JPH0315116A - 酸化物超電導線材およびその製造方法 - 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］ この発明は超電導線材、特に酸化物超電導体を用いた超
電導線材に関するものである。

［従来の技術］ 近年、複合酸化物焼結体が高い臨界温度で超電導性を示
すことが報告され、この超電導体を利用した超電導技術
の実用化が促進されようとしている。ＹＢａＣｕＯ系酸
化物は９０Ｋで、ＢｉＰｂＳ　ｒｃａｃｕｏ系酸化物は
ＩＩＯＫで、超電導現象を示すことが報告されている。

これらの酸化物超電導体は、比較的安価で入手が容易な
液体窒素中で超電導を示すため、実用化が期待されてい
る。これらの酸化物超電導体を、たとえば超電導マグネ
ットの巻線等に使用する場合には、線材化する必要があ
る。ところが、これらの酸化物超電導体は異方性を有す
ることは知られており、大きな臨界電流密度（Ｊ　ｃ）
を得るためには、酸化物超電導体の結晶を特定の方向に
配向させることが必要となる。従来は、金属パイプ内に
酸化物超電導体の粉末を充填し、これを所定の径になる
まで伸線加工した後、ロール圧延やプレス等で加工して
酸化物超電導体の結晶を所定の方向に配向させたテープ
状の線材としている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、このような酸化物超電導体は、磁場が印
加される方向により臨界電流密度が大きく異なるという
異方性も有している。このため、テープ状線材にして酸
化物超電導体の結晶を所定方向に配向させた場合におい
て、テープの面に平行な磁場が印加された場合と、垂直
な磁場が印加された場合とでは、大きく異なる臨界電流
密度となることが知られている。たとえば１Ｔの磁場が
テープ面に平行に印加された場合にはＩＯＯＯＡ／ｃｍ
２程度の臨界電流密度であるのに対し、垂直な磁場の場
合にはほとんど電流が流れない。このような従来のテー
プ状線材をコイル状に巻き付けて超電導マグネットとし
た場合、コイルの端部分と中央部分とでは発生した磁場
の印加方向が異なり、１つの線材において臨界電流密度
の高い部分と低い部分とが生じる。線材としての臨界電
流密度は、全体的なものであるため、臨界電流密度の低
い部分が支配的となり全体としては高い電流密度は得ら
れない。

酸化物超電導体は、常電導状態に達する以前に、内部に
磁束が侵入する超電導体であることが知られている。磁
束が動かないように固定することをビンニングと呼んで
おり、大きな臨界電流密度を得るためには、このビンニ
ングカを高めることが必要である。

しかしながら、従来の酸化物超電導線材では、ピンニン
グ力を高めるための工夫がなされておらず、したがって
大きな臨界電流密度を有するものが得られていない。

この発明の主な目的は、どのような方向から磁場が印加
されても常に一定の臨界電流密度を維持することのでき
る酸化物超電導線材およびその製造方法を提供すること
にある。

この発明の他の目的は、ビンニング力の向上により、よ
り大きな臨界電流密度を有した超電導線材を提供するこ
とにある。

［課題を解決するための手段および発明の作用効果］ この発明に従う酸化物超電導線材は、異方性を有する酸
化物超電導体の線材であって、線材の芯部と、酸化物超
電導体の特定の結晶軸の方向が芯郎に向かって配列する
ように芯部のまわりを取囲む超電導層とを備えている。

この発明において異方性を有する酸化物超電導体は特に
限定されるものではないが、たとえばＢｉＰｂｓｒｃａ
ｃｕｏ系酸化物や、ＹＢａＣｕＯ系の酸化物などが挙げ
られる。またほとんどの酸化物超電導材料は、電流の流
れ易さ等において異方性を有するものと考えられるので
、ほとんどの酸化物超電導体に適用され得るものである
。

この発明に従う製造方法は、線材の芯部となる金属棒の
まわりに金属シースを配置し金属シースと金属棒の間に
酸化物超電導体の粉末を充填して複合材とする工程と、
金属シースの減面率が金属棒の減面率よりも大きくなる
ように複合材を減面加工する工程とを備えている。

金属シースの減面率が金属棒の減面率よりも大きくなる
ように複合材を減面加工する方法としては、たとえば金
属シースと金属棒とで加工性の異なる材質を用いる方法
がある。すなわち、金属棒には加工されにくい材質の金
属を用い、金属シースには加工されやすい材質の金属を
用いる。このような材質の選択により、金属棒の減面率
を小さ＜シ、金属シースの減面率を大きくすることがで
きる。たとえば、酸化物超電導体としてＢｉＰｂＳｒＣ
ａＣｕＯ系酸化物を用いる場合、酸化物超電導体と反応
しにくい金属としてＡｇがあるが、このＡｇを金属シー
スの材質として用い、Ａｇよりも加工されにくい金属、
たとえばＮｉを金属棒として用いる。この際Ｎｉが酸化
物超電導体と接して反応するのを防止するため、金属棒
の表面をＡｇ等で被覆することが好ましい。

また、金属棒および金属シースに同じ材質の金属を用い
、減面加工方・法を工夫することによって、金属シース
の減面率を金属棒の減面率よりも大きくしてもよい。

この発明において減面加工方法は、特に限定されるもの
ではないが、たとえば、伸線、圧延およびスウエージ加
工等を用いることができる。

なお、この発明において、芯部は線材中１つであっても
よいし、複数であってもよい。芯部を複数にする場合に
は、従来の化合物系の超電導線材におけるような多芯線
の構造にすることができる。

この発明の酸化物超電導線材では、酸化物超電導体の特
定の結晶軸の方向が芯部に向いて配列するように芯部の
まわりに超電導層が設けられている。このため、超電導
層には径方向の断面において、特定の結晶軸を３６０度
異なる方向に向けた酸化物超電導体の結晶が存在してお
り、印加される磁場に対し、最も高い臨界電流密度を示
す酸化物超電導体の結晶がいずれかの部分に必ず存在し
ている。したがって、この発明の酸化物超電導線材では
、磁場の印加する方向は部分的に異なっていても、常に
臨界電流密度の高い部分が線材の長平方向に連なって存
在している。このため全体としての臨界電流密度を高く
維持することができる。

この発明の製造方法では、金属シースの減面率を金属棒
の減面率よりも大きくなるように複合材を減面加工して
いる。このような減面加工を行なうことにより、金属シ
ースと金属棒との間の隙間の厚みが減面加工をするにつ
れて薄くなり、この隙間に充填された酸化物超電導の粉
末は、圧縮される。この圧縮により、酸化物超電導の粉
末は、従来のテープ状線材の製造の場合と同様な力を受
け、所定の方向に配列する。たとえば、酸化物超電導体
としてＢ　ｉ　ＰｂＳ　ｒｃａｃｕｏ系超電導体を用い
た場合には、Ｃ面に沿って嘴開するので、Ｃ面と垂直な
Ｃ軸が芯部に向いて配列する。ＢｉＰｂＳ　ｒｃａｃｕ
ｏ系酸化物超電導体では、Ｃ面の方向が最も臨界電流密
度の高い方向であり、酸化物超電導体がこの方向に配向
するように線材が製造される。また、線材の径方向の断
面では、上述したように、Ｃ軸が芯部に向いて配列する
ように超電導層が形成されており、いかなる磁場の印加
方向に対しても、最も臨界電流密度の高い部分が必ず存
在する。したがって、この最も臨界電流密度の高い部分
が、高磁場において電流輸送を請負うことになり、磁場
の印加方向に影響を受けることなく、常に高い臨界電流
密度が確保される。

この発明の超電導線材は、磁場の印加方向による依存性
を有さす、いかなる磁場の印加方向に対しても高い臨界
電流密度を示す。

また、この発明の製造方法によれば、高い臨界電流密度
を示す超電導線材を簡易な工程でしかも生産性よく製造
することができる。

この発明の酸化物超電導線材は、以上のような優れた利
点を有するので、強磁場のもとで、特に磁場の分布が複
雑である超電導マグネットを使用する分野において有用
なものである。

この発明の１つの態様では、中心部のまわりに設けられ
る酸化物の超電導層を複数に分割することにより、酸化
物超電導層とマトリックスとの間の境界を増加し、ピン
ニングとなる点を増やして、ビンニングカを向上させて
いる。また、この態様においては、酸化物超電導層を半
径方向よりも周方向に長い形状とすることにより、加工
の際酸化物超電導層に周方向に対し垂直な力が加わるの
で、酸化物超電導層が長平方向に配向し、電流が流れや
すくなる。

また、この態様では、複数の酸化物超電導層の間に電気
抵抗の高い物質からなる高抵抗層を介在させている。電
流として交流を流した場合、各酸化物超電導層間のマト
リックス中を結合電流が流れる。この結合電流は、交流
通電の際のロスとなる。したがって、交流通電の際のロ
スを低下させるためには、この結合電流をできるだけ小
さくする必要がある。この実施態様においては、複数の
酸化物超電導層間に、電気抵抗の高い物質からなる高抵
抗層を介在させることによって、この結合電流を小さく
し、交流通電の際のロスを低下させている。

高抵抗層を形戊する物質としては、金属やセラミックス
等を使用することができる。たとえばマトリックス金属
として銀を用いた場合には、銀合金やステンレスなどの
高抵抗層の材質として使用することができる。これらの
材質を使用した場合には、マトリックスの強度の向上を
も図ることができる。

［実施例］ 実施例Ｉ Ｂａ：Ｐｂ：Ｓｒ：Ｃａ：Ｃｕ＝１．８：０．４：２：
２．３：３の割合となるようにそれぞれの酸化物の粉末
を混合し、この混合粉末を８００℃で２回、次いで８６
０℃で１回仮焼結した。内径８ｍｍ，外径１２ｍｍのＡ
ｇシースに、厚みＯ．５ｍｍのＡｇで表面を覆った直径
３ｒｎｍのＮ１棒を挿入し、その隙間に仮焼結した酸化
物超電導粉末を充填し、複合材とした。この複合材を引
き抜き加工およびスウェージ加工により、直径が３ｍｍ
になるまで減面加工した。この減面加工後の線材を、８
４０℃でｌ００時間熱処理し、その後さらに２ｍｍまで
減面加工し、さらに８４０℃で５０時間熱処理した。得
られた超電導線材の断面を第１図に示す。第１図におい
て、■は芯部を示しＮｉ棒を減面加工した部分である。

２は芯部被覆層を示しＮｉ棒を被覆するＡｇの層である
。３は超電導層を示す。４は外部被覆層を示し、Ａｇの
金属パイプを減面加工した部分である。

得られた超電導線材に磁場を印加し、印加磁場と臨界電
流密度（Ｊ　ｃ）との関係を測定した。また、同じＢ　
ｉ　ＰｂＳ　ｒｃａｃｕｏ系超電導体を用いて作製した
従来のテープ状線材に対し、テープ面と垂直方向および
テープ面と水平方向に磁場を印加させた場合の印加磁場
と臨界電流密度との関係を第２図に示した。

第２図から明らかなように、この発明の超電導線材は、
従来のテープ状線材に比べ、高磁場においても高い臨界
電流密度を示している。また、磁場の印加方向を変化さ
せた場合にも、印加磁場と臨界電流密度との関係には変
化がみられず、この発明の超電導線材には異方性が存在
していないことが確認された。

実施例２ 第３図は、この発明に従う好ましい１つの態様を示す断
面図である。第３図において、酸化物超電導層１２は、
中心部のまわりに複数分割されて形成されている。酸化
物超電導層ｌ２のまわりには、高抵抗層ｌ３が設けられ
ており、高抵抗層１３はマトリックス１１と酸化物超電
導層ｌ２との間に介在している。このため、それぞれの
酸化物超電導層１２の間に高抵抗層１３が必ず介在する
こととなり、酸化物超電導層１２の間の電気抵抗を高め
、交流を通電した際に流れる結合電流を小さくしている
。

実施例３ 上述の好ましい態様に従う実験例を以下に示す。

Ｂｉ：Ｐｂ＋Ｓｒ：Ｃａ：Ｃｕ＝１．８：０．４：２：
２．２：３の割合となるように、粒径１μｍ以下の、Ｂ
　ｉ２０３、ＰｂＯ，Ｓ　ｒｃＯ３、ＣａＣ０３、およ
びＣｕＯの粉末を混合し、８００℃で２回仮焼した後、
８６０℃で焼結し、これを粉砕して粉末とした。この粉
末を内径１：Ｏｍｍ，外径１２ｍｍの銀シース中に充填
し、これを直径４ｍｍまで伸線加工した。次に、内径４
ｍｍ，外径５ｍｍの銀−パラジウム合金シーズ中に、こ
の伸線加工した線材を挿入し、扇形の曲率をもった平角
線に加工した。この銀−パラジウム合金シースは、最終
的な超電導線材においては、高抵抗層となるものである
。

この平角線を内径６ｍｍ，外径８ｍｍの銀シース中に挿
入し、中心部には銀の棒を挿入した。これを、直径３ｍ
ｍまで伸線加工し、８４５℃で、５０〜２００時間焼結
し、さらに１．５ｍｍまで伸線加工した後、８４５℃で
５０時間焼結した。

得られた線材の断面を第４図に示す。第４図に示される
ように、線材の中心には銀の棒から形威された中心部２
５が配置され、この中心部２５のまわりには５つの扇形
平角，８１２４が設けられている。扇形平角線２４の中
心には酸化物超電導層２１が位置し、そのまわりには銀
シースからなるマトリックス２２が位置している。さら
に、マトリックス層２２のまわりには銀一パラジウム合
金シースからなる高抵抗層２３が設けられている。ｌ層
目の扇形平角線２４のまわりには２層目の扇形平角線が
６つ取囲むように配列されており、そのまわりには、さ
らに銀シースからなる最外層２６が設けられている。

比較のため、第５図に示すような従来の超電導線材を作
製した。第５図において、中心は酸化物超電導体３１で
あり、このまわりに銀シース３２が設けられている。こ
の従来の線材を直径３ｍｍまで伸線加工した後、上記の
実施例と同様の熱処理を行なった後、伸線加工した。な
お、伸線加工は、従来の超電導線材における超電導体３
１の断面積と第４図の実施例における酸化物超電導層２
ｌの合計の面積とが同一になるように伸線加工した。こ
の結果、直径は１．５ｍｍとなった。

７７．３Ｋで上記の実施例および比較例の線材の臨界電
流密度を測定した。この結果、実施例の線材は８０００
　〜１４０００Ａ／ｃｍ２の臨界電流密度を示したのに
対し、比較例のものは１００ＱＡ／ｃｍ２程度であった
。

また、上記の実施例および比較例の線材に、６０Ｈｚの
交流電流を通電し、交流ロスを測定したところ、実施例
のものは、比較例のものに比べ、数分の１から１０分の
１程度であり、交流通電の際の損失が少ないことが確認
された。

以上説明したように、この態様によれば、中心部のまわ
りに設けられる酸化物超電導層が、長平方向に沿って複
数に分割して形成されているため、マトリックスと酸化
物超電導層との間の界面がより多くなり、ピンニングと
なる点が増えることによって、ビンニングカが向上する
。このため、この態様の超電導線材では、従来の線材に
比べ大きな臨界電流密度を示す。

また、実施例において説明したように、この発明の好ま
しい実施態様によれば、酸化物超電導層間に高抵抗層が
介在するため、交流を通電した際、酸化物超電導層間に
流れる結合電流が小さくなり、交流通電の際の損失を低
減させることができる。

また、この実施例の超電導線材における酸化物超電導層
は、中心部のまわりに設けられているものであるため、
中心部に酸化物超電導層よりも減面加工されにくい物質
を配置することにより、線材を減面加工した際、酸化物
超電導層に圧縮応力を働かすことができ、酸化物超電導
体の結晶を電流が流れやすい方向に配列させることがで
きる。

このことによって、さらに臨界電流密度を高めることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第ｌ図は、この発明の一実施例を示す断面図である。 第２図は、第１図に示す実施例の酸化物超電導線材の印
加磁場と臨界電流密度との関係を示す図である。 第３図は、この発明の好ましい１つの態様を示す断面図
である。 第４図は、この発明の好ましい１つの態様に従う実施例
を示す断面図である。 第５図は、比較例としての従来の超電導線材を示す断面
図である。 図において、ｌは芯部、２は芯部被覆層、３は超電導層
、４は外部被覆層、１１はマトリックス、１２は酸化物
超電導層、１３は高抵抗層、２１は酸化物超電導層、２
２はマ｝　ＩＪックス層、２３は高抵抗層、２４は扇形
平角線、２５は中心部、２６は最外層を示す。 第 ｌ 図 印加磁場 （Ｔ） 第 ３ 図 第４図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）異方性を有する酸化物超電導体の線材であって、 前記線材の芯部と、 前記酸化物超電導体の特定の結晶軸の方向が前記芯部に
   向いて配列するように前記芯部のまわりを取囲む超電導
   層とを備える、酸化物超電導線材。
2. （２）異方性を有する酸化物超電導体の線材を製造する
   方法であって、 前記線材の芯部となる金属棒のまわりに金属シースを配
   置し、金属シースと金属棒の間に前記酸化物超電導体の
   粉末を充填して複合材とし、前記金属シースの減面率が
   前記金属棒の減面率よりも大きくなるように前記複合材
   を減面加工する各工程を備える、酸化物超電導線材の製
   造方法。
3. （３）異方性を有する酸化物超電導体の線材であって、 前記線材の芯部と、 前記酸化物超電導体の特定の結晶軸の方向が前記芯部に
   向いて配列するように前記芯部のまわりを取囲む超電導
   層とを備え、 前記超電導層が複数に分割して形成され、かつ半径方向
   よりも周方向に長い形状に形成されている、酸化物超電
   導線材。
4. （４）前記複数の超電導層間に設けられる、電気抵抗の
   高い物質からなる高抵抗層をさらに備える、請求項３に
   記載の酸化物超電導線材。