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Info
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Abstract
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
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。
号明細書(A1)から、Bi2 (Sr,Ca)3 Cu2
Ox (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。
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。
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。
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。
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。
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。
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 S
r2 CaCu2 Ox 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。
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。
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。
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。
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。
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 O
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。
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。
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。
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
m2 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。
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。
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 の
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。
2 CaCu2 Ox 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。
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。
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。
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。
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。
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 O
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。
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。
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。
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。
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。
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
m2 である。
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。
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。
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。
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 )。
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。
Claims (2)
- 【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。 - 【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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