(57)【要約】【課題】  臨界電流密度を向上することのできる焼結体、焼結体の製造方法、超電導線材、超電導機器、および超電導線材の製造方法を提供する。【解決手段】  本発明の焼結体の製造方法は、ＭｇとＢとを含む焼結体の製造方法であって、Ｍｇ粉末３ａ，３ｂとＢ粉末２とを互いに混合せずに配置する配置工程と、配置工程の後、Ｍｇ粉末３ａ，３ｂおよびＢ粉末２を熱処理する熱処理工程とを備えている。また、熱処理工程の温度は６５１℃以上１１０７℃以下である。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マグネシウムとホウ素とを含み、焼結密度が９０％以上である、焼結体。
【請求項２】
マグネシウムとホウ素とを含む焼結体の製造方法であって、
前記マグネシウムと前記ホウ素とを互いに混合せずに配置する配置工程と、
前記配置工程の後、前記マグネシウムおよび前記ホウ素を熱処理する熱処理工程とを備える、焼結体の製造方法。
【請求項３】
前記熱処理工程の温度が６５１℃以上１１０７℃以下である、請求項２に記載の焼結体の製造方法。
【請求項４】
前記配置工程は、炭化ケイ素および炭化四ホウ素のうち少なくとも一方と、前記ホウ素とを混合した混合体を作製する工程と、前記マグネシウムと前記混合体とを互いに混合せずに配置する工程とを含む、請求項２または３に記載の焼結体の製造方法。
【請求項５】
マグネシウムとホウ素とを含む超電導フィラメントを有し、前記超電導フィラメントの焼結密度が９０％以上である、超電導線材。
【請求項６】
請求項１に記載の焼結体または請求項５に記載の超電導線材を用いた超電導機器。
【請求項７】
互いに混合されていないマグネシウムとホウ素とを含む原料体を金属で被覆した形態を有する線材を作製する線材作製工程と、
前記線材を熱処理する熱処理工程とを備える、超電導線材の製造方法。
【請求項８】
前記熱処理工程の温度が６５１℃以上１１０７℃以下である、請求項７に記載の超電導線材の製造方法。
【請求項９】
前記線材作製工程は、炭化ケイ素および炭化四ホウ素のうち少なくとも一方と、前記ホウ素とを混合した混合体を作製する工程と、互いに混合されていない前記マグネシウムと前記混合体とを含む前記原料体を前記金属で被覆した形態を有する前記線材を作製する工程とを含む、請求項７または８に記載の超電導線材の製造方法。
【請求項１０】
前記熱処理工程の後に、前記熱処理の温度よりも低い融点を有する低融点金属を前記マグネシウムが存在していた部分に注入する、請求項７〜９のいずれかに記載の超電導線材の製造方法。
【請求項１１】
前記線材作製工程において、前記線材の長手方向に延在するように前記マグネシウムを配置し、前記長手方向に垂直な断面において前記マグネシウムを囲むように前記ホウ素を配置する、請求項７〜１０のいずれかに記載の超電導線材の製造方法。
【請求項１２】
前記熱処理工程の直前において、前記マグネシウムと前記ホウ素との境界面から０ｍｍ以上１ｍｍ以下の距離に全ての前記ホウ素が存在するように、前記マグネシウムと前記ホウ素とを配置する、請求項７〜１１のいずれかに記載の超電導線材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は焼結体、焼結体の製造方法、超電導線材、超電導機器、および超電導線材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭｇＢ2の焼結体を超電導線材の超電導体フィラメントとして用いると、高い臨界温度を実現することができる。このため、ＭｇＢ2の焼結体は注目を集めている。ＭｇＢ2 の焼結体を用いた超電導線材は、たとえば以下の製造方法（第１の製造方法）により製造される。
【０００３】
反応済みのＭｇＢ2 より構成される超電導粉末を金属パイプ内に充填したものを伸線し、これを金属パイプ内に複数本組み込んで多芯構造とする。そして、所定のサイズへの伸線を行ない、その後、所定の温度での熱処理を施す。
【０００４】
また、他の製造方法（第２の製造方法）として以下の方法も知られている。ＭｇＢ2 の原料となるＭｇ（マグネシウム）の粉末とＢ（ホウ素）の粉末とをランダムな状態になるように混合し、原料粉末を作製する。そして、この原料粉末を金属パイプ内に充填したものを伸線し、これを金属パイプ内に複数本組み込んで多芯構造とする。そして、所定のサイズへの伸線を行ない、その後、所定の温度での熱処理を施す。
【０００５】
上記のようなＭｇＢ2の超電導線材の製造方法は、たとえば非特許文献１〜３に開示されている。特に非特許文献１には、上記第２の製造方法により製造した超電導線材の方が、上記第１の製造方法により製造した超電導線材よりも高い臨界電流密度が得られると記載されている。
【非特許文献１】Alexey. V. Pan, et al., "Properties of superconducting MgB2wires: in situ versus ex situ reaction technique", Supercond. Sci. Technol. 16 (2003) pp.639-644
【非特許文献２】X. L. Wang, et al., "Significant improvement of critical current density in coated MgB2/Cu short tapes through nano-SiC doping and short-time in situ reaction", Supercond. Sci. Technol. 17 (2004) pp.L21-L24
【非特許文献３】A. Matsumoto, et al., "Effect of impurity additions on the microstructures and superconducting properties of in situ-processed MgB2tapes", Supercond. Sci. Technol. 17 (2004) pp.S319-S323
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、第２の製造方法によって得られる超電導線材では、超電導体フィラメントの焼結密度が約５０％と低かった。超電導線材は、超電導体フィラメントの密度が低いと臨界電流値が低下する性質を有している。このため、第２の製造方法によってＭｇＢ2の超電導線材を製造しても、十分に高い臨界電流密度を得ることはできなかった。
【０００７】
したがって、本発明の目的は、臨界電流密度を向上することのできる焼結体、焼結体の製造方法、超電導線材、超電導機器、および超電導線材の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の焼結体は、ＭｇとＢとを含み、焼結密度が９０％以上である。本発明の焼結体によれば、超電導線材に用いた場合に臨界電流密度を向上することができる。本発明の焼結体は、たとえば以下の製造方法によって製造することができる。
【０００９】
本発明の焼結体の製造方法は、ＭｇとＢとを含む焼結体の製造方法であって、ＭｇとＢとを互いに混合せずに配置する配置工程と、配置工程の後、ＭｇおよびＢを熱処理する熱処理工程とを備えている。
【００１０】
本願発明者らは、従来においてＭｇＢ2の焼結体を超電導線材に用いても、十分に高い臨界電流密度が得られなかった理由について見出した。すなわち、マグネシウムとホウ素とを含む原料粉末を熱処理すると、Ｍｇが拡散してＢの方へ移動する。その結果、Ｍｇが存在していた部分に空隙が生じ、Ｂが存在していた部分にＭｇＢ2の焼結体が生成する。このように空隙が生じることで、焼結体の密度が低下するので、ＭｇＢ2の焼結体を超電導線材に用いても、十分に高い臨界電流密度が得られなかった。
【００１１】
そこで、本発明の焼結体の製造方法では、ＭｇとＢとを互いに混合せずに配置した状態で熱処理する。これにより、Ｍｇが存在していた部分は焼結体の一部には含まれなくなるため、焼結体の焼結密度は低下しない。したがって、ＭｇとＢとを含む焼結体の焼結密度を向上することができ、この焼結体を用いることで超電導線材の臨界電流密度を向上することができる。
【００１２】
上記製造方法において好ましくは、熱処理工程の温度が６５１℃以上１１０７℃以下である。
【００１３】
Ｍｇの融点は６５１℃であるので、これ以上の温度で熱処理することで、Ｍｇが液化し、Ｍｇの拡散速度が飛躍的に向上する。また、Ｍｇの沸点は１１０７℃であるので、これ以下の温度で熱処理することで、Ｍｇが気化により消失することを防止できる。
【００１４】
上記製造方法において好ましくは、配置工程は、炭化ケイ素および炭化四ホウ素のうち少なくとも一方と、Ｂとを混合した混合体を作製する工程と、Ｍｇとこの混合体とを互いに混合せずに配置する工程とを含んでいる。
【００１５】
これにより、炭化ケイ素および炭化四ホウ素のうち少なくとも一方を含む焼結体が得られる。この焼結体によって超電導線材の臨界電流密度を一層向上することができる。
【００１６】
本発明の超電導線材は、ＭｇとＢとを含む超電導体フィラメントを有し、超電導体フィラメントの焼結密度が９０％以上である。また、本発明の超電導機器は、上記焼結体または上記超電導線材を用いている。
【００１７】
本発明の超電導線材および超電導機器によれば、臨界電流密度を向上することができる。本発明の超電導線材は、たとえば以下の製造方法によって製造することができる。
【００１８】
本発明の超電導線材の製造方法は、互いに混合されていないＭｇとＢとを含む原料体を金属で被覆した形態を有する線材を作製する線材作製工程と、線材を熱処理する熱処理工程とを備えている。
【００１９】
本発明の超電導線材の製造方法では、ＭｇとＢとを互いに混合せずに配置した状態で熱処理する。これにより、Ｍｇが存在していた部分は超電導体フィラメントの一部には含まれなくなるため、超電導体フィラメントの焼結密度は低下しない。したがって、ＭｇとＢとを含む超電導体フィラメントの焼結密度を向上することができ、超電導線材の臨界電流密度を向上することができる。
【００２０】
上記製造方法において好ましくは、熱処理工程の温度が６５１℃以上１１０７℃以下である。
【００２１】
Ｍｇの融点は６５１℃であるので、これ以上の温度で熱処理することで、Ｍｇが液化し、Ｍｇの拡散速度が飛躍的に向上する。また、Ｍｇの沸点は１１０７℃であるので、これ以下の温度で熱処理することで、Ｍｇが気化により消失することを防止できる。
【００２２】
上記製造方法において好ましくは、線材作製工程は、炭化ケイ素および炭化四ホウ素のうち少なくとも一方と、Ｂとを混合した混合体を作製する工程と、互いに混合されていないＭｇと混合体とを含む原料体を金属で被覆した形態を有する線材を作製する工程とを含んでいる。
【００２３】
これにより、炭化ケイ素および炭化四ホウ素のうち少なくとも一方を含む超電導体フィラメントを有する超電導線材が得られ、超電導線材の臨界電流密度を一層向上することができる。
【００２４】
上記製造方法において好ましくは、熱処理工程の後に、熱処理の温度よりも低い融点を有する低融点金属をＭｇが存在していた部分に注入する。
【００２５】
これにより、原料体が反応して生成した超電導体フィラメント内に存在する空洞を低融点金属で埋めることができ、その結果、超電導体の安定化を図ることができる。
【００２６】
上記製造方法において好ましくは、線材作製工程において、線材の長手方向に延在するようにＭｇを配置し、長手方向に垂直な断面においてＭｇを囲むようにＢを配置する。
【００２７】
これにより、超電導線材の長手方向に対して垂直な断面全体に空隙が形成されることを抑制できる。超電導線材の長手方向に沿って電流は流れるので、空隙が導電パスの妨げとなることを抑制することができ、臨界電流密度を向上することができる。
【００２８】
上記製造方法において好ましくは、熱処理工程の直前において、ＭｇとＢとの境界面から０ｍｍ以上１ｍｍ以下の距離に全てのＢが存在するように、ＭｇとＢとを配置する。
【００２９】
熱処理工程におけるＭｇの拡散距離は１ｍｍであることが好ましい。１ｍｍよりも長い距離をＭｇが拡散するようにするためには、非常に長い時間の熱処理が必要になる。したがって、熱処理工程直前において、ＭｇとＢとの境界面から１ｍｍ以下の距離に全てのＢを配置することで、Ｍｇが短時間でＢ全体に拡散し、熱処理時間を短縮することができる。
【００３０】
なお、本明細書において「ＭｇとＢとを互いに混合せずに」とは、「Ｍｇの粒子とＢの粒子とをランダムな状態にせずに」という意味である。また、「Ｍｇと混合体とを互いに混合せず」とは、「Ｍｇの粒子と混合体の粒子とをランダムな状態にせずに」という意味である。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、臨界電流密度を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明の実施の形態について、図に基づいて説明する。
【００３３】
（実施の形態１）
図１〜図３は、本発明の実施の形態１における焼結体の構成を示す斜視図である。図１〜図３に示すように、本実施の形態における焼結体は、たとえばＭｇＢ2よりなっており、その形状は任意である。たとえば、図１に示す焼結体１ａは円筒形状を有している。また、図２に示す焼結体は、中心部分に円筒形状の空洞２０が存在する円筒形状を有している。さらに、図３に示す焼結体は、複数の円筒形状の空洞２０が円周方向に沿って存在する円筒形状を有している。焼結体１ａ〜１ｃの焼結密度は９０％以上である。
【００３４】
ここで、焼結体の焼結密度は以下の方法により算出される。
【００３５】
はじめに、一定質量（Ｍ（ｇ））の焼結体に切り分ける。次に、切り分けられた焼結体をアルコールに浸し、アルコール中での線材の質量（Ｗ（ｇ））を計測し、焼結体に働く浮力が算出される。そして、既知のアルコール密度（ρ＝０．７８９（ｇ／ｃｍ3）を用いて焼結体の体積（Ｖ（ｃｍ3））が算出される。具体的には、浮力をＦとすると、以下の式（１）、（２）によりＶが算出される。なお、焼結体１ｂおよび１ｃにおける空洞２０の部分は、焼結体の体積Ｖに含まれないことは言うまでもない。
【００３６】
Ｆ＝Ｍ−Ｗ    ・・・（１）
Ｖ＝Ｆ／ρ    ・・・（２）
このようにして得られた焼結体の体積Ｖから、以下の式（３）を用いて焼結体の密度ρが算出される。
【００３７】
ρ＝Ｍ／Ｖ    ・・・（３）
一方、焼結体がＭｇＢ2よりなっている場合、その理論密度は２．６３ｇ／ｃｍ3という値が採用されている。この焼結体の理論密度と焼結体の密度ρとの比から、焼結体の焼結密度が算出される。具体的には、式（４）により焼結密度が算出される。
【００３８】
焼結密度（％）＝（ρ／２．６３）×１００    ・・・（４）
次に、本実施の形態における焼結体の製造方法について説明する。本実施の形態では、特に焼結体１ａの製造方法について説明する。
【００３９】
はじめに、図４を参照して、Ｍｇ粉末を２つに分け、２つに分けたうちの一方のＭｇ粉末３ａを円筒形状の容器３１内に充填する。次に、容器３１内のＭｇ粉末３ａ上にＢ粉末２を充填する。Ｂ粉末２を充填する際には、所望の焼結体の形状にＢ粉末２の形状を整える。次に、容器３１内のＢ粉末２上に残りのＭｇ粉末３ｂを充填する。その後、容器３１の開口部を蓋３１ａで覆う。
【００４０】
このように、本実施の形態では、Ｍｇ粉末とＢ粉末とを互いに混合せずに容器３１内に充填（配置）する。このとき、Ｍｇ粉末３ａ，３ｂとＢ粉末２とを合わせて一つの原料粉末として見ると、原料粉末中において、Ｍｇ粉末を構成する粒子とＢ粉末を構成する粒子とは互いにランダムな状態で存在していない。なお、Ｍｇ粉末およびＢ粉末を構成する粒子の大きさは任意である。また、熱処理前のＢ粉末を圧粉成形などの方法で高密度化しておくことが好ましい。これにより、得られる焼結体も高密度化することができる。
【００４１】
なお、焼結体１ｂおよび１ｃを製造する際には、以下のようにＭｇ粉末およびＢ粉末を充填する。図５を参照して、焼結体１ｂを製造する際には、空洞２０となる部分にＭｇ粉末３を充填し、その周りを覆うようにＢ粉末２を充填する。言い換えれば、容器３１における中心軸部分に棒状に固めたＭｇ粉末を配置する。または、Ｍｇの棒を配置する。また、図６を参照して、焼結体１ｃを製造する際には、空洞２０となる４つの部分にＭｇ粉末３ａ，３ｂを充填し、その周りを覆うようにＢ粉末２を充填する。
【００４２】
次に、たとえば６５１℃以上１１０７℃以下の温度で、上記のＭｇ粉末およびＢ粉末を熱処理する。これにより、Ｍｇ粉末およびＢ粉末が反応し、ＭｇＢ2の焼結体が生成する。図４の原料粉末を熱処理した場合の、熱処理後の焼結体の構成を図７に示す。図７に示すように、熱処理前のＢ粉末２の形状にほぼ近い形状で焼結体１が生成する。また、Ｍｇ粉末３が存在していた部分には空隙（空洞）５が形成される。その後、この焼結体１を容器３１内から取り出す。以上の工程により、図１に示す焼結体１ａが得られる。
【００４３】
本願発明者らは、従来においてＭｇＢ2の焼結体を超電導線材に用いても、十分に高い臨界電流密度が得られなかった理由について見出した。これについて以下に説明する。
【００４４】
図８（ａ）〜（ｃ）は、従来の製造方法における熱処理時のＭｇ粉末およびＢ粉末の変化を段階的に示す断面図である。従来においては、ＭｇとＢとの反応を促進するために、Ｍｇ粉末とＢ粉末とを混合して原料粉末を作製していた。このため、図８（ａ）に示すように、原料粉末中において、Ｍｇ粉末１０３を構成する粒子とＢ粉末１０２を構成する粒子とはランダムな状態で存在していた。この原料粉末を熱処理すると、図８（ｂ）に示すように、Ｍｇが拡散して、Ｂの方向（矢印の方向）へ移動する。その結果、図８（ｃ）に示すように、Ｍｇ粉末１０３が存在していた部分に空隙１０５が生じ、Ｂ粉末１０２が存在していた部分にＭｇＢ2よりなる焼結体１０１が生成する。つまり、空隙１０５が焼結体１０１の内部に生じてしまう。
【００４５】
このように、従来の製造方法では、焼結体の内部に空隙が生じることによって、焼結体の焼結密度が低下していた。このため、ＭｇＢ2よりなる焼結体を超電導線材に用いても、この空隙が導電パスの妨げとなり、十分に高い臨界電流密度が得られなかった。
【００４６】
図９は、従来の製造方法によって得られた焼結体の断面を示す顕微鏡写真である。図９に示すように、従来の製造方法によって得られた焼結体の内部には、直径約２０μｍ〜約５０μｍの空隙が生じているのが分かる。
【００４７】
図１０（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態１の製造方法における熱処理時のＭｇ粉末およびＢ粉末の変化を段階的に示す断面図である。なお、図１０（ａ）〜（ｃ）は、図４におけるＭｇ粉末３ａとＢ粉末２との境界部分を示している。本実施の形態における焼結体の製造方法では、Ｍｇ粉末とＢ粉末とを互いに混合せずに配置した状態で熱処理する。このため、図１０（ａ）に示すように、原料粉末中においてＭｇ粉末３（３ａ）の存在する領域とＢ粉末２の存在する領域とに明確な境界線を引くことができる。このようにＭｇ粉末とＢ粉末とを配置した原料粉末を熱処理すると、図１０（ｂ）に示すように、Ｍｇが拡散して、Ｂの方向（矢印の方向）へ移動する。その結果、図１０（ｃ）に示すように、Ｍｇ粉末３が存在していた部分に空隙（空洞）５が生じ、Ｂ粉末２が存在していた部分にＭｇＢ2よりなる焼結体１が生成する。つまり、空隙５は焼結体１の内部に生じない。
【００４８】
このように、本実施の形態の製造方法では、空隙が焼結体の内部に生じないため、焼結体の焼結密度は低下しない。したがって、空隙が導電パスの妨げとならないので、ＭｇＢ2よりなる焼結体の焼結密度を向上する（たとえば９０％以上）ことができる。そして、この焼結体を用いることで超電導線材の臨界電流密度を向上することができる。
【００４９】
図１１（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態１における製造方法によって得られた焼結体の断面を示す顕微鏡写真である。図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施の形態の製造方法によって得られた焼結体の内部には、空隙がほとんど生じていないのが分かる。
【００５０】
上記製造方法においては、６５１℃以上１１０７℃以下の温度でＭｇ粉末およびＢ粉末を熱処理する。
【００５１】
Ｍｇの融点は６５１℃であるので、これ以上の温度で熱処理することで、Ｍｇが液化し、Ｍｇの拡散速度が飛躍的に向上する。また、Ｍｇの沸点は１１０７℃であるので、これ以下の温度で熱処理することで、Ｍｇが気化により消失することを防止できる。
【００５２】
（実施の形態２）
実施の形態１の製造方法では、原料粉末がＭｇ粉末とＢ粉末とのみよりなる場合について示した。しかし、本発明はこのような場合の他、たとえば原料粉末が他の材料を含んでいてもよい。
【００５３】
本実施の形態における焼結体の製造方法では、ＳｉＣ（炭化ケイ素）およびＢ4Ｃ（炭化四ホウ素）と、Ｂ粉末とを混合した混合粉末（混合体）を作製する。そして、Ｍｇ粉末とこの混合粉末とを互いに混合せずに配置する。たとえば図４において、Ｂ粉末２が配置されている位置に混合粉末が配置される。次に、上記のＭｇ粉末および混合粉末を熱処理する。これにより、ＳｉＣおよびＢ4Ｃを含むＭｇＢ2の焼結体が生成する。
【００５４】
なお、これ以外の製造方法は、実施の形態１とほぼ同様であるため、その説明は省略する。
【００５５】
本実施の形態の焼結体の製造方法においては、ＳｉＣおよびＢ4Ｃと、Ｂとを混合した混合粉末を作製し、Ｍｇの粉末と混合粉末とを互いに混合せずに配置する。
【００５６】
これにより、ＳｉＣおよびＢ4Ｃを含む焼結体が得られる。この焼結体によって超電導線材の臨界電流密度を一層向上することができる。
【００５７】
なお、本実施の形態では、ＳｉＣおよびＢ4Ｃの両方と、Ｂとを混合した混合粉末を作製する場合について示したが、本発明はこのような場合に限定されるものではなく、ＳｉＣおよびＢ4Ｃのうち少なくとも一方と、Ｂとを混合した混合粉末を作製すればよい。
【００５８】
（実施の形態３）
図１２は、本発明の実施の形態３における超電導線材の構成を模式的に示す部分断面斜視図である。図１２を参照して、たとえば、多芯線の超電導線材について説明する。超電導線材１０は、長手方向に伸びる複数本の焼結体（超電導体フィラメント）１と、それらを被覆するシース部１１とを有している。すなわち、実施の形態１および２における焼結体１が、図１２における超電導体フィラメント１となっている。超電導体フィラメント１は、たとえばＭｇＢ2よりなっている。シース部１１は、たとえばステンレス、銅、およびこれらの合金などの金属よりなっている。超電導体フィラメント１の焼結密度は９０％以上である。
【００５９】
ここで、超電導体フィラメントの焼結密度は以下の方法により算出される。
【００６０】
はじめに、一定質量（Ｍt（ｇ））の超電導線材が切り分けられる。次に、切り分けられた超電導線材をアルコールに浸し、アルコール中での線材の質量（Ｗ（ｇ））を計測し、超電導線材に働く浮力が算出される。そして、既知のアルコール密度（ρ＝０．７８９（ｇ／ｃｍ3）を用いて超電導線材の体積（Ｖt（ｃｍ3））が算出される。具体的には、浮力をＦｔとすると、以下の式（５）、（６）によりＶtが算出される。
【００６１】
Ｆt＝Ｍt−Ｗ    ・・・（５）
Ｖt＝Ｆt／ρ    ・・・（６）
続いて、超電導線材を硝酸に溶解し、その溶液をＩＣＰ（Inductive Coupled Plasma）発光分析することによりシース部を定量し、超電導線材の質量に占めるシース部の割合（Ｙ）が算出される。そして、超電導線材の質量から、超電導体フィラメント部との質量（Ｍf（ｇ））と、シース部の質量（Ｍs（ｇ））とが以下の式（７）、（８）により算出される。
【００６２】
Ｍs＝Ｍt×Ｙ    ・・・（７）
Ｍf＝Ｍt−Ｍs    ・・・（８）
次に、シース部の体積（Ｖs（ｃｍ3））が既知の比重（たとえばシース部が銀よりなる場合、１０．５（ｇ／ｃｍ3））より算出され、シース部の体積から超電導体フィラメントの体積（Ｖf（ｃｍ3））が算出される。そして、超電導体フィラメントの体積から超電導体フィラメントの密度ρfが算出される。具体的には、以下の式（９）〜（１１）によりρfが算出される。
【００６３】
Ｖs＝Ｍs／１０．５    ・・・（９）
Ｖf＝Ｖt−Ｖs    ・・・（１０）
ρf＝Ｍf／Ｖf    ・・・（１１）
一方、超電導体フィラメントがＭｇＢ2よりなっている場合、その理論密度は２．６３ｇ／ｃｍ3という値が採用されている。この理論密度と超電導体フィラメントの密度ρとの比から、超電導体フィラメントの焼結密度が算出される。具体的には、式（１２）により算出される。
【００６４】
焼結密度（％）＝（ρf／２．６３）×１００    ・・・（１２）
次に、本実施の形態における超電導線材の製造方法について説明する。
【００６５】
はじめに、図１３を参照して、たとえばステンレスなどの金属よりなる金属管１１ａに超電導体の原材粉末（前駆体、原料体）を充填する。この超電導体の原料粉末は、互いに混合されていないＭｇ粉末３とＢ粉末２とを含んでいる。具体的には、金属管１１ａの長手方向に延在するように、棒状に固めたＭｇ粉末３を３箇所に配置し、その周りを覆うようにＢ粉末２を配置する。また、金属管１１ａの長手方向に垂直な断面（図１３に示される断面）においてＭｇ粉末３を囲むようにＢ粉末２を配置する。
【００６６】
なお、Ｍｇ粉末とＢ粉末との配置方法は上記に限定されるものではなく、Ｍｇ粉末とＢ粉末とが互いに混合されていなければよい。
【００６７】
続いて、所望の直径にまで上記金属管１１ａを伸線加工し、前駆体を芯材としてステンレスなどの金属で被覆された単芯線１０ａを作製する。これにより、互いに混合されていないＭｇ粉末３とＢ粉末２とを含む原料粉末を金属管１１ａで被覆した形態を有する線材（単芯線）１０ａが得られる。
【００６８】
次に、図１４を参照して、単芯線１０ａを多数束ねて、たとえばステンレスなどの金属よりなる金属管１１ｂ内に嵌合し、多芯構造とする。続いて、所望の直径にまで多芯構造の線材を伸線加工し、原料粉末がシース部に埋め込まれた多芯線（以下、線材と記すこともある）を作製する。
【００６９】
図１５は、多芯線を作製した直後（熱処理直前）における原料粉末の状態を示す要部断面図である。なお、図１５では、多芯線を構成する１つの単芯線の断面を示している。図１５を参照して、熱処理直前においては、Ｍｇ粉末３とＢ粉末２との境界面から０ｍｍ以上１ｍｍ以下の距離（図１５中点線で示される範囲内）に全てのＢ粉末２が存在していることが好ましい。Ｍｇ粉末３とＢ粉末２とを図１５に示すように配置するためには、単心線の伸線時および多芯線の伸線時にそれぞれ線材がどの程度縮径されるかを測定し、その縮径の程度に応じて図１３におけるＭｇ粉末３およびＢ粉末２のサイズおよび位置を決定する。
【００７０】
次に、上記多芯線を熱処理する。この熱処理は、たとえば６５１℃以上１１０７℃以下で行なわれる。この熱処理によって原料粉末からＭｇＢ2よりなる超電導相が生成され、超電導体フィラメントとなる。なお、熱処理後にＭｇ粉末３の存在していた部分には空洞が生じるが、この空洞は超電導体フィラメント１の内部に含まれないので、超電導線材１０の性能にはほとんど影響を与えない。以上の製造工程により、図１２に示す超電導線材１０が得られる。
【００７１】
本実施の形態の超電導線材の製造方法は、互いに混合されていないＭｇ粉末３とＢ粉末２とを含む原料粉末を金属管１１ａで被覆した形態を有する線材を作製する線材作製工程と、線材を熱処理する熱処理工程とを備えている。
【００７２】
本実施の形態の超電導線材の製造方法では、Ｍｇ粉末３とＢ粉末２とを互いに混合せずに配置した状態で熱処理する。これにより、Ｍｇが存在していた部分は超電導体フィラメント１の一部には含まれなくなるため、超電導体フィラメント１の焼結密度は低下しない。したがって、ＭｇとＢとを含む超電導体フィラメントの焼結密度を向上することができ、超電導線材の臨界電流密度を向上することができる。
【００７３】
上記製造方法においては、６５１℃以上１１０７℃以下の温度でＭｇ粉末３およびＢ粉末２を熱処理する。
【００７４】
Ｍｇの融点は６５１℃であるので、これ以上の温度で熱処理することで、Ｍｇが液化し、Ｍｇの拡散速度が飛躍的に向上する。また、Ｍｇの沸点は１１０７℃であるので、これ以下の温度で熱処理することで、Ｍｇが気化により消失することを防止できる。
【００７５】
上記製造方法においては、線材を作製する際に、線材の長手方向に延在するようにＭｇ粉末３を配置し、長手方向に垂直な断面においてＭｇ粉末３を囲むようにＢ粉末２を配置する。
【００７６】
これにより、超電導線材１０の長手方向に対して垂直な断面全体に空隙が形成されることを抑制できる。超電導線材１０の長手方向に沿って電流は流れるので、空隙が導電パスの妨げとなることを抑制することができ、臨界電流密度を向上することができる。
【００７７】
上記製造方法において好ましくは、熱処理の直前において、Ｍｇ粉末３とＢ粉末２との境界面から０ｍｍ以上１ｍｍ以下の距離に全てのＢ粉末２が存在するように、Ｍｇ粉末３とＢ粉末２とを配置する。
【００７８】
熱処理工程におけるＭｇの拡散距離は１ｍｍ以下にすることが好ましい。１ｍｍよりも長い距離をＭｇが拡散するようにするためには、非常に長い時間の熱処理が必要になる。したがって、熱処理直前において、Ｍｇ粉末３とＢ粉末２との境界面から１ｍｍ以下の距離に全てのＢの粉末を配置することで、Ｍｇ粉末３の粒子が短時間でＢ粉末２全体に拡散し、熱処理時間を短縮することができる。熱処理時間を短縮することで、超電導線材の製造に要する時間を短縮できることの他にも様々な効果が得られる。たとえば、超電導結晶の粒成長を抑制することができるので、超電導結晶中の結晶粒界が多くなり、粒界によるピンニング効果が大きくなる。また、熱処理の際に超電導結晶とシース材とが反応することを抑制できるため、シース材の選択の幅が広がる。
【００７９】
なお、本実施の形態においては多芯線について説明したが、１本の超電導体フィラメントがシース部により被覆される単芯線構造の超電導線材であってもよい。また、本実施の形態の製造方法が適用される超電導線材は、丸線のみならず、テープ状であっても良い。テープ状の超電導線材は、たとえば熱処理前および熱処理後の少なくともいずれか一方において、線材を圧延することによって製造される。線材に圧延を施すことにより、超電導フィラメントの高密度化を図ることができる。
【００８０】
（実施の形態４）
実施の形態３の製造方法では、原料粉末がＭｇ粉末とＢ粉末とのみよりなる場合について示した。しかし、本発明はこのような場合の他、たとえば原料粉末が他の材料を含んでいてもよい。
【００８１】
本実施の形態における超電導線材の製造方法では、ＳｉＣおよびＢ4Ｃと、Ｂ粉末とを混合した混合粉末（混合体）を作製する。そして、Ｍｇ粉末とこの混合粉末とを互いに混合せずに配置する。たとえば図１３において、Ｂ粉末２が配置されている位置に混合粉末が配置される。これにより、最終的に、ＳｉＣおよびＢ4Ｃを含むＭｇＢ2の超電導体フィラメントを有する超電導線材が得られる。
【００８２】
なお、これ以外の製造方法は、実施の形態３とほぼ同様であるため、その説明は省略する。
【００８３】
本実施の形態の超電導線材の製造方法においては、ＳｉＣおよびＢ4Ｃと、Ｂとを混合した混合粉末を作製し、互いに混合されていないＭｇ粉末３と混合粉末とを含む原料粉末を金属管１１ａで被覆した形態を有する線材を作製する。
【００８４】
これにより、ＳｉＣおよびＢ4Ｃを含む超電導体フィラメントを有する超電導線材が得られ、超電導線材の臨界電流密度を一層向上することができる。
【００８５】
なお、本実施の形態では、ＳｉＣおよびＢ4Ｃの両方と、Ｂとを混合した混合粉末を作製する場合について示したが、本発明はこのような場合に限定されるものではなく、ＳｉＣおよびＢ4Ｃのうち少なくとも一方と、Ｂとを混合した混合粉末を作製すればよい。
【００８６】
（実施の形態５）
図１５を参照して、実施の形態３では、熱処理後の超電導体フィラメントにおいて、Ｍｇ粉末３が配置されていた部分には空洞が生じる。この部分は、超電導体フィラメント（Ｂ粉末２の配置されている部分）の内部に含まれないので、超電導線材１０の性能にはほとんど影響を与えない。しかし、本実施の形態では、この空洞に低融点金属を注入することで、超電導体の安定化を図る。具体的には、実施の形態３の製造方法を用いて超電導線材を製造した後に、Ｍｇ粉末３およびＢ粉末２の熱処理温度よりも低い融点を有する低融点材料を、Ｍｇ粉末３が存在していた部分（空洞部分）に液体の状態で注入する。低融点金属としては、たとえば半田や、インジウムなどが用いられる。
【００８７】
本実施の形態の超電導線材の製造方法によれば、原料粉末が反応して生成した超電導体フィラメント内に存在する空洞を低融点金属で埋めることができ、その結果、超電導体の安定化を図ることができる。すなわち、超電導体フィラメントを金属内に埋め込んだ構成では、超電導体中で生じる磁束密度の傾きや温度変化の傾きがあまり大きくならない。その結果、磁束跳躍（フラックスジャンプ）が起こりにくくなり、常電導状態に転移することを抑止することができる。
【００８８】
なお、実施の形態１〜５では、ＭｇおよびＢがいずれも粉末である場合について示しているが、本発明においては、ＭｇおよびＢがいずれも粉末である必要はなく、たとえば粉末を圧縮して固めた圧粉体であってもよく、塊状であってもよい。また、ＭｇおよびＢをテープ状や棒状に成形したものを用いてもよい。また、実施の形態２および４では、ＳｉＣおよびＢ4Ｃと、Ｂ粉末とを混合した混合粉末を用いる場合について示したが、本発明においては、ＳｉＣおよびＢ4Ｃと、Ｂ粉末とを混合した混合体が粉末である必要はなく、たとえば粉末を圧縮して固めた圧粉体であってもよく、塊状であってもよい。
【実施例】
【００８９】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００９０】
（実施例１）
本実施例では、互いに混合されていないＭｇとＢとを含む原料体を用いることの効果について調べた。具体的には、実施の形態３に示した方法によって超電導線材を製造した。熱処理は８５０℃の温度で２４時間行なった。この方法で得られた超電導線材における超電導体フィラメントの焼結密度は、９０％以上であった。また、Ｍｇ粉末とＢ粉末とを混合した原料粉末を用いて、同様の方法により超電導線材を製造し、従来例とした。従来例における超電導体フィラメントの焼結密度は約５０％であった。得られたこれらの超電導線材について、温度を５〜３０（Ｋ）の範囲で変化させ、印加磁場Ｈを０〜５０（ｋＯｅ）（０〜４０．０×１０5（Ａ／ｍ））の範囲で変化させながら臨界電流密度Ｊcを測定した。この結果を図１６に示す。なお、以下の図１６〜図１８において、印加磁場Ｈの値は、（Ｏｅ）の単位と（Ａ／ｍ）の単位とを併記している。
【００９１】
図１６を参照して、従来例（温度２０（Ｋ））に比べて、本実施例における超電導線材（温度２０（Ｋ））は、高い臨界電流密度Ｊcを有している。たとえば印加磁場Ｈが１０（ｋＯｅ）（８．０×１０5（Ａ／ｍ））である場合、従来例の臨界電流密度Ｊcは１．７×１０5（Ａ／ｃｍ2）であったのに対して、本実施例の超電導線材の臨界電流密度Ｊcは２．８×１０5（Ａ／ｃｍ2）であった。また、印加磁場Ｈが４０（ｋＯｅ）（３２．０×１０5（Ａ／ｍ））である場合、従来例の臨界電流密度Ｊcは７．０×１０2（Ａ／ｃｍ2）であったのに対して、本実施例の超電導線材の臨界電流密度Ｊcは２．６×１０３（Ａ／ｃｍ2）であった。また、他の温度においても、高い臨界電流密度となった。このことから、互いに混合されていないＭｇとＢとを含む原料体を用いることで、臨界電流密度を向上できることが分かる。
【００９２】
（実施例２）
本実施例では、原料体がＳｉＣをさらに含んでいることの効果について調べた。具体的には、ＳｉＣとＢ粉末とを混合した混合粉末を作製し、Ｍｇ粉末とこの混合粉末とを互いに混合せずに原料粉末とした。ＳｉＣとしては約３０ｎｍの粒径のものを用い、約２％のドープ量とした。この原料粉末を用いて実施例１と同様の方法により超電導線材を製造した。得られた超電導線材について、温度を５〜３０（Ｋ）の範囲で変化させ、印加磁場Ｈを０〜５０（ｋＯｅ）（０〜４０．０×１０5（Ａ／ｍ））の範囲で変化させながら臨界電流密度Ｊcを測定した。この結果を図１７に示す。なお、図１７には、実施例１における本発明の超電導線材の結果を、実施例１として合わせて示している。
【００９３】
図１７を参照して、特に２５（Ｋ）以下の温度範囲において、本実施例における超電導線材は実施例１に比べて高い臨界電流密度Ｊcを有している。たとえば２０（Ｋ）の温度におけるデータを参照して、印加磁場Ｈが１０（ｋＯｅ）（８．０×１０5（Ａ／ｍ））である場合、実施例１の臨界電流密度Ｊcは２．８×１０5（Ａ／ｃｍ2）であったのに対して、本実施例の超電導線材の臨界電流密度Ｊcは４．１×１０5（Ａ／ｃｍ2）であった。また、印加磁場Ｈが４０（ｋＯｅ）（３２．０×１０5（Ａ／ｍ））である場合、実施例１の臨界電流密度Ｊcは２．６×１０３（Ａ／ｃｍ2）であったのに対して、本実施例の超電導線材の臨界電流密度Ｊcは７．３×１０３（Ａ／ｃｍ2）であった。このことから、原料体がＳｉＣをさらに含んでいることで、臨界電流密度を一層向上できることが分かる。
【００９４】
（実施例３）
本実施例では、原料体がＳｉＣおよびＢ4Ｃをさらに含んでいることの効果について調べた。具体的には、ＳｉＣおよびＢ4ＣとＢ粉末とを混合した混合粉末を作製し、Ｍｇ粉末とこの混合粉末とを互いに混合せずに原料粉末とした。ＳｉＣとしては約３０ｎｍの粒径のものを用い、約２％のドープ量とした。Ｂ4Ｃのドープ量は、原料粉末に含まれるＢのうち焼く４％をＢ4Ｃで置き換えるだけのドープ量とした。この原料粉末を用いて実施例１と同様の方法により超電導線材を製造した。得られた超電導線材について、温度を５〜２０（Ｋ）の範囲で変化させ、印加磁場Ｈを０〜５０（ｋＯｅ）（０〜４０．０×１０5（Ａ／ｍ））の範囲で変化させながら臨界電流密度Ｊcを測定した。この結果を図１８に示す。
【００９５】
図１７および図１８を参照して、本実施例における超電導線材は実施例１に比べて高い臨界電流密度Ｊcを有している。たとえば２０（Ｋ）の温度におけるデータを参照して、印加磁場Ｈが１０（ｋＯｅ）（８．０×１０5（Ａ／ｍ））である場合、実施例１の臨界電流密度Ｊcは２．８×１０5（Ａ／ｃｍ2）であったのに対して、本実施例の超電導線材の臨界電流密度Ｊcは４．４×１０5（Ａ／ｃｍ2）であった。また、印加磁場Ｈが４０（ｋＯｅ）（３２．０×１０5（Ａ／ｍ））である場合、実施例１の臨界電流密度Ｊcは２．６×１０３（Ａ／ｃｍ2）であったのに対して、本実施例の超電導線材の臨界電流密度Ｊcは１．２×１０4（Ａ／ｃｍ2）であった。このことから、原料体がＳｉＣおよびＢ4Ｃをさらに含んでいることで、臨界電流密度を一層向上できることが分かる。
【００９６】
本発明は、超電導線材から構成される超電導マグネットを用いた超電導変圧器、超電導限流器および磁場発生装置や、超電導線材を用いた超電導ケーブルおよび超電導ブスバー、超電導コイルなどの超電導機器に適用可能であり、特に超電導線材が冷媒中に浸漬した状態で使用される超電導機器に適用可能である。
【００９７】
以上に開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態および実施例ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含むものと意図される。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明の実施の形態１における焼結体の一の構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態１における焼結体の他の構成を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態１における焼結体のさらに他の構成を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態１における原料粉末の一の充填方法を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１における原料粉末の他の充填方法を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態１における原料粉末のさらに他の充填方法を示す断面図である。
【図７】熱処理後の焼結体の構成を示す断面図である。
【図８】従来の製造方法における熱処理時のＭｇ粉末およびＢ粉末の変化を段階的に示す断面図である。（ａ）は第１段階、（ｂ）は第２段階、（ｃ）は第３段階をそれぞれ示している。
【図９】従来の製造方法によって得られた焼結体の断面を示す顕微鏡写真である。
【図１０】本発明の実施の形態１の製造方法における熱処理時のＭｇ粉末およびＢ粉末の変化を段階的に示す断面図である。（ａ）は第１段階、（ｂ）は第２段階、（ｃ）は第３段階をそれぞれ示している。
【図１１】（ａ）は、本発明の実施の形態１における製造方法によって得られた焼結体の断面を示す顕微鏡写真である。（ｂ）は（ａ）の拡大図である。
【図１２】本発明の実施の形態３における超電導線材の構成を模式的に示す部分断面斜視図である。
【図１３】本発明の実施の形態３において、原料粉末を金属管で被覆した形態を有する線材の構成を示す部分断面斜視図である。
【図１４】単芯線を多数束ねて金属管内に嵌合する工程を模式的に示す斜視図である。
【図１５】多芯線を作製した直後（熱処理直前）における原料粉末の状態を示す要部断面図である。
【図１６】実施例１における超電導線材の印加磁場Ｈと臨界電流密度Ｊcとの関係を示す図である。
【図１７】実施例２における超電導線材の印加磁場Ｈと臨界電流密度Ｊcとの関係を示す図である。
【図１８】実施例３における超電導線材の印加磁場Ｈと臨界電流密度Ｊcとの関係を示す図である。
【符号の説明】
【００９９】
１，１０１  焼結体（超電導体フィラメント）、１ａ〜１ｃ  焼結体、２，１０２  Ｂ粉末、３，３ａ，３ｂ，１０３  Ｍｇ粉末、５，１０５  空隙、１０  超電導線材、１０ａ  単芯線、１１  シース部、１１ａ，１１ｂ  金属管、２０  空洞、３１  容器、３１ａ  蓋。
【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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【図１０】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図９】
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【図１１】
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