にマグネシウムが存在していたといえる。このような窪みが生じたため、ＰＩＣＴ法により作製したＭｇＢ_２バルク体は、充填率が４８％と低かったといえる。

一方、図８に示すように、ＭＶＴ法により作製したＭｇＢ_２バルク体では、図９に示すクレーターのような窪みは、観察されなかった。そのため、ＭＶＴ法により作製したＭｇＢ_２バルク体は、充填率が７８％と高かったといえる。クレーターのような窪みが観察されなかったのは、ＭＶＴ法では、気体のマグネシウムを、ホウ素バルク体に反応させたためである。

４．３． 純度の評価
粉末Ｘ線回折により、ＭｇＢ_２バルク体のＭｇＢ_２の純度を評価した。

図１０は、ＭＶＴ法により作製したＭｇＢ_２バルク体と、ＰＩＣＴ法により作製したＭｇＢ_２バルク体と、の粉末Ｘ線回折の結果である。図１０において、２θ＝６２°（図中「↓」で表示）のピークがＭｇＯに基づくピークであり、他のピークは、ＭｇＢ_２に基づくピークである。

図１１は、図１０に示す粉末Ｘ線回折により得られたデータのリートベルト分析により求めたＭｇＢ_２とＭｇＯとの割合を示す表である。

図１０および図１１に示すように、ＭＶＴ法により作製したＭｇＢ_２バルク体は、ＰＩＣＴ法により作製したＭｇＢ_２バルク体よりも、ＭｇＯの割合が７０％小さく、ＭｇＢ_２の割合が大きかった。したがって、ＭＶＴ法により作製したＭｇＢ_２バルク体は、ＰＩＣＴ法により作製したＭｇＢ_２バルク体よりも、ＭｇＢ_２の純度が高いことがわかった。ＭＶＴ法では、マグネシウムと酸素と反応して酸化マグネシウムが生成されても、酸化マグネシウムの蒸気圧は、マグネシウムの蒸気圧に比べて高いため、酸化マグネシウムは蒸発せず、ＭｇＢ_２の純度が高いたＭｇＢ_２バルク体を製造することができた。

なお、ＥＤＸによる組成分析により、ＰＩＣＴ法により作製したＭｇＢ_２バルク体では、クレーターのような窪みに沿って、ＭｇＯが生成していることが確認された。

４．４． ＭｇＢ_２粉末を含むホウ素バルク体から作製されたＭｇＢ_２バルク体の評価
ホウ素粉末とＭｇＢ_２粉末とを混合してホウ素バルク体を成型すること以外は、上記の「４．１． 試料の作製」と同様にして、ＭＶＴ法によりＭｇＢ_２バルク体（実施例２に係るＭｇＢ_２バルク体）を作製した。ホウ素粉末に対するＭｇＢ_２粉末の割合を、３０ｍｏｌ％とした。

図１２は、実施例１に係るＭｇＢ_２バルク体（ホウ素バルク体の原料がホウ素粉末）の光学顕微鏡像である。図１３は、実施例２に係るＭｇＢ_２バルク体（ホウ素バルク体の原料がホウ素粉末およびＭｇＢ_２粉末）の光学顕微鏡像である。

図１２に示すように、実施例１に係るＭｇＢ_２バルク体では、表面に六角形状のクラックが確認された。一方、図１３に示すように、実施例２に係るＭｇＢ_２バルク体では、表面に六角形状のクラックは確認されなかった。これにより、ホウ素粉末と、ホウ化マグネシウム粉末と、の混合物からホウ素バルク体を成型することにより、ＭｇＢ_２バルク体の表面にクラックが生じることを抑制できることがわかった。

図１４は、実施例２に係るＭｇＢ_２バルク体の断面のＳＥＭ像である。図１４に示すように、実施例２に係るＭｇＢ_２バルク体では、クラックは観察されなかった。さらに、実施例２に係るＭｇＢ_２バルク体では、図９に示すクレーターのような窪みは、観察されなかった。

本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

２…固体のマグネシウム、４…ホウ素バルク体、１０…ＭｇＢ_２バルク体、２０…容器、２２…第１円盤部、２４…第２円盤部、２６…筒部、２６ａ…第１部分、２６ｂ…第２部分、３０…第１壁部、３２…第２壁部、３４…第３壁部、３６…第４壁部、３８…貫通孔、４０…第１マグネシウム配置領域、４２…第２マグネシウム配置領域、４４…ホウ素配置領域、１００…製造装置

Claims (16)

1. 元素としてのホウ素を含む原料粉末からホウ素バルク体を成型する成型工程と、
   固体または液体のマグネシウムと、前記ホウ素バルク体と、を容器内に配置する配置工程と、
   前記固体または液体のマグネシウムを気化させて、気体のマグネシウムと、前記ホウ素バルク体と、を反応させる反応工程と、
   を含み、
   前記反応工程では、前記固体または液体のマグネシウムが前記ホウ素バルク体に接触しない、ＭｇＢ_２バルク体の製造方法。
2. 請求項１において、
   前記原料粉末の主成分は、ホウ素粉末であり、
   前記ホウ素バルク体のかさ密度は、０．９ｇ／ｃｍ^３以上１．２３ｇ／ｃｍ^３以下である、ＭｇＢ_２バルク体の製造方法。
3. 請求項１または２において、
   前記原料粉末の主成分は、ホウ素粉末であり、
   前記ホウ素バルク体のかさ密度は、１．０ｇ／ｃｍ^３以上１．２３ｇ／ｃｍ^３以下である、ＭｇＢ_２バルク体の製造方法。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項において、
   前記原料粉末は、ホウ素粉末およびホウ化マグネシウム粉末を含む、ＭｇＢ_２バルク体の製造方法。
5. 請求項４において、
   前記ホウ素粉末に対する前記ホウ化マグネシウム粉末の割合は、２０ｍｏｌ％以上４０ｍｏｌ％以上である、ＭｇＢ_２バルク体の製造方法。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項において、
   前記原料粉末中のホウ素に対する前記固体または液体のマグネシウムの組成比は、０．５より大きい、ＭｇＢ_２バルク体の製造方法。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項において、
   前記反応工程は、５００℃以上９５０℃以下の温度で行われる、ＭｇＢ_２バルク体の製造方法。
8. 請求項７において、
   前記反応工程における熱処理時間は、２４時間以上１００時間以下である、ＭｇＢ_２バルク体の製造方法。
9. 請求項１ないし８のいずれか１項において、
   前記配置工程では、前記固体または液体のマグネシウムを前記容器内のマグネシウム配置領域に配置させ、前記ホウ素バルク体を前記容器内のホウ素配置領域に配置させ、
   前記マグネシウム配置領域と前記ホウ素配置領域との間には、壁部が設けられており、
   前記反応工程では、前記壁部によって、前記固体または液体のマグネシウムは、前記ホウ素バルク体に接触しない、ＭｇＢ_２バルク体の製造方法。
10. 請求項９において、
    前記容器は、互いに対向する第１部分および第２部分を有し、
    前記壁部は、前記第１部分に設けられ、前記第１部分から前記第２部分側に向けて延出し、
    前記壁部は、前記第２部分と離間し、
    前記固体または液体のマグネシウムは、前記第１部分に設けられ、
    前記反応工程では、前記気体のマグネシウムは、前記壁部と前記第２部分との間を通って、前記ホウ素バルク体と反応する、ＭｇＢ_２バルク体の製造方法。
11. 請求項９または１０において、
    前記マグネシウム配置領域は、２つ設けられ、
    ２つの前記マグネシウム配置領域の間に、前記ホウ素配置領域が設けられている、ＭｇＢ_２バルク体の製造方法。
12. 超伝導体であって、充填率が７０％以上であり、ＭｇＢ_２の純度が９５ａｔ％以上であり、多孔質体であり、
    元素としてのホウ素を含む原料粉末からホウ素バルク体を成型する成型工程と、
    固体または液体のマグネシウムと、前記ホウ素バルク体と、を容器内に配置する配置工程と、
    前記固体または液体のマグネシウムが前記ホウ素バルク体に接触しないように、前記固体または液体のマグネシウムを気化させて、気体のマグネシウムと、前記ホウ素バルク体と、を反応させる反応工程と、
    を順に経て得られる、ＭｇＢ_２バルク体。
13. 請求項１２において、
    充填率が７５％以上である、ＭｇＢ_２バルク体。
14. 請求項１２または１３において、
    ＭｇＢ_２の純度が９７．５ａｔ％以上である、ＭｇＢ_２バルク体。
15. 請求項１２ないし１４のいずれか１項において、
    厚さおよび直径が１ｍｍ以上である、ＭｇＢ_２バルク体。
16. 請求項１５において、
    前記直径は、前記厚さよりも大きい、ＭｇＢ_２バルク体。

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