JPH024931A - Ｎｂ↓３Ｘ系超電導材の製造方法 - Google Patents

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、臨界温度と臨界磁界が高いことで知られてい
るＮｂ５Ａ］系あるいはＮ　ｂ３Ｇ　ａ系の超電導材の
製造方法に関する。

「従来の技術」 臨界温度と臨界磁界が高い優れた化合物超電導体として
、従来から、Ｎｂ５ＳｎＸＶ３Ｇａ、Ｎｂ３Ｇａ。

Ｎｂ３ＡｌなどのＡ１５型化合物が知られている。

これらのＡＩ５型化合物超電導体において、Ｎｂ３Ｓｎ
、Ｖ３Ｇａなどの化合物超電導体を用いた超電導線は、
外部拡散法あるいは内部拡散法などを応用した種々の製
造方法の開発により実用化が進められ、Ｎｂ３Ｓｎ系あ
るいはＶ３Ｇａ系の超電導線、または超電導マグネット
として実用に供されるに至っている。

ところが、前記ＡＩＳ型化合物超電導体において、Ｎ　
ｂ３Ａ　Ｌ　Ｎｂ５Ｇ　ａなどの化合物超電導体は、平
衡状態ではその組成が化学量論比よりもＡ１あるいはＧ
ａが少ない方にずれろ傾向があるために、従来知られて
いる平衡状態における拡散法を利用した製造方法を実施
した場合、化学量論組成比に合致しない組成であって、
著しく臨界温度の低い化合物超電導体が生成されろ問題
があった。

従って従来、Ｎｂ３ＡｌあるいはＮｂ３Ｇａ化合物超電
導体を製造する場合は、蒸着法などの特別な製造方法を
用いて強制的に組成を揃えるか、あるいは、前記化合物
超電導体が１６００℃以上の高温で安定な相であること
を利用して１６００℃以上の高温における溶融反応を行
ってこれらの化合物超電導体を生成することが可能であ
った。

「発明が解決しようとする課題−１ ところが前述の蒸着法では、製造できる化合物超電導体
の大きさに限界があり、線材などの長尺物には適用でき
ない欠点がある。

また、１６００℃以上の高温に加熱して溶融反応を生じ
させる製造方法では、安定化母材などを含めた線材化を
考慮した場合、１６００℃以」二の高温の熱処理に耐え
うる構造材が見当たらない問題がある。しかもこのよう
な高温に加熱することにより生成させた化合物超電導体
の結晶粒は、高温熱処理の影響で粗大化しているために
臨界電流密度が低い問題がある。

ところで、例えば、Ｎ））ｓＧａ系の化合物超電導線を
溶融反応法を応用して製造しようとする場合、第１Ｉ図
と第１２図を基に以下に説明する方法を実施できること
が想定できる。

まず、Ｎｂ製の管体１の内部にＧａ製のロッド２を挿入
して複合体３を作成し、この複合体３を１６００℃以上
で加熱してＮｂとＧａとの間に溶融拡散反応を生じさせ
、管体１とロッド２の境界部分に第１２図に示すように
Ｎ　ｂ３Ｇ　ａからなる化合物超電導層４を生成させる
ことによりＮｂ３Ｇａ系の超電導線５を製造することが
できる。

ところが前述の方法で製造されたＮｂ３Ｇａ系の超電導
線５においては、管体Ｉとロッド２の境界部分に化合物
超電導層４を生成できるものの、線材の中心部側には未
反応のＧａが残留し、しかも未反応Ｇａの内部にボイド
６が生成されてしまう問題がある。なお、線材の中心部
に残留するＧａの融点は２９７８℃であるので線材の内
部にこのような低融点物質が残留すること自体好ましく
ない。

一方、Ｎ　ｔ）＋　Ｇ　ａ系のテープ状の超電導導体を
製造しようとする場合、第１３図と第１４図を基に以下
に説明する方法を実施できることが想定できる。

まず、第１３図に示すように、Ｎｂからなるテープ材７
の上面にＧａからなるメツキ層８を形成し、両者をｌ６
００°Ｃ以上に加熱して溶融反応を生じさせることによ
り、テープ材７の上部に第１４図に示ずようにＮ　ｂ３
Ｇ　ａからなる化合物超電導層９を生成できる。

ところがこのような方法では、Ｇａの融点が極めて低い
関係からｌ６００°Ｃ以上に加熱する熱処理時のＧａの
蒸気圧は極めて高くなり、熱処理中にＧａが蒸発して消
失する傾向があるために、生成されたＮ　ｂ３Ｇ　ａ超
電導体においてＧａ含有量が著しく不足し、Ｎ　ｂ３Ｇ
　ａ超電導体の化学量論組成がくずれ、結果的に優れた
超電導特性を得ることかできない問題がある。また、こ
の方法に上り製造された超電導体は、結晶粒が粗大化し
て臨界電流密度が低くなる問題がある。

以上のような背景からＮｂ３Ａｌ系あるいはＮｂ。

Ｇａ系の超電導線の製造方法が種々試みられてはいるが
、１０００℃以下の温度で行う熱処理により特性の優れ
た超電導線を製造する有効な方法は未だ開発されていな
いのが現状である。ところか最近本発明者らはＡｇ基地
の内部で拡散反応を生じさせることにより、特性の優れ
たＮｂ５Ａ＋あるいはＮｂ３Ｇａを生成できることを知
見した。

本発明は前記背景に鑑みるとともに本発明者らが知見し
た内容に基いてなされたもので、化学量論組成に合致し
た組成であって臨界温度と臨界磁場の高いＮｂＧＸ系超
電系材電導材できる方法を提供することを目的とする。

「課題を解決する丸めの手段」 請求項１に記載した発明は前記課題を解決するために、
Ｎｂ３Ｘ（ただしＸはＡ１あるいはＧａを示す）系超電
導材の製造方法において、金属基地の内部に分散された
ＮｂフィラメントにＡｇ−Ｘ合金層中の元素Ｘを拡散さ
せてＮｂ３Ｘ超電導フィラメントを生成させるものであ
る。

請求項２に記載した発明は前記課題を解決するために、
Δｇ−ｘ合金からなる芯材と、前記芯材の外方に被覆さ
れたＮｂ層と、Ｎｂ層の外方に被覆された金属層とから
なる素線を作成し、次いで前記素線を複数本集合して金
属管に挿入し、更に縮径加工を施すとともに、前記素線
を集合して管体に挿入する処理と縮径加工処理を１回以
上繰り返し行って複合体を作成し、次にこの複合体を複
数本集合してＴａあるいはＮｂなどからなる拡散防止管
に挿入するとともに拡散防止管の外方に安定化材からな
る管体を被せ、次いで全体を縮径した後に、６００〜１
０００℃で熱処理を行って複合体の内部にＮｂ３Ｘ超電
導体を生成させるものである。

「作用」 Ａ　ｇ−Ｘ合金層からＮｂフィラメントに元素Ｘを拡散
反応させるために、６００〜１０００℃で行う熱処理に
より、化学量論組成に合致した結晶粒の微細な超電導特
性の優れたＮｂ３Ａｌ系あるいはＮ　ｂ３Ｇ　ａ系の超
電導体が生成する。また、熱処理時に拡散する元素Ｘは
拡散防止管により拡散を阻止されて外方の安定化材製の
被覆管まで到達しないので、最外周に設ける安定化材は
元素Ｘで汚染されることがない。

「実施例」 第１図ないし第１θ図は、Ｎｂ３Ａｌ系の超電導線の製
造方法に本発明方法を適用した例を示すもので、超電導
線を製造するには、まず、第１図に示すようにＡ　ｇ−
Ａ　Ｉ合金からなる芯材ｌＯをＮｂからなるパイプ１１
に挿入し、更にパイプ１１の外周にＣｕ−Ｎ　ｉ合金、
Ｃｕ、あるいは、Ｃｕ−Ｂ　ｅ合金などの金属材料から
なる管体１２を被せて第２図に示ず複合材１３を作成す
る。なお、前記管体１２を構成する材料は、最終的に製
造するべき超電導線が直流用である場合は、Ｃｕなどの
良導電性金属が好ましく、交流用である場合は超電導フ
ィラメント間に結合電流か流れないようにするために電
気抵抗の高いＣｕ−Ｎ　ｉ合金などを用いることが好ま
しい。なおまた、パイプ１１は単管状のものに限らず、
柱状体に複数の透孔が形成された形状のものなとを用い
、複数の透孔の各々に芯材１０を挿入して複合材を構成
することもできる。

次にこの複合体■３をスウェージング加工、弓抜加工な
どの縮径加工によって所望の直径まで縮径して第３図に
示す一次素線１４を得る。この−沃素線Ｉ４は中心部の
芯材をＮｂ層が覆い、更にその外方を前記管体１２の構
成材料からなる金属層が覆った構造となっている。

次に、前記−沃素線１４を複数本集合し、前記管体Ｉ２
と同等の構成材料からなる管体Ｉ５に第４図に示すよう
に挿入し、更に縮径加工を施して第５図に示す二次素線
１６を得る。

次いでこの二次素線１６を第６図に示すように複数本集
合してＣｕ−Ｎ　ｉ合金からなる管体１７に挿入し、更
に縮径加工を施して第７図に示す複合体１８を作成する
。この複合体１８の内部構造は、Ｃｕ−Ｎ　ｉ合金、Ｃ
ｕ１あるいは、Ｃｕ−Ｂ　ｅ合金などからなる基地の内
部にＡｇ−Ａｌ合金からなる極細のフィラメントが多数
分散され、各フィラメントの周囲をフィラメント状のＮ
ｂ層が囲む構造となっている。なお、前記二次素線１６
を更に複数本集合して管体に挿入し、縮径する処理を必
要に応じて複数回行って複合体を作成しても良い。

次に前記複合体Ｉ８を複数本集合して第８図に示すよう
にＴａあるいはＮｂからなる拡散防止管１９に挿入し、
拡散防止管１９の外方に安定化材となるべき純銅製の被
覆管２０を被せ、更に全体を最終的に得るべき直径まで
縮径して第９図に示ず線ｔ１２１を得る。この線材２Ｉ
は、複合体Ｉ８を圧密化した芯部２２と、この芯１２２
の外方に被覆された拡散バリア層２３と、この拡散バリ
ア層２３の外方に被覆された純銅からなる安定化層２４
とから構成されている。なお芯部２２は、ＣｕＮｉ合金
などからなる基地の内部にＡ　ｇ−Ａ　ｌからなる極細
フィラメントが多数分散され、極細フィラメントの周囲
をＮｂ層が覆った構造となっている。

次いてこの線材２１を真空雰囲気あるいは不活性ガス雰
囲気など１こおいて、６００〜１０００°Ｃて数時間〜
数十時間加熱する熱処理を施す。この熱処理により、芯
部２２においては、極細のＡｇＡｌフィラメント中のＡ
１がその周囲のＮｂ層に拡散して反応し、Ｎｂ３Ａｌ超
電導フメラメントが生成する。なお、このようにＡｇ−
Ａｌ合金フィラメントのＡｔをＮｂ層側に拡散させてＮ
ｂ３Ａｌ超電導フィラメントを生成させた場合６００〜
１０００℃の加熱温度であっても化学景論組成に合致し
た組成のＮｂ３Ａｌ超電導フィラメントを生成させるこ
とができる。これは、芯材１０を構成するＡｇＡ１合金
中のＡｇが何等かの触媒効果を発揮したためと推定され
る。また、拡散熱処理時において芯部２２の外方には拡
散バリア層２３が形成されているので、最外周の安定化
層２４までＡＩが拡散することがなく、Ａ１の拡散によ
る安定化層２４の汚染は防止される。このため熱処理後
においても最外周には純銅製の安定化層２４が残る。

以上の熱処理により第１Ｏ図に示ずＮｂ３Δｌ系超電導
線Ａを得ることができる。この超電導線Ａは液体ヘリウ
ムなどの冷媒によって臨界温度以下に冷却して使用され
る。そしてこの超電導線Δは、Ｎｂ３Ａｌ超電導フィラ
メントを備えているために、臨界温度が高い特徴がある
。また、６００〜１０００℃で行う熱処理によりＮｂ５
Ａ＋超電導体を生成させているので、超電導体の結晶粒
の粗大化を抑制して従来より微細な結晶粒のＮｂ３Ａｌ
超電導体を生成させることができる。従って１０Ｔ（テ
スラ）を超える高い磁場中においても臨界電流密度の高
い超電導線が得られる。また、超電導線Ａの最外周には
純銅製の安定化層２４が形成され、この層は極低温で十
分に電気抵抗が低いので、安定化層２４は超電導線Ａの
安定化材として作用する。即ち、超電導フィラメントが
何等かの原因て常電導状態に転位しようとした場合に安
定化層２４が電流パスとなって発熱を防止し、超電導状
態を安定化するとともに、超電導フィラメントが常電導
状態に転位した場合にも電流パスとなる。

なお、この実施例では、Ｎｂ３Ａｌ系の超電導線に本発
明を適用した例について説明したが、Ｎｂ３Ｇａ系の超
電導線に本発明を適用することも可能である。Ｎｂ５Ｇ
ａ系に適用する場合は、Ａｆ、−ＧａロッドをＮｂ合金
管に挿入して複合体を作成し、この複合体を出発物とし
て前記と同様の工程を行うことによりＮｂ３Ｇａ系の超
電導線を製造することができる。

「製造例１」 Ａｇ−１０ａｔ％Ａ＋合金からなり、直径７．０ｍｍの
ロッドを外径１５ｍｍ、内径８ｍｍのＮｂバイブに挿入
し、更にその外方に、外径２０ｍｍ、内径１６ｍｍのＣ
ｕ−Ｎ　ｉ合金管を被せ、線引加工により全体を１ｍｍ
まで縮径して一次素線を得た。次にこの一次素線を９１
木集合した後に、Ｃｕ−１０ｗｔ％Ｎｉ合金からなり、
外径１５ｍ、内径１３ｍｍの管体内に挿入して縮径加工
を施し、直径１ｍｍの二次素線を得た。次いでこの二次
素線を９１木集合し、Ｃｕ１０ｗｔ％Ｎｉ合金からなる
管体内に挿入して縮径加工し、直径１ｍｍの複合体を作
成した。次にこの複合体を９１木集合し、外径１５ｍｍ
、内径１３ｍｍのＮｂ管に挿入し、その外周に外径２０
ｍｍ、内径１６ｍの純Ｃｕ管を被覆し、線引加工により
直径１ｍの線材を得た。

次にこの線材をＡｒガス雰囲気中において８００℃に２
４時間加熱する熱処理を施してＮｂ３Ａｌ超電導フィラ
メントを生成させて超電導線を得た。

得られたＮｂ３Ａｌ系の超電導線の臨界温度を測定した
ところ、１７．５　Ｋ（Ｔｃ：　ｍｉｄ　　ｐｏｉｎｔ
）の優秀な値を示した。またこの超電導線の臨界電流密
度はＩＯＴの磁場中で２　Ｘ　１０　’Ａ　／ａｍ”を
発揮した。

従って以上の方法を実施することにより超電導特性の優
れたＮｂ５Ａ＋系超電導線を製造できることが判明した
。

「発明の゛効果」 以上説明したように本発明は、Δｇ−Ｘ合金からなるフ
ィラメントにＮｂを拡散させるので、化学量論組成に合
致した臨界温度と臨界電流密度の高いＮｂ３Ｘ超電導フ
イラメントを生成させることができ、更に６００〜１０
００℃で熱処理を行うので、結晶粒が微細で高磁界域に
おいても臨界電流密度の高いＮｂ３Ｘ系超電導線を得る
ことができる。

また、熱処理時の元素Ｘの拡散を拡散防止管で阻止でき
るので、最外周に設ける安定化材が元素Ｘて汚染される
ことがない。このため冷媒で冷却して超電導線に通電し
た場合、安定化材は十分に電気抵抗が低い状態になるの
で超電導線の安定化をなすことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第１０図は本発明の一実施例を示すもので、第
１図はＡ　ｇ−Ａ　ＩロッドとＮｂバイブの複合状態を
示す断面図、第２図は複合材の断面図、第３図は複合材
を縮径加工した一次素線の断面図、第４図は管体の内部
に一次素線を集合した状態を示す断面図、第５図は二次
素線の断面図、第６図は二次素線を管体内に集合した状
態を示す断面図、第７図は複合体の断面図、第８図は管
体内に複合体を挿入した状態を示す断面図、第９図は複
合体を縮径した線材の断面図、第１０図は超電導線の断
面図、第１１図と第１２図は従来の製造方法の一例を示
すもので、第１１図は複合体の断面図、第１２図は超電
導線の断面図、第１３図と第１４図は従来の製造方法の
他の例を示すもので、第１３図はメツキ層を形成したテ
ープ材の断面図、第１４図は超電導テープの断面図であ
る。 ０・・・芯材、ＩＩ・・・パイプ、 ・・複合体、１４・−次素線、 ・・二次素線、Ｉ８　複合体、 ２０・・被覆管、２１・線材、 拡散バリア層、 超電導線、Ｉ ・管体、■３ 管体、Ｉ６ ・・拡散防止管、 ・芯材、２３ ・安定化層。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｎｂ＿３Ｘ（ただしＸはＡｌあるいはＧａを示す
   ）系超電導材の製造方法において、 金属基地の内部にＮｂフィラメントを分散させ、前記Ｎ
   ｂフラメントに接触させてＡｇ−Ｘ合金層を設けるとと
   もに、Ａｇ−Ｘ合金層中の元素Ｘを拡散させてＮｂ＿３
   Ｘ超電導フィラメントを生成させることを特徴とするＮ
   ｂ＿３Ｘ系超電導材の製造方法。
2. （２）Ｎｂ＿３Ｘ系超電導材の製造方法において、Ａｇ
   −Ｘ合金からなる芯材と、前記芯材の外方に被覆された
   Ｎｂ層と、Ｎｂ層の外方に被覆された金属層とからなる
   素線を作成し、次いで前記素線を複数本集合して金属管
   に挿入し、更に縮径加工を施すとともに、前記素線を集
   合して管体に挿入する処理と縮径加工処理を１回以上繰
   り返し行って複合体を作成し、次にこの複合体を複数本
   集合してＴａあるいはＮｂなどからなる拡散防止管に挿
   入するとともに拡散防止管の外方に安定化材からなる管
   体を被せ、次いで全体を縮径した後に、６００〜１００
   ０℃で熱処理を行って複合体の内部にＮｂ＿３Ｘ超電導
   体を生成させることを特徴とするＮｂ＿３Ｘ系超電導材
   の製造方法。