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JPH05254834A - 酸化物超電導体及びその製造方法 - Google Patents

酸化物超電導体及びその製造方法

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Publication number
JPH05254834A
JPH05254834A JP4083037A JP8303792A JPH05254834A JP H05254834 A JPH05254834 A JP H05254834A JP 4083037 A JP4083037 A JP 4083037A JP 8303792 A JP8303792 A JP 8303792A JP H05254834 A JPH05254834 A JP H05254834A
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JP
Japan
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molded body
atmosphere
composition
phase
oxide superconductor
Prior art date
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Granted
Application number
JP4083037A
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English (en)
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Inventor
Mitsuru Morita
充 森田
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Nippon Steel Corp
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Publication date
Application filed by Nippon Steel Corp filed Critical Nippon Steel Corp
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  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
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  • Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 材料内部に気孔やすがない超電導材料を作製
する。 【構成】 RE(Yを含む希土類元素およびそれらの組
み合わせ)、Ba、Cuの酸化物または複合酸化物の少
くとも一方からなる成形体を酸素純度が90%以上の雰
囲気中で加熱し溶融状態にした後、そのままの雰囲気中
で徐冷するか、または雰囲気を大気もしくは酸化性雰囲
気に置換した後徐冷するか、室温にまで冷却し、さらに
大気もしくは酸化性雰囲気中で加熱溶融した後、徐冷す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、REBa2 Cu3
7-x 型の酸化物超電導体相を有するバルク超電導材料に
関するものである。
【0002】
【従来の技術】REBa2 Cu37-x 型(123相
型)の超電導体は結晶の大型化が課題となっている。こ
のような結晶の大型化は多結晶組織では結晶粒界が弱結
合として作用して超電導特性を害するので単結晶にしな
ければならない。従来の技術は結晶成長させる前の成形
体を重ねクエンチ法やRE、Ba、Cuの複合酸化物の
混合粉末をRE組成を変えながら層状に成形することで
得ており、これを大気中で半溶融状態に加熱し種結晶
や、123相生成温度(Tf)のちがいを利用して結晶
の大型化を行っている[Advances in Su
perconductivity III (Spri
nger−Verlag.Tokyo,1990) p
733]
【0003】
【発明が解決しようとする課題】従来は、成形体を大気
中で加熱し半溶融状態にしていた。このため成形体中に
隙間があるものや、粉末を加圧したような密度の低いも
のは特に、気体が大量に閉じこめられたまま半溶融状態
になる。たとえば成形体を重ねクエンチ法により作製し
た場合、各層の隙間にわずかに気泡が残る。また粉末を
成形した場合は表面から5mm程度を除いた部分には、
多くの気泡が残ってしまうことになる[Advance
s in Superconductivity II
I (Springer−Verlag.Tokyo,
1990)]。
【0004】この気泡の問題は成形体を大きくしたとき
に特に深刻になる。粉末を加圧成形した大きな成形体を
半溶融状態にすると中心部分で気泡が集まり、すが入っ
た状態になる。このようなすは種結晶からの結晶成長を
妨げたり、超電導電流の流れを遮るため、超電導材料と
しての特性を損う結果をもたらす。そこで本発明では、
半溶融状態に加熱する際に、気泡を含まない加熱方法を
提供することによって、殆ど気泡を含まない大きな超電
導材料およびその製造方法を提供することを課題とす
る。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するものであって、RE(Yを含む希土類元素およびそ
れらの組み合わせ)、BaおよびCuの複合酸化物であ
る酸化物超電導体において、RE2 BaCuO5 (21
1)相が単結晶状のREBa2 Cu37-x (123)
相中に微細分散した組織を有し、かつ気孔率が体積率で
3%以下であることを特徴とする酸化物超電導体であ
る。
【0006】また、RE(Yを含む希土類元素およびそ
れらの組み合わせ)、Ba、Cuの酸化物または複合酸
化物の少くとも一方からなる成形体を酸素純度が90%
以上の雰囲気中で加熱し溶融状態にした後、そのままの
雰囲気中で徐冷するか、または雰囲気を大気もしくは酸
化性雰囲気に置換した後、徐冷することによって、結晶
成長させることを特徴とする酸化物超電導体の製造方法
である。
【0007】また、RE(Yを含む希土類元素およびそ
れらの組み合わせ)、Ba、Cuの酸化物または複合酸
化物の少くとも一方からなる成形体を酸素純度が90%
以上の雰囲気中で加熱し溶融状態にした後、室温にまで
冷却し炉内から取りだした後、さらに大気もしくは酸化
性雰囲気中で加熱溶融した後、徐冷することによって、
結晶成長させることを特徴とする酸化物超電導体の製造
方法である。
【0008】また上記製造方法において、成形体が金属
元素のモル比(RE:Ba:Cu)が(30:33:3
7)、(15:38:37)、(15:30:55)、
(30:25:45)で結ばれる領域内の組成を有し、
かつ0.1から2.0重量%のPtまたは0.01から
1.0重量%のRhの少なくとも一方を含有しているこ
とも特徴とする。さらにこのとき高い123相生成温度
(Tf)を有するRE組成の層からより低いTfを有す
るRE組成の層へ順に層状に変化する成形体(M)を作
製し、この成型体(M)中の最も高いTfのRE組成よ
り高いTfを有するRE組成の成形体(H)と、成形体
(M)中の最も低いTfのRE組成より低いTfを有す
るRE組成の成形体(L)とをM−L−H−支持材の順
で配置し、成形体Mが211相と液相が共存する温度領
域(この温度領域の下限を以下Tgとする)に加熱し、
しかるのち種結晶のREの組成のTfよりも低くTgよ
りも高い温度に冷却した後、種結晶によりSeedin
gを行ない、Tgから成形体中の最も低いRE組成のT
fよりもさらに30℃低い温度まで20℃/hr以下の
冷却速度で徐冷し結晶を成長させた後、一旦室温に戻す
かまたは連続して800℃から200℃の温度領域を酸
化性雰囲気中で酸素付加処理をして各REBa2 Cu3
7-x 層のX値を0.2以下にして超電導材料を得るこ
とも特徴とする。
【0009】
【作用】本発明は上記課題を解決するために、成形体を
加熱溶融する際に、雰囲気の酸素割合を上げることによ
って、半溶融状態において気泡を減少せ得ることを見い
だした。すなわち、RE(Yを含む希土類元素およびそ
れらの組み合わせ)、Ba、Cuの酸化物またはおよび
複合酸化物からなる成形体を酸素純度が90%以上の雰
囲気中で加熱し溶融状態にした後、そのままの雰囲気中
で徐冷することによって超電導相を結晶成長をさせるか
または、上記成形体を上記雰囲気中で加熱し溶融状態に
した後、雰囲気を大気もしくは任意の酸化性雰囲気に置
換した後、徐冷することによって結晶成長させるかまた
は、上記成形体を上記酸素純度の雰囲気中で加熱し溶融
状態にした後、室温にまで冷却し炉内から取りだし、さ
らに酸化性雰囲気中で加熱溶融した後、徐冷することに
よって結晶成長させ、気泡を含まない酸化物超電導体を
製造するものである。
【0010】本発明でいうところの単結晶とはマトリッ
クスの123相(超電導相)は内部に数10μm以下の
微細な211相(絶縁体相)、双晶界面、小傾角粒界、
直径数100μm程度の気泡やa−b面間のマイクロク
ラックを含むものの、数cm3 以上の大きさにわたっ
て、超電導電流の流れを大きく遮る大傾角粒界を含まな
い複合超電導材料を意味する。また実質的に上記複合超
電導体材料の集合体も含めるものとする。
【0011】成形体を半溶融状態(211相と液状のB
aとCuの複合酸化物の混合状態)に加熱する場合、成
形体はおもに表面から半溶融状態になるため、溶融前の
雰囲気の成分が気泡として半溶融状態の成形体中に取り
込まれることになる。そのとき、成形体中の気体の成分
は雰囲気の成分と同じことになる。そのため、たとえば
大気中で半溶融状態にした場合、気泡中の成分は約80
%が窒素で約20%が酸素になる。しかしながら、酸素
は半溶融状態の液相成分を構成する元素であり、半溶融
状態の成形体中に吸収され気泡中の成分はほぼ窒素だけ
となることが判明した。この気泡は最終的に超電導材料
中に残ることになり、前記の問題を引きおこす。そこで
発明者は加熱溶融時の雰囲気の大部分を酸素にすること
で気泡をほとんど無くし、この問題を解決した。
【0012】気孔率は雰囲気中の酸素濃度のほかにも成
形体の大きさや半溶融状態に加熱するときの昇温速度に
よっても多少変化する。数10cm3 の成形体を大気中
で200℃/hr程度の昇温速度で半溶融状態にした場
合、超電導材料の数mmの表層を除く中心部では気孔率
は体積率で約10〜15%程度である。これを雰囲気中
の酸素割合を90%にすることで気孔率を3%以下に抑
え、超電導材料作製上問題とならなくなる程度に気孔率
を下げることができ、緻密な超電導材料を得ることがで
きる。また、99%以上の酸素雰囲気中で半溶融状態に
することによってより望ましい気孔率が1%以下の超電
導材料が得られる。
【0013】大気中で半溶融処理を行った場合、成形体
の形によっても多少異なるが、ブロック状の成形体で
は、体積が約50cm3 程度を超える大きさから大きく
なればなるほど中心部に残留ガスが集まり、すが入った
状態になりやすくなる。300cm3 を超えるもので
は、ほとんどのものが内部にすが入った状態となる。こ
のようなすも気泡同様に雰囲気の酸素濃度上げることに
よって容易に解決できる。
【0014】上記説明からもわかるように、超電導材料
作製プロセスにおいて半溶融状態に加熱する時にのみ酸
素雰囲気にすればよく、結晶成長過程においては必ずし
も高酸素の雰囲気中で行う必要はない。そこで熱処理パ
ターンと雰囲気との3通りタイミングを図1のa、b、
cに示した。
【0015】また、123中の211相は半溶融状態に
おいては成形体の形状を保つ働きをし、また最終的に得
られる超電導材料においては割れを防いだり臨界電流密
度を高める働きがある。そこで211相の超電導材料に
占める割合が0から50%になるように各元素の比(R
E:Ba:Cu)を(30:33:37)、(15:3
8:37)、(15:30:55)、(30:25:4
5)の範囲と限定した。半溶融状態において液相となる
Ba、Cuの比率を上記範囲以上にした場合は、液相成
分の成形体外への流出が多くなり、成形体が大きく収縮
したり、形状が保てなくなる傾向がある。逆に半溶融状
態において固相(211相)をつくるRE成分の割合が
上記範囲を超えると、123相の結晶成長時に液相が不
足して途中で結晶成長が止まりやすくなる。この様な観
点から、123相の結晶が安定に成長できたときの、単
結晶バルク体中に占める211相の体積割合の上限が約
50%であったため211相の体積率を50%以下とし
た。
【0016】添加元素のPt、Rhは211相とBaC
u複合酸化物の液相とからなる半溶融状態で211相の
粒成長を妨げる働きがあり、211相を微細化させ、特
に臨界温度近傍では主なピンニングセンターとなり高い
臨界電流密度をもたらす原因となる。添加量は効果を生
じ始める値を下限とし、Baとの複合酸化物が多く現れ
る値を上限とし、0.1〜2.0wt%のPtまたはお
よび0.01〜1.0wt%のRhとした。出発原料は
基本的にRE、Ba、Cuの酸化物またはおよび複合酸
化物であればよいが、211相を直接出発原料とする場
合、211相粉末を十分微細化しなければ最終的に21
1相が微細化した最終組織は得られない。
【0017】上記の製造方法により、殆ど気泡を含まず
かつ211相の割合が体積率で全体の50%以下であり
211相の95個数%以上が20ミクロン以下にである
酸化物超電導体やさらに、211相の95個数%以上が
2ミクロン以下にであり、かつ0.1〜2.0wt%の
Ptまたはおよび0.01〜1.0wt%のRhを含有
している酸化物超電導体が作製される。
【0018】成形体中のREの成分は単一元素のRE
(Y、La、Nb、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、E
r、Tm、Yb、Lu)または複数のRE元素から成っ
ていてもよい。123相生成温度(Tf)はイオン半径
が大きいREほど高いがYはDyとHoの間に位置す
る。例えば大気中では、ほぼSm:1060℃、Dy:
1010℃、Y:1000℃、Er:970℃、Yb:
900℃である。また複数のRE元素からなる場合はT
fは各RE元素のTfのモル平均にほぼ等しい。
【0019】また成形体は成形体中の最も高いTf以上
に加熱され成形体全体が211相と液相から成る半溶融
状態に加熱される。その後成形体中最も高いTfよりも
高いTfのRE組成を有する種結晶によりSeedin
gを成形体中で最も高いTfの層に行う。その後成形体
中の最も低いTfよりも30℃低い温度まで徐冷するこ
とによって結晶を成長させる。このようなTfの違いを
利用した技術によって、123相および211相中のR
E元素の組成が123相生成温度の順に層状に分布して
いる酸化物超電導体を作製することができる。
【0020】また、成形体と支持台との成形体LとHは
支持台を通して液相が流れ出すのを防ぎかつ種結晶以外
から結晶が成長するのを防ぐ働きがある。すなわち、成
形体を熱処理する際、成形体はなんらかの物質で支持す
る必要があるが本発明においては支持材は123相自身
を用いることにした。即ち、前記したように成形体Mと
該成形体Mを支持する支持材との間に、前記成形体M中
の123相のRE組成より結晶生成温度が高いRE組成
を有する別の成形体Hと、前記成形体M中の123相の
RE組成より結晶生成温度が低いRE組成を有する別の
成形体Lとを成形体M−成形体L−成形体H−支持材の
順番で配置し、かかる成形体を支持材とのバリアーに利
用するのである。成形体Hは成形体Mの液相部分が支持
材へ流れ出すのを防ぐバリアーとして、また成形体Lは
成形体Hでできた123相の結晶が成長して成形体Mの
結晶成長を防げることを防ぐバリアーとして用いられ
る。なお、前記成形体Mの最下層の123相が、成形体
Lと同様な作用をなすものであれば、成形体Lを省略し
ても差支えない。かかるバリアーを配置することによ
り、より効率よく結晶を成長させることができるのであ
る。
【0021】またさらに、成長させた直後の123相は
正方晶であり、これを800℃から200℃まで酸化性
雰囲気中で徐冷し酸素を吸収させることにより、斜方晶
に転移させ、超電導材料を得る。
【0022】
【実施例】
実施例1 Y23 、BaO2 とCuOの各粉末を各金属元素のモ
ル比(Y:Ba:Cu)が(11:19:28)になる
ように混合し、さらにこの混合粉に0.5wt%の白金
粉末を添加し、原料粉末を作製した。この原料粉末から
2種類の大きさの成形体(直径40mm厚さ15mmと
直径60mm厚さ30mm)を作製した。そして図1に
示す3通りの熱処理方法により試料を作製した。熱処理
温度等はそれぞれ次に示す。
【0023】(a)室温から1100℃まで200℃/
hrで昇温し、1時間保持した後1030℃まで30分
で降温し、続いて960℃まで1℃/hrで徐冷するこ
とによって超電導になる123相を成長させ、さらに6
00℃から200℃まで3℃/hrで徐冷し酸素付加処
理を行った。そして、本発明材として全熱処理を99%
酸素の濃度の雰囲気で行ったときと、比較例として酸素
付加処理以外を大気中で行ったときについて試料内部の
様子を調べた。
【0024】(b)室温から1100℃まで200℃/
hrで昇温し、1時間保持した後雰囲気を大気に置換
し、続いて1030℃まで30分で降温し、続いて96
0℃まで1℃/hrで徐冷することによって超電導にな
る123相を成長させ、さらに600℃から200℃ま
で3℃/hrで徐冷し酸素付加処理を行った。また、本
発明材として1100℃で1時間保持する過程を99%
酸素の濃度の雰囲気で行ったときと、比較例として11
00℃で1時間保持する過程を大気中で行ったときにつ
いて試料内部の様子を調べた。
【0025】(c)室温から1100℃まで200℃/
hrで昇温し、1時間保持した後室温まで2時間で冷却
した。つぎにまた室温から1100℃まで200℃/h
rで昇温し、1時間保持した後1030℃まで30分で
降温し、続いて960℃まで1℃/hrで徐冷すること
によって超電導になる123相を成長させ、さらに60
0℃から200℃まで3℃/hrで徐冷し酸素付加処理
を行った。また、本発明材として1100℃で1時間保
持した後、室温まで冷却する過程を99%酸素の濃度の
雰囲気で行ったときと、比較例として1100℃で1時
間保持し、室温まで冷却する過程を大気中で行ったとき
について試料内部の様子と気孔率を調べた。
【0026】酸素付加処理は、すべて純酸素中で行っ
た。また、これらの得られた試料は3cm3 程度の単結
晶状の超電導体集合体であった。その結果をまとめると
表1のようになった。以上の結果から高酸素濃度中での
半溶融加熱処理により、試料中の気孔率を大幅に低減で
きることがわかった。
【0027】
【表1】
【0028】実施例2 Ho23 、Dy23 、BaCuO2 とCuOの各粉
末を各金属元素のモル比(Ho:Dy:Ba:Cu)が
(7:6:17:24)になるように混合し、さらにこ
の混合粉に0.05wt%のRh粉末を添加し、原料粉
末を作製した。この原料粉末から直径50mm厚さ20
mmの成形体(M)を作製した。ハンマークエンチ法で
作製したSmおよびYb組成の成形体を成形体(M)と
白金の支持台との間に配置した後、熱処理温度等はそれ
ぞれ実施例1記載のa、b、c3種類の方法で行った。
ただし、図2にa、b、cに示すように、1045℃1
0分間保持しこの温度でSm系の123相の種結晶を用
いSeedingを行った。
【0029】成形体を半溶融状態に加熱したときの雰囲
気は、酸素と窒素の比(O2 :N2)を変えて4種類
[(20:80)、(50:50)、(90:10)、
(99:1)]で行った。その後、酸素付加処理を行う
ため800℃に降温した後200℃まで150時間かけ
て酸素気流中で徐冷した。このようにして実質的に試料
全体が単結晶状の超電導材料が得られた。
【0030】成形体を半溶融状態に加熱したときの雰囲
気は、酸素と窒素の比(O2 :N2)を変えて4種類
[(20:80)、(50:50)、(90:10)、
(99:1)]で行った。上記熱処理によって得られた
12種類の試料の中心部の状態と気孔率は表2のようで
あった。以上の結果から高酸素濃度中での半溶融加熱処
理により、試料中の気孔率を大幅に低減できることがわ
かった。
【0031】
【表2】
【0032】実施例3 RE2 BaCuO5 (REの組成はY:Ybが(10
0:0)、(90:10)、(80:20)になるよう
に3種類作製した)、BaCuO2 とCuOを各元素比
(RE:Ba:Cu)が(13:18:26)になるよ
うに配合し、0.4wt%のPtを添加した後、混練し
3種類の混合粉末を作製した。この時REBaCuOは
平均粒径が1.5μmまで粉砕した。
【0033】はじめにY100%のREを含む粉末を直
径20mmの金型により一軸成形し、次にこの成形体1
を直径40mmの金型に入れ周囲をYb10%含む粉末
を入れ同様に一軸成形し(成形体1+2)さらにYb2
0%を含む粉末に関しても直径55mmの金型を用い同
様の操作を繰り返し(成形体1+2+3)、図2に示す
成形体(M)を作製した。
【0034】ハンマークエンチ法で作製したSmおよび
Yb組成の成形体を成形体(M)と白金の支持台との間
に配置した後、この成形体は99.9%以上の酸素気流
中で1150℃に室温から2時間で昇温し30分間保定
した。その後雰囲気を大気に置換した。しかるのち10
30℃に降温し、この温度でSm系に123相の種結晶
4(図2)を用いSeedingを行った。
【0035】次に1020℃から940℃まで平均0.
5℃/hrで降温し結晶を成長させた。その後、酸素付
加処理を行うため800℃に降温した後200℃まで1
50時間かけて酸素気流中で徐冷した。このようにして
実質的に試料全体が単結晶状の超電導材料が得られた。
そして、試料内部の気孔率は約0.1%であった。
【0036】
【発明の効果】以上詳述したごとく本発明により、気孔
率の極めて少ない緻密な単結晶状の酸化物超電導材料が
より容易に得られるようになった。このような材料は各
分野での応用が可能であり大きな工業的効果が期待でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)、(b)、(c)はそれぞれ、熱処理の
ヒートパターンと雰囲気とのタイミングを示すグラフ
【図2】(a)、(b)、(c)は、実施例2でSee
dingを行ったときの熱処理のヒートパターンと雰囲
気とのタイミングを示すグラフ
【図3】実施例3において作製した成形体のRE組成の
構成を示す断面図

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 RE(Yを含む希土類元素およびそれら
    の組み合わせ)、BaおよびCuの複合酸化物である酸
    化物超電導体において、RE2 BaCuO5(211)
    相が単結晶状のREBa2 Cu37-x (123)相中
    に微細分散した組織を有し、かつ気孔率が体積率で3%
    以下であることを特徴とする酸化物超電導体。
  2. 【請求項2】 1つの超電導体の体積が50cm3 以上
    であることを特徴とする請求項1記載の酸化物超電導
    体。
  3. 【請求項3】 RE(Yを含む希土類元素およびそれら
    の組み合わせ)、Ba、Cuの酸化物または複合酸化物
    の少くとも一方からなる成形体を酸素純度が90%以上
    の雰囲気中で加熱し溶融状態にした後、そのままの雰囲
    気中で徐冷することによって結晶成長させることを特徴
    とする酸化物超電導体の製造方法。
  4. 【請求項4】 RE(Yを含む希土類元素およびそれら
    の組み合わせ)、Ba、Cuの酸化物または複合酸化物
    の少くとも一方からなる成形体を酸素純度が90%以上
    の雰囲気中で加熱し溶融状態にした後、雰囲気を大気も
    しくは酸化性雰囲気に置換した後、徐冷することによっ
    て、結晶成長させることを特徴とする酸化物超電導体の
    製造方法。
  5. 【請求項5】 RE(Yを含む希土類元素およびそれら
    の組み合わせ)、Ba、Cuの酸化物または複合酸化物
    の少くとも一方からなる成形体を酸素純度が90%以上
    の雰囲気中で加熱し溶融状態にした後、室温にまで冷却
    し炉内から取りだした後、さらに大気もしくは酸化性雰
    囲気中で加熱溶融した後、徐冷することによって、結晶
    成長させることを特徴とする酸化物超電導体の製造方
    法。
  6. 【請求項6】 成形体の大きさが50cm3 以上である
    ことを特徴とする請求項3ないし5記載の酸化物超電導
    体の製造方法。
  7. 【請求項7】 成形体が金属元素のモル比(RE:B
    a:Cu)が(30:33:37)、(15:38:3
    7)、(15:30:55)、(30:25:45)で
    結ばれる領域内の組成を有し、かつ0.1から2.0重
    量%のPtまたは0.01から1.0重量%のRhの少
    なくとも一方を含有していることを特徴とする請求項3
    ないし6記載の酸化物超電導体の製造方法。
  8. 【請求項8】 高い123相生成温度(Tf)を有する
    RE組成の層からより低いTfを有するRE組成の層へ
    順に層状に変化する成形体(M)を作製し、この成型体
    (M)中の最も高いTfのRE組成より高いTfを有す
    るRE組成の成形体(H)と、成形体(M)中の最も低
    いTfのRE組成より低いTfを有するRE組成の成形
    体(L)とをM−L−H−支持材の順で配置し、成形体
    Mが211相と液相が共存する温度領域(この温度領域
    の下限を以下Tgとする)に加熱し、しかるのち種結晶
    のREの組成のTfよりも低くTgよりも高い温度に冷
    却した後、種結晶によりSeedingを行ない、Tg
    から成形体中の最も低いRE組成のTfよりもさらに3
    0℃低い温度まで20℃/hr以下の冷却速度で徐冷し
    結晶を成長させた後、一旦室温に戻すかまたは連続して
    800℃から200℃の温度領域を酸化性雰囲気中で酸
    素付加処理をして各REBa2 Cu37-x 層のX値を
    0.2以下にして超電導材料を得ることを特徴とする請
    求項7記載の酸化物超電導材料の製造方法。
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