JP2000247795A - Re123系酸化物超電導バルク体の作製方法 - Google Patents
Re123系酸化物超電導バルク体の作製方法Info
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Abstract
とする配向性の良い大型バルク体を安定して育成するこ
とが可能なRE123系酸化物超電導バルク体の溶融凝
固法による作製方法を提供する。 【解決手段】 バルク体作製原料を加熱・昇温して分解
溶融させた後、これを降温し、図2に示すように前記分
解温度よりも低い温度域において種結晶をその表面に接
触させて種付けしてから、結晶成長温度で結晶成長を行
わしめる。この場合、種結晶として“作製する酸化物バ
ルク体”と同じ化学組成の結晶体を用い、種付けに際し
てはこれを予熱しておくのが好ましい。また、種付けの
手法としては、種結晶を“種付け温度相当の融点を有し
た金属又は合金”の線材で支持して種付け面に近づけ、
線材の溶融により種結晶を種付け面へ落下させる方法が
適当である。
Description
型の配向したRE123系酸化物超電導バルク体の作製
方法に関し、特に種結晶として“作製するバルク体と同
種の結晶”を用いることができて全製造工程を簡略化す
ることが可能なRE123系酸化物超電導バルク体の安
定した作製方法に関するものである。
材料が次々と発見され、強力な超電導マグネット,フラ
イホィ−ル,超電導磁気ベアリング等の各方面への実用
化が検討されている。
されるためには高い臨界温度(Tc)に加えて高い臨界電
流密度(Jc)を示すことも重要な要件とされており、実
用上有利な液体窒素温度での使用を考えると、現在知ら
れている超電導材料の中でも“REBa2Cu3Ox 系酸化物
超電導材料(REは希土類元素であってY,La,Pr,N
d,Sm,Eu,Gd,Dy,Ho,Er,Tm及びYbの1種又は2種
以上)”はその製造技術の開発や改良によって磁場中で
高い臨界電流密度が達成されるようになってきており、
最も注目される超電導材料の1つであると考えられてい
る。
度(Jc)を達成するためには a) 結晶性の向上, b) 結晶粒の配向性の向上, c) 結晶粒界,不純物相,空孔,クラック等による弱結
合の除去, d) 超電導相中の酸素量の制御, e) 緻密化, f) 磁束ピン止め点の導入 等が必要であると考えられているが、これらの対策を講
じるために好適な方法の1つとして“溶融凝固法”によ
る超電導体結晶の作製手法が注目されている。この溶融
凝固法によると、結晶配向性の制御や緻密性の向上が比
較的容易であることに加えて、磁束ピン止め点を導入す
る上でも有利であり、REBa2Cu3Ox系酸化物超電導体
の高磁界電流密度化に大きな成果を挙げている。
の凝固を利用したプロセスであり、一般に大気中あるい
は低酸素分圧雰囲気中においてRE123系酸化物超電
導体の組成が得られるバルク体作製原料を“作製するR
EBa2Cu3Ox 酸化物の123相(以降、 RE123相と
呼ぶ)”が分解溶融する温度(一般には包晶点)以上に
昇温して分解溶融させた後、温度勾配下あるいは等温場
でゆっくりと徐冷するか、あるいはRE123相の成長
可能な過冷温度域に保持することによってバルク体結晶
を育成する方法である。この方法によると、大型のRE
123結晶の作製が比較的容易である上、RE123結
晶粒内に微細なRE−Ba−Cu−O酸化物の211相(R
EがLa,Ndの場合は422相であるが、 以降は共にRE
211相と呼ぶ)を分散させることもできる。RE12
3結晶粒内に微細なRE211相が分散すると、これが
磁束ピン止め点として作用するので臨界電流密度(Jc)
が向上する。
211相粒子を積極的にピン止め点として利用し高臨界
電流密度化を目指す場合には、RE211相粒子を微細
分散させる必要がある。このRE211相粒子の微細分
散に、Pt,RhあるいはCeといった元素の微量(0.1〜2重
量%程度)添加が有効であることも知られている。ま
た、酸化物超電導バルク体においてクラックの発生を防
止し、機械的強度を向上するのにAg元素の添加(10〜30
重量%程度)が有効であることが知られているが、Ag元
素の添加が臨界電流密度の向上にも効果的であるという
報告もある。
液相中に第2相としてRE211相が多く存在するた
め、RE123相結晶を育成する際にその第2相上にR
E123相が複数核発生し、これが核となって結晶成長
が生じがちであり、配向した単一結晶粒を得ることは困
難であることから、溶融凝固法によりRE123系超電
導バルク体を作製する際には“種結晶”を用いて成長の
起点及び結晶配向性の制御を行うことが広く行われてい
る。なお、この種結晶には作製するRE123相結晶と
同じ結晶構造を持つRE123相を主相とする結晶が多
く用いられる。
温前にバルク体作製原料(バルク前駆体)の表面に載せ
られるか(手法1)あるいは昇温によってバルク体作製
原料(バルク前駆体)が最高温に達した時点でその表面
に載せられ(手法2)、その後の徐冷〔図1(a) 参照〕
又は過冷域保持〔図1(b) 参照〕の工程での配向した結
晶の成長起点として使用されていた。そのため、種結晶
としては、作製するRE123相結晶と同種の結晶構造
を持っていることは勿論のこと、工程途中で分解消滅し
ないよう、作製するRE123相結晶よりも分解温度の
高い“RE123相を主相とする結晶”が用いられてい
る。例えば、Y123相結晶(分解温度:約1010
℃)を作製する際には、それよりも分解温度の高いSm1
23相結晶(分解温度:約1060℃)やNd123相結
晶(分解温度:約1090℃)等が種結晶として用いら
れることが多い。
る溶融凝固法によってRE123系超電導バルク体を作
製する場合には、作製しようとする結晶とは別の“分解
温度の高いRE123相組成を持つ配向した種結晶”
を、別途、作製しておく必要がある。従って、目的とす
る超電導バルク体を作製するための全体工程が多くな
り、時間的,コスト的な面で大きな不利を余儀なくされ
る。また、Nd123相結晶よりも分解温度の高いRE1
23相結晶が存在しないため、Nd123相結晶のバルク
体を溶融凝固法によって作製するためには、結晶構造の
異なる例えばMgO単結晶等といった他の種結晶となる材
料を用いざるを得なかった。しかし、MgO種結晶を用い
てのNd123相結晶バルク体の育成は確実性に欠けるも
のであり、大型バルク体の安定製造技術として十分に満
足できるものではなかった。
のは、溶融凝固法により“RE123相を主相とするR
E123系酸化物超電導バルク体”を作製するに当っ
て、種結晶として“作製するバルク体のRE123相結
晶と同種の結晶”あるいは“作製するバルク体のRE1
23相結晶と同程度の分解温度を有する同じ構造を持っ
た結晶”も用いることができて全製造工程を簡略化する
ことができ、かつ狙いとする配向性の良い大型バルク体
を安定して育成することが可能となる方法を確立するこ
とであった。
達成すべく鋭意研究を行った結果、次に示すような知見
を得ることができた。 a) 溶融凝固法のプロセスに従ってRE123系酸化物
超電導バルク体作製原料(前駆体)を分解溶融させた
後、該分解溶融原料をRE123相結晶が晶出できる温
度(一般には包晶点)以下で保持しても、種結晶が無い
場合には直ぐに結晶成長が開始することはない, b) そこで、RE123相結晶の晶出温度以下に降温さ
れた半溶融状態の原料(前駆体)から結晶成長が開始さ
れるまでの間の猶予時間を利用し、この時点で初めて半
溶融状態の原料(前駆体)に種結晶を接触させ、続いて
従前から採用されている結晶成長温度に保持するか、あ
るいは温度勾配下あるいは等温場でゆっくりと徐冷して
やると、この場合でも、種結晶よりRE123相を主相
とする種結晶と同一の配向性の良い大型RE123系酸
化物超電導バルク体の安定した育成が可能である,
して必ずしも分解温度の高いものを用いる必要はなく、
作製する酸化物超電導バルク体のRE123相と同じ組
成を持つ配向結晶であっても種結晶として用いることが
できる, d) そのため、種結晶を準備するための“別組成の結晶
を育成する工程”を省略することが可能であり、また、
生成温度の高いRE123結晶(例えばNd123結晶
等)の育成においても、確実性に劣る結晶構造の異なっ
たMgO単結晶等を種結晶として用いる必要もなくなる。
ものであって、次の1)乃至5)項に示す「RE123系酸
化物超電導バルク体の作製方法」を提供するものであ
る。 1) 化学組成が一般式REBa2Cu3Ox (REは希土類元
素であって、Y,La,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Dy,Ho,E
r,Tm及びYbの1種又は2種以上を意味する:以降同
じ)で表され、かつ123相結晶構造を有して成るRE
123系酸化物超電導バルク体を溶融凝固法により作製
するに際して、まずバルク体作製原料を“作製するRE
Ba2Cu3Ox 酸化物の123相”が分解溶融する温度以上
の温度に保持して分解溶融させた後、これを降温しつ
つ、前記分解溶融温度よりも低い温度域にて123相結
晶構造を有した種結晶をその表面に接触させて種付け
し、続いて結晶成長温度で結晶成長させることを特徴と
する、RE123系酸化物超電導バルク体の作製方法。 2) 化学組成が一般式REBa2Cu3Ox で表されるものに
加えて更に特性改善元素であるPt,Rh,Ce及びAgの1種
又は2種以上をも含み、かつ123相結晶構造を有して
成るRE−Ba−Cu−O系酸化物超電導バルク体を溶融凝
固法により作製するに際して、まずバルク体作製原料を
“作製するREBa2Cu3Ox 酸化物の123相”が分解溶
融する温度以上の温度に保持して分解溶融させた後、こ
れを降温しつつ、前記分解溶融温度よりも低い温度域に
て123相結晶構造を有した種結晶をその表面に接触さ
せて種付けし、続いて結晶成長温度で結晶成長させるこ
とを特徴とする、RE123系酸化物超電導バルク体の
作製方法。 3) 種付けの際に種結晶を予熱して用いることを特徴と
する、前記1)項又は2)項に記載のRE123系酸化物超
電導バルク体の作製方法。 4) 種結晶として“作製するREBa2Cu3Ox 酸化物バル
ク体”と同じ化学組成の結晶体を用いることを特徴とす
る、前記1)乃至3)項の何れかに記載のRE123系酸化
物超電導バルク体の作製方法。 5) 種付けに当って、“種付け温度相当の融点を有した
純金属又は合金”の線材で支持した種結晶を種付け面に
近づけ、種付け面付近の温度による線材の溶融により種
結晶を種付け面へ落下させて種付けすることを特徴とす
る、前記1)乃至4)項の何れかに記載のRE123系酸化
物超電導バルク体の作製方法。
系酸化物超電導バルク体を作製するための出発原料”と
しては、常法通りにRE,Ba及びCuの酸化物あるいは炭
酸化合物等を混合した混合粉を使用するのが良い。この
RE,Ba及びCuの比率が所定の割合となるように混合さ
れた原料粉は、800〜1000℃の温度で焼成され前
駆体とされる。また、前駆体粉としては、上記3種の元
素を同時に焼成したものではなく、例えばBa及びCuの酸
化物あるいは炭酸化合物等を混合・焼成したものにRE
の酸化物等を混合したもの等でも良い。得られた前駆体
粉は、更に、例えば一軸プレス等による成型が施されて
溶融凝固プロセスに供される。
た元素はRE123相結晶中に生成するRE211相粒
子を微細分散させて臨海電流密度を向上させる作用を有
しており、またAgは得られる酸化物超電導バルク体の機
械的強度の改善や臨海電流密度の向上に資するなど、何
れも有効な特性改善元素であるので、必要に応じてそれ
らの1種又は2種以上が前駆体粉に添加・混合される。
この場合に添加される元素の形態(添加剤形態)は、金
属微粒粉や酸化物粉等の何れであっても良い。また、添
加・混合は、前駆体粉の焼成前あるいは焼成後の何れで
あっても良い。
詳細に説明する。さて、溶融凝固プロセスでは、まず前
記成形体(前駆体)を“作製するRE123相”の分解
温度以上に昇温し、分解溶融させる。次に、図2に示す
ように、分解溶融した前駆体の温度を“作製するRE1
23相”の分解温度よりも低い温度にまで降温しつつ種
付けを行う。処理作業の容易性からすれば、種付けは予
め定めた種付け温度に保持してから行うのが良い。な
お、この種付け温度は結晶成長を行わせる温度との上下
は問わない。種付けに用いる“種結晶”は、RE123
相結晶構造を有したものであれば化学組成の異なるもの
であっても良いが、先に説明したように、全体工程の簡
略化が可能な“作製するREBa2Cu3Ox 酸化物バルク体
と同じ化学組成の結晶体”を使用することによって著し
い便益がもたらされる。
前駆体と接触させる種結晶の温度である。種結晶の温度
が低いと、種結晶との接触に伴う前駆体の温度低下によ
って半溶融状態の前駆体に複数の核生成が起きて所望す
る均一配向したRE123相結晶を成長させることがで
きない。そのため、種付け時に種結晶を種付け温度付近
に予熱しておくべきである。ただ、種結晶のサイズが小
さいと、その熱容量も小さいので抜熱の影響が少なく、
そのため、この場合には種結晶の予熱は必ずしも必要で
はない。
には、図3に示すように例えばAg線あるいはAg−Pd合金
線,Ag−Pt合金線等のような種付け温度相当の融点を持
つ純金属又は合金の線材や帯材等で種結晶を吊り下げ、
線材の溶融により種結晶を前駆体の表面に落下させて図
4の如くに前駆体と接触させるという手法が好適であ
る。ここで、図3に示したアルミナ棒は線材の保持具で
あり、熱電対は線材部の温度を計測するためのものであ
る。この手法によれば、種付けタイミングの的確な制御
が可能となる。
である所定の結晶成長温度に保持するか、あるいはこの
結晶成長温度域でゆっくりと徐冷し、種結晶を起点とし
種結晶と同一配向性を持ったRE123結晶を成長させ
る。
ルク体の前駆体を分解溶融させた後にこれを降温し、R
E123相の分解溶融温度よりも低い温度域で種付けす
るようにすれば、種結晶として分解温度の高いものを用
いる必要がなくなり、作製する酸化物超電導バルク体の
RE123相と同じ組成の配向結晶を種結晶として用い
ることができるので、酸化物超電導バルク体の製造工程
を著しく簡略化することができる。また、RE123相
のうちで分解温度が最も高いNd123相を主相とするR
E−Ba−Cu−O系酸化物超電導バルク体の製造に際して
も、Nd123相結晶をそのまま種結晶として用いること
ができるので、超電導バルク体製造の安定性が格段に向
上する。
“作製する酸化物超電導バルク体のRE123相と異な
る組成の結晶体”を用いるような場合であっても、本発
明法では種付けが十分に低い温度で行われるので、種結
晶が前駆体の液相に溶け込んで狙いとする均一配向した
結晶が生成されなかったり、結晶中に種結晶起因の不純
物元素が混入して特性劣化を招くといったような、従来
法において避けきれなかった不都合を回避することもで
きる。
的に説明する。
バリウム及び酸化第二銅の粉末をY:Ba:Cu=1.8 : 2.
4 : 3.4 の比率となるように混合し、これを900℃で
仮焼してから更に粉砕・混合することによってYBa2Cu3
Ox 酸化物超電導材の前駆体粉を作製した。次いで、こ
の前駆体粉を一軸プレスにより成形し、直径が40mmで
厚さが10mm程度の成形前駆体を得た。
0℃で約1時間加熱して分解溶融した後、Y123相の
分解温度(約1010℃)よりも低い温度である100
5℃に降温した。炉内の温度が1005℃に下がった時
点で、作製しようとするYBa2Cu3Ox 酸化物超電導材と
同じ組成の配向したY123相種結晶(1.5mm角で厚さが
1mmの結晶)を、Pt線材を使って予熱することなくその
まま電気炉の上部より半溶融の前駆体中央部表面に載置
した。
300時間保持後、更に1℃/hの冷却速度で970℃ま
で徐冷したが、この処理によって直径が約45mmで厚さ
が約12mmの配向したY123結晶から成るYBa2Cu3O
x 酸化物超電導バルク体を成長させることができた。
ウム及び酸化第二銅の粉末をY:Ba:Cu= 1.2:2.1 :
3.1 の比率となるように混合し、これを900℃で仮焼
し粉砕・混合してから、更にこの仮焼粉に15重量%の酸
化銀粉末及び 0.5重量%のPt粉を添加して混合すること
によってYBa2Cu3Ox 酸化物超電導材の前駆体粉を作製
した。次いで、この前駆体粉を一軸プレスにより成形
し、直径が40mmで厚さが15mm程度の成形前駆体を得
た。
0℃で約1時間加熱して分解溶融した後、Agを添加した
ときのY123相の分解温度(約970℃)よりも低い
温度である965℃に降温した。この際に、炉内の温度
が970℃以下に下がった時点で、作製しようとするY
Ba2Cu3Ox 酸化物超電導材と同じ組成の配向したY12
3相種結晶(8mm角で厚さが3mmの結晶)を、図3に示
した如くアルミナ棒の先端に取付けたAg線(融点:960.5
℃)に吊り下げ、電気炉の上部より挿入した。そして、
挿入した種結晶を半溶融状態の前駆体中央部表面直上で
保持し、これを予熱した。続いて、種結晶の至近に取付
けた熱電対(図3を参照)の指示温度がAgの融点である
960.5℃以上となったことを確認してから、アルミナ棒
を炉から引き出した。このように、上記熱電対の指示温
度がAgの融点以上になったということは、つまりはAg線
の溶解によって種結晶が前駆体表面に落下し種付けがな
されたことを意味するものである。
962℃で200時間保持した後、1℃/hの冷却速度で
15時間徐冷したが、この処理によって直径が約35mm
で厚さが約12mmの配向したY123結晶から成るAg含
有のYBa2Cu3Ox 酸化物超電導バルク体を成長させるこ
とができた。
及び酸化第二銅の粉末をNd:Ba:Cu= 1.6: 2.8:3.3
の比率となるように混合し、これを900℃で仮焼して
から更に粉砕・混合することによってNdBa2Cu3Ox 酸化
物超電導材の前駆体粉を作製した。次いで、この前駆体
粉を一軸プレスにより成形し、直径が30mmで厚さが1
0mm程度の成形前駆体を得た。
0℃で約2時間加熱して分解溶融した後、Nd123相の
分解温度(約1090℃)よりも低い温度である105
0℃に降温した。この際、炉内の温度が1060℃に下
がった時点を検知し、作製しようとするNdBa2Cu3Ox 酸
化物超電導材と同じ組成の配向したNd123相種結晶
(4mm角で厚さが2mmの結晶)を、アルミナ棒の先端に
取付けたAg−10重量%Pd合金線(融点:1050℃)に吊り
下げ、電気炉の上部より挿入した。そして、挿入した種
結晶を半溶融状態の前駆体中央部表面直上で保持し、こ
れを予熱した。続いて、種結晶の至近に取付けた熱電対
の指示温度がAg−Pd合金の融点である1050℃以上を
示したことを確認した後、アルミナ棒を炉から引き出し
て種付けを終えた。
/hの冷却速度で900℃まで徐冷したが、この処理によ
って約20mm角で厚さが約9mmの配向したNd123結晶
から成るNdBa2Cu3Ox 酸化物超電導バルク体を成長させ
ることができた。
ば、種結晶として必ずしも分解温度の高いものを用いる
必要がなく、作製する酸化物超電導バルク体のRE12
3相と同じ組成の配向結晶を種結晶として用いることも
できるので酸化物超電導バルク体の製造工程を簡略化す
ることができだけでなく、不純物が少ない高性能RE1
23系酸化物超電導バルク体の製造安定性をも著しく向
上させることが可能となるなど、産業上極めて有用な効
果がもたらされる。
ルク体を作製する際における、従来の種付け時期を説明
したバルク体作製原料の加熱冷却曲線図であり、 (a)と
(b) はそれぞれ冷却手法の異なる例を示している。
ルク体を作製する際における、本発明法での種付け時期
を説明したバルク体作製原料の加熱冷却曲線図である。
式図である。
状況に関する説明図である。
Claims (5)
- 【請求項1】 化学組成が一般式REBa2Cu3Ox (RE
は希土類元素の1種又は2種以上)で表され、かつ12
3相結晶構造を有して成るRE123系酸化物超電導バ
ルク体を溶融凝固法により作製するに際して、まずバル
ク体作製原料を“作製するREBa2Cu3Ox 酸化物の12
3相”が分解溶融する温度以上の温度に保持して分解溶
融させた後、これを降温しつつ、前記分解溶融温度より
も低い温度域にて123相結晶構造を有した種結晶をそ
の表面に接触させて種付けし、続いて結晶成長温度で結
晶成長させることを特徴とする、RE123系酸化物超
電導バルク体の作製方法。 - 【請求項2】 化学組成が一般式REBa2Cu3Ox (RE
は希土類元素の1種又は2種以上)で表されるものに加
えて更に特性改善元素であるPt,Rh,Ce及びAgの1種又
は2種以上をも含み、かつ123相結晶構造を有して成
るRE−Ba−Cu−O系酸化物超電導バルク体を溶融凝固
法により作製するに際して、まずバルク体作製原料を
“作製するREBa2Cu3Ox 酸化物の123相”が分解溶
融する温度以上の温度に保持して分解溶融させた後、こ
れを降温しつつ、前記分解溶融温度よりも低い温度域に
て123相結晶構造を有した種結晶をその表面に接触さ
せて種付けし、続いて結晶成長温度で結晶成長させるこ
とを特徴とする、RE123系酸化物超電導バルク体の
作製方法。 - 【請求項3】 種付けの際に種結晶を予熱して用いるこ
とを特徴とする、請求項1又は2に記載のRE123系
酸化物超電導バルク体の作製方法。 - 【請求項4】 種結晶として“作製するREBa2Cu3Ox
酸化物バルク体”と同じ化学組成の結晶体を用いること
を特徴とする、請求項1乃至3の何れかに記載のRE1
23系酸化物超電導バルク体の作製方法。 - 【請求項5】 種付けに当って、“種付け温度相当の融
点を有した純金属又は合金”の線材で支持した種結晶を
種付け面に近づけ、種付け面付近の温度による線材の溶
融により種結晶を種付け面へ落下させて種付けすること
を特徴とする、請求項1乃至4の何れかに記載のRE1
23系酸化物超電導バルク体の作製方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11047338A JP2000247795A (ja) | 1999-02-25 | 1999-02-25 | Re123系酸化物超電導バルク体の作製方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP11047338A JP2000247795A (ja) | 1999-02-25 | 1999-02-25 | Re123系酸化物超電導バルク体の作製方法 |
Publications (1)
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|---|---|
| JP2000247795A true JP2000247795A (ja) | 2000-09-12 |
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|---|---|---|---|
| JP11047338A Pending JP2000247795A (ja) | 1999-02-25 | 1999-02-25 | Re123系酸化物超電導バルク体の作製方法 |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000247795A (ja) |
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| CN113443907A (zh) * | 2021-04-26 | 2021-09-28 | 傲普(上海)新能源有限公司 | 一种用于高温超导飞轮储能的材料性能改善方法 |
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1999
- 1999-02-25 JP JP11047338A patent/JP2000247795A/ja active Pending
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