(57)【要約】【課題】従来よりも優れた配向性の酸化物超電導層を形成させることができる技術を提供する。【解決手段】表面に酸化物超電導層が形成される超電導線材用基板であって、幅あたりの熱伝導度が１．２×１０２〜６．１×１０２Ｗ／Ｋ、厚みが１２２〜２０２μｍの配向性基材を備えている超電導線材用基板。金属板材が、ステンレス層と、銅層と、ニッケル層とを順次積層させたクラッド基板であり、銅層の厚みが２０〜１００μｍである超電導線材用基板。幅あたりの熱伝導度が１．２×１０２〜６．１×１０２Ｗ／Ｋ、厚みが１２２〜２０２μｍの金属板材を備えた超電導線材用基板と、超電導線材用基板の表面に成膜されている酸化物超電導層とを備えた超電導線材。【選択図】図１
2015005354.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に酸化物超電導層が形成される超電導線材用基板であって、
幅あたりの熱伝導度が１．２×１０２〜６．１×１０２Ｗ／Ｋ、厚みが１２２〜２０２μｍの配向性基材を備えている超電導線材用基板。
【請求項２】
前記配向性基材が、
ステンレス層と、銅層と、ニッケル層とを順次積層させたクラッド基板であり、前記銅層の厚みが２０〜１００μｍである請求項１に記載の超電導線材用基板。
【請求項３】
前記配向性基材が、３０ｍｍ以上の幅広の配向性基材である請求項１または請求項２に記載の超電導線材用基板。
【請求項４】
幅あたりの熱伝導度が１．２×１０２〜６．１×１０２Ｗ／Ｋ、厚みが１２２〜２０２μｍの配向性基材を備えた超電導線材用基板と、
前記超電導線材用基板の表面に成膜されている酸化物超電導層と
を備えた超電導線材。
【請求項５】
前記超電導線材用基板と前記酸化物超電導層との間に、さらに中間層が設けられている請求項４に記載の超電導線材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導線材用基板および前記超電導線材用基板を用いた超電導線材に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸化物超電導体などの高温超電導体の発見以来、超電導線材の研究開発が精力的に行われ、例えばケーブル、コイル、マグネットなどの電力機器用の超電導線材が開発されている。
【０００３】
このような超電導線材は、スパッタ法、ＰＬＤ法（Ｐｕｌｓｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などの気相成長法や、塗布熱分解法（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、略称：ＭＯＤ法）などの液相成長法を用いて、酸化物超電導体が所定の方向に配向して結晶成長した酸化物超電導層を金属基板上に形成することにより作製される（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１１３６６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、これらの方法により作製された超電導線材の酸化物超電導層における結晶配向性は未だ充分とは言えない。本発明は、従来よりも優れた配向性の酸化物超電導層を形成させることができる技術を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の発明は、
表面に酸化物超電導層が形成される超電導線材用基板であって、
幅あたりの熱伝導度が１．２×１０２〜６．１×１０２Ｗ／Ｋ、厚みが１２２〜２０２μｍの配向性基材を備えている超電導線材用基板である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、従来よりも優れた配向性の酸化物超電導層を形成させることができる技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施の形態に係る超電導線材用基板を示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る超電導線材を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
［本願発明の実施形態の説明］
最初に本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。
【００１０】
本願発明は、
表面に酸化物超電導層が形成される超電導線材用基板であって、
幅あたりの熱伝導度が１．２×１０２〜６．１×１０２Ｗ／Ｋ、厚みが１２２〜２０２μｍの配向性基材を備えている超電導線材用基板である。
【００１１】
本発明者は、従来の超電導線材用基板よりも優れた配向性の酸化物超電導層を形成させることができる超電導線材用基板について検討を行った。その結果、従来の超電導線材の製造方法においては、酸化物超電導層の形成に際して超電導線材用基板の裏面側から加えられた熱が充分に拡散されず、超電導線材用基板表面に温度分布のムラが発生するため、酸化物超電導層の配向性を充分に向上させることができなかったことが分かった。
【００１２】
そこで、本発明者は、このような温度分布のムラが生じない超電導線材用基板について検討を行い、上記のような配向性基材を備えた超電導線材用基板を用いればよいことを見出した。
【００１３】
即ち、幅あたりの熱伝導度が１．２×１０２〜６．１×１０２Ｗ／Ｋであり、厚みが１２２〜２０２μｍの配向性基材を備えた超電導線材用基板を用いることにより、超電導線材用基板の裏面側から加えられた熱を表面側に伝わるまでに充分に拡散させることができる。このため、超電導線材用基板表面における温度分布のムラの発生が抑制され、酸化物超電導層を高い配向性で形成することができ、従来よりも優れた超電導特性を有する超電導線材を提供することが可能になる。
【００１４】
なお、上記において、幅あたりの熱伝導度（Ｗ／Ｋ）とは、幅あたりの熱流束密度（Ｗ／ｍ）を温度勾配（Ｋ／ｍ）で割った値であり、この値を用いることにより、単位時間に単位面積を流れる熱流である熱流束密度（Ｗ／ｍ２）を温度勾配（Ｋ／ｍ）で割った熱伝導度（Ｗ／ｍ・Ｋ）と異なり、厚みや積層構造を問わずに、配向性基材の幅方向における熱の伝わりやすさを定めることができる。
【００１５】
幅あたりの熱伝導度が１．２×１０２Ｗ／Ｋ未満であれば裏面側から加えられた熱を適切に拡散させることができず、６．１×１０２Ｗ／Ｋを超えると上記の効果が飽和する。１．６×１０２〜６．１×１０２Ｗ／Ｋであるとより好ましい。
【００１６】
また、厚みが１５０μｍを超えると材料コストの上昇を招き、また超電導線材の柔軟性を確保することが困難になるため、１５０μｍ以下であるとより好ましい。
【００１７】
前記配向性基材は、
ステンレス層と、銅層と、ニッケル層とを順次積層させたクラッド基板であり、前記銅層の厚みが２０〜１００μｍであることが好ましい。
【００１８】
ステンレス（ＳＵＳ）層、銅（Ｃｕ）層、ニッケル（Ｎｉ）層を順次積層させたクラッド基板は、導電性、強度、耐食性に優れた複合金属板材であり、Ｎｉ層の上に高い配向性の酸化物超電導層を成膜させることにより、優れた超電導特性を有する超電導線材を提供することができる。
【００１９】
上記構成のクラッド基板における各金属層のうち、中間に配置されたＣｕ層が４０３Ｗ／ｍ・Ｋと最も高い熱伝導率を有しているが、従来ではＣｕ層の厚みが１８μｍ程度に留まっていたため、表面に位置するＮｉ層に温度分布のムラが発生することが避けられなかった。
【００２０】
しかし、本実施形態においては、Ｃｕ層の厚みを２０〜１００μｍと充分に厚くしているため、基板の裏面側から加えられた熱をＣｕ層において適切に面方向に拡散させることができ、表面に位置するＮｉ層に温度分布のムラが発生することを適切に抑制できる。この結果、高い配向性を有する酸化物超電導層を成膜させることができる。４０〜１００μｍであるとより好ましい。
【００２１】
さらに、Ｃｕ層の厚みを合計４０μｍ以上にすることにより、酸化物超電導層の超電導状態が不安定となった場合に電流を迂回させる安定化層としてＣｕ層を機能させることが可能となる。このため、Ｃｕめっきなどにより形成される安定化層を従来よりも薄く形成できるようになり、超電導線材の作製をより効率的に行うことができ、コストの低減を図ることもできる。
【００２２】
前記配向性基材は、３０ｍｍ以上の幅広の配向性基材であることが好ましい。
【００２３】
従来の超電導線材用基板においては、幅が３０ｍｍ以上の場合、上記した温度分布のムラの発生が顕著であったが、本実施形態に係る超電導線材用基板を用いることにより、温度分布のムラの発生を充分に低減させることができる。
【００２４】
また、本願発明は、
幅あたりの熱伝導度が１．２×１０２〜６．１×１０２Ｗ／Ｋ、厚みが１２２〜２０２μｍの配向性基材を備えた超電導線材用基板と、
前記超電導線材用基板の表面に成膜されている酸化物超電導層と
を備えた超電導線材である。
【００２５】
上記したとおり、幅あたりの熱伝導度が１．２×１０２〜６．１×１０２Ｗ／Ｋ、厚みが１２２〜２０２μｍの配向性基材を備えた超電導線材用基板を用いることにより、酸化物超電導層を形成する際の温度分布のムラの発生を抑制して、酸化物超電導体結晶を充分な配向性で成長させることができる。これにより、高い配向性を有する酸化物超電導層が形成されるため、従来よりも優れた超電導特性を有する超電導線材を提供することができる。
【００２６】
前記超電導線材用基板と前記酸化物超電導層との間に、さらに中間層が設けられていることが好ましい。
【００２７】
超電導線材を作製するにあたっては、配向性基材からの金属原子の拡散を抑制したり、酸化物超電導体の格子マッチングを図る等の目的で、一般的に、２軸配向性を有する金属板材の表面の上に中間層が設けられる。
【００２８】
このような中間層を有する超電導線材用基板の場合であっても、酸化物超電導層の形成時の超電導線材用基板表面の温度分布のムラを抑制することができる。そして、酸化物超電導層の形成と同様に中間層の形成工程においても、裏面側からの加熱処理が行われるため、中間層を安定して形成させることもできる。
【００２９】
［本願発明の実施形態の詳細］
以下、本願発明の実施形態に係る超電導線材用基板および超電導線材の具体例を、図面を参照しつつ説明する。なお、本願発明はこれらの例示に限定されるものではなく、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変更が含まれることが意図される。
【００３０】
１．超電導線材用基板
図１は、本実施の形態に係る超電導線材用基板を示す斜視図である。この超電導線材用基板１は、配向性金属基板として、ＳＵＳ層２、Ｃｕ層３、Ｎｉ層４を備えたクラッド基板を備えている。
【００３１】
図１に示す超電導線材用基板１では、Ｃｕ層３の厚みｔ１が４０〜１００μｍに設定され、また、超電導線材用基板１の幅あたりの伝導度が１．２×１０２〜６．１×１０２Ｗ／Ｋで、ＳＵＳ層２、Ｃｕ層３、Ｎｉ層４の合計厚み（超電導線材用基板１全体の厚み）ｔ２が１２２〜２０２μｍとなるように設定されている。
【００３２】
Ｃｕ層３の厚みｔ１を上記のように設定することにより、Ｎｉ層４の表面に酸化物超電導層を成膜する際に、ＳＵＳ層２側（裏面側）から加えられた熱を、Ｃｕ層３において面方向に適切に拡散させながらＮｉ層４に伝えることができる。この結果、Ｎｉ層４の表面における温度分布にムラが生じることが抑制され、高い配向性を有する酸化物超電導層を容易に形成することができる。
【００３３】
なお、ＳＵＳ層２に用いられるステンレス鋼としては、熱伝導率が１６．７×１０２Ｗ／ｍ・Ｋで、厚みが５０〜１２０μｍ程度のＳＵＳ３１６ＬやＳＵＳ３０４などが好ましく用いられる。
【００３４】
また、製造コストなどを考慮すると、Ｎｉ層４の厚みは、１〜１０μｍ程度であると好ましい。
【００３５】
上記のように、各層の厚みを適切に設定することにより、全体としての幅あたりの熱伝導度が１．２×１０２〜６．１×１０２Ｗ／Ｋで、厚みｔ２が１２２〜２０２μｍの金属板材を備えた超電導線材用基板１とすることができる。
【００３６】
上記構成の超電導線材用基板１は、例えば、プラズマを用いて表面を活性化させたＣｕ層３とＳＵＳ層２とを貼り合わせた後、Ｃｕ層３の表面にＮｉめっきによってＮｉ層４を２軸配向させることによって作製することができる。
【００３７】
また、超電導線材用基板１のＮｉ層４上には酸化物超電導層が設けられるが、図１に示すように、Ｎｉ層４の上に中間層５を設けた後に酸化物超電導層を形成させてもよい。
【００３８】
中間層５としては、例えば、Ｎｉ層４側から順に、バッファ層としてのＣｅＯ２層（厚み５〜５０ｎｍ）、バリア層としてのＹＳＺ層（厚み１００〜４００ｎｍ）、キャップ層としてのＣｅＯ２層（厚み５０〜１００ｎｍ）が積層された中間層を挙げることができる。
【００３９】
上記の中間層５は、例えば、ＲＦスパッタ法等を用いて２００〜９００℃の温度でエピタキシャル成長させることにより形成される。前記したとおり、超電導線材用基板１は、Ｎｉ層４の表面における温度分布ムラが適切に抑制されているため、Ｎｉ層４の配向を適切に引き継いだ中間層を形成することができる。
【００４０】
２．超電導線材
次に、上記の超電導線材用基板１を用いた超電導線材の具体例を説明する。図２は、超電導線材用基板１を用いた超電導線材１０を模式的に示す断面図である。
【００４１】
酸化物超電導層１１には、例えばＲＥＢＣＯ（ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−Ｘ：ＲＥは希土類元素）系などの酸化物超電導体が好ましく用いられ、ＲＥにはイットリウム（Ｙ）、ガドリウム（Ｇｄ）、ホルミウム（Ｈｏ）などが好ましく用いられる。
【００４２】
酸化物超電導層１１は、ＰＬＤ法などの気相成長法やＭＯＤ法などを用いて、中間層５上にエピタキシャル成長させることによって形成される。酸化物超電導層１１の形成時には、表面の温度が結晶を配向させるのに好適な温度、具体的には６００〜９００℃になるように裏面が加熱される。
【００４３】
このとき、前記したように、超電導線材用基板１の裏面に加えられた熱が表面（中間層）に到達するまでに面方向に充分に拡散されることにより、表面の熱分布ムラが抑制される。このため、中間層５に蒸着する酸化物超電導体材料が適切にエピタキシャル成長して、配向性に優れた酸化物超電導層１１を形成することができる。
【００４４】
また、この超電導線材１０では、酸化物超電導層１１の一部の超電導状態が不安定となった場合に、４０μｍ以上に形成された厚いＣｕ層３に電流を迂回させることができる。即ち、Ｃｕ層３が従来の安定化層として機能するため、酸化物超電導層１１上に安定化層を別途形成する必要がなくなり、製造時間や材料コストの削減や、超電導線材全体の薄膜化に貢献することができる。
【００４５】
なお、上記の具体例では、ＳＵＳ層２、Ｃｕ層３、Ｎｉ層４を積層したクラッド基板を用いているが、全体の幅あたりの熱伝導度を１．２×１０２〜６．１×１０２Ｗ／Ｋに設定できる配向性基材であれば特に限定されない。
【００４６】
例えば、Ｃｕ層上にＳＵＳ層、配向セラミックス層を積層した配向セラミックス基板の場合には、Ｃｕ層の厚みを３０〜１５０μｍにすることにより、全体の幅あたりの熱伝導度を１．２×１０２〜６．１×１０２Ｗ／Ｋに設定することができ、基板表面の温度分布のムラを適切に抑制することができる。
【００４７】
また、熱伝導率が４２８Ｗ／ｍ・Ｋの材料（例えばＡｇ）を用い、厚みを適宜調整することにより、単層構造の超電導線材用基板としてもよい。
【００４８】
［実験例］
次に、実験例に基づき、本発明をより具体的に説明する。
【００４９】
１．超電導線材用基板
（１）超電導線材用基板の作製
最初に、厚み１００μｍ、幅３０ｍｍ、長さ１０ｍのＳＵＳ板（ＳＵＳ３１６Ｌ）を用意した。
【００５０】
次に、ＳＵＳ板の表面に表１に示す厚みのＣｕ箔をクラッド処理した。
【００５１】
次に、めっき法を用いて、Ｃｕ層の表面に厚み３μｍのＮｉ層を形成した。これにより、実験例１〜７の超電導線材用基板を作製した。
【００５２】
（２）幅あたりの熱伝導度の算出
次に、各実験例の超電導線材用基板における全体の幅あたりの熱伝導度を、ＳＵＳ層、Ｃｕ層、Ｎｉ層の各層の幅あたりの熱伝導度と厚みに基づいて算出した。結果を表１に示す。
【００５３】
（３）温度ムラの測定
次に、各実験例の超電導線材用基板を１０ｃｍ長さに切り出し、対向する短辺の角中心の２箇所に熱電対を取り付け、片端を５００℃、５分間の加熱をした際に、熱電対間に測定される温度差を温度ムラ（△Ｔ）として測定した。測定結果を表１に示す。
【００５４】
２．超電導線材
（１）超電導線材の作製
ＰＬＤ法を用いて、各実験例の基板の表面に、ＹＢＣＯからなる厚み２μｍの酸化物超電導層を成膜することによって超電導線材を作製した。このときの基板裏面への加熱温度を７６０℃に設定した。
【００５５】
（２）超電導特性の評価
得られた超電導線材について、四端子法を用いて臨界電流Ｉｃおよび臨界電流密度Ｊｃを測定した。測定結果を表１に示す。
【００５６】
【表１】
2015005354.tif 000003
【００５７】
表１より、金属基板全体の幅あたりの熱伝導度が１．２×１０２Ｗ／Ｋ以上の実験例２〜７は、実験例１に比べて温度分布のムラが適切に抑制されており、高いＩｃ、Ｊｃを発揮できる超電導線材を作製できることが認められた。
【００５８】
また、実験例２〜７を比較すると、Ｃｕ層３の厚みが４０μｍ以上の実験例３〜７では、幅あたりの熱伝導度が１．６×１０２Ｗ／Ｋ以上になっており、より高い超電導性能を発揮できる超電導線材を作製できることが認められた。一方、実験例７は、幅あたりの熱伝導度が８．１×１０２Ｗ／Ｋと一番高くなっているものの、Ｉｃ、Ｊｃが実験例６と大差なかった。
【符号の説明】
【００５９】
１    超電導線材用基板
２    ＳＵＳ層
３    Ｃｕ層
４    Ｎｉ層
５    中間層
１０  超電導線材
１１  酸化物超電導層
ｔ１  Ｃｕ層の厚み
ｔ２  超電導線材用基板の厚み
【図１】
2015005354.tif 000004
【図２】
2015005354.tif 000005