(57)【要約】【課題】本発明は、臨界電流密度の高い超電導線材を得ることが可能な超電導線材の製造に用いられる前駆体を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の前駆体は、複合線材群とバリア層と保護層とを備える複合管の伸線加工品であり、上記複合線材群が、一又は複数のスズ芯材及びこのスズ芯材を取り囲む銅マトリックスを有する複数のスズ線材と、複数のニオブ芯材及びこれらのニオブ芯材を取り囲む銅マトリックスを有し、上記スズ線材を取り囲むように配設される複数のニオブ線材とを備え、かつチタンを含み、その含有量が０．３８質量％以上０．５５質量％以下であり、横断面視で、上記複数のスズ線材に由来するスズ線状体の断面領域の重心が略平面格子状に位置しており、この平面格子を形成する単位格子の重心とこの単位格子の格子点にある上記スズ線状体の断面領域の重心との間の平均距離が３０μｍ以上５０μｍ以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合線材群と、この複合線材群を取り囲むように配設され、スズの透過を防止する筒状のバリア層と、この筒状のバリア層の外周面を被覆する筒状の保護層とを備える複合管の伸線加工品であり、内部スズ拡散法によるＮｂ３Ｓｎ超電導線材の製造に用いられる前駆体であって、
上記複合線材群が、
スズ製又はスズ合金製の一又は複数のスズ芯材及びこのスズ芯材を取り囲む銅マトリックスを有する複数のスズ線材と、
ニオブ製又はニオブ合金製の複数のニオブ芯材及びこれらのニオブ芯材を取り囲む銅マトリックスを有し、上記スズ線材を取り囲むように配設される複数のニオブ線材と
を備え、かつ
チタンを含み、その含有量が０．３８質量％以上０．５５質量％以下であり、
横断面視で、上記複数のスズ線材に由来するスズ線状体の断面領域の重心が略平面格子状に位置しており、この平面格子を形成する単位格子の重心とこの単位格子の格子点にある上記スズ線状体の断面領域の重心との間の平均距離が３０μｍ以上５０μｍ以下である前駆体。
【請求項２】
内部スズ拡散法によるＮｂ３Ｓｎ超電導線材の製造に用いられる前駆体の製造方法であって、
複合線材群と、この複合線材群を取り囲むように配設され、スズの透過を防止する筒状のバリア層と、この筒状のバリア層の外周面を被覆する筒状の保護層とを備える複合管を用意する工程と、
上記複合管を伸線する工程と
を有し、
上記複合線材群が、
スズ製又はスズ合金製の一又は複数のスズ芯材及びこのスズ芯材を取り囲む銅マトリックスを有する複数のスズ線材と、
ニオブ製又はニオブ合金製の複数のニオブ芯材及びこれらのニオブ芯材を取り囲む銅マトリックスを有し、上記スズ線材を取り囲むように配設される複数のニオブ線材と
を備え、かつ
チタンを含み、その含有量が０．３８質量％以上０．５５質量％以下であり、
上記伸線工程後の上記複合管の横断面視で、上記複数のスズ線材に由来するスズ線状体の断面領域の重心が略平面格子状に位置しており、
上記伸線工程で、上記平面格子を形成する単位格子の重心とこの単位格子の格子点にある上記スズ線状体の断面領域の重心との間の平均距離が３０μｍ以上５０μｍ以下となるように上記複合管を伸線する前駆体の製造方法。
【請求項３】
長手方向に沿う複数の空孔を有し、少なくともＮｂ３Ｓｎ及び銅を含有する複合線状体と、
上記複合線状体を取り囲むように配設され、スズの透過を防止する筒状のバリア層と、
上記筒状のバリア層の外周面を被覆する筒状の保護層と
を備え、
横断面視で、上記複数の空孔の断面領域の重心が略平面格子状に位置しており、この平面格子を形成する単位格子の重心とこの単位格子の格子点にある上記空孔の断面領域の重心との間の平均距離が３０μｍ以上５０μｍ以下であり、
上記複合線状体がチタンを含み、その含有量が０．３８質量％以上０．５５質量％以下である超電導線材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導線材の製造に用いられる前駆体、前駆体の製造方法及び超電導線材に関する。
【背景技術】
【０００２】
核磁気共鳴装置（ＮＭＲ装置）、磁気共鳴画像撮影装置（ＭＲＩ装置）、核融合炉、加速器等では強磁場を発生させるために超電導電磁石が利用されている。近年、超電導電磁石には高性能化及び小型化が求められており、超電導電磁石用の超電導線材についても強磁場を発生させるために臨界磁場及び臨界電流密度を大きくする要求がある。従来、強磁場を発生させることができる超電導線材としては、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材が用いられている。
【０００３】
Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の製造方法としては、ブロンズ法及び内部スズ拡散法が提案されている。ここで、内部スズ拡散法とは、ニオブ芯材及びスズ芯材が銅マトリックス内で互いに接触しないように配置された超電導線材の前駆体に熱処理を実施し、銅マトリックス内を拡散するスズをニオブと反応させることでＮｂ３Ｓｎを生成する方法であり、ブロンズ法と比較してＮｂ３Ｓｎの生成効率及び線材に対する熱処理のコストの観点で有利であることが知られている。
【０００４】
内部スズ拡散法に用いる前駆体としては、ニオブ芯材を銅マトリックス内に埋め込んだニオブ線材とスズの表面に銅マトリックスを有しないスズ線材とを組み合わせた前駆体が提案されている（特開２０１０−１５８２１号公報参照）。この従来の前駆体では、前駆体中の銅マトリックスの体積を減少させることで、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の臨界電流密度を高めることができるとされている。
【０００５】
また、スズ芯材の周囲に銅マトリックス及び複数のニオブ芯材を配置した前駆体も提案されている（特開２００７−２１４００２号公報）。この従来の前駆体では、前駆体中のニオブ芯材の線径を５μｍから３０μｍとし、スズ芯材の最近傍に存在するニオブ芯材とスズ芯材との平均距離を１００μｍ以下とすることで、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の臨界電流密度を高めることができるとされている。
【０００６】
これら従来の前駆体は、前駆体中のニオブの体積比率を相対的に増大させることで、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の臨界電流密度を高めるものであるが、超電導線材の臨界電流密度、特に高磁場下の臨界電流密度のさらなる向上が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−１５８２１号公報
【特許文献２】特開２００７−２１４００２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上述のような事情に基づいてなされたものであり、臨界電流密度の高い超電導線材を得ることが可能な超電導線材の製造に用いられる前駆体、この前駆体の製造方法及び臨界電流密度の高い超電導線材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するためになされた第一の発明は、複合線材群と、この複合線材群を取り囲むように配設され、スズの透過を防止する筒状のバリア層と、この筒状のバリア層の外周面を被覆する筒状の保護層とを備える複合管の伸線加工品であり、内部スズ拡散法によるＮｂ３Ｓｎ超電導線材の製造に用いられる前駆体であって、上記複合線材群が、スズ製又はスズ合金製の一又は複数のスズ芯材及びこのスズ芯材を取り囲む銅マトリックスを有する複数のスズ線材と、ニオブ製又はニオブ合金製の複数のニオブ芯材及びこれらのニオブ芯材を取り囲む銅マトリックスを有し、上記スズ線材を取り囲むように配設される複数のニオブ線材とを備え、かつチタンを含み、その含有量が０．３８質量％以上０．５５質量％以下であり、横断面視で、上記複数のスズ線材に由来するスズ線状体の断面領域の重心が略平面格子状に位置しており、この平面格子を形成する単位格子の重心とこの単位格子の格子点にある上記スズ線状体の断面領域の重心との間の平均距離が３０μｍ以上５０μｍ以下である。
【００１０】
本発明者らは、鋭意検討の結果、前駆体の熱処理におけるスズの拡散距離が５０μｍ程度であり、スズからこの拡散距離より遠く離れた位置で粗大なＮｂ３Ｓｎの結晶粒が生成され、超電導線材の臨界電流密度が低下し易いことを確認している。そこで、当該前駆体は、横断面視で、複数のスズ線材に由来するスズ線状体の断面領域の重心を略平面格子状に位置させ、この平面格子を形成する単位格子の重心とこの単位格子の格子点にあるスズ線状体の断面領域の重心との間の平均距離を上記範囲内としている。複合管の複合線材群は、スズ線材の周囲に複数のニオブ線材を隣接させる構造であるので、複合管の伸線加工品である当該前駆体は、スズ線状体から上記上限以下の範囲内にニオブ線材に由来するニオブ線状体を位置させ、内部スズ拡散法による熱処理においてニオブ線状体の隅々に十分な量のスズを拡散させることを可能とする。つまり、当該前駆体は、スズ線状体から遠く離れた位置におけるスズの拡散量の不足を防止し、磁束ピンニングサイトとなる微細で等軸粒のＮｂ３Ｓｎの結晶粒の生成を促進し、磁束ピンニング力の小さい粗大なＮｂ３Ｓｎの結晶粒の生成を抑制できるので、臨界電流密度の高い超電導線材を得ることを可能とする。また、当該前駆体は、複合線材群がチタンを含み、その含有量が上記範囲内であるので、得られる超電導線材のＮｂ３Ｓｎの生成量の低下を抑止しつつ、特に高磁場下の臨界電流密度を高めることができる。
【００１１】
上記課題を解決するためになされた第二の発明は、内部スズ拡散法によるＮｂ３Ｓｎ超電導線材の製造に用いられる前駆体の製造方法であって、複合線材群と、この複合線材群を取り囲むように配設され、スズの透過を防止する筒状のバリア層と、この筒状のバリア層の外周面を被覆する筒状の保護層とを備える複合管を用意する工程と、上記複合管を伸線する工程とを有し、上記複合線材群が、スズ製又はスズ合金製の一又は複数のスズ芯材及びこのスズ芯材を取り囲む銅マトリックスを有する複数のスズ線材と、ニオブ製又はニオブ合金製の複数のニオブ芯材及びこれらのニオブ芯材を取り囲む銅マトリックスを有し、上記スズ線材を取り囲むように配設される複数のニオブ線材とを備え、かつチタンを含み、その含有量が０．３８質量％以上０．５５質量％以下であり、上記伸線工程後の上記複合管の横断面視で、上記複数のスズ線材に由来するスズ線状体の断面領域の重心が略平面格子状に位置しており、上記伸線工程で、上記平面格子を形成する単位格子の重心とこの単位格子の格子点にある上記スズ線状体の断面領域の重心との間の平均距離が３０μｍ以上５０μｍ以下となるように上記複合管を伸線する。
【００１２】
当該前駆体の製造方法によって製造される前駆体は、上記第一の発明の前駆体と同じ構造を有するので、当該前駆体の製造方法は、臨界電流密度の高い超電導線材を得ることを可能とする。
【００１３】
上記課題を解決するためになされた第三の発明は、長手方向に沿う複数の空孔を有し、少なくともＮｂ３Ｓｎ及び銅を含有する複合線状体と、上記複合線状体を取り囲むように配設され、スズの透過を防止する筒状のバリア層と、上記筒状のバリア層の外周面を被覆する筒状の保護層とを備え、横断面視で、上記複数の空孔の断面領域の重心が略平面格子状に位置しており、この平面格子を形成する単位格子の重心とこの単位格子の格子点にある上記空孔の断面領域の重心との間の平均距離が３０μｍ以上５０μｍ以下であり、上記複合線状体がチタンを含み、その含有量が０．３８質量％以上０．５５質量％以下である超電導線材である。
【００１４】
当該超電導線材は、上記第一の発明の前駆体を用いた内部スズ拡散法により容易に製造することができる。また、当該超電導線材は、横断面視で、スズ由来の複数の空孔の断面領域の重心を略平面格子状に位置させ、この平面格子を形成する単位格子の重心とこの単位格子の格子点にある空孔の断面領域の重心との間の平均距離を上記範囲内としているので、製造時に内部スズ拡散法による熱処理により複合線状体内の隅々に十分な量のスズを拡散させることができる。つまり、当該超電導線材は、スズから遠く離れた位置におけるスズの拡散量の不足を防止し、粗大なＮｂ３Ｓｎの結晶粒の生成を抑制したものであるので、高い臨界電流密度を示す。また、当該超電導線材は、複合線状体がチタンを含み、その含有量が上記範囲内であるので、Ｎｂ３Ｓｎ量が多く、また特に高磁場下の臨界電流密度が高い。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように、本発明は、臨界電流密度の高い超電導線材を得ることが可能な超電導線材の製造に用いられる前駆体、この前駆体の製造方法及び臨界電流密度の高い超電導線材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態の前駆体を模式的に示す横断面図である。
【図２】図１の前駆体から製造された超電導線材を模式的に示す横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明に係る前駆体、前駆体の製造方法及び超電導線材の実施形態について図を参照しつつ詳説する。
【００１８】
図１の前駆体１は、内部スズ拡散法によるＮｂ３Ｓｎ超電導線材の製造に用いられる熱処理前の超電導線材前駆体であり、横断面視で断面領域が略円形に形成されている。当該前駆体１は、複合線材群と、この複合線材群を取り囲むように配設され、スズの透過を防止する筒状のバリア層と、この筒状のバリア層の外周面を被覆する筒状の保護層とを備える複合管の伸線加工品である。ここで、複合管の伸線加工品とは、伸線加工により複合管を半径方向に縮径した状態の成形品を示し、伸線加工の前後において縮径以外の配置構造の変化が小さいものを意味する。
【００１９】
［複合管］
伸線加工前の複合管は、横断面視で、断面領域の形状が略円形に形成されており、筒状の保護層の内周面にバリア層を筒状に配設した筒状体の内側に複合線材群を挿入した構造を有している。なお、バリア層の材質としては、例えばニオブ、チタンが採用されるが、バリア層の内周面にもＮｂ３Ｓｎを生成できるという観点からニオブが好ましい。
【００２０】
＜複合線材群＞
複合線材群は、スズ製又はスズ合金製のスズ芯材及びこのスズ芯材を取り囲む銅マトリックスを有する複数のスズ線材と、ニオブ製又はニオブ合金製の複数のニオブ芯材及びこれらのニオブ芯材を取り囲む銅マトリックスを有し、上記スズ線材を取り囲むように配設される複数のニオブ線材とを備えている。スズ線材及びニオブ線材は、横断面視で、断面領域の形状がそれぞれ略正六角形に形成されており、空間的に略隙間なく組み合わされている。具体的には、１つのニオブ線材の６面にニオブ線材及びスズ線材が交互に３つずつ隣接し、１つのスズ線材の６面の各々にニオブ線材が１つずつ隣接するようにスズ線材及びニオブ線材が組み合わされており、ニオブ線材の銅マトリックス及びスズ線材の銅マトリックスが互いに当接している。
【００２１】
複合線材群中のスズ線材は、上述のようなスズ線材及びニオブ線材の組み合わせによって規則的に位置している。具体的には、複合管の横断面視で、複数のスズ線材の断面領域の重心が略平面格子状（略三角格子状）に位置している。また、複合管の横断面視で、スズ線材の断面領域の重心とスズ芯材の断面領域の重心とが略一致している。
【００２２】
複合線材群は、チタン（Ｔｉ）を含む。このチタンは、スズ線材及びニオブ線材に均質に含有させることもできるが、スズ芯材に含有させることが好ましい。つまり、スズ芯材をスズとチタンとの合金製とすることが好ましい。スズ芯材にチタンを含ませることで、スズの拡散が促進され、臨界電流密度を高められる。
【００２３】
複合線材群全体に対するチタンの含有量の下限としては、０．３８質量％であり、０．４質量％がより好ましい。一方、上記チタンの含有量の上限としては、０．５５質量％であり、０．５質量％がより好ましい。上記チタンの含有量が上記下限未満であると、得られる超電導線材のチタンによる臨界電流密度向上効果が十分に得られないおそれがある。逆に、上記チタンの含有量が上記上限を超えると、Ｎｂ３Ｓｎの生成が阻害され、得られる超電導線材の超電導特性が低下するおそれがある。
【００２４】
複合線材群へのチタンの含有をスズとチタンとの合金製のスズ芯材を用いて行う場合、上記合金製のスズ芯材のチタン含有量は、複合線材群全体に対するチタンの含有量が所望の値となるように決定するとよい。具体的には、上記合金製のスズ芯材のチタン含有量としては、１質量％以上２質量％以下が好ましい。
【００２５】
［前駆体の製造方法］
本発明の前駆体の製造方法は、内部スズ拡散法によるＮｂ３Ｓｎ超電導線材の製造に用いられる前駆体１の製造に用いられる。当該前駆体の製造方法は、複合管を用意する用意工程と、複合管を伸線する伸線工程とを有する。
【００２６】
＜用意工程＞
用意工程は、上述の複合管を用意する工程であり、用意工程では、複合線材群と、この複合線材群を取り囲むように配設され、スズの透過を防止する筒状のバリア層と、この筒状のバリア層の外周面を被覆する筒状の保護層とを備える複合管を用意する。
【００２７】
用意された複合管の複合線材群は、上述の通り、スズ製又はスズ合金製の一又は複数のスズ芯材及びこのスズ芯材を取り囲む銅マトリックスを有する複数のスズ線材と、ニオブ製又はニオブ合金製の複数のニオブ芯材及びこれらのニオブ芯材を取り囲む銅マトリックスを有し、上記スズ線材を取り囲むように配設される複数のニオブ線材とを備える。
【００２８】
また、上記複合線材群は、上述の通り、チタンを含み、その含有量が０．３８質量％以上０．５５質量％以下である。
【００２９】
＜伸線工程＞
伸線工程は、用意工程で用意した複合管を伸線して当該前駆体１を得る工程であり、伸線工程では、伸線加工により複合管を半径方向に縮径する。この伸線加工としては、ダイスを用いた公知の加工手順を採用することができる。
【００３０】
伸線加工後の複合管（当該前駆体１）は、伸線加工前の複合管と比較して縮径以外の配置構造の変化が小さい。このため、当該前駆体１は、複数のニオブ線材に由来するニオブ線状体２及び複数のスズ線材に由来するスズ線状体３について、元の複数のニオブ線材及び複数のスズ線材の縮径以外の配置構造を維持する。つまり、伸線工程後の複合管の横断面視で、複数のスズ線材に由来するスズ線状体３の断面領域の重心は、複数のスズ線材の配置に対応して、略平面格子状（略三角格子状）に位置する。
【００３１】
また、伸線工程では、縮径によって複数のスズ線材に由来するスズ線状体３の配置構造が調整される。具体的には、伸線工程で、平面格子を形成する単位格子の重心とこの単位格子の格子点にあるスズ線状体３の断面領域の重心との間の平均距離Ｗが、熱処理におけるスズの拡散に適した値に調整されるように複合管を伸線する。ここで、平均距離Ｗとは、任意の５つの単位格子について各格子点から重心までの距離を取得し、これらを平均した値を示す。
【００３２】
なお、上述の前駆体１の場合は、スズ線状体３の断面領域の形状は正六角形に近似し、単位格子の形状は正三角形に近似するので、スズ線状体３の断面領域及び単位格子の抽出方法としては、例えば顕微鏡写真画像を用いた形状マッチング等の公知の手法を採用することができる。
【００３３】
上記平均距離Ｗの下限としては、３０μｍであり、３３μｍがより好ましく、３５μｍがさらに好ましい。一方、上記平均距離Ｗの上限としては、５０μｍであり、４７μｍがより好ましく、４５μｍがさらに好ましい。上記平均距離Ｗが上記下限未満であると、伸線加工自体が困難であるおそれや伸線加工のコストが増大するおそれがある。逆に、上記平均距離Ｗが上記上限を超えると、スズ線状体３から平面格子を形成する単位格子の重心までのスズの拡散量が不足し、単位格子の重心での粗大なＮｂ３Ｓｎの結晶粒の生成が抑制されないおそれがある。
【００３４】
［前駆体］
当該前駆体１は、上述の複合管の伸線加工品であるので、伸線前の複合管の縮径以外の配置構造を継承する。具体的には、当該前駆体１は、複数のニオブ線材に由来する複数のニオブ線状体２と、複数のスズ線材に由来する複数のスズ線状体３とを備えており、１つのスズ線状体３に対して６つのニオブ線状体２が隣接する構造となっている。また、当該前駆体１は、複数のニオブ線状体２及び複数のスズ線状体３を取り囲むように配設され、スズの透過を防止する筒状のバリア層４と、この筒状のバリア層４の外周面を被覆する筒状の保護層５とを備える。なお、図１では当該前駆体１が筒状のバリア層４の内周面側に隙間を有するように表現されているが、図１は当該前駆体１の構造の理解を容易にするための模式的な断面図であり、実際には当該前駆体１を製造する際の伸線加工によってこの隙間は閉塞されている。
【００３５】
＜ニオブ線状体＞
ニオブ線状体２は、伸線加工前のニオブ線材に由来し、銅マトリックス２ａ及び銅マトリックス２ａによって取り囲まれるニオブ製又はニオブ合金製の複数のニオブ芯体２ｂで形成されている。複数のニオブ芯体２ｂは、それぞれが銅マトリックス２ａによって離隔された状態で配設されていればよく、数や配置は特に限定されない。
【００３６】
＜スズ線状体＞
スズ線状体３は、伸線加工前のスズ線材に由来し、銅マトリックス３ａ及び銅マトリックス３ａによって取り囲まれるスズ製又はスズ合金製のスズ芯体３ｂで形成されている。なお、１つのスズ線状体３が１つのスズ芯体３ｂを有するものに限定されず、１つのスズ線状体３が複数のスズ芯体３ｂを有していてもよい。
【００３７】
ニオブ線状体２及びスズ線状体３は、横断面視で、断面領域の形状が略正六角形に形成されており、空間的に略隙間なく組み合わされている。また、図１に示すように、１つのニオブ線状体２の６面にニオブ線状体２及びスズ線状体３が交互に３つずつ隣接し、１つのスズ線状体３の６面の各々にニオブ線状体２が１つずつ隣接しており、ニオブ線状体２の銅マトリックス２ａ及びスズ線状体３の銅マトリックス３ａが互いに当接又は接合している。
【００３８】
スズ線状体３は、上述のようなニオブ線状体２及びスズ線状体３の組み合わせによって規則的に位置している。具体的には、当該前駆体１の横断面視で、複数のスズ線状体３の断面領域の重心が略平面格子状（略三角格子状）に位置している。また当該前駆体１の横断面視で、スズ線状体３の断面領域の重心とスズ芯体３ｂの断面領域の重心とが略一致している。
【００３９】
この平面格子を形成する単位格子の重心とこの単位格子の格子点にあるスズ線状体３の断面領域の重心との間の平均距離Ｗは、熱処理におけるスズの拡散に適した値に調整されている。すなわち、上記平均距離Ｗの下限としては、３０μｍであり、３３μｍがより好ましく、３５μｍがさらに好ましい。一方、上記平均距離Ｗの上限としては、５０μｍであり、４７μｍがより好ましく、４５μｍがさらに好ましい。上記平均距離Ｗが上記下限未満であると、伸線加工が困難になるおそれや伸線加工のコストが増大するおそれがある。逆に、上記平均距離Ｗが上記上限を超えると、スズ線状体３から平面格子を形成する単位格子の重心までのスズの拡散量が不足し、単位格子の重心での粗大なＮｂ３Ｓｎの結晶粒の生成が抑制されないおそれがある。
【００４０】
＜バリア層＞
バリア層４は、内部スズ拡散法による熱処理においてスズ線状体３から拡散されるスズが外部に透過するのを防止する層であり、複数のニオブ線状体２及び複数のスズ線状体３を取り囲むように筒状に形成されている。バリア層４の材質としては、例えばニオブ、チタンが採用されるが、バリア層４の内周面にもＮｂ３Ｓｎを生成できるという観点からニオブが好ましい。
【００４１】
＜保護層＞
保護層５は、当該前駆体１を保護する銅製の安定化材であり、筒状のバリア層４の外周面を被覆するように筒状に形成されている。
【００４２】
［超電導線材］
図２の超電導線材１０は、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材であり、横断面視で断面領域が略円形に形成されている。当該超電導線材１０は、上述の複合管の伸線加工品、すなわち前駆体１から内部スズ拡散法により製造することができる。この場合、当該超電導線材１０は、伸線前の複合管の縮径以外の配置構造を継承する。具体的には、当該超電導線材１０は、複合線材群に由来する複合線状体１１と、この複合線状体１１を取り囲むように配設され、スズの透過を防止する筒状のバリア層１４と、この筒状のバリア層１４の外周面を被覆する筒状の保護層１５とを備える。なお、図２では超電導線材１０が筒状のバリア層１４の内周面側に隙間を有するように表現されているが、図２は超電導線材１０の構造の理解を容易にするための模式的な断面図であり、実際にはこの隙間は閉塞されている。以降、前駆体１から内部スズ拡散法により製造された場合を例に説明するが、当該超電導線材１０は他の方法で製造されてもよい。
【００４３】
また、当該超電導線材１０は、上述の前駆体１に内部スズ拡散法による熱処理を実施する際に、前駆体１のスズ線状体３に含まれるスズは拡散し、ニオブ線状体２に含まれるニオブはスズと反応してＮｂ３Ｓｎとなっている。つまり、当該超電導線材１０の複合線状体１１は、Ｎｂ３Ｓｎを含有する。
【００４４】
＜複合線状体＞
当該超電導線材１０は、長手方向に沿う複数の空孔Ｘを有し、少なくともＮｂ３Ｓｎ及び銅を含有する複合線状体１１を備える。複合線状体１１は、複数のニオブ線状体２に由来する複数のニオブ線状体１２と、複数のスズ線状体３に由来する複数のスズ線状体１３とにより形成され、１つのスズ線状体１３に対して６つのニオブ線状体１２が隣接している。ただし、複数のニオブ線状体１２及び複数のスズ線状体１３は、渾然一体となって融合しており、複合線状体１１は、ニオブ線状体１２及びスズ線状体１３の境界を識別することやＮｂ３Ｓｎ及び銅を明確に区別することが困難な構造となっている。
【００４５】
また、複合線状体１１は、チタンを含む。上述のように前駆体１では、伸線加工前の複合管の複合線材群のうち、チタンはスズ芯材に含まれるとよいが、このようにチタンがスズ芯材に含まれる場合であっても、前駆体１の熱処理を実施する際に、チタンはスズと共に拡散し、Ｎｂ３Ｓｎ内に導入される。このように複合線状体１１でもＮｂ３Ｓｎ内にチタンを含有させることで、上部臨界磁場の向上により高磁場下の臨界電流密度を高めることができる。なお、「高磁場」とは、例えば１５Ｔ（テスラ）以上の磁場を指す。
【００４６】
複合線状体１１のチタン含有量の下限としては、０．３８質量％であり、０．４質量％がより好ましい。一方、上記チタンの含有量の上限としては、０．５５質量％であり、０．５質量％がより好ましい。上記チタンの含有量が上記下限未満であると、当該超電導線材１０のチタンによる臨界電流密度向上効果が十分に得られないおそれがある。逆に、上記チタンの含有量が上記上限を超えると、Ｎｂ３Ｓｎの生成が阻害され、当該超電導線材１０の超電導特性が低下するおそれがある。
【００４７】
＜空孔＞
空孔Ｘは、前駆体１のスズ線状体３に由来する空孔である。上述の通り、内部スズ拡散法による熱処理で前駆体１のスズ線状体３から大部分のスズが拡散する。このため、図１のスズ線状体３のスズ芯体３ｂの配置に由来してスズ線状体１３内には空孔Ｘが形成される。ただし、上述のように、ニオブ線状体１２及びスズ線状体１３は渾然一体となっているので、実際には、図２に示すように、複合線状体１１が長手方向に沿う複数の空孔Ｘを有するように観察される。
【００４８】
なお、前駆体１のスズ芯体３ｂに含まれるスズの一部が拡散せずに残留する場合、図２に示すように、空孔Ｘの内周面にはスズ付着層１３ａが形成される。
【００４９】
空孔Ｘは、前駆体１のニオブ線状体２及びスズ線状体３の配置に由来して規則的に配設される。具体的には、当該超電導線材１０の横断面視で、複数の空孔Ｘの断面領域の重心が略平面格子状（略三角格子状）に位置している。
【００５０】
この平面格子を形成する単位格子の重心とこの単位格子の格子点にある空孔Ｘの断面領域の重心との間の平均距離Ｗは、熱処理におけるスズの拡散に適した値に調整されたものである。すなわち、上記平均距離Ｗの下限としては、３０μｍが好ましく、３３μｍがより好ましく、３５μｍがさらに好ましい。一方、上記平均距離Ｗの上限としては、５０μｍが好ましく、４７μｍがより好ましく、４５μｍがさらに好ましい。上記平均距離Ｗが上記下限未満であると、当該超電導線材１０を製造するための前駆体１自体を製造する際に、伸線加工が困難になるおそれや伸線加工のコストが増大するおそれがある。逆に、上記平均距離Ｗが上記上限を超えると、熱処理前の前駆体１のスズ線状体３から平面格子を形成する単位格子の重心までのスズの拡散量が不足し、当該超電導線材１０が単位格子の重心に粗大なＮｂ３Ｓｎの結晶粒を有するおそれがある。
【００５１】
＜利点＞
当該前駆体１は、横断面視で、複数のスズ線材に由来するスズ線状体３の断面領域の重心を略平面格子状に位置させ、この平面格子を形成する単位格子の重心とこの単位格子の格子点にあるスズ線状体３の断面領域の重心との間の平均距離を３０μｍ以上５０μｍ以下としている。複合管の複合線材群は、スズ線材の周囲に複数のニオブ線材を隣接させる構造であるので、複合管の伸線加工品である当該前駆体１は、スズ線状体３から５０μｍ以下の範囲内にニオブ線材に由来するニオブ線状体２を位置させ、内部スズ拡散法による熱処理においてニオブ線状体２の隅々に十分な量のスズを拡散させることを可能とする。つまり、当該前駆体１は、スズ線状体３から遠く離れた位置におけるスズの拡散量の不足を防止し、磁束ピンニングサイトとなる微細で等軸粒のＮｂ３Ｓｎの結晶粒の生成を促進し、磁束ピンニング力の小さい粗大なＮｂ３Ｓｎの結晶粒の生成を抑制できるので、臨界電流密度の高い超電導線材１０を得ることを可能とする。また、当該前駆体１は、複合線材群がチタンを含み、その含有量が上記範囲内であるので、得られる超電導線材１０のＮｂ３Ｓｎの生成量の低下を抑止しつつ、特に高磁場下の臨界電流密度を高めることができる。
【００５２】
また、当該超電導線材１０は、横断面視で、スズ由来の複数の空孔Ｘの断面領域の重心を略平面格子状に位置させ、この平面格子を形成する単位格子の重心とこの単位格子の格子点にある空孔Ｘの断面領域の重心との間の平均距離を３０μｍ以上５０μｍ以下としているので、製造時に内部スズ拡散法による熱処理により、複合線状体１１内の隅々に十分な量のスズを拡散させることができる。つまり、当該超電導線材１０は、スズから遠く離れた位置におけるスズの拡散量の不足を防止し、粗大なＮｂ３Ｓｎの結晶粒の生成を抑制したものであるので、高い臨界電流密度を示す。また、当該超電導線材１０は、複合線状体１１がチタンを含み、その含有量が０．３８質量％以上０．５５質量％以下であるので、Ｎｂ３Ｓｎ量が多く、また特に高磁場下の臨界電流密度が高い。
【００５３】
［その他の実施形態］
本発明の超電導線材の製造に用いられる前駆体、前駆体の製造方法及び超電導線材は、上記実施形態に限定されるものではない。
【００５４】
上記実施形態では、前駆体が、横断面視で、断面領域の形状が略正六角形のニオブ線状体及びスズ線状体を備えるものについて説明したが、ニオブ線状体及びスズ線状体の横断面視での断面領域の形状は、略正六角形に限定されず、例えば略正三角形又は略正方形であってもよい。また前駆体の構造に由来して、超電導線材が、横断面視で、複数の空孔の断面領域の重心を略正六角格子状又は略正方格子状に位置させたものであってもよい。
【実施例】
【００５５】
以下、実施例によっ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。
【００５６】
［実施例１］
＜複合管の用意＞
まず、ニオブ製の芯材を銅パイプ内に挿入し、伸線加工により横断面が正六角形のニオブ単芯線を製作した。ニオブ単芯線の横断面の正六角形の対辺間の長さは３．８ｍｍであった。製作したニオブ単芯線を多数に切断し、５８３本のニオブ単芯線を組み合わせて銅パイプ内に挿入し、伸線加工により横断面が正六角形のニオブ線材を製作した。ニオブ線材の横断面の正六角形の対辺間の長さは３．５ｍｍとした。
【００５７】
次に、スズ−チタン合金製の芯材（チタン含有量：１．８質量％）を銅パイプ内に挿入し、伸線加工により横断面が正六角形のスズ線材を製作した。スズ線材の横断面の正六角形の対辺間の長さは３．５ｍｍとした。なお、スズ−チタン合金製の芯材のチタン含有量は、製造される超電導線材の複合線状体でのチタン含有量が０．５５質量％となる量である。
【００５８】
得られたニオブ線材及びスズ線材を多数に切断し、８４本のニオブ線材と３７本のスズ線材とを横断面が略円形となるように組み合わせて複合線材群とした。この組み合わせにおいては、スズ線材の６面の全てにニオブ線材が隣接するようにし、ニオブ線材の６面にはスズ線材及びニオブ線材が交互に３本ずつ隣接するようにした。
【００５９】
ニオブ製のシート材を銅パイプの内周面に沿って１巻分挿入し、銅パイプ内のシート材よりさらに内側に複合線材群を挿入し、これを複合管とした。
【００６０】
＜前駆体及び超電導線材＞
得られた複合管を伸線加工により一体化し、さらに伸線加工を進めて前駆体を製造した。なお、伸線加工後の前駆体の断面形状や寸法は、複合管の構成により決まる。実施例１では、複合管が上述のように構成されているので、伸線加工後、複数のスズ線材に由来するスズ線状体の断面領域の重心は略三角格子状に位置する。また、横断面において、平面格子を形成する単位格子の重心とこの単位格子の格子点にあるスズ線状体の断面領域の断面の重心との間の平均距離Ｗは４８μｍとなり、製造された前駆体の線径は０．６ｍｍとなる。なお、複数のスズ線材に由来するスズ線状体の断面領域の重心が略三角格子状に位置していることは、製造された前駆体を切断して横断面を顕微鏡で観察することで、確認した。
【００６１】
また、得られた前駆体に対して内部スズ拡散法による多段熱処理を行い、実施例１の超電導線材を製造した。この超電導線材について、温度が４．２Ｋ、外部磁場が１６Ｔの条件下で、全断面積から銅の断面領域の面積を除いた非銅部における非銅部臨界電流密度を測定した。測定結果を表１に示す。
【００６２】
［実施例２］
スズ−チタン合金製の芯材として、チタン含有量が１．５質量％のものを用いた。なお、スズ−チタン合金製の芯材のチタン含有量は、製造される超電導線材の複合線状体でのチタン含有量が０．４４質量％となる量である。
【００６３】
また、ニオブ線材及びスズ線材の横断面の正六角形の対辺間の長さは２．３ｍｍとし、複合管の伸線加工後の上記重心間の平均距離Ｗが３２μｍとなり、製造された前駆体の線径が０．８ｍｍとなるようにした。
【００６４】
上記以外は実施例１と同様にして実施例２の超電導線材を製造した。この実施例２の非銅部臨界電流密度の測定結果を表１に示す。
【００６５】
［実施例３］
スズ−チタン合金製の芯材として、チタン含有量が１．２質量％のものを用いた。なお、スズ−チタン合金製の芯材のチタン含有量は、製造される超電導線材の複合線状体でのチタン含有量が０．３８質量％となる量である。
【００６６】
上記以外は実施例２と同様にして実施例３の超電導線材を製造した。この実施例３の非銅部臨界電流密度の測定結果を表１に示す。
【００６７】
［比較例１］
複合管の伸線加工後の上記重心間の平均距離Ｗが６０μｍとなり、製造された前駆体の線径が０．８ｍｍとなるようにした以外は、実施例１と同様にして比較例１の超電導線材を製造した。この比較例１の非銅部臨界電流密度の測定結果を表１に示す。
【００６８】
【表１】
2020077591.tif 000003
【００６９】
表１に示すように、実施例１〜３の非銅部臨界電流密度は、１０００Ａ／ｍｍ２以上であり、比較例１よりも大きい。
【００７０】
また、実施例１〜３及び比較例１の超電導線材を切断して横断面を顕微鏡で観察すると、実施例１〜３では、Ｎｂ３Ｓｎの結晶組織が等軸粒であるのに対し、比較例１では、単位格子である三角格子の中央付近にＮｂ３Ｓｎの結晶組織が粗大な結晶粒を含んでいることが確認された。
【００７１】
以上の結果から、横断面視でスズ由来の複数の空孔の断面領域の重心を略平面格子状に位置させ、この平面格子を形成する単位格子の重心とこの単位格子の格子点にある空孔の断面領域の重心との間の平均距離を３０μｍ以上５０μｍ以下とし、かつ複合線状体に０．３８質量％以上０．５５質量％以下のＴｉを含有させることで、超電導線材の臨界電流密度を高められると言える。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明は、臨界電流密度の高い超電導線材を得ることが可能な超電導線材の製造に用いられる前駆体、この前駆体の製造方法及び臨界電流密度の高い超電導線材を提供することができる。
【符号の説明】
【００７３】
１  前駆体
２  ニオブ線状体
２ａ  銅マトリックス
２ｂ  ニオブ芯体
３  スズ線状体
３ａ  銅マトリックス
３ｂ  スズ芯体
４  バリア層
５  保護層
１０  超電導線材
１１  複合線状体
１２  ニオブ線状体
１３  スズ線状体
１３ａ  スズ付着層
１４  バリア層
１５  保護層
Ｘ  空孔
【図１】
2020077591.tif 000004
【図２】
2020077591.tif 000005