(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属チューブの穴にマグネシウムを充填する段階と、
前記チューブの端部を密封する段階と、
前記チューブの長さを増大させるよう該チューブを変形させる段階と、
前記チューブをホウ素と接触させてマグネシウムとホウ素とを反応させ、超伝導二ホウ化マグネシウムを形成する段階と、
を含む線材の製造方法。
【請求項２】
前記マグネシウムが、マグネシウムのロッド、ペレット、粉末、粒子、フレーク、或いはこれらの組合せの形態であり、前記金属チューブが銅、銅合金、ステンレススチール、タンタル、マグネシウム、又はニッケル合金を含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記金属チューブの半径に対する前記穴の半径の比が、前記変形の前に０．１ないし０．９９であり、前記金属チューブはホウ素と反応せず、更に前記金属チューブがホウ素の拡散を可能にすることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記金属チューブが更に、前記金属チューブの第１の端部から前記金属チューブの第２の端部まで貫通して延びる交差しない追加の穴を備え、これらの穴のうちの少なくとも１つが前記変形プロセスの前にマグネシウムで充填されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記変形段階が、押出し、鍛造、圧延、スエージング、延伸或いは前述のプロセスの少なくとも１つを含む組合せによるものであり、前記変形により、前記金属チューブの単位長さの１０％以上の量の増大が前記変形後に生じることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
ホウ素が、蒸気又は液体の形態である請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記線材を６００℃以上の温度で１時間以上の間熱処理する段階を更に含む請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超伝導線材、その製造方法、及びこれを用いた物品に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数のフィラメントを含む超伝導線材は、マグネット、モータ、及び変圧器などの種々の電磁的用途で使用されることが多い。最近、ニホウ化マグネシウム（ＭｇＢ２）が超伝導特性を示すことが見出された。二ホウ化マグネシウムは、導体テープ又は線材の製作において、２０〜３０Ｋ及び０〜３Ｔの範囲でニオブ−チタン（ＮｂＴｉ）或いはビスマス、ストロンチウム、カルシウム、銅及び酸素（ＢＳＣＣＯ）などの従来の超伝導体の代替となり得ると考えられている。二ホウ化マグネシウム線材の作製のための１つのプロセスは、ホウ素フィラメントをマグネシウム蒸気に曝すことであった。このプロセスでは、長尺（５００メートルを越える）の超伝導線材を作製することはできない。
【特許文献１】特表２００１−５１３９３７号公報
【特許文献２】米国特許６，５９１，１１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従って、約１０５Ｋｍ（３５０，０００フィート）以上の長さの二ホウ化マグネシウム線材を得る方法を開発することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
金属チューブ内の穴にマグネシウムを充填する段階と、該チューブの端部を密封する段階と、該チューブの長さを増大させるように変形させる段階と、該チューブをホウ素と接触させてマグネシウムとホウ素とを反応させ、超伝導二ホウ化マグネシウムを形成する段階とを含む線材の製造方法が本明細書で開示される。
【０００５】
ホウ素フィラメント、ホウ素テープ、或いはホウ素フィラメント又はテープのアセンブリを含む組合せを溶融マグネシウムと接触させて二ホウ化マグネシウム線材を形成する段階を含む超伝導線材の作製方法もまた本明細書で開示される。
【０００６】
第１の超伝導線材の第１の端部を第２の超伝導線材の第２の端部に接触させる段階であって、超伝導線材が二ホウ化マグネシウムを含む超伝導組成物を有する超伝導フィラメントを備える段階と、第１の超伝導線材の第１の端部を第２の超伝導線材の第２の端部と共に溶接部を形成するためのポイントで加熱する段階であって、溶接部の形成後に、超伝導組成物を有する超伝導フィラメントが超伝導フィラメントの他の任意の部分と連続的な電気的接触状態にある段階と含む線材の作製方法もまた本明細書で開示される。
【０００７】
金属マトリクス及び少なくとも１つのフィラメントを含むプリフォームを押出し成形する段階であって、該フィラメントが、押出し成形されたプリフォームを形成するために二ホウ化マグネシウムを含む超伝導組成物を含む段階と、該押出し成形されたプリフォームを線材引出し加工或いはスエージ加工して超伝導線材を形成する段階とを含む線材の製造方法もまた本明細書で開示される。
【０００８】
前述の方法及び前述の線材を用いて製造された物品もまた本明細書で開示される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
上述の詳細な特徴及び他の特徴は、以下の詳細な説明及び図面によって例示される。同じ構成要素に同じ番号が付与された図を参照する。
【００１０】
本明細書では二ホウ化マグネシウムのフィラメントを含む長尺の超伝導線の製造方法を説明する。該フィラメントは一般に共に溶接されて、約１０５Ｋｍ（３５０，０００フィート）以上、好ましくは約１５０Ｋｍ（５００，０００フィート）以上、より好ましくは約３００Ｋｍ（１，０００，０００フィート）以上の長さの線材を形成する。好ましい接合方法は、電子ビーム溶接及びレーザビーム溶接である。
【００１１】
該線材は、扁平テープ及び巻線型マルチワイヤ・ケーブルなどの他の類似の導電性構造体に有利に形成することができる。超伝導線材の用途は、超伝導のマグネット、モータ、変圧器、及び発電機などの電磁デバイスにある。このような電磁デバイスは、例えば、磁気共鳴イメージングシステムなどのより大きなシステムに組み込むことができる。
【００１２】
図１は、超伝導線材１００の１つの例示的な実施形態の概略断面図である。超伝導線材１００は、超伝導組成物を有する少なくとも１つのフィラメント１１０を含む。図１には７つのこのようなフィラメント１１０が示されているが、超伝導線材１００内部に含まれるフィラメントの数には制限はない。図１に示される１つの実施形態においては、フィラメントの少なくとも一部分は、連続した長さの超伝導フィラメントの形成を容易にする随意選択的な金属マトリクス１２０内に封入される。別の例示的な実施形態（図示せず）においては、超伝導線材１００には金属マトリクスが無く、基本的に超伝導組成物から構成される１つ又はそれ以上のフィラメントからなる。
【００１３】
上述のように、フィラメント１１０は超伝導組成物を含む。超伝導組成物は、主として二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ２）を含み、これは約３９Ｋの超伝導転移温度（ＴＣ）を有する。二ホウ化マグネシウムは、既に知られている任意の非酸化物及び非Ｃ６０ベース化合物のほぼ２倍の高さの超伝導転移温度ＴＣを有する。二ホウ化マグネシウム超伝導組成物は、マグネシウムとホウ素の第１の超伝導相を含むのが好ましいが、金属相担体などの他のドーパントを随意選択的に含むことができる。例示的な実施形態においては、第１の超伝導相は二ホウ化マグネシウムである。或いは、第１の超伝導相は、二ホウ化マグネシウムと、ホウ化チタン及び／又は二ホウ化チタンなどの別の化合物との固溶体とすることができる。超伝導組成物は、二ホウ化マグネシウムと同じ結晶構造か又は関連性のある結晶構造を有し、且つこれに匹敵する超伝導特性を有する第２の超伝導相を随意選択的に含むことができる。
【００１４】
ドーパントは、金属相担体を与えるのに加えて、格子構造又は間隔を変化させるため、及び／又は超伝導特性を改善するために組み込むことができる。第１の超伝導相の化学組成に応じて、添加することができる有用なドーパントには、銅、金、銀、マグネシウム、亜鉛、鉛、カドミウム、錫、ビスマス、ガリウム、水銀及びインジウム、或いは前述のドーパントの少なくとも１種を含む組合せが含まれる。１つの例示的な実施形態において、二ホウ化マグネシウムは付加的な元素状マグネシウムを含む。元素のマグネシウムは、一般にこれが不活性である理由から添加される。
【００１５】
超伝導組成物内に存在する他の成分に関係なく、超伝導組成物は、有効臨界温度で超伝導性をもたらすのに効果的な体積分率の超伝導相を有する。１つの実施形態において、超伝導相は全超伝導組成物の約１９容積パーセント以上の容積を占めることができる。第１の超伝導相の体積分率については、全超伝導組成物の約２５容積パーセント以上の量で存在することが一般に好ましく、好ましくは約３５容積パーセント以上、好ましくは約５０容積パーセント以上、より好ましくは約７５容積パーセント以上である。また、第１の超伝導相のより低い体積分率は、電流が一般に短い距離にわたって伝送されるが、磁気特性が重要である場合の用途で使用することができる。
【００１６】
超伝導線材は、フィラメント固有寸法を有する少なくとも１つのフィラメントを備え、該フィラメントは連続的であって、複数個の二ホウ化マグネシウム粒子を含み、該複数個の二ホウ化マグネシウムは、該フィラメント固有寸法の約１０パーセント以下の平均粒子サイズを有する。また、超伝導線材は、該少なくとも１つのフィラメントを取り囲んでこれと接触する金属マトリクスを含み、該金属マトリクスは約２０Ｋ未満を下回る温度で導電性があり、二ホウ化マグネシウムと実質的に同じか或いはこれよりも大きい熱膨張係数を有する。該固有寸法は、円形断面を有するフィラメントの直径、又は楕円断面を有するフィラメントの短径などのフィラメントの最小寸法である。
【００１７】
１つの実施形態において、超伝導組成物中の二ホウ化マグネシウム粒子は、約５００ナノメートル以下の平均サイズを有し、約３００ナノメートル以下であるのが好ましく、約２００ナノメートル以下であるのがより好ましく、約１００ナノメートル以下であることがより好ましい。本明細書で述べられるサイズとは、二ホウ化マグネシウムの粒子の最大寸法である。
【００１８】
金属マトリクス材料１２０は随意選択的であるが、使用時には好ましくは極低温（すなわち約７７Ｋ未満）において導電性がある。室温と極低温との間を繰り返すことによる線材１００の断線を防止するため、金属マトリクスは、少なくとも１つのフィラメント１１０を形成する複数の超伝導組成物粒子の熱膨張係数に対応する熱膨張係数を有する。金属マトリクス１２０が超伝導組成物の熱膨張係数と実質的に同じ熱膨張係数を有するときには、この少なくとも１つのフィラメント１１０には歪みが加えられない。金属マトリクス１２０が超伝導組成物の熱膨張係数より大きい熱膨張係数を有するときには、圧縮応力（少なくとも１つのフィラメント１１０及び超伝導線材１００の臨界電流を増加させる傾向がある）が少なくとも１つのフィラメントに伝えられる。金属マトリクス１２０が超伝導組成物の熱膨張係数より小さい熱膨張係数を有する場合、引張歪み（少なくとも１つのフィラメント１１０及び超伝導線材１００の臨界電流を低下させる傾向がある）が少なくとも１つのフィラメントに伝えられる。従って、金属マトリクス１２０は、超伝導組成物の熱膨張係数と実質的に同じか又はこれより大きい熱膨張係数を有する必要がある。金属マトリクスは、一般に、熱処理プロセスの高温に耐えることができる材料から構成される。金属マトリクスは導電性であることが好ましい。金属マトリクスは銅又は銅合金から構成されるか、或いはステンレススチール、タンタル、マグネシウム、又は酸化物分散強化された銅とニッケルの合金からなる群から選択される。
【００１９】
金属マトリクスは、穴を有するチューブ、ビレット、及び同様のものとすることができ、この穴に超伝導組成物又は超伝導組成物に対する前駆体（マグネシウム及びホウ素のような）の何れかを堆積させることができる。随意選択的な実施形態において、金属マトリクスは銅或いは銅合金からなり、超伝導組成物と銅との間に配置された第２の金属層を有する。第２の金属層は、障壁層又は高抵抗層の何れかである。１つの実施形態において、該障壁層は、タンタル、ニオブ、ニッケル、ニッケル合金、鉄、タングステン、モリブデン及びこれらの組合せからなる群から選択される。別の実施形態において、抵抗層は、コバルト、マンガン、ニッケル・チタン合金、又はニッケル・ジルコニウム合金からなる群から選択される。
【００２０】
チューブが１つより多い穴を有する場合、該穴が同じ平均半径を有することが一般に望ましい。しかしながら、個々の穴の半径が、必ずしも他のものと同一である必要はない。更に、穴は任意の望ましい幾何学的形状を有することができる。例えば、１つの穴の幾何断面が円形であり、他の穴が楕円形などであってもよい。任意の１つの穴の半径とチューブの半径との比率は、約０．１ないし約０．９９とすることができる。この範囲内で、約０．１５以上、好ましくは０．２以上、更に好ましくは０．２５以上の比率が望ましい。
【００２１】
超伝導組成物を有するフィラメントは、多くの異なる方法によって製造することができる。超伝導組成物を線材形態で製造する１つの例示的な方法において、その長さにわたり貫通する少なくとも１つの円筒穴を有する金属チューブが、超伝導組成物で充填され、次いで、変形プロセスを受けてチューブの断面積が低減されると同時にその長さが伸長される。例示的な実施形態において、超伝導組成物は二ホウ化マグネシウムを含む。超伝導組成物はまた、基本的に二ホウ化マグネシウムからなるものとすることができる。金属チューブは、チューブの第１の端部からチューブの第２の端部にわたって伸びる任意の数の交差しない穴を有することができ、これらの穴の少なくとも１つは伸長プロセスに先立って超伝導組成物で充填される。チューブの第１の端部及び第２の端部は、チューブの正反対の断面に位置する。超伝導組成物を構成する粒子は、変形プロセスの前に少なくとも１つの他の粉末粒子と電気的に導通した状態にあることが一般に望ましい。
【００２２】
次いで、二ホウ化マグネシウムを含む金属チューブが変形の前に密封される。該変形は、押出し、鍛造、圧延、スエージング、延伸などといったプロセス並びに前述のプロセスのうちの少なくとも１つを含む組合せを含むことができる。該変形は、チューブの長さを伸ばし、断面積を低減させるように行われる。１回の変形プロセス当りの長さの変化に関しては、チューブの元の長さを基準として約５パーセント以上であることが一般に望ましい。一般に、最初の長さの約１０％以上、好ましくは５０％以上、より好ましくは１００％以上の長さの変化が望ましい。チューブの変形は、一般に、該穴内の超伝導組成物の粒子を互いに電気的に導通状態にしてフィラメント１１０を形成することができるような方法で行われる。
【００２３】
チューブは、一般に約０．１ｍｍ２ないし約５ｍｍ２の断面積を有する超伝導線材を形成するように変形される。この範囲内で、約０．２ｍｍ２以上、好ましくは約０．３ｍｍ２以上、より好ましくは約０．５ｍｍ２以上の断面積が使用できる。また、この範囲内で、約４．５ｍｍ２以下、好ましくは約４．２ｍｍ２以下、より好ましくは約３．５ｍｍ２以下の断面積が望ましい。一般に、金属マトリクスは、超伝導線材の断面積の約２０％ないし約８０％を構成する。この範囲内で、金属マトリクスは、超伝導線材の、約２５％以上、好ましくは約３０％以上、より好ましくは約３５％以上の断面積を構成することができる。また、金属マトリクスは、超伝導線材の、約７５％以下、好ましくは約７０％以下、より好ましくは約６５％以下の断面積を構成することができる。所望であれば、線材を平坦化してテープ又はフィルムにすることができる。
【００２４】
変形プロセスに続いて、線材、テープ或いはフィルムを熱処理して超伝導特性及び／又は機械的特性を改善することができる。熱処理プロセスは、約６００℃以上、好ましくは約８００℃以上、より好ましくは約９００℃以上の温度まで線材を加熱する段階を含む。熱処理のための時間は約１時間ないし約６時間である。熱処理のための好ましい時間は約２時間以上である。一般に線材は、冷却されると超伝導特性を示すのに有効な複合構造を有する超伝導組成物が結果として得られる。
【００２５】
超伝導線材の製造方法の別の例示的な実施形態において、少なくとも１つの穴を有する金属チューブには、マグネシウム及びホウ素が他の何らかの望ましいドーパントと共に充填される。ホウ素に対するマグネシウムの例示的な比率は、１：２より大きい。使用できるドーパントは、銅、金、銀、マグネシウム、亜鉛、鉛、カドミウム、錫、ビスマス、ガリウム、インジウム、或いは前述の金属の少なくとも１つを含む組合せである。次いで、上述のように、チューブを密封及び変形させて超伝導線材を形成する。次いで、超伝導線材は７００℃以上の温度に熱処理され、線材内に二ホウ化マグネシウムが生成される。上述のように、超伝導線材はフィルム、テープ、及び同様のものに延伸することができる。
【００２６】
超伝導線材の製造方法の更に別の例示的な実施形態において、少なくとも１つの穴を有するビレットの形態の好適な金属チューブは、マグネシウムのロッド、ペレット、粉体、粒子、フレーク、及び同様のもので充填される。上述のようなドーパントもまた、マグネシウムのロッド、ペレット、粉体、粒子、フレーク、及び同様のものと共に該穴の中に添加することができる。金属チューブは、好ましくは、ホウ素に曝されたときにホウ化物を形成しない金属からなる。更に、金属チューブは、好ましくは、適度な時間内でチューブ全体にわたりホウ素の拡散が可能な金属からなる。超伝導線材を製造するこの方式において金属チューブ（ビレット）で使用される金属の好適な実施例は、銅合金、ステンレススチール、タンタル、マグネシウム、或いは酸化物分散強化された銅及びニッケル合金である。
【００２７】
次いで、マグネシウムを含む金属チューブが密封及び変形されて、縮小された断面積及び延長された長さを有する線材が形成される。線材内のマグネシウムは、線材の長さに等しい長さを有する連続フィラメントの形態で存在することが望ましい。このことは、線材がホウ素に曝されたときに該線材の全長にわたり超伝導組成物を有するフィラメントの形成を可能とする。
【００２８】
超伝導組成物を形成するため、マグネシウムを含む線材はホウ素と接触して金属内へホウ素を拡散させ、最終的にはマグネシウム線材を熱処理することによって二ホウ化マグネシウムを含む超伝導組成物を形成することが可能になる。ホウ素を線材に接触させる好ましい方法は、ホウ素又はホウ素含有化合物への暴露によるものである。これを達成する１つの方法において、マグネシウムフィラメントを含む線材は、ホウ素放出物質、活性化材料、及び随意選択的な耐熱増量剤を含む粉体混合物を含有する金属ボックス（例えば鉄ボックス）内に詰められる。このプロセスはボロナイジング（ホウ化処理）と呼ばれる。密閉されたボックスは、一定の時間の間熱処理され、金属マトリクスを通って拡散したホウ素とマグネシウムとの反応の結果として所望のホウ化マグネシウムが形成される。ホウ化剤としての使用を考慮することができるホウ素放出物質は、非結晶性ホウ素及び結晶性ホウ素、フェロボロン、炭化ホウ素、及びホウ砂などのホウ酸塩である。好適な活性化物質は、アルカリ金属及びアルカリ土類金属の塩化物又はフッ化物などの塩化物放出化合物或いはフッ化物放出化合物である。とりわけテトラフルオロホウ酸カリウムなどのフルオロホウ酸塩が、活性化剤として特に広範に使用される。ボロナイジングは一般に、約８００ないし約１，１００℃、とりわけ約８５０ないし約９５０℃の温度で行われる。１：２を越えるマグネシウムとホウ素の比率をもたらすために有効な金属マトリクス内へのある量のホウ素の拡散を可能にすることが一般に望ましい。
【００２９】
接触段階の間にホウ素は最終的には金属マトリクスを通って拡散しマグネシウムフィラメントと反応することができるが、マグネシウムフィラメントにホウ素を更に拡散することを促進するために随意選択の付加的な熱処理を行うことができる。ホウ素は、一般に、マトリクスを通過してマグネシウムフィラメント内に拡散し、マグネシウムフィラメントと反応して超伝導組成物を生成することになる。超伝導組成物を有する連続超伝導フィラメントが形成されるように、熱処理が約６００℃以上の温度で約１時間以上の時間で行われることが一般に望ましい。超伝導線材が第１の端部から第２の端部まで電気を連続的に超伝導する能力を有すること、及び超伝導フィラメントの長さが超伝導線材の第１の端部から第２の端部までの距離以上であることが一般に望ましい。超伝導線材の製造に関する更に別の実施形態においては、前述の線材作製方法の何れかを組み合わせて線材の生成又は線材特性を改善することができる。
【００３０】
上記で開示されたように、金属マトリクスの無い超伝導線材もまた、約３５０，０００フィート以上の全長を有する大延長区画に溶接することができる。これを達成するために、超伝導組成物を有する超伝導線材が金属マトリクス無しで最初に製造される。この超伝導線材製造の方法において、ホウ素基材は、適切な反応器内でマグネシウム蒸気或いは溶融マグネシウムの何れかに曝されて、実質的に二ホウ化マグネシウムを含む超伝導組成物が形成される。１つの実施形態において超伝導組成物は二ホウ化マグネシウムから主としてなるが、別の実施形態においては、超伝導組成物は二ホウ化マグネシウムからなる。
【００３１】
上述のように、金属マトリクスの無い超伝導線材の１つの製造方法においては、フィラメント、テープ、フィルム、及び同様のものの形態のホウ素基材は商業的に購入することができ、反応器内に置かれるか或いはマグネシウム蒸気が入っている反応器に連続的に通される。該プロセスは、バッチプロセス又は連続プロセスの何れかとすることができる。１つの実施形態において、ホウ素基材は必要に応じて好適なドーパントを含むことができ、或いはホウ素基材をマグネシウム蒸気と接触させることによって、ドーパントをホウ素基材内に導入することができる。別の実施形態においては、ホウ素基材が複数のドーパントの一部を含有することができ、他のドーパントは、ホウ素基材のドーパント蒸気との接触によって蒸気の形態でホウ素基材内に導入することができる。更に別の実施形態において、ホウ素基材はドーパントを含まないか或いは所望のドーパント濃度の小さな割合のみを含有することができ、一方、基材は蒸気形態のマグネシウム又はドーパントと断続的に接触して超伝導組成物が生成される。ホウ素に対するマグネシウム蒸気の重量比は好ましくは少なくとも約１：２と等しいかこれよりも大きい。ホウ素に接触すると、マグネシウムはホウ素と反応し超伝導組成物を形成する。次いで、超伝導組成物を反応器から取り出して溶接を行う。
【００３２】
前述の方法による超伝導線材の１つの例示的な製造方法において、マグネシウム蒸気は加圧下で反応器に入れられるか或いは反応器に送り込んだ後に加圧される。圧力の印加は、随意選択的であるが、一般に効率的な拡散プロセスを容易とし、また、蒸気形態の間マグネシウムの低い蒸気圧に起因するマグネシウムの損失を防止する。反応器内の圧力は、約１ないし約１００キログラム／平方センチメートル（ｋｇ／ｃｍ２）の大きさで変化することができる。反応器は、圧力に応じて約８００ないし約１５５０℃の温度に維持されるのが好ましい。一般に、反応が約８００℃の温度で行われるときには、より低い圧力（すなわち、大気圧未満）を使用することができ、周囲大気圧力に等しい圧力は、約１５５０℃の温度で使用することができる。
【００３３】
超伝導線材の製造方法の更に別の実施形態において、フィラメント、フィルム、テープ、及び同様のものの形態のホウ素基材は、少なくとも１つの溶融マグネシウム・バス内でマグネシウム液体と接触する。マグネシウム液体は、約６５０ないし約１０９０℃の温度でホウ素基材と接触することができる。１つの実施形態において、マグネシウム液体は連続的或いは断続的の何れかでホウ素基材と接触することができる。換言すれば、超伝導組成物の作製プロセスはバッチプロセス或いは連続プロセスの何れかとすることができる。別の実施形態において、ホウ素基材或いは溶融マグネシウムの何れかが、基材内の超伝導性の発現を促進するのに有効な量の付加的なドーパントを含むことができる。溶融バスは、必要に応じて加圧することができ、またマグネシウム或いはホウ素の酸化を防止するために、アルゴン、窒素、及び同様のものなどの不活性ガスを含むことができる。
【００３４】
マグネシウム蒸気或いは溶融マグネシウムの何れかを用いる超伝導線材の製造に関する更に別の実施形態においては、ホウ素基材は一連の反応器内に導入することができ、各反応器は、所望の通りにマグネシウム蒸気、溶融マグネシウム、ドーパント蒸気或いは溶融ドーパントの１つ又はそれ以上を含むことができる。例えば、ホウ素基材の一部をマグネシウム蒸気を含む第１の反応器内に導入することができ、続いて、該基材の同じ部分を溶融マグネシウムを含む第２の反応器内に導入することができる。本明細書で使用される用語「第１の」及び「第２の」は、接触の順序を示すために使用されるものではなく、異なる反応器の使用を示すものである。また、一連の反応器を用いる超伝導線材の前述のせ製造方法も、バッチプロセス或いは連続プロセスとして行うことができる。
【００３５】
前述の何れかの方法のホウ素基材は、任意の所望の長さからなり、並びに任意の固有寸法を有することができるが、基材の長さは一般に約３００ｍ（１，０００フィート）以上であることが望ましく、好ましくは３Ｋｍ（１０，０００フィート）以上、好ましくは１２，５００フィート以上、より好ましくは１５，０００フィート以上である。好適な固有寸法は、約１マイクロメートルないし約１０００マイクロメートルである。この範囲内では一般に、約２マイクロメートル以上、好ましくは約５マイクロメートル以上、より好ましくは約８マイクロメートル以上の固有寸法を有することが望ましい。同様に、この範囲内では、約９００マイクロメートル以下、好ましくは約８００マイクロメートル以下、より好ましくは約５００マイクロメートル以下の固有寸法が望ましい。
【００３６】
前述の方法の何れか或いは他の既知の方法による超伝導線材の製造に続いて、該線材を溶接又は拡散接合して、共に溶接される超伝導線材の各々の長さの合計に少なくとも等しい長さを有する、連続長の超伝導線材を形成することができる。１つの実施形態において、第１の超伝導線材を第２の超伝導線材へ接合することにより、第１の超伝導線材又は第２の超伝導線材の長さ以上の長さを有する超伝導線材が形成される。
【００３７】
拡散接合は、接合されることになる超伝導線材の部分の巨視的な変形を生じること無く原子移動により達成される固相プロセスである。超伝導線材が最初に清浄であることが望ましい。０．４ミクロンより小さい表面粗さ値が望ましく、接合の前には、試料をアセトン中で洗浄する必要がある。拡散接合を達成するために必要に応じて加圧してもよい。
【００３８】
１つの実施形態において、該接合は、第１の超伝導線材の第１の端部を第２の超伝導線材の第２の端部に接触させる段階であって、該超伝導線材が二ホウ化マグネシウムを含む超伝導組成物を有する超伝導フィラメントを備えている前記段階と、第１の超伝導線材の第１の端部を第２の超伝導線材の第２の端部と共に単一の線材を形成するポイントで加熱する段階であって、超伝導組成物を有する超伝導フィラメントが超伝導フィラメントの他の任意の部分と連続した電気的接触状態にある段階とを含む。２つの線材が加熱されるポイントは、単一のスポットとすることができ、或いは２つの線材が重なった区域とすることができる。この接合は、スポット溶接部又は突合せ溶接、或いは所望の他の何らか種類の溶接とすることができる。
【００３９】
１つの実施形態において、一般に、接合される超伝導線材の長さ以上の長さからなる少なくとも１つの電気的に連続した超伝導フィラメントを有するのに有効な方法で超伝導線材を接合することが望ましい。他の実施形態においては、接合される超伝導線材の長さ以下の長さからなる少なくとも１つの電気的に連続した超伝導フィラメントを有するのに有効な方法で超伝導線材を接合することが望ましい。
【００４０】
一般に接合は、光のビームによって供給されるエネルギーなどの少なくとも１つのエネルギー供給源を用いて行われ、該供給源によって供給されるエネルギーは共に接合されることになる超伝導線材の該当部分に配向される。該エネルギーと超伝導組成物との相互作用は組成物の加熱を促進し、この温度上昇は、超伝導組成物の接合を促進するために好都合に利用することができる。好ましい接合方法は、電子ビーム溶接、レーザ溶接、超音波溶接、プラズマアーク溶接、抵抗溶接、及び同様のものである。
【００４１】
金属マトリクスを有する超伝導線材の接合プロセスにおいては、金属マトリクスが最初に除去され、溶接されることになる超伝導線材内の超伝導組成物が露出される。金属マトリクスは、化学エッチング、研磨及び研削などの機械的磨耗、溶融又は分解などの熱処理、又は同様のものといった方法、或いは前述の方法の少なくとも１つを含む組合せによって除去することができる。金属マトリクスの除去に続いて、超伝導フィラメントの露出端部は、必要に応じ溶媒を用いて随意選択的に洗浄することができる。次いで超伝導フィラメントの露出された部分を、電子ビーム、レーザビーム、プラズマアーク、抵抗加熱、及び同様のものなどのエネルギー供給源に接触させることによって該部分が加熱される。次いで、超伝導フィラメントの加熱された部分が共に接合され冷却されて溶接部が形成される。１つの実施形態において、加熱された超伝導フィラメントは加圧下で共に接合される。別の実施形態においては、超伝導フィラメント内の超伝導組成物の酸化を防止するために、接合が不活性雰囲気内で全体的に行われる。
【００４２】
別の実施形態においては、接合されることになる超伝導線材の端部から金属マトリクスを除去した後、２つの端部を合わせて超伝導線材の重なり区域を形成する。二ホウ化マグネシウム粉末又はマグネシウム粉末及び／又はホウ素粉末の組合せの何れかを含む充填材料が超伝導線材の重なり区域の上に置かれる。ドーパントを随意選択的に重なり区域に付加することができる。次いで、重なり区域は前述の接合方法のうちの１つを用いて接合され、超伝導フィラメントの連続区域が形成される。
【００４３】
更に別の実施形態において、マグネシウム粉末及びホウ素粉末を含む充填材料と共に超伝導フィラメントの露出端部を備える重なり区域を抵抗加熱する。加熱によりマグネシウムとホウ素との間の化学反応が促進され、二ホウ化マグネシウムが形成される。この二ホウ化マグネシウムを用いて、超伝導線材の接合を促進させることができる。
【００４４】
１つの実施形態において、接合は一般に、約６５０ないし約１０００℃の温度で行われる。この範囲内で、約７００℃以上の温度が使用され、好ましくは約７２５℃、より好ましくは７５０℃以上の温度が使用される。また、９５０℃以下、好ましくは約９００℃以下、より好ましくは約８７５℃以下の温度が望ましい。例示的な温度は、約７９５℃ないし約８５０℃である。
【００４５】
一般に、第１の超伝導線材の第１の端部と第２の超伝導線材の第２の線材との間に「ブリッジ超伝導断面」が得られるような方法で接合が行われることが望ましい。ブリッジ超伝導断面が、フィラメント或いはテープ上の超伝導断面より小さいときには、ブリッジ超伝導断面は、接続された超伝導エレメントにおける通電容量を制限する。従って、ブリッジ超伝導断面は、好ましくは、フィラメント或いはテープ上の超伝導断面と少なくとも同じ大きさである。
【００４６】
形成された接合部の通電容量は、電圧プローブを溶接部の両端の超伝導フィラメントテープにハンダ付けすることによって試験することができる。接合部は超伝導体の臨界温度より低温に冷却され、増大した量の電流が溶接部を通って流れ、この間プローブ間の電圧変化が測定される。例えば約０．０２マイクロボルトである十分な電圧変化が検出されたときの電流が臨界電流である。接合部の通電容量が、フィラメント及び／又はテープにおける通電容量よりも小さい場合、ブリッジの数又はブリッジの寸法を接合部内で増加して、より大きい超伝導ブリッジ断面が形成されるようにすることができる。
【００４７】
例えば、所定数のスポット溶接部が、本方法による超伝導接合部を形成するために使用される。接合部が隣接するテープよりも小さい通電容量を有する場合には、スポット溶接部の数を接合部内で増大させて、より大きな超伝導ブリッジ断面を得ることができる。接合部の通電容量が隣接する超伝導フィラメント及び／又はテープの通電容量を超過するように十分な数のスポット溶接部を形成することができる。
【００４８】
好ましいブリッジ形態は、露出区域を横切る斜め模様である。例えば、ブリッジが露出区域の幅を横切る抵抗シーム溶接によって形成されるときには、該抵抗シーム溶接が露出区域の幅にわたって斜めに形成されるのが好ましい。結果として、超伝導接合が形成されるときには、テープの幅を横切る種々のポイントで１つのテープから他のテープに電流が転移する。
【００４９】
このことは、幅を横切る単一ポイントで電流が転移する必要性が回避されるが、該ポイントでの超伝導断面は、少なくとも隣接しているテープ内に超伝導断面が存在する必要があり、或いは接合部が全体の伝導体の通電容量を限定することになる。
【００５０】
接合を効果的にするために随意選択的に加圧を用いることができ、使用される圧力の大きさは、一般に接合部の幾何学的形状に依存する。超伝導線材の接合されたフィラメントは、接合部の超伝導特性を改善するために、追加の接合後熱処理を随意選択的に行うことができる。接合後熱処理は、約６００℃以上、好ましくは約７００℃以上、より好ましくは約９００℃以上の温度で約１時間ないし約６時間の間行われる。
【００５１】
上述のように、これらの接合方法を有効に用いて超伝導線材の延長区域を作成することができ、該線材は、限定ではないが、扁平テープ、複数の線材から形成されたラミネート線材、及び巻線型マルチワイヤ・ケーブルを含む導電性構造体に好都合に使用することができる。超伝導線材１００から形成されたマルチワイヤ・ケーブル２００、扁平テープ３００、及びラミネート線材４００の概略図がそれぞれ図２及び図３に示される。超伝導線材１００の用途は、限定ではないが、モータ用超伝導マグネット、変圧器、及び発電機などの電磁デバイスにある。このような電磁デバイスは、例えば、磁気共鳴イメージングシステムなどのより大きいシステムに組み込まれることができる。
【００５２】
本発明を例示的な実施形態に関して説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、種々の変更を行うことができ、本発明の構成要素に均等物で置き換え得ることは当業者であれば理解されるであろう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は材料を本発明の教示に適合させるよう多くの修正を行うことができる。従って、本発明は、本発明を実行するために考慮される最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されず、本発明が添付の請求項の範囲内の全ての実施形態を含むことが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】超伝導線材の概略断面図。
【図２】超伝導線材から形成されたマルチワイヤ・ケーブルの概略側面図及び断面図。
【図３】超伝導線材から形成された扁平テープの概略断面図。
【符号の説明】
【００５４】
１００  超伝導線材
１１０  フィラメント
１２０  金属マトリクス
【図１】
0004812279.tif 000002
【図２】
0004812279.tif 000003
【図３】
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