(57)【要約】  高温超電導テープのための補強材。より具体的には、必要とされる補強の量を大幅に低減しかつ実際的な導体寸法においてはるかにより高い応力耐性を達成するための補強材が本明細書中に記載される。
2016522530.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導テープ部と、
前記超電導テープ部に接続された補強部材とを備え、
前記補強部材を構成する材料はニッケル、コバルトおよびクロムを含む、補強された超電導線材。
【請求項２】
前記超電導テープ部は、ビスマス系の超電導導体を含み、
前記補強された超電導線材の断面積に対する前記補強部材の断面積の割合は３５％以下である、請求項１に記載の補強された超電導線材。
【請求項３】
前記超電導テープ部は、イットリウム系の超電導導体を含み、
前記補強された超電導線材の断面積に対する前記補強部材の断面積の割合は８０％以下である、請求項１に記載の補強された超電導線材。
【請求項４】
前記超電導テープ部には、前記超電導テープ部の延在方向に沿って圧縮応力が印加されている、請求項１〜３のいずれか１つに記載の補強された超電導線材。
【請求項５】
前記補強部材を構成する前記材料において、
前記ニッケルの含有率は２０重量％以上４２重量％以下、
前記コバルトの含有率は２３重量％以上４４重量％以下、
前記クロムの含有率は１４重量％以上２６重量％以下である、請求項１〜４のいずれか１つに記載の補強された超電導線材。
【請求項６】
前記ニッケルの含有率は２５重量％以上３７重量％以下である、請求項５に記載の補強された超電導線材。
【請求項７】
前記コバルトの含有率は２８重量％以上３９重量％以下である、請求項５または６に記載の補強された超電導線材。
【請求項８】
前記クロムの含有率は１９重量％以上２１重量％以下である、請求項５〜７のいずれか１つに記載の補強された超電導線材。
【請求項９】
前記補強部材を構成する前記材料は、チタンをさらに含む、請求項１〜８のいずれか１つに記載の補強された超電導線材。
【請求項１０】
前記補強部材は、以下の式で規定される特性値ＦＯＭが１０５０％ＧＰａ／Ｋ超であり、
ＦＯＭ＝すべて２７３Ｋ〜３２３Ｋの温度範囲のＣＴＥ×比例限度歪み×モジュラス
式中、ＣＴＥはＰＰＭ  ｍ／ｍ／Ｋであり、弾性率はＧＰａであり、比例限度はパーセントである、請求項１〜９のいずれか１つに記載の補強された超電導線材。
【請求項１１】
引張り応力を印加していない時の臨界電流値に対して、４００ＭＰａの引張り応力を印加したときの臨界電流値の低下率が５％以下である、請求項１〜１０のいずれか１つに記載の補強された超電導線材。
【請求項１２】
補強された高温超電導体であって、
ａ）ＢＳＣＣＯ２２２３／銀テープコアと、ｂ）テープの広い表面の各々の側に１つずつの２つの補強ストリップと、ｃ）補強ストリップとＢＳＣＣＯ２２２３／銀テープコアとの間にＳｎ、Ｐｂ、Ｉｎ、Ｓｂ、またはＢｉのうち任意の１つを５％超含有する有機接着剤または半田を主に備える接合材とを備え、接合材は、補強が全複合断面積の３５％未満を占めるように、アセンブリの外側およびアセンブリの端縁において補強ストリップ同士の間を被覆し、この場合、複合体の臨界電流は、３００Ｋ以下の温度で４００ＭＰａ超の引張り応力が印加された場合に５％超劣化しない、補強された高温超電導体。
【請求項１３】
超電導テープ部と、ニッケル、コバルトおよびクロムを含む材料により構成された補強部材とを準備する工程と、
前記補強部材を前記超電導テープ部に接合する工程とを備える、補強された超電導線材の製造方法。
【請求項１４】
前記接合する工程では、前記補強部材に引張り応力を加えた状態で、前記補強部材を前記超電導テープ部に接合する、請求項１３に記載の補強された超電導線材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願は概して、高温超電導（ＨＴＳ）テープのための補強された材料およびこれらの材料を含有する補強された超電導テープ物品に関する。より具体的には、必要な補強の量を大幅に低減しかつ実際的な導体寸法においてはるかにより高い応力耐性を達成するための補強材を本明細書中に記載する。
【背景技術】
【０００２】
超電導材料は、好適に開発された形態でかつ極低温では、断面積が同じ銅、アルミニウム、および銀などの抵抗性材料が実際にかつ経済的に運搬することができる電流の何倍も（１０倍超で１０万倍まで）を過熱なしに運搬することができる。この文書における明瞭性の目的のため、約３未満の断面形状アスペクトを有する電気導体を、典型的にしかし排他的にではなく線材と称する一方で、約３よりも大きな断面形状アスペクトを有する導体（図１、図２、図４、図６、および図９）をテープと称し、２つ以上の導体を備える束をケーブルと称する。すべての３種類を用いて、ＭＲＩ（磁気共鳴映像法）、ＮＭＲ（核磁気共鳴）、および加速器磁石のような静置磁石適用例、ならびにたとえば風力発電機などの可動磁石適用例で非常に大きな磁場を発生させることができるコイルを製作することができる。ほとんどエネルギ損失なしに長い距離にわたって非常に大電流のケーブルで大量の電力を伝送するのにもこれらの導体を用いることができる。磁石の場合、導体中の移動する電荷と大きな磁場との間の相互作用の結果、高磁場にある導体中に非常に大きな軸方向の力（ローレンツ力Ｆ＝ＩＬ×Ｂ、式中、Ｉは電流であり、Ｌは導体の長さであり、Ｂは導体に当たる磁場であり、かつ×は外積を表わす）が発生することができるが、これは、主にその通電能力である導体の性質の劣化なしに非常に高レベルの軸方向応力耐性を有する補強された導体を要件とする。
【０００３】
このような応力を受けるため、補強部材を付加することで補強された超電導テープが知られている（たとえば、米国特許第５０５９５８２号、米国特許第５８０１１２４号、米国特許第５９８７３４２号、米国特許第６２３００３３号、米国特許第６７１１４２１号、エー・オットー、イー・ジェイ・ハーレイ、およびアール・メイソン（A. Otto, E. J. Harley and R. Mason）、Supercond. Sci. Technol. 18 (2005) S308-S312、ならびにエー・オットー、イー・ポッドバーグ、アール・メイソン、およびピー・アンタヤ（A. Otto, E. Podtburg, R. Mason and P. Antaya）、IEEE Transactions on Applied Superconductivity、第１７巻、３０７１−３０７４ページを参照）。
【０００４】
先行技術文献
特許文献
特許文献１：米国特許第５０５９５８２号
特許文献２：米国特許第５８０１１２４号
特許文献３：米国特許第５９８７３４２号
特許文献４：米国特許第６２３００３３号
特許文献５：米国特許第６７１１４２１号
非特許文献
非特許文献１：エー・オットー、イー・ジェイ・ハーレイ、およびアール・メイソン（A. Otto, E. J. Harley and R. Mason）、Supercond. Sci. Technol. 18 (2005) S308-S312
非特許文献２：エー・オットー、イー・ポッドバーグ、アール・メイソン、およびピー・アンタヤ（A. Otto, E. Podtburg, R. Mason and P. Antaya）、IEEE Transactions on Applied Superconductivity、第１７巻、３０７１−３０７４ページ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発明の要約
技術的課題
超電導材料は、ある臨界電流（Ｉｃ）および対応の臨界電流密度レベル（Ｊｃ）を超えて抵抗性材料よりもはるかに大きな電流密度を運搬することができるが、それらは迅速に増加する抵抗を呈し、その用途がＩｃおよびＪｃを下回る領域に限定されてしまう。補強および他の材料の追加によって導体の断面積が増大し、そのため、超電導材料の固有のＪｃに到達する前に導体が動作することができる最大工学的電流密度（Ｊｅ）が低くなってしまう。したがって、所望のレベルの補強（および絶縁）を達成するのに追加する材料ができるだけ少ないことが大きな価値がありかつ重要である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
課題に対する解決策
本発明は、補強材の３つの属性の特定的な組合せと、同等の断面寸法のステンレス鋼の補強によって達成される最良の現行技術の応力耐性と比べて大きく向上した軸方向の引張り応力耐性を有するＨＴＳテープを生産するためのいくつかの特定的な作製条件とを同定する。
【０００７】
臨界補強材属性は、弾性率と、それを超えると不可逆な塑性歪みが起こる引張り変形の比例限度歪みと、熱膨張係数（ＣＴＥ）とであり、そのすべては、この発明では、達成するのが困難なしきい値レベルを組合せて超えなくてはならない。
【０００８】
臨界作製条件は、超電導テープに貼付ける際に補強ストリップに印加しなければならない（引張り弾性歪みという結果を招く）高レベルの引張り荷重と、取付が完成する最も高い実際的な温度とである。
【０００９】
臨界的な構成上の特徴、および補強された超電導体の有用性を大きく向上させるものは、応力耐性を必要とされるレベルに向上させるのに必要な導体の断面積に対する補強の割合である。発明は、現行技術のステンレス鋼で達成することができかつこれによって達成されてきたよりも３５％低い断面積割合でのはるかにより大きな引張り応力耐性を与える。
【００１０】
本発明の一態様に係る補強された超電導テープは、超電導テープ部と、当該超電導テープ部に接続された補強部材とを備える。補強部材を構成する材料はニッケル、コバルトおよびクロムを含む。
【発明の効果】
【００１１】
発明の有利な効果
上記態様によれば、引張り強度が向上した、補強された超電導テープを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一態様に係る補強された超電導テープの断面模式図である。
【図２】本発明の一態様に係る補強された超電導テープの他の例の断面模式図である。
【図３】引張り応力耐性とストリップ厚みとの関係を示すグラフである。
【図４】本発明の一態様に係る補強された超電導テープの断面模式図である。
【図５】図４に示した補強された超電導テープを構成する超電導テープ部の構成を説明するための断面模式図である。
【図６】本発明の一態様に係る補強された超電導テープの他の例の断面模式図である。
【図７】本発明の一態様に係る補強された超電導テープの製造方法を説明するためのフロー図である。
【図８】図７に示した補強された超電導テープの製造方法を説明するための模式図である。
【図９】本発明の一態様に係る補強された超電導テープの断面写真である。
【図１０】本発明の一態様に係る補強された超電導テープを用いたコイルを示す模式図である。
【図１１】本発明の一態様に係る補強された超電導テープの製造方法を説明するための模式図である。
【図１２】本発明の一態様に係る補強された超電導テープの効果を説明するための模式図である。
【図１３】金属材料のＣＴＥとモジュラスとの関係を示すグラフである。
【図１４】超電導テープの一例の断面写真である。
【図１５】ステンレス鋼により補強された超電導テープの一例の断面写真である。
【図１６】銅合金により補強された超電導テープの一例の断面写真である。
【図１７】本発明の一態様に係る補強された超電導テープの製造装置の写真である。
【図１８】臨界引張り応力と補強部材の厚みとの関係を示すグラフである。
【図１９】最大工学的電流密度（Ｊｅ）と補強部材の厚みとの関係を示すグラフである。
【図２０】補強された超電導テープに印加される引張り応力と臨界電流との関係を示すグラフである。
【図２１】補強された超電導テープの臨界引張り応力を示すグラフである。
【図２２】超電導テープについての引張り試験を示す写真である。
【図２３】引張り試験の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施態様の説明
本発明の実施態様を図面を参照して以下に説明する。
【００１４】
(本発明の実施態様の説明)
本発明の一態様に係る補強された超電導テープ１は、超電導テープ部１２０，１０２０と、当該超電導テープ部に接続された補強部材１０３０とを備える。補強部材１０３０を構成する材料はニッケル、コバルトおよびクロムを含む。このようにすれば、補強部材として上記材料を含む合金を用いることで、従来のステンレス鋼からなる補強部材を用いる場合より引張り強度が向上した、補強された超電導テープを得ることができる。
【００１５】
上記補強された超電導テープにおいて、超電導テープ部は、ビスマス系の超電導導体を含んでいてもよい。補強された超電導テープの断面積に対する補強部材の断面積の割合は３５％以下であってもよい。なお、ここでビスマス系の超電導導体とは、Ｂｉ（ビスマス）−Ｓｒ（ストロンチウム）−Ｃａ（カルシウム）−Ｃｕ（銅）−Ｏ（酸素）で構成される酸化物超電導体であり、たとえば（Ｂｉ，Ｐｂ）2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3ＯXという化学式で表わされる酸化物超電導体をいう。この場合、補強された超電導テープの全断面積に対する補強部材の断面積の割合を十分低くしているため、当該補強された超電導テープを用いてコイルなどを形成するときに、補強部材の存在に起因して当該コイルの単位断面積あたりの通電電流量が過剰に小さくなる、といった問題の発生を抑制できる。
【００１６】
上記補強された超電導テープ１において、超電導テープ部は、イットリウム系の超電導導体を含んでいてもよい。補強された超電導テープの断面積に対する補強部材の断面積の割合は８０％以下であってもよい。なお、ここでイットリウム系の超電導導体とは、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏxという化学式で表わされる酸化物超電導体、および、ＨｏＢＣＯ（ホルミウム系超電導材料；ＨｏＢａ2Ｃｕ3ＯX）、ＧｄＢＣＯ（ガドリニウム系超電導材料：ＧｄＢａ2Ｃｕ3ＯX）などのレア・アース系酸化物超電導体の両方を包含する超電導導体を意味する。この場合、補強された超電導テープの全断面積に対する補強部材の断面積の割合を十分低くしているため、当該補強された超電導テープを用いてコイルなどを形成するときに、補強部材の存在に起因して当該補強された超電導テープの単位断面積あたりの通電電流量が過剰に小さくなる、といった問題の発生を抑制できる。なお、補強された超電導テープの断面積に対する補強部材の断面積の割合は６０％以下としてもよい。
【００１７】
上記補強された超電導テープ１において、超電導テープ部には、超電導テープ部の延在方向に沿って圧縮応力が印加されていてもよい。この場合、補強された超電導テープ１に印加される引張り応力に対して、上記圧縮応力が引張り応力に対する抵抗成分として作用する。そのため、超電導テープ部に上記圧縮応力が印加されていない場合より、補強された超電導テープにおける臨界引張り応力を高めることができる。
【００１８】
上記補強された超電導テープ１では、補強部材を構成する材料において、ニッケルの含有率が２０重量％以上４２重量％以下、コバルトの含有率は２３重量％以上４４重量％以下、クロムの含有率は１４重量％以上２６重量％以下であってもよい。この場合、補強部材の強度を確実に高めることができる。
【００１９】
上記補強された超電導テープ１において、ニッケルの含有率は２５重量％以上３７重量％以下であってもよい。この場合、補強部材の強度をより高めることができる。
【００２０】
上記補強された超電導テープ１において、コバルトの含有率は２８重量％以上３９重量％以下であってもよい。この場合、補強部材の強度をより高めることができる。
【００２１】
上記補強された超電導テープ１において、クロムの含有率は１９重量％以上２１重量％以下であってもよい。この場合、補強部材の強度をより高めることができる。
【００２２】
上記補強された超電導テープ１において、補強部材を構成する材料は、チタンをさらに含んでいてもよい。この場合、補強部材の強度をより高めることができる。
【００２３】
上記補強された超電導テープ１において、補強部材は、以下の式で規定される特性値ＦＯＭが１０５０％ＧＰａ／Ｋ超であってもよい：ＦＯＭ＝すべて２７３Ｋ〜３２３Ｋの温度範囲のＣＴＥ×比例限度歪み×モジュラス。式中、ＣＴＥはＰＰＭ  ｍ／ｍ／Ｋであり、弾性率はＧＰａであり、比例限度はパーセントである。このような条件を満足する補強部材を用いることで、補強された超電導テープの引張り強度を確実に高めることができる。
【００２４】
上記補強された超電導テープ１において、引張り応力を印加していない時の臨界電流値に対して、４００ＭＰａの引張り応力を印加したときの臨界電流値の低下率が５％以下であってもよい。この場合、引張り応力が印加された状態でも十分高い臨界電流値を得ることができるので、当該補強された超電導テープを用いてコイルなどの超電導機器を形成したときに当該超電導機器を安定して運転することができる。
【００２５】
本明細書中に与えられる具体的な実施態様は、ａ）ＢＳＣＣＯ２２２３／銀テープコアと、ｂ）テープの広い表面の各々の側に１つずつの２つの補強ストリップと、ｃ）補強ストリップとＢＳＣＣＯ２２２３／銀テープコアとの間のＳｎ、Ｐｂ、Ｉｎ、Ｓｂ、またはＢｉのうちの任意の１つを５％超含有する有機接着剤または半田を主に備える接合材とを備える、補強された高温超電導体であって、接合材は、補強が全複合断面積の３５％未満を占めるようにアセンブリの外側およびアセンブリの端縁にある補強ストリップ同士の間を被覆し、この場合、複合体の臨界電流は、３００Ｋ以下の温度で４００ＭＰａ超の引張り応力が印加される場合に５％超劣化しない、補強された高温超電導体を記載する。
【００２６】
このようにすれば、従来のステンレス鋼からなる補強部材を用いる場合より引張り強度が向上した、補強された超電導テープを得ることができる。
【００２７】
本発明の一態様に係る補強された超電導テープの製造方法は、超電導テープ部と、ニッケル、コバルトおよびクロムを含む材料により構成された補強部材とを準備する工程と、補強部材を超電導テープ部に接合する工程とを備える。
【００２８】
この場合、上述した補強された超電導テープを得ることができる。
上記補強された超電導テープの製造方法において、接合する工程では、補強部材に引張り応力を加えた状態で、補強部材を超電導テープ部に接合してもよい。この場合、超電導テープ部に補強部材によって圧縮応力を印加できる。そのため、補強された超電導テープに印加される引張り応力に対して、上記圧縮応力が引張り応力に対する抵抗成分として作用する。したがって、超電導テープ部に上記圧縮応力が印加されていない場合より臨界引張り応力が高い、補強された超電導テープを得ることができる。
【００２９】
本明細書中に記載される具体的な実施態様は、ＢＳＣＣＯ２２２３またはＹ１２３系の超電導体と、超電導酸化物の高電流密度形態を製造するのに必要な銀マトリックスまたは金属基板と、補強された導体の断面積の３５％未満およびより好ましくは２５％のレベルまでの追加補強とを備える、補強された超電導テープ１を記載し、この場合、運搬４端子試験法（transport 4 point test method）で測定すると不可逆なＩｃ劣化が最初に５％を超える引張り応力耐性は４００ＭＰａ超、およびより好ましくは５００ＭＰａである。
【００３０】
この試験では、電流注入コンタクト同士の間の領域の内側の補強された超電導体の上に電圧測定電気コンタクトが位置決めされる。材料中の引張り応力および歪みが段々と増大する一方で、臨界電流は、電圧の開始まで電流を掃引することによって各々の応力増分で測定される。この方法により、３００Ｋ〜４Ｋの範囲にわたる応力および歪みの条件で、超電導材料中の不可逆なＩｃ劣化の開始という結果をもたらす応力および歪みが判断される。
【００３１】
一般的に用いられる０．２％レベルよりも厳しい０．０１％〜０．０５％のオフセット歪み判断基準を適用することによって、高品質の応力−歪みデータからこの発明の目的のための比例歪み限度を実際的に推定することができる。
【００３２】
本明細書中に与えられかつ図１および図９に示される具体的な実施態様は、ａ）ＢＳＣＣＯ２２２３／銀テープコア（超電導テープ部１０２０，１２０）と、ｂ）挟持構造中のテープの広い表面の各々の側に１つずつの２つの補強ストリップ（補強部材１２４および１０３０）と、ｃ）補強ストリップとＢＳＣＣＯ２２３／銀テープコアまたは有機接着剤との間のＳｎ、Ｐｂ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｂｉ、またはＺｎのうちいずれか１つを５％超含有する半田を主に備える接合材１０４０とを備える、補強された高温超電導体であって、接合材は、補強が断面構造の全断面積の３５％未満を占めるようにアセンブリの外側およびアセンブリの端縁にある補強ストリップ同士の間を被覆し、この場合、複合体の臨界電流は、３２３Ｋ以下の温度で４００ＭＰａ超の引張り応力が印加された場合に５％超劣化しない、補強された高温超電導体を記載する。典型的なＢＳＣＣＯ２２２３／銀テープコアは、２ｍｍ〜５ｍｍ幅の範囲の断面寸法と０．１５ｍｍ〜０．３ｍｍ厚の範囲の厚みとを有する。
【００３３】
第２の実施態様（図２の補強された超電導テープ１）では、半田または接着剤（接合材１０４０）によって、上述のような補強ストリップ同士の間に、上記寸法範囲の２つ以上のＢＳＣＣＯ２２２３／銀テープ（超電導テープ部１０２０）が補強ストリップにともに積層されかつ接着され、３２３Ｋを下回る温度で４００ＭＰａを超える応力耐性を達成し、かつ含まれるＢＳＣＣＯ２２２３／銀テープの数にほぼ比例して導体の電流を増大させる。
【００３４】
本明細書中に与えられるより具体的な実施態様は、複合超電導導体である線材、テープ、またはケーブルの一部として補強材（補強部材１２４，１０３０を形成する材料）を記載し、これは、高いＣＴＥ、弾性率、および降伏歪みの以下の組合せを有する：取付温度から＜１１０Ｋまでの平均ＣＴＥ＞１１×１０-6ｍ／ｍ／Ｋ、周囲温度での２０５ＧＰａ超および＜１１０Ｋでの２２０ＧＰａのモジュラス、０．４５％超の比例限度歪み。
【００３５】
本明細書中に与えられるまたさらに具体的な実施態様は、性能指数値ＦＯＭ＞１０５０％ＧＰａ／Ｋを有する補強を記載する。ここで、ＦＯＭ＝ＣＴＥ×比例限度歪み×モジュラスである。ＣＴＥはＰＰＭ  ｍ／ｍ／Ｋであり、弾性率はＧＰａであり、比例限度は、（最大値が約９５０％ＧＰａ／Ｋのステンレスと比較して）パーセントである。注：一般的に用いられる０．２％レベルよりもより厳しい０．０１％〜０．１％のオフセット歪み判断基準を適用することによって、高品質の応力−歪みデータから比例歪み限度を実際的に推定することができる。
【００３６】
以下、本発明の一態様に係る補強された超電導テープおよびその製造方法について、その特徴的な構成を列挙して説明する。
【００３７】
１）  本明細書中に与えられる具体的な実施態様は、銀マトリックス中に埋込まれるＢＳＣＣＯ２２２３超電導体フィラメントを備える補強された超電導テープであって、断面積の３５％未満のレベルまで補強区域が追加され、引張り応力は、不可逆のＩｃ劣化が最初に５％を超える４００ＭＰａ超である、補強された超電導テープを記載する。
【００３８】
２）  本明細書中に与えられる具体的な実施態様は、実質的に金属マトリックス中に埋込まれるＹＢＣＯ１２３または同様のモノフィラメントを備える補強された超電導テープであって、断面積の６０％未満のレベルまで補強区域が追加され、引張り応力は、不可逆のＩｃ劣化が最初に５％を超える４００ＭＰａ超である、補強された超電導テープを記載する。
【００３９】
３）  本明細書中に与えられる具体的な実施態様は、ａ）ＢＳＣＣＯ２２２３／銀テープコアと、ｂ）テープの広い表面の各々の側に１つずつの２つの補強ストリップと、ｃ）補強ストリップとＢＳＣＣＯ２２２３／銀テープコアとの間のＳｎ、Ｐｂ、Ｉｎ、Ｓｂ、またはＢｉのうちいずれか１つを５％超含有する有機接着剤または半田を主に備える接合材とを備える、補強された高温超電導体であって、接合材は、補強が全複合断面積の３５％未満を占めるようにアセンブリの外側およびアセンブリの端縁にある補強ストリップ同士の間を被覆し、この場合、複合体の臨界電流は、３００Ｋ以下の温度で４００ＭＰａ超の引張り応力が印加される場合に５％超劣化しない、補強された高温超電導体を記載する。
【００４０】
４）  本明細書中に与えられる具体的な実施態様は、高いＣＴＥ、弾性率、および比例限度降伏歪みの以下の組合せを有する複合超電導電導テープの一部としての補強材を記載する。
【００４１】
−２７３Ｋを上回る取付温度から１１０Ｋを下回る極低温動作温度までの平均ＣＴＥ＞１１×１０-6ｍ／ｍ／Ｋ
−２７３Ｋ〜３７３Ｋの温度範囲で２０５ＧＰａ超、かつ＜１１０Ｋで２２０ＧＰａの平均モジュラス
−０．４５％超の比例限度歪み。
【００４２】
５）  本明細書中に与えられる具体的な実施態様は、性能指数値ＦＯＭ＞１０５０％ＧＰＡ／Ｋを有する補強材を記載する。ここで、ＦＯＭ＝すべて２７３Ｋ〜３２３Ｋの温度範囲のＣＴＥ×比例限度歪み＊×モジュラスであり、かつＣＴＥはＰＰＭ  ｍ／ｍ／Ｋであり、弾性率はＧＰａであり、比例限度はパーセントである。
【００４３】
６）  本明細書中に与えられる具体的な実施態様は、上記２）、３）、および４）の要件を満たし、かつ少なくともＣｏ＞３０重量％、Ｃｒ＞１５重量％、およびＮｉ＞１４％を含有する補強ストリップを記載する。
【００４４】
７）  本明細書中に与えられる具体的な実施態様は、２）、３）、および４）の性質を有する非磁性補強ストリップを記載する。
【００４５】
８）  本明細書中に与えられる具体的な実施態様は、市販の合金ＭＰ１５９、ＭＰ３５Ｎ、エルジロイ、および上記２）、３）、および４）の判断基準を満たす同様の市販の配合を備える補強材を記載する。
【００４６】
９）  本明細書中に与えられる具体的な実施態様は、市販の合金ＭＰ１５９、ＭＰ３５Ｎ、エルジロイ、ならびに０．４５％超の比例限度、１ＧＰａ超の降伏応力、１．６ＧＰａ超の最大抗張力、および２０５ＧＰａ超の弾性率を有する同様の市販の配合を備える補強材を記載する。
【００４７】
１０）  本明細書中に与えられる具体的な実施態様は、市販の合金ＭＰ１５９、ＭＰ３５Ｎ、エルジロイ、および同様の市販の配合で補強されるＢＳＣＣＯ２２２３／銀テープを記載し、補強された複合体は５％未満の不可逆のＩｃ劣化を呈する一方で、＜３００Ｋで４００ＭＰａ超の軸方向引張り応力を支持する。
【００４８】
１１）  本明細書中に与えられる具体的な実施態様は、＜２０％のＢｅを含有する、上記２）および３）を満たす補強ストリップを記載する。
【００４９】
１２）  本明細書中に与えられる具体的な実施態様は、取付または複合体への組入れの際の補強に対して軸方向引張り応力を印加して、比例限度の５０％超の歪みを発生させることを記載し、補強材は２）〜４）の判断基準を満たす。
【００５０】
１３）  本明細書中に与えられる具体的な実施態様は、４）、５）、６）、７）、８）、９）、および１１）の上述の補強材を記載し、たとえば、銅、錫、金、銀、白金属金属、ガリウム、インジウム、およびこれらの元素のうち任意の１つを含有する任意の合金を含む、半田濡れを向上させる表面材料を１０マイクロメートル未満の厚みまで加えた。
【００５１】
１４）  本明細書中に与えられる具体的な実施態様は、
超電導体と、
超電導体を支持する積層体と、
超電導体を積層体に接着する接着とを備える超電導テープであって、
積層体は少なくともＮｉ、Ｃｏ、およびＣｒを備える組成からなる、超電導テープを記載する。
【００５２】
１５）  １４）の超電導テープにおいて、Ｎｉは２０重量％以上〜４２重量％未満の範囲にあり、Ｃｏは２３重量％以上〜４４重量％以下の範囲にあり、Ｃｒは１４重量％以上〜２６重量％以下の範囲にある。
【００５３】
１６）  １５）の超電導テープにおいて、Ｎｉは２５重量％以上〜３７重量％以下の範囲にある。
【００５４】
１７）  １５）の超電導テープにおいて、Ｃｏは２８重量％以上〜３９重量％以下の範囲にある。
【００５５】
１８）  １５）の超電導テープにおいて、Ｃｒは１９重量％以上〜２１重量％以下の範囲にある。
【００５６】
１９）  １４）の超電導テープにおいて、組成はさらに、０．５重量％以上〜３．６重量％以下の範囲のＴｉを備える。
【００５７】
２０）  １９）の超電導テープにおいて、組成はさらに、１重量％以上〜２．９重量％以下の範囲のＴｉを備える。
【００５８】
２１）  １４）の超電導テープにおいて、積層体の組成の重量パーセントは１００重量％以下である。
【００５９】
２２）  １４）の超電導テープにおいて、超電導体は、少なくともＢｉ、Ｓｒ、Ｃａ、およびＣｕ、または少なくともＹ、Ｂａ、およびＣｕを有する組成を備える。
【００６０】
次に本開示の具体的な実施態様を説明する。しかしながら、発明は異なる形態で具現化されることがあり、本明細書中に述べられる実施態様に限定されると解釈されてはならない。むしろ、これらの実施態様は、この開示が徹底的かつ完全であるように与えられ、当業者に発明の範囲を完全に伝えるものである。
【００６１】
他に規定されなければ、本明細書中で用いるすべての技術的かつ科学的用語は、この発明が属する技術分野の当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書中で用いる術語は特定の実施態様のみを記載するためのものであり、発明を限定することを意図しない。明細書および添付の請求項で用いるように、単数形「ａ」、「an」、および「the」は、文脈が明確にそうでないと示していなければ、複数形も含むことが意図される。
【００６２】
他に示されなければ、明細書および請求項で用いるような成分の量、分子量などの性質、反応条件などを表現するすべての数は、すべての事例において、示される値の９０％以上から１１０％未満の範囲を意味することを意図する「約」という用語によって修正されると理解されるべきである。加えて、明細書および請求項中の任意の範囲の開示は、範囲自体およびその中に包摂される任意のものならびに終点を含むと理解されるべきである。他に示されなければ、明細書および請求項で述べる数値の性質は、本発明の実施態様で得ようとする所望の性質に依存して異なり得る近似である。発明の広い範囲を述べる数値範囲およびパラメータは近似であるにも係わらず、具体例で述べる数値はできる限り精密に報告される。しかしながら、任意の数値は、本来的にそれらのそれぞれの測定で見出される誤差から必ず生じるある誤差を含有するものである。
【００６３】
数学的判断、算出、式もしくはその一部の計算、または判断のためのデータ入力などの本明細書中に記載の方法の一部は、１つ以上のプロセッサとプログラムを走らせまたは実行しかつ算出または計算を走らせるソフトウェアとを含むことができる１つ以上のコンピュータもしくはコンピュータシステムの一部またはそれらにおいて行なわれることができる。
【００６４】
本明細書中で用いるように、「テープ」という用語は、厚みＴよりも少なくとも３倍大きな幅Ｗを有する高温超電導複合体を一般的に指す（図１、図２、図４、図６、図９、図１５、および図１６を参照）。この文書のあるセクションでは、線材が電流を伝送すると一般的に理解されることに鑑みて、この種類の超電導テープを線材と称することもある。それにも係わらず、この発明は、幅が厚みの約３倍大きい矩形断面を有するテープ形状を有する超電導体という本定義によって説明される高温超電導体に属する。
【００６５】
本明細書中で用いられるように、「ストリップ」という用語は、一般的に幅が厚みよりも少なくとも５倍大きい超電導テープへの取付を好適にし、かつ超電導テープに接着するように生産される形態の補強材（補強部材１２４，１０３０）を一般的に指す。
【００６６】
本明細書中で用いられるように、「コア」という用語は、補強ストリップ同士の間に置かれかつ補強ストリップに取付けられる高温超電導酸化物複合テープ（超電導テープ部１２０，１０２０）を一般的に指す。
【００６７】
補強高温超電導（ＨＴＳ）テープは困難な課題を提示する。ＨＴＳ材料はセラミックの脆い性質を有する酸化物である。したがって、それらは典型的に金属セラミック複合体として製造される。現在最も進歩しておりかつ商用化された「ＢＳＣＣＯ２２２３」超電導体の場合、ＢＳＣＣＯ超電導酸化物（（Ｂｉ，Ｐｂ）2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3ＯX化合物）は、０．２ｍｍ−０．２５ｍｍの厚みおよび４ｍｍ−４．５ｍｍの幅の範囲の公称断面のマルチフィラメントテープの形態に製造され、マトリックスは、典型的には４０−２００本のフィラメント１２０の間に銀または銀合金を備える。これらのフィラメントは、一旦金属マトリックス−酸化物フィラメントテープが変形加工されると、インサイチューで反応しかつ焼結される。非常に大きな電流を伝送することができるが、これらのＢＳＣＣＯ−銀テープは、高磁場磁石、回転電機、および電力ケーブルの分野の多くの用途に十分な応力、歪み、曲がり、および局所化された表面圧力耐性を呈しない。したがって、ＢＳＣＣＯ／銀複合コアの各々の側に１つずつの補強ストリップおよび鉛錫または高錫半田を典型的に用いる他の種類のＨＴＳテープを好適に濡らす半田積層と、半田ディップ技術（特許文献１−５および非特許文献１および２を参照）とのために、積層方法（図８および図９を参照）を開発した。この方策が機能するためには、補強ストリップを半田で十分に濡らす必要があり、長さが長く、薄く、幾何学的に精密で、非磁性で、環境的に安定したストリップ形態の補強ストリップを入手可能でなければならない。現行技術のステンレス鋼のようないくつかの補強ストリップの濡れは、コアＨＴＳテープに補強ストリップを取付けるのに用いられる半田を容易に濡らす銅または錫などの金属を積層ストリップ上に電気めっきすることによって達成される。向上した濡れを与えるのに、たとえば、化学エッチング、溶融めっき、蒸着、およびスパッタリングのような他の方法も用いてもよい。
【００６８】
しかしながら、補強ストリップを追加することは導体の断面積を増大させ、これにより導体の最大動作電流密度が減少し、これは次には磁石用途でのＨＴＳ導体の有用性を急速に減じてしまう。磁石の場合、導体のＪｅの増大が僅かであってもその有用性が増す。なぜなら、これはより小さくより軽量の磁石の構成を可能にするからである。その結果、ＨＴＳ導体の有用性を増すには、追加される最小量の補強で応力耐性の必要レベルを達成することが極めて重大である。この発明の実施態様の補強材は、１）現行技術と同じ利点を達成するのに必要な補強の量を大きく低減し、かつ２）実際的な導体寸法においてはるかにより高い応力耐性を達成するための手段を与える。
【００６９】
銅、真鍮、またはステンレス鋼で補強される市販のＢＳＣＣＯ２２２３ＨＴＳテープを利用可能である。これらのうち、軸方向応力耐性および屈曲性の最大の向上は、ハードテンパー状態のステンレス鋼ストリップで実証される（非特許文献２を参照）。高温超電導テープの補強の背景の科学のいくつかの重要な局面を記載し、かつ補強性と機械的性質との間の何らかの関係を論じる論文も公開されている（非特許文献１を参照）。しかし、実際的な材料中のステンレス鋼で補強されたテープよりも優れた機械的性質を達成するのに必要な具体的な属性、材料、および取付条件が記載されておらず、これは先行技術からも明らかでない。特に、組合せた４つの要因の極めて高い重要性が記載されておらず、これらの要因の臨界レベルを超える実際的な材料が同定されていない。
【００７０】
臨界補強材の属性は、弾性率と、それを超えると不可逆な塑性歪みが起こる引張り変形の比例限度と、熱膨張係数（ＣＴＥ）とであり、そのすべては組合せて達成が困難なしきい値レベルを超えなければならない。
【００７１】
臨界作製条件は、高レベルの引張り負荷と、超電導テープに貼付けられる際に補強ストリップに印加しなければならない結果的に得られる最も高い可能な引張り弾性歪みと、取付が完了する最も高い実際的な温度とである。歪みを印加されたストリップは、取付およびペイオフ側の逆張力からの解放の際に軸方向に収縮し、超電導コアを、軸方向に圧縮歪みを加える状態に置く。軸方向に圧縮する歪みが大きくなればなるほど、引張り応力耐性限度に達する前に補強された超電導体が支持することができる軸方向引張り歪みがより大きくなる。取付温度から極低温動作温度まで冷却する際、十分に高いＣＴＥはこの効果を向上させる。より高い取付温度は、それを超えるとＣＴＥが収縮して超電導体をより大きな軸方向圧縮の状態に置くことができるより大きな温度範囲を可能にすることによる効果も向上させる。
【００７２】
しかしながら、積層ストリップ中のＣＴＥ、張力、またはモジュラスが大き過ぎると、ストリップの取付のすぐ後および冷却の前に、超電導体の中に置かれる軸方向の圧縮歪みが大きくなり過ぎて、結果的に電流密度の劣化が生じる可能性がある。この理由のため、非常に高いモジュラスの材料、タングステンのような低ＣＴＥ材料（４００ＧＰａ、５ｐｐｍ  ｍ／ｍ／Ｋ）は、本明細書中に記載の改良を与えない。反対に、Ｚｎのような非常に高いＣＴＥの、低モジュラスの材料は本明細書中に記載の改良を与えないであろう。
【００７３】
引張り応力耐性を向上させるにあたっての弾性率の直接の役割は二つである。第１に、取付および解放の際、補強されたテープの内部平衡への収縮歪みが増し、第２に、補強されたテープのモジュラスは、非特許文献１に記載のように、より大きなストリップのモジュラスによって増大され、これによりテープをその引張り歪み限度まで歪みを印加するのにより大きな引張り負荷および応力が必要になる。
【００７４】
臨界的な構成上の特徴、および補強された超電導体の有用性を大きく向上させるのは、必要なレベルの応力耐性向上を達成するのに必要な導体断面積に対する補強断面積の割合である。ストリップの弾性率が高くなればなるほど、補強されたテープが同じ引張り応力を支持するのに必要なモジュラスがより小さくなる。実施態様は、現行技術のステンレス鋼で達成することができかつこれによって達成されてきたよりも、３５％を下回る補強面積部分においてはるかにより大きな引張り応力耐性を与える。
【００７５】
発明の具体的な実施態様は、補強されたＢＳＳＣＯ２２２３複合テープ、または特定の最小レベルを超える属性を有しかつＢＳＣＣＯ２２２３／銀テープもしくはＹＢＣＯ−金属基板テープに取付けられる補強ストリップによって優れた応力耐性を有するＹＢＳＣＯ系（ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏy超電導導体）からなる。
【００７６】
本明細書中に記載の実施態様は、現行技術よりも大幅に優れた応力耐性を達成するための構成、材料属性、およびプロセス条件の収束と、現行技術のステンレス鋼補強によって達成される最良の軸方向応力耐性である、少なくとも１０％〜６０％までを超える実証される応力耐性を有する補強された超電導体を製作するのに十分これらの要件を満たす、極僅かな実際的な補強材の適用とを同定する。
【００７７】
具体的な実施態様では、本明細書中に与えられる任意の実施態様に記載されるような補強された超電導テープを製作するための方法が記載され、与えられる実施態様の応力耐性は、硬いステンレス鋼で補強される超電導テープに対して、少なくとも約１０％〜約６０％を超え、算出が行なわれ、レベルが約１０〜約６０パーセントのこれらの百分率の間にあれば材料は受入れ可能と考えられ、この百分率範囲に達していなければ材料は受入れ可能でない。比較は、ステンレス鋼で補強されるサンプリングされた超電導材料もしくは当該技術分野で公知の別の標準に対してであることができ、または比較は、ユーザによって駆動される／もしくは自動的に行なわれるコンピュータによってアクセスされる公知の基準に対して（またはデータベースから）なされることができる。
【００７８】
長手方向ストリップ軸の方向に本明細書中に記載の具体的な実施態様で検討される具体的な重要な要因は、１）弾性率、２）熱膨張係数（ＣＴＥ）、３）取付の際にストリップの最大張力を設定する（ここでは比例限度と規定される）降伏開始歪み、および４）ストリップが超電導酸化物−金属系複合テープに半田取付される際に印加される積層張力を含む。第５の補強厚みまたはより一般的には増大された補強断面積部分も、応力耐性を向上させる。しかしながら、（典型的な補強ストリップ方策の場合に増加した厚みによって達成される）増大した面積部分は、臨界電流密度と強化との間のトレードオフに不利な影響を及ぼし、発明は、必要な量の補強を低減し、これにより導体の動作電流密度を増大させるための方法を教示する。具体的な実施態様では、分析を通して、追加される補強材について、上記応力耐性に対する属性１−５の効果が算出され、組合せたしきい値レベルの組が規定され、これは、満たされれば、受入れ可能と考えられる製品を生じ、満たされなければ、製品はその応力耐性および電流密度に関して受入れ不可能と考えられる。
【００７９】
＜超電導酸化物および複合体の引張り性＞
超電導酸化物は、認め得るほどの塑性変形をほとんどまたは全く支持しないセラミックである。引張られると、それらは、臨界歪みレベルで壊れるまで弾性に延びる。たとえばＢＳＣＣＯ２２２３相を備える微細な自立フィラメントの機械的性質は周知ではない。なぜなら、それらはその形態で容易に製造されないからである。しかしながら、一般的なマルチフィラメント複合ＢＳＣＣＣＯ２２２３／銀テープ形態に軸方向張力が印加されると、テープ中の低モジュラスの銀合金マトリックスは、高電流密度２２２３を形成するのに必要な高い反応および焼結温度（約８００〜約８５０℃）によって施される高度のアニールによって非常に低い歪みレベル（約０．１％）で塑性変形モードに遷移する。臨界電流は、典型的に約０．２−０．３％の引張り歪みおよび１３０ＭＰａを下回る応力レベルで劣化し始め、多くの機械的により要求の高い用途でのこれらのテープの使用が限られてしまう。ＢＳＣＣＯ２２２３フィラメント破壊の始まりによって臨界電流が減少し始める臨界歪みおよび応力を増大することに大きな利点がある。
【００８０】
これらの性質の改良のための補強の適用は、過去約２５年にわたるかなりの量の開発作業および投資の課題であった。共通の方法は、ともにプレスされる２つの半田濡れストリップおよびＢＳＣＣＯ／銀テープを半田槽に通し、その後固化する（図３および図１７を参照）ことによって、薄い金属のストリップをＨＴＳテープの各々の側に適用する。図３は、この発明の実施態様の材料（ＭＰ３５Ｎ（登録商標）およびＭＰ１５９（登録商標））および方法を用いた最良の場合の応力耐性を示し、現行技術のステンレス鋼と達成可能な最良とを比較すると、ストリップの厚みおよびストリップ性質の組合せに依存して応力耐性が約２５％〜６０％向上することを示す。商業生産では、実現される応力耐性は典型的に、プロセス条件および材料の性質の変動により、これらの値よりも１０〜２０％低いことがある。現行技術は、実際的な応力耐性向上を達成するための最良の方策としてステンレス鋼補強を製作した一方で、断面に追加する補強材が最小量である（特許文献１〜５を参照）。
【００８１】
以下の概念から実践に移したものでは、補強ＢＳＣＣＯ２２２３テープのための現行技術であるステンレス鋼を比較のための基線として用いる。
【００８２】
＜現行技術のステンレスを超えるための実際的な補強材＞
高いＣＴＥを有する工学的材料は典型的に低いモジュラスを呈し、高いモジュラスの材料は非常に低いＣＴＥ５０８を呈する。ＨＴＳ補強材の他の要件と互換性のある極僅かな利用可能な工学的材料は、受入れ可能な程度に高いモジュラスおよびＣＴＥの両方を与える。このＣＴＥは典型的に、半田積層体の固化温度から極低温動作温度までの約１１ｐｐｍ（ｍ／ｍ／Ｋ）平均を超えなくてはならず、この場合、モジュラスは約２０５ＧＰａを上回り、比例歪み限度は約０．４％以上である。これらの判断基準を満たすことができる材料についての初期の調査の際は、かなりの期間好適な実際的な材料を見出さなかった。
【００８３】
性能指数（ＦＯＭ）方策は究極的に、モジュラスとともにＣＴＥおよび比例限度歪みを乗算することによって実際的な材料の好適なクラスを同定するのを助けるのに用いられた。ステンレス鋼は典型的に、最高で７５０−９５０％ＧＰａ／Ｋの範囲のＦＯＭ値に達する一方で、補強の必要とされる小面積部分の追加によって４００ＭＰａの応力耐性レベルを達成するためのＦＯＭは約９５０％／ＧＰａ／Ｋを超えなければならない。
【００８４】
非常に特定的な処理によってそれぞれ３０重量％、１５重量％、および１４重量％を超えるコバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）およびニッケル（Ｎｉ）を含有する合金のクラスが上述の要件を満たすことができることがわかった。これらのうちの最良のものは、SPS Technologies, Inc.からの合金配合である、ＭＰ１５９およびＭＰ３５Ｎ（登録商標）と指定される合金である。
【００８５】
推定では、これらの合金の最適に適用された形態により、図３に示すような０．０１〜０．０５ｍｍのストリップ厚み範囲にわたってステンレス鋼が達成できる最良よりも、軸方向応力耐性が約２０％〜６０％向上する。
【００８６】
これらの２つの合金のうち、ＭＰ３５Ｎ（登録商標）はより分厚いシートの形態で既に利用可能である一方で、ＭＰ１５９はシート形態を製作するにはいくぶんより一層の開発を必要とする。その結果、補強されるＢＳＣＣＯ２２２３／銀テープの試験生産のために、ＭＰ３５Ｎ（登録商標）を選択した。上述の他の合金が良好であると理解される。
【００８７】
本明細書中に記載のかつ本明細書中に記載の発明の任意の他の局面とともに用いられる具体的な実施態様は、少なくともＣｏ＞３０重量％、Ｃｒ＞１５重量％、およびＮｉ＞１４％を含有する補強ストリップを設けることと、非磁性補強ストリップを設けることと、市販の合金ＭＰ１５９（登録商標）、ＭＰ３５Ｎ（登録商標）、エルジロイ（登録商標）、および比例限度が０．４％超であり、降伏応力が１ＧＰａ超であり、ＵＴＳが１．６ＧＰａ超であり、かつ弾性率が２０５ＧＰａ超である同様の商用の配合を備える補強材を設けることと、市販の合金ＭＰ１５９、ＭＰ３５Ｎ（登録商標）、エルジロイ、および補強された複合体が呈するＩｃ劣化が５％未満である一方で、４００ＭＰａ超の軸方向引張り応力を支持する同様の市販の配合で補強されるＢＳＣＣＯ２２２３／銀テープを設けることと、補強材が本明細書中に記載の１つ以上の判断基準を満たしている、補強の比例限度応力および歪みの５０％を超えるレベルまで、取付または複合体への組入れの際に補強に対する軸方向引張り応力および歪みの印加を与えることと、たとえば銅、錫、およびこれらの元素を含有する合金を含む、半田濡れを向上させる追加表面材料を、１０マイクロメートル以下の厚みまで本明細書中に記載の１つ以上の材料に与えることとを含む。
【００８８】
金属ベリリウム系のある合金も上述のしきい値レベルを満たす。しかしながら、Ｂｅは高価であり、一般的に長く薄いストリップ形態では入手不可能であり、かつこれは毒性である。
【００８９】
ここで、図１を参照して、本発明の一実施態様に係る補強された超電導テープの構成を説明する。図１を参照して、補強された超電導テープ１は、超電導テープ部１０２０と、補強部材１０３０と、接合材１０４０とを主に備える。補強部材１０３０は接合材１０４０により超電導テープ部１０２０に固定されている。超電導テープ部１０２０は、テープ状の超電導線材であり、たとえばビスマス系の超電導導体を含む。超電導テープ部１０２０の主表面（相対的に大きな面積を有する表面部分）上に重なるように、補強部材１０３０が配置されている。補強部材１０３０および超電導テープ部１０２０はともにテープ状の形状を有する。接合材１０４０は、超電導テープ部１０２０の主表面上および当該主表面に連なる端面上にまで延在するように形成されている。補強部材１０３０は、ニッケル、コバルトおよびクロムを含む材料からなり、たとえばニッケルの含有率が２０重量％以上４２重量％以下、コバルトの含有率は２３重量％以上４４重量％以下、クロムの含有率は１４重量％以上２６重量％以下である。このような補強部材１０３０を用いることにより、従来より引張り強度が向上した、補強された超電導テープ１を得ることができる。
【００９０】
補強部材１０３０として、本体部（上述したニッケル、コバルトおよびクロムを含む材料からなる本体部）と、当該本体部の表面に形成された表面処理層とを含む複合部材を用いてもよい。表面処理層として、たとえば接合材１０４０との接合強度を向上させるため、接合材１０４０の濡れ性が上記本体部より優れた材料からなる層を形成してもよい。たとえば、接合材１０４０として半田を用いる場合、表面処理層としてめっき層（一例として銅（Ｃｕ）めっき層、あるいはニッケル（Ｎｉ）下地層と当該Ｎｉ下地層上に形成された錫（Ｓｎ）めっき層とを含む積層膜など）を形成してもよい。また、当該表面処理層は、本体部の表面全体を覆うように形成されていてもよいが、補強部材１０３０において接合材１０４０と接触する表面部分に少なくとも形成されていればよい。たとえば、図１において補強部材１０３０における接合材１０４０と対向する表面部分に表面処理層が形成されていればよい。なお、上記表面処理層としては、接合材１０４０との接合強度を向上させることができれば、上述しためっき層に限られず、他の処理により形成された層（たとえばプラズマエッチングなどにより酸化膜などが除去された本体部の表面層）であってもよい。
【００９１】
図２を参照して、本発明の一実施態様に係る補強された超電導テープの他の例の構成を説明する。図２を参照して、補強された超電導テープ１は、基本的には図１に示した補強された超電導テープ１と同様の構成を備えるが、超電導テープ部１０２０が２本積層されて配置されている点が図１に示した補強された超電導テープ１と異なる。この場合も、図１に示した超電導テープと同様の効果を得ることができるとともに、超電導テープ部１０２０が２本となっているため、１本の補強された超電導テープ１において流すことができる電流量を増やすことができる。
【００９２】
上述した補強された超電導テープ１における補強部材１０３０の材料（補強部材１０３０が上述のような複合部材である場合には本体部の材料）としては、たとえばＭＰ３５Ｎ（登録商標）およびＭＰ１５９（登録商標）を用いることができる。これらの材料は、図３に示すように、従来補強部材１０３０の材料として用いられていたステンレス鋼より引張り軸方向応力耐性が向上している。なお、図３の横軸は補強部材の厚み（単位：μｍ）を示し、縦軸は引張り軸方向応力耐性(単位：ＭＰａ）を示している。
【００９３】
図４を参照して、本発明の一実施態様に係る補強された超電導テープの他の例の構成を説明する。図４を参照して、補強された超電導テープ１は、基本的には図１に示した補強された超電導テープ１と同様の構成を備えるが、超電導テープ部１０２０がイットリウム系の超電導導体を含む。図４の超電導テープ部１０２０は、図５に示すように配向基板２０２１と、超電導体層２０２２と、安定化層２０２３とを主に備えている。なお、安定化層２０２３上に保護層を形成してもよい。
【００９４】
配向基板２０２１としては、金属基板材上に中間層が設けられた配向基板を用いることが好ましい。金属基板材には、ｃ軸に２軸配向した配向金属基板を用いることができる。例えば、金属基板材として、ＩＢＡＤ基材、Ｎｉ−Ｗ合金基材、ＳＵＳ等をベース金属としたクラッドタイプの金属基板材等を用いることができる。また中間層としては、一般的には、ＣｅＯ2、ＹＳＺなどの安定化ジルコニア、Ｙ2Ｏ3等を用いることができ、格子整合性や臨界電流密度（Ｊｃ）を高くできるなどの観点から、ＣｅＯ2が最上層（超電導体層２０２３側の表面層）に使用される。
【００９５】
超電導体層２０２２としては、たとえばＲＥ１２３系酸化物超電導体を用いることができる。ＲＥとしては、イットリウム（Ｙ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ホルミウム（Ｈｏ）、サマリウム（Ｓｍ）などを用いることが好ましい。酸化物超電導体からなる超電導体層２０２２の形成方法としては、例えば塗布熱分解法（ＭＯＤ法）やＰＬＤ法などの気相成長法が用いられる。
【００９６】
安定化層２０２３としては、たとえば銀（Ａｇ）または銀合金を用いることができる。安定化層２０２３の厚みはたとえば１０ｎｍ以上５ｍｍ以下とすることができる。
【００９７】
また、上述した安定化層２０２３上に形成される保護層としては、たとえば銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、あるいはこれらの合金を含む金属層を用いることができる。保護層としては接合材１０４０としての半田に対して十分な濡れ性を有することが好ましい。また、上述した金属は半田と接した場合でも半田と反応してボイドを発生させるといった問題が発生しないため、超電導テープ部１０２０の厚み方向に力を加えた場合でも補強部材１０３０の剥がれなどの問題の発生を抑制できる。
【００９８】
図４に示した補強された超電導テープ１では、超電導テープ１の全体の断面積に対する補強部材１０４０の断面積の割合は８０％以下であってもよい。この場合、補強された超電導テープ１における単位断面積あたりの通電電流量が過剰に小さくなるといった問題の発生を抑制できる。
【００９９】
図６を参照して、本発明の一実施態様に係る補強された超電導テープの他の例の変形例の構成を説明する。図６を参照して、補強された超電導テープ１は、基本的には図４および図５に示した補強された超電導テープ１と同様の構成を備えるが、超電導テープ部１０２０の補強部材１０３０に面する表面および裏面上に保護層２０２４が形成されている点が異なる。保護層２０２４としては、上述したＣｕやＮｉ、あるいはこれらの合金を含む金属層を用いることができる。１組の補強部材１０３０は、超電導テープ部１０２０を挟むように配置されている。補強部材１０３０は、半田からなる接合材１０４０により保護層２０２４を介して超電導テープ部１０２０に貼り付けられている。
【０１００】
接合材１０４０は、図６に示すように補強部材１０３０と超電導テープ部１０２０との間に設けられているが、補強部材１０３０の表面全体を覆うように（つまり補強部材１０３０の表面上から保護層２０２４の側面および超電導テープ部１０２０の側面を覆うように）形成されていてもよい。この場合、補強部材１０３０の剥離を防止できる。
【０１０１】
図１、図２、図４〜６に示した補強された超電導テープ１において、超電導テープ部１０２０には、超電導テープ部１０２０の延在方向に沿って圧縮応力が印加されていることが好ましい。この場合、補強された超電導テープ１に印加される引張り応力に対して、上記圧縮応力が抵抗成分として作用する。そのため、超電導テープ部１０２０に上記圧縮応力が印加されていない場合より、補強された超電導テープ１における臨界引張り応力を高めることができる。このような圧縮応力の印加は、補強部材１０３０を超電導テープ部１０２０に接続するときに、補強部材１０３０に対して引張り応力を加えておくことで実現できる。
【０１０２】
また、図２、図４〜図６に示した補強された超電導テープ１において、補強部材１０３０として上述のような本体部と表面処理層とを含む複合部材を用いてもよい。
【実施例】
【０１０３】
本発明は、限定ではなく図示のために与えられる以下の実施例を参照してより十分に理解されるであろう。以下の実施例を与える。
【０１０４】
実施例１
＜処理ステップおよび実験結果＞
この実施例は、さまざまな実施態様に従って得られる処理ステップ／および実験結果に関するさらなる詳細を与える。与えられる説明において、ＤＩ−ＢＳＣＣＯは、住友電工株式会社が製造するＢＳＣＣＯ２２２３を含有するすべての超電導テープを一般的に指す一方で、タイプＨ、タイプＨＴ−ＳＳ、およびタイプＨＴ−ＣＡは、ＢＳＣＣＯ２２２３／銀、ステンレス鋼の２つの積層されたストリップを有するＢＳＣＣＯ２２２３／銀、およびそれぞれ２つの積層された銅合金ストリップを有するＢＳＣＣＯ２２２３／銀を備えるＤＩ−ＢＳＣＣＯテープである。用語ＨＴは、積層補強された実施態様を指す。
【０１０５】
図７および図８は、実施態様に従う補強されるＨＴＳテープを生産するためのある処理ステップを示す。処理は、準備（Ｓ１０）、生産（Ｓ２０）、および評価（Ｓ３０）の３つの段階に係る。準備（Ｓ１０）段階では、タイプＨテープおよび補強（金属性）テープストリップが別個に準備される。生産（Ｓ２０）段階では、３層構造１０８が生成され、タイプＨ  ＨＴＳテープ１１４が張力下でかつ高温下で補強テープの２枚の薄い膜（テープ）の間に挟まれる。評価（Ｓ３０）段では、結果的に得られる構造を試験してその電気的および機械的性質を判断する。
【０１０６】
図８に示されるように、３層積層構造１０８は、補強テープ１１０の上側の薄い層と、補強テープ１１２の下側の薄い層と、サンドイッチ構造を形成するタイプＨ  ＨＴＳテープ１１４の薄い層とを備える。テープ材料（タイプＨ  ＨＴＳテープ１１４の薄い層）は、ＢＣＳＣＯまたは他のＨＴＳ材料のような超電導材料を含むことができる。実施態様では、ＢＳＣＣＯ２２２３は、（どこかに記載されるような）Ａｇ合金で囲まれる。構造１０８は、張力および高温下で半田槽を通して３つの構成要素（補強テープ１１０の上側の薄い層、補強テープ１１２の下側の薄い層、およびタイプＨ  ＨＴＳテープ１１４の薄い層）を引くことによって生成される。構造１０８が冷却すると、これは収縮して、圧縮残留応力下にある複合材料が残る。この残留応力は、引張り負荷に耐えることができるようにする構造の所望の特徴である。
【０１０７】
結果的に得られる構造１０８の断面の写真画像も図９に示す。ＢＳＣＣＯ２２２３または他のＨＴＳ材料１２１はＡｇ合金１２２の層で囲まれ、補強テープ（補強部材１０３０）によって補強されかつ含有される。補強のために選ばれる材料は、補強されるテープの引張り強度を決めるのに重要な役割を果たす。従来の材料（たとえばステンレス鋼）を用いると、２７０ＭＰａ程度の引張り強度が達成された。しかしながら、実施態様に従って補強材としてＮｉＣｏＣｒ合金（たとえば以下に記載のＭＰ３５Ｎ）を用いると、結果的に得られる構造１０８の引張り強度の劇的な増大に繋がる。実施態様に従うと、５３７ＭＰａ程度の引張り強度が達成された。
【０１０８】
図１０は、向上した引張り応力耐性を有するＨＴＳテープの有用性および増大した引張り強度を与える補強材を求めるための動機付けを示す。線材を通って流れる電流によって磁場が生成される。磁石の適用例では、多数の線材がスプールまたは同様の対象物の周りに巻かれる構造２０２が形成される。結果的に生じる磁場の強度は、線材が巻かれる回数に依存する。線材を流れる電流は磁場と相互作用し、ローレンツ力によって応力２０４、２０６、２０８、２１０が誘導される。電流が増大すると応力が増大する。現在、実施態様に従うと、１ｋｍの長さのＤＩ−ＢＳＣＣＯ線材中の２００Ａ程度の超電導臨界電流が達成された。高磁場磁石の適用例では、超電導線材およびテープが高い磁場の存在下で臨界電流を維持することが望ましい。そのような適用例では、４００ＭＰａ超のフープ応力を発生させることができる。この理由のため、従来のＤＩ−ＢＳＣＣＯテープが高い電磁的に誘導される応力に耐えることができないために、ＤＩ−ＢＳＣＣＯテープは、これまで磁気コイル市場で広く用いられてこなかった。開示される実施態様に従って、より高い臨界電流およびより大きな引張り強度の達成に向けての前進が達成された。
【０１０９】
表１は従来の方策に従ういくつかの超電導テープの性能特性を比較する。
【０１１０】
【表１】
2016522530.tif 000003
【０１１１】
臨界引張り応力は、テープを流れる電流が、印加される応力に応答するし方の観点で規定される。増大する引張り応力がテープに印加されると、印加される応力のある値で、テープを流れる電流が減少し始める。臨界応力は、電流がその最大（臨界）値の９５％に減少する応力の値であると定義される。表１には、タイプＨ、タイプＨＴ−ＳＳ、およびタイプＨＴ−ＣＡの３つのテープ種類を要約する。これらのうち第１のものであるタイプＨは、補強されていない超電導テープを表わす。第２のタイプＨＴ−ＳＳはステンレス鋼からなる補強テープを有し、第３のタイプＨＴ−ＣＡは銅合金で補強される。すべて３つが臨界電流の同様の値を呈する。しかしながら、最も高い臨界応力２７０ＭＰａを有するのは、ステンレス鋼補強テープで補強されるタイプＨＴ−ＳＳ線材である。しかしながら、この値は、５００ＭＰａを上回るまたは４００ＭＰａすらの引張り応力を達成するという目標には足りていない。また、別の不利は工学的電流密度の値に関する。補強テープを含むと、全電流を増大させずに全体的な線材の断面が増大する。正味の結果は、補強されていないタイプＨに対する工学的電流密度の低減である。このように、引張り応力および工学的電流密度の両方でさらなる改良の必要性がある。
【０１１２】
図１１および図１２は、補強材の厚みと、モジュラスと、降伏応力との間の相互作用を示す。というのも、これらは、増大した引張り強度を有する複合構造の生成に関するからである。図１１および図１２は、２つの補強ストリップ中に高レベルのプレテンションを導入するための処理詳細と、補強されたテープの内部歪みおよび応力状態の熱的不整合の効果とを示す。補強テープ４０２、４０４は、これが超電導膜（超電導テープ部４０６）に貼り付けられる前に張力４０５下に置かれる。貼り付けプロセスは、高温下で半田槽を通して複合構造を引くことによって行なわれる。構造は、固化する際に半田に接する結果、貼り付けられる。一旦貼り付けられると、印加される張力が解放される。したがって、補強膜のプレテンションが解放されると、結果的に得られる構造４０８は圧縮残留応力４０９を獲得する。
【０１１３】
厚み、モジュラス、および降伏応力によって、貼り付けの前にどの程度のプレテンションを補強テープに加えることができるかが決まる。補強テープ４０２、４０４は、モジュラスおよび降伏応力の最大の可能な値を有するように選ばれる。さらに、熱膨張係数のより大きな値が望ましい。これは、構造４０８が冷却すると、残留圧縮熱応力４１２が大きくなるからである。結果的に得られる膜中の最大の可能な圧縮応力を有することが望ましい。なぜなら、超電導（たとえばＢＳＣＣＯ）材料は一般的に脆く、引張り応力を支持しないからである。補強材の厚みに関する性能のトレードオフが存在する。より大きな厚みがより大きな残留応力を誘導するが、構造の断面積が増大して工学的電流密度が低減するという欠点を有する。このように、モジュラス、降伏応力、および熱膨張係数の最大の値を組合せて有する材料により、最良の補強材が与えられる。なぜなら、それらは、これらのパラメータのより低い値を有する材料よりも薄い補強層に所与の残留応力を誘導することができるからである。
【０１１４】
図１３は、ＣＴＥと弾性率との間の反対の関係と、各々の比較的高い値がステンレス鋼に勝る適度な改良を提供する領域とを示す。ステンレスよりも高い降伏応力および歪みと結合されると、必要とされる大きくかつ有用な改良が与えられる。この場合、この改良は、ＭＰ３５ＮおよびＭＰ１５９として公知の市販のＣｏ−Ｎｉ−Ｃｒ合金である非常に少数の入手可能な材料で実現された。図１３は、開示される実施態様のより高い引張り強度材料を開発する際に検討されたさまざまな材料の比較を示す。図１３で、横軸はＣＴＥ（単位：ｐｐｍ  ｍ／ｍ／ｋ）を示し、縦軸はモジュラス（単位：ＧＰａ）を示す。性能指数は、モジュラス、熱膨張係数、および降伏応力の積として定義された。２つの有望な材料が合金ＭＰ３５ＮおよびＭＰ１５９（組成を以下に与える）である。表２に見られるように、これらの材料の両方とも、それらのモジュラス５０４および降伏応力５０６という観点で、ステンレス鋼３０４および銅合金よりも性能が優れているが、熱膨張係数５０７はより低い。
【０１１５】
【表２】
2016522530.tif 000004
【０１１６】
以前記載した性能指数方策は有用である。なぜなら、これは、結果的に得られる複合体に最も大きな残留応力を与えることができる薄い補強材の所望の結果を得るために１つの材料において最大化すべき３つの要因の積であるからである。図１３は、高いモジュラスと高い熱膨張係数との間にトレードオフが存在する傾向がありかつ最適な材料がモジュラスまたは熱膨張係数のいずれかの最大を有するものではないという概念を示す。
【０１１７】
表３は、選択された材料ＭＰ３５ＮおよびＭＰ１５９のための合金組成を提示する。表４は、従来用いられるステンレス鋼の組成を提示する。
【０１１８】
【表３】
2016522530.tif 000005
【０１１９】
【表４】
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【０１２０】
ステンレス鋼とは異なり、合金ＭＰ３５ＮおよびＭＰ１５９は認め得るほどのコバルトの部分を含有するが、支配的な元素はＮｉ／Ｃｏ／Ｃｒである。別の候補補強材料の組成は図Ａ−７に提示される。この合金は、取引名が「エルジロイ」で通っているＮｉ／Ｃｏ／Ｃｒ「超合金」である。エルジロイ（Ｃｏ−Ｃｒ−Ｎｉ合金）は、３９−４１％のコバルト、９−２１％のクロム、１４−１６％のニッケル、１１．３−２０．５％の鉄、６−８％のモリブデン、および１．５−２．５％のマンガンからなる「超合金」である。これは、腐食耐性があり、かつ高い強度、延性、および良好な疲労寿命を呈するばねを作るのに用いられる。エルジロイの仕様：ＡＭＳ５８７６、ＡＭＳ５８３３、ＵＮＳ３０００３。
【０１２１】
図１４−図１６は、作製されかつ試験された多数の候補ＴＨＳテープを示す。各々は図７および図８について記載される処理ステップに従って生産された。系は、図１４中の剥き出しのタイプＨ  ＨＴＳテープ８０２、図１５中のタイプＨＴ−ＳＳステンレス鋼補強されたテープ８０４、図１６のタイプＨＴ−ＣＡ銅合金補強されたテープ８０６、および優れた合金ＭＰ３５Ｎで補強される、タイプＸＸと呼ばれる図９の新しい補強されたＨＴＳテープ１を含む。これらは図１７に示される住友電工の設備で製造された。図１７は、積層補強されたＨＴＳテープを生産するのに用いられる積層機を示す。示されるように、３連積層機は、引出セクション９０２、半田付けセクション９０４、および巻取りセクション９０６の３つのセクションを含む。引出セクション９０２は、テープ４０６および補強テープ４０２、４０４に張力を印加する（図１１を参照）。開示される実験では、積層ストリップテープ当たり最大張力２００Ｎが印加された。張力は、ダンサーローラおよび重りによって制御された。３層構造は、半田付けセクション９０４において半田槽中で張力および高温下で融解され、結果的に得られる複合構造が巻取りセクション９０６中で冷却されかつ受けられる。半田付けセクションは、無鉛半田を用いた流動半田技術を用いる。
【０１２２】
図１８は、補強テープのプレテンションおよび厚みに関する、タイプＨＴ−ＳＳ系の電気的および機械的試験の結果を示す。図１８のグラフにおいて、横軸はステンレス鋼テープの厚み（単位：ｍｍ）を示し、縦軸は７７Ｋでの臨界引張り強度（単位：ＭＰａ）を示す。各々の系は、さまざまな厚みのステンレス鋼テープの間に挟まれるタイプＨテープを含む。目標は、５００ＭＰａ以上の臨界引張り強度を有する複合構造を生産することであったが、有用性についての最小受入れ可能しきい値は４００ＭＰａである。この目標は、十分に厚いステンレス鋼補強テープを選ぶことによって実現された。しかしながら、結果的に得られる工学的電流密度は、以下に記載されるように、受入れ不可能な程度に低いことがわかった。
【０１２３】
０．０２ｍｍ、０．０５ｍｍ、および０．１ｍｍの３つの厚みが検討され、これらの厚みの各々毎にプレテンションの２つの値８０Ｎおよび２０Ｎを用いてテープを生産し、６つの異なる補強されたテープの種類を設けた。これらの種類の各々毎に、臨界引張り強度が測定された。結果は、図１８の引張り強度対テープ厚みのプロットとして示される。これらの結果は、所与の系の引張り強度が厚みおよびプレテンションの値の両方の増大する関数であることを示す。８０Ｎのプレテンションで生成されるそれらの系は、２０Ｎのプレテンション値を用いて生成されるものよりも臨界引張り強度が高い。
【０１２４】
工学的電流密度に対するより厚い補強の不利な影響を図１９の電流密度対テープ厚みのプロットとして示す。図１９で、横軸はステンレス鋼テープの厚み（単位：ｍｍ）を示し、縦軸は工学的電流密度Ｊｅ（単位：Ａ／ｍｍ2）を示す。より厚い補強テープはより低い工学的電流密度の値を有する。なぜなら、補強テープの増大する厚みとともに線材の全体的な厚みが増大する一方で、電流を搬送する超電導セクションの面積は一定のままであるからである。図１９からわかるように、０．１ｍｍの線材の工学的電流密度は、剥き出しのタイプＨテープ（すなわち補強しない超電導ＢＳＣＣＯ２２２３銀テープ）が搬送することができる電流密度よりも５０％低い。このように、５００ＭＰａよりも大きな臨界引張り強度を呈するテープをステンレス鋼で達成することができるが、そのようなテープの工学的電流密度は受入れ不可能な程度に低過ぎる。このことは、工学的電流密度が十分に高くなるように十分に薄い補強ストリップを用いて高い臨界引張り強度を達成することができるように高いモジュラス、熱膨張係数、および降伏応力を有する補強材料の必要性を強調する。
【０１２５】
図２０は、ＭＰ３５Ｎを補強ストリップとして用いて得られる結果を示す。図２０で、横軸は引張り強度（単位：ＭＰａ）を示し、縦軸はＩｃ保持率（単位：％）を示す。３つの別個の種類が生産された。各々の系は、ＭＰ３５Ｎ合金のタイプＨ超電導コアおよび（工学的電流密度の受入れ可能な値を与える）０．０３５ｍｍの厚みを有する補強ストリップを含んだ。３つのタイプＸＸ試料を生成する際に、１００Ｎ、１４０Ｎ、および１７０Ｎの３つのプレテンションの値を用いた。図２０の臨界電流保持率（すなわち臨界電流対引張り強度）のプロットに示されるように、プレテンションを増大させると、増大する臨界引張り強度を生じる。１７０Ｎのプレテンションを用いて生産されるタイプＸＸは５３７ＭＰａという臨界引張り強度を呈する。この結果は、ＭＰ３５Ｎを用いることにより、５００ＭＰａ超の臨界引張り強度の所望の性質を呈する一方で、工学的電流密度の受入れ可能な値を保持するＢＳＣＣＯ２２２３系の複合テープが生成されたことを示す。図２０は、発明のモジュラス、ＣＴＥ、および降伏歪み仕様を満たしかつ取付の際にストリップ中の増大する張力で４５０〜５３７の応力耐性を呈した材料種類である、０．０３５ｍｍ厚のＭＰ３５Ｎで得られた引張り応力耐性データを示す。
【０１２６】
図２１は開示される実施態様を用いて達成された成功例を要約する。図２１は、横軸に図１４に示したテープ、図１５に示したテープ、および図９に示した本実施態様に従ったテープを示し、縦軸にそれぞれのテープの臨界引張り強度（単位：ＭＰａ）を示している。図１９に関して上述した新たな実施態様は、工学的電流密度の同等の値を維持しながら、２７０ＭＰａを有するステンレス鋼系の従来の構造と比較して、５３７ＭＰａの臨界引張り強度という劇的に向上した値を呈する。開示される実施態様に従うと、臨界引張り強度は、補強されていないＢＳＣＣＯ２２２３／銀テープの臨界引張り強度に対して４倍超向上した。
【０１２７】
＜ＭＰ３５Ｎ（登録商標）を用いた実施例の要約＞
０．０３５ｍｍ×４．５ｍｍの断面を有する時効合金ＭＰ３５Ｎ（登録商標）のストリップを製造した。最良モードでは、合金を鋳造し、次に最初に７００℃を上回る温度で熱間圧延し、次にアニールを用いて最終の所望の厚みの約５０〜７０％内の歪みに冷間圧延する。次にシートを、制御された雰囲気中で１０００℃超でアニールし、５０％〜７０％範囲の歪みに冷間圧延する。次にシートを、非酸化雰囲気中で約１０００Ｆ〜１０５０Ｆで約２〜６時間時効し、材料の所望の高いモジュラス、高い降伏歪みの形態を形成する。積層に好適な狭いテープは、時効シートからスリッティングすることによって生産され、それらは対応の応力約１．８０ＧＰａおよび弾性率約２２０ＧＰａで比例限度引張り歪み約０．８０％を呈した。洗浄した後、電気めっき法でストリップを約０．００１５ｍｍ厚の銅で被覆して半田濡れを向上させた。次に高錫の半田を用いて、ストリップを公称寸法０．２３ｍｍ×４．３ｍｍの超電導ＢＳＣＣＯ２２２３／銀テープに積層した。積層は、ストリップ中の張力約１７０Ｎで完成された。Ｉｃ劣化の開始の引張り応力耐性は５３７ＭＰａであると測定された。
【０１２８】
ＭＰ３５ＮおよびＭＰ１５９とのステンレス鋼の比較、ならびに上述の試作品補強されたＢＳＣＣＯ２２２３／銀テープに対する測定値を表５に提示し、発明を備える材料および方策が、同様の面積の部分のステンレス鋼よりも応力耐性が公称２５〜６０％より高い補強されたＨＴＳテープを生産することができることを示す。
【０１２９】
モジュラス、ＣＴＥ、比例限度、および張力の効果を図示する実施例は、補強されたＢＳＣＣＯ２２２３／銀複合テープ導体の引張り歪み耐性を増大させる。ステンレス鋼を用いて達成される現行技術を上回る応力耐性の実質的な（＞１５％）向上を生じるのに十分に要件の組合せを満たす実際の合金は非常に僅かである。
【０１３０】
【表５】
2016522530.tif 000007
【０１３１】
表５中の実施例の組について、補強された複合構成要素の幾何学形状は、
ａ）  補強ストリップ：断面が０．０３５ｍｍ×４．５ｍｍ
ｂ）  ＢＳＣＣＯ／銀テープ：断面が０．２２６ｍｍ×４．３ｍｍ
ｃ）  半田：補強ストリップ当たり約０．０１２ｍｍ厚
ｄ）  部分補強：約２０〜２５％
ｅ）  構成要素：１×ＢＳＳＣＯ銀テープ、２×補強ストリップ
ｆ）  濡れ処理：たとえば電気めっきにより、銅または錫のような０．１〜２マイクロメートル厚の半田濡れ材料で被覆された補強ストリップ
である。
【０１３２】
ＭＰＯ３５Ｎ（登録商標）およびＭＰ１５９（登録商標）は、Ｃｏ＞３０重量％、Ｃｒ＞１５重量％、およびＮｉ＞４０重量％を備える市販の合金である。それらは好適に変形されかつ時効されると上記表で提示される性質を呈する。それらはＣＴＥの対応の大きな低下なく、非常に高い弾性率および比例限度歪みを呈する点で非常に稀である。それらは最終時効ステップの前にかなり延性でもあり、非常によく制御された厚みおよび幅寸法を有する薄いストリップ形態で実際的に生産することができる。
【０１３３】
ベリリウム（Ｂｅ）も、高いＣＴＥとモジュラスとのその組合せという点で普通とは異なる。しかしながら、これは非常に高価であり、薄いストリップ形態で生産するのが困難である。約２０原子パーセント超のＢｅを含有する合金は高モジュラス−高降伏歪み高ＣＴＥ要件を満たすことがある一方で、市販されてもいる。
【０１３４】
より大きな比例限度により、取付点での補強ストリップ中のより大きな引張り負荷および歪みの印加が可能になり、解放および冷却の際のＢＳＣＣＯ２２２３／銀テープにおけるより大きな軸方向圧縮が可能になり、したがって、ＢＳＣＣＯ２２２３の引張り歪み限度に達する前に、より大きな引張り負荷および歪みを補強された複合体に適用できるようになる。
【０１３５】
表５は、取付の際の比例限度歪みの半分を超える補強ストリップの引張り歪み付与と関連する、個々に増大するＣＴＥ、モジュラス、および比例限度によって達成される改良の具体的なレベルを示す。印加可能な最大取付張力は、その比例限度まで補強ストリップに歪みを印加する。しかしながら、局所的に比例限度を超える可能性を回避するために、補強は、比例限度の５０％を超えるが９０％を超えない歪みに対応する最大応力で最良に適用される。表５は、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｎｉ合金、具体的には、たとえば商品名ＭＰ３５ＮおよびＭＰ１５９として公知の合金および同様の合金ならびにベリリウムおよびその合金のいくつかと比較した現行技術のステンレス鋼を用いて達成可能な応力耐性も示す。
【０１３６】
実施例２
本実施態様に係る補強された超電導テープについて、製造時のプレテンションの影響を確認するために以下のような試験を行った。
【０１３７】
＜試料＞
補強部材として厚みが０．０３５ｍｍであるＭＰ３５Ｎからなる補強部材を準備した。そして、超電導テープ部として図１４に示した超電導テープを準備した。これらの補強部材および超電導テープから、図７および図８で説明した製造方法に従って補強された超電導テープを製造した。ただし、超電導テープに補強部材を貼り付ける工程において、補強部材に加える応力（プレテンション）を２５Ｎと１２０Ｎという２条件とし、それぞれの条件によって補強された超電導テープの試料を作成した。
【０１３８】
＜実験＞
作成した試料について、室温での引張り試験を行った。試験方法は、国際規格ＩＥＣ６１７８８−１８に従った。試験に用いた歪み計は、図２２に示すようにニーラスゲージ３０１０（Nyilas gauge）を用いた。ニーラスゲージ３０１０を試料である補強された超電導テープ１に取り付け、図２２の矢印に示す方向（補強された超電導テープ１の延びる方向）に応力を加え、応力と歪みとの関係を測定した。
【０１３９】
＜結果＞
結果を図２３に示す。図２３は実験結果を示すグラフであり、横軸が歪み（単位：％）を示し、縦軸が応力（単位：ＭＰａ）を示す。図２３では、製造時のプレテンションが１２０Ｎであった試料のデータが実線で示され、製造時のプレテンションが２５Ｎであった試料のデータが点線で示されている。
【０１４０】
図２３の実線のグラフにおける部分３０２０で、グラフの傾きが変化している。この傾きが変化している部分は、超電導テープ内部の超電導体フィラメントが破断したことにより発生していると考えられる。そして、図２３の点線のグラフにおいても、部分３０３０において同様にグラフの傾きが変化している。この傾きの変化も、同様に超電導体フィラメントの破断により発生していると考えられる。
【０１４１】
図２３からわかるように、プレテンションが大きかった試料の方が、グラフの傾きの変化が起きる応力が高くなっていることがわかる。つまり、プレテンションが大きい試料の方が、より高い応力まで超電導体フィラメントの破断を起こさずに応力に耐えることができたことがわかる。
【産業上の利用可能性】
【０１４２】
上述した補強された超電導テープは、ＭＲＩやＮＭＲ、その他の超電導テープからなるコイルを用いて磁場を発生させる装置に有利に適用できる。
【符号の説明】
【０１４３】
１  補強された超電導テープ、１０８  ３層構造、１１０  補強テープの上側の薄い層、１１２  補強テープの下側の薄い層、１１４  タイプＨ  ＨＴＳテープの薄い層、１２０，１０２０  超電導テープ部、１２２  Ａｇ合金の層、２０２  構造、２０４，２０６，２０８，２１０  応力、４０２，４０４  補強テープ、４０５  張力、４０８  結果的に得られる構造、４０９  圧縮残留応力、４１２  熱応力、８０２  剥き出しのＨＴＳテープ、８０４  ステンレス鋼補強されたテープ、８０６  銅合金補強されたテープ、９０２  引出セクション、９０４  半田付けセクション、９０６  巻取りセクション、１０３０  補強部材、１０４０  接合材、２０２１  配向基板、２０２２  超電導体層、２０２３  安定化層、２０２４  保護層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2016522530.tif 000011
【図５】
2016522530.tif 000012
【図６】
2016522530.tif 000013
【図７】
2016522530.tif 000014
【図８】
2016522530.tif 000015
【図９】
2016522530.tif 000016
【図１１】
2016522530.tif 000017
【図１２】
2016522530.tif 000018
【図１３】
2016522530.tif 000019
【図１４】
2016522530.tif 000020
【図１５】
2016522530.tif 000021
【図１６】
2016522530.tif 000022
【図１８】
2016522530.tif 000023
【図１９】
2016522530.tif 000024
【図２０】
2016522530.tif 000025
【図２１】
2016522530.tif 000026
【図２２】
2016522530.tif 000027
【図２３】
2016522530.tif 000028
【図１０】
2016522530.tif 000029
【図１７】
2016522530.tif 000030
【手続補正書】
【提出日】平成26年11月11日(2014.11.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導テープ部と、
前記超電導テープ部に接続された補強部材とを備え、
前記補強部材を構成する材料はニッケル、コバルトおよびクロムを含み、
前記補強部材を構成する前記材料において、
前記ニッケルの含有率は２０重量％以上４２重量％以下、
前記コバルトの含有率は２３重量％以上４４重量％以下、
前記クロムの含有率は１４重量％以上２６重量％以下である、補強された超電導線材。
【請求項２】
前記ニッケルの含有率は２５重量％以上３７重量％以下である、請求項１に記載の補強された超電導線材。
【請求項３】
前記コバルトの含有率は２８重量％以上３９重量％以下である、請求項１または２に記載の補強された超電導線材。
【請求項４】
前記クロムの含有率は１９重量％以上２１重量％以下である、請求項１〜３のいずれか１つに記載の補強された超電導線材。
【請求項５】
前記補強部材を構成する前記材料は、チタンをさらに含む、請求項１〜４のいずれか１つに記載の補強された超電導線材。
【請求項６】
前記補強部材は、以下の式で規定される特性値ＦＯＭが１０５０％ＧＰａ／Ｋ超であり、
ＦＯＭ＝すべて２７３Ｋ〜３２３Ｋの温度範囲のＣＴＥ×比例限度歪み×モジュラス
式中、ＣＴＥはＰＰＭ  ｍ／ｍ／Ｋであり、弾性率はＧＰａであり、比例限度はパーセントである、請求項１〜５のいずれか１つに記載の補強された超電導線材。
【請求項７】
引張り応力を印加していない時の臨界電流値に対して、４００ＭＰａの引張り応力を印加したときの臨界電流値の低下率が５％以下である、請求項１〜６のいずれか１つに記載の補強された超電導線材。
【請求項８】
補強された高温超電導体であって、
ａ）ＢＳＣＣＯ２２２３／銀テープコアと、ｂ）テープの広い表面の各々の側に１つずつの２つの補強ストリップと、ｃ）補強ストリップとＢＳＣＣＯ２２２３／銀テープコアとの間にＳｎ、Ｐｂ、Ｉｎ、Ｓｂ、またはＢｉのうち任意の１つを５％超含有する有機接着剤または半田を主に備える接合材とを備え、接合材は、補強が全複合断面積の３５％未満を占めるように、アセンブリの外側およびアセンブリの端縁において補強ストリップ同士の間を被覆し、この場合、複合体の臨界電流は、３００Ｋ以下の温度で４００ＭＰａ超の引張り応力が印加された場合に５％超劣化しない、補強された高温超電導体。
【国際調査報告】
2016522530.tif 000031
2016522530.tif 000032