JP6359937B2 - RE oxide superconducting wire manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、超電導マグネット、超電導ケーブル、限流器、発電機、モータ、変圧器等の超電導応用機器に有用なテープ状のRE系酸化物超電導線材の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a tape-shaped RE-based oxide superconducting wire useful for superconducting application equipment such as a superconducting magnet, a superconducting cable, a current limiter, a generator, a motor, and a transformer.
酸化物超電導体は、従来のNb3SnやNb3Al等の金属系超電導体と比較して臨界温度Tcが高く、液体窒素温度を超えることから、送電ケーブル、変圧器、モータ等の超電導応用機器及びデバイスを液体窒素温度で運用できる。 Oxide superconductors have a higher critical temperature Tc than liquid metal superconductors such as conventional Nb 3 Sn and Nb 3 Al and exceed the liquid nitrogen temperature, so superconducting applications such as power cables, transformers, motors, etc. Equipment and devices can be operated at liquid nitrogen temperatures.
酸化物超電導体を上記の分野に適用するためには、臨界電流密度Jc[MA/cm2](以下「Jc」)が高く、かつ高い臨界電流Ic値(以下「Ic」)[A/cm]を有する長尺のテープ状線材を製造する必要があり、その線材化の研究が精力的に行われている。 In order to apply the oxide superconductor to the above field, the critical current density Jc [MA / cm 2 ] (hereinafter “Jc”) is high and the critical current Ic value (hereinafter “Ic”) [A / cm] is high. It is necessary to manufacture a long tape-shaped wire having the following properties, and research into making the wire is energetically performed.
テープ状のRE系酸化物超電導線材の製造方法として、例えば、フッ素を含む有機酸塩(TFA塩:トリフルオロ酢酸塩)を出発原料とした溶液にて成膜する方法(TFA−MOD法)を用いた製造が知られている。この酸化物超電導線材の製造方法では、成膜する溶液の組成・材料を制御することにより、酸化物超電導体の粒界特性及び結晶性が改善され、自己磁場、即ち、77[K]、0[T(テスラ)]におけるJcが向上することが確認されている。 As a method for producing a tape-shaped RE-based oxide superconducting wire, for example, a method (TFA-MOD method) of forming a film with a solution using an organic acid salt containing fluorine (TFA salt: trifluoroacetate) as a starting material is used. The production used is known. In this method for producing an oxide superconducting wire, the grain boundary characteristics and crystallinity of the oxide superconductor are improved by controlling the composition and material of the solution to be deposited, and the self-magnetic field, that is, 77 [K], 0 It has been confirmed that Jc in [T (Tesla)] is improved.
ところで、酸化物超電導体では、印加磁場の増加に伴い、酸化物超電導体内に侵入する量子化磁束の密度が増加し、それらが運動して超電導状態が壊れることにより超電導特性(臨界電流密度Jc・臨界電流Ic値)が低下する。また、酸化物超電導体は、結晶構造に起因して、結晶軸のa軸方向に磁場を加えた際のJc・Icよりも、結晶軸のc軸方向に磁場印加時のJc・Icが低いという特性を有する。 By the way, in the oxide superconductor, as the applied magnetic field increases, the density of the quantized magnetic flux penetrating into the oxide superconductor increases, and the superconducting state (critical current density Jc · The critical current Ic value) decreases. In addition, due to the crystal structure, the oxide superconductor has a lower Jc · Ic when a magnetic field is applied in the c-axis direction of the crystal axis than Jc · Ic when a magnetic field is applied in the a-axis direction of the crystal axis. It has the characteristic.
このため、印加磁場下で使用する機器に利用するためには、印加磁場角度依存性の影響を受けないように、例えば、特許文献1に示すように、酸化物超電導体内に磁束ピンニング点を導入する技術が考えられている。 For this reason, in order to use it for the apparatus used under an applied magnetic field, as shown in Patent Document 1, for example, a magnetic flux pinning point is introduced in the oxide superconductor so as not to be affected by the applied magnetic field angle dependency. Technology to do is considered.
特許文献1では、酸化物超電導体内に、あらゆる磁場方向にも有効な等方的な形状のナノサイズの磁束ピンニング点をナノメートル間隔に均一に導入し、酸化物超電導体内における量子化磁束の移動を妨げることで、Jcを大きく改善している。このように形成された酸化物超電導線材によれば、77[K]、1[T]程度の磁場においては、非常に優れた超電導特性を得ることができたが、それ以上の強い磁場では、Icの低下が著しく、所望の超電導特性を得ることができなかった。 In Patent Document 1, isotropic shape nano-size magnetic flux pinning points that are effective in any magnetic field direction are uniformly introduced into the oxide superconductor at nanometer intervals to move the quantized magnetic flux in the oxide superconductor. This greatly improves Jc. According to the oxide superconducting wire formed as described above, very excellent superconducting characteristics could be obtained in a magnetic field of about 77 [K] and 1 [T]. Ic was remarkably lowered, and the desired superconducting properties could not be obtained.
この原因は、従来の酸化物超電導線材の製造方法では、超電導層中に形成する磁束ピンニング点のサイズをコントロールできず、粗大な粒子の発生を招くことにあり、これに対して、本出願人は、特許文献2に示す技術を提案している。 This is because the conventional method for manufacturing an oxide superconducting wire cannot control the size of the magnetic flux pinning point formed in the superconducting layer, resulting in the generation of coarse particles. Has proposed the technique shown in Patent Document 2.
この技術では、MOD法において、基材に超電導原料溶液を塗布した後の仮焼成処理と、仮焼成処理の後の本焼成処理との間で、仮焼成後の超電導前駆体に対して、本焼成処理も低い温度で中間焼成を施す。これにより、超電導層に形成される磁束ピンニング点のサイズをコントロールして、磁場環境下において、安定した超電導特性(77K、1Tより大きい3Tの磁場において、20[A/cm])を有する超電導線材を製造した。 In this technique, in the MOD method, between the pre-baking process after applying the superconducting raw material solution to the substrate and the main baking process after the pre-baking process, In the baking treatment, intermediate baking is performed at a low temperature. Thereby, the size of the magnetic flux pinning point formed in the superconducting layer is controlled, and the superconducting wire has stable superconducting characteristics (20 [A / cm] in a magnetic field of 3T greater than 77K and 1T) in a magnetic field environment. Manufactured.
しかしながら、近年では、特許文献2で製造される酸化物超電導線材よりも磁場環境下での特性が優れた酸化物超電導線材、例えば、3[T]で50[A/cm]以上の電流を流せる酸化物超電導線材の製造が望まれている。 However, in recent years, an oxide superconducting wire having excellent characteristics in a magnetic field environment compared to the oxide superconducting wire manufactured in Patent Document 2, for example, a current of 50 [A / cm] or more can flow at 3 [T]. Production of oxide superconducting wires is desired.
本発明の目的は、磁場印加環境下において、安定した高い超電導特性を確保できるテープ状のRE系酸化物超電導線材の製造方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a method for producing a tape-shaped RE-based oxide superconducting wire capable of ensuring stable and high superconducting characteristics in a magnetic field application environment.
本発明のRE系酸化物超電導線材の製造方法の一つの態様は、基板上に形成された中間層上に、超電導原料溶液を塗布した後、仮焼成処理を施して超電導前駆体を形成し、前記超電導前駆体に対して本焼成処理を施すことにより、REBayCu3Oz系(REは、Y、Nd、Sm、Eu、Gd及びHoから選択された少なくとも1種以上の元素を示す)のテープ状のRE系酸化物超電導線材を製造する製造方法において、
前記超電導原料溶液は、RE、Ba及びCuを含み、且つ、Baのモル比をy<2の範囲内とした混合溶液に、磁束ピンニング点を形成するZr、Sn、Ce、Ti、Hf、Nbのうち少なくとも一つの添加元素が含まれた溶液であり、
前記仮焼成処理の後で、且つ、前記本焼成処理の前に、前記仮焼成処理における焼成温度より高く、前記本焼成処理における焼成温度より低い温度を保持して前記超電導前駆体を焼成する中間熱処理を行い、
前記中間熱処理は、前記超電導前駆体に対して保持している焼成温度から室温まで急冷する時間は、1時間以内であるようにした。
One aspect of the method for producing a RE-based oxide superconducting wire according to the present invention is to apply a superconducting raw material solution on an intermediate layer formed on a substrate, and then perform a temporary baking treatment to form a superconducting precursor. By subjecting the superconducting precursor to a main firing treatment, REBayCu3Oz-based RE (represents at least one element selected from Y, Nd, Sm, Eu, Gd, and Ho) tape-like RE. In a manufacturing method for manufacturing a system oxide superconducting wire,
The superconducting raw material solution contains RE, Ba and Cu, and Zr, Sn, Ce, Ti, Hf, Nb which forms a magnetic flux pinning point in a mixed solution in which the molar ratio of Ba is in the range of y <2. A solution containing at least one additive element,
After the temporary baking treatment and before the main baking treatment, an intermediate for baking the superconducting precursor while maintaining a temperature higher than the baking temperature in the temporary baking treatment and lower than the baking temperature in the main baking treatment. Heat treatment,
In the intermediate heat treatment, the time for rapid cooling from the firing temperature held for the superconducting precursor to room temperature is within one hour .
本発明によれば、磁束ピンニング点となる非超電導酸化物粒子を昇温中に核発生させ、焼成中、特に昇温中の条件を上記手段とすることにより、磁束ピンニング点の極微細化かつ均一化がなされ、磁場印加環境下において、安定した高い超電導特性を確保できるRE系酸化物超電導線材を製造することができる。 According to the present invention, the non-superconducting oxide particles that serve as the magnetic flux pinning point are nucleated during the temperature rise, and the condition during the firing, particularly during the temperature rise, is used as the above means, so that the magnetic flux pinning point can be made extremely fine and It is possible to produce an RE-based oxide superconducting wire that is uniformized and can ensure stable and high superconducting characteristics in a magnetic field application environment.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
本発明の実施の形態に係るテープ状RE系酸化物超電導線材の製造方法は、テープ状のREBayCu3Oz系(REは、Y、Nd、Sm、Eu、Gd及びHoから選択された少なくとも1種以上の元素を示す)の酸化物超電導線材(ここでは、YBCO超電導線材と称する)を製造する。 The tape-shaped RE-based oxide superconducting wire manufacturing method according to the embodiment of the present invention is a tape-shaped REBa y Cu 3 O z- based (RE is selected from Y, Nd, Sm, Eu, Gd, and Ho) An oxide superconducting wire (herein referred to as a YBCO superconducting wire) of at least one element is produced.
<酸化物超電導線材>
まず、本実施の形態で製造するテープ状の酸化物超電導線材の一例について説明する。
<Oxide superconducting wire>
First, an example of a tape-shaped oxide superconducting wire manufactured in the present embodiment will be described.
図1は、本発明の実施の形態に係るテープ状のRE系酸化物超電導線材の製造方法で製造される酸化物超電導線材のテープの軸方向に垂直な断面を示す概略図である。 FIG. 1 is a schematic view showing a cross section perpendicular to the axial direction of a tape of an oxide superconducting wire manufactured by a method for manufacturing a tape-shaped RE-based oxide superconducting wire according to an embodiment of the present invention.
酸化物超電導線材10は、テープ状の金属基板11上に、中間層12、テープ状の酸化物超電導層(以下、「超電導層」と称する)13、安定化層14が順に積層されることによって形成される。ここでは、中間層12は、第1中間層12a、第1中間層12b、第3中間層12c、第4中間層12dを有する。
The oxide
テープ状の金属基板11は、例えば、ニッケル(Ni)、ニッケル合金、ステンレス鋼又は銀(Ag)である。金属基板11は、ここでは、結晶粒無配向・耐熱高強度金属基板であり、Ni−Cr系(具体的には、Ni−Cr−Fe−Mo系のハステロイ(登録商標)B、C、X等)、W−Mo系、Fe−Cr系(例えば、オーステナイト系ステンレス)、Fe−Ni系(例えば、非磁性の組成系のもの)等の材料に代表される立方晶系のビッカース硬度(Hv)=150以上の非磁性の合金である。金属基板11の厚さは、例えば、0.1mm以下である。
The tape-
第1中間層12aは、テープ状の金属基板11上に、スパッタリング法により形成されたGd2Zr2O7(GZO)、或いはイットリウム安定化ジルコニア(YSZ)等による層である。ここでは、第1中間層12aは、Gd2Zr2O7(GZO)を成膜した全軸配向の中間層として構成されている。なお、この第1中間層12aの厚みは、約1000[nm]である。この全軸配向の第1中間層12a上には、IBAD法によりMgOから成る第2中間層12bが成膜されている。この第2中間層12bの上には、スパッタリング法によりLaMnO3から成る第3中間層12cが成膜されている。更に、この上には、ここでは、スパッタリング法(PLD法でもよい)によってCeO2を蒸着して全軸配向のキャップ層としての第4中間層12dが成膜されている。なお、第4中間層12dの厚みは、約1000[nm]である。また、第4中間層12dを、CeO2膜にGdを添加したCe−Gd−O膜とした場合、超電導層13としてYBCO超電導層を成膜した際に良好な配向性を得るために、膜中のGd添加量を50at%以下にすることが好ましい。この第4中間層12dの上には、MOD法による超電導層13が成膜されている。
The first
この酸化物超電導線材10では、第1中間層12a〜第4中間層12dにより中間層12が形成されている。中間層12が金属基板11上に形成されて複合基板15を構成する。なお、複合基板15は、超電導層13が成膜される基板であり、2軸配向性を有するものでも、配向性の無い金属基板11の上に2軸配向性を有する中間層12を成膜したものでもよい。また、中間層12は、1層から3層或いは5層以上で形成されてもよい。
In the oxide
超電導層13上には、銀、金、白金等の貴金属、あるいはそれらの合金であり低抵抗の金属である安定化層14が設けられている。なお、安定化層14は、超電導層13の直上に形成することによって、超電導層13が金、銀などの貴金属、あるいはそれらの合金以外の材料と直接的な接触によって反応によって引き起こす性能低下を防止する。これに加えて、安定化層14は、事故電流や交流通電により発生した熱を分散して発熱による破壊・性能低下を防止する。安定化層14の厚みはここでは10〜30[μm]である。
On the
超電導層13は、REBayCu3Oz系(REは、Y、Nd、Sm、Eu、Gd及びHoから選択された1種以上の元素を示し、y≦2及びz=6.2〜7である。)の高温超電導薄膜の層である。ここでは、超電導層13は、イットリウム系酸化物超電導体(YBCO超電導層とも称する)である。
The
ここでは、超電導層13は、Baの定比組成を2より小さくした通常の低Ba組成法に用いられる原料溶液組成RE:Ba:Cu=1:1.5:3に添加元素Mを加えて形成された、有効な酸化物粒子である人工ピン粒子(以下、「磁束ピンニング点」と称する)13aを有する。このときの超電導原料溶液組成は、磁束ピンニング点の組成(Zrの場合Ba:Zr=1:1)を考慮して設定される。
Here, the
磁束ピンニング点(人工ピン粒子)13aは、超電導層13中に均一に分散された、Zr、Sn、Ce、Ti、Hf、Nbのうち少なくとも一つの添加元素Mを含む粒径50[nm]以下である。ここでは、超電導層13中の磁束ピンニング点13aは、粒径10[nm]以下となるように制御された化合物としての酸化物粒子である。なお、磁束ピンニング点13aの粒径は、磁束線サイズに近い方がより効果を発揮する。
The magnetic flux pinning point (artificial pin particle) 13a has a particle size of 50 nm or less including at least one additive element M among Zr, Sn, Ce, Ti, Hf, and Nb, which is uniformly dispersed in the
なお、磁束ピンニング点の数nは、超電導層13中に、1[μm3]当たり1.0×103個≦n<1.0×107個含まれることが望ましい。粒子の数が多いとより多くの磁束をピン止めする事ができるため効果的であるが、上記範囲を超えると超電導体の体積減少の効果が大きくなるため超電導電流を阻害し、結局は超電導特性を低下させることとなる。例えば、1[μm3]当たり1.0×107個以上存在する場合には、酸化物粒子の粒径が5[nm]であったとしても体積分率で60%を超える事になり、超電導特性を低下させる。
Note that the number n of the magnetic flux pinning points is preferably included in the
なお、添加元素Mの添加量は、30[wt%]以下である必要があり、特に超電導層全体に対して1[wt%]〜10[wt%]であることが望ましい。1[wt%]〜10[wt%]が望ましい理由としては、磁場中特性向上のためには、添加元素の添加量が多い方がより多くの磁束をピン止め出来るため効果的である。しかしながら、10[wt%]、即ち体積分率30[vol%]を超えると超電導体の体積減少の効果が大きくなると共に、粒子が単独で存在できる臨界を超えるため、ピン止め効果が薄れかつ超電導電流を阻害するからである。さらに、上記範囲を超えると、析出物が凝集して超電導電流を阻害するからである。なお、添加元素MをZr、Sn、Ce、Ti、Hfのうちの少なくとも一つである場合におけるBaとの比は、Ba:M=1:1である。 The addition amount of the additive element M needs to be 30 [wt%] or less, and is preferably 1 [wt%] to 10 [wt%] with respect to the entire superconducting layer. A reason why 1 [wt%] to 10 [wt%] is desirable is that, in order to improve the characteristics in the magnetic field, a larger amount of the additive element can effectively pin more magnetic flux. However, if it exceeds 10 [wt%], that is, the volume fraction is 30 [vol%], the effect of reducing the volume of the superconductor is increased and the criticality that particles can exist alone is exceeded. This is because the current is inhibited. Furthermore, when the above range is exceeded, the precipitates aggregate to inhibit the superconducting current. In addition, when the additive element M is at least one of Zr, Sn, Ce, Ti, and Hf, the ratio with Ba is Ba: M = 1: 1.
添加元素MがZrである場合、磁束ピンニング点13aとして超電導体中に分散して形成される化合物はBaZrO3である。添加元素MがTiである場合、磁束ピンニング点13aとして超電導層13中に分散して形成される化合物はBaTiO3である。また、添加元素MがCeである場合、磁束ピンニング点13aとして超電導層13中に分散して形成される化合物はBaCeO3であり、添加元素MがSnである場合、磁束ピンニング点13aとして超電導層13中に分散して形成される化合物はBaSnO3である。また、添加元素MがHfである場合、磁束ピンニング点13aとして超電導層13中に分散して形成される化合物はBaHfO3である。なお、磁束ピンニング点13aとなる各化合物は、超電導層13中に均一分散される。
When the additive element M is Zr, the compound formed by dispersing in the superconductor as the magnetic
また、添加元素MがNbの場合におけるBaとの比は、Ba:M=1:0.5〜2であり、磁束ピンニング点として超電導体中に分散して形成される化合物は、YNbBa2O6、BaNb2O6等である。なお、各磁束ピンニング点13aとなる化合物は、超電導層13中に均一分散される。
Further, when the additive element M is Nb, the ratio to Ba is Ba: M = 1: 0.5 to 2, and the compound formed dispersed in the superconductor as a magnetic flux pinning point is YNbBa 2 O. 6 , BaNb 2 O 6 and the like. The compound that becomes each magnetic
超電導層(超電導体)13中に磁束ピンニング点13aが形成された超電導線材において、超電導層13中に含まれるBaのモル比は、RE:Ba:Cu=1:1.5:3を満たす比になるようにする。このようにBaのモル比を、その標準モル比(RE:Ba:Cu=1:2:3を満たす比)より小さくすることによって、Baの偏析が抑制され、結晶粒界でのBaベースの不純物の析出が抑制される。これにより形成される超電導層13は、クラックの発生が抑制されるとともに、結晶粒間の電気的結合性が向上して通電電流によって定義されるJcが向上する。
In the superconducting wire in which the magnetic
なお、TFAを含む超電導原料溶液に添加される添加元素Mが、Zrである場合、TFAを含む超電導原料溶液中に、Baと親和性の高いZr含有ナフテン酸塩等を混合する手法を採用してもよい。これにより、超電導層13の組成(RE:Ba:Cu=1:1.5:3を維持しつつ、Baと結合して磁束ピンニング点(人工ピン粒子)13aとなるBaZrO3を形成して超電導層13を形成する粒内に分散させる。このように形成された超電導層13は、粒界偏析によるJc低下することなく、粒界特性が改善される。
In addition, when the additive element M added to the superconducting raw material solution containing TFA is Zr, a method of mixing a Zr-containing naphthenate having a high affinity with Ba into the superconducting raw material solution containing TFA is adopted. May be. As a result, while maintaining the composition of the superconducting layer 13 (RE: Ba: Cu = 1: 1.5: 3), BaZrO 3 that forms a magnetic flux pinning point (artificial pin particle) 13a by combining with Ba is formed. The
さらに、超電導層13内に形成されたBaZrO3が膜面方向だけでなく、膜厚方向にもナノサイズ、ナノ間隔に存在しこれらが磁束を有効にピンニングし、磁場印加角度に対するJcの異方性を著しく改善することが可能となる。また、BaZrO3のサイズ、密度及び分散を制御するためには、Zr含有ナフテン酸塩等の導入量だけでなく、仮焼熱処理時及び本焼熱(結晶化熱)処理時の酸素分圧、水蒸気分圧、焼成温度の制御により可能となる。これらの最適化を行うことにより有効な磁束ピンニング点13aの導入が可能となる。
Further, BaZrO 3 formed in the
また、酸化物超電導線材10では、Ba濃度を低減したRE系超電導層において、超電導層中に人工的にZr含有磁束ピンニング点13aを微細分散させることができる。このため、Jcの磁場印加角度依存性(Jc,min/Jc,max)が小さく、かつ、高磁場で高いJcを有する磁場特性を有するとともに、Jcの磁場印加角度依存性(Jc,min/Jc,max)も著しく向上できる。よって、自己磁場に加えて、磁場中でも、あらゆる磁場印加角度方向に対しても有効に磁束をピンニングして、等方的Jc特性が得られることで高い超電導特性(臨界電流密度Jc[MA/cm2]および臨界電流Ic[A/cm−width])を確保できる。
Moreover, in the
<超電導線材の製造方法>
このような超電導層13を有するRE系の酸化物超電導線材10は、図2に示すように製造される。
<Manufacturing method of superconducting wire>
The RE-based
図2は、同本実施の形態のRE系酸化物超電導線材の製造方法の説明に供する模式図である。図2では、RE系酸化物超電導線材としてYBCO超電導層を備える線材として説明する。 FIG. 2 is a schematic diagram for explaining a method for manufacturing the RE-based oxide superconducting wire according to the present embodiment. In FIG. 2, it demonstrates as a wire provided with a YBCO superconducting layer as RE type oxide superconducting wire.
本実施の形態では、MOD法によって、YBCO酸化物超電導線材である酸化物超電導線材10を製造する。酸化物超電導線材10の製造において、超電導原料溶液を基板に塗布した後に、アモルファス状の超電導前駆体(以下、「前駆体」という)とするための仮焼成処理を行う。次いで、仮焼成処理の後で且つ結晶化熱処理を行う本焼成処理の前に、中間熱処理として、本焼成処理における本焼成温度よりも低い温度で熱処理を行い且つ室温まで急冷する。この中間熱処理が施され、且つ、超電導層に磁束ピンニングを含む前駆体に対して、本焼成処理を施すことを経てRE系(YBCO)酸化物超電導線材を製造する。以下、詳細に説明する。
In the present embodiment, the
まず、テープ状の基板、例えば、Ni合金基板(基材)11(図1参照)上に、テンプレートとしてスパッタリング法によりGd2Zr2O7中間層12aを成膜し、さらに、その上に、IBAD法によりMgOから成る第2中間層12bを成膜する(図1参照)。次いで、第2中間層12bの上にスパッタリング法によりLaMnO3から成る第3中間層12cを成膜し、更に、この上に、スパッタリング法或いはPLD方によりCeO2からなる第4中間層12dを成膜して複合基板15が形成される(図2参照)。
First, a Gd 2 Zr 2 O 7
この複合基板15上に、塗布工程Aで超電導原料溶液を塗布して塗布膜を形成する。
A superconducting raw material solution is applied on the
具体的には、図2の塗布工程Aにおいて、複合基板15(金属基板11上に形成した中間層12)上に、フッ素を含む有機酸塩を出発原料とする超電導原料溶液をディップコート法により塗布される。
Specifically, in the coating step A of FIG. 2, a superconducting raw material solution starting from an organic acid salt containing fluorine is applied to the composite substrate 15 (
超電導原料溶液は、ここでは、Y―TFA塩(トリフルオロ酢酸塩)、Ba―TFA塩およびCu―ナフテン酸塩を有機溶媒中にY:Ba:Cu=1:y<2:3の比率で溶解した混合溶液である。例えば、超電導原料溶液中に含まれるBaのモル比yは1.5とする。 Here, the superconducting raw material solution is composed of Y-TFA salt (trifluoroacetate salt), Ba-TFA salt and Cu-naphthenic acid salt in an organic solvent at a ratio of Y: Ba: Cu = 1: y <2: 3. It is a dissolved mixed solution. For example, the molar ratio y of Ba contained in the superconducting raw material solution is 1.5.
また、この超電導原料溶液中には、磁束ピンニング点13aとして形成されるZr、Ce、Sn、Hf、Nb又はTiを含む粒径50[nm]以下、好ましくは粒径10[nm]以下の酸化物粒子(添加元素)が添加されている。
Further, in this superconducting raw material solution, an oxidation having a particle size of 50 [nm] or less, preferably 10 [nm] or less, containing Zr, Ce, Sn, Hf, Nb or Ti formed as the magnetic
なお、超電導原料溶液としては、下記(a)〜(d)の混合溶液を用いることが好ましい。
(a)REを含む有機金属錯体溶液:REを含むトリフルオロ酢酸塩、ナフテン酸塩、オクチル酸塩、レブリン酸塩、ネオデカン酸塩、酢酸塩のいずれか1種以上を含む溶液、特に、REを含むトリフルオロ酢酸塩溶液であることが望ましい。
(b)Baを含む有機金属錯体溶液:Baを含むトリフルオロ酢酸塩の溶液
(c)Cuを含む有機金属錯体溶液:Cuを含むナフテン酸塩、オクチル酸塩、レブリン酸塩、ネオデカン酸塩、酢酸塩のいずれか1種以上を含む溶液
(d)Baと親和性の大きい金属を含む有機金属錯体溶液:Zr、Sn、Ce、Ti、Hf、Nbから選択された少なくとも1種以上の金属を含むトリフルオロ酢酸塩、ナフテン酸塩、オクチル酸塩、レブリン酸塩、ネオデカン酸塩、酢酸塩のいずれか1種以上を含む溶液
In addition, it is preferable to use the following mixed solutions (a) to (d) as the superconducting raw material solution.
(A) Organometallic complex solution containing RE: a solution containing one or more of trifluoroacetate, naphthenate, octylate, levulinate, neodecanoate, and acetate containing RE, particularly RE A trifluoroacetate solution containing is desirable.
(B) Organometallic complex solution containing Ba: trifluoroacetate solution containing Ba (c) Organometallic complex solution containing Cu: Naphthenate, octylate, levulinate, neodecanoate containing Cu, A solution containing any one or more of acetates (d) An organometallic complex solution containing a metal having a high affinity with Ba: at least one metal selected from Zr, Sn, Ce, Ti, Hf, and Nb A solution containing any one or more of trifluoroacetate, naphthenate, octylate, levulinate, neodecanoate and acetate
このように構成される超電導原料溶液を複合基板15に塗布した後、仮焼成処理工程Bで塗布した超電導原料溶液を仮焼成する。この仮焼成処理工程Bにおける仮焼成処理によって、複合基板15上の塗布膜は、アモルファス状の超電導前駆体(以下、「前駆体」という)となる。なお、塗布工程Aでは、上記のディップコート法以外にインクジェット法、スプレー法などを用いることも可能であるが、基本的には、連続して混合溶液を複合基板15上に塗布できるプロセスであればこの例によって制約されない。1回に塗布する膜厚は0.01[μm]〜2.0[μm]、好ましくは0.1[μm]〜1.0[μm]である。なお、複合基板15において、基材上に形成される中間層は、Gd2Zr2O7中間層上に、CeO2からなる中間層を成膜して形成したものでもよい。
After the superconducting raw material solution thus configured is applied to the
この塗布工程Aおよび仮焼成処理工程Bを所定回数繰り返す、つまり、テープ状酸化物超電導線材10の複合基板15における中間層12上での塗布膜をマルチコートする。所定回数は、超電導層となる塗布膜の厚みに応じて繰り返すものであり、繰り返す数の増加により塗布膜の厚みも厚くなる。これにより、複合基板15における中間層上に、所望の膜厚のYBCO超電導層(以下、「超電導層」とも称する)となる前駆体としての膜体(図2に示す「前駆体」)を形成する。
The coating process A and the pre-baking process B are repeated a predetermined number of times, that is, the coating film on the
このように塗布工程Aおよび仮焼成処理工程Bを所定回数繰り返す(マルチコートする)ことによって、超電導層となる前駆体を形成する。 Thus, the precursor used as a superconducting layer is formed by repeating the application | coating process A and the temporary baking processing process B predetermined number of times (multi-coating).
この前駆体を形成する仮焼成処理工程Bの後、前駆体に対して、中間熱処理工程Cで、本焼成処理温度より低い温度で中間焼成処理を行った後で室温まで急冷する。 After the preliminary firing treatment step B for forming the precursor, the precursor is subjected to an intermediate firing treatment at a temperature lower than the main firing treatment temperature in the intermediate heat treatment step C, and then rapidly cooled to room temperature.
中間熱処理工程Cは、中間焼成工程C1と、急冷工程C2とを有する。中間焼成工程C1は、仮焼成後の前駆体に対し、本焼成処理で前駆体がYBCOの結晶化温度に至る前に、中間焼成処理を施すことで、前駆体中における仮焼での残存有機分あるいは剰余フッ化物を排出する。 The intermediate heat treatment step C includes an intermediate firing step C1 and a rapid cooling step C2. The intermediate firing step C1 is performed by subjecting the precursor after the preliminary firing to an intermediate firing treatment before the precursor reaches the crystallization temperature of YBCO in the final firing treatment, so that residual organic in the preliminary firing in the precursor is performed. The minute or surplus fluoride is discharged.
急冷工程C2は、中間焼成工程C1に次いで、前駆体に対して、中間焼成工程C1の中間焼成処理で保持している温度から室温になるまで急冷する。この急冷工程C2は、中間焼成処理を施した前駆体を、中間焼成後に放置して冷却(自然冷却)するよりも、早い時間で、中間焼成温度から室温になるように積極的に冷却する。 In the rapid cooling step C2, after the intermediate firing step C1, the precursor is rapidly cooled from the temperature held in the intermediate firing process of the intermediate firing step C1 to room temperature. In the rapid cooling step C2, the precursor subjected to the intermediate baking treatment is actively cooled so as to reach the room temperature from the intermediate baking temperature in a faster time than leaving the precursor after the intermediate baking and cooling (natural cooling).
その後、本焼成処理工程Dでは、中間熱処理工程Cで中間焼成処理が施された前駆体に対して、結晶化熱処理(本焼成処理)を行う。本焼成処理工程Dの後、生成されたYBCO超電導体上にスパッタ法により安定化層(例えば、Ag安定化層)14(図1参照)を形成し、後熱処理を施してYBCO超電導線材が製造される。 Thereafter, in the main baking treatment step D, a crystallization heat treatment (main baking treatment) is performed on the precursor subjected to the intermediate baking treatment in the intermediate heat treatment step C. After the main firing treatment step D, a stabilization layer (for example, Ag stabilization layer) 14 (see FIG. 1) is formed on the produced YBCO superconductor by sputtering, and post-heat treatment is performed to produce a YBCO superconducting wire. Is done.
これにより、結晶化温度で本焼成処理を施す本焼成処理工程Dでは、磁束ピンニング点が均一に分散され、且つ、磁場印加特性に優れたYBCO層を有する超電導線材(YBCO超電導線材)を製造している。 As a result, in the firing process step D in which the firing process is performed at the crystallization temperature, a superconducting wire (YBCO superconducting wire) having a YBCO layer in which magnetic flux pinning points are uniformly dispersed and magnetic field application characteristics are excellent is manufactured. ing.
仮焼成工程B後の中間熱処理工程C(中間焼成工程C1、急冷工程C2)及び本焼成処理工程Dは、例えば、図3及び図4に示すバッチ式の熱処理装置20を用いて行ってもよい。
The intermediate heat treatment step C (intermediate firing step C1, rapid cooling step C2) and the main firing treatment step D after the preliminary firing step B may be performed using, for example, a batch
<熱処理装置の構成>
図3は、本発明の実施の形態に係るRE系酸化物超電導線材の製造方法における熱処理装置の構造を示す概略断面図であり、図4はその内部に配置される円筒状の回転体を示す。この回転体は、石英ガラス、セラミックス、ハステロイまたはインコネル等の高温に耐え、酸化しないものにより形成する。
<Configuration of heat treatment equipment>
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a heat treatment apparatus in the method for producing an RE-based oxide superconducting wire according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 shows a cylindrical rotating body arranged inside the heat treatment apparatus. . The rotating body is formed of a material that can withstand high temperatures and does not oxidize, such as quartz glass, ceramics, Hastelloy, or Inconel.
熱処理装置20は、所謂、バッチ型の電気炉であり、雰囲気ガスが導入される炉体22とこの炉体22の外部に配置された電気ヒータ23とからなる熱処理炉24と、熱処理炉24の内部(詳細には炉体22の内部)に配置された円筒状の回転体25とを備える。
The
この円筒状の回転体25は、この熱処理炉24の内部に水平方向の回転軸に対して回転可能に配置されている。この回転体25の外周に、被熱処理物である基板上に2軸配向性を有する中間層を形成した複合基板15の上にY系(123)超電導層の前駆体を成膜したテープ状線材10(便宜上、「酸化物超電導線材」と同符号で説明する)が巻回されて超電導体生成の熱処理が施される。
The cylindrical
回転体25の円筒体25aには、テープ状線材10のテープ幅の1/2以下の径を有する多数の貫通孔25bが円筒体25aの全面に均一に形成されている。円筒体25aの一端側は蓋体25cにより密封され、他端側は円筒体内部のガスを熱処理炉24外へ排出するためのガス排出管27が蓋体に接続されている。
In the
また、円筒体25aの外表面に離間して複数(少なくとも4本)のガス供給管28が回転体25の回転軸に対して対称に配置されている。各ガス供給管28には、多数のガス噴出孔(図示せず)が円筒体25aの表面に向かって雰囲気ガスを噴出するように形成されている。ガス供給管28の長さは、円筒体25aの高さよりも長くすることが好ましい。ガス噴出孔の径は、ガス圧およびガス流量が均一になるように設計されている。ガス供給管28は、石英ガラス、セラミックス、ハステロイまたはインコネル等の高温に耐え、酸化しない材料により形成される。
A plurality (at least four) of
雰囲気ガスは、ガス供給管28に接続された接続管(図示せず)を通じて熱処理炉24外に配置された雰囲気ガス供給装置(図示せず)からガス供給管28に送給される。
The atmospheric gas is supplied to the
この熱処理装置20は、熱処理炉24の内部を減圧雰囲気に保つことができるように構成されている。なお、雰囲気ガス供給装置は、不活性ガス、酸素ガス、ドライガスおよび水蒸気を供給するガス系統に接続され、熱処理のパターンに合わせてこれらの雰囲気ガスを変化させる機構を備える。なお、雰囲気ガス供給装置から供給されるガスの温度を制御自在にしてもよい。
The
また、熱処理装置20は、電気ヒータ23を含む焼成機能とともに、炉体22内のテープ状線材10を急冷する急冷装置29による急冷機能を備える。すなわち、この熱処理装置20は、中間熱処理工程Cで用いられ、中間熱処理工程Cの中間焼成工程C1と、急冷工程C2とを行うことができる。炉体22は、電気ヒータ23ともに熱処理炉24として機能するとともに、急冷装置29とともに、冷却炉としても機能する。急冷装置29は、炉体22内を、自然冷却(電気ヒータ23を切って放置して冷却)と比べて急冷することで、炉体22内のテープ状線材10の前駆体に対する焼成温度を、中間焼成で保持している温度から室温まで急冷する冷却工程C2で用いられる。
The
上記の熱処理装置20において、テープ状線材10が巻回された円筒状の回転体25が所定の回転速度で駆動機構(図示せず)により回転される。これとともに、電気ヒータ23によって加熱雰囲気に保持された熱処理炉24の内部に、ガス供給管28の多数のガス噴出孔から雰囲気ガス(ここでは水蒸気ガス)が円筒体表面に向かって噴出される。一方、この雰囲気ガスは、円筒体25aの多数の貫通孔25bから円筒体25a内部に吸入され、円筒体25aの他端側に接続されたガス排出管27を経由して熱処理炉24外へ排出される。
In the
このように構成された熱処理装置20は、超電導原料溶液が塗布される(図2の塗布工程A)と、仮焼成処理Bとによって中間層上に添加元素を含む前駆体が形成されたテープ状線材10に対して、中間熱処理工程C(中間焼成工程C1及び急冷工程C2)と、本焼成処理工程Dとを行う。
The
熱処理装置20は、中間熱処理工程Cとして、まず、中間焼成工程C1として、テープ状線材10における添加元素(例えば、Zr)を含む前駆体に対して、本焼成処理工程Dにおける本焼成処理温度より低い温度を所定時間保持することで焼成を行う。
In the
ここでは、熱処理装置20は、中間焼成工程C1として、図5に示すように、本焼成処理温度よりも低い温度で中間焼成処理温度まで加熱し、この温度を定温として所定時間維持する。ここで、中間焼成工程C1における中間焼成処理温度は、400[℃]〜700[℃]が好ましい。さらに、中間焼成工程C1における中間焼成温度は2時間以上5時間以下に保持されることがこの好ましい。
Here, as shown in FIG. 5, the
上記温度範囲外であると中間焼成処理後の前駆体に未反応化合物が残存してしまい、所望の特性が得られない。すなわち、上記範囲未満では中間焼成の効果が無く、上記範囲を超えると磁束ピンニング点の粗大化と前駆体中のBaF2の粗大化、分解が進行し、無配向REBCO結晶が生じ易くなるため、超電導特性が低下する。また、中間焼成工程C1における中間焼成処理温度は、仮焼成熱処理工程Bにおける仮焼成処理温度よりも高くすることが好ましい。 If it is outside the above temperature range, unreacted compounds remain in the precursor after the intermediate firing treatment, and desired characteristics cannot be obtained. That is, if it is less than the above range, there is no effect of intermediate firing, and if it exceeds the above range, the coarsening of the magnetic flux pinning point and the coarsening and decomposition of BaF 2 in the precursor proceed, and unoriented REBCO crystals are likely to occur. Superconducting properties are degraded. Moreover, it is preferable that the intermediate baking temperature in the intermediate baking step C1 is higher than the temporary baking temperature in the temporary baking heat treatment step B.
また、中間焼成工程C1において、中間焼成処理温度を維持する所定時間は、[h]は、膜厚[μm]×1.0〜10.0の範囲であることが望ましい。上記範囲未満では、中間焼成処理の効果が無く磁場中の超電導特性が低くなる。また上記範囲を超えると、BZOの粗大化が生じ磁場中における超電導特性が低下する。 In the intermediate firing step C1, it is desirable that the predetermined time for maintaining the intermediate firing temperature is [h] in the range of film thickness [μm] × 1.0 to 10.0. If it is less than the said range, the effect of an intermediate | middle baking process does not exist and the superconducting characteristic in a magnetic field becomes low. When the above range is exceeded, the coarsening of BZO occurs, and the superconducting characteristics in the magnetic field deteriorate.
また、中間焼成工程C1において、熱処理装置20は、炉体22内に、中間焼成処理で保持する中間熱処理温度よりも低い温度から水蒸気ガスを導入することで、テープ状線材10の前駆体に対して、水蒸気ガス雰囲気中で中間焼成処理を施すことが好ましい。
Further, in the intermediate firing step C1, the
このように、炉体22内に、中間焼成工程C1で保持する中間焼成処理温度よりも低い温度から水蒸気ガスを導入することによって、炉体22内において昇温後の中間焼成処理温度到達時点における水蒸気ガスの量を十分に確保できる。これにより、前駆体における磁束ピンニング点のサイズが粗大化することがなく、特定の範囲内のサイズになり、3[T]の環境下でも超電導特性Ic50[A/cm]以上にすることができる。
In this way, by introducing the steam gas from the temperature lower than the intermediate firing temperature maintained in the intermediate firing step C1 into the
中間焼成工程C1で中間焼成処理が施されたアモルファス状の前駆体は、急冷工程C2で、前駆体に対する焼成温度を、中間焼成工程C1で保持している中間焼成温度から室温まで、自然冷却する場合と比して急冷する。 The amorphous precursor subjected to the intermediate firing process in the intermediate firing process C1 is naturally cooled in the rapid cooling process C2 from the intermediate firing temperature held in the intermediate firing process C1 to the room temperature. Cool faster than the case.
ここでは、供給管28を介して供給される雰囲気ガスにより、炉体22内をドライガス雰囲気にしつつ、この雰囲気を、急冷装置29で、炉体22内に冷却風を供給したり、炉体22自体を外部から冷却することで、急冷する。例えば、雰囲気ガス供給装置は、炉体22内が所定時間、中間焼成温度で保持された後、中間焼成時で供給している水蒸気ガスに替えてドライガスを炉体22内に供給して、室温まで急冷してもよい。
Here, while the inside of the
中間熱処理工程Cの急冷工程C2による急冷は、1時間以内で行う。 The rapid cooling by the rapid cooling step C2 of the intermediate heat treatment step C is performed within 1 hour.
この急冷工程C2では、前駆体を、中間焼成で保持している温度から室温まで20[℃以上/分]で急冷する。 In this rapid cooling step C2, the precursor is rapidly cooled at 20 [° C./minute] from the temperature maintained in the intermediate firing to the room temperature.
このように中間熱処理工程Cにおいて、中間焼成温度から室温に1時間以内に急激に下げることで、前駆体中で均一に分散された磁束ピンニング点となる粒子は、微細なまま固定され、超電導層の焼成時に粗大化が生じない。 In this way, in the intermediate heat treatment step C, by rapidly lowering the temperature from the intermediate firing temperature to room temperature within 1 hour, the particles serving as magnetic flux pinning points uniformly dispersed in the precursor are fixed finely, and the superconducting layer No coarsening occurs during firing.
中間熱処理工程Cにおける急冷処理は、急冷装置29を用いて行うようにしたがこれに限らない。例えば、雰囲気ガス供給装置が、急冷装置29としての機能を有してもよい。この場合の雰囲気ガス供給装置としての急冷装置29は、中間焼成処理中に供給するドライガス自体を冷却し冷却ガスにする。この冷却ガスを炉体22内に送出することで、炉体22内のテープ状線材10の前駆体に対する焼成温度を、中間焼成で保持している温度から室温まで毎分20[℃]以上で冷却する。この構成によれば、熱処理装置20において雰囲気ガス供給装置とは別に急冷装置29を設ける必要がない。
The rapid cooling process in the intermediate heat treatment step C is performed using the
熱処理装置20は、中間熱処理工程C(具体的には、急冷工程C2)に連続して本焼成処理工程Dを施すことが好ましい。すなわち、熱処理装置20は、図5に示すように、定温維持された中間焼成処理温度から室温まで急冷した直後(急冷工程C2の直後)に続けて本焼成処理温度まで加熱し、所定時間の間、定温維持(本焼成処理)する。例えば、急冷工程C2として、テープ状線材10の前駆体に対して、中間焼成温度600[℃]から室温として20[℃]〜30[℃]まで急冷した後、本焼成処理工程Dとして、本焼成温度800[℃]まで加熱する。
It is preferable that the
このように、前駆体に対して、中間焼成処理で中間焼成して急冷した後に、本焼成処理を連続して施すことで、中間焼成処理で急冷することで磁束ピンニング点の成長を止めた後で、結晶化させることができる。 In this way, after the precursor is subjected to intermediate firing in the intermediate firing treatment and rapidly cooled, then the main firing treatment is continuously performed, and after the growth of the magnetic flux pinning point is stopped by quenching in the intermediate firing treatment. And can be crystallized.
また、前駆体に対して、中間熱処理工程C(中間焼成工程C1及び急冷工程C2)と本焼成処理工程Dとをバッチ式の熱処理装置20で施すため、密閉された炉体22内で効果的に焼成、急冷、焼成を行うことができる。これにより、超電導特性の優れた超電導層を有する酸化物超電導線材を安定して製造できる。さらに、熱処理装置20は、バッチ方式であるため、reel-to-reel方式で焼成を施す場合と比較して、炉内の雰囲気をコントロールし易いだけでなく、温度・圧力などの制御が容易になる。これにより、安定した超電導層を形成でき、かつ、短時間で酸化物超電導線材を製造できる。
Further, since the intermediate heat treatment step C (intermediate firing step C1 and rapid cooling step C2) and the main firing treatment step D are performed on the precursor by the batch type
また、本実施の形態によれば、製造されたRE系酸化物超電導線材(テープ状線材に相当)10は、77[K]、3[T]の場合に、磁場印加角度を変えて測定した超電導特性Ic値の最大値と最小値の比は1.5倍以内である。これは従来と比較して、磁場印加角度による超電導特性Ic変化が小さくなっている。 Further, according to the present embodiment, the manufactured RE-based oxide superconducting wire (corresponding to a tape-like wire) 10 was measured by changing the magnetic field application angle in the case of 77 [K] and 3 [T]. The ratio between the maximum value and the minimum value of the superconducting characteristic Ic value is within 1.5 times. Compared with the conventional technique, the change in the superconducting characteristic Ic due to the magnetic field application angle is small.
このように本実施の形態によれば、テープ状の複合基板上で仮焼成により形成された前駆体に対して、本焼成処理の前に、本焼成温度よりも低い温度で中間焼成処理を施して自然冷却に比して室温まで急冷する。これにより前駆体(すなわち超電導層)中の磁束ピンニング点は微細且つ均一なサイズのまま分散した状態で固定される。これにより、磁束ピンニング点の粗大化が生じることがなく、磁場中の超電導特性を著しく低下させることがない、つまり、従来と異なり、磁場印加角度依存性の小さい超電導特性を得ることができる。 As described above, according to the present embodiment, the precursor formed by temporary firing on the tape-shaped composite substrate is subjected to the intermediate firing treatment at a temperature lower than the firing temperature before the firing treatment. Compared to natural cooling, cool to room temperature. Thereby, the magnetic flux pinning points in the precursor (that is, the superconducting layer) are fixed in a dispersed state with a fine and uniform size. As a result, the magnetic flux pinning point is not coarsened, and the superconducting characteristics in the magnetic field are not significantly reduced. That is, unlike the prior art, it is possible to obtain superconducting characteristics that are less dependent on the magnetic field application angle.
<実施例1>
熱処理装置20を用いた本実施の形態のRE系酸化物超電導線材の製造方法によって、図1に示すRE系酸化物超電導線材を製造した。RE系酸化物超電導線材は、基板上に、中間層として順にGdZrO層、MgO層、LaMnO3層、CeO層を積層して複合基板上に、磁束ピンとして2[wt%]のZrを含有したY0.77Gd0.23Ba1.5+zCu3Ox超電導層(超電導層の膜厚1.5[μm])を有する。
<Example 1>
The RE-based oxide superconducting wire shown in FIG. 1 was manufactured by the RE-based oxide superconducting wire manufacturing method of the present embodiment using the
実施例1では、まず、複合基板に超電導原料溶液を塗布する塗布工程Aと、温度勾配2[℃/分]、最高加熱温度(仮焼成処理温度)400[℃]、最高加熱温度の保持時間1[時間]の条件で仮焼成処理を施す仮焼成処理工程Bとで、超電導層の前駆体を形成した。 In Example 1, first, a coating process A for applying a superconducting raw material solution to a composite substrate, a temperature gradient of 2 [° C./min], a maximum heating temperature (temporary baking treatment temperature) of 400 [° C.], and a holding time of the maximum heating temperature. The precursor of the superconducting layer was formed in the pre-baking treatment step B in which the pre-baking treatment was performed under the condition of 1 [hour].
そして、この前駆体に対して、中間熱処理工程Cの中間焼成工程C1では、温度勾配3[℃/分]で最高加熱温度(中間焼成温度)600[℃]まで加熱して5時間保持して、中間焼成処理を施した。そして、急冷工程C2では、冷却したドライガスを炉体22内に導入して30[℃/分]下がるように、19分間継続して冷却し、前駆体の温度を中間焼成温度から室温になるまで急冷した。
In the intermediate firing step C1 of the intermediate heat treatment step C, the precursor is heated to a maximum heating temperature (intermediate firing temperature) of 600 [° C.] with a temperature gradient of 3 [° C./min] and held for 5 hours. Then, an intermediate baking treatment was performed. Then, in the rapid cooling step C2, the cooled dry gas is introduced into the
このような熱処理条件で焼成処理及び急冷処理を中間熱処理工程Cで施した後、本焼成処理工程Dで、急冷後の前駆体に対し、温度勾配3[℃/分]で室温から最高加熱温度(本焼成処理温度)800℃まで加熱し、12時間保持することで本焼成処理を行い、超電導層を形成した。 After the firing treatment and the rapid cooling treatment are performed in the intermediate heat treatment step C under such heat treatment conditions, in the main firing treatment step D, the precursor after the rapid cooling is heated from room temperature to the maximum heating temperature at a temperature gradient of 3 [° C./min]. (Main baking processing temperature) The main baking processing was performed by heating to 800 degreeC and hold | maintaining for 12 hours, and the superconducting layer was formed.
<比較例1>
実施例1の製造方法において、冷却すること無く、本焼成処理を行うことでRE系酸化物超電導線材を形成した。
<比較例2>
実施例1の製造方法において、中間熱処理工程Cで、急冷工程を行うことなく、焼成処理後の前駆体を放置して、室温まで自然冷却した後で本焼成処理を行うことでRE系酸化物超電導線材を形成した。
<Comparative Example 1>
In the manufacturing method of Example 1, the RE-based oxide superconducting wire was formed by performing the main baking treatment without cooling.
<Comparative example 2>
In the production method of Example 1, the RE-based oxide is obtained by leaving the precursor after the firing treatment in the intermediate heat treatment step C without performing the rapid cooling step, and performing the main firing treatment after naturally cooling to room temperature. A superconducting wire was formed.
<参照例1>
実施例1の製造方法において、中間熱処理工程Cの急冷工程C1で、中間焼成温度から室温になるまで約2時間(4.75[℃/分]下がるように)冷却した。
<参照例2>
実施例1の製造方法において、中間熱処理工程Cの急冷工程C1で、中間焼成温度から約10分で室温になるように(4.75[℃/分]下がるように)急冷した。
<Reference Example 1>
In the production method of Example 1, in the rapid cooling step C1 of the intermediate heat treatment step C, cooling was performed for about 2 hours (so that the temperature decreased by 4.75 [° C./min]) from the intermediate firing temperature to room temperature.
<Reference Example 2>
In the production method of Example 1, in the rapid cooling step C1 of the intermediate heat treatment step C, the sample was rapidly cooled so as to reach room temperature in about 10 minutes from the intermediate firing temperature (4.75 [° C./minute]).
このように、これらの条件で得られた酸化物超電導線材において、77[K],0[T]における超電導特性Ic値、77[K],3[T]の磁場環境における超電導特性Ic値の印加角度依存性を測定した際の最大値及び最小値の比Icmax/Icmin、また、超電導層中に分散したBaZrO3の最大粒径を表1に示した。 Thus, in the oxide superconducting wire obtained under these conditions, the superconducting characteristic Ic value at 77 [K], 0 [T] and the superconducting characteristic Ic value in a magnetic field environment of 77 [K], 3 [T] Table 1 shows the maximum and minimum ratio Icmax / Icmin when the application angle dependency was measured, and the maximum particle diameter of BaZrO 3 dispersed in the superconducting layer.
表1で、実施例1と比較例1との比較から明らかなように、仮焼成と本焼成の間で、前駆体に対して中間焼成処理後に急冷した方が、中間焼成後に冷却せずに中間焼成温度から本焼温度に昇温して本焼成処理を施す場合と比較して、BZOの粒径の最大サイズを小さくでき、実施例1は、比較例1の酸化物超電導線材と比較して、磁場印加環境下における超電導特性が優れるものとなった。 As is clear from comparison between Example 1 and Comparative Example 1 in Table 1, between the pre-baking and the main baking, the precursor that was rapidly cooled after the intermediate baking treatment was not cooled after the intermediate baking. Compared with the case where the main baking treatment is performed by raising the temperature from the intermediate baking temperature to the main baking temperature, the maximum size of the particle size of BZO can be reduced. Example 1 is compared with the oxide superconducting wire of Comparative Example 1. Thus, the superconducting characteristics under a magnetic field application environment are excellent.
表1では、実施例1と比較例2との比較から明らかなように、中間熱処理工程Cにて、中間熱処理後、急冷した方が、自然冷却する場合と比較して、BZOの粒径の最大サイズを小さくでき、実施例1は、比較例1の酸化物超電導線材と比較して、磁場印加環境下における超電導特性が優れるものとなった。
また、実施例1と比較例1,2との比較から、比較例1,2は、いずれも実施例1よりもBZOの粒径の最大サイズが大きく、Icmax/Icminの比は1.5を超えている。これに対し、実施例1では、Icmax/Icminは1.5以内である。
In Table 1, as is clear from the comparison between Example 1 and Comparative Example 2, in the intermediate heat treatment step C, after the intermediate heat treatment, the one that is rapidly cooled has a particle size of BZO as compared with the case of natural cooling. The maximum size could be reduced, and Example 1 was superior in superconducting characteristics in a magnetic field application environment as compared with the oxide superconducting wire of Comparative Example 1.
Further, from comparison between Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, Comparative Examples 1 and 2 both have a larger maximum particle size of BZO than Example 1, and the ratio of Icmax / Icmin is 1.5. Over. On the other hand, in Example 1, Icmax / Icmin is within 1.5.
また、実施例1と参照例1及び参照例2との比較から明らかなように、中間熱処理工程Cにて、中間熱処理後、室温まで冷却する時間が短い方が、BZOの粒径の最大サイを小さくできるものとなった。 Further, as is clear from the comparison between Example 1 and Reference Example 1 and Reference Example 2, in the intermediate heat treatment step C, the shorter the time for cooling to room temperature after the intermediate heat treatment, the larger the size of the BZO particle size. Can be made smaller.
本発明に係る酸化物超電導線材の製造方法は、磁場印加環境下において、安定した高い超電導特性を確保できる効果を有し、磁場印加環境下に配置される酸化物超電導線材の製造方法として有用である。 The method for producing an oxide superconducting wire according to the present invention has an effect of ensuring stable and high superconducting characteristics in a magnetic field application environment, and is useful as a method for producing an oxide superconducting wire disposed in a magnetic field application environment. is there.
10 RE系酸化物超電導線材
11 金属基板
12 中間層
12a 第1中間層
12b 第2中間層
12c 第3中間層
12d 第4中間層
13 超電導層
13a 磁束ピンニング点
14 安定化層
15 複合基板
20 熱処理装置
22 炉体
23 電気ヒータ
24 熱処理炉
25 回転体
25a 円筒体
25b 貫通孔
25c 蓋体
27 排出管
28 供給管
29 急冷装置
C1 中間焼成工程
C2 急冷工程
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記超電導原料溶液は、RE、Ba及びCuを含み、且つ、Baのモル比をy<2の範囲内とした混合溶液に、磁束ピンニング点を形成するZr、Sn、Ce、Ti、Hf、Nbのうち少なくとも一つの添加元素が含まれた溶液であり、
前記仮焼成処理の後で、且つ、前記本焼成処理の前に、前記仮焼成処理における焼成温度より高く、前記本焼成処理における焼成温度より低い温度を保持して前記超電導前駆体を焼成する中間熱処理を行い、
前記中間熱処理は、前記超電導前駆体に対して保持している焼成温度から室温まで急冷する時間は、1時間以内であることを特徴とするRE系酸化物超電導線材の製造方法。 After applying the superconducting raw material solution on the intermediate layer formed on the substrate, a superconducting precursor is formed by subjecting it to a pre-firing treatment, and a main firing treatment is performed on the superconducting precursor, thereby providing a REBayCu3Oz system ( RE represents a tape-like RE-based oxide superconducting wire of RE, which represents at least one element selected from Y, Nd, Sm, Eu, Gd, and Ho.
The superconducting raw material solution contains RE, Ba and Cu, and Zr, Sn, Ce, Ti, Hf, Nb which forms a magnetic flux pinning point in a mixed solution in which the molar ratio of Ba is in the range of y <2. A solution containing at least one additive element,
After the temporary baking treatment and before the main baking treatment, an intermediate for baking the superconducting precursor while maintaining a temperature higher than the baking temperature in the temporary baking treatment and lower than the baking temperature in the main baking treatment. Heat treatment,
The method for producing a RE-based oxide superconducting wire characterized in that the intermediate heat treatment is performed within a period of 1 hour for rapid cooling from the firing temperature held for the superconducting precursor to room temperature.
前記本焼成処理は、前記中間熱処理に連続して施され、急冷した直後の前記超電導前駆体に対して本焼成する、
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のRE系酸化物超電導線材の製造方法。 The intermediate heat treatment is a rapid cooling from the firing temperature held to room temperature in a dry gas atmosphere not containing water vapor gas,
The main baking treatment is performed consecutively with the intermediate heat treatment, and main baking is performed on the superconducting precursor immediately after being rapidly cooled.
The method for producing an RE-based oxide superconducting wire according to any one of claims 1 to 3.
請求項4記載のRE系酸化物超電導線材の製造方法。 By cooling the dry gas that forms the dry gas atmosphere, the dry gas is rapidly cooled from the firing temperature to room temperature,
The manufacturing method of RE type oxide superconducting wire of Claim 4.
前記水蒸気ガスは、前記中間熱処理で保持する温度よりも低い温度から導入することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のRE系酸化物超電導線材の製造方法。 In the intermediate heat treatment, the superconducting precursor is baked in a water vapor gas atmosphere,
The method for producing a RE-based oxide superconducting wire according to any one of claims 1 to 5, wherein the water vapor gas is introduced from a temperature lower than a temperature maintained in the intermediate heat treatment.
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