JP6178779B2 - Superconducting wire connection structure and manufacturing method of superconducting wire connection structure - Google Patents
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Description
本発明は、超電導線材の接続構造体および超電導線材の接続構造体の製造方法に関する。 The present invention relates to a superconducting wire connecting structure and a method of manufacturing a superconducting wire connecting structure.
近年、超電導線材として、Bi2212(Bi2Sr2CaCu2O8+δ)、Bi2223(Bi2Sr2Ca2Cu3O10+δ)等のビスマス系超電導線材や、RE123(REBa2Cu3O7−δ、RE:希土類元素、例えばイットリウム)等のイットリウム系超電導線材といった、酸化物超電導線材の開発が進められている。酸化物超電導線材としては、テープ状に形成されたものが知られている。
Recently, a superconducting wire, Bi2212 (Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 + δ), Bi2223 (Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3
このような超電導線材同士を接続する技術として、超電導層の上に成膜された保護層や安定化層同士を半田接合する方法が知られている。保護層や安定化層同士で接合した場合には、接続部に電気抵抗が生じるため、発熱により臨界電流値Icの不安定となるといった問題があった。また、接続部に電気抵抗を生じるため、電力貯蔵装置のような永久電流モードを必要とする装置に適用できないという問題があった。 As a technique for connecting such superconducting wires, a method is known in which a protective layer and a stabilization layer formed on a superconducting layer are soldered together. When the protective layer and the stabilization layer are bonded to each other, an electrical resistance is generated at the connection portion, and thus there is a problem that the critical current value Ic becomes unstable due to heat generation. In addition, since electrical resistance is generated in the connection portion, there is a problem that it cannot be applied to a device such as a power storage device that requires a permanent current mode.
一方で、特許文献1には、超電導層同士を、超電導接合膜を介し接合することでこのような問題を解決する技術が記載されている。この技術では、超電導層同士の間に、超電導体を構成する金属を含む溶液の膜を形成し、加熱処理することにより、超電導接合膜を形成して超電導層同士を接合している。
On the other hand,
特許文献1に記載の超電導接合膜は、有機金属塗布熱分解法(Metal Organic Deposition、以下MOD法)により形成されている。MOD法は、溶液から前駆体を経て結晶化して超電導接合膜を形成する成膜方法であり、異相を析出しやすいことが知られている。一例として超電導体として、GdBa2Cu3O7−δ(以下、GdBCO)を用いた場合には、超電導接合膜に異相であるGd2BaCuO5が析出する。異相は、超電導特性を有さないために、異相が析出すると接続部の臨界電流密度Jcが低下するという問題があった。
The superconducting bonding film described in
本発明は、以上のような実情に鑑みなされたものであり、電気抵抗の発生と臨界電流密度Jcの低下を十分に抑制した超電導線材の接続構造体の提供を目的の一つとする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a superconducting wire connecting structure in which generation of electrical resistance and reduction in critical current density Jc are sufficiently suppressed.
上記課題を解決するため、本発明の超電導線材の接続構造体の一実施態様は、耐熱性の金属からなる基材と、前記基材の一方の面側に位置する超電導層と、前記超電導層の一方の面に位置するAg又はAg合金からなる保護層と、を有し、前記超電導層の少なくとも一部が前記保護層から露出した状態で厚さ方向に互いに対向して配置されたテープ状の一対の超電導線材と、厚さ方向に対向して配置された前記超電導層同士を接合する接合層と、を備え、前記接合層が、粒状体が焼結されてなる多孔質の超電導体であり、前記接合層が、前記保護層と接触して隣接し、前記超電導層の厚さが、0.5μm以上5μm以下である。
また、本発明の超電導線材の接続構造体の一実施態様は、超電導層を有し、前記超電導層の少なくとも一部が厚さ方向に互いに対向して配置されたテープ状の一対の超電導線材と、厚さ方向に対向して配置された前記超電導層同士を接合する接合層と、を備え、前記接合層が、粒状体が焼結されてなる多孔質の超電導体である。
この構成によれば、超電導体の粒状体を焼結することで形成した接合層により、超電導層同士を接合できる。接合層は超電導特性もつため、接続構造体は、接続部において電気抵抗が生ずることを十分に抑制できる。また、接合層は、組成比の整った粒状体を基に形成できるために、異相が析出することがなく、臨界電流密度Jcを高めることができる。
In order to solve the above problems, an embodiment of a connection structure of a superconducting wire according to the present invention includes a base material made of a heat-resistant metal, a superconducting layer located on one surface side of the base material, and the superconducting layer. has a protective layer made of Ag or Ag alloy is located on the surface of the hand of the tape at least a portion of the superconducting layer is arranged to face each other in the thickness direction in a state of being exposed from the protective layer A pair of superconducting wires having a shape and a joining layer that joins the superconducting layers arranged facing each other in the thickness direction, and the joining layer is a porous superconductor formed by sintering a granular material The bonding layer is in contact with and adjacent to the protective layer, and the thickness of the superconducting layer is not less than 0.5 μm and not more than 5 μm .
Further, one embodiment of the connection structure of the superconducting wire of the present invention includes a pair of tape-shaped superconducting wires having a superconducting layer, wherein at least a part of the superconducting layer is disposed to face each other in the thickness direction. And a joining layer that joins the superconducting layers arranged to face each other in the thickness direction, and the joining layer is a porous superconductor formed by sintering a granular material.
According to this configuration, the superconducting layers can be joined to each other by the joining layer formed by sintering the superconductor granules. Since the bonding layer has superconducting properties, the connection structure can sufficiently suppress the occurrence of electrical resistance at the connection portion. Further, since the bonding layer can be formed on the basis of a granular material having a uniform composition ratio, a heterogeneous phase does not precipitate and the critical current density Jc can be increased.
上記の超電導線材の接続構造体は、前記接合層が設けられた接続部を含む超電導線材の外周が金属テープにより覆われていてもよい。
この構成によれば、接続構造体の外周を金属テープで覆うことで、接続部の強度を高めることができる。
In the superconducting wire connecting structure described above, the outer periphery of the superconducting wire including the connecting portion provided with the bonding layer may be covered with a metal tape.
According to this structure, the intensity | strength of a connection part can be raised by covering the outer periphery of a connection structure with a metal tape.
上記の超電導線材の接続構造体は、前記超電導層と前記接合層との組成が同じであってもよい。
この構成によれば、接合層と超電導層との界面で超電導体の結晶同士を結合させ接合強度を高めることができる。また、同じ組成の超電導体を用いることで、接合層と超電導層との臨界温度を同じとすることができ、接続構造体の温度の制御を複雑に行う必要がない。
In the superconducting wire connecting structure, the superconducting layer and the bonding layer may have the same composition.
According to this configuration, it is possible to bond the superconductor crystals at the interface between the bonding layer and the superconducting layer to increase the bonding strength. In addition, by using superconductors having the same composition, the critical temperatures of the bonding layer and the superconducting layer can be made the same, and it is not necessary to control the temperature of the connection structure in a complicated manner.
また、超電導線材の接続構造体に係る製造方法は、耐熱性の金属からなる基材と、前記基材の一方の面側に位置する超電導層と、前記超電導層の一方の面に位置するAg又はAg合金からなる保護層と、を有する一対の超電導線材を用意し、一対の前記超電導線材の前記保護層の一部をエッチングにより除去し、前記超電導層を露出させ、一対の前記超電導線材の前記超電導層の前記保護層から露出した部分を厚さ方向に対向させ、超電導層同士の間にバインダと混合した状態で超電導体の粒状体を塗布するとともに一対の前記超電導線材を重ね合わせ、一対の前記超電導線材を介して前記粒状体に2.5N/cm2 の負荷を加えた状態で、500℃、24時間で脱脂し、さらに950℃、16時間で加熱することで前記粒状体を焼結し、超電導体からなる多孔質の接合層を形成する。
この構成によれば、超電導層同士の間に粒状体を配置して加圧、加熱することで、超電導層と接合された超電導体からなる接合層を形成できる。また、組成比の整った粒状体を用いることができるため、接合層の超電導体に異相が生じることを抑制できる。
The manufacturing method according to the connection structure of the superconducting wire includes a substrate formed of a heat-resistant metal, and the superconducting layer located on one surface side of the substrate, located on the surface of the hand of the superconducting layer A pair of superconducting wires having a protective layer made of Ag or an Ag alloy is prepared, a part of the protective layer of the pair of superconducting wires is removed by etching, the superconducting layer is exposed, and the pair of superconducting wires The portion exposed from the protective layer of the superconducting layer is opposed in the thickness direction, and the superconducting granular material is applied in a state of being mixed with a binder between the superconducting layers, and a pair of the superconducting wires are overlapped, In a state where a load of 2.5 N / cm 2 is applied to the granular body through a pair of superconducting wires, the granular body is degreased at 500 ° C. for 24 hours and further heated at 950 ° C. for 16 hours. Sintered and super A porous bonding layer made of an electric conductor is formed.
According to this structure, the joining layer which consists of a superconductor joined to the superconducting layer can be formed by disposing the granular material between the superconducting layers and applying pressure and heating. Moreover, since a granular material with a uniform composition ratio can be used, it is possible to suppress the occurrence of a different phase in the superconductor of the bonding layer.
上記の超電導線材の接続構造体の製造方法は、前記粒状体を、焼結により分解されるバインダと混合した状態で塗布してもよい。
粒状体とバインダとを混合して超電導層に塗布することで、粒状体が飛散しにくくなり、超電導層同士の間に粒状体を確実に配置して接合層を形成できる。また、バインダは焼結により分解されるため、接合層の超電導特性に悪影響を与えることがない。
In the manufacturing method of the connection structure of the superconducting wire, the granular material may be applied in a state of being mixed with a binder that is decomposed by sintering.
By mixing and applying the granular material and the binder to the superconducting layer, the granular material is less likely to be scattered, and the bonding layer can be formed by reliably arranging the granular material between the superconducting layers. Further, since the binder is decomposed by sintering, the superconducting property of the bonding layer is not adversely affected.
本発明の超電導線材の接続構造体によれば、電気抵抗の発生と臨界電流密度Jcの低下を十分に抑制できる。また、接続構造体は、永久電流モードを必要とする超電導機器に採用できる。 According to the superconducting wire connecting structure of the present invention, it is possible to sufficiently suppress the generation of electrical resistance and the decrease in critical current density Jc. Further, the connection structure can be employed in superconducting equipment that requires a permanent current mode.
以下、超電導線材の接続構造体の実施形態について図面に基づいて説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
本明細書中の各図において、線材の幅方向をX方向、長手方向をY方向、厚さ方向をZ方向とする。
Hereinafter, an embodiment of a superconducting wire connecting structure will be described with reference to the drawings. In addition, in the drawings used in the following description, in order to make the features easy to understand, there are cases where the portions that become the features are enlarged for the sake of convenience, and the dimensional ratios of the respective components are not always the same as the actual ones. Absent. The present invention is not limited to the following embodiment.
In each figure in this specification, the width direction of the wire is the X direction, the longitudinal direction is the Y direction, and the thickness direction is the Z direction.
<第1実施形態>
第1実施形態の超電導線材の接続構造体(以下、接続構造体)30について説明する。
図1は、接続構造体30を示す断面模式図である。接続構造体30は、酸化物超電導層(超電導層)12を有する一対の酸化物超電導線材(超電導線材)1を接続部5において接続した構造を有する。接続構造体30は、一対の酸化物超電導線材1と、一対の酸化物超電導線材1の酸化物超電導層12同士を接合する接合層14と、を有する。
<First Embodiment>
A superconducting wire connecting structure (hereinafter referred to as a connecting structure) 30 according to the first embodiment will be described.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the
本実施形態において接続される酸化物超電導線材(超電導線材)1について説明する。
本実施形態では、酸化物超電導線材1として、イットリウム系酸化物超電導線材を例示する。酸化物超電導線材1は、テープ状の基材10に、中間層11と酸化物超電導層12と保護層13とが、積層された構造を有する。保護層13は、酸化物超電導線材1の端部1a近傍であって、接合層14が形成される領域には設けられていない。
The oxide superconducting wire (superconducting wire) 1 connected in the present embodiment will be described.
In this embodiment, an yttrium-based oxide superconducting wire is exemplified as the oxide
基材10は、酸化物超電導線材1の基材として使用し得るものであれば良く、耐熱性の金属からなるものが好ましい。基材10は、耐熱性の金属の中でも、合金が好ましく、ニッケル(Ni)合金又は銅(Cu)合金がより好ましい。なかでも、市販品であればハステロイ(商品名、ヘインズ社製)が好適であり、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、コバルト(Co)等の成分量が異なる、ハステロイB、C、G、N、W等の何れの種類も使用できる。また、基材10として、金属結晶の配向をそろえた配向基板を用いても良い。
本実施形態においては、基材10の形状は、長尺のテープ形状であるが、例えば、シート形状であっても良い。基材10の厚みは、目的に応じて適宜調整すれば良く、10〜500μmの範囲とすることができる。
The
In this embodiment, the shape of the
中間層11は、基材10の主面上に形成される。中間層11は、下地層と、配向層およびキャップ層がこの順に積層された構造を適用することができる。下地層は、拡散防止層およびベッド層の何れか一方又は両方からなる。
The
拡散防止層は、この層よりも上面に他の層を形成する際に加熱処理した結果、基材10や他の層が熱履歴を受ける場合に、基材10の構成元素の一部が拡散し、不純物として酸化物超電導層12側に混入することを抑制する機能を有する。拡散防止層は、Si3N4、Al2O3、GZO(Gd2Zr2O7)等から構成され、例えば厚み10〜400nmに形成される。
ベッド層は、基材10と酸化物超電導層12との界面における構成元素の反応を抑え、この層よりも上面に設ける層の配向性を向上させるために設けられる。ベッド層は、界面反応性を低減し、その上に形成される膜の配向性を得るため層であり、Y2O3、Er2O3、CeO2、Dy2O3、Er2O3、Eu2O3、Ho2O3、La2O3等からなり、その厚みは例えば10〜100nmである。
配向層は、その上に形成されるキャップ層や酸化物超電導層12の結晶配向性を制御するために設けられる。配向層は、その上のキャップ層の結晶配向性を制御するために2軸配向する物質から形成される。配向層の材質としては、Gd2Zr2O7、MgO、ZrO2−Y2O3(YSZ)、SrTiO3、CeO2、Y2O3、Al2O3、Gd2O3、Zr2O3、Ho2O3、Nd2O3等の金属酸化物を例示することができる。この配向層はIBAD(Ion-Beam-Assisted Deposition)法で形成することが好ましい。
キャップ層は、酸化物超電導層12の結晶配向性を配向層と同等ないしそれ以上に強く制御するために設けられる。キャップ層は、上述の配向層の表面に成膜されて結晶粒が面内方向に自己配向し得る材料からなり、具体的には、CeO2、Y2O3、Al2O3、Gd2O3、ZrO2、YSZ、Ho2O3、Nd2O3、LaMnO3等からなる。キャップ層の膜厚は50〜5000nmの範囲に形成できる。
As a result of heat treatment when forming another layer on the upper surface of this layer, the diffusion preventing layer diffuses part of the constituent elements of the
The bed layer is provided to suppress the reaction of the constituent elements at the interface between the
The orientation layer is provided to control the crystal orientation of the cap layer and the
The cap layer is provided in order to strongly control the crystal orientation of the
酸化物超電導層12は酸化物超電導体として公知のもので良く、具体的には、RE−123系と呼ばれるREBa2Cu3O7−δ(REは希土類元素であるSc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luのうちの1種又は2種以上を表す)を例示できる。この酸化物超電導層12として、Y123(YBa2Cu3O7−δ)又はGd123(GdBa2Cu3O7−δ)などを例示できる。
酸化物超電導層12の厚みは、0.5〜5μm程度であって、均一な厚みであることが好ましい。
The
The
酸化物超電導層12は、パルスレーザー蒸着法(Pulsed Laser Deposition、以下PLD法)により成膜できる。PLD法は、レーザー光をターゲットに照射して叩き出され若しくは蒸発した構成粒子の噴流(プルーム)を中間層11に向けることで、中間層11上に酸化物超電導層12を形成する方法である。
なお、酸化物超電導層12は、PLD法以外に、MOD法により成膜しても良い。
The
The
PLD法に用いるターゲットは、以下の工程により製造できる。
まず、製造目的とする酸化物超電導層12の組成に応じた原料粉末を混合する。原料粉末としては、例えば希土類元素の酸化物粉末、Baの炭酸塩粉末、Cuの酸化物粉末を用いることができる。次に、この原料粉末の混合物を仮焼きし、さらに粉砕して粉砕粉を採取する。次に、粉砕粉とバインダを混合する。バインダとしては、ポリビニルブチラール(PVB)を用いることができる。次に、例えば円盤状にプレス成形し、焼結してターゲットを得ることができる。
The target used for the PLD method can be manufactured by the following steps.
First, raw material powders corresponding to the composition of the
保護層13は、酸化物超電導層12上であって、酸化物超電導線材1の端部1a近傍以外の領域に形成されている。保護層13は、Ag又はAg合金などの良電導性からなり、酸化物超電導層12との接触抵抗が低くなじみの良い層として形成される。保護層13は、スパッタ法などの成膜法により積層されて、その厚さは、1〜30μm程度とされる。
酸化物超電導線材1は、全長に亘って酸化物超電導層12上に保護層13を形成した後に、端部1a近傍の保護層13を除去して、端部1a近傍の酸化物超電導層12を露出させる。なお、保護層13の成膜時に端部1a近傍をマスキングすることで、端部1a近傍に保護層13を形成しない領域を設けても良い。
The
After the
接続構造体30は、接続部5において、一対の酸化物超電導線材1の端部1a近傍で露出する酸化物超電導層12同士が対向して配置されている。対向する酸化物超電導層12同士は、接合層14により接合されている。
本実施形態において、一対の酸化物超電導線材1の層構成および各層の厚さ、並びに幅は、同じであるとするが、互いに異なるものであっても良い。
In the
In the present embodiment, the layer configuration of the pair of
接合層14は、多孔質の超電導体であり、超電導特性を有する。接合層14を構成する超電導体としては、公知のものであればよいが、酸化物超電導層12を構成する超電導体と同じイットリウム系の酸化物超電導体(REBa2Cu3O7−δ(REは希土類元素))とすることが好ましい。接合層14の超電導体と酸化物超電導層12の超電導体を、ともにイットリウム系の酸化物超電導体とすることで、接合層14と酸化物超電導層12とは、拡散接合され、接合強度が高くなる。接合層14と酸化物超電導層12は、ともにイットリウム系であれば、異なる組成であっても、拡散接合が可能である。
接合層14の超電導体は、酸化物超電導層12を構成する酸化物超電導体と同じ組成を有することが、より好ましい。同じ組成の超電導体を用いることで、接合層14と酸化物超電導層12との界面で超電導体の結晶同士が結合するため接合強度を高めることができる。また、同じ組成の超電導体を用いることで、接合層14と酸化物超電導層12との臨界温度を同じとすることができる。したがって、同温度で超電導特性を発現させることができ、接続構造体30の温度の制御を複雑に行う必要がない。
また、接合層14の超電導体は、イットリウム系の酸化物超電導体の他に、ビスマス系の酸化物超電導体、MgB2などの超電導体であってもよい。
The
It is more preferable that the superconductor of the
In addition to the yttrium oxide superconductor, the superconductor of the
接合層14は、粒状体が焼結されて形成されている。このため、接合層14の内部には、焼結前の粒状体の粒径に由来する結晶粒が形成されている。接合層14は、焼結されて形成されているため多孔質となっている。
The
接続構造体30の製造方法について説明する。
まず、酸化物超電導線材1を一対用意する。これらの一対の酸化物超電導線材1は、予め端部1a近傍において保護層13が除去され酸化物超電導層12が露出している。
A method for manufacturing the
First, a pair of
また、接合層14を形成するための粒状体を用意する。粒状体としては、酸化物超電導層12をPLD法により形成する際に用いた、ターゲットを粉砕して採取した粉末を用いることが好ましい。ターゲットは、原料粉に由来する組成比を有しており、組成比が安定している。ターゲットを粉砕して採取した粉末を用いることで、異相のない接合層14を形成できる。
また、ターゲットを粉砕した粉末ではなく、ターゲットの製造工程において、原料粉末を仮焼き、粉砕して採取された粉砕粉を粒状体として用いても良い。
さらに、粒状体をバインダと混合して粒状体を含むペーストを得る。粒状体とバインダとを混合しペーストとすることで、粒状体が飛散しにくくなり、取扱いが容易となる。バインダとしては、ターゲットの製造と同様に、PVBを用いることができる。また、バインダは、エタノールなどの溶媒を適宜添加しペーストの粘度を調整してもよい。
In addition, a granular material for forming the
Further, instead of the powder obtained by pulverizing the target, pulverized powder obtained by calcining and pulverizing the raw material powder in the target manufacturing process may be used as the granular material.
Furthermore, the granular material is mixed with a binder to obtain a paste containing the granular material. By mixing the granular material and the binder to form a paste, the granular material is less likely to be scattered and easy to handle. As the binder, PVB can be used similarly to the production of the target. Further, the binder may adjust the viscosity of the paste by appropriately adding a solvent such as ethanol.
次に、粒状体を含むペーストを、一方の酸化物超電導線材1の露出する酸化物超電導層12に塗布する。さらに、他方の酸化物超電導線材1の露出する酸化物超電導層12を、ペーストが塗布された酸化物超電導層12に重ね合わせる。これにより、一対の酸化物超電導線材1の酸化物超電導層12を対向させ、酸化物超電導層12同士の間に超電導体の粒状体を配置した状態となる。
Next, the paste containing the granular material is applied to the exposed
次に、重ね合わされた一対の酸化物超電導線材1を治具で挟み込み、重ね合わせた部分を加圧し、加圧状態を保持したまま加熱して粒状体を焼結させる。これにより、酸化物超電導層12同士を接合する接合層14が形成される。焼結させることにより、ペーストに含まれるバインダは分解されため、接合層14にバインダの成分は残留しない。したがって、接合層14は、粒状体の組成をもつ超電導体となる。
なお、焼結を行う前に、一対の酸化物超電導線材を挟み込むように加圧した状態で、焼結温度より低い温度で、加熱しバインダを分解する脱脂工程を行っても良い。
Next, the pair of superposed
In addition, before performing sintering, you may perform the degreasing process which heats at the temperature lower than sintering temperature and decomposes | disassembles a binder in the state pressurized so that a pair of oxide superconducting wire may be pinched | interposed.
本実施形態の接続構造体30によれば、粒状体を焼結することで形成した超電導体からなる接合層14により、酸化物超電導層同士が接合されている。接続構造体30の接合層14は、組成比の整った粒状体を焼結して形成できるために、異相が析出することがなく、接続部5における臨界電流密度Jcの低下を抑制できる。
接続構造体30は、上述のように電気特性に優れた超電導体を介して接続されているため、接続部5において電気抵抗が生じて発熱することを抑制し、熱による臨界電流値Icの不安定化を抑制できる。
また、接続構造体30は、電気抵抗が生じることを十分に抑制しているため、永久電流モードを必要とする超電導機器に採用できる。
According to the
Since the
In addition, since the
<第2実施形態>
第2実施形態の接続構造体31について説明する。
図2は、接続構造体31を示す断面模式図である。第2実施形態の接続構造体31は、の基本構造は、第1実施形態の接続構造体30と同様である。接続構造体31は、短尺の酸化物超電導線材1Aが一対の酸化物超電導線材1を橋渡しするように配置されている。また、接続構造体31は、接続部5を含む酸化物超電導線材1の外周が金属テープ15により覆われている。
なお、上述の第1実施形態と同一態様の構成要素については、同一符号を付し、その説明を省略する。
Second Embodiment
The
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the
In addition, about the component of the same aspect as the above-mentioned 1st Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.
接続構造体31は、一対の酸化物超電導線材1と短尺の酸化物超電導線材1Aとを有する。一対の酸化物超電導線材1および短尺の酸化物超電導線材1Aは、端部近傍において保護層13が除去されている。
接続構造体31において、一対の酸化物超電導線材1は、各層の積層方向が揃えられて、互いの端部同士が隙間を空けて配置されている。短尺の酸化物超電導線材1Aは、一対の酸化物超電導線材1と同様の構成を有し、一対の酸化物超電導線材1を橋渡しするように配置されている。酸化物超電導線材1、1Aの露出する酸化物超電導層12同士は、互いに対向して配置されて、接合層14により接合されている。
The
In the
接続構造体31の酸化物超電導線材1、1Aの配置は、第1実施形態の接続構造体30の接続部5を連続して配置したものであると説明できる。このような構造とすることで、接続部分の前後で酸化物超電導線材1の積層方向の逆転がない接続構造体31を提供することができる。
The arrangement of the
接続構造体31は、外周が金属テープ15により覆われた構造を有する。金属テープ15は、接続部5を含む酸化物超電導線材1、1Aの外周に配置されている。金属テープ15と酸化物超電導線材1、1Aの外周とは、半田16により接合されている。
The
金属テープ15を構成する金属材料として、良導電性を有するものを用いた場合は、金属テープ15は、事故時に発生する過電流をバイパスする役割を担う安定化層として機能する。良導電性を有する材料として、銅、黄銅(Cu−Zn合金)、Cu−Ni合金等の銅合金、ステンレス等の比較的安価な材質からなるものを用いることが好ましく、中でも高い導電性を有し、安価であることから銅製が好ましい。
また、接続構造体31を超電導限流器に使用する場合においては、金属テープ15に用いられる材料は、例えば、Ni−Cr等のNi系合金等の高抵抗金属を用いる事が良い。
In the case where a material having good conductivity is used as the metal material constituting the
When the
金属テープ15の接合工程は、以下の手順により行う。
まず、一対の酸化物超電導線材1と短尺の酸化物超電導線材1Aとを接合層14により接合する。次に、接合層14により接合した酸化物超電導線材1、1Aを、メッキにより半田16の層が形成された金属テープ15の面上に配置する。さらに、金属テープ15を横断面略C字型をなすように包み込んで折り曲げ加工し、半田16を加熱溶融させてロールにより加圧する。以上の工程により、金属テープ15を酸化物超電導線材1、1Aの外周に接合できる。
The joining process of the
First, the pair of
第2実施形態の接続構造体31は、第1実施形態と同様の効果を奏する上に、接続部5を含む酸化物超電導線材1、1Aの外周に金属テープ15が接合されていることにより、接続部5を補強して、強度を高めることができる。
The
以上に、本発明の実施形態を説明したが、実施形態における構成およびそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはない。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the configurations and combinations thereof in the embodiments are examples, and additions, omissions, substitutions, and other modifications of the configurations are within the scope that does not depart from the spirit of the present invention. Is possible. Further, the present invention is not limited by the embodiment.
例えば、第1実施形態の接続構造体30は、接続部5を含む酸化物超電導線材1の外周が、金属テープにより覆われるものであってもよい。
For example, in the
また、上述の製造方法では、成膜した保護層13を、酸化物超電導線材1の端部1a近傍で除去し酸化物超電導層12を露出させている。保護層13が成膜されていない酸化物超電導線材1同士を、接合層14を介し接続し、後工程として保護層13を成膜しても良い。
In the manufacturing method described above, the formed
また、各実施形態では、酸化物超電導線材1として、酸化物超電導層12を備えたイットリウム系の超電導線材を用いる場合について説明した。超電導線材の種類は、これに限られるものではなく、図6に示すようなビスマス系の酸化物超電導線材(超電導線材)200を採用しても良い。酸化物超電導線材200は、ビスマス系の酸化物超電導体からなる酸化物超電導層201をAgのシース材202で被覆した状態となるようにロール圧延法などにより製造された構造となっている。
酸化物超電導線材200を接合する場合は、端部近傍のシース材202をエッチング等により除去して、酸化物超電導層201を露出させた状態で、接合層14により接合させる。
また、同様に、超電導線材は、MgB2からなる超電導層を備えた超電導線材であっても良い。
さらに、接続する超電導線材同士は、異なる種類のものであっても良い。例えば、イットリウム系の酸化物超電導線材1とビスマス系の酸化物超電導線材200とを接続するものであってもよい。また、イットリウム系の酸化物超電導線材1と、MgB2からなる超電導層を備えた超電導線材とを接続するものであってもよい。
Moreover, in each embodiment, the case where the yttrium-type superconducting wire provided with the
When the
Similarly, the superconducting wire may be a superconducting wire provided with a superconducting layer made of MgB 2 .
Further, different types of superconducting wires may be connected. For example, the yttrium-based
以下、実施例を示して本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
<試料の作製>
まず、ハステロイC−276(米国ヘインズ社商品名)からなる幅10mm、厚み0.1mmのテープ状の基材の表面を平均粒径3μmのアルミナを使用し研磨した。次に、前記基材の表面をアセトンにより脱脂、洗浄した。
この基材の主面上にスパッタ法によりAl2O3(拡散防止層;膜厚100nm)を成膜し、その上に、イオンビームスパッタ法によりY2O3(ベッド層;膜厚30nm)を成膜した。
次いで、このベッド層上に、イオンビームアシスト蒸着法(IBAD法)によりMgO(IBAD層;膜厚5〜10nm)を形成し、その上にパルスレーザー蒸着法(PLD法)により500nm厚のCeO2(キャップ層)を成膜した。次いでCeO2層上にPLD法により2.0μm厚のGdBa2Cu3O7−δ(酸化物超電導層)を形成した。次いで酸化物超電導層上にスパッタ法により2μm厚のAgからなる保護層を形成した。次いで、この試料に対して酸素雰囲気大気圧化で500℃、10時間の酸素アニールを行い、26時間の炉冷却後に取り出した。次いで、基材の裏面側にスパッタ法により1μm厚のAgを積層した。
以上の工程を経て、酸化物超電導線材を作製した。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example is shown and this invention is demonstrated further in detail, this invention is not limited to these Examples.
<Preparation of sample>
First, the surface of a tape-shaped substrate made of Hastelloy C-276 (trade name of Haynes, USA) having a width of 10 mm and a thickness of 0.1 mm was polished using alumina having an average particle diameter of 3 μm. Next, the surface of the substrate was degreased and washed with acetone.
Al 2 O 3 (diffusion prevention layer; film thickness 100 nm) is formed on the main surface of the base material by sputtering, and Y 2 O 3 (bed layer;
Next, MgO (IBAD layer; film thickness: 5 to 10 nm) is formed on the bed layer by ion beam assisted vapor deposition (IBAD method), and then CeO 2 having a thickness of 500 nm by pulse laser vapor deposition (PLD method). (Cap layer) was formed. Next, a 2.0 μm thick GdBa 2 Cu 3 O 7-δ (oxide superconducting layer) was formed on the CeO 2 layer by the PLD method. Next, a protective layer made of Ag having a thickness of 2 μm was formed on the oxide superconducting layer by sputtering. Subsequently, this sample was subjected to oxygen annealing at 500 ° C. for 10 hours under an atmospheric pressure of oxygen atmosphere, and the sample was taken out after 26 hours of furnace cooling. Next, Ag having a thickness of 1 μm was laminated on the back side of the substrate by sputtering.
Through the above steps, an oxide superconducting wire was produced.
上述の酸化物超電導線材を3本用意した。それぞれの酸化物超電導線材の長さは、25cmとした。これらのうち、1本の酸化物超電導線材に関しては両端部からそれぞれ5cmを、残る2本の酸化物超電導線材は、一端から5cmをエッチングして、保護層を除去し、酸化物超電導層を露出させた。エッチングには、アンモニア・過酸化水素混合溶液を用いた。 Three oxide superconducting wires described above were prepared. The length of each oxide superconducting wire was 25 cm. Of these, one oxide superconducting wire is etched 5 cm from both ends, and the remaining two oxide superconducting wires are etched 5 cm from one end to remove the protective layer and expose the oxide superconducting layer. I let you. For the etching, a mixed solution of ammonia and hydrogen peroxide was used.
次に、上述の酸化物超電導層の成膜に用いたターゲットを粉砕して、平均粒径サイズ5μmのGdBa2Cu3O7−δ(以下、GdBCO)の粒状体(粉末)を採取した。バインダとしてPVBを用いて、これをエタノールに溶かした溶液10mlに対して、採取した粒状体を5g添加して、粒状体を含むペーストを作製した。 Next, the target used for forming the oxide superconducting layer was pulverized to collect GdBa 2 Cu 3 O 7-δ (hereinafter referred to as GdBCO) granules (powder) having an average particle size of 5 μm. Using PVB as a binder, 5 g of the collected granule was added to 10 ml of a solution obtained by dissolving this in ethanol to prepare a paste containing the granule.
次に、一端の保護層をエッチングした一対の酸化物超電導線材の露出する酸化物超電導層にペーストを塗布した。さらに、残る酸化物超電導線材を橋渡しするように重ね合わせて、図2に示すように各線材を配置した。
次に、線材と同幅(10mm)の溝を設けたアルミナ製のブロックを用意し、溝内に重ね合わせた酸化物超電導線材を収納した。さらに、別途用意した溝幅より若干小さい幅のアルミナ製のブロックで、溝内の酸化物超電導線材の上方に配置し、2.5N/cm2の負荷を加えた。負荷を加えた状態で、500℃、24時間、大気中の環境で加熱して、脱脂を行い、さらに950℃、16時間、大気中の環境で加熱した。これにより、線材間に挟み込まれた粒状体の焼結がなされて、酸化物超電導体からなる接合層を形成した。
Next, the paste was applied to the exposed oxide superconducting layer of the pair of oxide superconducting wires obtained by etching the protective layer at one end. Further, the remaining oxide superconducting wires were overlapped so as to be bridged, and the respective wires were arranged as shown in FIG.
Next, an alumina block provided with a groove having the same width (10 mm) as the wire was prepared, and the superconducting oxide superconducting wire superimposed in the groove was accommodated. Further, an alumina block having a width slightly smaller than the groove width prepared separately was disposed above the oxide superconducting wire in the groove, and a load of 2.5 N / cm 2 was applied. In a state where a load was applied, heating was performed in an air environment at 500 ° C. for 24 hours, degreasing was performed, and heating was further performed in an air environment at 950 ° C. for 16 hours. Thereby, the granular material sandwiched between the wire rods was sintered to form a bonding layer made of an oxide superconductor.
次に、酸素雰囲気大気圧化で500℃、10時間の酸素アニールを行い、26時間の炉冷却後に取り出した。これにより、再度、酸化物超電導層に酸素を供給した。 Next, oxygen annealing was performed at 500 ° C. for 10 hours under atmospheric pressure, and the furnace was taken out after cooling for 26 hours. Thereby, oxygen was again supplied to the oxide superconducting layer.
次いで、20μm厚のSnメッキ(半田)が両面に施されたCu製の金属テープの位置面上に接続された3本の酸化物超電導線を配置した。さらに、290℃に加熱されたロールを通過させて、酸化物超電導線の外周を包み込むように金属テープを略C字形に折り曲げた。これにより、接続された3本の酸化物超電導線の外周を金属テープで覆い、接続部を補強した。
以上の工程を経て、図2に示す酸化物超電導線材の接続構造体を作製した。
Subsequently, three oxide superconducting wires connected on the position surface of a Cu metal tape having Sn plating (solder) with a thickness of 20 μm applied on both surfaces were arranged. Further, the metal tape was bent into a substantially C shape so as to wrap around the outer periphery of the oxide superconducting wire through a roll heated to 290 ° C. Thereby, the outer periphery of the three connected oxide superconducting wires was covered with the metal tape, and the connecting portion was reinforced.
Through the above steps, the oxide superconducting wire connection structure shown in FIG. 2 was produced.
<評価>
(臨界電流値Ic)
上述の接続構造体の接続部において、各線材の酸化物超電導層の間で、超電導特性を持たせた接続ができているかを確認するために、接続部を挟んでIc測定を行った。図4に示すように、接続構造体31に対し、電源21、電流計22、電圧計23を接続した。電圧計23の端子間距離は30cmとした。液体窒素により冷却しながら臨界電流値Icを測定したところ、臨界電流値Icは、26Aであった。この結果から、接続部において、超電導特性を持たせた接続の実現が確認された。
<Evaluation>
(Critical current value Ic)
In the connection part of the connection structure described above, Ic measurement was performed with the connection part interposed between the oxide superconducting layers of the respective wires to confirm whether or not a connection with superconducting characteristics was made. As shown in FIG. 4, a
(機械特性(最小曲げ半径))
次に、金属テープにより補強することによる、機械特性の向上について評価した。
上述の工程で作製した金属テープにより補強したサンプルを2つ用意した(サンプルNo.3、No.4)。また、上述の工程のうち、金属テープで覆い補強する工程を行わなかったサンプルを2つ用意した(サンプルNo.1、No.2)。
これらサンプルに対して、曲げ試験を行った。曲げ試験は、所定の曲率半径を有する曲げ治具に、サンプルを沿わせて曲げて引張応力を印加することで行う。また、曲げ試験前後の臨界電流値Icを測定し、試験後の臨界電流値Icが試験前の臨界電流値Icに対して、95%以上となる限界の曲げ半径(最小曲げ半径)を測定した。測定結果を表1に示す。
(Mechanical properties (minimum bending radius))
Next, the improvement of mechanical properties by reinforcing with metal tape was evaluated.
Two samples reinforced with the metal tape produced in the above-described process were prepared (Sample No. 3, No. 4). Moreover, the sample which did not perform the process of covering and reinforcing with a metal tape among the above-mentioned processes was prepared (sample No. 1, No. 2).
A bending test was performed on these samples. The bending test is performed by bending a sample along a bending jig having a predetermined radius of curvature and applying a tensile stress. Also, the critical current value Ic before and after the bending test was measured, and the critical bending radius (minimum bending radius) at which the critical current value Ic after the test was 95% or more of the critical current value Ic before the test was measured. . The measurement results are shown in Table 1.
表1に示すように、金属テープによる補強を行ったサンプルは、最小曲げ半径が比較的小さく、このような補強が効果的であることが確認された。
また、金属テープによる補強を行っていないサンプルも、半径25mm以上の範囲であれば、曲げに対して劣化を抑えうることが確認された。
As shown in Table 1, the sample that was reinforced with the metal tape had a relatively small minimum bend radius, and it was confirmed that such reinforcement was effective.
It was also confirmed that the sample not reinforced with the metal tape can suppress deterioration against bending if the radius is within a range of 25 mm or more.
1、1A、200…酸化物超電導線材(超電導線材)、1a…端部、5…接続部、10…基材、11…中間層、12、201…酸化物超電導層(超電導層)、13…保護層、14…接合層、15…金属テープ、16…半田、30、31…接続構造体(超電導線材の接続構造体)、202…シース材
DESCRIPTION OF
Claims (4)
厚さ方向に対向して配置された前記超電導層同士を接合する接合層と、を備え、
前記接合層が、粒状体が焼結されてなる多孔質の超電導体であり、
前記接合層が、前記保護層と接触して隣接し、
前記超電導層の厚さが、0.5μm以上5μm以下である、超電導線材の接続構造体。 Has a substrate made of a refractory metal, and the superconducting layer located on one surface side of the substrate, and a protective layer made of Ag or Ag alloy is located on the surface of the hand of the superconducting layer, A pair of tape-shaped superconducting wires disposed opposite to each other in the thickness direction with at least a part of the superconducting layer exposed from the protective layer;
A bonding layer for bonding the superconducting layers arranged facing each other in the thickness direction,
The bonding layer is a porous superconductor formed by sintering a granular material,
The bonding layer is adjacent to and in contact with the protective layer ;
A connection structure for a superconducting wire , wherein the thickness of the superconducting layer is 0.5 μm or more and 5 μm or less .
一対の前記超電導線材の前記保護層の一部をエッチングにより除去し、前記超電導層を露出させ、
一対の前記超電導線材の前記超電導層の前記保護層から露出した部分を厚さ方向に対向させ、前記超電導層同士の間にバインダと混合した状態で超電導体の粒状体を塗布するとともに一対の前記超電導線材を重ね合わせ、
一対の前記超電導線材を介して前記粒状体に2.5N/cm2 の負荷を加えた状態で、500℃、24時間で脱脂し、さらに950℃、16時間で加熱することで前記粒状体を焼結し、超電導体からなる多孔質の接合層を形成する、超電導線材の接続構造体の製造方法。 A substrate made of a heat-resistant metal, and the superconducting layer located on one surface side of the substrate, the pair having a protective layer made of Ag or Ag alloy is located on the surface of the hand of the superconducting layer Prepare superconducting wire,
A part of the protective layer of the pair of superconducting wires is removed by etching, the superconducting layer is exposed,
The portions exposed from the protective layer of the superconducting layer of the pair of superconducting wires are opposed to each other in the thickness direction, and a superconductor granular material is applied while being mixed with a binder between the superconducting layers. Superconducting wire
In a state where a load of 2.5 N / cm 2 is applied to the granular body through a pair of superconducting wires, the granular body is degreased at 500 ° C. for 24 hours and further heated at 950 ° C. for 16 hours. A method for producing a superconducting wire connecting structure, comprising sintering and forming a porous bonding layer made of a superconductor.
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