説明

超伝導材料の製造方法

【課題】本発明の技術的課題は、高度に制御された巨大な設備を必要とせず、短時間で超伝導結晶を高度に配向させることが可能な超伝導材料の製造方法を創案することである。
【解決手段】本発明の超伝導材料の製造方法は、超伝導結晶が集合した超伝導結晶集合体を用意する準備工程と、超伝導結晶集合体にレーザーを照射する照射工程と、レーザーの照射位置を走査する走査工程と、走査工程後に超伝導結晶集合体を熱処理する熱処理工程とを含むことを特徴とする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は超伝導材料の製造方法に関し、高度に配向した超伝導線材を容易に作製可能な超伝導材料の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
カマリン・オンネスが、水銀により電気抵抗がゼロになる超伝導現象を発見して以来、強磁場を発生させるコイル、ロスの小さな送電線、SQUID等の電子素子等の用途に使用すべく、超伝導材料について、様々な研究がなされている。特に、銅酸化物系超伝導材料は、超伝導状態になる温度Tc(臨界温度)が液体窒素の沸点(77K)より高いため、有望視されている。
【0003】
銅酸化物系超伝導材料の中には、イットリウム系(Y系)、ビスマス系(Bi系)、タリウム系(Tl系)、水銀系(Hg系)等があるが、環境的観点から、イットリウム系とビスマス系が注目を集めている。
【0004】
ビスマス系超伝導材料では、BiSrCu6−x(Bi−2201結晶、xは任意の数)、BiSrCaCu8−x(Bi−2212結晶、xは任意の数)、BiSrCaCu10−x(Bi−2223結晶、xは任意の数)が一般に知られており、Bi−2212結晶とBi−2223結晶が液体窒素の沸点より高い温度で超伝導体となる。
【0005】
しかし、Bi−2212結晶やBi−2223結晶は、セラミックスであるため、送電線やコイルのような線材に加工し難いという問題がある。また、これらの超伝導結晶は、a−b軸方向に展開する銅酸化物が超伝導層であるため、この面方向には電流が流れ易い。よって、線材化する場合、線材方向とa−b軸平面が整合するように超伝導結晶を配向させる必要がある。
【0006】
銅酸化物の結晶を配向させる方法として、各種の方法が提案されている。例えば、特許文献1には、金属等の線材の上に蒸着等により銅酸化物の薄膜を形成する方法が開示されている。特許文献2には、金属の筒(シース)の中に銅酸化物を入れて圧延し、線材化する方法(PIT法)が開示されている。
【0007】
また、特許文献3には、単結晶シリコンの作製方法であるフローティングゾーン法を超伝導結晶系に応用することが開示されている。特許文献4には、微小部位にレーザーを照射した後、加熱溶融して単結晶を成長させるレーザーペデスタル法が開示されている。特許文献5には、単結晶ウィスカをヘキサン等の有機溶媒に懸濁させた後、濾取して、Bi−2212結晶を配向する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特表2008−532230号公報
【特許文献2】特開平5−159645号公報
【特許文献3】特開平5−294776号公報
【特許文献4】特開平3−174327号公報
【特許文献5】特開2003−277199号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
しかし、特許文献1に記載の方法は、線材と銅酸化物の薄膜の間に、多数の薄膜の層を精密に形成する必要がある。よって、高度に制御された巨大な設備を必要とし、また薄膜を積層するために時間やコストがかかり、安価な超伝導線材を提供し難いという問題を有している。特許文献2に記載の方法も大型の圧延機器や高圧熱処理設備が必要になり、安価な超伝導線材を提供し難いという問題を有している。
【0010】
また、特許文献3〜5に記載の方法は、結晶成長速度がせいぜい1mm/時間であるため、線材の長尺化に時間がかかるという問題を有している。
【0011】
そこで、本発明の技術的課題は、高度に制御された巨大な設備を必要とせず、短時間で超伝導結晶を高度に配向させることが可能な超伝導材料の製造方法を創案することである。
【課題を解決するための手段】
【0012】
本発明者は、鋭意検討した結果、結晶が配向していない超伝導結晶集合体に対して、レーザーを照射して、超伝導結晶集合体の一部を融解しながら走査した後、熱処理により超伝導結晶を再度析出させると、レーザーの照射位置を走査した方向に沿って、超伝導結晶がa−b軸平面に高度に配向した状態で析出することを見出し、本発明として提案するものである。すなわち、本発明の超伝導材料の製造方法は、超伝導結晶が集合した超伝導結晶集合体を用意する準備工程と、前記超伝導結晶集合体にレーザーを照射する照射工程と、前記レーザーの照射位置を走査する走査工程と、前記走査工程後に、前記超伝導結晶集合体を熱処理する熱処理工程とを含むことを特徴とする。なお、「照射工程」と「走査工程」は、同時に実行してもよく、「走査工程」と「熱処理工程」は連続的に実行してもよい。
【0013】
本発明の超伝導材料の製造方法によれば、レーザーの照射位置を走査した方向に沿って、超伝導結晶がa−b軸平面に高度に配向した状態で析出する。このため、超伝導線材の作製に要する時間やコストが削減されると共に、高価な設備も不要である。結果として、超伝導結晶が高度に配向した超伝導線材を安価に作製することができる。
【0014】
レーザーの照射位置を走査した後、熱処理すると、超伝導結晶が高度に配向するメカニズムは、詳細不明である。本発明者は、現時点では、以下のように推定している。
【0015】
超伝導結晶集合体にレーザーを照射すると、その部分だけ高温になって超伝導結晶の一部が溶解するが、レーザーの照射が終了すると、その部分が冷却される。レーザーを照射した中心部分の方が周辺部分より温度が高くなるため、周辺部分は超伝導結晶が十分に溶解しなかったり、近傍に存在する結晶の影響で融液状態から超伝導結晶以外の異種結晶が中心部分に向かって成長する。一方、レーザーを照射した中心部分では、近傍に存在する結晶の影響を受け難いため、非晶質化する。この状態で熱処理工程(結晶化工程)を実行すると、中心部分では超伝導結晶が析出するが、周辺部分では、既に異質結晶が中心部に向かって析出しているため、この方向には結晶が析出し難く、結果として、レーザーの照射位置の走査方向に沿って、超伝導結晶が配向する。
【0016】
第二に、本発明の超伝導材料の製造方法は、超伝導結晶が銅酸化物系超伝導結晶であることが好ましい。
【0017】
第三に、本発明の超伝導材料の製造方法は、超伝導結晶の主結晶がBi−2212結晶であることが好ましい。ここで、「主結晶」とは、XRDによる結晶ピークから算出される結晶量が80%以上の結晶を指す。
【0018】
第四に、本発明の超伝導材料の製造方法は、超伝導結晶集合体が超伝導結晶粉末の圧粉体であることが好ましい。
【0019】
第五に、本発明の超伝導材料の製造方法は、レーザーが、半導体レーザー、COレーザー、YAGレーザー、エキシマーレーザーの何れかであることが好ましい。
【0020】
第六に、本発明の超伝導材料の製造方法は、熱処理工程の温度が700〜900℃であることが好ましい。
【0021】
第七に、本発明の超伝導材料の製造方法は、更に、線材化工程を有することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【図1】〔実施例1〕におけるレーザーの照射位置を走査した領域の熱処理工程後のSEM像である。
【図2】〔比較例1〕におけるレーザーの照射位置を走査した領域のSEM像である。
【図3】〔比較例2〕における超伝導結晶集合体のSEM像である。
【発明を実施するための形態】
【0023】
本発明の超伝導材料の製造方法において、超伝導結晶集合体は、超伝導結晶が配向していなくてもよい。よって、超伝導結晶集合体は、固相反応で作製した超伝導結晶、原料を溶融して非晶質化した後、熱処理により析出させた超伝導結晶、ゾル−ゲル法等で作製した超伝導結晶の何れの集合体であってもよい。特に、製造コストの観点から、固相反応で作製した超伝導結晶の集合体が好ましい。
【0024】
超伝導結晶集合体は、超伝導結晶を焼き固めた焼結体、超伝導結晶を粉砕した後、ペレット化した圧粉体、超伝導結晶に近い組成の非晶質体から、熱処理により超伝導結晶を析出させたものが利用可能である。なお、圧粉体を作製する際に、超伝導結晶粉末の結束性を高めるために、樹脂バインダーを添加してもよく、耐火性フィラー等の他成分を添加してもよい。
【0025】
本発明に係る超伝導結晶は、銅酸化物系超伝導結晶が好ましく、ビスマス系やYBCO系の超伝導結晶がより好ましく、Bi−2212結晶が特に好ましい。これらの超伝導結晶は、配向性が臨界電流(Jc)に大きな影響を及ぼし、臨界温度が液体窒素の沸点より高い。なお、Bi−2212結晶であれば、走査工程後の熱処理工程により容易に析出させることが可能である。
【0026】
レーザーとして、超伝導結晶を溶解できるエネルギーを有している限り、種々のレーザーが使用可能である。特に、半導体レーザー、COレーザー、エキシマーレーザー、YAGレーザー等は、レーザーの照射により、超伝導結晶集合体を600℃以上に加熱可能であるため、好ましい。但し、Bi−2212結晶の場合、超伝導結晶集合体の温度が約1000℃超になると、融液の粘度が非常に低くなるため、レーザーを照射した中心部分に融液を滞留させ難くなる。
【0027】
本発明の超伝導材料の製造方法において、熱処理工程の時間は、結晶種によって異なるが、Bi−2212結晶の場合、10〜60分が好ましい。
【0028】
本発明の超伝導材料の製造方法において、熱処理工程の温度は、結晶種によって異なるが、Bi−2212結晶の場合、700〜900℃が好ましい。
【0029】
本発明に係る超伝導結晶(超伝導結晶集合体)は、組成として、モル%濃度で、Bi 10〜30%、SrO 20〜50%、CaO 5〜30%、CuO 20〜50%を含有することが好ましい。上記のように組成を限定した理由を下記に示す。
【0030】
Biは、超伝導結晶を形成する成分であり、その含有量は10〜30%、好ましくは12〜28%、より好ましくは13〜25%である。Biの含有量が10%より少ないと、レーザーの照射によって超伝導結晶が融解した時に溶融分離が発生し易くなり、熱処理により超伝導結晶を析出させる際に、超伝導結晶以外の異種結晶が析出し易くなる。一方、Biの含有量が30%より多いと、熱処理により超伝導結晶を析出させる際に、超伝導結晶以外の異種結晶が析出し易くなる。
【0031】
SrOは、超伝導結晶を形成する成分であり、その含有量は20〜50%、好ましくは22〜47%、より好ましくは23〜45%である。SrOの含有量が20%より少ないと、熱処理により超伝導結晶を析出させる際に、超伝導結晶以外の異種結晶が析出し易くなる。一方、SrOの含有量が50%より多いと、熱処理により超伝導結晶を析出させる際に、Srを含む異種結晶が析出し易くなる。
【0032】
CaOは、超伝導結晶を形成する成分であり、その含有量は5〜30%、好ましくは7〜25%、より好ましくは8〜20%である。CaOの含有量が5%より少ないと、熱処理により超伝導結晶を析出させる際に、超伝導結晶以外の異種結晶が析出し易くなる。一方、CaOの含有量が30%より多いと、レーザーの照射によって超伝導結晶が融解した時に溶融分離が発生し易くなり、熱処理により超伝導結晶を析出させる際に、超伝導結晶以外の異種結晶が析出し易くなる。
【0033】
CuOは、超伝導結晶を形成する成分であり、その含有量は20〜50%、好ましくは22〜48%である。CuOの含有量が20%より少ないと、レーザーの照射によって超伝導結晶が融解した時に溶融分離が発生し易くなり、熱処理により超伝導結晶を析出させる際に、超伝導結晶以外の異種結晶が析出し易くなる。一方、CuOの含有量が50%より多いと、熱処理により超伝導結晶を析出させる際に、Cuを含む異種結晶が析出し易くなる。
【0034】
Bi+SrO+CaO+CuOの含有量は95%以上、特に97%以上が好ましい。このようにすれば、レーザーの照射によって超伝導結晶を融解し易くなると共に、走査工程後の熱処理により、超伝導結晶が析出し易くなる。ここで、「Bi+SrO+CaO+CuO」は、Bi、SrO、CaO、及びCuOの合量を指す。
【0035】
必要に応じて、以下の成分を添加してもよい。
【0036】
PbOは、超伝導結晶の臨界温度を上昇させる成分である。特に、Biの一部をPbOに置換すると、超伝導結晶の臨界温度が上昇する傾向がある。しかし、置換量が多過ぎると、レーザーの照射によって超伝導結晶が融解した時に溶融分離が発生し易くなり、熱処理により超伝導結晶を析出させる際に、超伝導結晶以外の異種結晶が析出し易くなる。よって、モル比PbO/(Bi+PbO)の値は0.2以下、0.15以下、特に0.005〜0.1が好ましい。ここで、「Bi+PbO」は、BiとPbOの合量を指す。
【0037】
TiOは、超伝導結晶に酸素欠陥を生じさせる成分である。特に、Biの一部をTiOに置換すると、超伝導結晶に酸素欠陥が生成し易くなる。しかし、置換量が多過ぎると、レーザーの照射によって超伝導結晶が融解した時に溶融分離が発生し易くなり、熱処理により超伝導結晶を析出させる際に、超伝導結晶以外の異種結晶が析出し易くなる。よって、モル比TiO/Biの値は0.2以下、0.15以下、特に0.005〜0.1が好ましい。
【0038】
SiOは、超伝導結晶に酸素欠陥を生じさせる成分である。特に、Biの一部をSiOに置換すると、超伝導結晶に酸素欠陥が生成し易くなる。しかし、置換量が多過ぎると、レーザーの照射によって超伝導結晶が融解した時に溶融分離が発生し易くなり、熱処理により超伝導結晶を析出させる際に、超伝導結晶以外の異種結晶が析出し易くなる。よって、モル比SiO/Biの値は0.2以下、0.15以下、特に0.1以下が好ましい。
【0039】
LiO、NaO、KOは、超伝導結晶に酸素欠陥を生じさせる成分である。特に、SrO又はCaOの一部をLiO、NaO、KOの何れかに置換すると、超伝導結晶に酸素欠陥が生成し易くなる。しかし、置換量が多過ぎると、レーザーの照射によって超伝導結晶が融解した時に溶融分離が発生し易くなり、熱処理により超伝導結晶を析出させる際に、超伝導結晶以外の異種結晶が析出し易くなる。よって、モル比(LiO+NaO+KO)/(SrO+CaO)の値は0.3以下、0.1以下、0.05以下、特に0.0005〜0.02が好ましい。ここで、「LiO+NaO+KO」はLiO、NaO、及びKOの合量を指し、「SrO+CaO」はSrOとCaOの合量を指す。なお、モル比LiO/(SrO+CaO)の値は0.1以下、0.05以下、特に00005〜0.02が好ましい。モル比NaO/(SrO+CaO)の値は0.1以下、0.05以下、特に0.02以下が好ましい。モル比KO/(SrO+CaO)の値は0.1以下、0.05以下、特に0.02以下が好ましい。
【0040】
SrO又はCaOの一部をMgO、BaO、ZnOの何れかに置換することができる。但し、置換量が多過ぎると、超伝導結晶に置換成分を固溶させることが困難になる。よって、モル比(MgO+BaO+ZnO)/(SrO+CaO)の値は0.5以下、0.3以下、0.1以下、特に0.05以下が好ましい。ここで、「MgO+BaO+ZnO」は、MgO、BaO、及びZnOの合量を指す。なお、モル比MgO/(SrO+CaO)の値は0.3以下、0.1以下、特に0.05以下が好ましい。モル比BaO/(SrO+CaO)の値は0.1以下、特に0.05以下が好ましい。モル比ZnO/(SrO+CaO)の値は0.3以下、0.1以下、特に0.05以下が好ましい。
【0041】
は、融液の安定性を高める成分であり、その含有量は0〜10%、特に0〜5%が好ましい。Bの含有量が多過ぎると、所望の超伝導結晶が析出し難くなる。
【0042】
上記成分以外にも、融液の安定性を高める目的や超伝導結晶を析出し易くする目的のために、他の成分を10%以下、5%以下、特に2%以下の範囲で添加してもよい。
【0043】
本発明に係る超伝導材料は、線材であることが好ましい。このようにすれば、送電線、強磁場用コイル、変圧器用コイル、船舶等のモーター用コイル、電力貯蔵用のフライホイール等の用途に適用することができる。
【0044】
線材化する方法として、超伝導結晶集合体を熱処理した後に、レーザースクライブや機械的スクライブにより線状に切断する方法、レーザーの照射位置をコイル状に走査する方法等が挙げられる。
【実施例】
【0045】
実施例を用いて、本発明を詳細に説明する。なお、以下の実施例は単なる例示である。本発明は、以下の実施例に何ら限定されない。
【0046】
[実施例1]
モル%濃度で、Bi 16.7%、SrO 33.3%、CaO 16.7%、CuO 33.3%になるように、原料を秤量し、乳鉢で粉砕、混合した後、アルミナルツボに充填した。次に、このアルミナルツボを800℃に設定した電気炉に投入して、5時間熱処理(仮焼き)した。続いて、1250℃に設定した電気炉にアルミナルツボを移した後、30分間溶融し、ツインローラーに融液を流し出して、溶融固化物を得た。なお、XRD測定により、この溶融固化物が非晶質(ハローのみ)であることを確認した。更に、得られた溶融固化物を820℃に設定した電気炉で1時間熱処理することにより、超伝導結晶を析出させた。なお、XRD測定により、この結晶がBi−2212結晶であることを確認した。
【0047】
次に、Bi−2212結晶を含む結晶化物を乳鉢で粉砕した後、10×30×1mmの圧粉体にプレス成型し、超伝導結晶集合体を得た。この超伝導結晶集合体に半導体レーザー(照射波長808nm)をビーム径0.8mm、出力3.0Wの条件で照射し、速度5mm/秒の条件でレーザーの照射位置を走査した後、820℃に設定した電気炉に投入して、30分間熱処理した。レーザーの照射位置を走査した領域の熱処理工程後のSEM像を図1に示す。図1から明らかなように、高度に配向した結晶がレーザーの走査方向に沿って析出していた。なお、XRD測定により、図1の析出結晶がBi−2212結晶であることを確認した。
【0048】
〔実施例2〕
モル%濃度で、Bi 15%、SrO 35%、CaO 15%、CuO 35%になるように、原料を秤量し、乳鉢で粉砕、混合した後、アルミナルツボに充填した。次に、このアルミナルツボを820℃に設定した電気炉に投入して、80時間熱処理して、焼結体を得た。なお、XRD測定により、この焼結体にBi−2212結晶が析出していることを確認した。続いて、得られた焼結体を乳鉢で粉砕した後、10×30×1mmの圧粉体にプレス成型し、超伝導結晶集合体を得た。この超伝導結晶集合体に半導体レーザー(照射波長808nm)をビーム径0.8mm、出力3.0Wの条件で照射し、速度5mm/秒の条件でレーザーの照射位置を走査した後、820℃に設定した電気炉に投入して、30分間熱処理した。レーザーの照射位置を走査した領域は、図1に示すような状態であり、XRD測定により、その領域における析出結晶がBi−2212結晶であることを確認した。
【0049】
〔比較例1〕
〔実施例1〕で作製した超伝導結晶集合体に対して、〔実施例1〕と同様の条件でレーザーを照射し、またレーザーの照射位置を走査したが、熱処理工程を実行しなかった。レーザーの照射位置を走査した領域におけるSEM像を図2に示す。図2から明らかなように、この領域に結晶はほとんど析出していなかった。
【0050】
〔比較例2〕
〔実施例1〕で作製した溶融固化物(非晶質)を乳鉢で粉砕して、粉末を得た後、10×30×1mmの圧粉体にプレス成型した。その後、〔実施例1〕と同様にして、照射工程、走査工程、熱処理工程を実行して、超伝導結晶集合体を得た。超伝導結晶集合体のSEM像を図3に示す。図3から明らかなように、超伝導結晶は配向していなかった。
【産業上の利用可能性】
【0051】
本発明の超伝導材料の作製方法は、高度に配向した超伝導線材を容易に作製可能である。従って、本発明の超伝導材料の作製方法は、送電線、強磁場用コイル、変圧器用コイル、船舶等のモーター用コイル、電力貯蔵用のフライホイール等の用途の超伝導線材の製造方法として、有用である。


【特許請求の範囲】
【請求項1】
超伝導結晶が集合した超伝導結晶集合体を用意する準備工程と、
前記超伝導結晶集合体にレーザーを照射する照射工程と、
前記レーザーの照射位置を走査する走査工程と、
前記走査工程後に、前記超伝導結晶集合体を熱処理する熱処理工程とを含むことを特徴とする超伝導材料の製造方法。
【請求項2】
前記超伝導結晶が銅酸化物系超伝導結晶であることを特徴とする請求項1に記載の超伝導材料の製造方法。
【請求項3】
前記超伝導結晶の主結晶がBi−2212結晶であることを特徴とする請求項1に記載の超伝導材料の製造方法。
【請求項4】
前記超伝導結晶集合体が超伝導結晶粉末の圧粉体であることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の超伝導材料の製造方法。
【請求項5】
前記レーザーが、半導体レーザー、COレーザー、YAGレーザー、エキシマーレーザーの何れかであることを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載の超伝導材料の製造方法。
【請求項6】
前記熱処理工程の温度が700〜900℃であることを特徴とする請求項1〜5の何れか一項に記載の超伝導材料の製造方法。
【請求項7】
更に、線材化工程を有することを特徴とする請求項1〜6の何れか一項に記載の超伝導材料の製造方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2013−14483(P2013−14483A)
【公開日】平成25年1月24日(2013.1.24)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−149631(P2011−149631)
【出願日】平成23年7月6日(2011.7.6)
【出願人】(000232243)日本電気硝子株式会社 (1,447)
【Fターム(参考)】