JP2000200518A - 酸化物超電導線およびその製造方法 - Google Patents
酸化物超電導線およびその製造方法Info
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Abstract
を有する酸化物超電導線を提供する。 【解決手段】 酸化物超電導線(10a、10b)は、
酸化物超電導体フィラメント(12a、12b)と、フ
ィラメントを覆いかつ銀または銀合金からなる安定化材
(14a、14b)と、安定化材を覆いかつ5μm以上
の厚みを有する酸化銅層(16a、16b)とを備え
る。酸化銅層(16a、16b)は、安定化材(14
a、14b)上にめっきにより設けられた銅を375℃
〜425℃の温度において酸化性雰囲気下で加熱するこ
とにより得られる。
Description
よびその製造方法に関し、特に、コイル、撚線、ケーブ
ル導体等に用いるための酸化物超電導線およびその製造
方法に関する。
超電導体は、液体窒素を冷媒とした超電導ケーブルへの
応用が期待されている。これが実現した場合、高価な液
体ヘリウムが必要な金属系超電導ケーブルで懸案事項と
なっている、断熱システムの簡素化および冷却コストの
低減を一気に克服できるであろう。
おいて大電流を低いエネルギー損失で送ることができる
という特性が要求される。一般に送電は交流で行なわれ
ており、酸化物超電導線を交流用途に使用するとき、交
流損失が問題となってくる。特に、電力ケーブルへの応
用の場合、自己磁界損失が問題となる。自己磁界損失を
低減するためには、電力ケーブルを構成する素線を転位
させた構造が有効であることがわかっている。素線の転
位は、撚線によって可能になる。また、撚線において転
位の効果を顕著なものにするためには、素線に電気的絶
縁を施すことが重要になる。酸化物超電導線材をフォー
マ上に巻き付けたケーブル導体においても、線材間の絶
縁を図ることは、交流損失の低減につながる。
が用いられる。たとえば、金属系超電導体を用いた撚線
においては、素線をエナメルで被覆するなどの処置が講
じられている。したがって、同様に酸化物超電導線を有
機絶縁材料で被覆することも考えられる。しかしなが
ら、酸化物超電導線を有機絶縁材料で被覆する場合、比
較的脆い酸化物超電導体を破壊しないよう細心の注意を
払う必要がある。一般に、線材における酸化物超電導体
の焼結組織を修復するため、高温で焼結を行なうことが
できるが、一旦有機絶縁材料を被覆すると、そのような
焼結工程を行なうことはできない。
は、Nb3Sn等の化合物超電導体を用いた素線が複数
本配置される化合物複合超電導導体において、交流損失
の低減のため、素線の最外周に高融点高抵抗金属層を配
置することを開示する。同公報は、ニオブ、タンタル、
バナジウム、クロム、モリブデン、タングステンおよび
これらの金属を含む合金を、高融点高抵抗金属の具体例
として挙げている。また同公報は、導体に用いられる安
定化材自体を酸化または硫化して、交流損失低減のため
の電気絶縁層を形成することを提案している。一般に、
酸化物超電導線材では、銀または銀合金が安定化材とし
て用いられる。このような安定化材に対して、特開昭6
2−103913号公報に開示されるような高融点高抵
抗金属層が、悪影響を及ぼすことなく有効に機能するか
どうかは明らかではない。酸化物超電導体の焼結工程に
おいて、これらの金属が拡散し、超電導相の形成が阻害
されるおそれもある。また、安定化材自体を酸化または
硫化することは、安定化材の機能を維持する上では好ま
しいことではない。
は、優れた超電導特性を有しかつ交流損失の低減に寄与
し得る電気絶縁層を有する酸化物超電導線を提供するこ
とである。
の特性を低下させることなく、有効な電気絶縁材料をそ
れに付与することのできる方法を提供することである。
のみを安定化材に使用するものよりも安価な酸化物超電
導線を提供することである。
電導体からなるフィラメントと、フィラメントを覆いか
つ銀または銀合金からなる安定化材と、安定化材を覆い
かつ5μm以上の厚みを有する酸化銅層とを備える酸化
物超電導線が提供される。
ス系酸化物超電導体とすることができる。酸化物超電導
線は、複数のフィラメントを安定化材が覆う多芯線とす
ることができる。酸化物超電導線は、テープ状線とする
ことができる一方、その断面は、円形、楕円形または正
多角形とすることもできる。
は銀合金からなる安定化材で覆われた酸化物超電導多芯
線であって、該芯線部が、酸化物超電導体からなるフィ
ラメントと、フィラメントを覆いかつ銀または銀合金か
らなる安定化材と、安定化材を覆いかつ5μm以上の厚
みを有する酸化銅層とを備える酸化物超電導多芯線が提
供される。
造方法が提供され、この方法は、酸化物超電導体の原
料、原料を被覆しかつ銀または銀合金からなる安定化
材、および安定化材を被覆する銅層を備える線材を準備
する工程と、線材を酸化性雰囲気下で375℃〜425
℃の温度において加熱し、銅層を酸化銅層に変える工程
と、次いで、酸化物超電導体の焼結のため線材を加熱す
る工程とを備える。
製造方法が提供され、この方法は、酸化物超電導体の原
料、原料を被覆しかつ銀または銀合金からなる安定化
材、および安定化材を被覆する銅層を備える線材を準備
する工程と、線材を酸化性雰囲気下で375℃〜425
℃の温度において加熱し、銅層を酸化銅層に変える工程
と、酸化銅層を有する線材を複数本、安定化材チューブ
に充填する工程と、複数本の線材が充填されたチューブ
に塑性加工を施して多芯線を得る工程と、得られた多芯
線を酸化物超電導体の焼結のため加熱する工程とを備え
る。
線材を準備する工程は、酸化物超電導体の原料、および
原料を被覆しかつ銀または銀合金からなる安定化材を備
える線材上に、めっきまたは物理蒸着により銅層を形成
する工程を備えることができる。一方、銅層を形成する
ため、線材を準備する工程において、銀または銀合金と
それを覆う銅とからなる複合チューブを用いてもよい。
これらの製造方法において、銅層の厚みは5μm以上で
あることが好ましく、酸化性雰囲気下での加熱において
5μm以上の厚みの酸化銅層を生成させることが好まし
い。
面が円形、楕円形もしくは正多角形の線材を、酸化処理
のため用いることができる。また、本発明において、多
芯線を酸化処理のために用いることができる。一方、本
発明において、安定化チューブに充填される線材は、丸
線またはテープ状線とすることができる。複数本の線材
が充填された安定化チューブの塑性加工の後、テープ状
線を形成してもよいし、断面が円形、楕円形または正多
角形の線材を形成してもよい。
造方法が提供され、当該方法は、酸化物超電導体の原
料、および該原料を被覆しかつ銀または銀合金からなる
安定化材を備える線材を準備する工程と、酸化物超電導
体の焼結のため線材を加熱する工程と、焼結のための加
熱工程の後、線材上に銅からなる層を形成する工程とを
備える。形成される銅層の厚みは、5μm以上が好まし
く、10μm以上がより好ましい。銅層の厚みの範囲
は、たとえば5〜100μmとすることができ、より好
ましくは10〜30μmとすることができる。線材の焼
結が終了した後であれば、超電導特性を損なわずに銀ま
たは銀合金上に銅からなる層を形成することができる。
この場合、酸化処理を行なわなければ、銅からなる層を
安定化材として機能させることができる。一方、当該方
法は、線材を酸化性雰囲気下で375℃〜425℃の温
度において加熱し、銅を酸化銅層に変える工程をさらに
備えてもよい。また当該方法において、めっきまたは物
理蒸着により銅からなる層を形成することが好ましい。
ある酸化物超電導線のための電気絶縁材料として、酸化
銅を選んだ。そして、安定化材上に銅層を設けた線材
を、高温での焼結を行なうより前に酸化し、銅層を酸化
銅層に変えれば、密着性が良く、むら、ピンホールなど
の欠陥の少ない絶縁被覆を得ることができることを見出
した。さらに、酸化銅層の厚みを5μm以上にすること
で、酸化銅層の絶縁抵抗値を安定して高いレベルに維持
できることを見出した。
テープ状超電導単芯線および多芯線を示している。テー
プ状酸化物超電導単芯線10aは、その中心部に酸化物
超電導体からなるフィラメント12aを有し、フィラメ
ント12aは、銀または銀合金からなる安定化材14a
に覆われる。線材10aの外周部には、安定化材14a
を覆う酸化銅層16aが設けられる。酸化銅層16aの
厚みは5μm以上である。テープ状酸化物超電導多芯線
10bにおいて、酸化物超電導体からなる複数のフィラ
メント12bは、銀または銀合金からなる安定化材14
bで覆われる。線材10bの外周部には、安定化材14
bを覆う酸化銅層16bが設けられる。酸化銅層16b
の厚みは5μm以上である。
を有する本発明による丸線が示される。酸化物超電導単
芯線20aにおいて、その中心部には、酸化物超電導体
のフィラメント22aが配置され、その周囲には銀また
は銀合金の安定化材24aが配置される。安定化材24
aは、5μm以上の厚みを有する酸化銅層26aによっ
て覆われる。酸化物超電導多芯線20bにおいて、酸化
物超電導体からなる複数のフィラメント22bは、銀ま
たは銀合金の安定化材24b中に配置される。安定化材
24bは、厚さ5μm以上の酸化銅層26bによって覆
われる。
層で覆われた芯線部を有するテープ状多芯線を示してい
る。テープ状酸化物超電導多芯線30aは、複数の芯線
部38aを有する。芯線部38aは、酸化物超電導体の
フィラメント32aと、それを覆う銀または銀合金の安
定化材34aと、それを覆う酸化銅層36aとからな
る。酸化銅層36aは、5μm以上の厚みを有し、フィ
ラメント32aのための高抵抗バリア層として機能す
る。複数の芯線部38aは、銀または銀合金の安定化材
34′aで覆われる。テープ状酸化物超電導多芯線30
bは、その外周部に5μm以上の厚みを有する酸化銅層
36bを有する。その他の構成は、図3(A)に示され
る線材と同様である。
抗バリア層を有する多芯丸線を示している。酸化物超電
導多芯線40aは、複数の芯線部48aを有する。芯線
部48aは、酸化物超電導体のフィラメント42a、そ
れを覆う銀または銀合金の安定化材44aおよびそれを
覆う酸化銅層46aからなる。酸化銅層46aは、5μ
m以上の厚みを有し、フィラメント42aのための高抵
抗バリア層として機能する。複数の芯線部48aは、銀
または銀合金の安定化材44′aによって覆われる。酸
化物超電導多芯線40bは、その外周部に5μm以上の
厚みの酸化銅層46bを有している。その他の構成は、
図4(A)に示される線材と同様である。
が、断面が楕円形、または断面が略回転対称の多角形、
特に正多角形である線材を本発明に従って提供すること
ができる。線材の断面は、伸線加工を含む塑性加工にお
いて、適当な形状のダイスまたはロールを用いることに
より、任意の好ましい形状にすることができる。
みは5μm以上である。5μm以上の厚みは、むらおよ
びピンホールによる絶縁抵抗の低下を効果的に抑制でき
る。ピンホール等の欠陥をさらに少なくし、かつより高
い電圧下での電気絶縁を確実にするため、酸化銅層の厚
みは10μm以上がより好ましい。酸化銅層の厚みの範
囲は5〜100μmが好ましく、10〜30μmがより
好ましい。本発明において、酸化銅層は、緻密な組織を
有し、かつ線材の長手方向に沿ってほぼ均一な厚みを有
することができる。
する線材が用いられる。銅は、他の金属材料と比較して
低価格であり、比較的容易に酸化することができる。銅
層の厚みは、5μm以上の厚みを有する酸化銅層を形成
するため、5μm以上が好ましく、10μm以上がより
好ましい。銅層の厚みの範囲は、たとえば5〜100μ
mとすることができ、より好ましくは10〜30μmと
することができる。
とができる。めっきは、たとえば、硫酸銅浴、ピロリン
酸銅浴などを用いる電気めっきにより行なわれる。上述
した厚みのめっき層を形成することが好ましい。また銅
層を形成するため、パウダー・イン・チューブ法により
線材を形成する際に、銀または銀合金とそれを覆う銅と
からなる複合チューブを用いてもよい。そのような複合
チューブは、たとえば図5に示すようなプロセスにより
形成される。プラグ52のまわりに銀または銀合金パイ
プ54を配置し、そのまわりに銅パイプ56を配置す
る。このようにして得られるユニットを、ダイス58で
引抜き加工する。用いられる銀または銀合金パイプおよ
び銅パイプのサイズおよび厚みは、最終的に必要な線材
の仕様に応じて設定される。これらの方法により形成さ
れた銅層は、密着性に優れ、かつ線材の長手方向に沿っ
てほぼ均一な厚みを有することができる。めっきにより
銅層を形成する場合、酸化物超電導体のための焼結工程
を経た線材に銅層を形成してもよいし、焼結工程を経て
いない線材に銅層を形成してもよい。銅層を有する線材
は、単芯線であってもよいし多芯線であってもよい。ま
た、銅層を有する線材の形状は任意であり、たとえば、
テープ状線材、または円、楕円もしくは正多角形の断面
を有する線材とすることができる。
できる。蒸着法には、物理蒸着(PVD)法および化学
蒸着(CVD)法がある。PVD法には、大別して真空
蒸着法およびスパッタリング法がある。特に、本発明で
は、Arガス雰囲気中で銅を蒸着させるスパッタリング
法、および真空中で銅に電子ビームを照射して生成され
る銅粒子を線材に蒸着させる方法を用いることが好まし
い。
線材を供給するための設備および線材を巻き取るための
設備を設ければ、いずれの場合においても、長尺線を連
続的に処理することができる。さらに、酸化処理または
アニール処理を行なう場合、線材供給設備と線材巻き取
り設備との間に熱処理炉を配置して、長尺線を連続的に
酸化またはアニールすることができる。
金の安定化マトリクス中に酸化物超電導フィラメントが
埋め込まれた線材が、ピンホール(線材表面に超電導フ
ィラメントが露出した部分)を全く有さない場合、焼結
工程の後に超電導特性を損なわずに線材に均一な銅めっ
きを行なうことができることを見出した。また、銀また
は銀合金の安定化マトリクス中に酸化物超電導フィラメ
ントが埋め込まれた線材が、ピンホール(線材表面に超
電導フィラメントが露出した部分)を有する場合でも、
蒸着によれば、線材上に超電導特性を損なわずに均一な
銅層を形成できることを見出した。焼結工程の後に形成
した銅層は、酸化処理することなく安定化材として機能
させることができる。このような安定化材としての銅層
は、高価な銀または銀合金の使用量を減らし、線材コス
トの低減に寄与する。一方、焼結工程の後に形成した銅
層を酸化して、線材の表面に酸化銅の電気絶縁層を形成
してもよい。酸化工程において、銅層を全面的に酸化し
てもよいし、部分的に酸化して銅を残してもよい。
しての銅を有する線材の具体例を示す。図8(A)に示
すテープ状酸化物超電導単芯線110aは、その中心部
に酸化物超電導体からなるフィラメント112aを有
し、フィラメント112aは、銀または銀合金からなる
安定化材114aに覆われる。線材110aの外周部に
は、安定化材114aを覆う銅層116aが設けられ
る。銅層116aの厚みはたとえば5μm以上である。
図8(B)に示すテープ状酸化物超電導多芯線110b
において、酸化物超電導体からなる複数のフィラメント
112bは、銀または銀合金からなる安定化材114b
で覆われる。線材110bの外周部には、安定化材11
4bを覆う銅層116bが設けられる。銅層116bの
厚みはたとえば5μm以上である。銅層116aおよび
116bも安定化材として機能する。図9(A)および
(B)には、円形の断面を有する丸線が示される。酸化
物超電導単芯線120aにおいて、その中心部には、酸
化物超電導体のフィラメント122aが配置され、その
周囲には銀または銀合金の安定化材124aが配置され
る。安定化材124aは、たとえば5μm以上の厚みを
有する銅層126aによって覆われる。酸化物超電導多
芯線120bにおいて、酸化物超電導体からなる複数の
フィラメント122bは、銀または銀合金の安定化材1
24b中に配置される。安定化材124bは、たとえば
厚さ5μm以上の銅層126bによって覆われる。銅層
126aおよび126bも安定化材として機能する。図
10(A)に示すテープ状酸化物超電導単芯線110a
は、その中心部に酸化物超電導体からなるフィラメント
112aを有し、フィラメント112aは、銀または銀
合金からなる安定化材114aに覆われる。線材110
aの外周部には、安定化材114aを覆う銅層116a
が設けられ、銅層116aの厚みはたとえば5μm以上
である。さらに、銅層116aは、酸化銅層118aで
覆われている。酸化銅層118aの厚みは、5μm以上
が好ましい。図10(B)に示すテープ状酸化物超電導
多芯線110bにおいて、酸化物超電導体からなる複数
のフィラメント112bは、銀または銀合金からなる安
定化材114bで覆われる。線材110bの外周部に
は、安定化材114bを覆う銅層116bが設けられ、
銅層116bの厚みはたとえば5μm以上である。さら
に、銅層116bは、酸化銅層118bで覆われてい
る。酸化銅層118bの厚みは、5μm以上が好まし
い。図11(A)および(B)には、円形の断面を有す
る丸線が示される。酸化物超電導単芯線120aにおい
て、その中心部には、酸化物超電導体のフィラメント1
22aが配置され、その周囲には銀または銀合金の安定
化材124aが配置される。安定化材124aは、たと
えば5μm以上の厚みを有する銅層126aによって覆
われる。銅層126aは、さらにたとえば5μm以上の
厚みを有する酸化銅層128aで覆われる。酸化物超電
導多芯線120bにおいて、酸化物超電導体からなる複
数のフィラメント122bは、銀または銀合金の安定化
材124b中に配置される。安定化材124bは、たと
えば厚さ5μm以上の酸化銅層126bによって覆われ
る。銅層126bは、さらにたとえば5μm以上の厚み
を有する酸化銅層128bで覆われる。
する線材は、酸化性雰囲気下で375℃〜425℃の温
度において加熱される。この加熱工程において、銅層は
酸化銅層に変えられる。加熱温度が375℃より低い場
合、銅が完全に酸化せずに残るおそれがある。残存する
銅は、酸化物超電導体の焼結工程において拡散し、超電
導相と反応し得る。一方、加熱温度が425℃より高い
場合、銅が、銀または銀合金の安定化材に固溶するおそ
れがある。安定化材中に固溶した銅は超電導相に達し得
る。そのような銅は、超電導相の形成反応に影響を及ぼ
す。酸化物超電導体−銀または銀合金−銅の複合体にお
いては、銅層を完全に酸化するため、このような400
℃前後の限られた温度範囲が重要である。そのような温
度における加熱時間は、5分〜1時間とすることができ
る。超電導特性に影響を与えないという観点から、短時
間の加熱が好ましい。加熱に用いられる酸化性雰囲気
は、たとえば大気、大気と酸素の混合ガス、酸素と窒素
の混合ガスとすることができる。酸化性雰囲気中の酸素
含有量は、20体積%以上が好ましい。酸素分圧が比較
的高い雰囲気において、銅を効率よく酸化させることが
できる。加熱は、所定の温度の炉に所定時間、保持する
ことによって行なうことができる。この加熱工程におい
て得られる酸化銅層の厚みは、5μm以上が好ましく、
10μm以上がより好ましい。得られる酸化銅層の厚み
は、たとえば5〜100μmとすることができ、好まし
くは10〜30μmとすることができる。銅層を酸化銅
層に変える方法は、無機絶縁材料を溶媒中に分散し塗布
・乾燥する方法、およびSiO2ベースの塗料を乾燥お
よび焼付けする方法よりも、剥がれにくい絶縁被膜をも
たらすことができる。
工された線材は、酸化物超電導体の焼結のための加熱工
程に供されるか、または多芯線形成の工程に供される。
一般に、酸化物超電導体の焼結のため、酸化温度よりも
かなり高い温度が用いられる。焼結のための温度は、酸
化物超電導体の種類に応じて設定される。たとえば、ビ
スマス系酸化物超電導体を焼結させるため、840℃〜
850℃の温度が用いられる。酸化銅層は、このような
焼結温度に耐えることができる。焼結工程は、酸化工程
または加工工程の後、一旦線材をたとえば室温まで冷却
した後、行なうことができる。一方、焼結工程は、線材
を酸化または加工した後、連続的に線材の温度を上げて
行なうことができる。酸化処理と焼結処理は、異なる炉
で行なってもよいし同じ炉で行なってもよい。一般に、
酸化処理と焼結処理とは用いられる条件が異なるため、
これらの処理は不連続で行なうことが好ましい。一方、
酸化または加工された線材をさらに多芯線形成工程に供
する場合、酸化または加工された線材は複数本、安定化
チューブに充填される。チューブは、多芯線を得るため
塑性加工される。塑性加工には、伸線加工、圧延加工、
プレス加工等が用いられる。たとえば伸線加工および圧
延加工を経て、テープ状線材が得られる。一方、伸線加
工により、断面が円形、楕円形または正多角形の線材を
得ることができる。得られた多芯線は、酸化物超電導体
の焼結のため加熱される。
・チューブ法により製造された線材を用いることができ
る。この方法では、超電導体を構成する元素の酸化物ま
たは炭酸塩の粉末を所定の配合比で混合し、焼結した
後、得られる焼結物を粉砕する。焼結および粉砕は複数
回行なうことが好ましい。得られた粉末を、銀または銀
合金からなるチューブに充填する。粉末が充填されたチ
ューブには、塑性加工が施される。塑性加工には、伸線
加工、圧延加工、プレス加工等が用いられる。たとえば
伸線加工および圧延加工の後、テープ状線材が得られ
る。また、伸線加工により、円、楕円形または正多角形
の断面を有する線材を得ることができる。多芯線を製造
する場合、塑性加工の後得られる線材が、通常切断さ
れ、複数のセグメントにされる。得られる複数のセグメ
ントは、銀または銀合金からなるチューブに充填され、
塑性加工に供される。充填される線材は、丸線でもよい
しテープ状線でもよい。最終製品としてテープ状多芯線
を得る場合、チューブに複数の丸線が充填され、伸線加
工および圧延加工される。最終製品として断面が円形、
楕円形または正多角形の線材を得る場合、一般に丸線ま
たはテープ状線がチューブに充填される。最終製品にお
ける酸化物超電導体のc軸の配向性を考慮すると、テー
プ状線をチューブに充填することがより好ましい。その
場合、テープ状線における原料粉末の部分は4〜40、
好ましくは4〜20のアスペクト比を有するリボン形状
とすることができる。充填される線材は、単芯、多芯の
いずれでもよい。テープ状線材をチューブに充填する場
合、たとえば、断面形状が正多角形である角柱体の安定
化材を準備し、その側面にテープ状線材を積み重ね、そ
れらをチューブに充填することができる。テープ状線材
は、角柱体の安定化材の各側面に1層または2層以上積
み重ねることができる。また、安定化材からなるシート
を準備し、その上にテープ状線材を複数本平行に配置
し、それらを円柱体の安定化材に巻き付け、シートとと
もに円柱体の安定化材に巻き付けられたテープ状線材を
円筒形のチューブに充填することもできる。さらに、複
数のテープ状線材を積層した集合体をまずチューブに充
填し、次いで、隙間に集合体とは異なる方向にさらにテ
ープ状線材を充填し、高い充填密度でチューブに線材を
充填することもできる。テープ状線材が充填されたチュ
ーブに、塑性加工を施し、断面が略円形、楕円形または
回転対称である正多角形の線材を得る。塑性加工には、
主として伸線加工が用いられる。伸線加工には、駆動式
ロールダイスを用いることができる。銅層は、塑性加工
の後得られる線材に銅めっきを施すことによって得るこ
とができる。また銅層は、銀または銀合金とそれを覆う
銅とからなる複合チューブを用いることにより得ること
ができる。銅層を有する線材は、上述したように酸化処
理に供される。
スマス系酸化物超電導体、タリウム系酸化物超電導体、
水銀系酸化物超電導体、イットリウム系酸化物超電導体
等を用いることができる。特に、(Bi,Pb)2Sr2
Ca2Cu3O10-X、Bi2Sr2Ca2Cu3O10-X等のビ
スマス系2223相酸化物超電導体、(Bi,Pb)2
Sr2Ca1Cu2O8-X、Bi2Sr2Ca1Cu2O8-X等
のビスマス系2212相酸化物超電導体を用いることが
好ましい。酸化物超電導体のための安定化マトリックス
には、銀または銀合金が用いられる。銀合金は、Ag−
Au合金、Ag−Mn合金、Ag−Al合金、Ag−S
b合金、Ag−Ti合金等を含む。ビスマス系酸化物超
電導体の焼結体を生成させる場合、熱処理は700℃〜
900℃の範囲の温度で行なわれることが好ましく、特
に最終的な熱処理では、840℃〜850℃の温度が所
定の時間保持されることが望ましい。焼結体を生成させ
るための熱処理は、大気雰囲気等の酸化性雰囲気下で行
なうことができる。また、このような熱処理は、圧延等
の塑性加工を挟んで2回以上行なうことができる。以
下、実施例により本発明をより詳細に説明する。
の粉末を、Bi:Pb:Sr:Ca:Cu=1.8:
0.4:2:2:3の組成比となるよう混合した。得ら
れた混合物に対し、仮焼結のための熱処理および粉砕を
3回繰返し、酸化物超電導体の前駆体である原料粉末を
得た。得られた粉末を、外径15mm、内径13mmの
銀パイプに充填した。粉末が充填された銀パイプを、
1.02mmφまで伸線し、次いで0.2mmの厚さま
で圧延してテープ線材を得た。得られたテープ線材を外
径12mm、内径10mmの銀パイプに、図6に示すよ
うな配置で充填した。図6に示すように、銀パイプ1内
には、中央部に単芯のテープ線2が15枚重ねて充填さ
れ、その両側に、それぞれ単芯のテープ線2が3枚ずつ
重ねて充填されている。両側のテープ線2は、中央のテ
ープ線2に対してほぼ垂直に配置される。このようにし
て21本のテープ線を充填した銀パイプを、伸線加工し
て直径が1.02mmφの丸線を得た。得られた丸線を
850℃で焼結した後、伸線して直径0.9mmφの丸
線を得た。
m、約10μmおよび約20μmの厚みでそれぞれ銅を
めっきした。めっきには硫酸銅水溶液を用いた。丸線お
よび銅板を硫酸銅水溶液に浸漬し、丸線を陰極、銅板を
陽極として電気めっきを行なった。めっき液中の硫酸銅
の濃度は220g/lであり、硫酸の濃度は60g/l
であり、めっきのため、2A/dm2の陰極電流密度、
25℃の浴温を用いた。また、ピロリン酸銅水溶液を用
いた銅めっきも試みた。このときのピロリン酸銅の濃度
は40g/l、ピロリン酸カリウムの濃度は200g/
l、電流密度は1A/dm2、浴温は30℃であった。
の断面構造を図7に示す。円形の断面を有する被覆線材
160において、酸化物超電導材料のフィラメント部1
61は、銀の安定化マトリックス162中に層状に配置
されている。フィラメント部161の厚みの方向は、線
材160の断面における半径の方向に対してほぼ垂直で
ある。フィラメント部161は、リボン形状を有する。
マトリックス162の周囲には、銅めっき層163が設
けられている。
00℃の2種類の温度で大気雰囲気下において1時間熱
処理した。その後、線材を焼結のための炉に移し、84
0℃で50時間、大気雰囲気下で熱処理した。焼結され
た線材について、臨界電流(Ic)および酸化銅層の絶
縁抵抗を測定した。Icは、液体窒素中で測定し、1μ
V/cmに対する値として規定した。絶縁抵抗の測定に
おいて、線材に250Vの電圧を印加し、銅酸化膜を除
去した部分に設けた端子と銅酸化膜上に設けた端子との
間の電気抵抗を測定した。これらの端子の間の距離は2
cmであった。結果を表1および表2に示す。酸化温度
が200℃の場合よりも酸化温度が400℃の場合が、
高い絶縁抵抗をもたらすことができた。また、酸化温度
400℃において5μm以上の厚みの酸化銅膜を生成さ
せることにより、安定して50kΩレベルの抵抗が得ら
れるようになった。また、酸化銅膜の密着性を比較する
ため線材をφ1mmに曲げて酸化銅膜の剥離を比較した
ところ、ピロリン酸銅浴によるものの方が、剥離が小さ
かった。
の粉末を、Bi:Sb:Sr:Ca:Cu=1.8:
0.4:2:2:3の組成比となるよう混合した。混合
粉末を、700℃で12時間および800℃で8時間加
熱した後、850℃で8時間加熱した。それぞれの熱処
理の後、材料をボールミルで粉砕した。850℃で8時
間の熱処理の後粉砕された材料を、脱気のため800℃
で15分間加熱した。脱気された粉末を、外径12mm
φ、内径10mmφの銀パイプに充填した。銀パイプを
伸線し、1.02mmφの単芯丸線を調製した。
と銀の内外パイプとからなる複合パイプに、1.02m
mφの単芯丸線材を61本嵌合した。複合パイプにおい
て、銅の厚みは0.3mm、銀の厚みは0.7mmであ
った。丸線が充填されたパイプを1.15mmφまで伸
線し、次いで厚さ0.24mmまで圧延した。得られた
テープ状線を、200℃×15分、400℃×15
分および800℃×15分の3種類の条件で、それぞ
れ大気雰囲気下において加熱した。その結果、の条件
下では、銅の酸化が不完全であり、線材の表面に電気的
導通を示す部分が存在した。の条件下では、表面が完
全に酸化され、導通箇所が見当たらなかった。の条件
下では、銀と銅とが合金を形成し、不完全な酸化被膜が
得られた。この結果より、400℃前後の酸化温度が適
当であることがわかった。
プ線の銅をほぼ完全に酸化銅に変えた後、線材を焼結の
ための炉に移し、845℃で50時間1次焼結を行なっ
た。さらに厚さ0.2mmまで線材を圧延した後、84
0℃で50時間2次焼結を行なった。得られた線材のI
cを、直流4端子法により、液体窒素中、外部磁場印加
なしの状態で測定したところ、35A(1μV/cmに
対する値)となった。また、得られた線材の表面抵抗値
を室温において測定したところ、約100kΩであっ
た。このような抵抗値を有する酸化銅膜は、高抵抗層と
して十分に機能し得る。
外径12mmφ、内径10mmφの銀パイプに嵌合し、
1.15mmφまで伸線した後、厚さ0.24mmまで
圧延した。圧延された線材に845℃、50時間の1次
焼結を施した後、さらに厚さ0.2mmまで圧延した。
次いで、840℃、50時間の2次焼結を行なった。上
述と同様に測定されたIcは40Aであった。このよう
にして調製された線材の断面において、酸化物超電導体
フィラメントを覆う材料の断面積のほぼ100%が銀で
ある。一方、上述したように400℃で15分間酸化処
理を行なった後に得られる線材では、酸化物超電導体フ
ィラメントを覆う材料の断面積のうち、その20%が酸
化銅であった。
本、外径12mmφ、内径10mmφの銀パイプに嵌合
し、1.15mmφまで伸線し、次いで厚さ0.24m
mまで圧延した。得られたテープ線に電解めっき法によ
り銅めっきを施した。銅めっき層の厚みは約20μmで
ある。めっき液中の硫酸銅の濃度は220g/lであ
り、硫酸の濃度は60g/lであり、めっきのため、2
A/dm2の陰極電流密度、25℃の浴温を用いた。
5分間大気雰囲気下において加熱した。この加熱によ
り、約20μmの厚みの酸化銅膜が生成された。次い
で、テープ線を845℃で50時間加熱した後、厚さ
0.2mmまで圧延加工し、次いで、840℃で50時
間加熱した。液体窒素中、外部磁場印加なしの状態で測
定されたIcは38A(1μV/cmに対する値)であ
った。
後、845℃で50時間加熱し、次いで厚さ0.2mm
まで圧延加工した。このように1次焼結および圧延加工
を行なった線材について、電気めっき法により銅めっき
を行なった。めっき条件は実施例3と同様であった。次
いで、線材を400℃で15分間加熱し、厚さ約20μ
mの酸化銅膜を生成させた。その後、840℃で50時
間の2次焼結を行なった。液体窒素中、外部磁場印加な
しの状態で測定されたIcは40A(1μV/cmに対
する値)であった。得られた線材の室温で測定された表
面抵抗値は約50kΩであった。この値は、酸化銅膜が
高抵抗層として十分機能し得ることを示している。
た。得られた丸線に、実施例3と同様の条件下で銅めっ
きを施した。めっきされた丸線を400℃で15分間大
気雰囲気下において加熱し、厚さ約20μmの酸化銅膜
を形成した。酸化された単芯丸線を61本、外径12m
mφ、内径10mmφの銀パイプに嵌合し、1.15m
mφまで伸線し、次いで厚さ0.24mmまで圧延し
た。その後、845℃、50時間の1次焼結および厚さ
0.2mmまでの圧延加工を行なった。次いで、840
℃50時間の2次焼結を行ない、各芯線部が酸化銅のバ
リア層を有するテープ状多芯線を得た。液体窒素中、外
部磁場印加なしの状態で測定されたテープ線のIcは、
25A(1μV/cmに対して規定)であった。
た。得られた丸線を、大気雰囲気下で845℃において
50時間加熱した。次いで、丸線に実施例3と同様の条
件下で銅めっきを施し、表面酸化のため400℃におい
て15分間大気雰囲気下で加熱した。酸化工程におい
て、約20μmの厚さの酸化銅膜が得られた。61本の
酸化された丸線を外径12mmφ、内径10mmφの銀
パイプに嵌合し、1.15mmφまで伸線し、次いで厚
さ0.24mmまで圧延した。その後、840℃、50
時間の2次焼結を行なった。実施例5と同様に測定され
たテープ線のIcは、25Aであった。
た。次いで、得られた丸線を845℃で50時間加熱し
た。次いで、実施例3と同様の条件下において丸線に銅
めっきを施した。丸線を400℃で15分間大気雰囲気
下において加熱し、約20μmの厚さの酸化銅膜を形成
した。61本の酸化された単芯丸線を外径12mmφ、
内径10mmφの銀パイプに嵌合し、1.15mmφま
で伸線し、次いで厚さ0.24mmまで圧延した。84
0℃、50時間の2次焼結を行なった後、厚さ0.20
mmまで線材を圧延した。次いで、835℃、50時間
の3次焼結を行なった。実施例5と同様に測定されたテ
ープ線のIcは28Aであった。実施例6に比べて、I
cは若干上昇した。
結テープ線を準備した。次いで、線材を845℃の温度
で50時間の1次焼結に供し、次いで0.2mmまで圧
延した後、840℃の温度で50時間の2次焼結に供し
た。得られた線材の臨界電流(Ic)を、液体窒素中、
外部磁場無しの条件下で、直流4端子法により測定し
た。Icは、1μV/cmの定義で30A(臨界電流密
度は15,000A/cm2)であった。
表面をエタノールで洗浄した。次いで、線材に電気めっ
きによって銅をめっきした。めっき液には、硫酸銅、硫
酸および塩酸を混合した水溶液を使用した。陽極として
銅棒、陰極として10cm長の超電導線を配置した。め
っき液中の硫酸銅の濃度は220g/lであり、硫酸の
濃度は60g/lであり、めっきのため、2A/dm2
の陰極電流密度、25℃の浴温を用いた。以下の3種類
のサンプルについてめっきを施した。めっきの厚みは、
各サンプルとも5μmであった。 ピンホールが検出されず、両端を樹脂によって封止し
た線材 ピンホールが検出された、両端を樹脂によって封止し
た線材 ピンホールが検出されず、両端を封止しなかった線材 ピンホール(表面に超電導フィラメントが露出した部
分)は、×100の顕微鏡で表面を観察し、目視により
検出した。めっきの後、Icを再び測定した結果、めっ
きの前後でIcが変化しなかったサンプルは、であっ
た。この結果より、線材の両端を封止し、ピンホールの
除去等の対策を行なえば、焼結後の線材にも、超電導特
性の変化なしに電気めっきによる金属層を形成できるこ
とが明らかになった。ピンホールの除去は、たとえば、
線材の外皮(銀)を厚くすることによって、行なうこと
ができる。
中、外部磁場印加無しの条件下でのIcは30A)上
に、電気めっきの代わりに、蒸着によって銅層を形成し
た。蒸着には、スパッタリング法を用いた。Arガス雰
囲気のチャンバ内に線材を配置し、Cuをターゲットと
したスパッタリングを行なった。ガス圧は10-3Tor
rであり、ターゲット印加電圧は0.5kVであり、放
電電流は500mAであった。以下の2種類のサンプル
についてスパッタリングを行なった。形成した銅層の厚
みは、各サンプルとも5μmであった。 ピンホールのない線材 ピンホールのある線材 ピンホール(表面に超電導フィラメントが露出した部
分)は、顕微鏡での表面観察により検出した。スパッタ
リングの後、Icを測定した結果、いずれのサンプルに
ついてもIcは30Aであり、処理によってIcの変化
がないことを確認した。この結果から、スパッタリング
等の蒸着によれば、ピンホールの存在する線材にも、超
電導特性を低下させることなく、焼結工程後、金属層を
形成できることが明らかになった。
Aのサンプルを、大気中400℃の温度で15分間加熱
し、その表面に酸化銅膜を形成させた。次いで、線材の
表面抵抗値を室温で測定したところ、その値は約100
kΩであった。さらに絶縁層を除いてIcを測定したと
ころ、いずれのサンプルのIcも30Aであり、酸化工
程によってIcの変化がないことが明らかになった。
れにくい電気絶縁膜を有する酸化物超電導線を提供する
ことができる。また本発明によれば、比較的高いレベル
の絶縁抵抗を保持できる絶縁被覆を、酸化物超電導線に
付与することができる。さらに、本発明によれば、焼結
後に、安定化材として機能し得る銅層を形成することが
できる。本発明により提供される酸化物超電導線は、交
流用途の撚線、ケーブル導体、コイル等において損失低
減のため有用である。
単芯線の一具体例を示す断面図であり、(B)は本発明
によるテープ状酸化物超電導多芯線の一具体例を示す断
面図である。
であり、(B)は多芯丸線を示す断面図である。
を有するテープ状多芯線を示す断面図であり、(B)は
高抵抗バリア層および絶縁被覆を有するテープ状多芯線
を示す断面図である。
芯丸線を示す断面図であり、(B)は高抵抗バリア層お
よび絶縁被覆を有する多芯丸線を示す断面図である。
製造するプロセスを模式的に示す図である。
が充填された様子を示す概略断面図である。
構造を模式的に示す断面図である。
酸化物超電導単芯線の一具体例を示す断面図であり、
(B)は本発明によって製造されるテープ状酸化物超電
導多芯線の一具体例を示す断面図である。
を示す断面図であり、(B)は本発明によって製造され
る多芯丸線を示す断面図である。
状酸化物超電導単芯線の一具体例を示す断面図であり、
(B)は本発明によって製造されるテープ状酸化物超電
導多芯線の一具体例を示す断面図である。
線を示す断面図であり、(B)は本発明によって製造さ
れる多芯丸線を示す断面図である。
ィラメント 14a、14b、24a、24b、34a、34′a、
44a、44′a 安定化材 16a、16b、26a、26b、36a、36b、4
6a、46b 酸化銅層 38a、48a 芯線部
Claims (22)
- 【請求項1】 酸化物超電導体からなるフィラメント
と、 前記フィラメントを覆いかつ銀または銀合金からなる安
定化材と、 前記安定化材を覆いかつ5μm以上の厚みを有する酸化
銅層とを備えることを特徴とする、酸化物超電導線。 - 【請求項2】 前記酸化物超電導体がビスマス系酸化物
超電導体であり、 前記酸化物超電導線は、複数の前記フィラメントを前記
安定化材が覆うテープ状多芯線であることを特徴とす
る、請求項1に記載の酸化物超電導線。 - 【請求項3】 前記酸化物超電導体がビスマス系酸化物
超電導体であり、 前記酸化物超電導線は、複数の前記フィラメントを前記
安定化材が覆う多芯線であり、 酸化物超電導線の断面は、円形、楕円形または正多角形
であることを特徴とする、請求項1に記載の酸化物超電
導線。 - 【請求項4】 複数の芯線部が銀または銀合金からなる
安定化材で覆われた酸化物超電導多芯線であって、 前記芯線部が、 酸化物超電導体からなるフィラメントと、 前記フィラメントを覆いかつ銀または銀合金からなる安
定化材と、 前記安定化材を覆いかつ5μm以上の厚みを有する酸化
銅層とを備えることを特徴とする、酸化物超電導多芯
線。 - 【請求項5】 前記酸化物超電導体がビスマス系酸化物
超電導体であり、 前記酸化物超電導多芯線はテープ状線であることを特徴
とする、請求項4に記載の酸化物超電導多芯線。 - 【請求項6】 前記酸化物超電導体がビスマス系酸化物
超電導体であり、 前記酸化物超電導多芯線の断面は、円形、楕円形または
正多角形であることを特徴とする、請求項4に記載の酸
化物超電導多芯線。 - 【請求項7】 酸化物超電導体の原料、前記原料を被覆
しかつ銀または銀合金からなる安定化材、および前記安
定化材を被覆する銅層を備える線材を準備する工程と、 前記線材を酸化性雰囲気下で375℃〜425℃の温度
において加熱し、前記銅層を酸化銅層に変える工程と、 次いで、酸化物超電導体の焼結のため前記線材を加熱す
る工程とを備えることを特徴とする、酸化物超電導線の
製造方法。 - 【請求項8】 前記線材を準備する工程が、 前記酸化物超電導体の原料、および前記原料を被覆しか
つ銀または銀合金からなる安定化材を備える線材上に、
めっきまたは物理蒸着により前記銅層を形成する工程を
備えることを特徴とする、請求項7に記載の製造方法。 - 【請求項9】 前記線材を準備する工程において、銀ま
たは銀合金とそれを覆う銅とからなる複合チューブを用
いることを特徴とする、請求項7に記載の製造方法。 - 【請求項10】 前記線材が多芯テープ状線であること
を特徴とする、請求項7〜9のいずれか1項に記載の製
造方法。 - 【請求項11】 前記線材が多芯線であり、かつ前記線
材の断面が円形、楕円形または正多角形であることを特
徴とする、請求項7〜9のいずれか1項に記載の製造方
法。 - 【請求項12】 前記銅層の厚みが5μm以上であり、
かつ前記酸化雰囲気下での加熱において5μm以上の厚
みの酸化銅層を形成させることを特徴とする、請求項7
〜11のいずれか1項に記載の製造方法。 - 【請求項13】 酸化物超電導体の原料、前記原料を被
覆しかつ銀または銀合金からなる安定化材、および前記
安定化材を被覆する銅層を備える線材を準備する工程
と、 前記線材を酸化性雰囲気下で375℃〜425℃の温度
において加熱し、前記銅層を酸化銅層に変える工程と、 前記酸化銅層を有する前記線材を複数本、安定化材チュ
ーブに充填する工程と、 前記複数本の前記線材が充填されたチューブに塑性加工
を施して多芯線を得る工程と、 得られた多芯線を酸化物超電導体の焼結のため加熱する
工程とを備えることを特徴とする、酸化物超電導多芯線
の製造方法。 - 【請求項14】 前記線材を準備する工程が、 前記酸化物超電導体の原料、および前記原料を被覆しか
つ銀または銀合金からなる安定化材を備える線材上に、
めっきにより前記銅層を形成する工程を備えることを特
徴とする、請求項13に記載の製造方法。 - 【請求項15】 前記線材を準備する工程において、銀
または銀合金とそれを覆う銅とからなる複合チューブを
用いることを特徴とする、請求項13に記載の製造方
法。 - 【請求項16】 前記安定化チューブに充填する前記線
材が丸線またはテープ状線であることを特徴とする、請
求項13〜15のいずれか1項に記載の製造方法。 - 【請求項17】 前記塑性加工においてテープ状線を形
成することを特徴とする、請求項13〜16のいずれか
1項に記載の製造方法。 - 【請求項18】 前記塑性加工において、断面が円形、
楕円形または正多角形の線材を形成することを特徴とす
る、請求項13〜16のいずれか1項に記載の製造方
法。 - 【請求項19】 前記銅層の厚みが5μm以上であり、
かつ前記酸化雰囲気下での加熱において5μm以上の厚
みの酸化銅層を形成させることを特徴とする、請求項1
3〜18のいずれか1項に記載の製造方法。 - 【請求項20】 酸化物超電導体の原料、および前記原
料を被覆しかつ銀または銀合金からなる安定化材を備え
る線材を準備する工程と、 酸化物超電導体の焼結のため前記線材を加熱する工程
と、 前記焼結のための加熱工程の後、前記線材上に銅からな
る層を形成する工程とを備えることを特徴とする、酸化
物超電導線の製造方法。 - 【請求項21】 前記線材を酸化性雰囲気下で375℃
〜425℃の温度において加熱し、前記銅を酸化銅層に
変える工程をさらに備えることを特徴とする、請求項2
0に記載の製造方法。 - 【請求項22】 めっきまたは物理蒸着により前記銅か
らなる層を形成することを特徴とする、請求項20また
は21に記載の製造方法。
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|---|---|---|---|---|
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| CN118127463A (zh) * | 2024-03-06 | 2024-06-04 | 上海超导科技股份有限公司 | ReBCO保护层加工方法 |
-
1999
- 1999-07-28 JP JP21345799A patent/JP4423708B2/ja not_active Expired - Fee Related
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