説明

薄膜超電導線材用金属基材、その製造方法および薄膜超電導線材の製造方法

【課題】幅広の金属基板上に中間層が形成された幅広の金属基材であっても、金属基板と中間層の熱収縮差による反りの発生を抑制することができ、その後の酸化物超電導層形成工程、安定化層形成工程、薄膜超電導線材細線化工程における不良の発生が抑制できる薄膜超電導線材用金属基材、その製造方法および薄膜超電導線材の製造方法を提供する。
【解決手段】金属基板の表面に配向性のセラミックス層を有し、金属基板の裏面に非配向性のセラミックス層を有している薄膜超電導線材用金属基材であって、金属基板を成膜装置内で加熱して金属基板の表面に配向性のセラミックス層を形成する工程と、金属基板を成膜装置内で加熱して金属基板の裏面に非配向性のセラミックス層を形成する工程と、これらの工程の間に介在して、配向性のセラミックス層または非配向性のセラミックス層が形成された金属基板を成膜装置から取り出して冷却する工程とにより製造される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、薄膜超電導線材用金属基材、その製造方法および薄膜超電導線材の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
高温超電導体の発見以来、ケーブル、コイル、マグネットなどの電力機器への応用を目指した薄膜超電導線材の開発が精力的に行われている。このような薄膜超電導線材は、一般に、金属基板上に配向性のセラミックス層を中間層として形成して金属基材とし、さらに、酸化物超電導層、安定化層を順次積層することにより得られている(特許文献1、2)。
【0003】
上記において、中間層である配向性のセラミックス層を形成するために用いられる材料はCeOやYSZ等のセラミックスであり、金属基板と比べて熱膨張係数が遙かに小さく、金属基板との密着性や結晶性を考慮して、高温で成膜処理することにより金属基板上へ中間層として形成される。
【0004】
中間層が形成された金属基板、即ち金属基材は、その後、室温まで冷却されるが、この際、前記した熱膨張係数の相違により、金属基板と中間層との間で熱収縮差を生じるため、図3に示すように、中間層を上にした場合逆U字状に反りを生じる。
【0005】
近年、薄膜超電導線材の生産性の向上を図る手段として、金属基材の幅広化が検討されている。また、薄膜超電導線材の強度は主として金属基板が担うため、金属基板の強度が重要となる。
【0006】
しかしながら、幅広(具体的には、2cm以上)で強度の高い金属基板を用いて超電導線材を作製すると、幅の狭い超電導線材では問題とならなかった反りの存在が大きな問題となり、その後の酸化物超電導層形成工程、安定化層形成工程および薄膜超電導線材細線化工程において様々な不良の原因となっていた。
【0007】
また、反りが発生した薄膜超電導線材は、曲がりにくくなるため、劣化しやすく、その後の工程において扱いにくくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特開2007−80780号公報
【特許文献2】特開2007−311234号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
そこで、本発明は、幅広の金属基板上に中間層が形成された金属基材であっても、金属基板と中間層の熱収縮差による反りの発生を抑制することができ、その後の酸化物超電導層形成工程、安定化層形成工程および薄膜超電導線材細線化工程における不良の発生を抑制することができる薄膜超電導線材用金属基材、その製造方法および薄膜超電導線材の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明者は、上記の課題の解決につき鋭意検討の結果、従来のように、金属基板上に配向性のセラミックス層を形成して金属基材とするのではなく、さらにその裏面側にも非配向性のセラミックス層をダミー層として設けて金属基材とすることにより、上記の課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【0011】
本発明に関連する第1の技術は、
金属基板の表面に配向性のセラミックス層を有し、前記金属基板の裏面に非配向性のセラミックス層を有していることを特徴とする薄膜超電導線材用金属基材である。
【0012】
第1の技術においては、金属基板の表面に金属基板より熱膨張係数が小さいセラミックス層(中間層)を設けるだけでなく、裏面にも金属基板より熱膨張係数が小さいセラミックス層をダミー層として設けて金属基材としているため、室温まで冷却する際に、金属基板の表面側と裏面側とに形成されたセラミックス層との間で、さらには、中間層および酸化物超電導層の表面側の各セラミックス層と裏面側のセラミックス層との間で、バランスよく金属基材の反りの発生を抑制することができる。
【0013】
そして、第1の技術においては、セラミックスを用いてダミー層を形成しているため、中間層を形成する際に用いた成膜装置を用いてダミー層を形成することができ、生産コストを抑えることができる。
【0014】
また、このダミー層の上には超電導層の形成が行われないため、ダミー層は非配向性のセラミックス層で充分であり、配向処理を必要としない分、さらに生産コストを抑えることができる。
【0015】
本発明に関連する第2の技術は、
前記非配向性のセラミックス層の厚さが、前記配向性のセラミックス層の厚さに対して50〜300%の厚さであることを特徴とする第1の技術に記載の薄膜超電導線材用金属基材である。
【0016】
非配向性のセラミックス層の厚さは、金属基材上に形成される酸化物超電導層の厚さを見込み、前記セラミックスの熱膨張係数を考慮して適宜設定すればよいが、配向性のセラミックス層(中間層)に対して50〜300%の厚さであれば、反りの発生を充分に抑制することができ好ましい。
【0017】
本発明に関連する第3の技術は、
前記非配向性のセラミックス層を形成するセラミックスが、CeO、YSZ、Y、Al、ZrOのいずれかであることを特徴とする第1の技術または第2の技術に記載の薄膜超電導線材用金属基材である。
【0018】
非配向性のセラミックス層を形成するセラミックスとしては、バランスよく金属基材の反りの発生を抑制することができるセラミックスであれば、特に限定はされないが、CeOやYSZは表面側のセラミックス層の形成にも用いられる材料であり、Yは酸化物超電導層の一種であるYBCOの形成にも用いられる材料であるため、材料を準備する手間が掛からず、生産コストを抑えることができる。また、AlやZrOは、安価に調達可能な材料でありながら熱膨張係数も充分に小さいため、生産コストを抑えることができる。なお、これらのセラミックスを複数選択して、積層されたセラミックス層を形成してもよい。
【0019】
本発明に関連する第4の技術は、
金属基板を成膜装置内で加熱して前記金属基板の表面に配向性のセラミックス層を形成する工程と、
金属基板を成膜装置内で加熱して前記金属基板の裏面に非配向性のセラミックス層を形成する工程と、
これらの工程の間に介在して、前記配向性のセラミックス層または前記非配向性のセラミックス層が形成された前記金属基板を前記成膜装置から取り出して冷却する工程と
を有することを特徴とする薄膜超電導線材用金属基材の製造方法である。
【0020】
第4の技術においては、配向性のセラミックス層(中間層)の形成と、非配向性のセラミックス層(ダミー層)形成を同じ成膜装置を用いて行い、それぞれの形成工程に特殊な製造設備を必要としないため、生産コストを抑えることができる。
【0021】
具体的には、成膜装置内で配向性(または非配向性)のセラミックス層を形成した後、取り出して冷却した後、金属基板を裏返して再び成膜装置にセットして、非配向性(または配向性)のセラミックス層を形成する。
【0022】
このように、第4の技術によれば、片面に配向性または非配向性のセラミックス層が形成された金属基板を裏返して同じ成膜装置に再びセットするという極めて簡便な方法を用いることにより、極めて容易に、金属基板の両面に中間層およびダミー層を形成することができる。
【0023】
そして、このように作製された金属基材は、金属基板の表面に配向性のセラミックス層(中間層)が形成され、また裏面には非配向性のセラミックス層(ダミー層)が形成されているため、バランスよく金属基材の反りの発生を抑制することができる。
【0024】
なお、金属基板の表面に配向性のセラミックス層を形成する工程と裏面に非配向性のセラミックス層を形成する工程の順序については、いずれを先としても上記した基本的な効果は変わらないが、良質な配向性を有した中間層を得るという点から、配向性のセラミックス層より成膜する方が好ましい。
【0025】
本発明に関連する第5の技術は、
金属基板を成膜装置内で加熱して前記金属基板の表面に配向性のセラミックス層を形成する工程と、
金属基板を成膜装置内で加熱して前記金属基板の裏面に非配向性のセラミックス層を形成する工程と、
これらの工程の間に介在して、前記配向性のセラミックス層または前記非配向性のセラミックス層を形成した後、前記金属基板を前記成膜装置から取り出すことなく、加熱したときの温度をそのまま保持した状態で次工程に移す工程と
を有することを特徴とする薄膜超電導線材用金属基材の製造方法である。
【0026】
第5の技術においては、配向性(または非配向性)のセラミックス層を形成した後、金属基板を成膜装置から取り出すことなく、加熱したときの温度をそのまま保持した状態で次工程、即ち、非配向性(または配向性)のセラミックス層を形成する工程に移しているため、エネルギーコストの無駄を省くことができ、生産コストを抑えることができる。また冷却工程を有しないため、生産速度を向上させることができ、生産性を向上させることができる。なお、ターゲットを金属基板を挟んで両側に配置して、両面を同時に成膜してもよい。
【0027】
本発明に関連する第6の技術は、
第4の技術または第5の技術に記載の薄膜超電導線材用金属基材の製造方法を用いて製造された前記薄膜超電導線材用金属基材の配向性のセラミックス層の表面に酸化物超電導薄膜を成膜する工程を有することを特徴とする薄膜超電導線材の製造方法である。
【0028】
第6の技術においては、バランスよく反りの発生を抑制することができる金属基材上に、酸化物超電導層を形成して薄膜超電導線材を作製しているため、その後の安定化層成膜工程、細線化工程における不良の発生を抑制することができる。
【0029】
本発明は、以上の技術に基づくものであり、各請求項の発明は以下の通りである。
【0030】
即ち、請求項1に記載の発明は、
金属基板の表面に配向性のセラミックス層を有し、前記金属基板の裏面に非配向性のセラミックス層を有しており、
前記配向性のセラミックス層の厚さが、0.1〜2μmであり、
前記非配向性のセラミックス層の厚さが、前記配向性のセラミックス層の厚さに対して50〜300%の厚さであり、
前記配向性のセラミックス層の熱膨張係数が、10.3〜14×10−6であり、
前記非配向性のセラミックス層の熱膨張係数が、6.5〜9.2×10−6である
ことを特徴とする薄膜超電導線材用金属基材である。
【0031】
請求項2に記載の発明は、
前記非配向性のセラミックス層を形成するセラミックスが、CeO、Y、Al、ZrOのいずれかであることを特徴とする請求項1に記載の薄膜超電導線材用金属基材である。
【0032】
請求項3に記載の発明は、
前記金属基板の幅が2cm以上であって、幅方向に反りがないことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の薄膜超電導線材用金属基材である。
【0033】
請求項4に記載の発明は、
請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の薄膜超電導線材用金属基材を製造する薄膜超電導線材用金属基材の製造方法であって、
金属基板を成膜装置内で加熱して前記金属基板の表面に配向性のセラミックス層を形成する工程と、
金属基板を成膜装置内で加熱して前記金属基板の裏面に非配向性のセラミックス層を形成する工程と、
これらの工程の間に介在して、前記配向性のセラミックス層または前記非配向性のセラミックス層が形成された前記金属基板を前記成膜装置から取り出して冷却する工程と
を有することを特徴とする薄膜超電導線材用金属基材の製造方法である。
【0034】
請求項5に記載の発明は、
請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の薄膜超電導線材用金属基材を製造する薄膜超電導線材用金属基材の製造方法であって、
金属基板を成膜装置内で加熱して前記金属基板の表面に配向性のセラミックス層を形成する工程と、
金属基板を成膜装置内で加熱して前記金属基板の裏面に非配向性のセラミックス層を形成する工程と、
これらの工程の間に介在して、前記配向性のセラミックス層または前記非配向性のセラ
ミックス層を形成した後、前記金属基板を前記成膜装置から取り出すことなく、加熱したときの温度をそのまま保持した状態で次工程に移す工程と
を有することを特徴とする薄膜超電導線材用金属基材の製造方法である。
【0035】
請求項6に記載の発明は、
請求項4または請求項5に記載の薄膜超電導線材用金属基材の製造方法を用いて製造された前記薄膜超電導線材用金属基材の配向性のセラミックス層の表面に酸化物超電導薄膜を成膜する工程を有することを特徴とする薄膜超電導線材の製造方法である。
【0036】
請求項7に記載の発明は、
請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の薄膜超電導線材用金属基材の配向性のセラミック層の表面に酸化物超電導薄膜が成膜されていることを特徴とする薄膜超電導線材である。
【発明の効果】
【0037】
本発明により、幅広の金属基板上に中間層が形成された金属基材であっても、金属基板と中間層の熱収縮差による反りの発生を抑制することができ、その後の酸化物超電導層形成工程、安定化層形成工程および薄膜超電導線材細線化工程における不良の発生を抑制することができる薄膜超電導線材用金属基材、その製造方法および薄膜超電導線材の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0038】
【図1】本発明における薄膜超電導線材の構成を示す概略断面図である。
【図2】本発明における薄膜超電導線材の製造工程を示す図である。
【図3】薄膜超電導線材用金属基材が反った状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0039】
以下、本発明を実施の形態に基づいて説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、以下の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。
【0040】
1.薄膜超電導線材の構造
はじめに、本発明における薄膜超電導線材の構造について、図1を用いて説明する。なお、図1は本発明における薄膜超電導線材の構成を示す概略断面図である。図1に示すように、本発明における薄膜超電導線材2は、金属基板10の表裏面のそれぞれに、配向性のセラミックス層からなる中間層20と非配向性のセラミックス層からなるダミー層50が形成されてなる薄膜超電導線材用金属基材1、中間層20の上に形成された酸化物超電導層30および酸化物超電導層30の上に形成された安定化層40で構成されている。
【0041】
(1)薄膜超電導線材用金属基材
(a)金属基板
金属基板10としては、厚さが20〜200μmであって、幅が3cm以上、例えば幅5cmのテープ状の配向金属基板が好ましく用いられ、具体的には、例えば、SUS(熱膨張係数:16.0〜20×10−6)、Ni、Ni合金、Ni/Cu/SUSクラッド等からなる配向金属基板が好ましく用いられる。
【0042】
(b)中間層
中間層20としては、厚さが0.1〜2μmであって、例えば、2軸配向させたCeO単層(熱膨張係数:10.5〜14×10−6)からなる中間層や、第1のCeO層21、YSZ層22(熱膨張係数:10.3×10−6)および第2のCeO層23の3層からなる中間層が好ましく用いられる。
【0043】
(c)ダミー層
ダミー層50としては、Al(熱膨張係数:6.5〜7.0×10−6)、YSZ、Y(熱膨張係数:8.1×10−6)、ZrO(熱膨張係数:9.2×10−6)等からなる非配向性のセラミックス層が好ましく用いられる。
【0044】
なお、ダミー層の上には超電導層の形成を行わないため、非配向性のセラミックス層で充分であり、生産コストを抑えることができる。そして、ダミー層50の厚さとしては、中間層20の上に形成される酸化物超電導層の厚さを見込み、セラミックスの熱膨張係数を考慮して適宜設定すればよく、中間層20に対して50〜300%の厚さが好ましい。
【0045】
(2)酸化物超電導層
酸化物超電導層30は、厚さが0.1〜5μmであって、レア・アース系酸化物超電導体(REBaCu RE:希土類元素およびイットリウム、x:6〜7.5)からなる層であり、例えばYBCO(YBaCu)(面内方向の熱膨張係数:a7.4×10−6、b9.6×10−6)等が挙げられる。
【0046】
(3)安定化層
安定化層40は、厚さが0.1〜100μmであって、AgまたはCuからなる層が好ましく用いられる。
【0047】
2.薄膜超電導線材の製造方法
次に、本発明における薄膜超電導線材の製造方法について、図2を用いて説明する。なお、図2は本発明における薄膜超電導線材の製造工程を示す図である。
【0048】
(1)金属基板準備工程
まず、金属基板準備工程において、SUS316L等のSUS(ステンレス鋼)や配向性ニッケル合金などからなるテープ状の配向金属基板10を準備する。
【0049】
(2)中間層形成工程
次に、中間層形成工程において、配向金属基板10の表面に、パルスレーザー蒸着法(PLD法)等の公知の方法を用いて中間層20を形成する。
【0050】
(3)ダミー層形成工程
次に、ダミー層形成工程において、中間層20が形成された配向金属基板10を裏返して成膜装置にセットし、中間層20の形成と同様にして、配向金属基板10の裏面にダミー層50を形成する。
以上により、薄膜超電導線材用金属基材1が製造される。
【0051】
(4)酸化物超電導層形成工程
次に、酸化物超電導層形成工程において、中間層20の上にPLD法等の公知の方法を用いて酸化物超電導層30を形成する。
【0052】
(5)安定化層形成工程
次に、安定化層形成工程において、酸化物超電導層30の上にPLD法等の公知の方法を用いて、AgやCu等からなる安定化層40を形成する。
【0053】
安定化層形成後、所定の幅にスリット加工が施されて、薄膜超電導線材2が製造される。
【0054】
(実施例)
以下、実施例により、本発明をさらに具体的に説明する。
(1)薄膜超電導線材用金属基材の作製
イ.配向金属基板の準備および中間層(配向性のセラミックス層)の形成
まず、長尺のテープ状のSUS316L(ステンレス鋼)を配向金属基板10として、幅3cm×厚さ100μmで長さが1mの配向金属基板10を準備した。
【0055】
次に、この配向金属基板10を成膜装置内にセットして800℃に加熱し、配向金属基板10の表面に、RFスパッタ法を用いて、第1のCeO層21(厚さ:0.15μm)、YSZ層22(厚さ:0.25μm)、第2のCeO層23(厚さ:0.8μm)を順次形成し、総厚0.48μm(480nm)の3層構造の中間層20を形成した。
【0056】
ロ.中間層形成後の反りの測定
そして、中間層20が形成された配向金属基板10を成膜装置から取り出して室温まで冷却した。このとき、配向金属基板10は、図3に示すように、中間層20を上にした場合、逆U字状の反りを発生した。この反りの大きさAを測定したところ、3mmであった。
【0057】
ハ.ダミー層(非配向性のセラミックス層)の形成
次に、この表面に中間層20が形成された配向金属基板10を裏返して、再び、成膜装置内にセットして800℃(中間層20を形成した時と同じ温度)に加熱した。そして、この状態で、中間層の形成と同様に、RFスパッタ法を用いて、厚さ0.4μmの非配向性のAl層を形成し、ダミー層50とした。これにより、薄膜超電導線材用金属基材1が作製された。
【0058】
ニ.薄膜超電導線材用金属基材の反りの測定
作製した薄膜超電導線材用金属基材1を成膜装置から取り出して室温まで冷却し、前回と同様の方法にて反りの大きさAを測定したところ、1mm以下であり、反りが解消されて平らに近い状態にあることが確認された。
【0059】
(2)薄膜超電導線材の作製
次に、薄膜超電導線材用金属基材1の中間層20上に、PLD法により厚さが2μmのGdBCOからなる酸化物超電導層30を形成し、さらに、酸化物超電導層30の上に厚さ8μmのAg製の安定化層を形成し、幅3cm、長さ1mの薄膜超電導線材2を作製した。
【0060】
(比較例)
配向金属基板の幅が1cmであり、ダミー層を設けなかったこと以外は、実施例と同様にして超電導線材を作製した。なお、幅1cmの超電導線材では、反りの影響は問題にならない。
【0061】
(3)超電導特性の測定
イ.測定方法
77K、自己磁場下において実施例および比較例の超電導線材の臨界電流値Icを測定した。
【0062】
ロ.測定結果
測定結果を表1に示す。なお、表1では、Icとして、測定値の他に、1cm幅あたりの値を併せて示している。
【0063】
【表1】

【0064】
表1に示す結果から、実施例で得られた薄膜超電導線材では、1cm幅あたりのIcは、反りの影響が問題にならない比較例とほぼ同等であり、良好なIcを発揮することが分かる。
【符号の説明】
【0065】
1 薄膜超電導線材用金属基材
2 薄膜超電導線材
10 配向金属基板
20 中間層
21 第1のCeO
22 YSZ層
23 第2のCeO
30 酸化物超電導層
40 安定化層
50 ダミー層

【特許請求の範囲】
【請求項1】
金属基板の表面に配向性のセラミックス層を有し、前記金属基板の裏面に非配向性のセラミックス層を有しており、
前記配向性のセラミックス層の厚さが、0.1〜2μmであり、
前記非配向性のセラミックス層の厚さが、前記配向性のセラミックス層の厚さに対して50〜300%の厚さであり、
前記配向性のセラミックス層の熱膨張係数が、10.3〜14×10−6であり、
前記非配向性のセラミックス層の熱膨張係数が、6.5〜9.2×10−6である
ことを特徴とする薄膜超電導線材用金属基材。
【請求項2】
前記非配向性のセラミックス層を形成するセラミックスが、CeO、Y、Al、ZrOのいずれかであることを特徴とする請求項1に記載の薄膜超電導線材用金属基材。
【請求項3】
前記金属基板の幅が2cm以上であって、幅方向に反りがないことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の薄膜超電導線材用金属基材。
【請求項4】
請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の薄膜超電導線材用金属基材を製造する薄膜超電導線材用金属基材の製造方法であって、
金属基板を成膜装置内で加熱して前記金属基板の表面に配向性のセラミックス層を形成する工程と、
金属基板を成膜装置内で加熱して前記金属基板の裏面に非配向性のセラミックス層を形成する工程と、
これらの工程の間に介在して、前記配向性のセラミックス層または前記非配向性のセラ
ミックス層が形成された前記金属基板を前記成膜装置から取り出して冷却する工程と
を有することを特徴とする薄膜超電導線材用金属基材の製造方法。
【請求項5】
請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の薄膜超電導線材用金属基材を製造する薄膜超電導線材用金属基材の製造方法であって、
金属基板を成膜装置内で加熱して前記金属基板の表面に配向性のセラミックス層を形成する工程と、
金属基板を成膜装置内で加熱して前記金属基板の裏面に非配向性のセラミックス層を形成する工程と、
これらの工程の間に介在して、前記配向性のセラミックス層または前記非配向性のセラミックス層を形成した後、前記金属基板を前記成膜装置から取り出すことなく、加熱したときの温度をそのまま保持した状態で次工程に移す工程と
を有することを特徴とする薄膜超電導線材用金属基材の製造方法。
【請求項6】
請求項4または請求項5に記載の薄膜超電導線材用金属基材の製造方法を用いて製造された前記薄膜超電導線材用金属基材の配向性のセラミックス層の表面に酸化物超電導薄膜を成膜する工程を有することを特徴とする薄膜超電導線材の製造方法。
【請求項7】
請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の薄膜超電導線材用金属基材の配向性のセラミック層の表面に酸化物超電導薄膜が成膜されていることを特徴とする薄膜超電導線材。

【図1】
image rotate

【図2】
image rotate

【図3】
image rotate


【公開番号】特開2013−55061(P2013−55061A)
【公開日】平成25年3月21日(2013.3.21)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2012−239024(P2012−239024)
【出願日】平成24年10月30日(2012.10.30)
【分割の表示】特願2009−266406(P2009−266406)の分割
【原出願日】平成21年11月24日(2009.11.24)
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】(出願人による申告)平成21年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「イットリウム系超電導電力機器技術開発」に関する委託研究、産業技術力強化法第19条の適用を受ける特許出願
【出願人】(000002130)住友電気工業株式会社 (12,747)
【出願人】(391004481)公益財団法人国際超電導産業技術研究センター (144)
【Fターム(参考)】