JP3536920B2 - 合金超伝導体及びその製造方法 - Google Patents
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Description
電、超伝導電力貯蔵、高性能なジョセフソン素子、高周
波素子等の超伝導エレクトロニクス等に利用でき、特
に、高い超伝導転移温度を有し、製造が容易で、かつ、
展性、延性に優れた全く新規な合金超伝導体、並びにそ
の製造方法に関する。
超伝導体、化合物からなる超伝導体、合金からなる超伝
導体、及び複合酸化物からなる超伝導体等が知られてい
る。単体金属からなる超伝導体には、Pb、Nb等が良
く知られているが、超伝導転移温度が低く実用性に欠け
る。金属間化合物からなる超伝導体には、Nb3 Ge、
Nb3 Ga、Nb3 Al、及びNb3 Snに代表される
Al5型結晶構造を有する金属間化合物超伝導体、及び
PbMo6 S8 に代表されるシェブレル型結晶構造を有
する金属間化合物超伝導体等が知られている。また、N
bB2 に代表されるAlB2 型結晶構造を有する金属間
化合物超伝導体も知られているが、超伝導転移温度(T
c)が極めて低い(Tc=0.62K,Journal
of the Less−Common Metal
s,67(1979)249−255)。これらの金属
間化合物超伝導体には、Nb3 Ge(超伝導転移温度:
約23K)のように、超伝導転移温度が比較的高いもの
もあるが、歪みに弱く、また脆いと言った欠点を有して
いる。
2-x Bax CuO4 の組成に代表されるLa系酸化物超
伝導体、Y1 Ba2 Cu3 O7-x の組成に代表されるY
系酸化物超伝導体、Bi2 Sr2 Can-1 Cun O2n+2
の組成に代表されるBi系酸化物超伝導体、Tl2 Ba
2 Can-1 Cun O2n+2の組成に代表されるTl系酸化
物超伝導体、Hg1 Ba1 CaCu1 O6+x の組成に代
表されるHg系酸化物超伝導体等が知られている。これ
らの複合酸化物からなる超伝導体は、超伝導転移温度が
高く、なかには150Kに達するものもある。これらの
複合酸化物系超伝導体は、八面体型、ピラミッド型、ま
たは平面型からなるCuO2 超伝導層と、La,Ca、
Y,Bi、あるいはHg等の原子と酸素とからなるブロ
ック層(超伝導層とは結晶構造が異なる)とが、互いに
積層して構成されるペロブスカイト構造を有している。
このように、結晶構造が極めて複雑であることから、再
現性よく、大量に生産することが困難であり、また、複
合酸化物であることから、展性、延性といった特性に乏
しく、超伝導電線として使用することが難しい。
金が良く知られており、展性及び延性に優れるため、超
伝導電線及び超電導磁石等に広く使用されている。しか
しながら、合金からなる超伝導体は、超伝導転移温度が
低く(Nb−Ti合金で最良のものでも約9Kであ
る)、改善が望まれている。
の一部分が偶発的に常伝導状態になる現象があり、この
現象が生じると、この常伝導部分の有限な電気抵抗によ
るジュール熱が引き金となって、超伝導電線全体が一瞬
にして常伝導状態に変化してしまう現象、すなわち、ク
エンチ現象が生ずる。クエンチ現象が生ずると、大電流
のジュール熱による超伝導電線の焼損、冷媒の爆発的蒸
発と言った重大な事故を招く。従来の超伝導電線は、超
伝導電線の回りに電気抵抗率(比抵抗)の低い金属線を
巻き付けた電流バイパスを設け、超伝導電線の一部分が
偶発的に常伝導状態になった場合にこの電流バイパスを
介して電流を逃がし、クエンチ現象を防止している。し
かしながら、これらの電気抵抗率の低い金属線には、銀
(Ag)等のコストの高い材料を使用しなければならな
いため、超伝導電線のコストが高いと言った課題があ
る。
鑑み、超伝導転移温度が高く、展性及び延性に優れ、か
つ、超伝導電線として使用した場合に電流バイパス用金
属線を必要としない合金超伝導体を提供することを目的
とする。さらに本発明は、再現性よく、製造コストが低
い、この超伝導体の製造方法を提供することを目的とす
る。
に、本発明の合金超伝導体は、組成式Mg1 Bex By
(0<x<20、0<y<20)で表される組成を有
し、六方晶AlB2 型結晶構造を有することを特徴とす
る。この合金超伝導体は、超伝導転移温度(Tc)35
Kを有する。また、この合金超伝導体は、超伝導転移温
度(Tc)から室温に渡って、6×10-5Ωcm以下の
比抵抗を有する。
温度(Tc)35Kを有しており、、従来知られている
いずれの合金超伝導体より超伝導転移温度が高く、ま
た、従来知られているAlB2 型結晶構造を持つ合金超
伝導体よりも遙かに超伝導転移温度が高い。また、展性
及び延性に富んでおり、かつ、超伝導転移温度から室温
に渡っての比抵抗が小さい。
導転移温度が高く、展性、延性に優れ、かつ、電流バイ
パス用金属線を必要としない、超伝導送電用、超伝導電
力貯蔵用、超伝導マグネット用等の超伝導電線に使用で
き、また、高性能なジョセフソン素子、高周波素子等の
超伝導エレクトロニクス用材料としても使用できる。
を含む原料粉末とBeを含む原料粉末とBを含む原料粉
末とを、化学組成比Mg:Be:B=1:x:y,(0
<x<20,0<y<20)で混合して成型し、1〜2
00MPの加圧不活性ガス中で600〜1100℃に加
熱して形成することを特徴とする。また、本発明の合金
超伝導体の製造方法は、Mgを含む原料粉末とBeを含
む原料粉末とBを含む原料粉末とを、化学組成比Mg:
Be:B=1:x:y,(0<x<20,0<y<2
0)で混合して成型し、0.1〜6GPa、700〜1
400℃の加圧加熱成形して形成することを特徴とす
る。
性ガス中の加熱は、1〜200MPaの不活性ガス圧力
中で、600〜1100℃の温度で数分以上行えばよ
い。また、合金超伝導体の製造方法における加圧加熱成
形は、0.1〜6GPaの圧力を加えながら、700〜
1400℃の温度で数分以上加熱するようにしてもよ
い。
ば、合金超伝導体を再現性よく、かつ、容易に製造する
ことができる。
施の形態を詳細に説明する。最初に、本発明の合金超伝
導体の結晶構造を説明する。図1は本発明の、組成式M
g1 Bex By (0<x<20、0<y<20)で表さ
れる合金超伝導体の粉末X線回折の測定結果を示す図で
ある。X線回折測定は、二軸X線回折測定装置(RIG
AKU社製,RINT2000)を用いて行った。図1
に示した回折パターンから、本発明の合金超伝導体は、
六方晶系、空間群p6/mmmに属し、a軸及びc軸
長、0.3084nm、0.35508nmを有する六
方晶AlB2 型結晶構造を有していることが解る。ま
た、本発明の合金超伝導体の化学組成の同定には、EP
MA(Electron Probe Micro A
nalysis)法及びICP(Induced Co
upled Plazma)法を使用した。
(0<x<20、0<y<20)で表される合金超伝導
体の超伝導特性について説明する。図2は本発明の、組
成式Mg1 Bex By (0<x<20、0<y<20)
で表される合金超伝導体の比抵抗(電気抵抗率)の温度
特性の測定結果を示す図である。比抵抗の測定は、四探
針法で行った。図2から、温度が低下するに従って電気
抵抗が下がり、35Kで急峻に0になることが解る。す
なわち、本発明の合金超伝導体は、超伝導転移温度35
Kを有している。また、図2から、超伝導転移温度35
Kから室温に渡る常伝導比抵抗が6×10-5Ωcm以下
と、非常に低いことがわかる。
(0<x<20、0<y<20)で表される合金超伝導
体の磁化率(Susceptibility)の測定結
果を示す。図3は本発明の、組成式Mg1 Bex B
y (0<x<20、0<y<20)で表される合金超伝
導体の磁化率の温度特性の測定結果を示す図である。磁
化率の測定は、直流磁化率測定装置(カンタム・デザイ
ン社製磁気特性測定システム,MPMSシリーズMPM
SR2)を使用した。図3から明らかなように、Tc=
35Kから低温側で負の磁化率、すなわち反磁性を示し
ており、本発明の組成式Mg1 Bex By (0<x<2
0、0<y<20)で表される合金超伝導体は、超伝導
転移温度Tc=35Kを有する超伝導体であることがわ
かる。
説明する。以下に説明する本発明の製造方法によれば、
混合粉が化学組成比Mg:Be:B=1:x:y,(0
<x<20,0<y<20)で混合されている場合に
は、上記の合金超伝導体となり、使用目的に応じて組成
比を変えることができる。例えば、Mgの組成比を大き
くすれば、展性及び延性に特に優れた超伝導電線を製造
することができる。Mgの原料粉末には、Mg粉末又は
MgO粉末を使用することができ、また、Beの原料粉
末にはBe粉末、また、Bの原料粉末にはB粉末、又は
BN粉末を使用できる。
いくつか例を挙げることができる。第1の方法は、Mg
粉末、Be粉末、またはB粉末を撹拌装置で混合して混
合粉末を形成し、この混合粉末をペレット状に成型した
ものを、HIP加圧装置(例えば、神戸製鋼社製,高温
高圧雰囲気炉)等を用いて、不活性ガスを充填し、1〜
200MPaの不活性ガス圧力中で、600〜1100
℃の温度で数分以上加熱することからなり、この方法に
よって容易に形成できる。
はB粉末を撹拌装置で混合して混合粉末を形成し、この
混合粉末をペレット状に成型したものを、立方体アンビ
ル加圧装置等の加圧装置を用いて、0.1〜6GPaの
圧力を加えながら、700〜1400℃の温度で数分以
上加熱することからなり、この方法によって容易に形成
できる。高圧力は、粒界結合を促進するために必要であ
り、高温度は、超伝導相を成長するために必要である。
結晶焼結体に限らず、多結晶バルク体、大型単結晶、又
は薄膜であってもよい。公知の鍛造装置、超高圧加圧加
熱合成装置等のバルク体作製装置を用いれば、軽量、高
硬度、及び耐腐食性に優れた多結晶バルク体の金属間化
合物超伝導体、及び合金超伝導体を製造できる。また、
大型合金超伝導体は、再結晶法、単純引き上げ法、浮遊
帯域溶融法、フラックス法等の公知の単結晶育成法を使
用し、適切なるつぼを使用し、雰囲気制御を行って製造
できる。
e、Bの組成比が1:x:y、(0<x<20,0≦y
<20)となるような気相源を用いた化学気相蒸着法、
又は、上記組成を有するターゲットをスパッタして形成
するスパッタ法を用いて製造できる。また、合金超伝導
体の薄膜を付着させる基板として、Cuなどの金属基
板、セラミックス基板、または、金属基板の上にセラミ
ックスを被覆した複合基材等を用いることができる。用
途に合わせて適宜の基板を選択すればよい。また、展
性、延性に富んだMgの組成比を大きくして、または、
展性、延性に富んだ他の金属を混合して合成することに
よって、適宜の展性、延性を有する超伝導合金を製造で
きる。この超伝導合金は、圧延、押し出し等の加工技術
を使用すれば、極細多芯形超伝導線材、超伝導細線、又
は、超伝導合金線に加工することができる。
明の合金超伝導体は、超伝導転移温度が高く、展性、延
性に優れ、かつ、この合金超伝導体の常伝導比抵抗が小
さいから、電流バイパス用金属線を必要としない極めて
低コストの超伝導電線を提供できる。また、高性能なジ
ョセフソン素子、高周波素子等の超伝導エレクトロニク
ス用材料としても使用できる。また、本発明の合金超伝
導体の製造方法を用いれば、極めて再現性よく、容易
に、かつ、低コストで、合金超伝導体を製造することが
できる。
20、0<y<20)で表される合金超伝導体の粉末X
線回折の測定結果を示す図である。
20、0<y<20)で表される合金超伝導体の電気抵
抗率の温度特性の測定結果を示す図である。
20、0<y<20)で表される合金超伝導体の磁化率
の温度特性の測定結果を示す図である。
Claims (5)
- 【請求項1】 組成式Mg1 Bex By (0<x<2
0、0<y<20)で表される組成を有し、六方晶Al
B2 型結晶構造を有することを特徴とする、合金超伝導
体。 - 【請求項2】 前記合金超伝導体は、超伝導転移温度
(Tc)35Kを有することを特徴とする、請求項1に
記載の合金超伝導体。 - 【請求項3】 前記合金超伝導体は、超伝導転移温度
(Tc)から室温に渡って、6×10-5Ωcm以下の比
抵抗を有することを特徴とする、請求項1に記載の合金
超伝導体。 - 【請求項4】 Mgを含む原料粉末とBeを含む原料粉
末とBを含む原料粉末とを、化学組成比Mg:Be:B
=1:x:y,(0<x<20,0<y<20)で混合
して成型し、1〜200MPaの加圧不活性ガス中で、
600〜1100℃に加熱して形成することを特徴とす
る、合金超伝導体の製造方法。 - 【請求項5】 Mgを含む原料粉末とBeを含む原料粉
末とBを含む原料粉末とを、化学組成比Mg:Be:B
=1:x:y,(0<x<20,0<y<20)で混合
して成型し、0.1〜6GPa、700〜1400℃の
加圧加熱成形して形成することを特徴とする、合金超伝
導体の製造方法。
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