JPH0692740A - 高温超電導体およびそれから形成される成形体の製造方法 - Google Patents

高温超電導体およびそれから形成される成形体の製造方法

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JPH0692740A JP5137944A JP13794493A JPH0692740A JP H0692740 A JPH0692740 A JP H0692740A JP 5137944 A JP5137944 A JP 5137944A JP 13794493 A JP13794493 A JP 13794493A JP H0692740 A JPH0692740 A JP H0692740A
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Abstract

(57)【要約】 【構成】 ビスマス、ストロンチューム、カルシウム、
銅および場合によっては鉛の酸化物並びにストロンチュ
ームおよび/またはバリウムの硫酸塩より成る高温超電
導体を製造するに際して、所望のモル比のビスマス、カ
ルシウム、ストロンチューム、銅および場合によっては
鉛の酸化物並びに追加的に、それぞれ酸化物の混合物を
基準として2〜30重量% の硫酸ストロンチュームおよ
び/または1〜20重量% の硫酸バリウムを均質混合
し、この混合物を白金金属製の坩堝中で870〜160
0℃の温度で溶融し、この溶融物を所望の形状および大
きさの冷硬鋳型に流し込みそしてその中でゆっくり凝固
させ、そして生じた成形体から冷硬鋳型材を除きそして
700〜900℃の温度で6〜200時間、酸素含有雰
囲気で熱処理する。 【効果】 再現性をもって高い電流密度を持ち且つ細い
超電導体が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ビスマス、ストロンチ
ューム、カルシウム、銅および場合によっては鉛の酸化
物並びにストロンチュームおよび/またはバリウムの硫
酸塩より成る高温超電導体に関する。
【0002】
【従来技術】ドイツ特許出願公開第3,830,092
号明細書(A1)から、Bi2 (Sr,Ca)3 Cu2
x (xの値は8〜10である)の組成の高温超電導体
(HTSL)の製造方法は公知である。この場合、ビス
マス、ストロンチューム、カルシウムおよび銅の酸化物
または炭酸塩の化学量論的混合物を870〜1100℃
に加熱して均一な溶融物を形成する。この溶融物を冷硬
鋳型に注ぎ込みそしてその中でゆっくり凝固させる。冷
硬鋳型から取り出された鋳造物を780〜850℃で6
〜30時間加熱処理しそして次に酸素含有雰囲気におい
て少なくとも6時間、600〜830℃で処理する。こ
のようにして小さなサンプルだけでなく、0.5mまで
の長さの棒状物、数cmの辺長さおよび二三mmの厚さ
の板状物の如き大きい寸法の成形体が製造されるかまた
は、ヨーロッパ特許出願公開第0,462,409号明
細書(A1)の遠心分離鋳造に相応する様な、方法の変
更によって20cmの直径および10cmの高さの中空
円筒状物が製造される。これらの成形体または塊状部材
中には固体の貴金属成分が組入れ一体化されており、熱
処理後に、非常に小さい境界抵抗の接点が生じる様に超
電導材料と接続される。
【0003】電流接点を持つまたは持たない上述の種類
の超電導性成形体については、電気工業分野での将来的
用途が生ずる。第一の用途の一つは低温超電導体につい
て期待される電流供給にある。従来利用される慣用のC
u−導体をHTSL−セラミックに交換することは、冷
却剤としてヘリウムを使用するのを著しく減らすことに
なる。何故ならばセラミックの熱伝導性が金属の銅のそ
れより著しく低くそして超電導体におけるステップ温度
(Sprungtemperatur)より下では、液
体ヘリウムへ更に熱を供給する抵抗損失が生じないから
である。
【0004】それ故に、運搬すべき電流が多ければ多い
程に、慣用の材料の替わりに新しい電流供給体を使用す
ることはますますむくわれる。電気工業におけるHTS
L−構成部材を別に用いる為の前提条件は、電流を1k
Aの程度で電送できることにある。
【0005】均一な溶融物の鋳造を含むドイツ特許出願
公開第3,830,092号明細書(A1)の方法によ
ってHTSL−構成部材を製造する場合の欠点は、従来
には、均一な溶融物を製造する為に使用される市販の鋼
玉製の坩堝がビスマス含有溶融物によって著しく攻撃さ
れることであった。更に、坩堝材料はプロセスにおける
著しい温度変化に曝される。即ち、溶融用坩堝は炉から
1000℃で取り出される。
【0006】第一にこれは鋼玉製坩堝にとって短い寿命
の原因になる。坩堝からの2回の注湯鋳造の後に既に若
干の場合にヒビ割れが生じ、これが──金属溶融物は要
求通り正確に取り扱わなければならないので──この坩
堝を更に使用するのを最早不可能にする。
【0007】坩堝が腐食する為にHTSL−材料がアル
ミニウムで汚染されることが依然として重大である。完
成HTSL−材料中に著しい量のアルミニウムが検出さ
れる。1030℃で約15分溶融する場合には、一般に
アルミニウム含有量は約2000ppmである。この値
は溶融温度を高めた場合におよび溶融状態での滞留時間
が長い場合に増加する。
【0008】坩堝の寿命を長くしそしてアルミニウムに
よる汚染を少なくする為に、溶融温度はできるだけ低く
そして選択される溶融期間は必要なだけ短く選択され
る。ぎりぎり丁度流動可能である溶融物しか製造できな
い。これは追加的な欠点を有している: 1.溶融物が完全に均一でなく、未だ固体の出発成分を
含有しているという危険がある。これは、アルカリ土類
金属含有量とビスマス含有量との比が3:2より大きい
かまたは添加物(SrSO4 、BaSO4 )を用いる場
合に特に当て嵌まる。これらの添加物はなかでも、セラ
ミック成形体のひび割れ形成を抑制する性質を有してい
る。完成超電導材料中に制御不能に生じる非超電導性析
出物は、通電下にいわゆる“ホット・スポット(hot
spots)”状態の不安定にするので、許容できな
い。更にこの不均一さが成形体、例えば棒状物の機械的
性質に不利な影響を及ぼす。 2.低い溶融温度が原因して、小さい断面積の型中への
または長い区間に亘っての注入が非常に困難である程に
溶融物は粘性がありそして注入後に迅速に凝固する。例
えば9重量% のSrSO4 −添加物を含有するBi2
2 CaCu2 x のモル組成の金属酸化物の溶融物を
<8mmの直径の管状冷硬鋳型に注入することは不可能
である。 3.溶融物から製造される、ビスマス、ストロンチュー
ム、カルシウムおよび銅の酸化物より成る溶融鋳造部材
を、102 A/cm2 の範囲の電流容量(臨界電流密
度)についてのみ使用でき、そしてそれ故に上述の工業
的用途には条件付でしか適していない。この欠点は部分
的には、溶融する酸化物混合物に混入されるストロンチ
ウムまたはバリウムの硫酸塩を既に述べた様に加えるこ
とによって回避される。0.12cm2 の断面積を持つ
小棒状試料では、1000A/cm2 より大きい電流密
度がそうして初めて達成できた。
【0009】既に工業的に現実的な寸法(0.5cm2
の断面および150mmの長さ)の小棒状試料について
の統計的実験にて、電流密度が電気工業分野で使用され
る材料に要求される必要な再現性を持って現れないこと
が判った。工業的プロセスでは、例えば溶融物を製造す
る為に鋼玉製坩堝がしばしば使用される場合の如く、コ
ントロールが困難なパラメーターが問題になる。かゝる
一連の実験の結果は以下の表1から明らかである:表1: SrSO4 添加物を含有する棒状試料(直径8mm)の
臨界電流密度;鋼玉製坩堝から注入すことによって製造
する それぞれ製造したばかりの坩堝で、3% および6% のS
rSO4 添加物を含有する溶融物を1〜5回注湯鋳造す
る。それぞれの実験を対で実施しそして次に臨界電流密
度を測定する。表1から、臨界電流密度の絶対値がそれ
ぞれの同じ坩堝からの注湯鋳造回数と共に減少し、その
際に個々の試料の間の差が増加することが判る。
【0010】安定化した酸化ジルコニウムまたはしっか
り焼結した酸化マグネシウムの如き他のセラミック材料
は、それらの温度変化安定性が比較的に低く、上記の様
に方法を実施することを許容しないので、坩堝材料とし
て同様に適していない。
【0011】ニッケルまたはしっかり焼結した硝酸アル
ミニウムより成る坩堝は確かに充分な温度変化安定性を
持っているが、溶融物により著しい腐食に合い、全く不
適当である。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】それ故に本発明の課題
は、上述の欠点および制限を克服するように上述の方法
を改善することである。
【0013】
【課題を解決する為の手段】驚くべきことに本発明者
は、原料混合物を白金坩堝で溶融した場合に、塊状物
(成形体)の臨界電流密度が持続的に改善されることを
見出した。この観察事実は、溶融物の迅速凝固によって
生じたガラス様の前駆体からBi2 Sr2 CaCu2
8 の組成の超電導材料の製造を説明している文献中の実
際の実験に反している(T.G.Holesinger
等、Manuscript submitted to
Journal of Materials Res
earch、1992年2月7日)。この著者は鋼玉−
および白金坩堝を用いる場合に超電導材料において相違
を見つけていない。Bi、Sr、CaおよびCuの酸化
物および場合によってはPbの酸化物より成る溶融した
セラミック試料の臨界電流密度は一般に102 /cm2
の領域にある。同じ材料(同様に硫酸塩が混入されてい
ない)を白金坩堝で溶融した場合には、その他は同じ条
件(同じ温度処理、同じ0.5cm2 の材料断面積)の
もとで1100A/cm2 までの明らかに高い値に達す
ることができた。
【0014】種々のセラミック試料の臨界電流密度を直
接的に比較した場合、断面積が大きいと試料の固有の磁
場も大きく成るので、互いに同じ断面積を比較するよう
に注意するべきである。
【0015】このことは、その他は同じ材料特性である
場合に、大きな断面積の為の臨界電流密度の減退をもた
らす。固有磁場は、試料を通る電流と比例して増加し、
即ちこれは高い電流容量を持つ材料の場合に特に重要で
ある。
【0016】例えば、白金坩堝で溶融しそして石英管中
に注湯することによって製造される0.5cm2 の断面
積を持つ60mmの長さの棒状試料については、865
A/cm2 までの臨界電流が測定される。これに対し
て、この試料から鋸を長手方向に引いて得た0.05c
2 の断面積の小棒状物については、再現可能に220
0A/cm2 が測定できる。それ故に臨界電流密度に言
及する場合、この電流密度が測定される試料の断面積が
常に一緒に掲載されるべきである。
【0017】しかしながら固有電界効果は試料の絶対断
面積にだけでなく、この切断面の幾何学的構造にも依存
している。例えば、棒状の塊状部材の代わりに管状部材
を使用するのが有利である。
【0018】白金坩堝で溶融する場合にも、所望の臨界
電流密度は満足な再現性を持って達成できなかった。し
かしながら驚くべきことに、二つの手段──即ち白金製
坩堝中での溶融およびSrSO4 あるいはBaSO4
添加──を同時にとった場合に、更に大きな絶対値およ
び改善された再現性を達成できることが判っている。両
方の手段の組合せにて、8mmの直径の中実棒状物にお
いて1400A/cm 2 の電流密度を達成することが初
めて可能となった。
【0019】表2に、種々の硫酸塩含有量のBi2 Sr
2 CaCu2 x の組成の棒状物(直径8mm、長さ1
20mm)について達成された電流密度を掲載する。表2: 白金坩堝から注湯する場合の臨界電流密度(jc)への
硫酸ストロンチゥーム含有量の影響 SrSO4 の添加 0 1 3 6 9 15 〔重量% 〕 ──────────────────────────────────── jc 658 658 753 921 945 1178 〔A/cm2 〕 732 763 878 951 1072 1283 764 826 889 1046 1109 1317 816 881 962 1046 1146 1380 1107 941 1066 1167 1274 1420 それぞれ5個の試料を試験しそして掲載した測定値は増
加傾向がある。
【0020】更に白金坩堝の寿命は鋼玉製坩堝に比較し
て非常に長い。白金製ビーカーで20回注湯鋳造した後
でさえ、この白金坩堝は未だ視認できる損傷を有してい
ない。機器用白金製の坩堝を用いて上述の方法を実施す
る替わりに、Pt/Ir=97/3あるいは90/10
またはPt/Au=95/5または80/20より成る
坩堝を使用することも可能である。純粋のイリジウムよ
り成る坩堝状容器も適している。
【0021】更に驚くべきことに、白金坩堝で製造され
る溶融物HAい断面を持つ管状冷硬鋳型中に注入できる
ことが判った。それ故に、溶融物のコンシステンシーは
決して取るに足らぬ程ではないAl含有量によって影響
されると思われる。
【0022】更に貴金属製のこの坩堝材料を用いる場合
には、溶融温度を明らかに高めることができる。このこ
とは、1500〜1600℃の比較的に高い融点を自由
に処理できるSrSO4 またはBaSO4 の添加物を多
量に添加した場合に特に有利である。使用される温度は
坩堝材料として使用されるそれぞれの白金の軟化点にだ
け依存している。
【0023】詳細には本発明の方法は、所望のモル比の
ビスマス、ストロンチューム、カルシウム、銅および場
合によっては鉛の酸化物並びに追加的に、それぞれ酸化
物の混合物を基準として2〜30重量% の硫酸ストロン
チュームおよび/または1〜20重量% の硫酸バリウム
を均質混合し、この混合物を白金製の坩堝中で870〜
1600℃の温度で溶融し、この溶融物を所望の形状お
よび大きさの冷硬鋳型に流し込みそしてその中でゆっく
り凝固させ、そして生じた成形体から冷硬鋳型材を除き
そして700〜900℃の温度で6〜200時間、酸素
含有雰囲気で熱処理することを特徴とする。
【0024】更に本発明の方法は以下の構成要件を有し
ていてもよい: a)坩堝が白金、イリジウム、ロジウムまたはそれら相
互の合金または周期律表の第1または8亜族の他の貴金
属との合金より成る; b)溶融物を、水平に配置された高速回転する管状冷硬
鋳型中に注入する; c)Bi2-a+b+Pba (Sr,Ca)3-b-c Cu2+d
x の組成の酸化物混合物、a=0〜0.7;b+c=0
〜0.5;d=−0.1〜+0.1;x=7〜10およ
びSr:Caのモル比が(2.8:1)〜(1:2.
8)である; d)混合物を1000〜1300℃の温度で溶融する; e)成形体を750〜870℃で酸素含有雰囲気で熱処
理する。
【0025】
【実施例】例1(比較例) :ビスマス、ストロンチューム、カルシ
ウムおよび銅の酸化物の混合物を2:2:1:2の金属
モル比で1030℃で焼結鋼玉製坩堝で溶融しそして8
mmの直径および150mmの長さを有しそして上端が
ロート状に広がっている管状石英冷硬鋳型に注入する。
予めに冷硬鋳型中にその上端および下端に環状に曲がっ
た帯状銀製薄板を配置し、そこを通して溶融物を流し、
その結果それが凝固した溶融物中にしっかりと一体化さ
れている。750℃で60時間および850℃で60時
間空気雰囲気でそれぞれ熱処理した後に、この材料は超
電導性でありそして帯状薄板は、特に僅かな接触抵抗の
電流接点として有効である様に超電導体と連結されてい
る。10本以上のこの棒状物について、臨界電流密度を
測定した。その値は38〜195A/cm2 で変動す
る。
【0026】例2(比較例) 溶融する酸化物混合物に3重量% のSrSO4 を添加し
そして30以上の棒状物を製造した点だ例1で相違す
る。臨界電流密度は平均して約500A/cm2である
が、250〜900A/cm2 の間で変化する。
【0027】例3(比較例) Pt/Ir=97/3より成る坩堝中で金属酸化物を1
050℃で溶融しそして電流接点を持つ棒状塊状部材を
製造する点が例1と相違する。長さ150mmの10個
の試料について臨界電流密度を測定する。値は450〜
1100A/cm2 の間にある。
【0028】例4(本発明の実施例) 酸化物混合物に3重量% のSrSO4 を添加する点が例
3と相違する。電流密度は9個の試料について測定して
750〜1170A/cm2 である。
【0029】例5(本発明の実施例) 添加物として9重量% のSrSO4 を使用する点が例3
と相違する。溶融温度は1050℃である。7個の試料
について測定された電流密度は920〜1274A/c
2 である。
【0030】例6(本発明の実施例) 15重量% のSrSO4 を混入する点が例3と相違す
る。8mmの直径を持つ棒状物塊について数回測定した
臨界電流密度は1400A/cm2 の域で測定される。
【0031】例7(本発明の実施例) 添加物として8重量% のBaSO4 を使用する点が例3
と相違する。5個の試料について測定された電流密度は
700〜900A/cm2 である。
【0032】例8(固有電場の実例) 例4の後に、60mmの長さおよび8mmの直径の試料
を製造し、その試料について865A/cm2 までの臨
界電流密度が測定される。試料の表面から並びに内部か
ら約0.05cm2 の断面積の小棒状物を切取る。内部
からおよび外部から切り取った4つの小棒状物について
測定した臨界電流密度は2150〜2230A/cm2
である。
【0033】例9(実施例) 例2の組成の混合物を、機器用白金より成る深ざら中で
溶融しそして水平に配置され、800回転/分で回転す
る35mmの直径および200mmの長さの寸法の冷硬
鋳型中に、傾斜して配置された溝を通して注ぎ込む。予
めに、冷硬鋳型中に銀製の帯状薄板を取付けて置き、こ
れが熱処理後に電流接点として機能する。管中での臨界
電流密度は3cm2 の材料断面積の場合に2050Aで
ある(jc=683A/cm2 )。
【0034】例10(実施例・比較例) 例5の組成の混合物を機器用白金あるいは鋼玉より成る
坩堝中でそれぞれ1080℃で溶融しそして実験を行
い、溶融物をロート状に広がった開口を持つ直径5、
6、7および8mmの石英管中に注入する。その際に、
白金坩堝中で溶融した材料からそれぞれ120mmの長
さの棒状物が得ることができ、他方、鋼玉中で溶融した
材料を用いたのでは溶融物が非常に粘稠である為に8m
mの直径の棒状物しか得られない。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01B 13/00 565 D 7244−5G

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ビスマス、ストロンチューム、カルシウ
    ム、銅および場合によっては鉛の酸化物並びにストロン
    チュームおよび/またはバリウムの硫酸塩より成る高温
    超電導体およびそれから形成される成形体の製造方法に
    おいて、所望のモル比のビスマス、ストロンチューム、
    カルシウム、銅および場合によっては鉛の酸化物並びに
    追加的に、それぞれ酸化物の混合物を基準として2〜3
    0重量% の硫酸ストロンチュームおよび/または1〜2
    0重量% の硫酸バリウムを均質混合し、この混合物を白
    金金属製の坩堝中で870〜1600℃の温度で溶融
    し、この溶融物を所望の形状および大きさの冷硬鋳型に
    流し込みそしてその中でゆっくり凝固させ、そして生じ
    た成形体から冷硬鋳型材を除きそして700〜900℃
    の温度で6〜200時間、酸素含有雰囲気で熱処理する
    ことを特徴とする、上記方法。
  2. 【請求項2】 白金、イリジウム、ロジウムまたはそれ
    ら相互の合金または周期律表の第1または8亜族の他の
    貴金属との合金より成る、請求項1に記載の方法。
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