特Splicer

集

高強度Ni合金補強 Bi-2223超電導線材
Ni Alloy Laminated High-Strength Bi-2223 Wire
＊長部吾郎

山崎浩平

中島隆芳

門谷琢郎

小林慎一

加藤武志

Goro Osabe

Kohei Yamazaki

Takuro Kadoya

Shinichi Kobayashi

Takayoshi Nakashima

Takeshi Kato

1988年に発見されたビスマス系（Bi,Pb）2Sr2Ca2Cu3 O y（Bi-2223）超電導体は、線材の高性能化・長尺化の研究が進み、現在では200Aをkmレベルで製造できるまでに開発が進んだ。Bi-2223系超電導線材を使用した実証ケーブル試験やコイル応用したモータ開発等、様々な試験が活発に実施されてきた。しかし、NMRや核融合炉・加速器などの超電導応用機器用途では、より強磁場なマグネットが要求されている。このような背景を踏まえ、Ni合金補強した高強度Bi-2223線材（Type HT-NX）を開発、Ni合金の比抵抗が高いことに起因した線材接続部分での発熱問題も、新しい線材接続方法により解決した。本稿では、Bi-2223線材の高強度化とTypeHT-NX線材の低抵抗接続方法に関して紹介する。
Sumitomo Electric Industries, Ltd. has developed and commercialized a high-strength DI-BSCCO Type HT-NX wire. This wireis reinforced with Ni alloy tapes and undergoes residual axial compression after lamination. The wire withstands a criticaltensile stress of 400 MPa at 77K. The newly developed wire structure successfully reduced the splice resistance without
sacrificing the mechanical properties. This wire is highly useful for nuclear magnetic resonance and other high field magnetic
applications.
キーワード：ビスマス系超電導体、機械強度、半田集合、スプライス、超電導マグネット1.

緒

言ても、超電導電流はフィラメントと銀の界面のみで流れてビスマス系超電導線材が発見されて以降、当社では、いると考えられており、芯数を上げると有効界面が増える

高 臨 界 電 流 密 度 化 ※1・ 長 尺 化・ 高 強 度 化 な ど 数 多 く

ので、I c 向上に効果がある。しかし、フィラメントの芯数の 開 発 が 進 め ら れ、Bi-2223超 電 導 線 材（DI-BSCCOを上げすぎると、伸線加工時に均一性が乱れ、フィラメン（Dynamically-Innovative BSCCO））として商品化しておト同士が結合することでブリッジングが発生し、I c が低下

り 、コスト・品質向上など事業化に向け尽力している。
（1）

してしまう。このように、機械特性向上とI c 特性向上は、超電導線材として、臨界電流I c が高いことも重要である

線材設計上両立しない場合が多く、設計変更による特性向が、超電導応用機器に使用する場合、高機械強度であるこ上にも限界があった。そこで、さらなる高強度化のため、とが要求される。これまでBi-2223線材の機械特性向上の後述する補強材料を半田で集合する半田集合技術が開発さため様々な開発が行われてきた。図1にBi-2223線材の横れ、線材の高強度化が図られた。

断面写真を示す。Bi-2223線材は、Agマトリックス中に多Bi-2223線材を使用した実証ケーブル試験やコイル応用数のBi-2223フィラメントが細線化された構造となっていのモータ開発等、様々な試験やPJが活発に実施され、成により、これら果を挙げてきた（3）～（5）。しかし、NMR（核磁気共鳴装置）やBi-2223フィラメントの空壁やクラックが排除され、フィ核融合炉・加速器などの用途では、より強磁場なマグネッラメントが高密度化し、フィラメント自身の強度が飛躍的トが要求され、そのような高磁場下で線材を通電した場合に向上した。また、Agシースの強度を上げるために、Agのには、ローレンツ力が作用するため、線材に強い引張応力合金化が進められ、機械特性が向上した。さらに、銀比※2（フープストレス）が印加される。NMR内層マグネット等やフィラメント芯数の最適化による特性向上が図られた。

へ適用するためには、引張強度として400MPaを有する

Bi-2223超電導線材のような複合線材の機械強度は複合則線材が必要とされ、DI-BSCCO線材のさらなる高強度化がで考えるため、線材の構成要素の面積比が機械強度や電気課題となっている。

る。2004年に開発された加圧焼結技術（2）

特性に大きく影響する。銀比を上げると線材のI c は低下す

こういった背景も踏まえ、さらに強度が飛躍的に向上す

るが、機械特性に関しては脆いセラミックス部分が減り、る線材の開発を進め、Ni合金を補強材として半田集合するより金属的になることで強化される。また、フィラメントことで、目標であった77Kの許容引張応力400MPaを達成を多芯化することでセラミックスであるBi-2223が細線化し、DI-BSCCO Type HT-NX線材として2015年4月 か らされ、可撓性が増し機械特性が向上する。線材のI c に関し販売開始した。これにより強磁場マグネットなどの分野

2017 年 1 月・S E I テクニカルレビュー・第 190 号

9で、DI-BSCCO Type HT-NX線材を採用したプロジェク（Bare Wire）として、Type Hに20µm厚のSS補強材で半、Bi-2223線材のプレゼ田集合したものをType HT-SSと呼び、50µm厚のCA補強ンスがより高まっている。一方、高強度化に成功したが、材で半田集合したものをType HT-CAと呼ぶ。Type HT-SS

Ni合金の比抵抗が高いため、超電導線材を接続する場合線材の77Kにおける許容引張応力が270MPaであるのにに接続抵抗が高くなるという課題があった。

対 し、Type HT-CA線 材 は250MPaで 設 計 さ れ、 そ れ ぞトなども報告され始めており

（6）
（、7）

本稿では、高強度Type HT-NX線材の開発と線材の低抵抗接続方法に関して報告する。

れType H線材と比較して倍近い許容引張応力を達成している。
2－2

2.

Bi-2223線材の機械特性向上

2－1

半田集合技術Type HT線材のさらなる機械特性向上のためには、半田集合時、Type H線材へ高い残留圧縮応力を印加するこ

半田集合によるBi-2223線材の高強度化とと、どのような補強材を使用するかが重要となる（8）。

加圧焼結及びAgシースの合金化という高強度化技術のType H線材へ印加される残留圧縮応力は、半田集合時、開発により、Bi-2223線材の機械特性は改善された。I c の補強材に予め超電導線材より強い歪み（余歪み）を与えて設計との両立を図った結果、液体窒素温度77Kにおけるおき、半田集合後、その外力が取り除かれた状態で各構許容引張応力は130MPaまで向上した。

成要素に余歪み分の応力が再分配された時に、圧縮側のしかし、銀の機械強度にも限界があるため、半田集合技応力として印加される（図2左）。また残留圧縮応力は、術が開発された。半田集合とは、Bi-2223線材と2枚の補Type H線材と補強材との熱膨張率の差によっても印加さ強材の計3枚を半田溶解槽の中で集合して一体化させて製れる（図2右）。補強材の熱膨張率がType H線材より大き造する、線材の補強加工技術である（図1）。補強材料とし

いと、半田集合する温度から冷却する温度変化において、て、ステンレス（SUS：SS）とブロンズ系銅合金（Cu-alloy：Type H線材に圧縮応力が印加される。よって、補強材のCA）を採用した。補強材料であるSSとCAを比較した場選定は特に重要となる。 Type H線材へいかに残留圧縮応合、SSの方が強度的には優れているが、CAはSSに対して力を印加できるかが重要となるため、補強材の特性として比抵抗が小さいため、線材を接続して使用する場合、接続高い耐力・ヤング率・熱膨張率が要求される。また応用機抵抗を小さくできるという利点があり、線材使用用途に応器として、非磁性であることや比抵抗の低さも重要であじて選択される。

る。さらに、工業製品として考えるならば、低コストで一表1に 商 品 化 し て い るDI-BSCCO線 材 の 補 強 線 ラ イ
ンナップを示す。加圧焼結法で作製した線材をType H

般に市販されていることなども重要となる。
これらのことを考慮し、補強材としてステンレステープより高い耐力（1800MPa）と高いヤング率（200GPa）を持ち、且つType H線材より高い熱膨張率であるNi合金をBare wire (Type H)

Bi-2223

補強材として選定した。また、最近の研究では、Type H

Ag

線材に印加できる圧縮応力には限界があり、圧縮側の特性

Type HT-SS(Reinforced with Stainless Steel )SSを評価する研究は今も続けられている。

SSType HT-CA(Reinforced with Cu -alloy)

Cu-alloy
Cu-alloy

図1

半田集合のイメージ図と線材の横断面写真

表1

DI-BSCCO Type HT線材の仕様

TypeAg sheath Bi-2223 DI-BSCCO

HHT-SSHT-CAHT-NX

Cu alloy

Ni alloy

Stainless－Thickness (µm)

－

20

50

30

180-200

180-200

180-200

180-200

steel

cooling

Pre-tension

Thermal Expansion

図2

Lamination
Material

stress redistribution

Type H線材に印加される残留圧縮応力

Critical Current

I c @sf (A)Size

Width (mm)4.3 ± 0.2

4.5 ± 0.1

4.5 ± 0.1

4.5 ± 0.2

Thickness (mm)0.23 ± 0.01

0.29 ± 0.02

0.34 ± 0.02

0.31 ± 0.03

Critical Wire Tension@RT (N) *80230280410

Critical Tensile Strength@77K (MPa) *130270250400

Critical Tensile Strain@77K (%) *0.20.40.30.5

Critical Double Bending Diameter@RT (mm) *80606040

Mechanical Properties* 95% I c retention, typical value

10

高強度Ni合金補強Bi-2223超電導線材

3.

Type HT-NX線材の機械特性

補強材の厚みが厚くなれば、Type HT線材の強度も向上するが、線材が厚くなることでコイル形状に巻線した時のコイル径が大きくなる。そのため、線材の厚みが薄く、単位断面積当たりに流れる超電導電流の値が大きいことが重要 と な る た め、30µm厚 のNi合 金 を 採 用、 厚 み0.20mm

可逆領域を超えると巨視的にフィラメントの破断が進行で設計されたType H線材で試作した。図3に試作されたし、臨界電流の不可逆な低下が起こることを示している。

Type HT-NX線材と各種Type HT線材の77Kにおける応図5は、室温における両曲げ試験の結果である。線材を力－歪み曲線を示す。臨界電流の歪み依存性において、曲げ治具に対して所定の曲げ径で曲げる際に、線材の中フィラメント破断による劣化が始まる指標として、引張立軸に対し外側で引張歪みが、内側で圧縮歪みが印加され試験後の臨界電流値が引張試験前と比べて95％を維持する。両曲げ試験では、線材を再度裏返して所定の曲げ径でる応力と歪みを許容引張応力、許容引張歪みとしてそれ曲げることにより、引張歪みが印加された側面にも圧縮歪ぞれ定義している。一般的にこの値は、応力－歪み曲線みが印可される試験方法である。線材にとっては、より厳における可逆限界応力R y と可逆限界歪みA y に対応していしい試験となる。許容両曲げ直径は、臨界電流値が95％以ると考えられており、応力－歪み曲線における変曲点が上維持する直径で定義されるが、Type HT-NX線材は、許対応している。図3からNi合金テープ（NX）を補強して作容両曲げ直径が35mmと特性が向上している。

製された線材の可逆限界応力R y と可逆限界歪みA y は、そ量産の製造技術との兼ね合いで、厚みが0.23mm設計

れぞれ460MPa、0.55％に達している。20µm厚のSUSのType H線材を用いたType HT-NX線材を商品化しておテープ補強線と50µm厚の銅合金補強線をそれぞれ半田り、77Kでの許容引張応力は400MPaで設計している。

集合した線材と比較し、特性が大きく向上している。ま

図6は厚みが0.23mmで設計されたType HT-NX線材のたNX線材は、77Kにおける線材の破断応力と破断歪みが77Kにおける疲労試験の結果を示している。各荷重で繰700MPa、1.6％程度まで達しているのも特徴といえる。
臨界電流の77Kにおける応力依存性引張試験の結果をり返し試験を実施し、線材に荷重を印加した状態でI c を測定、試験前のIc 値（Ic0 ）と比較して維持率（Ic /Ic0 ）を測定し図4に示す。許容引張応力は、Ni合金テープで補強加工さた。Type HT-NX線材の仕様値400MPaに対して、93％にれた補強線材（Type HT-NX）で443MPa、許容引張歪みは相当する370MPaまで105 回（100,000回）の繰り返し試験0.53％に達し、特性は飛躍的に向上した。応力－歪み曲線

でI c 維持率95％以上を保っている。

における可逆限界応力と可逆限界歪みは、近い値を示し、
1.2
RT

800

77K
Ry, Ay600
応力/ MPaType NX
30um Ni-alloy

0.8500Type SS

40020um SUS

300

Ic /Ic0700

1

Type-HT-CA0.250um Cu-alloy

Type-HT-SS
Type-HT-NX0

Type H

100

Type H0.4

Type CA2000.60Bare (without Lamination)

200.2

0.40.60.8

11.21.41.6

歪み /%図36080100120

曲げ直径/ mm0040

図5

室温における両曲げ直径と臨界電流値の維持率

DI-BSCCO線材の応力－歪み曲線
10.95

1.20.80.85
0.80.6369MPa

0.7376MPa

0.65

0.4287MPa0.2283MPa

0100200300400500

600408MPa0.55419MPa

77K

0.577K

0397MPa

0.6443MPa

131MPa1101001000

10000100000

繰り返し回数 / 回700

応力 / MPa

図4362MPa

0.75

Ic/ Ic01Ic/Ic00.9

HHT-CAHT-SSHT-NX

図677KにおけるType HT-NX線材の疲労試験の結果

DI-BSCCO線材の引張応力と臨界電流値の維持率

2017 年 1 月・S E I テクニカルレビュー・第 190 号

11

4.

Bi-2223線材の接続

ライス線材の機械特性を維持しながら、接続抵抗の低い接超電導応用製品では、線材の接続（スプライス）が必要になる場合がある。接続は2枚の超電導線をオーバーラッ続方法の開発が必要となった。
4－1

低抵抗接続法の開発

プして半田で接続する方法が一般的である。接続部分で

図9Aに、通常の超電導線材をオーバーラップさせて作は、電流は補強材2層分と半田の常伝導部分を通過するた製するスプライス線材の縦断面を示す。Ni合金2枚と半田め、抵抗による発熱が生じる。超電導ケーブル用途では、を電流が通過しなくてはならないため、接続抵抗は高くな補強材として銅合金を使用したType HT-CA線材が使用さる。そこで図9Bに示すように、半田集合された補強材を剥れるため、銅合金の比抵抗が小さいことから、接続抵抗はがして接続ができれば、接続抵抗は確実に低減されること問題とならなかった。一方、強磁場マグネット用途に開発が期待できる。ところが、この構造では機械特性はかなりされたType HT-NX線材は、Ni合金の比抵抗が高いため、悪くなる。そこで、図9Cに示すように、引き剥がした端部接続部分での抵抗が大きく、その部分で発生するジュールを補強線上に設置し、できた隙間部分に補強材とほぼ同じ熱も比例して大きくなるため、発熱量を低減することが課

厚さの銅テープを配置することで、電流通過部分のNi合金題となっていた。

が除去された構造となり、低接続抵抗が期待できる。余歪図7に各種スプライス線材の接続抵抗とラップ長の関係みが印加された補強線材部分が長手方向線材上下で途切れを示す。接続抵抗は、構成材料の比抵抗と厚みに影響されないので、機械強度も維持される。図9Cの構造のスプライる。最も接続抵抗が低いのは、Type H同士の接続であり、ス線（低抵抗スプライス線材）の作製を試みた。

CA、SS、NXの順に高くなる。また、接続抵抗はラップ長の長さに反比例する。Type HT-NX線材のラップ長を長くとれば、接続抵抗が高いという問題は解決しそうだが、実際は図8に示すように、ラップ長が長くなると接続部分の剛性の違いにより接続部分のエッジで曲率が小さくなり、線材の曲げ特性が劣化すると考えられている。そこで、スプ

A: オーバーラップスプライス A
Ni Alloy

Type HT-NX
Ni Alloy

電流パス
Ni Alloy
Type HT-NX
Ni Alloy

B: オーバーラップスプライス B

10000
1,355696

接続抵抗 / nΩ

1000710100671030

Type H

3723515Type HT-CA

177K361

Ni Alloy

8

Type HT-NX
Ni Alloy

Type HT-NX

110100

銅テープ
18mm

1000

接続のラップ長 / mm

図7

Ni Alloy
Type HT-NX

C: オーバーラップスプライス C （低抵抗接続スプライス線材）

Type HT-SS

0.1

電流パス

Ni Alloy63423126

19Type HT-NX
Ni Alloy

175173

Ni Alloy

各種線材の接続抵抗のラップ長依存性

図9電流パスNi Alloy
Type HT-NX
Ni Alloy

ラップ長 40mm

スプライス部縦断面模式図（オーバーラップ法）

1.2
Type HT-CA

Ic /Ic0

1.04－2

スプライス線材

上記図9Cの構造で機械強度を保ったまま接続するため0.6には、Type HT-NX線材の補強材を片面だけ剥いで（ピーリング）、なお且つ剥いだ部分と反対側の補強線部分の余0.4

ラップ長 10mm
ラップ長 20mm

0.2RT

ラップ長 40mm

0.0
5070

90110

130150170190曲げ直径 / mm

図812

補強材のピーリング

0.8

ラップ長を変えたスプライス線材の両曲げ特性（RT）

高強度Ni合金補強Bi-2223超電導線材

歪みは残っていなければならない。補強材をきれいに剥がすには、半田を溶かす必要がある。両側の半田が完全に溶けてしまうと余歪みが開放され、機械強度が弱くなってしまうため、片面の半田だけを上手く溶かし、線材から補強材だけを剥がすことが必要となる。また、たとえきれいに剥がせたとしても、補強材は強い余歪みのかかった状態に

図11に77Kにおける引張試験の結果を示す。低抵抗接続 ス プ ラ イ ス 線 材 の 許 容 引 張 応 力 は、416MPaとType
HT-NX線材の引張応力423MPaと同等の特性を維持している。図12に曲げ試験の結果を示す。許容両曲げ直径はType
HT-NX線材で30mmであるが、厚みが接続部分で線材2枚分となることから、低抵抗接続スプライス線材では70mmとなった。また、図8からラップ長40mmにおけるType
写真1

HT-CAスプライス線材の最小曲げ特性が160mmであっ

補強線のピーリングとピーリング後の線材たことから、既存のスプライス線材の曲げ特性と比較して大幅に曲げ特性が向上している。
なり、Type HT-NX線の補強材片面を剥がすと大きく反ってしまうため、ある程度の長さしか引き剥がせない。

1.2

ピーリングは、線材をホットプレート上に置き、半田集77K1合で使用している半田の融点よりやや低い温度に線材を温0.8ときれいに引き剥がせる（写真1左）。ピーリング後の線材

0.6

Ic /Ic0め、半田ゴテで熱を加えながらペンチで補強材を引っ張るを写真1右に示す。線材は、片面の補強材の余歪みを残した状態で補強材を引き剥がしたため反っているが、引き0.4

剥 が す 長 さ が30mmま で な ら 接 続 後 の 特 性 に 影 響 が な0.2かった。試作の結果、ラップ長40mm、引き剥がし長さ0

低抵抗接続 Type HT-NX スプライス線材
Type HT-NX
030mm、中間の隙間長さ20mm（18mmの銅テープを入100

図111.6E-04
低抵抗接続 Type HT-NX スプライス線材

Ic/Ic0

電圧 / V6.0E-05

54 nΩ

0.0E+00
050100150

低抵抗接続 Type HT-NX スプライス線材

0.277K020406080100

両曲げ直径 / mm

低抵抗接続Type HT-NXスプライス線の接続抵抗

低抵抗接続は、Ni合金の厚み25µm、線材幅4.0mm、Type HT-NX 線材

0200

電流 / A

図100.60.4

442 nΩ

2.0E-05

RT0.88.0E-05

4.0E-05500

低抵抗接続Type HT-NXスプライス線の引張特性

1

ラップ長 40mm

1.0E-04400

1.2

通常の Type HT-NX スプライス線材

1.2E-04300

応力 / MPaれる）になる設計を採用した（図9C）。

1.4E-04200

図125.

結

低抵抗接続Type HT-NXスプライス線の曲げ特性

言

厚み0.24mmのType HT-NX線材で試作し、各種試験を実高 強 度Type HT-NX線 材 を 開 発、77K許 容 引 張 強 度 で施した。図10にピーリングしたType HT-NX線材同士を400MPaを達成した。線材を接続する際に課題となってい図9Cの構造で接続したスプライス線材と、図9Aの構造でた接続抵抗の問題は、補強材をピーリングする手法と新た接続したスプライス線材（ラップ長40mm）の77Kにおけな接続構造により、機械強度を低下させることなく88％のる電流－電圧特性を示す。グラフの傾きから計算される接低減に成功した。

続抵抗の値は、低抵抗接続法（図9C）で接続した場合54n

本手法は、既に高磁場NMR開発用線材に採用され始めΩとなり、従来の接続方法（図9A）で接続した場合のスプており、今後Type HT-NX線材が高強度マグネット用途でライス線材の接続抵抗442nΩと比較して88％低減した。

使用されることが期待される。

2017 年 1 月・S E I テクニカルレビュー・第 190 号

13用 語 集 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー

執

※1

長部

吾 郎＊ ：超電導製品開発部
Ph. D

主席

山崎浩平

：超電導製品開発部

主査

中島隆芳

：超電導製品開発部
工学博士

主査

門谷琢郎

：超電導製品開発部

小林慎一：超電導製品開発部

グループ長

加藤武志

：超電導製品開発部部長

臨界電流密度筆

超電導状態を保ちつつ流すことができる電流密度の最大者 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー

値。通常、1 µV/cm の電圧が発生した電流値を臨界電流I cと定義し、I c をフィラメントの総面積で割った値を指す。
※2銀比

線材の横断面において、銀面積をBi-2223フィラメント総面積で除した値で定義される。

・DI-BSCCO は、住友電気工業㈱の登録商標です。

参 考 文 献（1）	K. Sato, S. Kobayashi and T. Nakashima, Jpn. J. Appl. Phys. 51（2012）010006（2）	S. Kobayashi, K. Yamazaki, T. Kato, K. Ohkura, E. Ueno, K. Fujino,
J. Fujikami, N. Ayai, M. Kikuchi, K. Hayashi, K. Sato and R. Hata,
Phys. C 426-431（2005）1132（3）	T. Kiyoshi, A. Otsuka, S. Choi, S. Matsumoto, S. Zaitsu, T. Hase,
M . Hamada, M . Hosono, M . Takahashi, T. Yamazaki andH. Maeda, IEEE Trans. Appl. Superconduct. 18（2008）860（4）	M. Ohya, Y. Ashibe, M. Watanabe, H. Yumura, T. Nakanishi,
H. Hirota, T. Masuda, R. Ono, M. Shimoda, N. Nakamura,
T. Komagome, H. Yaguchi, M. Ikeuchi, H. Ichikawa, T. Mimura,
S. Honjo and T. Hara, Physics Procedia, vol. 45（2013）273-276（5）	E. Ueno, T. Kato and K. Hayashi, Physica C, vol. 504（2014）111114（6）	S. Awaji, T. Oguro, K. Watanabe, H. Miyazaki, T. Tosaka,
S. Hanai, S. Ioka, Abstract of CSSJ conference, 92（2015）174（7）	S. Hanai, T. Tsuchihashi, S. Ioka, K. Watanabe, S. Awaji,T. Oguro, Abstract of CSSJ conference, 92（2015）175（8）	K.Yamazaki, T. Kagiyama, M. Kikuchi, S. Yamade, T. Nakashima,
S. Kobayashi, G. Osabe, J. Fujikami, K. Hayashi and K. Sato,Supercond. Sci. Technol., vol. 25（2012）p. 054015

14

高強度Ni合金補強Bi-2223超電導線材----------------------------------------------------------------------------------------------------------＊主執筆者