説明

超電導線材およびその製造方法

【課題】 (Bi,Pb)2223結晶の配向性が高く臨界電流が高い超電導線材およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 (Bi,Pb)2223を含む超電導線材の製造方法であって、原料粉末を金属シースに充填する工程と、原料粉末が充填された金属シースを塑性加工して線材を形成する工程と、線材を熱処理する工程とを含み、原料粉末は超電導相としてBi2212を含み、原料粉末の非超電導相におけるPb含有化合物がCa2PbO4であることを特徴とする超電導線材の製造方法。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、(Bi,Pb)2223((Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu310+δをいう、以下同じ)を含む超電導線材およびその製造方法に関し、詳しくは(Bi,Pb)2223結晶の配向性が高く臨界電流が高い超電導線材およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
(Bi,Pb)2223を含む超電導線材は、高い臨界温度と高い臨界電流を有する高温酸化物超電導線材として知られている。かかる(Bi,Pb)2223を含む超電導線材は、原料粉末を金属シースに充填し、原料粉末が充填された金属シースを塑性加工して線材を形成し、得られた線材を熱処理することによって製造される(たとえば、特許文献1および特許文献2を参照)。なお、塑性加工とは、原料粉末が充填された金属シースを塑性変形させて線材を形成する加工の総称であり、伸線加工、圧延加工、プレス加工などが含まれる。
【0003】
ここで、(Bi,Pb)2223を含む超電導線材の臨界電流をより高めるためには、(Bi,Pb)2223結晶の配向性をより高めることが必要とされている。
【0004】
しかし、従来までは、(Bi,Pb)2223の形成過程が十分には解明されておらず、このため(Bi,Pb)2223結晶の配向性が高い超電導線材の製造方法の開発が進んでなかった。
【特許文献1】特開平03−138820号公報
【特許文献2】特開平04−292812号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明は、(Bi,Pb)2223結晶の配向性が高く臨界電流が高い超電導線材およびその製造方法を提供することを目的とする。
【0006】
本発明者らは、(Bi,Pb)2223の形成過程を検討し、原料粉末において、(Bi,Pb)2223結晶の配向性を高めるのに適したPb含有化合物を見出すことにより本発明を完成した。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明は、(Bi,Pb)2223を含む超電導線材の製造方法であって、原料粉末を金属シースに充填する工程と、原料粉末が充填された金属シースを塑性加工して線材を形成する工程と、線材を熱処理する工程とを含み、原料粉末は超電導相としてBi2212(Bi2Sr2CaCu28+δをいう、以下同じ)を含み、原料粉末におけるPb含有化合物がCa2PbO4であることを特徴とする超電導線材の製造方法である。
【0008】
本発明にかかる超電導線材の製造方法において、原料粉末を金属シースに充填する工程から原料粉末が充填された金属シースを塑性加工して線材を形成する工程までのいずれかの工程において原料粉末に予備熱処理を行なう工程をさらに含み、予備熱処理において、原料粉末中に(Bi,Pb)3221((Bi,Pb)3Sr2Ca2CuO10+δをいう、以下同じ)を生成させないことができる。
【0009】
また、本発明は、上記の製造方法により得られる超電導線材である。さらに、本発明は、上記の超電導線材を含む超電導機器である。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、(Bi,Pb)2223結晶の配向性が高く臨界電流が高い超電導線材およびその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0011】
(実施形態1)
本発明にかかる1つの超電導線材の製造方法は、(Bi,Pb)2223を含む超電導線材の製造方法であって、原料粉末を金属シースに充填する工程と、原料粉末が充填された金属シースを塑性加工して線材を形成する工程と、線材を熱処理する工程とを含み、原料粉末は超電導相としてBi2212を含み、原料粉末の非超電導相におけるPb含有化合物がCa2PbO4であることを特徴とする。
【0012】
本発明者らは、(Bi,Pb)2223を含む超電導線材の製造の各工程において、超電導線材をXRD(X線回折)法を用いて解析することにより、(Bi,Pb)2223の形成過程を検討した。
【0013】
上記検討によれば、(Bi,Pb)2223は、以下の過程により生成するものと考えられる。すなわち、原料粉末の超電導相におけるBi2212と原料粉末の非超電導相におけるPb含有化合物との反応により、Bi2212にPbが固溶した(Bi,Pb)2212((Bi,Pb)2Sr2CaCu28+δをいう、以下同じ)が生成する。さらに、この(Bi,Pb)2212とアルカリ土類酸化物(たとえば、(Ca,Sr)CuO2、(Ca,Sr)2CuO3、(Ca,Sr)14Cu2441など、以下同じ)との反応により、(Bi,Pb)2223が生成する。
【0014】
(Bi,Pb)2223を含む超電導線材の製造に用いられる原料粉末は、Bi、Pb、Sr、CaおよびCuをそれぞれ含む酸化物または炭酸塩などを、(Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu310+δの標準組成となるような化学量論比で配合、混合した後、焼成して得られたものを粉砕、混合して製造される。
【0015】
ここで、この原料粉末は、超電導相として、Bi2212を含み、これ以外に(Bi,Pb)2212、Bi2223、(Bi,Pb)2223などを含み得る。これらの組成比には特に制限はないが、後の線材を熱処理する工程において(Bi,Pb)2223の生成を促進させる観点から、超電導相はBi2212を主相(たとえば50体積%以上)とすることが好ましい。
【0016】
一方、この原料粉末の非超電導相として、アルカリ土類酸化物、Ca2PbO4、(Bi,Pb)3221などが生成する。すなわち、原料粉末の非超電導相におけるPb含有化合物としては、Ca2PbO4および(Bi,Pb)3221が含まれ得る。
【0017】
非超電導相に(Bi,Pb)3221を含む原料粉末を熱処理することにより、原料粉末に含まれる(Bi,Pb)3221は、たとえば酸素濃度21体積%以下、温度500℃〜700℃の条件で分解して、非超電導相であるCa2PbO4、PbOおよび超電導相である(Bi,Pb)2201((Bi,Pb)2Sr2CuO6+δをいう、以下同じ)を生成する。ここで、Ca2PbO4はBi2212に固溶して(Bi、Pb)2223を生成するが、PbOおよび(Bi,Pb)2201は(Bi,Pb)2223の生成に寄与せず、線材を熱処理して原料粉末を焼結した後も残存するため、(Bi,Pb)2223結晶の配向性を低下させる。
【0018】
したがって、(Bi,Pb)2223結晶の配向性を高め超電導線材の臨界電流を高めるためには、原料粉末の非超電導相におけるPb含有化合物は、(Bi,Pb)3221が含まれないこと、Ca2PbO4であることが必要である。
【0019】
非超電導相におけるPb含有化合物が(Bi,Pb)3221を含まないCa2PbO4である原料粉末は、酸素濃度21体積%未満、600℃〜840℃で、素原料としてのBi、Pb、Sr、CaおよびCuをそれぞれ含む酸化物または炭酸塩などを焼成し、得られた多結晶体を粉砕、混合することにより得られる。
【0020】
なお、原料粉末に含まれる(Bi,Pb)3221の分解を起こさない条件で線材の熱処理を行なっても、Ca2PbO4とBi2212との反応が起こらず(Bi,Pb)2223を形成すること自体が困難となる。
【0021】
(実施形態2)
本発明にかかる他の超電導線材の製造方法は、(Bi,Pb)2223を含む超電導線材の製造方法であって、原料粉末を金属シースに充填する工程と、原料粉末が充填された金属シースを塑性加工して線材を形成する工程と、線材を熱処理する工程とを含み、原料粉末は超電導相としてBi2212を含み、原料粉末の非超電導相におけるPb含有化合物がCa2PbO4である実施形態1の製造方法において、上記原料粉末を金属シースに充填する工程から原料粉末が充填された金属シースを塑性加工して線材を形成する工程までのいずれかの工程において原料粉末に予備熱処理を行なう工程を含み、上記予備熱処理において、上記原料粉末中に(Bi,Pb)3221を生成させないことを特徴とする。
【0022】
非超電導相におけるPb含有化合物が(Bi,Pb)3221を含まないCa2PbO4である原料粉末を用いても、線材を熱処理することにより原料粉末を焼結して(Bi,Pb)2223を形成する工程の前に、すなわち、原料粉末を金属シースに充填する工程から原料粉末が充填された金属シースを塑性加工して線材を形成する工程までのいずれかの工程において、原料粉末に予備熱処理を行なう場合があり、この予備熱処理の条件によっては原料粉末中のCa2PbO4、アルカリ土類酸化物、Bi2212、(Bi,Pb)2212、Bi2223、(Bi,Pb)2223など相互反応により(Bi,Pb)3221が生成する。ここで、本発明者らは、酸素濃度21体積%以上かつ500℃以上の条件で、原料粉末の予備熱処理を行なうと、原料粉末中に(Bi,Pb)3221が生成することを見出した。
【0023】
上記の予備的熱処理は、原料粉末を金属シースに充填する工程および/または原料粉末が充填された金属シースを塑性加工して線材を形成する工程を円滑にかつ効果的に行なうために適宜行なわれるものである。
【0024】
上記の予備的熱処理によって、(Bi,Pb)3221が非超電導相中に形成された原料粉末を熱処理することにより、原料粉末に含まれる(Bi,Pb)3221は、たとえば酸素濃度21体積%以下、温度500℃〜700℃の条件で分解して、Ca2PbO4、PbOおよび(Bi,Pb)2201を生成する。ここで、Ca2PbO4はBi2212に固溶して(Bi、Pb)2223を生成するが、PbOおよび(Bi,Pb)2201は(Bi,Pb)2223の生成に寄与せず、線材を熱処理して原料粉末を焼結した後も残存するため、(Bi,Pb)2223結晶の配向性を低下させる。
【0025】
したがって、(Bi,Pb)2223結晶の配向性を高め超電導線材の臨界電流を高めるためには、上記予備熱処理においても、原料粉末中に(Bi,Pb)3221を生成させないことが必要である。ここで、原料粉末中に(Bi,Pb)3221を生成させない予備熱処理条件としては、たとえば、酸素濃度21体積%未満または500℃未満が挙げられる。また、予備熱処理の上記目的を容易に達成しかつ(Bi,Pb)3221を生成させない観点から、予備熱処理条件は酸素濃度21体積%未満かつ840℃未満であることが好ましい。
【0026】
本発明にかかる超電導線材は、上記の製造方法により製造されるため、超電導線材に含まれる(Bi,Pb)2223結晶の配向性が高く臨界電流が高くなる。
【0027】
また、本発明にかかる超電導機器は、上記のように(Bi,Pb)2223結晶の配向性が高く臨界電流が高い超電導線材を含んでいるため、優れた超電導特性を有する。ここで、超電導機器は、上記超電導線材を含むものであれば特に制限なく、超電導ケーブル、超電導コイル、超電導変圧器、超電導限流器、超電導電力貯蔵装置などが挙げられる。
【実施例】
【0028】
(実施例1)
素原料としてのBi23、PbO、SrCO3、CaCO3およびCuOの粉末を、Bi1.8Pb0.3Sr1.9Ca2.0Cu3.010+δの標準組成となるような化学量論比で配合、混合した後、101kPaの酸素および窒素の混合ガス(酸素濃度8体積%)雰囲気下、780℃で8時間焼成して得られた多結晶体を粉砕して、原材料粉末を調製した。この粉末原料をXRD分析したところ、原材料粉末の非超電導相におけるPb含有化合物はCa2PbO4であり、Bi2212および(Bi,Pb)2212による最大回折ピーク(原料粉末の(115)面における最大回折ピーク)に対する(Bi,Pb)3221による最大回折ピーク(原料粉末の(110)面における最大回折ピーク)の強度比(百分率)は0%であった。
【0029】
ここで、Bi2212と(Bi,Pb)2212とは、原料粉末の(115)面における最大回折ピークが同じ位置(2θ)に現われ、この回折ピークの強度は、Bi2212および(Bi,Pb)2212の合計量に比例する。また、原料粉末の(115)面における回折ピークにおいて、2θ=37°にBi2212特有の回折ピークが見られることから、その回折ピークの強度からBi2212の存在量を推定することができる。
【0030】
この原材料粉末を直径46mmの銀管に充填した後、伸線加工して、直径3mmのクラッド線材を得た。この上記クラッド線材61本を束ねて再び直径36mmの銀管に挿入し、伸線加工して、原材料粉末がフィラメント状となった多芯線材を得た。
【0031】
次に、上記多芯線材を1次圧延して、銀比1.5で55芯のフィラメントで構成された幅4.2mm、厚さ0.24mmのテープ状の銀被覆線材を得た。この銀被覆線材(熱処理直前の線材)中の原料粉末のフィラメントをXRD分析したところ、Bi2212および(Bi,Pb)2212による最大回折ピークに対する(Bi,Pb)3221による最大回折ピークの強度比(百分率)は0%であった。
【0032】
次に、上記のテープ状銀被覆線材を、101kPaの酸素および窒素の混合ガス(酸素濃度8体積%)雰囲気下、825℃、30時間の条件で1回目の熱処理を行なって、Bi2223を含む1次の超電導線材(1次線材)を得た。なお、銀比とは、線材の横断面(幅×厚さ方向の断面)におけるフィラメント部分の面積に対する銀部分の面積の比をいう。
【0033】
次に、上記1次線材を8%の圧下率で2次圧延を行なった。なお、圧下率とは、以下の式(1)
圧下率(%)={1−(圧延後の線材の厚さ)/(圧延前の線材の厚さ)}×100 ・・・(1)
で定義されるものである。
【0034】
次いで、2次圧延後の線材を、101kPaの酸素および窒素の混合ガス(酸素濃度8体積%)雰囲気下、822℃、50時間の条件で2回目の熱処理を行ない、2次圧延後の線材を焼結して、(Bi,Pb)2223を含む超電導線材(2次線材)を得た。
【0035】
上記のようにして得られた(Bi,Pb)2223を含む超電導線材のフィラメント部分をXRD分析したところ、原料粉末の熱処理により形成された(Bi,Pb)2223結晶の平均配向ずれ角θは、9°であった。ここで、(Bi,Pb)2223結晶の平均配向ずれ角θとは、各々の(Bi,Pb)2223結晶のa軸とb軸により形成される面と、線材のテープ面(幅×長さ方向の面)とのなす角度の平均をいう。(Bi,Pb)2223結晶の平均配向ずれ角θが小さいほど、(Bi,Pb)2223結晶の配向性が高いことを示す。また、この(Bi,Pb)2223を含む超電導線材の臨界電流を四端子法により、雰囲気温度77K、自己磁場中で測定したところ、130Aと大きな値が得られた。ここで、臨界電流は、超電導線材1cm当たり1×10-6Vの電圧を発生させるときの電流と定義した。結果を表1にまとめた。
【0036】
(比較例1)
素原料を、大気(101kPa、酸素濃度21体積%)下、800℃で8時間焼成して得られた多結晶体を粉砕して、原材料粉末を調製したこと以外は、実施例1と同様にして、(Bi,Pb)2223を含む超電導線材を作製した。
【0037】
原料粉末および熱処理直前の線材中の原料粉末のフィラメントにおけるBi2212および(Bi,Pb)2212による最大回折ピークに対する(Bi,Pb)3221による最大回折ピークの強度比(百分率)は、いずれも10%であった。また、得られた超電導線材における(Bi,Pb)2223結晶の平均配向ずれ角は11°であり、臨界電流は80Aであった。結果を表1にまとめた。
【0038】
(比較例2)
素原料を、101kPaの酸素ガス雰囲気(酸素濃度100体積%)下、840℃で2時間焼成して得られた多結晶体を粉砕して、原材料粉末を調製したこと以外は、実施例1と同様にして、(Bi,Pb)2223を含む超電導線材を作製した。
【0039】
原料粉末および熱処理直前の線材中の原料粉末のフィラメントにおけるBi2212および(Bi,Pb)2212による最大回折ピークに対する(Bi,Pb)3221による最大回折ピークの強度比(百分率)は、いずれも11%であった。また、得られた超電導線材における(Bi,Pb)2223結晶の平均配向ずれ角は12°であり、臨界電流は52Aであった。結果を表1にまとめた。
【0040】
(比較例3)
素原料を、101kPaの酸素ガス雰囲気(酸素濃度100体積%)下、840℃で8時間焼成して得られた多結晶体を粉砕して、原材料粉末を調製したこと以外は、実施例1と同様にして、(Bi,Pb)2223を含む超電導線材を作製した。
【0041】
原料粉末および熱処理直前の線材中の原料粉末のフィラメントにおけるBi2212および(Bi,Pb)2212による最大回折ピークに対する(Bi,Pb)3221による最大回折ピークの強度比(百分率)は、いずれも23%であった。また、得られた超電導線材における(Bi,Pb)2223結晶の平均配向ずれ角は11°であり、臨界電流は30Aであった。結果を表1にまとめた。
【0042】
(比較例4)
上記の原料粉末を銀管に充填し伸線加工して得られたクラッド線材を55本束ねて銀管に挿入し再び伸線加工して得られた多芯線材を、1次圧延する前に、大気(101kPa、酸素濃度21体積%)下800℃で2時間予備熱処理したこと以外は、実施例1と同様にして、(Bi,Pb)2223を含む超電導線材を作製した。
【0043】
原料粉末および熱処理直前の線材中の原料粉末のフィラメントにおけるBi2212および(Bi,Pb)2212による最大回折ピークに対する(Bi,Pb)3221による最大回折ピークの強度比(百分率)は、それぞれ0%および16%であった。また、得られた超電導線材における(Bi,Pb)2223結晶の平均配向ずれ角は13°であり、臨界電流は29Aであった。結果を表1にまとめた。
【0044】
【表1】

【0045】
表1より明らかなように、非超電導相におけるPb含有化合物に(Bi,Pb)3221が含まれる原料粉末を用いて作製された(Bi,Pb)2223を含む超電導線材は、(Bi,Pb)2223結晶の平均配向ずれ角θが大きくなり臨界電流が低くなった(比較例1〜3)。また、非超電導相におけるPb含有化合物がCa2PbO4であり(Bi,Pb)3221が含まれていない原料粉末を用いても、線材を熱処理して原料粉末を焼結させる工程前に、原料粉末に予備熱処理を行なうことにより、Ca2PbO4が(Bi,Pb)3221に変態し、非超電導相におけるPb含有化合物に(Bi,Pb)3221が含まれるようになると、得られた超電導線材は、(Bi,Pb)2223結晶の平均配向ずれ角θが大きくなり臨界電流が低くなった(比較例4)。これらに対して、非超電導相におけるPb含有化合物がCa2PbO4であり(Bi,Pb)3221が含まれていない原料粉末を用いて、かつ、このCa2PbO4を(Bi,Pb)3221に変態させることなく線材を熱処理して得られた超電導線材は、(Bi,Pb)2223結晶の平均配向ずれ角θが小さくなり臨界電流が高くなった(実施例1)。
【0046】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
(Bi,Pb)2223を含む超電導線材の製造方法であって、
原料粉末を金属シースに充填する工程と、前記原料粉末が充填された前記金属シースを塑性加工して線材を形成する工程と、前記線材を熱処理する工程とを含み、
前記原料粉末は、超電導相としてBi2212を含み、
前記原料粉末の非超電導相におけるPb含有化合物がCa2PbO4であることを特徴とする超電導線材の製造方法。
【請求項2】
前記原料粉末を金属シースに充填する工程から前記原料粉末が充填された前記金属シースを塑性加工して線材を形成する工程までのいずれかの工程において前記原料粉末に予備熱処理を行なう工程をさらに含み、
前記予備熱処理において、前記原料粉末中に(Bi,Pb)3221を生成させないことを特徴とする請求項1に記載の超電導線材の製造方法。
【請求項3】
請求項1または請求項2の製造方法により得られる超電導線材。
【請求項4】
請求項3の超電導線材を含む超電導機器。

【公開番号】特開2007−26773(P2007−26773A)
【公開日】平成19年2月1日(2007.2.1)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−204580(P2005−204580)
【出願日】平成17年7月13日(2005.7.13)
【出願人】(000002130)住友電気工業株式会社 (12,747)
【Fターム(参考)】