JPH01151107A - 酸化物系超電導線の製造方法 - Google Patents

酸化物系超電導線の製造方法

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JPH01151107A
JPH01151107A JP62309996A JP30999687A JPH01151107A JP H01151107 A JPH01151107 A JP H01151107A JP 62309996 A JP62309996 A JP 62309996A JP 30999687 A JP30999687 A JP 30999687A JP H01151107 A JPH01151107 A JP H01151107A
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wire
oxide
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diameter
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JP62309996A
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Yoshimitsu Ikeno
池野 義光
Nobuyuki Sadakata
伸行 定方
Mikio Nakagawa
中川 三紀夫
Masaru Sugimoto
優 杉本
Tsukasa Kono
河野 宰
Shinya Aoki
青木 伸哉
Toshio Usui
俊雄 臼井
Atsushi Kume
篤 久米
Kenji Goto
謙次 後藤
Taichi Yamaguchi
太一 山口
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Fujikura Ltd
Original Assignee
Fujikura Ltd
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、例えば超電導マグネットコイルや電力輸送用
等に使用可能な酸化物系超電導線の製造方法に関する。
「従来の技術」 最近に至り、常電導状態から超電導状態へ遷移する臨界
温度(Tc)が液体窒素温度以上の値を示す酸化物系の
超電導材料が種々発見されている。
この種の酸化物超電導材料には、例えば一般式A−B 
−Cu−0(ただし、AはLa、Ce、Yb、Sc、E
r等の周期律表111a族元素の1種以上を示し、Bは
Ba。
Sr等の周期律表Ila族元素の1種以上を示す)で示
されるものがある。そして、この種の酸化物超電導体を
製造するには、前記■a族元素を含む粉末とIIa族元
素を含む粉末と酸化銅粉末を混合して混合粉末を調製し
、この混合粉末を所定の形状に成形した後に、得られた
成形体に熱処理を施し、各元素を固相反応させて超電導
物質を生成させることにより製造するようにしている。
また、前記A −B −Cu−0系の超電導体を具備す
る超電導線を製造する方法として従来、前記混合粉末を
金属管に充填するか、あるいは混合粉末に熱処理を施し
て得た超電導粉末を金属管に充填し、充填後にダイス孔
を有するダイスなどを用いて金属管を引抜加工して所望
の直径の線材を得、この線材に熱処理を施して内部の圧
粉成形体の元素を固相反応させ、金属管の内部に超電導
物質を生成させることにより超電導線を得る方法が知ら
れている。
「発明が解決しようとする問題点」 前記従来方法においては、ダイス孔を有するダイスを用
いた引抜加工によって金属管を縮径して混合粉末を圧粉
する関係から、引抜加工時に断線しない程度に加工する
必要があって、加工率に限界を生じるために、粉末の圧
密度を十分に高めることができない問題がある。ちなみ
に、本発明者らが前記従来方法を用いて引抜加工後にお
ける粉末の圧密度を測定した結果、その圧密度は理論密
度(気孔率が0%の状態)の70〜75%程度であった
。従って、圧密度が十分ではない圧粉成形体に熱処理を
施して焼結することになるために、得られた超電導線に
あっては、各元素の固相反応が十分にはなされていない
傾向があり、優れた超電導特性が得られない問題がある
。また、前述のように圧密度が十分ではない圧粉成形体
を焼結して超電導線を製造した場合、超電導体内部の気
孔率が比較的大きいために、超電導線の曲げ強度が不足
するなど強度面での不満が大きい問題もある。このため
、超電導マグネットの巻線用などとして超電導線を巻胴
に巻回しようとする場合に、超電導体にクラックが入り
易いおそれがあり、超電導特性が著しく低下するおそれ
がある。
さらに、超電導粉末等を充填した金属管を引抜加工して
線材を得る場合には、引抜加工における減面率が全体で
95%を越えると、得られる線材が断線し易くなる問題
もある。
本発明は前記問題に鑑みてなされたもので、圧粉成形体
の圧密度を十分に高くすることができ、優れた超電導特
性を発揮するとともに、機械強度の高い酸化物系超電導
線の製造技術を提供することを目的とする。
「問題点を解決するための手段」 本発明では、酸化物超電導体粉末と酸化物系電導線末の
前駆体粉末のうち少なくとも一方を含む出発物に圧粉成
形処理を施して圧粉成形体とし、次いで該圧粉成形体を
金属シース内に充填して金属シースの厚さ寸法が金属シ
ースの外径寸法の10〜25%である複合体を形成し、
次いで該複合体に縮径加工を施して該複合体を線材とす
るとともに該線材内の芯線の圧密度を理論密度の75%
以上としたうえで、熱処理することをその解決手段とし
た。
以下、本発明の詳細な説明する。
本発明では、まず出発物を調製する。この出発物として
は、酸化物超電導体粉末あるいは酸化物超電導体の前駆
体粉末が用いられる。
上記の酸化物超電導体粉末としては、A −B−C−D
系(ただしAは、Y、Sc、La、Ce、Pr、Nd、
Pm。
Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Y
b、Luなどの周期律表IIIaIIa族元素1種ある
いは2種以上を示し、BはSr、Ba、Ca、Be、M
g、Raなどの周期律表11a族元素のうち1種あるい
は2種以上を示し、CはCu、Ag、Auの周期律表I
b族元素とNbのうちCuあるいはCuを含む2種以上
を示し、DはO,S 、Se、Te、Poなどの周期律
表■b族元素およびF、C1,Br等の周期律表■b族
元索のうち0あるいは0を含む2種以上を示す)の酸化
物超電導体の粉末が用いられる。
また、酸化物超電導体の前駆体粉末としては、酸化物超
電導体を構成する元素を含む材料混合粉末あるいはこの
材料混合粉末と上記酸化物超電導体粉末との混合粉末が
用いられる。上記の材料混合粉末には、周期律表IIa
族元素を含む粉末と周期律表■a族元素を含む粉末と酸
化銅粉末等からなる混合粉末あるいはこの混合粉末を仮
焼した粉末、またはこの仮焼粉末と上記混合粉末とから
なる混合粉末などが用いられる。そして、ここで用いら
れる周期律表TIa族元素粉末としては、Be。
S r、Mg、)3 aJ(aの各元素の炭酸塩粉末、
酸化物粉末、塩化物粉末、硫化物粉末、フッ化物粉末等
の化合物粉末あるいは合金粉末などである。また、周期
律表llTa族元素粉末としては、Sc、Y、La、C
e。
Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、jb、DY、H
o、Er、Tm。
Yb、Luの各元素の酸化物粉末、炭酸塩粉末、塩化物
粉末、硫化物粉末、フッ化物粉末等の化合物粉末あるい
は合金粉末などが用いられる。さらに、酸化銅粉末には
、CuO,Cu2O,Cu*O7,Cu403などが用
いられる。
ところで、本発明で用いられる種々の混合粉末を調製す
るには、いずれも通常、粉末法が用いられるが、この方
法に限定されるものではなく、各構成元素をシュウ酸塩
として共沈させ、その沈澱物を乾燥させて混合粉末とし
て得る共沈法を適用させることも自由である。また、前
記必要な元素のアルコキシド化合物、オキシケトン化合
物、ンクロペンタジエニル化合物、アセチルアセトン化
合物などを所定の比率で混合して混合液とし、この混合
液に水を加えて加水分解などしてゾル状にするとともに
、このゾル状の物質を加熱してゲル化し、このゲルを更
に加熱して固相としたうえで粉砕して混合粉末を得るゾ
ルゲル法を適用してもよい。
次に、このように調製された出発物に圧粉成形処理を施
して圧粉成形体を作製する。ここでの圧粉成形処理には
、例えば冷間静水圧プレス、熱間静水圧プレス(r−r
rP)などの方法が好適に用いられるが、これらの方法
に限定されることなく、上記出発物を所望の圧密度の圧
粉成形体に加圧成形できる方法であれば、いかなる方法
も使用可能である。例えば、上記出発物を充填した金属
管に、ダイスによる引抜加工、ロータリースウェージン
グ加工、圧延加工などを1種あるいは2種以上組合わせ
て施して金属管を縮径し、上記出発物を所望の圧密度の
圧粉成形体とする方法などを用いてもよい。そして、こ
の上うな圧粉成形処理での成形圧力は、出発物の種類、
圧粉成形体の圧密度などに応じて決められ、通常1.5
〜10 ton/ ax”程度の範囲で定められる。
また、この上うな圧粉成形処理の前処理として、出発物
に対して仮焼処理、粉砕処理などからなる一連の処理を
1回以上繰り返し施すことができる。
ここで、上記の仮焼処理は、酸素ガスを含む雰囲気中で
、例えば500〜1000℃、1〜数十時間の条件で行
なわれるのが望ましい。この仮焼処理は、上記出発物中
に炭酸塩が含まれる場合に、後工程の熱処理で発生しか
つ超電導体の超電導特性を低下させる炭酸ガスを予め除
去しておく目的で行なわれる。そして、粉砕処理は、粉
砕物の細粒化や粒径の均一化などを目的として行なわれ
るが、圧粉成形処理で得られる圧粉成形体の圧密度を考
慮すれば、上記粉砕処理で可能な限り粉砕物の粒径を小
さくしておくのが望ましい。
さらに、圧粉成形処理後に、酸素雰囲気中で800〜1
100°C1,:l−100時間程度加熱した後に徐冷
する熱処理を行なってもよい。このような熱処理を行な
えば、処理後の圧粉成形体の焼結密度を向上させること
ができるとともに、圧粉成形体中の各構成元素どうしが
互いに十分に固相反応を起こし、これにより圧粉成形体
に超電導体を生成させることができる。
またさらに、前述の出発物に、上記仮焼処理、粉砕処理
、圧粉成形処理、熱処理からなる一連の処理を1回以上
繰り返し施してもよい。このような一連の処理を行なう
ことにより、圧粉成形体中から例えば炭酸ガス等の不純
物を完全に除去でき、かつ圧粉成形体の焼結密度を一層
向上させることができるので、良好な超電導特性を示す
酸化物超電導体を効率よく生成させることができる。
次に、第1図に示すように、前工程までに得られた例え
ば棒状の圧粉成形体1を金属製の管体(金属シース)2
内に収容して複合体3を作製する。
ここで用いられる管体2には、Cu、 Ag、 A+あ
るいはこれらの合金、またはステンレスなどの金属材料
から形成されたものが用いられる。なお、管体2の形成
材料きしては、塑性加工可能なものであれば金属材料に
限らないが、熱処理時に圧粉成形体lから酸素を奪わな
いような非酸化性の材料を選択する必要がある。したが
って、貴金属あるいは貴金属を含有する合金などを用い
ることが好ましいが、管体2の内周面に非酸化性の材料
からなる被覆層を形成したものでも差し支えない。
そして、管体2の壁部の厚さ寸法は、管体2の外径寸法
の10〜25%の範囲で決められる。管体2壁部の厚さ
寸法が管体2の外径寸法の10%未満では、管体2壁部
が薄過ぎて後工程の縮径加工で複合体3を所望の線径の
線材とした際に、線材に断線等の不都合が生じる。一方
、25%を越えると、断線等の不都合を解消できるもの
の、管体2壁部が厚過ぎるために、縮径加工の際の成形
圧力が圧粉成形体1に及びにくく、圧粉成形体1の圧密
度を向上させることが困難となるとともに、特に管体2
の形成材料に例えば銀等の貴金属を用いた場合には、製
造コストが高騰する不都合も生じる。また、管体2の内
径寸法は圧粉成形体lの外径寸法より若干大きい程度に
設定され、両者の寸法公差はより小さく、両者間に間隙
が少ない方が好ましい。これは、後工程の縮径加工の際
に、圧粉成形体lと管体2との間に大きな間隙が存在す
ると、成形圧力が圧粉成形体lに伝わりにくく、十分に
縮径できないという不都合が生じ易いからである。
次に、この例では、第1図に示すようなロータリースウ
ェージング装置へにより前記複合体3に縮径加工を施す
。このロータリースウエージング装置Aは、図示路の駆
動装置によって移動自在に設けられた複数のダイス6・
・を備えてなるものである。これらダイス6・・は、棒
状の複合体3をその長さ方向に移動させる際の移動空間
の周囲に、この移動空間を囲むように設けられたもので
、前記移動空間と直角な方向(第1図に示す矢印a方向
)に移動自在に、かつ移動空間の周回り(第1図に示す
矢印す方向)に回転自在に保持されている。
また、各ダイス6 ・の内面には、それぞれ前記複合体
3に縮径加工を施すためのテーパ面6aが形成されてい
て、各ダイス6・・・のテーパ面6aて囲む間隙が先窄
まり状となるようになっている。
前記複合体3を縮径するには、前記ロータリースウエー
ジング装置Aを作動させるとともに、第1図に示すよう
に複合体3の一端をダイス6・・の間の間隙に押し込む
。ここで、前記ダイス6・・・が第1図の上下方向に所
定間隔往復移動しつつ回転しているために、複合体3は
一端側から順次鍛造されて第1図の2点鎖線で示す線径
まで縮径され、線材13となる。この縮径加工において
は、回転しつつ往復運動する複数のダイス6によって複
合体3を鍛造しつつ縮径するために、縮径加工中の複合
体3に断線を起こすことなく大きな加工率で縮径加工す
ることができる。
このような縮径加工は、線材13の線径が所望の線径に
達し、かつ線材13内の芯線の圧密度が理論密度の75
%以上、好ましくは77%以上となるまで繰り返し行な
われる。芯線の圧密度が理論密度の75%未満では、圧
密度が小さ過ぎて、この芯線に対して後工程の熱処理を
行なっても焼結密度に限界があり、この場合得られた超
電導線の超電導特性が極めて低いものとなってしまう不
都合が生じる。なお、先のロータリースウエージング装
置Aによる加工で線径と圧密度の目的が達せられない場
合には、この装置Aのダイス6の成形空隙より小さく形
成された成形空隙を有するダイスを備えたロータリース
ウェージング装置などを用いて繰り返し縮径加工を行う
必要がある。
このようにして得られた線材13に対し以下に説明する
処理を施して酸化物系超電導線を製造する。
即ち、前記線材13から外側の金属シースとなっている
管体部分を除去し、これにより芯線部分を露出させる。
ここでの金属ンースの除去には、例えば酸あるいはアル
カリの水溶液などの処理液中に複合体を浸漬させ、金属
シースのみを上記処理液中に溶解させる化学的な方法な
どが用いられる。
この方法には、金属シースに銅、銀あるいはこれらの合
金を用いた場合、処理液として希硝酸などが用いられ、
金属シースにアルミニウムを用いた場合、処理液として
苛性ソーダなどが用いられ、金属シースにステンレスを
用いた場合、処理液として王水などが用いられるが、シ
ース材料と処理液との組み合わせはこれらに限定される
ものではない。そして、このような除去操作の後には、
速やかに芯線の表面に水洗処理あるいは中和処理を行な
って処理液の芯線などへの影響を排除することが望まし
い。なお、上記金属シースの除去には、他に切削加工を
用いる方法も考えられるが、この切削加工を用いると、
芯線が細径の場合、除去操作時に折れ曲がってしまうな
どの不都合が生じることがある。このため、この例では
、芯線に上記の不都合が生じにくい上記の化学的な方法
を採用したが、折曲のおそれが少ない場合は切削加工を
行なって金属シースを除去する方法と金属シースを化学
的に除去する方法とを併用してもよい。
次いで、このようにして露出せしめられた芯線に対して
熱処理を施す。この熱処理は好ましくは酸素雰囲気中で
800〜1100℃に1〜100時間程度加熱した後に
徐冷することによって行なわれる。なお、ここで、徐冷
処理の途中に400〜600℃の温度範囲で所定時間保
持する処理を行なって酸化物超電導体の結晶構造が正方
品から斜方晶に変態することを促進するようにしてもよ
い。上記の熱処理により、上記芯線中の各構成元素どう
しが互いに十分に固相反応を起こすとともに、芯線の表
面が露出せしめられていることから、芯線の表面全体か
らその内部に酸素元素が効率よく拡散される。したがっ
て、上記芯線には、その全線に亙って均一な超電導特性
を示す例えばA−B −Cu−0系の酸化物超電導体が
生成され、これにより良好な超電導特性を示す酸化物系
超電導線が得られる。
そして、このような酸化物系超電導線には、必要に応じ
てコーティング処理を施して保護コート層を形成するこ
とができる。この保護コート層の形成材料としては、例
えば錫、鉛等の低融点金属、あるいは半田等の合金など
が好適に用いられる。
そして、この保護コート層の形成方法としては、例えば
電気メツキ、溶融メツキ、半田メツキなどの方法が好適
に用いられる。また、他の方法として、上記低融点金属
の粉末あるいは上記合金粉末を酸化物系超電導線の表面
に所定の厚さで付着させたのち上記粉末を焼結させる方
法も用いることができる。このようにして保護コート層
を形成すれば、酸化物系超電導線の良好な超電導特性を
長期間に亙って安定化させることが可能となる。
この製造方法によれば、ロータリースウェージング装置
Aにより鍛造加工を少なくとも1回行なうことで管体2
壁部の厚さ寸法を特定した複合体3内の圧粉成形体が十
分に圧密され、圧密度が理論密度の75%以上である芯
線を有する線材13が得られ、次いでこの線材13に対
する金属シース除去後の熱処理により、芯線中の各元素
が固相反応する際に元素の拡散が円滑になされることか
ら、気孔率が低く、曲げ強度などの機械強度が高いうえ
、長手方向に均一で良好な超電導特性を示す酸化物系超
電導線を断線させることなく製造できる。したがって、
このようにして得られた酸化物系超電導線にあっては、
曲げに強く5屈曲性を有するので、クラックを生じるこ
となく巻回でき、超電導マグネット用の巻線などに好適
なものとなる。
また、圧粉成形体lに熱処理を施してから複合体3を作
製すれば、その熱処理により圧粉成形体1の焼結密度を
格段に向上させることができるので、複合体3に対する
縮径加工により、極めて高い圧密度の芯線を有する線材
を得ることができる。
したがって、この線材の管体部分を除去して芯線部分を
露出させた後に、酸素雰囲気中で熱処理することによっ
て良好な超電導特性を示す酸化物系超電導線を製造する
ことができる。
なお、この例では、複合体3を縮径するのにロータリー
スウェージング加工を用いたが、これに限定されること
なく、圧延加工などの加工法も好適に用いることができ
る。
以下、実施例を示す。
「実施例」 平均粒度を4μmとしたY2O3粉末とlμlとしたB
 a COs粉末と同じくlμlとしたCuO粉末をY
 :Ba:Cu= 1 :2 :3となるように混合し
て混合粉末を得た。次いで、この混合粉末を酸素気流中
で、900°C124時間加熱する仮焼処理を行なつて
から、ボールミルにより粉砕した後、成形圧力を2 、
5 ton/ am’としたラバープレスにより圧粉成
形処理を行なって棒状の圧粉成形体を得た。次に、この
圧粉成形体に酸素気流中で、900 ℃、24時間加熱
する熱処理を行なった。このような仮焼処理、粉砕処理
、圧粉成形処理、熱処理からなる一連の処理を繰り返し
行なって外径6.9mxの圧粉成形体を得た。ちなみに
、この圧粉成形体の圧密度を測定したところ、理論密度
の78%であった。また、この圧粉成形体の臨界電流密
度は約40A/ax’であった。
次に、この圧粉成形体を外径+011111.内径7+
u+、壁部の厚さ1.5i++iの銀製の管体内に充填
して複合体とした。次いで、第1図に示すダイスと同様
の構成のダイスを備えたロータリースウェージング装置
を用い、前記複合体を直径1 、5 RRCD線材とな
るまで冷間で鍛造しつつ段階的に縮径加工した。なお、
複合体を段階的に鍛造しつつ縮径して −線材を得るに
は、ダイス間の空隙が異なるダイスを複数用意し、1回
の縮径加工における減面率を約20%に設定し、複数回
鍛造操作を行なって縮径するものとし、加工速度を1m
/分とした。
以上の加工においては、最終線径まで断線などのトラブ
ルを生じることなく加工することができた。そして、こ
のように製造されん線材の内部の芯線の圧密度を測定し
たところ、理論密度の82%であり、ダイスを用いた線
引加工により縮径された線材に比べて格段に向」ニして
いた。
次いで、この線材を硝酸中に浸漬させて銀製のンースを
溶解除去して芯線を露出させた。
次に、この芯線に対して酸素気流中で890°Cに17
時間加熱し、この後、−100℃/時間で室温まで徐冷
する熱処理を行なって、芯線の全線に亙って酸化物系超
電導体を生成させ、超電導芯線を得た。この超電導芯線
の焼結密度を測定したところ、理論密度の915%とい
う結果が得られた。次いで、この超電導芯線の表面に半
田メツキして厚さ1xIIの保護コート層を形成して酸
化物系超電導線を製造した。
このように製造された酸化物系超電導線は、臨界温度 
     91に 臨界電流密度  約11000  A/am’(77K
において) を示した。
また、この酸化物系超電導線を巻胴に巻回してみたとこ
ろ、クラックを生じることなく巻回することができ、機
械強度も十分高いことが明らかとなった。
これに対し、圧密度を理論密度の65%、74%に設定
した(比較例1.2)圧粉成形体を作製した。これら比
較例1および2の圧粉成形体を上記実施例と同様にそれ
ぞれ複合体としたのち、これら複合体をロータリースウ
ェージングにより鍛造しつつ直径1.5igまで縮径し
た。次いで、縮径して得られた線材の金属シースを溶解
除去して芯線を露出させたのち、この芯線に実施例と同
条件で熱処理を施して超電導芯線を得た。これら2種類
の超電導芯線の焼結密度(理論密度に対する百分率)と
臨界電流密度(測定温度77K)とを測定し、その結果
を第1表に示した。
第1表 以上のことから、本発明を実施して製造された酸化物系
超電導線は、従来の方法で製造された酸化物系超電導線
に比べて機械強度が高く超電導特性も優れていることが
明らかとなった。
「発明の効果」 以上説明したように、本発明の製造方法によれば、酸化
物超電導体粉末とその前駆体粉末のうち少なくとも一方
を含む出発物に圧粉成形処理を施した圧粉成形体を金属
シース内に充填して金属シースの厚さ寸法を特定した複
合体を得、該複合体に縮径加工を施して該複合体を線材
とするとともに該線材内の芯線の圧密度を理論密度の7
5%以」−としたうえで、熱処理するようにしたので、
線材を断線させることなく、複合体を確実に線材とする
ことができるとともに、線材内の芯線の圧密度を、例え
ば従来の引抜加工による場合よりも高くすることができ
る。したがって、熱処理により高圧密度の芯線内部で構
成元素の拡散が円滑にかつ容易になされることから、機
械強度と超電導特性に共に優れた酸化物系超電導線を製
造できる。
また、本発明により製造された酸化物系超電導線は、超
電導マグネット用の巻線にするために巻胴に巻回した場
合、クラックを生じることなく巻回することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の一実施例を説明するためのもので、
縮径加工を説明するための断面図である。 1・・・圧粉成形体、2・・・管体(金属管)、3・・
・複合体、6・・・ダイス、13・・・線材、A・・・
ロータリースウェージング装置。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)酸化物超電導体粉末と酸化物超電導体の前駆体粉
    末のうち少なくとも一方を含む出発物に圧粉成形処理を
    施して圧粉成形体とし、次いで該圧粉成形体を金属シー
    ス内に充填して金属シースの厚さ寸法が金属シース外径
    寸法の10〜25%である複合体を形成したのち、該複
    合体に縮径加工を施して該複合体を線材とするとともに
    該線材内の芯線の圧密度を理論密度の75%以上とした
    うえで、熱処理することを特徴とする酸化物系超電導線
    の製造方法。
  2. (2)前記前駆体粉末が、酸化物超電導体の構成元素を
    含む材料の仮焼粉末であることを特徴とする特許請求の
    範囲第1項記載の酸化物系超電導線の製造方法。
  3. (3)前記圧粉成形体が、少なくとも1回熱処理された
    ものであることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載
    の酸化物系超電導線の製造方法。
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