JPWO2014141777A1 - 超電導導体の製造方法及び超電導導体 - Google Patents
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Abstract
Description
複数の超電導線材を一体化することで、芯に巻きつける際に超電導線材の一本一本で巻きずれが生じるのを防止することができる。
本発明の第1実施形態として、複数の幅狭の成膜用基板を連結基材に埋設して一体化し、この上に中間層、超電導層、保護層を成膜して酸素アニールを施した後、連結基材から分離することで各成膜用基板単位の超電導線材を製造し、更に得られた超電導線材を丸形状心線材の外周部に巻きつけて再一体化して丸型の複合超電導導体を製造する方法について説明する。図1は、主要工程のフロー図である。
金属線を所定の断面寸法に成形する。用いる金属は、材料強度がHv硬度で100よりも大きいものが好ましく、Cu、Ni、Ti、Mo、Nb、Ta、W、Fe、Agを含有する合金を用いることができる。特に好ましいのは、耐食性および耐熱性に優れたステンレス、ハステロイ(登録商標)、その他のニッケル系合金である。金属線は丸形状、非丸形状のいずれでもよく、矩形型、台形型等、特に断面形状を限定するものではない。成膜用基板の幅は、0.1〜4.0mm程度が好ましく、0.3〜2mmがより好ましい。0.1mm未満であると、基板の剛性が低下し、曲げ歪みによる超電導特性の劣化が生じるおそれがある。4.0mmをこえると、交流特性に問題が生じる。
上記幅狭の成膜用基板の寸法に応じて、所定の断面寸法の基材に、上記幅狭の成膜用基板を埋設するための複数本の溝を所定のピッチで平行に形成して連結基材とする。連結基材に用いる材質は、熱伝導性の高い金属であることが望ましく、特に、金属線と同様の合金を用いることが望ましい。
所定のピッチで連結基材に形成されている平行な複数本の溝のそれぞれに幅狭の成膜用基板を埋設して、成膜用基板と連結基材を一体化する。図2は、幅狭の成膜用基板11を、連結基材2に形成した7列の溝21に埋設し一体化する例を説明する断面図である。
幅狭の成膜用基板11と連結基材2を一体化した後、幅狭の成膜用基板11の成膜面側を機械研磨、電解研磨法又は化学研磨法により高平滑面とする。成膜面の算術平均粗さRaは5nm以下が好ましく、2nm以下がより好ましい。
成膜用基板11と連結基材2を一体化した状態で研磨することで、成膜面の高さ、研磨面の平滑性(Ra)及び研磨面の法線方位を一定に揃えることが容易にできる。
これにより、ステップS8での分離工程を経た後も、成膜用基板上には基板の幅方向の端部での配向度も高い状態で維持することができ、基板の全幅において配向度の高い超電導層14を得ることができる。更には、成膜基板間の凹部に堆積した中間層、超電導層を含む非成膜面を起因とする不要な電流パスを制御することができる。
特に、成膜した状態のまま多芯超電導線材として用いる場合には、隣接する成膜基板間の距離を短くした状態で超電導層14を成膜することができるため、多芯超電導線材を構成する複数の超電導層14間の間隙の幅を狭く制御することが可能となる。つまり、多芯超電導線材全体の電流密度(Je)を高くすることができる。
中間層13は、超電導層14において高い面内配向性を実現するために幅狭の成膜用基板11上に形成される層であり、熱膨張率や格子定数等の物理的な特性値が基板と超電導層を構成する酸化物超電導体との中間的な値を示す。中間層13は、単層であっても2層以上からなる多層であってもよいが、例えばベッド層、二軸配向層、およびキャップ層を有する態様が挙げられる。
ベッド層の構成材料としては、Gd2Zr2O7-δ(−1<δ<1、以下GZOと称す)、YAlO3(イットリウムアルミネート)、YSZ(イットリア保護ジルコニア)、Y2O3、Gd2O3、Al2O3、B2O3、Sc2O3、REZrO又はRE2O3等を用いることができ、中でもGZO、Y2O3、YSZが好適なものとして挙げられる。ここで、REは、単一の希土類元素または複数の希土類元素を表す。なお、ベッド層は、例えば2軸配向性を向上させるなどの機能を有していてもよい。なお、2軸配向性を向上させる機能を持たせるためには、GZOをベッド層の構成材料として用いることが好ましい。ベッド層の膜厚は、特に限定されないが、例えば10nm以上200nm以下である。
二軸配向層は、ベッド層上に形成され、超電導層の結晶を一定の方向に配向させるための層である。二軸配向層の構成材料としては、MgO、CeO2、YSZ、NbO等の多結晶材料が挙げられる。これらの中でも、MgOを含有することが好ましい。二軸配向層の膜厚は、特に限定されないが、例えば1nm以上20nm以下である。
IBADアシストイオンビーム電圧:800V以上1500V以下、
IBADアシストイオンビーム電流:80mA以上350mA以下、
IBADアシストイオンビーム加速電圧:200V、
RFスパッタ出力:800W以上1500W以下、
基板搬送速度:80m/h以上500m/h以下、
成膜温度:5℃以上250℃以下、
であることが好ましい
超電導層14は、上記中間層13上に形成され、酸化物超電導体、特に銅酸化物超電導体で構成されることが好ましい。この銅酸化物超電導体としては、REBa2Cu3O7-δ(RE−123と称す)等の組成式で表される結晶材料を用いることができる。
超電導層の膜厚は、特に限定されないが、例えば0.8μm以上10μm以下である。
基板搬送速度:80m/h以上500m/h以下、
成膜温度:800℃〜900℃、
とすることが好ましい。また、酸素不定比量δを小さくして超電導特性を高めるという観点から、酸素ガス雰囲気中で行うことが好ましい。
超電導層14の上面には、例えばスパッタ法によりAg等からなる保護層(安定化層)15を成膜する。
例えば、酸素流気中550℃で酸素アニールを行い超電導層に所定の超電導特性を付与する。
超電導層14上に保護層15が積層されている個々の幅狭の成膜用基板11は、連結基材2に埋め込まれた状態から分離装置により分離され、複数の超電導線材が得られる。
図3に示したように、中空断面状の補強用芯31の外周に安定化層32(例えば銅、銅合金)を有する丸形状の心材3を準備する。図3では、説明の便宜上、超電導線材、フィンとも、円形断面に模擬して示している。外周の安定化層32には超電導線材1の側面同士が接触しないようにフィン33が形成されており、心材3の断面の外周は凸凹状になっている。絶縁体からなるフィン材を安定化層表面に配置してもよい。フィン33の高さは、超電導線材1の厚さに近似するのが好ましが、超電導線材1の厚さに対し同等でなくとも良い。中空断面状の芯31の材質はFe基低磁性素材が望ましいが、ハステロイ等のNi基素材でもよく、断面構成は無垢材、クラッド構造でもよいが、芯31は、安定化層32よりも高強度の材料であることが好ましい。特に、安定化層が銅、銅合金である場合には、銅、銅合金よりも高強度な機械特性を有することが望ましく、Hv硬度で150以上のものが好ましく、例えば、SUS管を用いることが望ましい。
フィン33間に形成される溝部に超電導線材1を埋設することにより、複数の超電導線材1が一体化された状態で心材3の外周に沿って巻きつけられ、丸型の複合超電導導体30が得られる。超電導線材1の巻きつけは、心材3の中心軸に対し傾きをもって巻きつけるのが好ましいが、平行に配置してもよい。また、巻きつける超電導線材が2以上の複数構成でもよく、その場合、巻きつけ方向は、同方向または異方向の巻きつけでもよく、交互の繰り返しでも良い。
実施例1においては、上記第1実施形態で説明した工程を経て製造した、厚さt0.05mm×幅w1.0mmの幅狭の成膜用基板を有する複数の超電導線材を製造し、得られた超電導線材を用いて丸型の複合超電導導体を得た。
直径φ0.31mmのハステロイC276の金属線(丸線)を、加工率約34%で厚さt0.05mm×幅w1.0mm×長さL1050mに成形した。
t0.15mm×w26.5mm×L105mのハステロイC276の合金条の全長にわたって深さd0.03mm×幅w1.0mmの溝を幅方向のピッチ2.5mmで10本平行に形成し、連結基材とした。
幅狭の成膜用基板を連結基材に形成した10本の溝に埋め込み、幅狭の成膜用基板と連結基材を一体化した。
一体化した幅狭の成膜用基板と連結基材の表面を研磨して、表面粗さを算術平均粗さRaを1.1nmに仕上げた。
研磨したハステロイ276の幅狭の成膜用基板表面上に、Gd2Zr2O7(GZO)層(膜厚:110nm)をイオンビームスパッタ法により、室温にて成膜した。さらに、MgO層(膜厚:約5nm)をIBAD法により200〜300℃にて成膜し、次いでLaMnO3層(膜厚:30nm)をRFスパッタ法により600〜700℃にて成膜し、更にCeO2層(膜厚:400nm)をRFスパッタ法により500〜600℃にて成膜した。
上記中間層上に、MOCVD法により800℃の条件下で、YGdBa2Cu3O7-d超電導層を1μmの厚さに成膜した。
超電導層上に保護層としてのAg層を厚さ15μm積層した。
w1.0mm×L105m×10条のハステロイ276の幅狭の成膜用基板に中間層、超電導層、保護層が成膜されて連結基材に埋設された状態で、酸素流気中550℃で酸素アニールを行い多芯超電導線材を得た。
連結基材に埋設された10条の超電導導体を有する多芯超電導線材を分離装置により個々に分離し、複数の超電導線材とした。
製造された幅w1mm×長さL100m×10条の超電導線材について、液体窒素に浸漬した状態で、四端子法を用いて1μV/cmの基準で臨界電流Icを測定した。測定は1mピッチとし、電圧端子間隔は1.2mとした。
臨界電流Icの全測定位置で、45A以上を確認した。比較として、同様仕様で製作された幅10mm基板から製作された超電導線材の臨界電流Icは455Aであった。このことより、1mm幅線材と10mm幅線材の幅比率に合致した臨界電流が得られていることが確認された。
中空断面状のSUS管からなる芯の外周に銅からなる安定化層を有する丸形状の心材の最外周となる銅からなる安定化層に、幅1mmの超電導線材の側面同士が非接触となるフィンを成形し、断面外周が凸凹状となる心材を準備した。この時の凹の底辺と断面円形の中心までの距離(R)は2.39mmとし、心材外周に36°のピッチで幅0.47mmのフィンが10箇所形成されている。
これら10箇所のフィン間に形成された幅約1mmピッチの溝部に幅1mmの超電導線材を埋設し、外径約φ4.8mmの10本多芯構造の図3に模式的に示した断面の丸型の複合超電導導体を得た。
幅1mmの超電導線材を10本有する外径約φ4.8mmの丸型の複合超電導導体の臨界電流Icは455Aであった。1mm幅と10mm幅の線材の幅比率に合致した臨界電流が得られており、また、超電導線材の臨界電流特性は再一体化によって劣化していないことが確認された。
実施例2においては、上記第1実施形態で説明した工程を経て、厚さt0.1mm×幅w2.0mmの幅狭の成膜用基板を有する複数の超電導線材を製造した。ここでは、ステップS1−1、S1−2及びS2についてのみ述べる。他のステップ(S3〜S8)は実施例1と同様の工程のため、省略する。
直径φ0.62mmのハステロイC276の金属線(丸線)を、加工率約34%で厚さt0.1mm×幅w2.0mm×長さL740mに成形した。
厚さt0.2mm×幅w26.5mm×長さL105mのハステロイC276の合金条の全長にわたって深さd0.08mm×幅w2.0mmの溝を幅方向のピッチ3.5mmで7本平行に形成し、連結基材とした。
幅狭の成膜用基板を連結基材に形成した7本の溝に埋め込み、幅狭の成膜用基板と連結基材を一体化した。
製造された幅w2mm×長さL100m×7条の超電導線材について、液体窒素に浸漬した状態で、四端子法を用いて1μV/cmの電界基準で臨界電流Icを測定した。測定は1mピッチとし、電圧端子間隔は1.2mとした。
臨界電流Icの全測定位置で、90A以上を確認した。比較として、同様仕様で製作された幅10mm基板から製作された超電導線材の臨界電流Icは455Aであった。このことより、2mm幅線材と10mm幅線材の幅比率に合致した臨界電流が得られていることが確認された。
実施例3においては、上記第1実施形態で説明した工程を経て、厚さt0.15mm×幅w3.0mmの幅狭の成膜用基板を有する複数の超電導線材を製造した。ここでは、ステップS1−1、S1−2及びS2についてのみ述べる。他のステップ(S3〜S8)は実施例1と同様の工程のため、省略する。
直径φ0.95mmのハステロイC276の金属線(丸線)を、加工率約37%で厚さt0.15mm×幅w3.0mm×長さL550mに成形した。
厚さt0.25mm×幅w26.5mm×長さL105mのハステロイC276の合金条の全長にわたって深さd0.13mm×幅w3.0mmの溝を幅方向のピッチ4.5mmで5本平行に形成し、連結基材とした。
幅狭の成膜用基板を連結基材に形成した5本の溝に埋め込み、幅狭の成膜用基板と連結基材を一体化した。
製造された幅w3mm×長さL100m×5条の超電導線材について、液体窒素に浸漬した状態で、四端子法を用いて1μV/cmの基準で臨界電流Icを測定した。測定は1mピッチとし、電圧端子間隔は1.2mとした。
臨界電流Icの全測定位置で、136A以上を確認した。比較として、同様仕様で製作された幅10mm基板から製作された超電導線材の臨界電流Icは455Aであった。このことより、3mm幅線材と10mm幅線材の幅比率に合致した臨界電流が得られていることが確認された。
実施例4においては、上記第1実施形態で説明した工程を経て、厚さt0.2mm×幅w4.0mmの幅狭の成膜用基板を有する複数の超電導線材を製造した。ここでは、ステップS1−1、S1−2及びS2についてのみ述べる。他のステップ(S3〜S8)は実施例1と同様の工程のため、省略する。
直径φ1.3mmのハステロイC276の金属線(丸線)を、加工率約40%で厚さt0.2mm×幅w4.0mm×長さL440mに成形した。
なお、金属線に対する加工率は約34%〜約40%としたが、この範囲に限定されるものではなく、金属線に用いる材質によっては、更に強加工となる加工率(例えば、60%〜80%程度の加工率)の選定も可能である。強加工の場合は、丸線の状態で伸線加工を施した後に矩形化の加工を行うような複合工程を用いて加工率を高めることが可能である。
厚さt0.25mm×幅w26.5mm×長さL105mのハステロイC276の条の全長にわたって深さd0.18mm×幅w4.0mmの溝を幅方向のピッチ5.5mmで4本平行に形成し、連結基材とした。
幅狭の成膜用基板を連結基材に形成した4本の溝に埋め込み、幅狭の成膜用基板と連結基材を一体化した。
製造された幅w4mm×長さL100m×4条の超電導線材について、液体窒素に浸漬した状態で、四端子法を用いて1μV/cmの電界基準で臨界電流Icを測定した。測定は1mピッチとし、電圧端子間隔は1.2mとした。
臨界電流Icの全測定位置で、182A以上を確認した。比較として、同様仕様で製作された幅10mm基板から製作された超電導線材の臨界電流Icは455Aであった。このことより、4mm幅線材と10mm幅線材の幅比率に合致した臨界電流が得られていることが確認された。
比較例1では、幅10mmのハステロイ基材に上記実施形態1で述べた方法で中間層、超電導層、保護層を成膜し、酸素アニールを施した後、幅2mmに機械スリット法によってスリット加工して5本の超電導線材を得た。
製造された幅w2mm×長さL100m×5条の超電導線材について、液体窒素に浸漬した状態で、四端子法を用いて1μV/cmの電界基準で臨界電流Icを測定した。測定は1mピッチとし、電圧端子間隔は1.2mとした。
臨界電流Icは全測定位置で、78〜85Aであった。製作された幅10mm基板から製作されたスリット前の超電導導体の臨界電流Icは455Aであった。これは、2mm幅相当のIc約90Aに相当するので、比較例1の幅2mmの超電導線材の臨界電流Icはスリット加工により約6〜14%程度劣化していることが確認された。
本発明の第2実施形態においては、上記第1実施形態で分離した複数本の超電導線材をCu又はCu合金製の連結基材に再度埋設、或いは拡散金属層を介して一体化する。或いは、成膜工程前の連結基材として、ハステロイ276の代りにCu又はCu合金製の連結基材を用い、一体化したまま保護層まで成膜して酸素アニールを施し、分離工程を経ずにそのまま用いてもよい。超電導線材を埋設する深さは成膜面側が連結基材の凹面と同一面になるフラットな埋設が好ましいが、凸状、凹状に或いは凸凹状交互に配置することもできる。
実施例1で得られた幅1mmの超電導線10本をCu製の連結基材に埋設し、超電導線材の成膜面側を主に、Cuの電気メッキ層で覆い、断面において超電導成膜面を中心にして成膜層がCuの安定化層で挟み込まれた形態の10芯の多芯超電導線を得た。この10芯の多芯超電導線を第1実施形態で用いたのと同様の丸形状の芯の外周に巻きつけて丸形状の複合超電導導体を得た。
幅1mmの超電導線材を10本有する丸型の複合超電導導体の臨界電流Icは455Aであった。1mm幅と10mm幅の線材の幅比率に合致した臨界電流が得られており、また、超電導線材の臨界電流特性は再一体化、巻きつけによって劣化していないことが確認された。
幅狭の成膜用基板上に中間層、超電導層、保護層を有する超電導線材と、第2実施形態で用いた複数の超電導線材が安定化材に埋設されている多芯超電導線と、を交互に上記の心材の外周に巻きつけることによっても、複合超電導導体が得られる。巻きつける方向は同方向、異方向のいずれでも良い。
例えば、基板上に直接超電導層を形成できる場合には、上記実施形態における中間層は不要である。また、連結基材と一体化する前に、成膜用基板を研磨しておいてもよい。この場合、研磨方法を適正に選択することで一体化前の研磨品質を制御できる。このように、上記実施形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。またその様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
11 幅狭の成形用基板
12 成膜層
13 中間層
14 超電導層
15 保護層
2 連結基材
21 溝
3 心材
30 複合超電導導体
31 芯
32 安定化層
33 フィン
40 多芯超電導線
41 安定化層
Claims (10)
- 複数の成膜用基板を準備する工程と、
前記複数の成膜用基板を連結一体化する連結基材を準備する工程と、
前記複数の成膜用基板と連結基材とを一体化する工程と、
前記複数の成膜用基板の上に、超電導層と保護層を成膜する工程と、
を具備することを特徴とする超電導導体の製造方法。 - 前記保護層を成膜した後に、前記複数の成膜用基板を前記連結基材から分離することを特徴とする、請求項1に記載の超電導導体の製造方法。
- 前記連結基材から分離された前記複数の成膜用基板を安定化金属内に埋設する工程を有する請求項2に記載の超電導導体の製造方法。
- 前記保護層を成膜した後に、一体化された前記複数の成膜用基板と前記連結基材の外周を安定化金属で覆う工程を有する請求項1に記載の超電導導体の製造方法。
- 前記成膜用基板は金属線からテープ状に成形加工されて形成された請求項1〜4のいずれか1項に記載の超電導導体の製造方法。
- 前記成膜用基板は、主面に成膜面と非成膜面を有し、前記成膜面の表面粗さが算術平均粗さRaで5nm以下であり、前記非成膜面の表面粗さが算術平均粗さRaで15nm以上であることを特徴とする請求項2〜5のいずれか1項に記載の超電導導体の製造方法。
- 前記超電導層を成膜する前に、前記連結基材に一体化された前記複数の成膜用基板を研磨する工程を有する請求項1から6のいずれか一項に記載の超電導導体の製造方法。
- 芯と、前記芯の外周に形成された安定化層とを有する心材と、
前記心材の前記安定化層の外周に配された複数の超電導線材とを有し、
前記芯は前記安定化層よりも高強度の材料からなり、前記複数の超電導線材は安定化層を介して一体化されている超電導導体。 - 前記超電導線材は、超電導成膜用基板と前記超電導成膜用基板の一方の主面に形成された超電導層とを有し、
前記超電導線材は、少なくとも前記超電導成膜用基板の他方の主面が連結用基板の一方の面に接続されており、
前記安定化層は前記連結用基板の他方の面と接するように形成されている請求項8に記載の超電導導体。 - 前記複数の超電導線材は長手方向の端面を除く全面が銅又は銅合金によって覆われており、
前記安定化層は銅又は銅合金からなる請求項8に記載の超電導導体。
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