(57)【要約】【課題】フィラメントがジルコニア安定化超微粒Ｎｂ３Ｓｎを含んでいるマルチ・フィラメント型超伝導ワイヤの製造時間を短縮する。【解決手段】超伝導ワイヤ（１００）が、金属マトリクスと、ジルコニウム及び酸素を固溶体として有する１本以上のニオブ合金棒とを含んだプリフォームを伸線加工し、伸線加工したワイヤをスズの存在下で熱処理して、半整合ＺｒＯ２沈澱物を内包した超微粒Ｎｂ３Ｓｎを含んだ１本以上の連続フィラメント（１１０）を生成することにより形成される。ＺｒＯ２沈澱物は、１１００℃までの温度でＮｂ３Ｓｎの超微粒子の微細構造を安定させるのに役立つと共に、Ｎｂ３Ｓｎが、従来利用されていた温度よりも高温で熱処理されたときに超微粒子の微細構造を保つことを可能にする。相対的に高い温度を用いてＮｂ３Ｓｎを形成することにより、熱処理に必要な時間を大幅に短縮することができる。
2005514743.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）所定のフィラメント径を有する１本以上のフィラメント１１０であって、連続しており、複数のＺｒＯ２沈澱物を内包した平均粒度が前記フィラメント径の約１０％以下である複数のＮｂ３Ｓｎ粒子を含んだ１本以上のフィラメント１１０と、
（ｂ）該１本以上のフィラメント１１０を包囲すると共に該フィラメント１１０に接触している金属マトリクスであって、約７７Ｋ以下の温度で導電性であり、Ｎｂ３Ｓｎと実質的に同じ又はＮｂ３Ｓｎよりも大きい熱膨張率を有する金属マトリクスと、
を備えた超伝導ワイヤ１００。
【請求項２】
複数本のフィラメント１１０を含んでいる請求項１に記載の超伝導ワイヤ１００。
【請求項３】
前記複数本のフィラメント１１０は、元素状ニオブ、ニオブ−ジルコニウム合金、及びこれらの組み合わせのいずれか１を含んだ１本以上のフィラメント１１０を含んでいる、請求項２に記載の超伝導ワイヤ１００。
【請求項４】
前記フィラメント径は約１０ミクロン以下である、請求項１に記載の超伝導ワイヤ１００。
【請求項５】
前記フィラメント径は約２ミクロン以下である、請求項４に記載の超伝導ワイヤ１００。
【請求項６】
前記フィラメント径は約２ミクロン〜約１ミクロンである、請求項５に記載の超伝導ワイヤ１００。
【請求項７】
前記複数のＮｂ３Ｓｎ粒子は平均粒度が約１ミクロン以下である、請求項１に記載の超伝導ワイヤ１００。
【請求項８】
前記複数のＮｂ３Ｓｎ粒子は平均粒度が約２００ナノメートル以下である、請求項７に記載の超伝導ワイヤ１００。
【請求項９】
前記１本以上のフィラメント１１０は、元素状ニオブの核を包囲するＮｂ３Ｓｎの外側層を含んでいる、請求項１に記載の超伝導ワイヤ１００。
【請求項１０】
前記金属マトリクスは前記１本以上のフィラメント１１０に圧縮歪を与える、請求項１に記載の超伝導ワイヤ１００。
【請求項１１】
前記金属マトリクスは前記１本以上のフィラメント１１０にゼロ歪を与える、請求項１に記載の超伝導ワイヤ１００。
【請求項１２】
前記複数のＺｒＯ２沈澱物は約１１００℃までで前記複数のＮｂ３Ｓｎ粒子を安定させる、請求項１に記載の超伝導ワイヤ１００。
【請求項１３】
（ａ）約１：２の原子比で存在するジルコニウム及び酸素を固溶体として有するニオブ合金を含んだ１本以上のニオブ合金棒と、
（ｂ）該１本以上のニオブ合金棒を包囲すると共に該ニオブ合金棒に接触しており、スズを含んだ金属プリフォーム・マトリクスと、
を含んだプリフォームから形成される請求項１に記載の超伝導ワイヤ１００。
【請求項１４】
前記金属プリフォーム・マトリクスは銅−スズの青銅である、請求項１３に記載の超伝導ワイヤ１００。
【請求項１５】
前記金属プリフォーム・マトリクスは約５重量％〜約１３重量％でスズを含んでいる、請求項１３に記載の超伝導ワイヤ１００。
【請求項１６】
第二の超伝導ワイヤ１００に接合されて積層ワイヤを形成する請求項１に記載の超伝導ワイヤ１００。
【請求項１７】
第二の超伝導ワイヤ１００と共に巻回されてケーブルを形成する請求項１に記載の超伝導ワイヤ１００。
【請求項１８】
平坦化されてテープを形成する請求項１に記載の超伝導ワイヤ１００。
【請求項１９】
超伝導ワイヤ１００を形成するプリフォームであって、前記超伝導ワイヤ１００は、複数のＺｒＯ２沈澱物を内包した複数のＮｂ３Ｓｎ粒子を含んだ１本以上のフィラメント１１０と、該１本以上のフィラメント１１０を包囲すると共に該フィラメント１１０に接触している金属マトリクスと、を含んでおり、当該プリフォームは、
（ａ）約１：２の原子比で存在するジルコニウム及び酸素を固溶体として有するニオブ合金を含んだ１本以上のニオブ合金棒と、
（ｂ）該１本以上のニオブ合金棒を包囲すると共に該ニオブ合金棒に接触しており、スズを含んだ金属プリフォーム・マトリクスと、
を備えたプリフォーム。
【請求項２０】
前記金属プリフォーム・マトリクスは約５重量％〜約１６重量％でスズを含んでいる、請求項１９に記載のプリフォーム。
【請求項２１】
前記金属プリフォーム・マトリクスは銅−スズの青銅である、請求項１９に記載のプリフォーム。
【請求項２２】
ジルコニウムは前記ニオブ合金の約８原子％までを構成している、請求項１９に記載のプリフォーム。
【請求項２３】
ジルコニウムは前記ニオブ合金の約１原子％までを構成している、請求項２２に記載のプリフォーム。
【請求項２４】
約１：２の原子比で存在するジルコニウム及び酸素を固溶体として有するニオブ合金を含んだ１本以上のニオブ合金棒と、該１本以上のニオブ合金棒を包囲すると共に該ニオブ合金棒に接触しており、スズを含んだ金属プリフォーム・マトリクスと、を含んだプリフォームから形成される超伝導ワイヤ１００であって、
（ａ）複数本のフィラメント１１０の各々が所定のフィラメント径を有しており、当該複数本のフィラメント１１０の１本以上が、連続しており、複数のＺｒＯ２沈澱物を内包した平均粒度が前記フィラメント径の約１０％以下である複数のＮｂ３Ｓｎ粒子を含んでいる、複数本のフィラメント１１０と、
（ｂ）該複数本のフィラメント１１０を包囲すると共に該フィラメント１１０に接触している金属マトリクスであって、約７７Ｋ以下の温度で導電性であり、Ｎｂ３Ｓｎと実質的に同じ又はＮｂ３Ｓｎよりも大きい熱膨張率を有する金属マトリクスと、
を備えた超伝導ワイヤ１００。
【請求項２５】
前記複数本のフィラメント１１０は、元素状ニオブ、ニオブ−ジルコニウム合金、及びこれらの組み合わせのいずれか１を含んだ１本以上のフィラメント１１０を含んでいる、請求項２４に記載の超伝導ワイヤ１００。
【請求項２６】
前記フィラメント径は約１０ミクロン以下である、請求項２４に記載の超伝導ワイヤ１００。
【請求項２７】
前記フィラメント径は約２ミクロン以下である、請求項２６に記載の超伝導ワイヤ１００。
【請求項２８】
前記フィラメント径は約２ミクロン〜約１ミクロンである、請求項２７に記載の超伝導ワイヤ１００。
【請求項２９】
前記複数のＮｂ３Ｓｎ粒子は平均粒度が約１ミクロン以下である、請求項２４に記載の超伝導ワイヤ１００。
【請求項３０】
前記複数のＮｂ３Ｓｎ粒子は平均粒度が約２００ナノメートル以下である、請求項２９に記載の超伝導ワイヤ１００。
【請求項３１】
前記複数本のフィラメント１１０の１本以上は、元素状ニオブの核を包囲するＮｂ３Ｓｎの外側層を含んでいる、請求項２４に記載の超伝導ワイヤ１００。
【請求項３２】
前記金属マトリクスは前記複数本のフィラメント１１０に圧縮歪を与える、請求項２４に記載の超伝導ワイヤ１００。
【請求項３３】
前記金属マトリクスは前記複数本のフィラメント１１０にゼロ歪を与える、請求項２４に記載の超伝導ワイヤ１００。
【請求項３４】
前記複数のＺｒＯ２沈澱物は約１１００℃までで前記複数のＮｂ３Ｓｎ粒子を安定させる、請求項２４に記載の超伝導ワイヤ１００。
【請求項３５】
前記金属プリフォーム・マトリクスは銅−スズの青銅である、請求項２４に記載の超伝導ワイヤ１００。
【請求項３６】
前記金属プリフォーム・マトリクスは約５重量％〜約１３重量％でスズを含んでいる、請求項２４に記載の超伝導ワイヤ１００。
【請求項３７】
第二の超伝導ワイヤ１００に接合されて積層ワイヤを形成する請求項２４に記載の超伝導ワイヤ１００。
【請求項３８】
第二の超伝導ワイヤ１００と共に巻回されてケーブルを形成する請求項２４に記載の超伝導ワイヤ１００。
【請求項３９】
平坦化されてテープを形成する請求項２４に記載の超伝導ワイヤ１００。
【請求項４０】
１本以上の超伝導ワイヤ１００を備えた電磁装置であって、前記超伝導ワイヤ１００は、約１：２の原子比で存在するジルコニウム及び酸素を固溶体として有するニオブ合金を含んだ１本以上のニオブ合金棒と、該１本以上のニオブ合金棒を包囲すると共に該ニオブ合金棒に接触しており、スズを含んだ金属プリフォーム・マトリクスと、を含んだプリフォームから形成され、前記超伝導ワイヤ１００は、
（ａ）複数本のフィラメント１１０の各々が所定のフィラメント径を有しており、１本以上のフィラメント１１０が、連続しており、複数のＺｒＯ２沈澱物を内包した平均粒度が前記フィラメント径の約１０％以下である複数のＮｂ３Ｓｎ粒子を含んでいる、複数本のフィラメント１１０と、
（ｂ）該複数本のフィラメント１１０を包囲すると共に該フィラメント１１０に接触している金属マトリクスであって、約７７Ｋ以下の温度で導電性であり、Ｎｂ３Ｓｎと実質的に同じ又はＮｂ３Ｓｎよりも大きい熱膨張率を有する金属マトリクスと、
を含んでいる、電磁装置。
【請求項４１】
前記金属プリフォーム・マトリクスは銅−スズの青銅である、請求項４０に記載の電磁装置。
【請求項４２】
前記金属プリフォーム・マトリクスは約５原子％〜約１３原子％でスズを含んでいる、請求項４０に記載の電磁装置。
【請求項４３】
超伝導磁石、モータ、変圧器及び発電機のいずれか１である請求項４０に記載の電磁装置。
【請求項４４】
磁気共鳴イメージング・システムに内蔵されている超伝導磁石である請求項４３に記載の電磁装置。
【請求項４５】
連続しており複数のＺｒＯ２沈澱物を内包した複数のＮｂ３Ｓｎ粒子を含んだ１本以上のフィラメントと、該１本以上のフィラメントを包囲すると共に該フィラメントに接触している金属マトリクスと、を含んだ超伝導ワイヤを製造する方法であって、
（ａ）約１：２の原子比で存在するジルコニウム及び酸素を固溶体として有するニオブ合金を提供する工程と、
（ｂ）前記ニオブ合金から１本以上のニオブ合金棒を形成する工程と、
（ｃ）前記１本以上のニオブ合金棒に金属マトリクス材を供給する工程と、
（ｄ）前記金属マトリクス材及び前記１本以上のニオブ合金棒からワイヤを形成する工程と、
（ｅ）所定の時間にわたって所定の温度で前記ワイヤを熱処理し、これにより前記超伝導ワイヤ１００を形成する工程と、
を備えた方法。
【請求項４６】
ジルコニウム及び酸素を固溶体として有するニオブ合金を提供する前記工程は、
（ａ）元素状ニオブとＮｂ２Ｏ５とを含んだ合金を提供する工程と、
（ｂ）酸素を溶解させた元素状ニオブを形成するように前記ニオブ合金を分解する工程と、
（ｃ）前記酸素を溶解させた元素状ニオブにジルコニウムを供給する工程であって、ジルコニウム及び酸素は約１：２の比で存在する、供給する工程と、
（ｄ）ジルコニウム及び酸素を固溶体として有するニオブ合金を形成する工程と、
を含んでいる、請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
酸素を溶解させた元素状ニオブを形成するように前記ニオブ合金を分解する前記工程は、酸素を溶解させた元素状ニオブを形成するように前記合金を真空電弧溶融させる工程を含んでいる、請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
ジルコニウム及び酸素を固溶体として有するニオブ合金を含んだニオブ合金を形成する前記工程は、ジルコニウム及び酸素を固溶体として有するニオブ合金を形成するように、前記ジルコニウムと、酸素を溶解させた前記元素状ニオブとを真空電弧再溶融させる工程を含んでいる、請求項４６に記載の方法。
【請求項４９】
前記ニオブ合金を均一化する工程をさらに含んでいる請求項４８に記載の方法。
【請求項５０】
前記ニオブ合金を均一化する前記工程は、所定の時間にわたって所定の温度で前記ニオブ合金を熱処理する工程を含んでいる、請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
前記ニオブ合金から１本以上のニオブ合金棒を形成する前記工程は、１本以上のニオブ合金棒を形成するように前記ニオブ合金を放電ミル加工する工程、前記ニオブ合金から１本以上のニオブ合金棒を鋳造する工程、前記ニオブ合金から１本以上の棒を押出し加工する工程、及び前記ニオブ合金から１本以上のニオブ合金棒を伸線加工する工程のいずれか１を含んでいる、請求項４５に記載の方法。
【請求項５２】
前記１本以上のニオブ合金棒を冷間加工する工程をさらに含んでいる請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
前記１本以上のニオブ合金棒を冷間加工する前記工程は、前記１本以上のニオブ合金棒を圧伸加工する工程、押出し加工する工程及び伸線加工する工程の１以上を含んでいる、請求項５２に記載の方法。
【請求項５４】
前記金属マトリクス材及び前記１本以上のニオブ合金棒からワイヤを形成する前記工程は、
（ａ）前記金属マトリクス材が前記１本以上のニオブ合金棒に接触するように前記金属マトリクス材で前記１本以上のニオブ合金棒を包囲することによりプリフォームを形成する工程と、
（ｂ）前記プリフォームからワイヤを形成する工程と、
を含んでいる、請求項４５に記載の方法。
【請求項５５】
前記プリフォームからワイヤを形成する前記工程は、前記ワイヤを押出し加工する工程と、続いて、前記ワイヤを伸線加工する工程及び前記ワイヤを圧伸加工する工程のいずれか一方とを含んでいる、請求項５４に記載の方法。
【請求項５６】
前記ワイヤを伸線加工する工程及び前記ワイヤを圧伸加工する工程のいずれか一方に続いて前記ワイヤを再重畳する工程をさらに含んでおり、前記ワイヤを再重畳する該工程は、前記ワイヤを押出し加工する工程と、続いて、前記ワイヤを伸線加工する工程及び前記ワイヤを圧伸加工する工程のいずれか一方とを含んでいる、請求項５５に記載の方法。
【請求項５７】
前記再重畳する工程は１回以上繰り返される、請求項５６に記載の方法。
【請求項５８】
所定の時間にわたって所定の温度で前記ワイヤを熱処理する前記工程は、約４８時間までの時間にわたって約７００℃〜約１１００℃の温度で前記ワイヤを熱処理する工程を含んでいる、請求項４５に記載の方法。
【請求項５９】
所定の時間にわたって所定の温度で前記ワイヤを熱処理する前記工程は、前記ワイヤを巻回する工程と、前記ワイヤを巻回した後に所定の時間にわたって所定の温度で前記ワイヤを熱処理する工程とを含んでいる、請求項４５に記載の方法。
【請求項６０】
超伝導ワイヤ１００用のプリフォームを製造する方法であって、前記プリフォームは、ジルコニウム及び酸素を固溶体として有するニオブ合金を含んだ１本以上のニオブ合金棒と、該１本以上のニオブ合金棒を包囲すると共に該ニオブ合金棒に接触している金属プリフォーム・マトリクスと、を含んでおり、当該方法は、
（ａ）約１：２の原子比で存在するジルコニウム及び酸素を固溶体として有するニオブ合金を提供する工程と、
（ｂ）前記ニオブ合金から１本以上のニオブ合金棒を形成する工程と、
（ｃ）前記１本以上のニオブ合金棒に金属マトリクス材を供給する工程と、
（ｄ）前記金属マトリクス材が前記１本以上のニオブ合金棒に接触するように前記金属マトリクス材で前記１本以上のニオブ合金棒を包囲することによりプリフォームを形成する工程と、
を備えた方法。
【請求項６１】
ジルコニウム及び酸素を固溶体として有するニオブ合金を提供する前記工程は、
（ａ）元素状ニオブ及びＮｂ２Ｏ５を含んだ合金を提供する工程と、
（ｂ）酸素を溶解させた元素状ニオブを形成するように前記ニオブ合金を分解する工程と、
（ｃ）前記酸素を溶解させた元素状ニオブにジルコニウムを供給する工程であって、ジルコニウム及び酸素は約１：２の比で存在する、供給する工程と、
（ｄ）ジルコニウム及び酸素を固溶体として有するニオブ合金を形成する工程と、
を含んでいる、請求項６０に記載の方法。
【請求項６２】
酸素を溶解させた元素状ニオブを形成するように前記ニオブ合金を分解する前記工程は、酸素を溶解させた元素状ニオブを形成するように前記合金を真空電弧溶融させる工程を含んでいる、請求項６１に記載の方法。
【請求項６３】
ジルコニウム及び酸素を固溶体として有するニオブ合金を形成する前記工程は、ジルコニウム及び酸素を固溶体として有するニオブ合金を含んだニオブ合金を形成するように、前記ジルコニウムと、酸素を溶解させた前記元素状ニオブとを真空電弧再溶融させる工程を含んでいる、請求項６２に記載の方法。
【請求項６４】
前記ニオブ合金を均一化する工程をさらに含んでいる請求項６３に記載の方法。
【請求項６５】
前記ニオブ合金を均一化する前記工程は、所定の時間にわたって所定の温度で前記ニオブ合金を熱処理する工程を含んでいる、請求項６４に記載の方法。
【請求項６６】
前記ニオブ合金から１本以上のニオブ合金棒を形成する前記工程は、１本以上のニオブ合金棒を形成するように前記ニオブ合金を放電ミル加工する工程、前記ニオブ合金から１本以上のニオブ合金棒を鋳造する工程、前記ニオブ合金から１本以上の棒を押出し加工する工程、及び前記ニオブ合金から１本以上のニオブ合金棒を伸線加工する工程のいずれか１を含んでいる、請求項６０に記載の方法。
【請求項６７】
前記１本以上のニオブ合金棒を冷間加工する工程をさらに含んでいる請求項６０に記載の方法。
【請求項６８】
前記１本以上のニオブ合金棒を冷間加工する前記工程は、前記１本以上のニオブ合金棒を圧伸加工する工程、押出し加工する工程及び伸線加工する工程の１以上を含んでいる、請求項６７に記載の方法。
【請求項６９】
（ａ）所定のフィラメント径を有する１本以上のフィラメント１１０であって、連続しており、複数のＺｒＯ２沈澱物を内包した平均粒度が前記フィラメント径の約１０％以下である複数のＮｂ３Ｓｎ粒子を含んだ１本以上のフィラメント１１０と、
（ｂ）該１本以上のフィラメント１１０を包囲すると共に該フィラメント１１０に接触している金属マトリクスであって、Ｎｂ３Ｓｎと実質的に同じ又はＮｂ３Ｓｎよりも大きい熱膨張率を有する金属マトリクスと、
を含んだ超伝導ワイヤ１００であって、
２：１の原子比で存在するジルコニウム及び酸素を固溶体として有するニオブ合金を提供し、該ニオブ合金から１本以上のニオブ合金棒を形成し、該１本以上のニオブ合金棒に金属マトリクス材を供給し、該金属マトリクス材及び前記１本以上のニオブ合金棒からワイヤを形成して、所定の時間にわたって所定の温度で前記ワイヤを熱処理して当該超伝導ワイヤを形成することにより形成される超伝導ワイヤ１００。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導材質の１本以上のフィラメントを有する超伝導ワイヤに関する。さらに具体的には、本発明は、ジルコニア安定化（zirconia-stabilized）ニオブ−スズ超伝導体とマトリクス材とを含むマルチ・フィラメント型超伝導ワイヤ、及びかかるマルチ・フィラメント型超伝導ワイヤを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ニオブ−スズ（以下「Ｎｂ３Ｓｎ」と呼ぶ）等のニオブ基超伝導体の多数のフィラメントを含んだ超伝導ワイヤは、磁石、モータ及び変圧器等の多様な電磁的応用で用いられている。１７．５Ｋ未満の極低温での動作時に超伝導ワイヤに十分な臨界電流密度を保つために、ワイヤ内のフィラメントを構成するＮｂ３Ｓｎは約１ミクロン以下の超微粒の粒度を有していなければならない。マルチ・フィラメント型Ｎｂ３Ｓｎワイヤを製造するのに用いられている一方法に「ブロンズ法」があり、この方法では、伸線加工されたニオブ・フィラメントの表面にＮｂ３Ｓｎの超微粒子を比較的低温での数日間にわたる熱処理によって形成している。
【特許文献１】米国特許第５，５０５，７９０号
【特許文献２】米国特許第５，５２２，９４５号
【特許文献３】米国特許第５，５４０，７８７号
【特許文献４】米国特許第５，４７２，９３６号
【特許文献５】米国特許第６，１７２，５８８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
超微粒Ｎｂ３Ｓｎを製造するのに必要な熱処理の長さは、過度に時間集約的で不経済である。従って、より迅速な経過で形成される超微粒Ｎｂ３Ｓｎを含んだ超伝導ワイヤが必要とされている。また、超微粒Ｎｂ３Ｓｎを含んだマルチ・フィラメント型超伝導ワイヤをより迅速に製造する方法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、フィラメントがジルコニア安定化超微粒（以下「ＵＦＧ」とも呼ぶ）Ｎｂ３Ｓｎを含んでいるマルチ・フィラメント型超伝導ワイヤを提供することにより上述の要求及び他の要求を満たす。超伝導ワイヤは、金属マトリクスと、酸化ジルコニウムとしても知られ、以下「ＺｒＯ２」と呼ぶジルコニアの沈澱物を有する１本以上のニオブ合金棒とを含んだプリフォーム（preform）の変形加工によって形成される。ＺｒＯ２沈澱物は、１１００℃までの温度でＮｂ３Ｓｎの超微粒子の微細構造を安定させるのに役立つと共に、Ｎｂ３Ｓｎが、従来利用されていた温度よりも高温で熱処理されたときに超微粒子の微細構造を保つことを可能にする。相対的に高い温度を用いてＮｂ３Ｓｎを形成することにより、熱処理に必要な時間を大幅に短縮することができる。
【０００５】
従って、本発明の一つの観点は、超伝導ワイヤを提供するものである。超伝導ワイヤは、所定のフィラメント径を有する１本以上のフィラメントであって、連続しており、複数のＺｒＯ２沈澱物を内包した平均粒度がフィラメント径の約１０％以下である複数のＮｂ３Ｓｎ粒子を含んだ１本以上のフィラメントと、１本以上のフィラメントを包囲すると共にフィラメントに接触している金属マトリクスであって、約７７Ｋ以下の温度で導電性であり、Ｎｂ３Ｓｎと実質的に同じ又はＮｂ３Ｓｎよりも大きい熱膨張率を有する金属マトリクスと、を備えている。
【０００６】
本発明の第二の観点は、超伝導ワイヤを形成するプリフォームを提供するものであり、超伝導ワイヤは、所定のフィラメント径を有する１本以上のフィラメントであって、複数のＺｒＯ２沈澱物を内包した複数のＮｂ３Ｓｎ粒子を含んだ１本以上のフィラメントと、１本以上のフィラメントを包囲すると共にフィラメントに接触している金属マトリクスと、を含んでいる。プリフォームは、約１：２の原子比で存在するジルコニウム及び酸素を固溶体として有するニオブ合金を含んだ１本以上のニオブ合金棒と、１本以上のニオブ合金棒を包囲すると共にニオブ合金棒に接触しており、スズを含んだ金属プリフォーム・マトリクスと、を備えている。
【０００７】
本発明の第三の観点は、プリフォームから形成される超伝導ワイヤを提供するものであり、プリフォームは、約１：２の原子比で存在するジルコニウム及び酸素を固溶体として有するニオブ合金を含んだ１本以上のニオブ合金棒と、１本以上のニオブ合金棒を包囲すると共にニオブ合金棒に接触しており、スズを含んだ金属プリフォーム・マトリクスと、を含んでいる。超伝導ワイヤは、複数本のフィラメントの各々が、連続しており、所定のフィラメント径を有しており、１本以上のフィラメントが複数のＺｒＯ２沈澱物を内包した平均粒度がフィラメント径の約１０％以下である複数のＮｂ３Ｓｎ粒子を含んでいる、複数本のフィラメントと、複数本のフィラメントを包囲すると共にフィラメントに接触している金属マトリクスであって、約７７Ｋ以下の温度で導電性であり、Ｎｂ３Ｓｎと実質的に同じ又はＮｂ３Ｓｎよりも大きい熱膨張率を有する金属マトリクスと、を備えている。
【０００８】
本発明の第四の観点は、１本以上の超伝導ワイヤを備えた電磁装置を提供するものであり、超伝導ワイヤは、約１：２の原子比で存在するジルコニウム及び酸素を固溶体として有するニオブ合金を含んだ１本以上のニオブ合金棒と、１本以上のニオブ合金棒を包囲すると共にニオブ合金棒に接触しており、スズを含んだ金属プリフォーム・マトリクスと、を含んだプリフォームから形成される。超伝導ワイヤは、複数本のフィラメントの各々が所定のフィラメント径を有しており、１本以上のフィラメントが、連続しており、複数のＺｒＯ２沈澱物を内包した平均粒度がフィラメント径の約１０％以下である複数のＮｂ３Ｓｎ粒子を含んでいる、複数本のフィラメントと、複数本のフィラメントを包囲すると共にフィラメントに接触している金属マトリクスであって、約７７Ｋ以下の温度で導電性であり、Ｎｂ３Ｓｎと実質的に同じ又はＮｂ３Ｓｎよりも大きい熱膨張率を有する金属マトリクスと、を含んでいる。
【０００９】
本発明の第五の観点は、超伝導ワイヤを製造する方法を提供するものであり、超伝導ワイヤは、連続しており複数のＺｒＯ２沈澱物を内包した複数のＮｂ３Ｓｎ粒子を含んだ１本以上のフィラメントと、１本以上のフィラメントを包囲すると共にフィラメントに接触している金属マトリクスと、を含んでいる。この方法は、約１：２の原子比で存在するジルコニウム及び酸素を固溶体として有するニオブ合金を提供する工程と、ニオブ合金から１本以上のニオブ合金棒を形成する工程と、１本以上のニオブ合金棒に金属マトリクス材を供給する工程と、金属マトリクス材及び１本以上のニオブ合金棒からワイヤを形成する工程と、所定の時間にわたって所定の温度でワイヤを熱処理し、これにより超伝導ワイヤを形成する工程と、を備えている。
【００１０】
本発明の第六の観点は、超伝導ワイヤ用のプリフォームを製造する方法を提供するものであり、プリフォームは、約１：２の原子比で存在するジルコニウム及び酸素を固溶体として有する１本以上のニオブ合金棒と、１本以上のニオブ合金棒を包囲すると共にニオブ合金棒に接触している金属プリフォーム・マトリクスと、を含んでいる。この方法は、約１：２の原子比で存在するジルコニウム及び酸素を固溶体として有するニオブ合金を提供する工程と、ニオブ合金から１本以上のニオブ合金棒を形成する工程と、１本以上のニオブ合金棒に金属マトリクス材を供給する工程と、金属マトリクス材が１本以上のニオブ合金棒に接触するように金属マトリクス材で１本以上のニオブ合金棒を包囲することによりプリフォームを形成する工程と、を備えている。
【００１１】
本発明の第七の観点は、超伝導ワイヤを提供するものであり、超伝導ワイヤは、所定のフィラメント径を有し連続している１本以上のフィラメントであって、複数のＺｒＯ２沈澱物を内包した平均粒度がフィラメント径の約１０％以下である複数のＮｂ３Ｓｎ粒子を含んだ１本以上のフィラメントと、１本以上のフィラメントを包囲すると共にフィラメントに接触している金属マトリクスであって、Ｎｂ３Ｓｎと実質的に同じ又はＮｂ３Ｓｎよりも大きい熱膨張率を有する金属マトリクスと、を備えており、この超伝導ワイヤは、約１：２の原子比で存在するジルコニウム及び酸素を固溶体として有するニオブ合金を提供し、ニオブ合金から１本以上のニオブ合金棒を形成し、１本以上のニオブ合金棒に金属マトリクス材を供給し、金属マトリクス材及び１本以上のニオブ合金棒からワイヤを形成して、所定の時間にわたって所定の温度でワイヤを熱処理して超伝導ワイヤを形成することにより形成される。
【００１２】
本発明のこれらの観点、利点及び特徴、並びにその他の観点、利点及び特徴は、以下の詳細な説明、添付図面及び特許請求の範囲から明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下の説明では、類似の参照符号は図面に示す各図にわたって類似の部材又は対応する部材を示す。また、「頂部」、「底部」、「外」及び「内」等の用語は、簡便的な語であって限定する語ではないものと理解されたい。
【００１４】
一般に図面を参照すれば、具体的には図１を参照すれば、図面は本発明の一実施形態を説明する目的のものであって本発明を限定するものではないと理解されよう。
【００１５】
図１は、本発明の超伝導ワイヤ１００の断面模式図である。超伝導ワイヤ１００は１本以上のフィラメント１１０を含んでいる。図１にはかかるフィラメント１１０が７本図示されているが、超伝導ワイヤ１００内に含まれるフィラメント１００の数に制限はない。超伝導ワイヤ１００は例えばモノフィラメントを含んでいてよい。
【００１６】
フィラメント１１０は、連続したフィラメント１１０を形成する複数のニオブ−スズ（以下「Ｎｂ３Ｓｎ」と呼ぶ）粒子を含んでいる。これら複数のＮｂ３Ｓｎ粒子の内部には複数の酸化ジルコニウム（以下「ＺｒＯ２」と呼ぶ）沈澱物が存在している。ＺｒＯ２沈澱物は、１１００℃までの温度でＮｂ３Ｓｎの超微粒子の微細構造を安定させるのに役立つと共にＮｂ３Ｓｎの粒子成長を阻害し、これによりＮｂ３Ｓｎが従来利用されていた温度よりも高温で熱処理されたときに超微粒子の微細構造を保つことを可能にする。これら複数のＮｂ３Ｓｎ粒子の各々には少なくとも１個の半整合ＺｒＯ２沈澱物が存在しており、各々のＮｂ３Ｓｎ粒子を安定させると共にＮｂ３Ｓｎの粒子成長を阻害する。
【００１７】
ＺｒＯ２沈澱物を有する超伝導Ｎｂ３Ｓｎは過去に次の各特許に記載されている。１９９９年４月９日に付与されたMark G. Benz、Howard R. Hart, Jr.、Melissa L. Murray、Robert L. Zabala、Bruce A. Knudsen及びThomas R. Raberによる米国特許第５，５０５，７９０号“Method for Enhancing Critical Current in Triniobium Tin”（特許文献１）、１９９６年７月４日に付与されたMelissa L. Murray、Mark G. Benz及び Bruce A. Knudsenによる米国特許第５，５２２，９４５号“Method for Forming Triniobium Tin Superconductor with Bismuth”（特許文献２）、１９９６年７月３０日に付与されたNeil A. Johnson、Melissa L. Murray、Thomas R. Raber及び Mark G. Benzによる米国特許第５，５４０，７８７号“Method for Forming Triniobium Tin Superconductor”（特許文献３）、並びに１９９５年１２月５日に付与されたMark G. Benz、Neil A. Johnson、Melissa L. Murray、Robert J. Zabala、Louis E. Hibbs, Jr.及び Bruce A. Knudsenによる米国特許第５，４７２，９３６号“Method for Making Triniobium Tin Semiconductor”（特許文献４）。
【００１８】
これら複数のＮｂ３Ｓｎ粒子は、平均粒度がフィラメント１１０の径の約１０％以下である超微粒子（以下「ＵＦＧ」（ultra-fine grains）とも呼ぶ）である。フィラメント１１０の径は約１０ミクロン以下であり、フィラメントが太くなると、ワイヤ１００の目的とする応用に通例であるように屈曲又は巻回されたときにワイヤ１００が破断し易くなる。一実施形態では、フィラメント１１０は径が約２ミクロン以下であり、好ましくは約１ミクロン〜約２ミクロンである。同様に、Ｎｂ３Ｓｎの粒度が大きくなると、フィラメント１１０の屈曲能力が妨げられる。これら複数のＮｂ３Ｓｎ粒子の平均粒度は約１ミクロン以下であり、好ましくは約２００ナノメートル以下である。
【００１９】
一実施形態では、ワイヤ１００はさらに、もう一種類の超伝導材料を含んだ１本以上のフィラメント１１０を含み、この超伝導材料は、限定しないが元素状ニオブ、ニオブ−ジルコニウム合金、及びこれらの組み合わせ等である。
【００２０】
１本以上のフィラメント１１０は金属マトリクス１２０によって包囲されており、金属マトリクス１２０は１本以上のフィラメント１１０を包囲すると共にフィラメント１１０に接触している。金属マトリクス材１２０は極低温（すなわち約７７Ｋ以下）で導電性である。室温乃至極低温でのサイクル時のワイヤ１００の破壊を防ぐために、金属マトリクスは、１本以上のフィラメント１１０を形成する複数のＮｂ３Ｓｎ粒子に適合性のある熱膨張率を有するようにする。４．２Ｋ〜４５６Ｋの温度範囲では、Ｎｂ３Ｓｎの熱膨張率（ΔＬ／Ｌｏ）は０．２８２％である。金属マトリクス１２０がＮｂ３Ｓｎと実質的に同じ熱膨張率を有する場合には、１本以上のフィラメント１１０にゼロ歪が与えられる。金属マトリクス１２０がＮｂ３Ｓｎよりも大きい熱膨張率を有する場合には、１本以上のフィラメント１１０に圧縮応力が与えられ、１本以上のフィラメント１１０及び超伝導ワイヤ１００の臨界電流が増大し易くなる。金属マトリクス１２０がＮｂ３Ｓｎよりも小さい熱膨張率を有するとすると、１本以上のフィラメント１１０に引張り歪が与えられ、１本以上のフィラメント１１０及び超伝導ワイヤ１００の臨界電流が減少しがちになる。従って、金属マトリクス１２０は、Ｎｂ３Ｓｎと実質的に同じか又はＮｂ３Ｓｎよりも大きい熱膨張率を有すべきである。
【００２１】
金属マトリクス１２０は、スズを含んだ金属プリフォーム・マトリクスから形成される。一実施形態では、金属プリフォーム・マトリクスは銅−スズの青銅である。金属プリフォーム・マトリクスは好ましくは、約５原子％〜約１３原子％でスズを含んでいる。
【００２２】
本発明の超伝導ワイヤ１００を形成するためには、先ずニオブ、ジルコニウム及び酸素を含んだニオブ合金を提供し、このときジルコニウム及び酸素は約１：２の比で存在するようにする（すなわちＺｒ：Ｏが約１：２）。本発明の一実施形態では、ニオブ合金は、先ず、好ましくは真空電弧溶融によって元素状ニオブと酸化ニオブ（以下「Ｎｂ２Ｏ５」と呼ぶ）との合金を溶融させてＮｂ２Ｏ５を分解すると共に、酸素が約１原子％〜約３原子％で溶解した元素状ニオブのインゴットを生成する。次いで、ニオブ・インゴットにジルコニウムを供給する。ジルコニウム及び酸素が約１：２の比で存在するように、十分な量のジルコニウムを供給する。ジルコニウムは、ニオブ・インゴットの約８原子％までを構成し得る。一実施形態では、ニオブ合金の約１原子％を構成するのに十分な量のジルコニウムを供給する。次いで、ニオブ・インゴット及びジルコニウムを好ましくは真空電弧再溶融によって溶融させて、再溶融したインゴット内にジルコニウム及び酸素が約１：２の原子比で固溶体として存在するニオブ合金を形成する。一実施形態では、現時点で酸素及びジルコニウムを固溶体として含んでいる再溶融したニオブ合金インゴットを約５００℃〜約９００℃の温度で熱処理して、再溶融したニオブ合金インゴットを均一化する。
【００２３】
次に、現時点でジルコニウム及び酸素の固溶体を含んでいる再溶融したニオブ合金インゴットを１本以上のニオブ合金棒に形成する。１本以上のニオブ合金棒は様々な方法で形成することができる。一実施形態では、１本以上のニオブ合金棒は再溶融したインゴットから放電ミル加工（electron discharge milling）される。代替的には、限定しないが再溶融したニオブ合金インゴットから１本以上のニオブ合金棒を鋳造する、再溶融したニオブ合金インゴットから１本以上のニオブ合金棒を伸線加工する、及び再溶融したニオブ合金インゴットから１本以上のニオブ合金棒を押出し加工する等のような他の手法によって１本以上のニオブ合金棒を形成してもよい。一旦形成されたら、１本以上のニオブ合金棒を冷間加工することにより、１本以上のニオブ合金棒の機械的加工性をさらに高めてもよい。用いることのできる冷間加工法としては、限定しないが圧伸（swaging）、押出し及び伸線等がある。
【００２４】
次いで、金属マトリクス材が１本以上のニオブ合金棒を包囲すると共にニオブ合金棒に接触するように、金属マトリクス材を１本以上のニオブ合金棒に供給する。一実施形態では、金属マトリクス材を１本以上のニオブ合金棒に供給して、金属マトリクス材が１本以上のニオブ合金棒を包囲すると共にニオブ合金棒に接触したプリフォームを形成する。金属マトリクス材は約５重量％〜約１３重量％のスズを含んでいる。一実施形態では、金属マトリクス材は銅−スズの青銅である。プリフォームは、金属マトリクス材のシートで１本以上のニオブ合金棒を包むことにより形成することもできる。代替的には、プリフォームは、孔をドリル加工して孔に１本以上のニオブ合金棒を挿入した固体形態の金属マトリクス材を提供することにより形成してもよい。
【００２５】
次いで、プリフォームを先ず押出し加工して、続いて押出し加工したプリフォームを伸線加工又は圧伸加工することにより、金属マトリクス材及び１本以上のニオブ合金棒をワイヤに形成する。一旦、伸線加工又は圧伸加工したら、押出し工程、続いて伸線工程又は圧伸工程を繰り返し行なうことにより、プリフォームを再重畳（re-stacking）して所望のワイヤ径を達成することができる。再重畳工程は、所望のワイヤ径が得られるまで必要なだけの回数で繰り返してよい。得られたワイヤは、金属マトリクス材によって包囲されている１本以上のフィラメントを含んでおり、１本以上のフィラメントは、約１：２の原子比で固溶体として酸素及びジルコニウムを有するニオブ合金を含んでいる。
【００２６】
ワイヤが形成された後に、所定の時間にわたって所定の温度でワイヤを熱処理して、複数のＺｒＯ２沈澱物を有する複数のＮｂ３Ｓｎ粒子から形成されたフィラメントを含んだ超伝導ワイヤ１００を形成する。一実施形態では、伸線加工又は圧伸加工したワイヤは、４８時間までにわたって約７００℃〜約１１００℃の温度で熱処理される。熱処理時に、スズが青銅金属マトリクス材から１本以上のフィラメント内に拡散して内部の元素状ニオブと反応し、フィラメント内にＮｂ３Ｓｎの粒子を形成する。Ｎｂ３Ｓｎ粒子は一般的には、ＺｒＯ２沈澱物を含んでいる。
【００２７】
場合によっては、スズが１本以上のフィラメント１１０内に完全には拡散しないこともある。この結果として、１本以上のフィラメント１１０は、元素状ニオブを含んだ核を包囲するＮｂ３Ｓｎ粒子の反応層を含むものとなり得る。
【００２８】
Ｎｂ３Ｓｎは脆い材料であるため、超伝導ワイヤ１００が例えばケーブルを形成するように他のワイヤと共に巻回されたり、又は磁石若しくはモータ電気子の周りに巻回されると、超伝導ワイヤ１００の１本以上のフィラメント１１０が破壊し易くなる。この問題点は、熱処理の前に、伸線加工又は圧伸加工したワイヤを巻回することにより克服することができる。
【００２９】
超伝導ワイヤ１００は、限定しないが平坦なテープ、多数のワイヤから形成される積層ワイヤ、及び巻回マルチ・ワイヤ・ケーブル等のような類似の導電用構造に形成してもよい。超伝導ワイヤ１００は、限定しないが２００１年１月９日に付与されたEvangelos Trifon Laskaris 及びMichael Anthony Palmoによる米国特許第６，１７２，５８８号“Apparatus and Method for a Superconductive Magnet with Pole Piece”（特許文献５）に記載されているもののような超伝導磁石、並びにモータ、変圧器及び発電機等のような電磁装置に応用することができる。次いで、かかる電磁装置を、例えば磁気共鳴イメージング・システムのようなさらに大型のシステムに組み入れることができる。
【００３０】
説明の目的で典型的な実施形態について述べたが、以上の説明は本発明の範囲を制限するものではない。従って、当業者には、本発明の要旨及び範囲から逸脱しない様々な改変、適応構成及び代替構成が想到されよう。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の超伝導ワイヤの断面模式図である。
【符号の説明】
【００３２】
１００  超伝導ワイヤ
１１０  フィラメント
１２０  金属マトリクス
【図１】
2005514743.tif 000003
【国際調査報告】
2005514743.tif 000004
2005514743.tif 000005
2005514743.tif 000006