JPH02306509A

JPH02306509A - セラミック超電導体

Info

Publication number: JPH02306509A
Application number: JP2094203A
Authority: JP
Inventors: Lawrence D Woolf; ローレンス　ディー．ウールフ; Frederick H Elsner; フレデリック　エイチ．エルスナー; William A Raggio; ウィリアム　エイ．ラギオ
Original assignee: General Atomics Corp
Current assignee: General Atomics Corp
Priority date: 1989-04-14
Filing date: 1990-04-11
Publication date: 1990-12-19
Also published as: EP0392659A3; CA2011241A1; EP0392659A2; US5006507A

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、超電導体に関する。特に本発明は、化学的に
両立できる実質的に非磁性の基体上に支持されたセラミ
ック超電導体に関する。本発明は、超電導性磁石のため
の磁石巻き−の如き用途に特に有用であるが、それに限
定されるものではない。

〔従来の技術〕

関連する技術でよく知られているよう□に、超電導体は
幾つかの用途で使用されるセラミックとして比較的容易
に製造することができる。しかし、超電導体は取り扱い
を容易にするめに充分な固有の強度をもたないので、そ
れは使用中基体によって支持されなければならない。更
に、セラミック超電導体の製造中、未だ焼結されていな
い超電導体材料の粒子を被覆することができる台になる
ものを与えるために基体が必要である。残念ながら、製
造温度と操作温度との間の極端な変化は、基体とセラミ
ックとの間の化学的及び物理的相互作用の両方に影響を
与える。

ここで用いられる化学的両立性とは、セラミック超電導
体と基体との間の相互拡散が、仮えあったとしても極め
て僅かな本質的に示活性な相互関係を意味する。この定
義によれば、基体と超電導体との間の化学的両立性は少
なくとも二つの理由から重要である。第一は、基体成分
が超電導体材料中へ拡散すると、超電導体に異物光−が
入り、それが必然的に超電導体に害を与える。その結果
臨界温度（Ｔｅ）が一層低くなり、臨界電流密度（Ｊ　
ｃ）が低下した超電導体になる。第二に、超電導体から
基体へ超電導体物質が拡散すると、基体の望ましい特性
を変化させ、例えば、基体を脆くすることがある。従っ
て、相互拡散は防止されるか、又は少なくとも最小にさ
れな１ればならない。

一つの解決方法は、本願と同時に出願された「セラミッ
ク超電導体のための基体」と題する発明についての米国
特許出願５ｅｒｉａｌ　Ｎｏ、２６５，８２７、及び「
改良された障壁を有するセラミック超電導体１’ｌ− 用基体」と題する発明についての同時特許出願（それら
出願は両方八本発明と同じ譲受人に譲渡されている）に
記載されているような酸化物層を形成する微量成分を有
する基体材料を選択することである。別の解決方法は、
超電導体材料と本来化学的に両立性のある基体材料を選
択することである。

これらの特徴を考慮に入れて、そのような材料の一つは
ニッケル（Ｎｉ）であることが決定されている。しかし
、純粋なニッケル（Ｎｉ）は超電導体材料の冷却作動温
度では成る目的用途にとっては望ましい程度を越えた磁
性を持つようになる。更に、ニッケル（Ｎ　ｉ）は、セ
ラミック超電導体の磁性粒子−列製造のために用いられ
る室温条件では望ましさを越えた磁性を持つ。

基体と超電導体との間の物理的両立性も重要である。特
に基体は、超電導体セラミックをそのセラミックに不適
切な応力を加えることなく支持できなければならない。

そのためには、基体と超電導体の夫々の熱膨張係数及び
基体の安定性を考慮しなければならない。更に、それら
の考慮は非常に広い温度範囲に互って種々の操作構成に
ついて適用される。夫々の熱膨張係数に関する限り、基
体とセラミック超電導体との組合せが冷却された時、セ
ラミックが圧縮状態に置かれることが望ましい。

基体の磁気的性質も非常に重要である！特に、超電導体
が磁石巻き線として用いられる場合、非磁性又は弱い磁
性の基体が必要になる。さもないと、磁石巻き線によっ
て発生した磁場が歪められることかある。また、本願と
同時出願の「セラミック超電導体被覆金属線の製造方法
及び装置」と題する発明についての米国特許出願Ｓ　ｅ
ｒｉａｌ　Ｎ　ｏ。

２８９．９６８（本発明と同じ譲受人に譲渡されている
）に記載されているような電気泳動法により基体を超電
導体材料の粒子で被覆する場合にも、非磁性材料が必要
になる。このことは、線状基体の近辺の粒子配列磁場を
乱さないようにし、それによって非円状被覆を防ぐため
に必要である。

上述したことを考慮して、本発明の一つの目的は、固有
の性質としてセラミック超電導体と実質的に化学的に両
立できるセラミック超電導体のための基体を与えること
である９本発明の他の目的は、セラミック超電導体に不
適切な応力を与えることなくセラミックを支持すること
ができるセラミック超電導体基体を与えることである６
本発明の更に他の目的は、純粋ニッケル位に超電導体と
化学的に実質的に両立できるが、純粋ニッケルより磁性
が少ないセラミック超電導体基体を与えることである０
本発明の更に他の目的は、実質的に非磁性のセラミック
超電導体基体を与えることである０本発明の更に別な目
的は、比較的製造し易く、比較的コストの低い超電導体
を与えることである。

〔本発明の要約〕

本発明の新規なセラミック超電導体の好ましい態様は、
用いられた特定の超電導体材料と化学的に両立できる金
属基体を有する。この両立性、即ち基体と超電導体層と
の岡の相互拡散が最少である状態は、希望の性質を有す
るセラミック超電導体被覆を、形成するために基体・超
電導体複合体が曝されなければならない温度範囲全体に
互って存在する。

好ましくは基体は、Ｎｉ＋−ｘＡｌｘ（式中、０≦ｘ≦
０．２５）、又はＮ　ｉｘＡ　ｌｙｃ　ｕｚ（式中、０
．６≦ｘ、０≦ｙ≦０．２５、Ｏ≦２≦０．１５）とし
て同定、される実質的に非磁性の焼鈍されたニッケル基
合金である。更に、基体は、上昇させた温啓で基体の表
面に酸化物層を形成する＋うな微量成分酸化物形成物を
含まないことが重要である。一方、基体と超電導体層と
の間の僅かな物質相互拡散さえも更に阻止するために、
酸化物イツトリウムの如き極めて薄い酸化物層で基体を
予め被覆するのが望ましい。

基体は幾つかの形態のいずれでもよい０例えば少しだけ
挙げると、基体は線、板、帯又は管でもよい、セラミッ
ク超電導体層は、いわゆる１・２・３超電導体ＲＥＢａ
、Ｃｕ３０．（式中、ＲＥ＝Ｙ又は成る他の稀土類元素
）の粒子から作られているのが好ましい、また、超電導
体は基体上の適所で９フＯ℃〜１０３０℃の範囲の温度
で１〜１５分間焼結されるのが好ましい。

本発明自身と同様、本発明の新規な特徴は、その構造及
びその操作の両方に関し、付図及びそれに付随する記載
を一緒に考慮することにより最もよく理解されるであろ
う。図中同様な部品は同じ参照番号で示されている。

〔好ましい態様についての記述〕

最初に第１図に関し、線状超電導体（１０）はセラミッ
ク超電導体層（１４）を支持する基体（１２）を有する
ことが分かるであろう、好ましくは、セラミック超電導
体層（１４）はＲＥＢａ２Ｃｕ３０２．、Ｘ（式中、Ｘ
はＯ〜１．０の範囲である）として同定される群からの
１・２・３としてよく言及されている組成物である。

本発明の場合、基体（１２）はアルミニウムを含むニッ
ケル基合金であり、そのアルミニウムは基体（１２）に
強度を与え、その磁性を少なくするために添加されてい
る。

基体（１２）に適した組成物には、Ｎ　１ｔ−ｘＡ　Ｉ
バ式中、０≦×≦０．２５）及びＮ　ｉｘＡ　ｌｙｃ　
ｕｚ（式中、０．６≦ｘ、０≦ｙ≦０．２５、及び０≦
２≦０．１５＞が含まれる。

ｘ＞　０．１５の時、特別な状態が起きるであろう、殆
どの用途に対して、本発明は、基体自体によって形成さ
れた（もしあったとしても）非常に薄い酸化糊層が存在
している場合も考慮しているが、Ｎ　ｉ＋−ｘＡ　ｌｘ
　（ｘ＞０．１５）の場合、その物質は酸化物形成体（
ＮｉｓＡＩ）であると推定されるものと実質的に同じで
あることが認められている。しかし、材料Ｎ　ｉ＋−Ｘ
Ａ　ｌｘ（式中、Ｘは約０．１）が好ましい。好ましい
Ｎｉｓ。Ａ　Ｉ　＋。材料の変性物は商業的に得ること
ができ、ハンチイントン・アロイズ（Ｈｕｎｔｉｎｇｔ
ｏｎ＾Ｉ　Ｉｏｙｓ）からデュラニケル・アロイ（ＤＵ
ＲＡＮＩＣＫＥＬ＾１１ｏｙ）３０１として市販されて
いる。重要なことは、Ｎｉｇ。ＡＩ、。は線状超電導体
（１０）に用いられる１・２・３超電導体材料と化学的
に両立できることが見出されていることである。適当な
基体材料のいずれについても、もし望むなら、幾らかの
微量成分を添加してもよいことは認められるであろう。

例えば、デュラニケル・アロイ３０１は幾らかの微量成
分を含んでいる。一般に適切な微量成分の幾つかを挙げ
ると、珪素（Ｓ　ｉ）、チタン（Ｔｉ）、マンガン（Ｍ
ｎ）及びベリリウム（Ｂｅ）であろう。これらの微量成
分はＮｉ−Ａｌ合金の磁性を更に低くすることもある。

この目的に有用と思われる微量成分の典型的な量は、合
金の１７２〜５重量％（０，５〜５重量％）程度であろ
う。

１・２・３超電導体との化学的両立性の他に、Ｎｉｓ。

Ａ　Ｉ　＋。及びデュラニケル３０１は他の好ましい特
性番有する。一つは、それらは純粋ニッケルよりも磁性
がかなり低いことである。基体を磁場電気泳動を用いて
被覆する時のような成る状況の場合にも、それらの線状
基体を約５０°Ｆ〜１５０°Ｆのそれらのキューリ一温
度より高く加熱することにより磁性を一層低くすること
ができる。更に、それらの熱膨張特性は超電導体層（１
４）の熱膨張特性と、その複合体に加えられる温度範囲
全体に互って匹敵するものになり好ましい。しかし、非
常に重要なことは、これらの温度行程全体に互って基体
（１２）の安定性を確実にするため、基体（１２）はセ
ラミック超電導体で被覆する前に焼鈍、即ち前焼鈍状態
にしなければならない。特に、基体（１２）として巻枠
からほどかれて少し曲がった未焼鈍ニッケル線を用いた
＝１３− 場合、基体（１２）を、超電導体セラミックを適切に焼
結するのに必要な温度より低い温度で焼鈍すると、真っ
すぐになることが見出されている。従って、超電導体層
り１４）は必然的に応力を受け、亀裂を生ずる点に達す
る。それに対し、前焼鈍された材料では、この問題が解
消されている。

Ｎ　ｉＸＡ　１．ｔＣｕ−材料は、Ｎ　１ｌ−ｘＡ　ｌ
ｘについて上述した特性と同様な特性を示す。それは組
成により磁性が一層少なくなることもある。重要なこと
は、それも前焼鈍すべきことである。

第２図は、管状基体（２２）に超電導体材料（２４）が
充填された管状超電導体（２０）を示している。第２図
は超電導体材料（２４）で管状基体（２２）の内腔が完
全に満たされている状態のものを示しているが、管状基
体（ｚ２）は、内腔が完全に満たされるのではなく、内
腔の表面を被覆することができる充分大きな径の内腔を
持っていてもよいことは分かるであろう。

Ｎ！＋−ＸＡｌｘも、Ｎ　ｉｘＡ　ＩＹｃ　０２も微量
成分酸化物殻形成体を含まないので、これらの基体材料
では酸化物層は通常不必要であるが、それにもかかわら
ず、相互拡散の可能性を更に防ぐため、基体と超電導体
との間に薄い酸化物層をもたせることが望ましいかもし
れない。第３図はそのような殻を有する平坦な超電導体
（３Ｇ）を示している。特に第３図は、基体の一方の面
上に前被覆酸化物殻層（３４）、反対側の表面上に前被
覆酸化物殻層（３６）を有する実質的に平らな又は帯状
基体（３２）を示している。セラミック超電導体層（３
８）及び（４０）は、基体（３２）によって前被覆層（
３４）及び（３６）の上に夫々支持されている。

基体（１２，２２及び３２）は全て、好ましくは前焼鈍
されたＮＬ−ＸＡｌｘであり、特にデュラニケル３０１
であるのが好ましく、超電導体層（１４，２４，３８及
び４０）は全て所謂１・２・３超電導体であるのが好ま
しいことは認められるであろう。更に、基体（１２，２
２及び３２）は薄く、比較的小さな断面積を持つことが
できる。例えば、線状基体（１２）は、１ミル〜２０ミ
ルの範囲の直径を有する実質的に円い断面を持っていて
もよい。この範囲の大きさの基体（１２）では、その基
体に用いられる材料は前焼鈍されていることが特に重要
である。

上で述べ超電導体装置の製造は、特定の形態のものに関
連しているが、製造方法は基体の形態には無関係に実質
的に同じであることは理解されるであろう。例えば、も
し薄い酸化物層で前被覆された基体を製造したいならば
、基体を先ずイツトリウムアルコキシドの如き物質で被
覆する。イツトリウムアルコキシドを加水分解して水酸
化イツトリウムを形成した後、その被覆された基体を酸
化雰囲気巾約４００℃へ加熱し、その温度に約１時間維
持して焼成し、基体上に酸化イツトリウムの薄層を形成
する。当分野でよく知られた蒸着法の如き同様な方法に
従って、酸化ジルコニウム又は稀土類酸化物の如き他の
酸化物層で基体を被覆することもできる。

次に、前被覆酸化物層を有する基体を超電導体粒子で被
覆する。超電導体材料によるこの基体の被覆は、上で引
用した本出願人による同時出願中の特許出願に記載され
ている電気泳動法の如き幾つかの方法のいずれかによっ
て達成することができる。基体上に被覆された超電導体
粒子を、次に９７０℃〜１０３０℃の範囲の温度で１〜
１５分間基体上で焼結する。これらの温度でセラミック
は、特に低融点の共融液体層をもたない粒子の場合、一
層一般的に用いられている９６０℃の範囲の低い焼結温
度で得られるよりも一層大きな緻密さに達する。

前被覆は不必要であると考えられてもよいことは認めら
れるであろう。その場合、前焼鈍された非磁性のニッケ
ル系基体を超電導体材料の粒子で単に被覆し、それらの
粒子を上述したように基体上で焼結する。

ここに示し、詳細に記述した特定のセラミック超電導体
は、ここで前に述べた目的を達成し、利点□を与えるこ
とが充分にできるが、それは本発明の現在好ましい態様
を単に例示したものであって、特許請求の範囲に規定し
た点以外のここで示した構造成は構成の詳細な点に限定
されるものでないことは理解されるべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、一端の断面を示した線状超電導体の斜視図で
ある。第２図は、一端の断面を示した管状超電導体の斜視図で
ある。第３図は、一端の断面を示した前被覆された帯状又は板
状超電導体の斜視図である。１０．２０．３０−超電導体、１２．２２．３２−基体、３４．３６−前被覆、１４．２４．３８．４０−セラミック超電導体層。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ニッケル基合金基体、及び前記基体上に支持されたセラミック超電導性層、からなるセラミック超電導体。
（２）基体がＮｉ＿１＿−＿ｘＡｌ＿ｘとして同定され
るニッケル−アルミニウム材料である請求項１に記載の
セラミック超電導体。
（３）ｘが０に等しいか又はそれより大きく、２５／１
００に等しいか又はそれより小さい（０≦ｘ≦０．２５
）請求項２に記載のセラミック超電導体。
（４）ｘが１／１０（０．１）にほぼ等しい請求項３に
記載のセラミック超電導体。
（５）基体がＮｉ＿ｘＡｌ＿ｙＣｕ＿ｚとして同定され
る物質である請求項１に記載のセラミック超電導体。
（６）ｘが６／１０に等しいか又はそれより大きい（ｘ
≧０．６）請求環５に記載のセラミック超電導体。
（７）ｙが２５／１００に等しいか又はそれより小さく
（ｙ≦０．２５）、ｚが１５／１００に等しいか又はそ
れより小さい（ｚ≦０．１５）請求項６に記載のセラミ
ック超電導体。
（８）基体が線である請求項１に記載のセラミック超電
導体。
（９）基体が平らな帯である請求項１に記載のセラミッ
ク超電導体。
（１０）基体が板である請求項１に記載のセラミック超
電導体。
（１１）基体が管である請求項１に記載のセラミック超
電導体。
（１２）基体が微量成分酸化物殼形成物を実質的に含ま
ない請求項１に記載のセラミック超電導体。
（１３）基体上に、セラミック超電導性層と該基体との
間に付着された下地被覆層を更に有する請求項１に記載
のセラミック超電導体。
（１４）下地被覆層が酸化イットリウムである請求項１
３に記載のセラミック超電導体。
（１５）下地被覆層が稀土類酸化物である請求項１３に
記載のセラミック超電導体。
（１６）下地被覆層が酸化ジルコニウムである請求項１
３に記載のセラミック超電導体。
（１７）基体が予め焼鈍されている請求項１に記載のセ
ラミック超電導体。
（１８）基体の表面上に、該基体と超電導性層との間に
酸化ニッケル層を更に有する請求項１に記載のセラミッ
ク超電導体。
（１９）基体が実質的に非磁性体である請求項１に記載
のセラミック超電導体。
（２０）小さな断面積を有する予め焼鈍されたニッケル
基体、及び前記基体上に支持されたセラミック超電導性層、からなるセラミック超電導体。
（２１）基体が線である請求項２０に記載のセラミック
超電導体。
（２２）基体が平らな帯である請求項２０に記載のセラ
ミック超電導体。
（２３）基体が管である請求項２０に記載のセラミック
超電導体。
（２４）基体上に、セラミック超電導体層と該基体との
間に付着された下地被覆層を更に有する請求項２０に記
載のセラミック超電導体。
（２５）下地被覆層が酸化イットリウムである請求項２
４に記載のセラミック超電導体。
（２６）下地被覆層が稀土類酸化物である請求項２４に
記載のセラミック超電導体。
（２７）下地被覆層が酸化ジルコニウムである請求項２
４に記載のセラミック超電導体。
（２８）セラミック超電導体の製造方法において、実質
的に非磁性の予め焼鈍したニッケル基合金に超電導体材
料の粒子を被覆し、そして前記基体上の前記超電導体材料を９７０℃〜１０３０℃
の範囲の温度で焼結する、諸工程からなるセラミック超電導体製造方法。
（２９）基体に下地被覆層を被覆し、前記下地被覆層を
４００℃〜５００℃の範囲の温度で酸化する工程を更に
含む請求項２８に記載のセラミック超電導体製造方法。
（３０）焼結工程が１〜１５分で達成される請求項２８
に記載のセラミック超電導体製造方法。