JPH01183451A - 超電導材料及びその製造方法 - Google Patents

超電導材料及びその製造方法

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JPH01183451A
JPH01183451A JP63005745A JP574588A JPH01183451A JP H01183451 A JPH01183451 A JP H01183451A JP 63005745 A JP63005745 A JP 63005745A JP 574588 A JP574588 A JP 574588A JP H01183451 A JPH01183451 A JP H01183451A
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JP
Japan
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periodic table
composite oxide
raw material
precipitate
oxygen
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JP63005745A
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English (en)
Inventor
Kenichiro Shibata
柴田 憲一郎
Hirobumi Mizusuna
水砂 博文
Hitoshi Oyama
仁 尾山
Shuji Yatsu
矢津 修示
Tetsuji Jodai
哲司 上代
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Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • 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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  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
  • Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)

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、新規な複合酸化物超電導材料およびその製造
方法に関するものであり、より詳細には臨界電流密度(
Jc)が高い複合酸化物超電導材料とその製造方法に関
するものである。
従来の技術 複合酸化物の超電導材料自体は古くから知られており、
例えば米国特許第3.932.315号には、Ba−P
b−B1−0系の複合酸化物が開示されている。
しかし、この系の複合酸化物の臨界温度はIIK程度で
液体ヘリウムを冷媒として用いなければならない。昨年
(昭和61年4月)に至って、La −Ba −[:u
−0系の複合酸化物の抵抗が35に以下で低下すること
がG、 Bednorzおよびに、 A、 M[jll
erによって示された。さらに、K、N1F4型の結晶
構造のLaBaCu O,が高い臨界温度の超電導相を
構成するということが田中昭二等によって示され、本年
2月にはC,W、Chu達によってY−Ba−Cu−0
系の超電導材料が発表されている。
この超電導材料は3層構造のオルソロンピック系のペロ
ブスカイト型結晶構造を有しており、その組成はBax
 YCus O7−)lで表される。この材料がなぜ高
い臨界温度Tcを有するのかは現在のところ不明であり
、種々の理論が提案されている段階である。
また、上記のYをそれと同数の電子を有する磁気モーメ
ントが大きく局在している他の希土類元素で置き換えて
も臨界温度Tcがそれ程低下しないということもわかっ
ている(例、北沢 達によるJpn、J、Appl、−
Phys、  (26) 4 L339 (1987)
)。
この他、La−3r −Cu −0系等の3元素系複合
酸化物や酸素の一部をフッ素で置換した複合酸化物等の
多数の複合酸化物が高い臨界温度で超電導体となり得る
ことが報告され、高温超電導体による超電導技術の開発
が俄かに促進されようとしている。既に報告されている
これらの複合酸化物はペロブスカイト型に類似した結晶
構造を含んでいる。
超電導現象下で物質は完全な反磁性を示し、内部に有限
な定常電流が流れているにも関わらず電位差が現れなく
なる。この超電導現象の応用分野は、MHD発電、電力
送電、電力貯蔵等の電力分野、或いは、磁気浮上列車、
電磁気推進船舶等の動力分野、更に、磁場、高周波、放
射線等・の超高感度センサとしてNMR,π中間子治療
、高エネルギー物理実験装置などの計測の分野など極め
て広範な分野に亘っており、更に、ジョセフソン素子に
代表されるエレクトロニクスの分野でも、単に消費電力
の低減のみならず、動作の極めて高速な素子を実現し得
る技術として期待されている。
発明が解決しようとする課題 超電導現象を実際に使用するためには、臨界温度Tcを
上げることの他に、臨界電流密度Jcを上げることが必
要である。一般に実用上必要とされる臨界電流密度Jc
は液体窒素温度(77K)で約1万A/cm2以上であ
るが、上記の複合酸化物系超電導材料で現実に得られる
臨界電流密度Jcは数百〜数千A/cm2でしかない。
本出願人は臨界電流密度Jcが向上しない原因を検討し
た結果、複合酸化物超電導材料の場合には原料粉末の製
造条件を改良することによって臨界電流密度Jcを向上
できるということを発見し本発明を完成させた。
すなわち、従来の複合酸化物超電導材料の原料粉末は主
として混合法と共沈法とで作られているが、本発明達は
、何れの方法の場合にも焼結多結晶体に特有の結晶粒界
層に問題があると考えた。
特に、混合法の場合には、原料として用いる炭酸バリウ
ムに起因する炭素(C)が不純物として混入し、しかも
それが結晶粒界層に偏在し、その結果臨界電流密度Jc
が低下することを発見した。さらに、共沈法の場合にも
、沈澱剤として用いる蓚酸を有機溶媒に溶解させた溶液
に起因する炭素(C)が不純物として混入し、しかもそ
れが結晶粒界層に偏在し、その結果臨界電流密度Jcが
低下することを発見した。
従って、本発明の目的は、臨界電流密度Jcの高い複合
酸化物超電導材料とその製造方法を提供することにある
課題を解決するための手段 即ち、本発明の提供する複合酸化物超電導材料は下記の
一般式; %式% (ただし、Aは周期律表のIIIIa族に含まれる元素
であり、Bは周期律表のIIIa族に含まれる元素であ
り、u、v、wおよびxはそれぞれ0.5≦u≦3.0
.5≦v≦2.2<wS2および6≦x≦7の範囲の数
を表す)で示される組成を主体とし且つ酸素欠損ペロブ
スカイト型結晶構造を含む複合酸化物において、この複
合酸化物の炭素含有量が0.6重量%以下であることを
特徴としている。
上記の「主体とし」という表現は超電導材料全体が上記
組成の複合酸化物の他に製造上不可避的に混入する多く
の元素を含むということを意味しており、上記の「含む
」という表現は超電導材料全体が上記組成の複合酸化物
で構成されている場合のみならず、その一部に含んでい
る場合をも含むという意味である。即ち、本発明による
超電導材料は上記一般式で表される単結晶あるいは多結
晶のようなその全体が均一なものだけではなく、他の組
成および結晶構造のものを含んでいてもよい。
上記元素AとしてはCa5Sr、 Ba、 Raが例示
でき、特にHaSSrが好ましい。上記元素Bとしては
Sc。
Y1アクチニウム系、ランタン系が挙げられ、特にYS
Laおよび磁性金属、例えば、Bu、 Gd、 Tb。
Dy5HaSEr、 Ybが好ましい。本発明により製
造可能な超電導材料用の元素の組合せとしては、例えば
、Ba−y−Cu−0、Ba−La−Cu−o、5r−
La−Cu−0、Ba−Ha −Cu−0、Ba−Br
 −Cu−0、Ba −Gd−Cu−0の組合せを挙げ
ることができ、これら組成比は上記定義の範囲内で適宜
選択することができる。
上記各元素の組成比(原子比)u、vSwおよびXはそ
れぞれ0.5≦u≦3.0.5≦v≦2.2くWS2お
よび6≦x≦7の範囲にする。これらの組成比を外れる
と、複合酸化物超電導材料となる酸素欠損ペロブスカイ
ト型結晶構造から大幅に外れて、臨界温度Tcの向上お
よび電流密度Jcの向上が達成できない。上記元素Aと
元素Bの組合せとしてY−BaSLa−Ba、 5r−
Baの各県を用いた場合には、これら各県の原子比はそ
れぞれY/(Y+Ba)の場合には0.06〜0.94
であるのが好ましく、さらには0.1〜0.4であるの
が好ましく、Ba/ (La+Ba)の場合には0.0
4〜0.96であるのが好ましく、さらには0.08〜
0.45であるのが好ましく 、Sr/ (La+Sr
)の場合には0.03〜0.95の範囲であるのが好ま
しく、さらには0.05〜0.1であるのが好ましい。
原子比が上記の範囲からはずれた場合にはいずれも、超
電導体の超電導臨界温度が所望の値とならない。
また、上記元素(A十B)に対する銅元素Cuおよび酸
素の原子比はそれぞれ1:0.3〜3.0およびl:1
〜5の比率にする。このような比率にすることによって
現在酸化物系超電導体の構造として電子顕微鏡等の解析
で明らかになりつつあるペロブスカイト型、酸素欠損ペ
ロブスカイト型等の例えばオルソロンピック構造を有す
るいわば擬似ペロブスカイト型の結晶構造の複合酸化物
にすることができる。
本発明の特徴は上記複合酸化物超電導材料中の炭素の含
有量が0.6重量%以下である点にある。
すなわち、本発明は上記一般式で表される複合酸化物中
に不可避的に含有される不純物としての炭素の含有量を
0.6重量%以下にしたものである。
上記複合酸化物は一般に原料の混合粉末を焼結して作ら
れるので、得られた複合酸化物超電導材料の炭素の含有
量を0.6重量%以下にするには、複合酸化物とする前
の原料粉末全体の炭素の含有量を0.6重量%以下にす
ればよい。
以下、本願の第1の発明の好ましい実施態様を列記する
(a)  上記複合酸化物が主としてtIIIa2Yc
u* 0v−p(ただし、pは0.1<p≦1の範囲の
数を表す)で表される複合酸化物を含むことを特徴とす
る請求項1に記載の超電導材料。
(5)上記複合酸化物が主としてBa2HoCua 0
7−p(ただし、pは0.1<p≦1の範囲の数を表す
)で表される複合酸化物を含むことを特徴とする請求項
1に記載の超電導材料。
(C)  上記複合酸化物が主として[3a20yCu
 30 ? −P(ただし、pは0.1<p≦1の範囲
の数を表す)で表される複合酸化物を含むことを特徴と
する請求項1に記載の超電導材料。
(d)  上記複合酸化物が主としてBaJrCus 
0i−p(ただし、pは0.1<p≦1の範囲の数を表
す)で表される複合酸化物を含むことを特徴とする請求
項1に記載の超電導材料。
本発明はさらに上記の複合酸化物超電導材料の製造方法
にも関し、本発明のこの製造方法の特徴は、周期律表の
IIa族に含まれる元素Aと、周期律表のIIa族に含
まれる元素Bと、Cuとを含む原料粉末を焼結すること
によって一般式:%式% (ただし、Aは周期律表のlIIIa族に含まれる元素
であり、Bは周期律表のIIIa族に含まれる元素であ
り、U、VSWおよびXはそれぞれ0.5≦u≦3.0
.5≦v≦2.2<wS2および6≦x≦7の範囲の数
を表す) で示される組成を主体とし且つ酸素欠損ペロブスカイト
型結晶構造を含む複合酸化物超電導材料を製造する方法
において、上記原料粉末中の炭素含有量が0.6重量%
以下となるまでに原料粉末を熱処理した後に焼結する点
にある。
上記の熱処理は、酸素含有雰囲気下で、850〜950
℃の温度で12時間以上行う熱処理であるのが好ましい
。すなわち、上記熱処理が850℃未満では炭素含有量
が0.6重量%以下にならず、また、X線回折による分
析結果から単一相の酸素欠損ペロブスカイト構造になり
にくいことがわかっている。また、逆に、熱処理が95
0℃を超えると粉末の結晶粒界が粗大化するため、焼結
工程での焼結性が低下し、臨界電流密度Jcの低下ある
いは機械的特性が低下する。
上記の熱処理は、酸素含有雰囲気下で行うが、この酸素
含有雰囲気は大気あるいは5%以上の酸素を含む酸素−
窒素ガス、酸素−アルゴンガス、あるいは酸素ガスによ
って作ることが好ましい。
熱処理を酸素含有雰囲気下で行うことによって、熱処理
時に炭素がCOあるいはCO2ガスとなって除去され易
くなる。
また、上記熱処理時間は12時間以上行うことが望まし
く、12時間未満では炭素含有量が0.6重量%以下に
ならない場合がある。
本発明の上記原料粉末は上記元素の酸化物、炭酸塩、硫
酸塩、硝酸塩または蓚酸塩の粉末、例えば、Y2.O,
、BaCO3およびCuO等を用いる前記の混合法によ
って作られた混合粉末でもよいが、共沈法によって作ら
れた上記元素A、BおよびCuを含む沈澱物の乾燥物と
するのが特に好ましい。
具体的には、周期律表のI[a族に含まれる元素Aの金
属塩と、周期律表のIIIa族に含まれる元素Bの金属
塩と、Cuの金属塩とを含む溶液から沈澱剤を用いて上
記各元素を含む沈澱物を回収し、次いでこの沈澱物を乾
燥後に焼結することによって一般式: Ag By C
uw oll(ただし、Aは周期律表のlIIIa族に
含まれる元素であり、Bは周期律表のIIIa族に含ま
れる元素であり、u、v、wおよびxはそれぞれ0.5
 ≦u≦3.0.5≦v≦2.2<wS2および6≦x
≦7の範囲の数を表す) で示される組成を主体とし且つ酸素欠損ペロブスカイト
型結晶構造を含む複合酸化物超電導材料を製造するに当
たって、 上記の沈澱物を焼結する前に、この沈澱物の乾燥粉末を
850〜950℃の温度で酸素含有雰囲気下で12時間
以上熱処理する。
上記沈澱物は上記元素ASBおよびCuの金属塩例えば
、硝酸塩等の溶液から沈澱剤、例えば蓚酸を用いて共沈
させることができる。
上記の金属塩としては上記各元素ASBおよびCuを溶
媒に可溶化でき且つ均一な沈澱物ができるものであれば
よい。こうした性質を有する金属塩としては上記金属の
正塩の他に、オキシ塩または水素塩を用いることもでき
る。
特に、上記金属塩は金属の硝酸塩、塩化物またはオキシ
塩化物にすることができる。上記沈澱物は上記金属の炭
酸塩、蓚酸塩または水酸化物にすることができる。本発
明による共沈法が用いられる出発溶液には上記金属塩の
他に共沈法すなわち中和共沈法によって沈澱物を生じさ
せることができる上記元素の化合物を含むこともできる
。 必要な場合には、上記沈澱物を回収する前にこの沈
澱物を含む溶液中に上記の各成分金属光−素と錯体を形
成しないpH調整剤、例えば、メチルアミン、ジメチル
アミン、トリメチルアミン、エチルアミン、ジエチルア
ミン、トリエチルアミン等のアミンを添加することもで
きる。トリエチルアミンは溶液中の過剰の蓚酸と反応し
て蓚酸アンモニウムを形成するが、この蓚酸アンモニウ
ムは沈澱する蓚酸イツトリウム、蓚酸バリウム、蓚酸鋼
の微粒子の周囲に付着し、沈澱物の濾過、洗浄、乾燥時
の粒子相互の凝集を防止する役目をする。 上記沈澱物
はこのpH処理後に乾燥することによって直接超電導体
製造用の原料粉末として用いることができるが、上記沈
澱物を適当な基体の表面に付着させた後に、得られた層
を乾燥し、次いで焼結することによって超電導薄膜層を
有する超電導体にすることもできる。いずれの場合にも
、上記乾燥は完全且つ十分に行う必要がある。−例とし
て、この乾燥は室温から約100℃の間の温度で1時間
以上行うのが好ましい。
上記の焼結は一般に約400℃から約1100℃の間の
温度、好ましは800〜950℃の温度で6時間以上の
時間行うのが好ましく、この焼結の前に仮焼結を行い、
得られた仮焼結体を粉砕後に本焼結を行うようにしても
よい。焼結温度の最高値は前記各元素の酸化物の融点よ
り約100℃低い温度にするのが好ましい。−例として
、Y−Ba−Cu−0系の場合には約り00℃〜約99
0℃で、約3〜5時間焼結するのが好ましい。さらに、
上記焼結は酸素雰囲気下で行うのが好ましい。
本発明の好ましい応用例としては、上記共沈法で得られ
た沈澱物を乾燥・熱処理したものを金属製の外筒部材、
例えば銀、金、白金族元素またはこれらを含む合金より
なる外筒部材中に充填後、引き抜き加工等の線材化工程
を通して上記外筒部材を縮径し、次いで上記温度で焼結
することによって製造されるワイヤーが含まれる。
以下、本願の第2発明の好ましい実施態様を列記する。
(a)  熱処理を酸素含有雰囲気下で、850〜95
0℃の温度で12時間以上行うことを特徴とする請求項
2に記載の方法。
ら)原料粉末が共沈法によって作られた上記元素A、B
およびCuを含む沈澱物の乾燥物であることを特徴とす
る請求項2または上記(a)に記載の方法。
(C)  沈澱物が上記元素A、BおよびCuの金属塩
の溶液から蓚酸を用いて共沈させた沈澱物であることを
特徴とする上記(5)に記載の方法。
(6)焼結の前に仮焼結を行い、得られた仮焼結体を粉
砕後に上記焼結を行うことを特徴とする請求項2または
上記(a)〜(C)のいずれか−項に記載の方法。
(e)  焼結が950℃の温度で6時間以上の時間行
われることを特徴とする請求項2または上記(a)〜(
イ)のいずれか−項に記載の方法。
作用 本発明による超電導材料が従来の複合酸化物系超電導材
料に比べて高い臨界電流密度Jcを有する理由は焼結多
結晶体の結晶粒界に偏在する不純物としての炭素原子の
量を大幅に低下させたことがその理由の一つと考えられ
る。
さらに、焼結の前の段階で熱処理によって炭素原子の含
有量を低減するため、焼結性が向上し、高密度の焼結体
が得られ、その結果、臨界電流密度Jcが向上する。す
なわち、焼結の前の炭素の含有量が多いと、焼結時にC
OやCO2等のガスとな。
って焼結体中に残り、焼結密度が向上しない。
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、以下
の開示は本発明の技術的範囲を何隻制限するものではな
い。
実施例1 硝酸イツトリウムと硝酸バリウムと硝酸銅とをY:Ba
:Cuの原子比が1:2:3となるモル比で蒸留水に溶
かした(a度=10%)。この場合、硝酸イツトリウム
(Y(8口、)3)と、硝酸バリウム(Ba (NO3
) 2)  と、硝酸銅(Cu (NOa) 2)はそ
れらの大水塩、無水塩および三水塩の形の市販の特級試
薬を用いた。
一方、蓚酸をエタノールに溶かして5重量%の蓚酸エタ
ノール溶液を調整した。
この蓚酸エタノール溶液をマグネティックスティアラ−
で撹拌しながら、それに上記の塩の水溶液を滴下すると
、イツトリウムとバリウムと銅の蓚酸塩が沈澱してくる
その後、上記で得られた沈澱物を濾過した後、石英の容
器に入れ、室温で5時間風乾後、炉に入れて100℃で
5時間乾燥した。この結果得られた粉末を元素分析した
結果、この粉末中の炭素含有量は0.57重量%であっ
た。
次いで、得られた沈澱物粉末を900pで12時間、大
気中で熱処理した。この熱処理後の粉末を1トン/cm
’でプレス成形し、酸素雰囲気中で950℃で6時間焼
結した後、徐冷した。
得られた焼結後の円板に対して常法に従って4端子法に
より電気抵抗を測定して臨界温度(K)を求めた。また
、臨界電流(JC’)も同時に測定した。これらの測定
の結果は表1に示しである。
実施例2 実施例1と同様な操作を繰り返したが、乾燥後の沈澱物
粉末の大気中900℃での熱処理時間を24時間にした
この場合の結果も表1に示しである。
比較例1.2 また、上記と同じ操作を繰り返したが、乾燥後の沈殿物
粉末の大気中900℃での熱処理時間を6時間にした場
合(比較例1)と、熱処理を800℃で12時間行った
場合(比較例2)に得られた結果を比較例として表1中
にまとめて示しである。
表1 実施例3 実施例1と同じ操作を繰り返したが、硝酸イツトリウム
(Y(NO3)3)の代わりに、硝酸ディスプロシウム
、硝酸ホルミウムおよび硝酸エルビウムを用い、乾燥後
の沈澱物粉末の大気中900℃での熱処理時間を24時
間にした。
この場合に得られた結果は表2に示しである。
表2 発明の効果 以上の説明から明らかなように、本発明の湿式法と焼結
法を兼用した超電導体の製造方法を用いることによって
T。、Jc特性の優れた超電導体を効率よく且つ安定に
作ることができる。
さらに、本発明による炭素含有量を低下させた原料粉末
を用いることによって、結晶粒界に起因する臨界電流密
度Jcの阻害要因となる不純物濃度を大幅に低下させる
ことができ、結果的には好ましい超電導特性を有する複
合酸化物焼結体を得ることができる。
本発明による上記複合酸化物超電導材料は、バルクのま
ま、あるいは線材、テープまたはデバイス部材として使
用可能であり、さらには、スパッタリング等により基板
上に薄膜化した薄膜基板とすることによって、ジョセフ
ソン素子、5QUID、超電導磁石、各種センサ等広範
な分野に適用できる。
特許出願人  住友電気工業株式会社

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1) 一般式:A_uB_vCu_wO_x(ただし
    、Aは周期律表のIIa族に含まれる元素であり、Bは周
    期律表のIIIa族に含まれる元素であり、u、v、wお
    よびxはそれぞれ0.5≦u≦3、0.5≦v≦2、2
    <w≦4および6≦x≦7の範囲の数を表す) で示される組成を主体とし且つ酸素欠損ペロブスカイト
    型結晶構造を含む複合酸化物において、該複合酸化物の
    炭素含有量が0.6重量%以下であることを特徴とする
    複合酸化物超電導材料。
  2. (2)周期律表のIIa族に含まれる元素Aと、周期律表
    のIIIa族に含まれる元素Bと、Cuとを含む原料粉末
    を焼結することによって 一般式:A_uB_vCu_wO_x (ただし、Aは周期律表のIIa族に含まれる元素であり
    、Bは周期律表のIIIa族に含まれる元素であり、u、
    v、wおよびxはそれぞれ0.5≦u≦3、0.5≦v
    ≦2、2<w≦4および6≦x≦7の範囲の数を表す) で示される組成を主体とし且つ酸素欠損ペロブスカイト
    型結晶構造を含む複合酸化物超電導材料を製造する方法
    において、 上記原料粉末の炭素含有量が0.6重量%以下となるま
    でに原料粉末を熱処理した後に焼結することを特徴とす
    る製造方法。
  3. (3)周期律表のIIa族に含まれる元素Aの金属塩と周
    期律表のIIIa族に含まれる元素Bの金属塩とCuの金
    属塩とを含む溶液から、沈澱剤を用いて上記各元素を含
    む沈澱物を回収し、次いでこの沈澱物を乾燥後に焼結す
    ることによって 一般式:A_uB_vCu_wO_x (ただし、Aは周期律表のIIa族に含まれる元素であり
    、Bは周期律表のIIIa族に含まれる元素であり、u、
    v、wおよびxはそれぞれ0.5≦u≦3、0.5≦v
    ≦2、2<w≦4および6≦x≦7の範囲の数を表す) で示される組成を主体とし且つ酸素欠損ペロブスカイト
    型結晶構造を有する複合酸化物超電導材料を製造する方
    法において、 上記沈澱物を焼結する前に、この沈澱物の乾燥粉末を酸
    素含有雰囲気下で850〜950℃の温度で12時間以
    上熱処理することを特徴とする製造方法。
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