(57)【要約】【課題】磁気熱量効果を用いて冷却可能な超伝導材料であって、クエンチ発生の防止にも効果的な機能複合材の提供を目的とする。【解決手段】磁気熱量効果を示す粒子と、超伝導効果を示す粒子とが金属基材に分散されていることを特徴とする。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気熱量効果を示す粒子と、超伝導効果を示す粒子とが金属基材に分散されていることを特徴とする機能複合材。
【請求項２】
前記金属基材は、マグネシウム又はアルミニウムであることを特徴とする請求項１記載の機能複合材。
【請求項３】
前記磁気熱量効果を示す粒子は、Ｇｄ化合物系又はＬａ−Ｆｅ−Ｓｉ系化合物であることを特徴とする請求項１又は２記載の機能複合材。
【請求項４】
前記超伝導効果を示す粒子は、金属間化合物又は銅酸化物であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の機能複合材。
【請求項５】
磁気熱量効果を示す粒子と超伝導効果を示す粒子との混合物に、溶融又は半溶融状態の金属を加圧浸透させることを特徴とする機能複合材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気冷凍性能と超伝導性能を有する機能複合材に関する。
【背景技術】
【０００２】
超伝導材料は、超伝導転移温度まで冷却すると、電気抵抗がゼロとなる現象を示す。
このような超伝導の現象を応用した強力な電磁石，低損失送電，低損失電子デバイス等、各種分野での検討が進められている。
【０００３】
超伝導材料には、液体ヘリウム温度（−２６９℃）で超伝導状態になる低温超伝導材料と液体窒素（−１９６℃）で超伝導状態になる高温超伝導材料とがある。
超伝導材料を使用する分野では、何らかの原因により導体の一部が超伝導状態から通常伝導状態に転移すると、大きな局部発熱により周囲の導体も急速に超伝導現象を消失してしまうという現象が起こる。
この現象をクエンチと言い、極低温の寒剤が沸騰して爆発的に放出されたり、発熱により超伝導体が破損したりする恐れがある。
【０００４】
超伝導転移温度まで冷却する方法としては現在、ジュール・トムソン効果を利用した冷媒の圧縮，膨張による方法が使用されているが、エネルギー損失が大きく冷却効果が低いという技術的課題がある。
近年、新たな冷凍技術として磁性体のエントロピーと温度の磁場依存性から生じる磁気熱量効果を用いた磁気冷凍技術が検討されている。
しかし、この磁気熱量効果と超伝導特性は相反的な関係があるといわれ、これまでに充分に検討された例は見当たらない。
また、磁気熱量効果を示す材料は一般に熱伝導率が低いことも課題である。
【０００５】
例えば非特許文献１には、磁気熱量材料の冷凍性能を向上させるために、母相に熱伝導性の高いタンタルを用いた焼結材料が記載されているが、焼結であるために内部欠陥が発生しやすく、超伝導性能も有していない。
なお、本出願人は先に超伝導性能を有する複合材料を提案している（特許文献１）が、この際には磁気熱量効果については検討されていなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第５４８３０７８号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Microstructure, magnetic properties and thermal conductivity of LaFe11.2Si1.8/Ta magnetocaloric composite Qiming Wu, Naikun Sun, Xiangjie Wang, Lingwei Li J. Magn. Mang. Mater. Vol. 476 (2019) No.15
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、磁気熱量効果を用いて冷却可能な超伝導材料であって、クエンチ発生の防止にも効果的な機能複合材の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る機能複合材は、磁気熱量効果を示す粒子と、超伝導効果を示す粒子とが金属基材に分散されていることを特徴とする。
【００１０】
ここで、磁気熱量効果を示す粒子とは、一定温度で磁場を加えると磁気モーメントが磁場方向に揃いエントロピーが減少し、逆に断熱状態で磁場を減少させると温度が減少する磁気熱量効果を示す粒子をいい、この性質を利用した冷凍技術を磁気冷凍と表現する。
磁気熱量効果が大きいほど冷却効果が大きい。
本発明は、磁気熱量効果を示す粒子として現在知られているもののみならず、今後提案されるものも用いることができると推定される。
現在大きな磁気熱量効果を示すことが知られている物質としては、Ｇｄ化合物系又はＬａ−Ｆｅ−Ｓｉ系化合物が代表例である。具体例としては、Ｇｄ，Ｇｄ５Ｓｉ２Ｇｅ２，Ｇｄ５Ｓｉ１．８Ｇｅ１．８Ｓｎ０．４，Ｌａ（Ｆｅ０．８８Ｓｉ０．１２）１３等が挙げられる。
【００１１】
超伝導効果を示す粒子には、超伝導転移温度まで冷却すると超伝導現象が出現する物質であれば、現在報告されているものに限定されないが、例えば前記超伝導特性を有する粒子は、金属間化合物の例としてＭｇＢ２，Ｎｂ３Ｇｅ，Ｎｂ３Ｓｎ，ＮｂＴｉ等、銅酸化物の例としてＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系，Ｌａ−Ｓｒ−Ｃｕ−Ｏ系，Ｈｇ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系等が挙げられる。
【００１２】
本発明において特徴的なのは、上記磁気熱量効果を示す粒子と超伝導効果を示す粒子とをマグネシウム又はアルミニウム等の金属基材（マトリックス）中に分散させることで、それぞれの機能が発揮されるように機能の複合化を図った点にある。
ここでマグネシウムには、その合金が含まれ、アルミニウムにもその合金が含まれる。
このような軽金属を基材として使用することで軽量化が可能になる。
【００１３】
本発明に係る機能複合材の製造方法は、磁気熱量効果を示す粒子と超伝導効果を示す粒子との混合物に、溶融又は半溶融状態の金属を加圧浸透させることを特徴とする。
ここで、磁気熱量効果を示す粒子と超伝導効果を示す粒子を混合し、それをプリフォーム体に加圧成形した混合物を用いてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、磁気熱量特性と超伝導特性とを複合化したことにより、磁気冷凍により超伝導転移温度以下に冷却することができるとともに基材に金属を用いたことにより、この金属基材の熱伝導性によりクエンチ発生を防止する効果が期待される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】機能複合体の成型例を示す。
【図２】複合体の断面写真を示す。
【図３】外部磁場０−５Ｔでの磁気エントロピー変化を示す。
【図４】Ｒｅｌａｔｉｖｅ  ｃｏｏｌｉｎｇ  ｐｏｗｅｒ（ＲＣＰ）と比ＲＣＰの値を示す。
【図５】比重とＲＣＰの分布図を示す。
【図６】複合材の電気抵抗測定結果を示す。
【図７】複合材の熱伝導測定結果を示す。
【図８】熱伝導の比較表を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明に係る機能複合体を試作し、他の材料と比較評価したので以下、説明する。
【００１７】
磁気熱量効果を示す粒子としては、アーク溶解法によりＧｄ５Ｓｉ１．８Ｇｅ１．８Ｓｎ０．４化合物を作製し用いた。
なお、鋳造法にて製作したり、市販されているものを用いたりしてもよい。
本実施例は、上記アーク溶解法にて作製したＧｄ５Ｓｉ１．８Ｇｅ１．８Ｓｎ０．４を乳鉢にて粉砕し、粒径で１０〜２００μｍの粉末にした。
【００１８】
超伝導効果を示す粒子としては、平均粒径約５０μｍのＭｇＢ２粉末（株式会社高純度化学研究所製）を用いた。
粒子は平均粒径で２０〜１００μｍのものが好ましい。
【００１９】
金属基材には、純度９９．９９％のマグネシウムを用いた。
【００２０】
＜プリフォーム体の作製＞
底部が取り外しできる円筒状の金型を使用し、内壁を包むように薬包紙を敷き、磁気熱量効果を示す粒子（以下、磁気熱量粒子）と超伝導効果を示す粒子（以下、超伝導粒子）とを所定の割合に混合し、上記金型内に少量ずつ入れ、押し棒で軽く加圧する工程を繰り返しながら約１００ｇの圧粉プリフォーム体を作製した。
【００２１】
＜三次元溶湯浸透法による複合体の作製＞
図１に示すように、金型１内にプリフォーム体Ｐを入れ、その上にこのプリフォーム体Ｐの外径よりも少し小さい外径のグラファイト製の蓋体２を載せる。
その上に、金型の段差部に絞り３を支持させた。
この絞り３は、中央部に孔を有している。
この絞り３の上に基材となるマグネシウムを配置した。
周囲からマグネシウムの燃焼を防ぐために、ＣＯ２とＳＦ６の混合ガスを吹きかけながら金型１を約７００℃まで昇温した。
マグネシウムが溶解したのを確認し、その上から黒鉛のパンチ４を載せて加圧することでプリフォーム体Ｐにマグネシウムの溶湯を加圧浸透させた。
なお、金型１の底部は冷却可能になっているものが好ましい。
【００２２】
機能複合材（以下、複合材）としては、体積率でＧｄ５Ｇｅ１．８Ｓｉ１．８Ｓｎ０．４：ＭｇＢ２：Ｍｇ＝４０：４０：２０の複合体Ａと、Ｇｄ５Ｇｅ１．８Ｓｉ１．８Ｓｎ０．４：ＭｇＢ２：Ｍｇ＝２５：５０：２５の複合体Ｂとを作製した。
その断面写真を図２に示す。
鋳巣などの内部欠陥は認められず、ＳＥ像より各粒子が均一に分散していることが確認できた。
図３に、外部磁場を０Ｔから５Ｔでに励磁した際の磁気エントロピー変化を示す。
図中、△は複合体Ａ，□は複合体Ｂを示し、◇としてＧｄ５Ｇｅ１．８Ｓｉ１．８Ｓｎ０．４の値を参考に示した。
上記、磁気エントロピー変化に基づいて冷却１サイクルにて、どの程度の熱量を汲み出すことができるかを示す指標として、ＲＣＰ（Ｒｅｌａｔｉｖｅ  ｃｏｏｌｉｎｇ  ｐｏｗｅｒ）とその値を試料の比重で除した比ＲＣＰの値を図４の表に示す。
なお、表中、複合体Ａ，Ｂ及びＧｄ５Ｓｉ１．８Ｇｅ１．８のＳｎ０．４の値以外は、他の文献にて報告されている値を参考に表示した。
図５に比重と磁気熱量効果の散布図を示す。
この図４，５から本発明に係る複合材は、磁気熱量粒子の体積率が小さいにも関わらず、比ＲＣＰの値ＲＣＰ／ρはＧｄ５Ｓｉ２Ｇｅ２やＬａ（Ｆｅ０．８８Ｓｉ０．１２）１３レベルの値を示した。
図６に電気抵抗測定結果を示し、図７に熱伝導の測定結果を示す。
また、他の材料との熱伝導度との比較表を図８に示す。
これらを比較すると、本発明に係る複合体は基材として金属を用いたことで、熱伝導度が２〜２０倍に改善されている。
磁気熱量効果により磁気冷凍ができ、低温で熱伝導度が高いことは超伝導材料におけるクエンチ現象の防止が期待される。
また、複合材ＡとＢとを図６のグラフにて比較すると、磁気熱量粒子と超伝導粒子との体積比率が１：１の複合材Ａよりも１：２の複合材Ｂの方が、優れた超伝導特性を示したことも明らかになった。
このことは体積比率で、磁気熱量粒子よりも超伝導粒子の方が大きいのが好ましいと推定される。
【符号の説明】
【００２３】
１      金型
２      蓋体
３      絞り
４      パンチ
Ｐ      プリフォーム体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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