(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＲＥＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx （ＲＥは、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕから選ばれた１種以上の元素）で表記される結晶配向した多角柱の超電導バルク体の両端部に金属電極が接続され、通電方向が該超電導バルク体のａｂ面に平行になっており、かつ多角柱周部でａｂ面と２０度以上７０度以下をなす面で金属電極と接続されていることを特徴とする酸化物超電導導体。
【請求項２】
請求項１において、多角柱が四角柱であり、かつａｂ面と４５度をなす四角柱周囲の４面で金属電極と接続されていることを特徴とする酸化物超電導導体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱サイクルに強い金属導体との電極部を有し、かつ臨界電流密度の高いＲＥＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系酸化物超電導導体を提供するものであり、電流リードや永久電流スイッチ等の材料として利用される。
【０００２】
【従来の技術】
ＲＥＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系超電導体は、Ｂｉ系やＴｌ系超電導体に比較して液体窒素温度でのピンニング力が強く、先天的には高い臨界電流密度が得られる物質である。しかし、結晶粒界が弱結合として働き、粒界を横切って大きな超電導電流を流すことができないため、高い臨界電流密度を得るには高度に配向させる必要がある。
【０００３】
この中で、ＱＭＧ法（特公平４−４０２８９）に代表されるような酸化物超電導材料の作製法である溶融法により、体積が５０ｃｍ3 以上の大きな結晶粒をもつＲＥＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系超電導バルク材料の製造が可能になっている（Ｍ．Ｍｏｒｉｔａ  ら  ：Ａｄｖａｎｃｅｓ  ｉｎ  ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ  III ，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ，Ｔｏｋｙｏ，１９９０．ｐ７３３−７３６）。溶融法は基本的にはＲＥＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系超電導体の原料物質を加熱して、ＲＥ2 ＢａＣｕＯ5 相とＢａ、Ｃｕ、Ｏを主成分とした液相の共存する半溶融状態にし、包晶温度直上から徐冷することによりＲＥＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 相を結晶成長させる方法である。この方法で作製された大きな結晶粒内には、結晶方位が数度ずれた小傾角粒界はあるが、弱結合となるような大きな傾角を有する粒界が存在しない。このため、この材料の粒内の臨界電流密度は７７Ｋ、１Ｔで１００００Ａ／ｃｍ2 以上と高く、バルク磁石、磁気シールド、電流リード等の材料として用いることが考えられている。
【０００４】
この材料を電流リードとして用いる場合、バルク体から棒状の導体を切り出して使用されるが、ダイヤモンドカッター等で直線的に切り出し、多角柱状の導体として用いる場合が多い。特に四角柱・棒状に切り出すことは、円柱状の導体に切削加工するよりも容易で歩留まりもよく、コスト的に有利である。
【０００５】
四角柱状に切り出す場合、長さ方向、すなわち電流の流れる方向をａｂ面と平行にする場合が多い。これは、ａｂ面方向に電流を流した場合の臨界電流密度がｃ軸方向に流した場合に比較して大きいからである。また、長さ方向の一面をａｂ面と平行とし、この面を広くとる場合が多い。特に細い導体の場合、このようにする場合が圧倒的に多い。これは、この材料がａｂ面で劈開割れを起こしやすく強度が低いため、ａｂ面に垂直方向に厚みがないと小さな力で容易に破壊してしまうためである。すなわち、ａｂ面に平行な面をある程度の幅をもたせることによって、試料加工時や使用時におけるａｂ面での劈開割れを防ぐ手段を施す場合が多い。
【０００６】
こうした材料は端部で金属線と接続して使用するが、電流リードなどのような大きな電流を通電する用途には、金属線との接続抵抗を低減するために大きな面積で接続する必要がある。したがって、結果的に面積の大きなａｂ面で接続する場合が多い。また、大きな電流を流すため電流方向、すなわち長さ方向に平行な周囲の４面で接続した場合は、ａｂ面での接続が必ず伴う。こうした理由から、これまで配向したＲＥＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx で表記される多角柱のバルクで構成され、かつ通電方向がａｂ面に平行になっている導体が、ａｂ面あるいはこれと直交する面以外で金属と接続された応用例はない。
【０００７】
また、酸化物超電導バルクはアルミナなどのセラミックスに比較しても強度が劣る。したがって、電流リードなどの比較的長さが必要なものに利用する場合、ガラス繊維や金属材料などで補強して利用する場合が多い。このためこれらの材料とＲＥＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx とを固定して用いる場合、これらの材料とＲＥＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx とでは熱膨張係数に差があるために、冷却によってＲＥＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx に熱応力が生じる。
【０００８】
室温から約５ＫまでのＲＥＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 単結晶の熱収縮率は、ｃ軸方向で０．４１％、ａ・ｂ軸で０．１４％であるのに対し、低温用構造材に用いられるガラス繊維強化プラスチック（繊維方向）は、１．５％、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）は０．２６％、また、導電材料である鋼は０．２９％である。したがって、冷却によって銅や補強材との熱収縮の差による応力が生じる。また、熱膨張係数の等しい材料を選択しても、熱容量が異なるなどして冷却時に温度勾配が生じると応力が生じる。このため、後に示すようにａｂ面で金属と接続固定した場合、熱サイクルの激しい環境で使用すると、上記に示した原因によって電極部で導体が破壊される場合がしばしば生じた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の従来技術の現状に鑑み、熱サイクルに強い金属導体との電極部を有し、かつ臨界電流密度の高いＲＥＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系酸化物超電導導体を提供することを目的とする。
【００１０】
【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ために、ａｂ面以外の平面で金属と接続する手段を施したものである。具体的には、ＲＥＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx で表記される結晶配向した多角柱の超電導バルク体の両端部に金属電極が接続され、通電方向が該超電導バルク体のａｂ面に平行になっており、かつ多角柱周部でａｂ面と２０度以上７０度以下をなす面、望ましくは４５度で金属電極と接続されていることを特徴とする酸化物超電導導体である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
ＲＥＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 超電導バルク体のａｂ面は劈開割れをおこしやすく、他の面に比較して著しく強度が低くこの面に作用する力が大きくなると、容易に破壊してしまう。したがって、金属と接続固定する場合は、この面に作用する力が小さくなる面で接続することによって、熱サイクルに強い電極部をつくることが可能になる。特に、大きな電流を流すために全ての面で銅など接続する場合、ａｂ面とその直角の基本面以外の中間的な角度で接続することによって、ａｂ面での剥離破壊が起き難く、熱サイクルに強い電流リードをつくることができる。この時、ａｂ面に作用する力がもっとも小さくなる角度は４５度であり、最も現実的な四角柱導体の場合、周囲の４面をａｂ面と４５度をなす面になるように切り出し、電極で接続することが望ましい。
【００１２】
以下に本発明の酸化物超電導体の具体的形態について述べる。
溶融法で作製されたＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系超電導バルクを使用して、電流リードを作製した。図１は、試作した電流リードである。使用したバルク材料１は内部にＹ2 ＢａＣｕＯ5 相が平均２μｍ以下の大きさ、体積率約３０％で分散しているが、マトリックスは大傾角粒界のない配向したＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 超電導相になっている単結晶状の材料である。ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系バルクの大きさは長さ（電流の方向）４５ｍｍ、幅４ｍｍ、厚さ２ｍｍの材料を５種類用意した。５種類とも、結晶方位は長さ方向がａｂ面と平行になっている。ただし、両端１０ｍｍの銅電極２と接する面はそれぞれ異なり、ａｂ面と平行（図中の角度θが０度）になっているものと、ａｂ面となす角θが１５度、２５度、３０度、また４５度になるように角度を変えて切り出した試料を用意した。図中４はｃ軸の方向すなわちａｂ面に垂直な方向を示す。これら５つの試料で構成された電流リードを、０度で接続されたものから、電流リードＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅとする。
【００１３】
これらの材料は、スパッタリングによって、約１μｍの銀がコーティングされ、銅電極と半田で接続されている。また、図１に示すように、Ｇ１０と呼ばれるガラス繊維強化プラスチック３で補強されている。この補強用プラスチックは超電導バルクと密着されていないが、銅電極とは固定、一体化されている。
【００１４】
これらの電流リードは液体窒素温度（７７Ｋ）で２００Ａの通電をしても、超電導体状態を維持することが可能であった。この電流リードを室温に戻し、再び液体窒素温度まで冷却する操作を１００回熱サイクルを繰り返した。このうち、電流リードＡは１０回の熱サイクルを印加したところで、図２に示したように両端の電極部近くでａｂ面から剥離破壊した。その他の電流リードは１００回の熱サイクルでも外見上問題はなかったが、電流リードＢは液体窒素温度で６０Ａ通電したところで両端の電気抵抗が大きくなり、通電できなくなった。これを光学顕微鏡で観察したところ、電極部近傍で試料のａｂ面に平行に大きなクラックが観察された。このクラックによって電流の流れが阻害され、臨界電流が低下してしまったと見られる。電流リードＣ、Ｄ、Ｅについては２００Ａの電流を通電しても異常は認められなかった。
【００１５】
電流リードＡおよびＢの電極部が破損した原因は、電極部の銅とＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系超電導バルク、およびガラス繊維強化プラスチックとＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系超電導バルクの熱膨張係数の差によって、電極部近傍に応力が生じ、強度の低いａｂ面で劈開クラックが発生・拡大したためと考えられる。一方、電極接合面がａｂ面とが２５度よりも大きかったものは、ａｂ面にかかる応力が小さくなったために、熱サイクルによる繰り返し応力に耐えたものと考えられる。
【００１６】
溶融法で作製されたＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系超電導バルクを使用して、上記のものとは異なる形態の電流リードを作製した。図３は、試作した電流リードである。使用したバルク材料５は内部にＹ2 ＢａＣｕＯ5 相が平均２μｍ以下の大きさ、体積率約３０％で分散しているが、マトリックスは大傾角粒界のない配向したＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 超電導相になっている単結晶状の材料である。ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系バルクの大きさは長さ（電流の方向）４５ｍｍ、幅４ｍｍ、厚さ３ｍｍの材料を２種類用意した。２種類とも、結晶方位は長さ方向がａｂ面になっている。この材料は、長さ方向と垂直な端部の面と長さ５ｍｍの周囲の４面全てを使って銅電極６と接続されているが、周囲の４面の結晶面はそれぞれ異なる。電流リードＦは４ｍｍ幅の側がａｂ面であり、３ｍｍ幅の部分がａｂ面と直交する面になっているのに対し、電流リードＧは、４面ともａｂ面と４５度をなす面で銅電極と接続されている。これらの材料は、スパッタリングによって、約１μｍの銀がコーティングされ、銅電極と半田で接続されている。また、図３に示すように、Ｇ１０と呼ばれるガラス繊維強化プラスチックのパイプ７で周囲から固定・補強されている。
【００１７】
これらの電流リードは液体窒素温度（７７Ｋ）で２００Ａの通電しても、超電導状態を維持することが可能であった。この電流リードを室温に戻し、再び液体窒素温度まで冷却する操作を繰り返した。この時電流リードの両端に生じる電気抵抗は、１０-4オームのオーダーであった。これはほとんど銅の電気抵抗である。このうち、電流リードＦは１０回の熱サイクルを印加したところで、両端の電気抵抗が、キロオーム以上になり通電が不可能になった。中を観察したところ、片側の電極部近くでａｂ面から剥離破壊を起こしていた。一方、電流リードＧは１００回の熱サイクル後も２００Ａの電流を通電可能であり、電気抵抗の異常は認められなかった。
【００１８】
電流リードＦの電極部が破損した原因は、電極部の銅とＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系超電導バルク、およびガラス繊維強化プラスチックとＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系超電導バルクの熱膨張係数の差によって、電極部近傍に応力が生じ、強度の低いａｂ面で劈開クラックが発生・拡大したためと考えられる。一方、電極接合面がａｂ面とが４５度に切り出したものは、ａｂ面にかかる応力が小さくなったために、熱サイクルによる繰り返し応力に耐えたものと考えられる。
【００１９】
【発明の効果】
ＲＥＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系バルクを導体として用いる場合、本発明にしたがって金属の接続する面をＲＥＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系バルクのａｂ面以外、望ましくは４５度をなす面に近い面に限定することにより、熱サイクルに強い酸化物電流リードを作製することが可能になる。この材料は、電流リードや永久電流スイッチなどに応用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】酸化物超電導導体による電流リードの例を示す概略図
【図２】剥離破壊を起こしたＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx バルクを示す図
【図３】酸化物超電導導体による電流リードの例を示す概略図
【符号の説明】
１  ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系バルク
２  銅電極
３  ガラス繊維強化プラスチック補強体
４  ｃ軸の方向
５  ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 系バルク
６  銅電極
７  ガラス繊維強化プラスチックのパイプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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