СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ПРОВОД И СВЕРХПРОВОДЯЩАЯ КАТУШКА
SUPERCONDUCTING WIRE AND SUPERCONDUCTING COIL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к сверхпроводящему проводу, который подвергали нанесению изоляционного покрытия, и сверхпроводящей катушке.
Испрашивается приоритет японской патентной заявки №2012-044554, которая подана 29 февраля 2012 года, содержание которой включено в настоящий документ посредством ссылки.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Сверхпроводящий провод на металлической основе, сформированный из такого материала, как NbTi, которой стандартно используют, обеспечивается в форме круглого провода, прямоугольного провода или тому подобного. Соответственно, степень свободы геометрической формы является высокой. В отличие от этого, в высокотемпературном оксидном сверхпроводящем проводе, имеющем критическую температуру приблизительно от 90 до 100 K, который формируют из материала на основе Bi или на основе Y, сверхпроводящий слой формируют из керамики и структура стержня имеет форму ленты. Соответственно, механические характеристики, такие как сгибание и скручивание, вероятно ухудшаются.
Например, как показано на фиг. 4, сверхпроводящий провод 100, сформированный из материала на основе Bi, изготавливают в виде структуры, в которой сверхпроводящий слой 101, сформированный из материала на основе Bi, покрыт оплеточным элементом 102, сформированным из Ag, с использованием способа с порошком в трубке (PIT способ) или тому подобного. С другой стороны, структура сверхпроводящего провода 200 на основе редкоземельного элемента (например, Y) полностью отлична, например, как показано на фиг. 5.
В сверхпроводящем проводе 200, представленном на фиг. 5, оксидный сверхпроводящий слой 203 наслоен на металлическую подложку 201 в форме ленты с промежуточным слоем 202, вставленным между ними, с использованием способа осаждения, и стабилизирующие слои 204 и 205, например, выполненные из Ag и Cu, наслоены на них. Следовательно, в отличие от случая разработки сверхпроводящей катушки с использованием стержня, имеющего симметричную структуру в направлении толщины, как в сверхпроводящем проводе 100 на основе Bi, представленном на фиг. 4, для того, чтобы формировать сверхпроводящую катушку с использованием сверхпроводящей провода 200 на основе редкоземельного элемента, необходимо разрабатывать сверхпроводящую катушку, принимая в расчет направленность, например сгибание и скручивание.
Для того чтобы намотать сверхпроводящий провод в форме ленты для формирования катушки, необходимо покрыть сверхпроводящий провод изолирующим материалом для того, чтобы обеспечивать электрическую изоляцию между сверхпроводящими проводами.
В качестве способов нанесения изолирующего покрытия на сверхпроводящий провод известны способ намотки ленты из смолы, такой как полиимидная лента, на внешнюю периферию сверхпроводящего провода в форме ленты, и способ формирования покрытия из смолы на внешней периферической поверхности сверхпроводящего провода посредством нанесения смолы на внешнюю периферическую поверхность сверхпроводящей провода и спекания смолы (см. патентный документ 1).
ПАТЕНТНЫЕ ДОКУМЕНТЫ
[ПАТЕНТНЫЙ ДОКУМЕНТ 1] Нерассмотренная японская патентная заявка, первая публикация №2000-311526
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЯ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ, описанный в патентном документе 1, представляет собой способ, применяемый к сверхпроводящему проводу на основе Bi, который формируют с использованием PIT способа заполнения металлической трубки порошкообразным материалом оксидного сверхпроводника и осуществления обработки по уменьшению диаметра. Сверхпроводящий провод на основе Bi, сформированный посредством PIT способа, имеет эллиптическую форму поперечного сечения, как показано на фиг. 4, и покрытие смолой можно сформировать посредством нанесения смолы на всю внешнюю периферию сверхпроводящего провода и спекания смолы.
В отличие от этого, сверхпроводящий провод 200 на основе редкоземельного элемента, представленный на фиг. 5, имеет прямоугольную форму поперечного сечения и четыре острых угла. Следовательно, для того, чтобы осуществлять нанесение изолирующего покрытия на сверхпроводящий провод 200, исследовали способ формирования изолирующего покрытия посредством намотки изолирующей ленты, такой как полиимидные ленты, с перекрытием, или способ формирования изолирующего покрытия посредством нанесения толстого слоя смолы на внешнюю периферическую поверхность и спекания слоя смолы.
В сверхпроводящей катушке, пропитанной смолой, отслаивающее напряжение возникает в вертикальном направлении сверхпроводящего провода 200 во время охлаждения сверхпроводящей катушки из-за разности в тепловом расширении между эпоксидной смолой, которая представляет собой пропитывающий материал, и металлической подложкой 201 и стабилизирующим слоем 205, сформированным из Cu, которые формируют сверхпроводящий провод 200, или из-за усадки, когда нелинейное тепловое расширение при низких температурах принимают во внимание. Соответственно, существует возможность, возникновения повреждения сверхпроводящего провода.
Кроме того, когда осуществляют пропитывание эпоксидной смолой, осуществляют процесс принудительного распределения эпоксидной смолы по всем углам катушки с использованием способа вакуумного пропитывания. С другой стороны, когда пропитывание смолой осуществляют с использованием способа, отличного от способа вакуумного пропитывания, может снижаться механическая прочность (жесткость катушки) сверхпроводящей катушки. Следовательно, полагают, что способ вакуумного пропитывания является наиболее желательным.
В частности, когда сверхпроводящую катушку формируют с использованием сверхпроводящего провода, который покрывают изоляцией, и сверхпроводящую катушку пропитывают смолой с использованием способа вакуумного пропитывания или тому подобного, отслаивающее усилие возникает в вертикальном направлении сверхпроводящего провода 200 из-за разности теплового расширения, как описано выше. В сверхпроводящем проводе 200 на основе редкоземельного элемента, в котором множество слоев наслоены, как описано выше, бывают случаи, когда происходит снижение прочности, противодействующей отслаивающему напряжению.
Например, в случае структуры, в которой промежуточный слой 202, оксидный сверхпроводящий слой 203 и стабилизирующие слои 204 и 205 наслоены на металлическую подложку 201, существует возможность того, что часть промежуточного слоя 202 или сверхпроводящий слой 203 будет отслаиваться из-за действия отслаивающего напряжения, описанного выше.
Настоящее изобретение выполнено ввиду такой ситуации в связанной области техники, и задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предоставить сверхпроводящий провод, который имеет прослоенную структуру, в которой отслаивание не возникает в части каждого из промежуточного слоя и сверхпроводящего слоя, даже если отслаивающее напряжение возникает из-за обработки катушки.
Для того чтобы решать описанную выше проблему, сверхпроводящий провод в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения содержит: сверхпроводящую слоистую структуру, которая содержит: подложку; и промежуточный слой, сверхпроводящий слой, и металлический стабилизирующий слой, которые наслоены на подложку; и изолирующий покрывающий слой, который покрывает внешнюю поверхность сверхпроводящей слоистой структуры, и который формируют посредством спекания материала смолы. Максимальная высота Rz по меньшей мере части внешней поверхности сверхпроводящей слоистой структуры, покрытой изолирующим покрывающим слоем, составляет 890 мкм или меньше.
Если максимальная высота внешней поверхности сверхпроводящей слоистой структуры, на которой изолирующий покрывающий слой находится в тесном контакте, составляет 890 нм или меньше, изолирующий покрывающий слой прилипает к внешней поверхности сверхпроводящей слоистой структуры с подходящей адгезией. Следовательно, даже если напряжение прикладывают к сверхпроводящему проводу, содержащему изолирующий покрывающий слой, и усилие прикладывают в том направлении, в котором отслаивается каждый слой, отслаивание в промежуточном слое и сверхпроводящем слое подавляется, поскольку отслаивание возникает на границе раздела между изолирующим покрывающим слоем и стабилизирующим слоем. Следовательно, даже если сверхпроводящий провод перерабатывают в сверхпроводящую катушку, фиксируют посредством пропитывающей смолы, охлаждают охладителем и подвергают тепловому напряжению из-за разности в коэффициенте теплового расширения между металлом и смолой, можно предоставлять сверхпроводящую катушку, в которой отсутствует отслаивание в промежуточном слое и сверхпроводящем слое.
Кроме того, если всю периферию сверхпроводящей слоистой структуры покрывают изолирующим покрывающим слоем, можно предоставлять сверхпроводящую катушку, которая имеет структуру, способную предотвращать проникновение влаги в нее из внешнего окружения.
Шероховатость поверхности Ra по меньшей мере части внешней поверхности сверхпроводящей слоистой структуры, покрытой изолирующим покрывающим слоем, может составлять 80 нм или меньше.
Если шероховатость поверхности Ra внешней поверхности сверхпроводящей слоистой структуры, с которой изолирующий покрывающий слой находится в тесном контакте, составляет 80 нм или меньше, изолирующий покрывающий слой прилипает к внешней поверхности сверхпроводящей слоистой структуры с подходящей адгезией. Следовательно, даже если напряжение прикладывают к сверхпроводящему проводу, содержащему изолирующий покрывающий слой, и прикладывают усилие для отслаивания каждого слоя, отслаивание каждого из промежуточного слоя и сверхпроводящего слоя от слоя в тесном контакте с ними подавляется, поскольку отслаивание возникает на границе раздела между изолирующим покрывающим слоем и сверхпроводящей слоистой структурой.
По меньшей мере часть внешней поверхности сверхпроводящей слоистой структуры может содержать внешнюю поверхность слоя, наслоенного на внешнюю сторону сверхпроводящего слоя.
Поскольку внешняя поверхность сверхпроводящей слоистой структуры, которая определяет максимальную высоту или шероховатость поверхности, представляет собой часть, наслоенную на внешнюю сторону сверхпроводящего слоя, происходит снижение напряжения, прикладываемого в направлении, вызывающем расслоение, посредством отслаивания изолирующего покрывающего слоя от сверхпроводящей слоистой структуры. Как результат, подавляют отслаивание каждого из промежуточного слоя и сверхпроводящего слоя от слоя в тесном контакте с ними.
Металлический стабилизирующий слой может содержать первый стабилизирующий слой и второй стабилизирующий слой, наслоенный на первый стабилизирующий слой. Второй стабилизирующий слой можно формировать посредством металлической ленты или металлической ленты и связывающего материала, и внешнюю поверхность металлической ленты или внешнюю поверхность связывающего материала можно покрывать изолирующим покрывающим слоем.
Когда металлический стабилизирующий слой представляет собой двухслойную структуру из первого и второго стабилизирующих слоев, можно предоставлять структуру с чрезвычайно стабильными характеристиками сверхпроводимости, при этом реализуя снижение напряжения, описанное выше.
Металлический стабилизирующий слой может содержать первый стабилизирующий слой, который наносят на сверхпроводящий слой, и второй стабилизирующий слой, который предоставляют с тем, чтобы окружать периферию подложки, промежуточный слой, сверхпроводящий слой и первый стабилизирующий слой, и который формируют с помощью металлической ленты. Внешнюю поверхность второго стабилизирующего слоя можно покрывать изолирующим покрывающим слоем.
Если сверхпроводящий провод содержит второй стабилизирующий слой металлической ленты, предоставленный с тем, чтобы окружать периферию подложки, промежуточный слой, сверхпроводящий слой и первый стабилизирующий слой, происходит снижение напряжения, прикладываемого в направлении, вызывающем расслоение, посредством отслаивания изолирующего покрывающего слоя от сверхпроводящей слоистой структуры. Как результат, подавляют отслаивание каждого из промежуточного слоя и сверхпроводящего слоя от слоя в тесном контакте с ними. Кроме того, второй стабилизирующий слой металлической ленты выполняет функцию обхода при шунтировании тока, текущего через сверхпроводящий слой.
Металлический стабилизирующий слой может содержать первый стабилизирующий слой, второй стабилизирующий слой, предоставленный с тем, чтобы окружать периферию подложки, промежуточный слой, сверхпроводящий слой и первый стабилизирующий слой и третий стабилизирующий слой, предоставленный вдоль одной поверхности второго стабилизирующего слоя. Внешние поверхности второго и третьего стабилизирующих слоев можно покрывать изолирующим покрывающим слоем.
Если сверхпроводящий провод содержит третий стабилизирующий слой в дополнение к первому и второму стабилизирующим слоям, площадь поперечного сечения металлического стабилизирующего слоя при шунтировании тока, текущего через сверхпроводящий слой, можно обеспечивать насколько возможно, в то время как реализуют снижение напряжения, описанное выше. Следовательно, улучшается стабильность.
Металлический стабилизирующий слой может содержать первый стабилизирующий слой, нанесенный на сверхпроводящий слой, второй стабилизирующий слой, предоставленный с тем, чтобы окружать периферию подложки, промежуточный слой, сверхпроводящий слой и первый стабилизирующий слой и связывающий слой, наслоенный на внешнюю поверхность второго стабилизирующего слоя. Внешнюю поверхность связывающего слоя можно покрывать изолирующим покрывающим слоем.
Поскольку сверхпроводящий провод содержит связывающий слой в дополнение к первому и второму стабилизирующим слоям и максимальная высота или шероховатость внешней поверхности связывающего слоя попадает в определенный диапазон, напряжение, прикладываемое в направлении, вызывающем расслоение, снижают посредством отслаивания изолирующего покрывающего слоя от связывающего слоя. Как результат, можно подавлять отслаивание каждого из промежуточного слоя и сверхпроводящего слоя от слоя в тесном контакте с ними.
Сверхпроводящую катушку согласно второму аспекту настоящего изобретения формируют с помощью сверхпроводящего провода, который имеет любую из структур, описанных выше.
Согласно одному из аспектов настоящего изобретения, максимальную высоту Rz внешней поверхности сверхпроводящей слоистой структуры, с которой изолирующий покрывающий слой находится в тесном контакте, задают равной 890 нм или меньше, с тем, чтобы адгезионная прочность между сверхпроводящей слоистой структурой и изолирующим покрывающим слоем не стала излишне высокой. Соответственно, когда отслаивающее напряжение прикладывают к изолирующему покрывающему слою, можно предоставлять структуру, в которой отсутствует отслаивание изолирующего покрывающего слоя и части основания и отслаивание части каждого из промежуточного слоя и сверхпроводящего слоя от слоя в тесном контакте с ними.
Следовательно, даже если из сверхпроводящего провода согласно одному из аспектов настоящего изобретения формируют катушку и фиксируют пропитывающей смолой, возможно предоставлять сверхпроводящий провод, в котором отсутствует отслаивание в наслоенной части промежуточного слоя сверхпроводящей слоистой структуры и наслоенной части сверхпроводящего слоя.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 представлен схематический вид в поперечном разрезе, показывающий сверхпроводящий провод согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 2 представлен схематический вид в поперечном разрезе, показывающий сверхпроводящий провод согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 3 представлен схематический вид в поперечном разрезе, показывающий сверхпроводящий провод согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 4 представлен схематический вид в поперечном разрезе, показывающий пример структуры сверхпроводящего провода на основе Bi.
На фиг. 5 представлен схематический вид в поперечном разрезе, показывающий пример структуры сверхпроводящего провода на основе редкоземельного элемента.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Далее в настоящем документе сверхпроводящий провод согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения описан со ссылкой на схемы. Однако настоящее изобретение не ограничено вариантом осуществления, описанным ниже.
[Первый вариант осуществления]
На фиг. 1 представлен вид в перспективе частичного поперечного сечения вдоль направления ширины сверхпроводящего провода согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения. В сверхпроводящем проводе 10, представленном на фиг. 1, сверхпроводящая слоистая структура 5 сформирована посредством наслоения промежуточного слоя 2, оксидного сверхпроводящего слоя 3 и металлического стабилизирующего слоя 4 в этом порядке на одной поверхности подложки 1. То есть промежуточный слой 2 формируют на одной поверхности подложки 1, оксидный сверхпроводящий слой 3 формируют на внешней стороне промежуточного слоя 2 и металлический стабилизирующий слой 4 формируют на внешней стороне оксидного сверхпроводящего слоя 3. Кроме того, сверхпроводящий провод 10 формируют посредством покрытия всей внешней поверхности сверхпроводящей слоистой структуры 5 изолирующим покрывающим слоем 7. В настоящем варианте осуществления металлический стабилизирующий слой 4 формируют посредством первого стабилизирующего слоя 8, сформированного на оксидном сверхпроводящем слое 3, и второго стабилизирующего слоя 9, сформированного на первом стабилизирующем слое 8. Здесь, в настоящей заявке, внешняя сторона относится к стороне каждого слоя (элемента), противоположной стороне, на которой предусмотрена подложка, а внешняя поверхность относится к поверхности, обнаженной для внешнего окружения каждого слоя (элемента).
Для подложки 11 подложка, которую можно использовать в качестве подложки нормального сверхпроводящего провода, является предпочтительной и предпочтительно имеет форму длинной ленты. Подложку 11 предпочтительно формируют из жаростойкого металла. Среди жаростойких металлов сплав никеля (Ni) является более предпочтительным. Среди них Hastelloy (название продукта, производства U.S. Haynes Co.) является предпочтительным, если коммерчески доступен, и возможно использовать любой тип Hastelloy В, C, G, N, W, имеющий различные количества компонентов молибден (Mo), хром (Cr), железо (Fe), кобальт (Co) и т.п. Кроме того, используя ориентированную металлическую подложку, которую формируют посредством введения текстуры в никелевый сплав или тому подобное, в качестве подложки 1, промежуточный слой 2 и оксидный сверхпроводящий слой 3 также можно формировать на ориентированной металлической подложке. Толщину подложки 1 можно надлежащим образом корректировать в зависимости от желаемого исхода. Обычно является предпочтительным от 10 до 500 мкм и более предпочтительным является от 20 до 200 мкм.
Промежуточный слой 2 контролирует ориентацию кристаллов оксидного сверхпроводящего слоя 3 для того, чтобы предотвращать диффузию металлических элементов подложки 1 к стороне оксидного сверхпроводящего слоя 3. Кроме того, предпочтительно, промежуточный слой 2 выполняет функцию буферного слоя для того, чтобы уменьшать разницу между физическими характеристиками (коэффициент теплового расширения, период решетки и т.п.) подложки 1 и оксидного сверхпроводящего слоя 3, и материал промежуточного слоя 2 представляет собой оксид металла, физические характеристики которого демонстрируют промежуточные значения между подложкой 1 и оксидным сверхпроводящим слоем 3.
2
2
7
2
2
3
3
2
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
В частности, оксиды металлов, такие как GdZrO, MgO, ZrO-YO (YSZ), SrTiO, СеО, YO, AlO, GdO, ZrO, HoO и NdО, можно привести в качестве примера материалов промежуточного слоя 2.
Промежуточный слой 2 может представлять собой один слой или может представлять собой многослойную структуру. Например, предпочтительно слой, сформированный из оксида металла (слой оксида металла), имеет ориентацию кристаллов. В случае многослойной структуры предпочтительно по меньшей мере самый внешний слой (слой, ближайший к оксидному сверхпроводящему слою 3) имеет ориентацию кристаллов.
2
3
3
4
2
3
Промежуточный слой 2 может иметь многослойную структуру, в которой подстилающий слой вставляют на стороне подложки 1. Подстилающий слой представляет собой слой, имеющий высокую термостойкость, который используют для того, чтобы снижать реакционную способность на границе раздела, и который используют для того, чтобы добиваться ориентации пленки, расположенной на нем. Такой подстилающий слой располагают, когда необходимо, и формируют, например, из оксида иттрия (YO), нитрида кремния (SiN) или оксида алюминия (AlO). Толщина подстилающего слоя составляет, например, от 10 до 200 нм.
3
4
2
3
2
3
Промежуточный слой 2 может иметь многослойную структуру, в которой диффузионный барьерный слой и подстилающий слой наслаивают на сторону подложки 1. В этом случае, промежуточный слой 2 имеет структуру, в которой диффузионный барьерный слой вставляют между подложкой 1 и подстилающим слоем. Диффузионный барьерный слой формируют для того, чтобы предотвращать диффузию элементов подложки 1. Материал диффузионного барьерного слоя представляет собой нитрид кремния (SiN), оксид алюминия (AlO) или оксиды редкоземельных металлов, а толщина диффузионного барьерного слоя составляет от 10 до 400 нм. В качестве примера случая, когда диффузионный барьерный слой вставляют между подложкой 1 и подстилающим слоем, комбинация, в которой Al2O3 используют в качестве диффузионного барьерного слоя и YO используют в качестве подстилающего слоя, является образцовой.
Промежуточный слой 2 может иметь многослойную структуру, в которой верхний слой дополнительно наслаивают на слой оксида металла. Верхний слой имеет функцию контроля ориентации оксидного сверхпроводящего слоя 3, функцию подавления диффузии элементов, формирующих оксидный сверхпроводящий слой 3 в промежуточный слой 2, и реакции газа и промежуточного слоя 2 при наслоении оксидного сверхпроводящего слоя 3, и т.п.
Предпочтительно, верхний слой формируют посредством процесса, в котором осуществляют эпитаксиальный рост от поверхности слоя оксида металла и затем осуществляют рост зерен (наращивание) в горизонтальном направлении (плоское направление) с тем, чтобы кристаллические зерна избирательно росли в направлении плоскости. С помощью такого верхнего слоя получают ориентацию в плоскости, которая выше, чем таковая в случае слоя оксида металла.
2
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
Материал верхнего слоя конкретно не ограничен до тех пор, пока можно реализовывать описанные выше функции. В частности, СеО, YO, AlO, GdO; ZrO, HoO и NdO являются предпочтительными. Когда материал верхнего слоя представляет собой СеО, верхний слой может содержать оксид на основе Ce-M-O, в котором часть Ce заменена на атомы других металлов или ионы металлов.
Толщину промежуточного слоя 12 можно надлежащим образом корректировать в зависимости от желаемого исхода. Обычно толщина промежуточного слоя 12 составляет от 0,1 до 5 мкм.
Промежуточный слой 12 можно наслаивать с применением известных способов, таких как способы физического осаждения из паровой фазы, включая способ осаждения с поддержкой ионным лучом (далее в настоящем документе сокращенный как способ IBAD); способ химического осаждения из паровой фазы (способ CVD); способ осаждения металлоорганических соединений (способ MOD); и термическое напыление. В частности, слой оксида металла, сформированный посредством способа IBAD, является предпочтительным в том отношении, что ориентация кристаллов является высокой и эффект контроля ориентации кристаллов оксидного сверхпроводящего слоя 3 и верхнего слоя является высоким.
2
3
y
2
3
y
2
3
y
В качестве материала оксидного сверхпроводящего слоя 3 можно широко применять материалы для формирования оксидного сверхпроводника, которые имеют композицию, которая общеизвестна. Материалы, представленные посредством REBaCuO (RE обозначает редкоземельные элементы, такие как Y, La, Nd, Sm, Er и Gd), и в частности, Y123(YBaCuO) или Gd123 (GdBaCuO), представляют собой образцовые примеры.
Оксидный сверхпроводящий слой 13 можно наслаивать с использованием способов физического осаждения из паровой фазы, таких как способ распыления, способ вакуумного осаждения, способ лазерного осаждения и способ осаждения электронным пучком; способ химического осаждения из паровой фазы (способ CVD); и способ осаждения металлоорганических соединений (способ MOD). Среди них способ лазерного осаждения является предпочтительным.
Предпочтительно, чтобы толщина оксидного сверхпроводящего слоя 13 составляла приблизительно от 0,5 до 5 мкм и чтобы достигалась однородная толщина.
Первый стабилизирующий слой 8, наслоенный на оксидный сверхпроводящий слой 3, формируют из хорошо известного металлического материала, имеющего хорошую электрическую проводимость и низкое контактное сопротивление для оксидного сверхпроводящего слоя 3, такого как Ag или другой драгоценный металл. В случае формирования первого стабилизирующего слоя 8 из Ag, толщина составляет приблизительно от 1 до 30 мкм.
Второй стабилизирующий слой 9, наслоенный на первый стабилизирующий слой 8, формируют из металлического материала, который имеет высокую проводимость и выполняет функцию обхода, на который переключают ток оксидного сверхпроводящего слоя 3, вместе с первым стабилизирующим слоем 8, когда оксидный сверхпроводящий слой 3 переводят из сверхпроводящего состояния в состояние нормальной проводимости.
В качестве металлического материала, который формирует второй стабилизирующий слой 9, можно использовать какой-либо материал, который имеет высокую проводимость. Несмотря на то что материал второго стабилизирующего слоя 9 конкретно не ограничен, предпочтительно использовать относительно недорогостоящий материал, такой как медь, сплавы меди, включая латунь (сплав Cu-Zn), и сплав Cu-Ni или нержавеющая сталь. Среди них медь является предпочтительной, поскольку она имеет высокую проводимость и стоит недорого.
Когда оксидный сверхпроводящий провод 10 используют для сверхпроводящего ограничителя тока повреждения, второй стабилизирующий слой 9 формируют из резистивного металлического материала и можно использовать сплав на основе Ni, такой как Ni-Cr.
Способ формирования второго стабилизирующего слоя 9 конкретно не ограничен. Например, второй стабилизирующий слой 9 можно наслаивать посредством связывания металлической ленты, которую формируют из высокопроводящего материала, такого как медь, на первом стабилизирующем слое 8 с использованием связывающего материала, такого как припой. В качестве другого способа формирования второго стабилизирующего слоя 9 металлическую ленту можно предоставлять без связывающего материала. Кроме того, металлическую ленту, имеющую поверхность, покрытую связывающим материалом, можно использовать в качестве второго стабилизирующего слоя 9.
Максимальную высоту (максимальную шероховатость высоты) Rz (JIS В 0601:2001) внешней поверхности второго стабилизирующего слоя 9, то есть верхней поверхности и обеих боковых поверхностей второго стабилизирующего слоя 9, представленных на фиг. 1, задают равной 890 нм или меньше. Максимальная высота внешней поверхности второго стабилизирующего слоя 9 предпочтительно составляет 887 нм или меньше и более предпочтительно в диапазоне от 189 до 887 нм.
Шероховатость поверхности (среднеарифметическая шероховатость) Ra (JIS В 0601:2001) внешней поверхности второго стабилизирующего слоя 9 предпочтительно составляет 80 нм или меньше. Шероховатость поверхности Ra внешней поверхности второго стабилизирующего слоя 9 более предпочтительно находится в диапазоне от 30 до 77 нм. Более предпочтительно внешняя поверхность второго стабилизирующего слоя 9 попадает в диапазон максимальной высоты Rz, описанной выше, и попадает в диапазон шероховатости поверхности Ra, описанной выше.
Изолирующий покрывающий слой 7 находится в тесном контакте с внешней поверхностью второго стабилизирующего слоя 9, но состояние неровности внешней поверхности второго стабилизирующего слоя 9 влияет на адгезию изолирующего покрывающего слоя 7. Когда неровность внешней поверхности второго стабилизирующего слоя 9 велика, анкерный эффект обусловлен большой неровностью. Соответственно, происходит повышение адгезии изолирующего покрывающего слоя 7. С другой стороны, когда неровность мала, происходит снижение адгезии изолирующего покрывающего слоя 7. Когда напряжение прикладывают в направлении расслоения для оксидного сверхпроводящего провода 10, если неровность внешней поверхности слишком велика и, соответственно, адгезия изолирующего покрывающего слоя 7 слишком велика, часть каждого из промежуточного слоя 2 и сверхпроводящего слоя 3 может отслаиваться от слоя в тесном контакте с ними без отслаивания на границе между вторым стабилизирующим слоем 9 и изолирующим покрывающим слоем 7. По этой причине, предпочтительной является адгезия, которая необходима для изолирующего покрывающего слоя 7 и которая вызывает отслаивание на границе раздела между изолирующим покрывающим слоем 7 и вторым стабилизирующим слоем 9, не вызывая отслаивания каждого промежуточного слоя 2 и сверхпроводящего слоя 3 от слоя в тесном контакте с ними, когда прикладывают напряжение. Следовательно, предпочтительно задавать максимальную высоту и шероховатость внешней поверхности второго стабилизирующего слоя 9, чтобы попадать в диапазон, описанный выше.
Далее, в качестве припоя, который можно использовать при формировании второго стабилизирующего слоя 9 посредством наслоения металлической ленты на первый стабилизирующий слой 8 с использованием припоя, можно использовать припой, известный в связанной области, без конкретных ограничений. Например, можно использовать бессвинцовый припой, содержащий Sn в качестве основного компонента, такой как сплав на основе Sn-Ag, сплав на основе Sn-Bi, сплав на основе Sn-Cu или сплав на основе Sn-Zn, припойный сплав на основе Pb-Sn, эвтектический припой, низкотемпературный припой и т.п. Один или два или более типов припоя также можно использовать в комбинации. Среди них предпочтительно использовать припой, который имеет температуру плавления 300°C или ниже. В этом случае, поскольку возможно припаивать металлическую ленту и первый стабилизирующий слой 8 при температуре 300°C или ниже, возможно предотвращать ухудшение характеристик оксидного сверхпроводящего слоя 3 из-за тепла пайки.
Толщина второго стабилизирующего слоя 9 конкретно не ограничена и ее можно надлежащим образом корректировать. Предпочтительно, толщина второго стабилизирующего слоя 9 составляет от 10 до 300 мкм.
В сверхпроводящей слоистой структуре 5, имеющей приблизительно прямоугольную форму поперечного сечения, в которой наслаивают подложку 1, промежуточный слой 2, оксидный сверхпроводящий слой 3, первый стабилизирующий слой 8 и второй стабилизирующий слой 9, предпочтительно все угловые части 5a четырех углов в сечении вдоль направления ширины представляют собой изогнутые поверхности, имеющие определенный радиус кривизны. Поскольку угловая часть 5a представляет собой изогнутую поверхность, которая имеет определенный радиус кривизны, возможно наносить и сушить (отверждать) смолу единообразно на всей внешней периферии, включая угловые части 5a сверхпроводящей слоистой структуры 5 при формировании изолирующего покрывающего слоя 7, который описан далее. Следовательно, возможно формировать изолирующий покрывающий слой 7, который полностью покрывает всю внешнюю периферию сверхпроводящей слоистой структуры 5. В этом случае сверхпроводящую слоистую структуру 5 можно полностью изолировать от внешнего окружения посредством изолирующего покрывающего слоя 7. В сверхпроводящем проводе 10 со структурой, представленной на фиг. 1, обе угловые части на стороне нижней поверхности подложки 1 представляют собой изогнутые поверхности и обе угловые части на стороне верхней поверхности второго стабилизирующего слоя 9 представляют собой изогнутые поверхности, и сформировано всего четыре угловые части 5a. Предпочтительно радиус кривизны каждой угловой части 5a задают в диапазоне от 15 до 150 мкм.
В качестве способа обработки угловой части 5a сверхпроводящей слоистой структуры 5 для создания изогнутой поверхности, можно применять способ закругления, который известен в связанной области. Например, каждую угловую часть сверхпроводящей слоистой структуры 5 можно обрабатывать для создания угловой части, имеющей желаемый радиус кривизны, посредством полировки с использованием полирующего устройства или инструмента, такого как рашпиль.
При обработке угловой части 5a сверхпроводящей слоистой структуры 5 для создания изогнутой поверхности, угловую часть можно обрабатывать после формирования сверхпроводящей слоистой структуры 5. Кроме того, сверхпроводящую слоистую структуру 5 можно формировать посредством наслоения каждого слоя после обработки обеих угловых частей подложки 1 и обеих угловых частей второго стабилизирующего слоя 9 для создания изогнутых поверхностей предварительно.
Изолирующий покрывающий слой 7, который покрывает всю внешнюю периферию сверхпроводящей слоистой структуры 5, формируют посредством нанесения и последующей спекания (отверждения) смолы на всей внешней периферии сверхпроводящей слоистой структуры 5, и толщину предпочтительно задают, например, равной 12 мкм или больше.
Несмотря на то что верхний предел толщины изолирующего покрывающего слоя 7 конкретно не ограничен, предпочтительно задавать толщину 20 мкм или меньше. Задавая толщину изолирующего покрывающего слоя от 7 до 20 мкм или меньше, возможно снижать площадь изолирующего покрывающего слоя 7, занимающего площадь поперечного сечения сверхпроводящего провода 10. Следовательно, возможно снижать размер сверхпроводящего провода 10 и можно подавлять снижение плотности тока посредством снижения необходимой площади поперечного сечения сверхпроводящего слоя 3, когда сверхпроводящий провод 10 перерабатывают в катушку.
Смола, которая формирует изолирующий покрывающий слой 7, конкретно не ограничена до тех пор, пока слой можно формировать посредством спекания (отверждения). Например, можно использовать формалевую смолу, уретановую смолу, полиимидную смолу, полиамидимидную смолу, полиэфирную смолу, полиэфирэфиркетоновую смолу (PEEK смолу), и фторсодержащую смолу, такую как политетрафторэтилен (тетрафторированная смола, PTFE).
Среди них является предпочтительной смола, которую можно сушить при температуре 200°C или ниже, например, от 170 до 200°C. Используя такую смолу, температура спекания не становится слишком высокой при формировании изолирующего покрывающего слоя 7. Соответственно, второй стабилизирующий слой 9, который формируют посредством связывания металлической ленты с использованием припоя или тому подобного, не отслаивается из-за плавления припоя.
Горячую сушку смолы при формировании изолирующего покрывающего слоя 7 предпочтительно осуществляют при температуре 200°C или ниже, например, от 170 до 200°C, и время спекания можно корректировать надлежащим образом. Посредством спекания смолы при таких условиях, можно подавлять отслаивание второго стабилизирующего слоя 9 из-за плавления припоя и повреждение оксидного сверхпроводящей слоя 3.
Способ нанесения смолы конкретно не ограничен, и возможно применять способы, известные в связанной области, такие как способ нанесения покрытия окунанием или способ нанесения покрытия распылением.
В способе формирования изолирующего покрывающего слоя 7 на сверхпроводящей слоистой структуре 5, нанесение покрытия и спекание смолы можно осуществлять только один раз, или нанесение покрытия и спекание смолы можно повторять множество раз, пока не сформируется изолирующий покрывающий слой 7, который имеет желаемую толщину.
В высокотемпературном сверхпроводящем проводе 10 по настоящему варианту осуществления возможно реализовать структуру, в которой всю внешнюю периферию, включая угловую часть 5a сверхпроводящей слоистой структуры 5, полностью покрывают изолирующим покрывающим слоем 7. Соответственно, в высокотемпературном сверхпроводящем проводе 10 по настоящему варианту осуществления, поскольку сверхпроводящую слоистую структуру 5 изолируют от внешнего окружения посредством изолирующего покрывающего слоя 7, возможно снижать проникновение влаги или тому подобного в оксидный сверхпроводящий слой 3. Как результат, можно подавлять ухудшение характеристик сверхпроводимости. Часть композиции редкоземельного оксидного сверхпроводника восприимчива к влаге, поскольку она вступает в реакцию с ней. Следовательно, влияние влаги можно устранять, полностью покрывая часть изолирующим покрывающим слоем 9.
Кроме того, когда оксидный сверхпроводящий провод 10 наматывают вокруг каркаса в виде катушки и затем фиксируют пропитывающей смолой и охлаждают до критической температуры или ниже с использованием охладителя, напряжение возникает из-за разности в тепловом расширении между металлом и смолой, поскольку подложку 1 и второй стабилизирующий слой 9, каждый из которых имеет большую площадь поперечного сечения, занимающую оксидный сверхпроводящий провод 10, формируют из металла, и пропитывающую смолу и изолирующий покрывающий слой 7 формируют из смолы. Следовательно, возникает напряжение, вызывающее расслоение в направлении толщины оксидного сверхпроводящего провода 10. В этом случае изолирующий покрывающий слой 7 находится в тесном контакте со вторым стабилизирующим слоем 9 при подходящей силе адгезии. Соответственно, когда большое усилие прикладывают в направлении, ведущем к расслоению, изолирующий покрывающий слой 7 отслаивают со второго стабилизирующего слоя 9 прежде, чем отслоение возникнет на границе раздела между промежуточным слоем 2 и сверхпроводящим слоем 3. Как результат, происходит снижение напряжения.
По этой причине, даже если оксидный сверхпроводящий провод 10 по настоящему варианту осуществления наматывают и затем фиксируют с использованием пропитывающей смолы и охлаждают охладителем, возможно получать оксидный сверхпроводящий провод 10 и сверхпроводящую катушку, характеристики сверхпроводимости которых не ухудшаются без расслоения промежуточного слоя 2 и сверхпроводящего слоя 3.
[Второй вариант осуществления]
На фиг. 2 представлен схематический вид в поперечном разрезе вдоль направления ширины сверхпроводящего провода согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.
В сверхпроводящем проводе 10B, представленном на фиг. 2, наслоенную подложку S2 формируют посредством наслоения промежуточного слоя 2, оксидного сверхпроводящего слоя 3 и первого стабилизирующего слоя 8 в этом порядке на одной поверхности подложки 1, и она имеет прямоугольную форму поперечного сечения. Кроме того, сверхпроводящая слоистая структура 5B содержит описанную выше наслоенную подложку S2 в середине, и его формируют посредством покрытия периферии (почти всей внешней периферической поверхности) описанной выше наслоенной подложки S2 вторым стабилизирующим слоем 12. Форма горизонтального поперечного сечения сверхпроводящей слоистой структуры 5B представляет собой приблизительно прямоугольную форму. Кроме того, сверхпроводящий провод 10B формируют посредством покрытия всей внешней периферической поверхности сверхпроводящей слоистой структуры 5B изолирующим покрывающим слоем 7B. В настоящем варианте осуществления металлический стабилизирующий слой 4B выполнен с возможностью содержать первый стабилизирующий слой 8, сформированный на оксидном сверхпроводящем слое 3, и второй стабилизирующий слой 12, который покрывает почти всю внешнюю периферическую поверхность наслоенной подложки S2.
Второй стабилизирующий слой 12 по настоящему варианту осуществления формируют из металлического материала, который имеет высокую проводимость и выполняет функцию обхода, который перенаправляет ток оксидного сверхпроводящего слоя 3, вместе с первым стабилизирующим слоем 8, когда оксидный сверхпроводящий слой 3 переводят из сверхпроводящего состояния в состояние нормальной проводимости. Второй стабилизирующий слой 12, имеющий форму металлической ленты, располагают вдоль периферической поверхности наслоенной подложки S2 с тем, чтобы иметь приблизительно C-образную форму поперечного сечения, и предоставляют с тем, чтобы покрывать почти всю периферическую поверхность наслоенной подложки S2. Более конкретно, второй стабилизирующий слой 12 располагают с тем, чтобы покрывать почти всю периферию наслоенной подложки S2, за исключением средней части на стороне другой поверхности (поверхности, на которой промежуточный слой 2 не формируют) подложки 1. Часть, которую не покрывают вторым стабилизирующим слоем 12 в средней части на другой стороне поверхности подложки 1, покрывают слоем 13 припоя, которым заполняют выемку между двумя краями второго стабилизирующего слоя 12. Когда наслоенную подложку S2 и второй стабилизирующий слой 12 объединяют с использованием слоя 13 припоя, как в настоящем варианте осуществления, слой припоя можно предоставлять между наслоенной подложкой S2 и вторым стабилизирующим слоем 12.
В качестве металлического материала, который формирует второй стабилизирующий слой 12, можно применять металлический материал, который формирует второй стабилизирующий слой 9 по первому варианту осуществления, описанному ранее. Также для толщины металлического материала можно выбирать тот же диапазон. Кроме того, несмотря на то что не представлено на фиг. 2, когда второй стабилизирующий слой 12, имеющий форму металлической ленты объединяют с внешней периферией наслоенной подложки S2 через припой, слой припоя присутствует между наслоенной подложкой S2 и вторым стабилизирующим слоем 12.
Сверхпроводящий провод 10B по настоящему варианту осуществления отличается от сверхпроводящего провода 10 по приведенному выше первому варианту осуществления тем, что второй стабилизирующий слой 12 покрывает почти всю периферию, за исключением части, где слой 13 припоя предусмотрен на внешней периферической поверхности наслоенной подложки S2.
В сверхпроводящем проводе 10B, представленном на фиг. 2, те же номера позиций присвоены тем же компонентам, что и в сверхпроводящем проводе 10, представленном на фиг. 1, и здесь их подробное описание будет пропущено.
В сверхпроводящей слоистой структуре 5B угловая часть 12a второго стабилизирующего слоя 12 на поперечном сечении вдоль направления ширины представляет собой изогнутую поверхность, которая имеет радиус кривизны. Следовательно, при формировании изолирующего покрывающего слоя 7B, возможно наносить и сушить смолу на всей внешней периферии, включая угловую часть 12a, и возможно формировать изолирующий покрывающий слой 7B, который покрывает всю внешнюю периферию второго стабилизирующего слоя 12. Предпочтительно радиус кривизны угловой части 12a задают в диапазоне от 15 до 150 мкм.
Изолирующий покрывающий слой 7B формируют посредством нанесения смолы на всю внешнюю периферию второго стабилизирующего слоя 12 и последующей спекания смолы. Смола, которая формирует изолирующий покрывающий слой 7B, конкретно не ограничена до тех пор, пока слой можно формировать посредством спекания и можно использовать тот же материал смолы, как смола, используемая в сверхпроводящем проводе 10 по первому варианту осуществления.
Внешнюю поверхность второго стабилизирующего слоя 12, то есть периферическую поверхность второго стабилизирующего слоя 12, представленную на фиг. 2, формируют так, что максимальная высота (максимальная шероховатость высоты) Rz (JIS В 0601:2001) составляет 890 нм или меньше. Максимальная высота Rz внешней поверхности второго стабилизирующего слоя 9 предпочтительно составляет 887 нм или меньше, и более предпочтительно находится в диапазоне от 189 до 887 нм.
Шероховатость поверхности (среднеарифметическая шероховатость) Ra внешней поверхности второго стабилизирующего слоя 12 предпочтительно составляет 80 нм или меньше. Шероховатость поверхности Ra внешней поверхности второго стабилизирующего слоя 12 более предпочтительно находится в диапазоне от 30 до 77 нм. Более предпочтительно попадать в диапазон шероховатости поверхности Ra, описанный выше, после определения максимальной высоты внешней поверхности второго стабилизирующего слоя 12 в диапазоне, описанном выше. В настоящем варианте осуществления, всю внешнюю поверхность второго стабилизирующего слоя 12 не нужно формировать в диапазоне значений максимальной высоты Rz и средней шероховатости Ra, описанных выше. Поскольку второй стабилизирующий слой 12 по настоящему варианту осуществления предоставляют для того, чтобы предотвращать отслаивание части из каждого промежуточного слоя 2 и оксидного сверхпроводящего слоя 3 от слоя в тесном контакте с ними, только внешнюю поверхность второго стабилизирующего слоя 12, расположенную над положением, где наслаивают промежуточный слой 2 и сверхпроводящий слой 3, можно формировать с тем, чтобы иметь максимальную высоту или среднюю шероховатость, описанные выше.
В сверхпроводящем проводе 10B по настоящему варианту осуществления возможно реализовать структуру, в которой всю внешнюю периферию, включая угловую часть 12a, сверхпроводящей слоистой структуры 5B полностью покрывают изолирующим покрывающим слоем 7B. Соответственно, в высокотемпературном сверхпроводящем проводе 10B по настоящему варианту осуществления, поскольку сверхпроводящая слоистая структура 5B изолирована от внешнего окружения посредством изолирующего покрывающего слоя 7B, возможно снижать количество влаги или тому подобного, которое проникает в оксидный сверхпроводящий слой 3. Как результат, можно подавлять ухудшение характеристик сверхпроводимости. Когда угловая часть 12a не представляет собой изогнутую поверхность, смола вокруг угловой части отваливается или истончается при нанесении смолы. Как результат, существует возможность того, что может не быть сформирован изолирующий покрывающий слой, который должен покрывать угловую часть. Следовательно, предпочтительно угловая часть 12a представляет собой изогнутую поверхность в такой степени, что смола достаточно заполняет прилегающее пространство (смолу формируют на угловой части 12a).
Кроме того, когда оксидный сверхпроводящий провод 10B наматывают вокруг каркаса в виде катушки и затем фиксируют пропитывающей смолой и охлаждают до критической температуры или ниже с использованием охладителя, напряжение возникает из-за разности в тепловом расширении между металлом и смолой. Соответственно, существует возможность того, что возникнет напряжение, вызывающее расслоение вдоль направления толщины оксидного сверхпроводящего провода 10B. Когда больше усилие прикладывают в направлении, ведущем к расслоению, изолирующий покрывающий слой 7B отслаивают от второго стабилизирующего слоя 12 прежде, чем каждый из промежуточного слоя 2 и сверхпроводящего слоя 3 начнет отслаиваться от слоя в тесном контакте с ними. Как результат, происходит снижение напряжения. То есть внешнюю поверхность второго стабилизирующего слоя 12 корректируют для того, чтобы попадать в диапазон подходящей максимальной высоты или диапазон подходящей шероховатости поверхности, как описано выше, и изолирующий покрывающий слой 7B прилипает ко второму стабилизирующему слою 12 с подходящей адгезией. Следовательно, описанное выше напряжение можно снижать, заставляя изолирующий покрывающий слой 7B отслаиваться от второго стабилизирующего слоя 12 без отслаивания части каждого из промежуточного слоя 2 и сверхпроводящего слоя 3 от слоя в тесном контакте с ними.
По этой причине, даже если оксидный сверхпроводящий провод 10B по настоящему варианту осуществления наматывают и затем фиксируют пропитывающей смолой и охлаждают охладителем, отслоение промежуточного слоя 2 и сверхпроводящего слоя 3 от слоя в тесном контакте с ними не возникает. Следовательно, возможно получать оксидный сверхпроводящий провод 10B и сверхпроводящую катушку, характеристики сверхпроводимости которых не ухудшаются.
[Третий вариант осуществления]
На фиг. 3 представлен схематический вид в поперечном разрезе вдоль направления ширины высокотемпературного сверхпроводящего провода согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения.
В высокотемпературном сверхпроводящем проводе 10F, представленном на фиг. 3, наслоенную подложку S6 формируют посредством наслоения промежуточного слоя 2, оксидного сверхпроводящей слоя 3 и первого стабилизирующего слоя 8 в этом порядке на подложку 1. Кроме того, сверхпроводящая слоистая структура 5F содержит наслоенную подложку S6 в середине и ее формируют посредством покрытия всей внешней периферии наслоенной подложки S6 вторым стабилизирующим слоем 22. Горизонтальная форма поперечного сечения сверхпроводящей слоистой структуры 5F представляет собой приблизительно прямоугольную форму. Изолирующий покрывающий слой 7F, который покрывает всю внешнюю периферическую поверхность сверхпроводящей слоистой структуры 5F, формируют на внешней периферической поверхности сверхпроводящей слоистой структуры 5F с использованием связывающего слоя 23, сформированного из олова, вставленного между ними. Связывающий слой 23 можно формировать на всей внешней периферической поверхности сверхпроводящей слоистой структуры 5F. Несмотря на то что всю внешнюю периферию наслоенной подложки S6 покрывают посредством второго стабилизирующего слоя 22 на фиг. 3, настоящее изобретение не ограничено этим. Как во втором варианте осуществления, часть наслоенной подложки S6 может не быть покрыта, и припой можно формировать в этой части. Как во втором варианте осуществления, когда наслоенную подложку S6 и второй стабилизирующий слой 22 объединяют с использованием припоя, слой припоя можно предоставлять между наслоенной подложкой S6 и вторым стабилизирующим слоем 22. Кроме того, материал, формирующий связывающий слой 23, не ограничен оловом, и можно использовать припой. В сверхпроводящем проводе 10F, представленном на фиг. 3, те же номера позиций даны тем же компонентам, как в сверхпроводящем проводе 10, представленном на фиг. 1, и здесь их подробное описание будет пропущено.
В сверхпроводящем проводе 10F, представленном на фиг. 3, максимальную высоту (максимальную шероховатость высоты) Rz периферической поверхности связывающего слоя 23 задают равной 890 нм или меньше.
Максимальная высота внешней поверхности связывающего слоя 23 предпочтительно составляет 887 нм или меньше и более предпочтительно в диапазоне от 189 до 887 нм.
Шероховатость Ra внешней поверхности связывающего слоя 23 предпочтительно составляет 80 нм или меньше.
Шероховатость Ra внешней поверхности связывающего слоя 23 более предпочтительно находится в диапазоне от 30 до 77 нм. Более предпочтительно внешняя поверхность связывающего слоя 23 попадает в диапазон максимальной высоты Rz, описанный выше, и попадает в диапазон шероховатости поверхности Ra, описанный выше.
В настоящем варианте осуществления вся внешняя поверхность связывающего слоя 23 не должна быть сформирована с тем, чтобы иметь максимальную высоту и среднюю шероховатость, описанные выше. В настоящем варианте осуществления, для того, чтобы предотвращать отслаивание каждого из промежуточного слоя 2 и оксидного сверхпроводящего слоя от слоя в тесном контакте с ними, только внешнюю поверхность связывающего слоя 23, расположенную в положение, где наслаивают промежуточный слой 2 и сверхпроводящий слой 3, можно формировать с тем, чтобы иметь максимальную высоту или среднюю шероховатость, описанные выше.
В сверхпроводящей слоистой структуре 5F, имеющей приблизительно прямоугольную форму поперечного сечения, угловая часть 22a на поперечном сечении вдоль направления ширины второго стабилизирующего слоя 22 представляет собой изогнутую поверхность, которая имеет радиус кривизны. Следовательно, при формировании изолирующего покрывающего слоя 7F, возможно полностью наносить и сушить смолу на всей внешней периферии второго стабилизирующего слоя 22, включая угловую часть 22a, и возможно формировать изолирующий покрывающий слой 7F, который покрывает всю внешнюю периферию сверхпроводящей слоистой структуры 5F. Предпочтительно, радиус кривизны угловой части 22a задают в диапазоне от 15 до 150 мкм.
В структуре по третьему варианту осуществления возможно достигать тех же эффектов, как в структуре по первому и второму вариантам осуществления, описанным выше.
То есть, когда большое усилие прикладывают в направлении, ведущем к расслоению, изолирующий покрывающий слой 7F отслаивают от внешней поверхности связывающего слоя 23 прежде, чем отслаивают каждый из промежуточного слоя 2 и сверхпроводящего слоя 3 от слоя в тесном контакте с ними. Как результат, происходит снижение напряжения.
По этой причине, даже если оксидный сверхпроводящий провод 10F по настоящему варианту осуществления наматывают и затем фиксируют пропитывающей смолой и охлаждают охладителем, возможно получать оксидный сверхпроводящий провод 10F и сверхпроводящую катушку, характеристики сверхпроводимости которых не ухудшаются без отслоения промежуточного слоя 2 и сверхпроводящего слоя 3 от слоя в тесном контакте с ними.
[Примеры]
Далее в настоящем документе настоящее изобретение описано более подробно в виде примеров, но настоящее изобретение не ограничено этими примерами.
2
3
2
3
2
3
2
2
3
7
2
АlO (диффузионный барьерный слой; 150 нм в толщину) формировали на подложке Hastelloy (название продукта, производства U.S. Haynes Co.), которая имеет форму ленты шириной 5 мм и толщиной 0,1 мм с использованием способа напыления, и YO (подстилающий слой; 20 нм в толщину) формировали на слое AlO с использованием способа ионно-лучевого напыления. Затем MgO (слой оксида металла; 10 нм в толщину) формировали на подстилающем слое с использованием способа распыления с поддержкой ионным лучом (способ IBAD), и СеО (верхний слой) толщиной 1,0 мкм формировали на слое MgO с использованием способа осаждения импульсным лазером (способ PLD). Затем GdBaCuO (оксидный сверхпроводящий слой) толщиной 1,0 мкм формировали на слое CeO с использованием способа PLD, и слой Ag (первый стабилизирующий слой) толщиной 2 мкм формировали на оксидном сверхпроводящем слое с использованием способа распыления, тем самым изготавливая множество слоистых структур.
Затем Cu ленту (второй стабилизирующий слой) толщиной 0,1 мм или Cu ленту толщиной 0,05 мм связывали со слоем Ag этих слоистых структур с использованием оловянного припоя (температура плавления 230°C), тем самым изготавливая сверхпроводящую слоистую структуру шириной 5 мм и толщиной 0,19 мм или 0,14 мм.
Затем множество сверхпроводящих проводов с наслоенной структурой, представленной на фиг. 1, изготавливали посредством формирования изолирующего покрывающего слоя толщиной 20 мкм на каждой изготовленной сверхпроводящей слоистой структуре посредством спекания формалевой смолы (например, Vinylec F производства Chisso Corporation) при температуре 185°C, тем самым получая образцы из примеров 1 и 2.
Кроме того, сверхпроводящую слоистую структуру формировали посредством покрытия слоистой структуры слоем омеднения толщиной 20 мкм вместо медной ленты толщиной 0,1 мм или 0,05 мм в приведенном выше примере, и изолирующий покрывающий слой из той же формалевой смолы, как в примерах 1 и 2, формировали на сверхпроводящей слоистой структуре, тем самым получая образец из сравнительного примера 1.
Затем изготавливали сверхпроводящий провод со структурой, в которой формированием рулона медной ленты, имеющей поверхность, которую подвергали покрытию оловом, покрывали сверхпроводящей слоистой структурой вместо медной ленты толщиной 0,1 мм или 0,05 мм в примере, описанном выше, тем самым получая образец из примера 3. В примере 3, основание изолирующего покрывающего слоя, которое описано далее, подвергают покрытию оловом.
Для каждого из изготовленных образцов сверхпроводящих проводов осуществляли оценки характеристик сверхпроводимости и тест на отслаивание.
Для измерения характеристик сверхпроводимости критические значения плотности тока при 77 K измеряли для сверхпроводящей слоистой структуры до спекания формалевой смолы и для сверхпроводящего провода после спекания, и вычисляли отношение критических значений плотности тока до и после спекания формалевой смолы.
Тест на отслаивание осуществляли согласно способу с вытягиванием стержня с использованием цилиндрического штыря, сформированного из алюминия с ϕ 2,7 мм. Адгезив прикрепляли к кончику штыря и прижимали к центру верхней поверхности изолирующего покрывающего слоя, и осуществляли нагревание и отверждение. Затем штырь тянули в направлении от изолирующего покрывающего слоя в осевом направлении, и прочность на разрыв в этот момент устанавливали в качестве прочности на отслоение.
Таблица 1
Параметры
Сравнительный пример 1
Пример 1
Пример 2
Пример 3
Толщина подложки (мкм)
100
100
100
100
Толщина стабилизирующей меди (мкм)
20
50
100
20
Структура стабилизирующего медного слоя
Омеднение
Связывание
Связывание
Формирование
Ширина стержня (мм)
5
5
5
5
Результаты измерения критического тока до и после теста
0,97
0,95
0,99
0,99
Максимальная высота Rz (нм)
898
550
220
189
1207
360
554
610
2375
685
758
887
Шероховатость поверхности Ra (нм)
83,7
51,0
30,1
30,2
145,2
36,4
50,8
43,7
186,4
63,1
66,2
76,5
Результат теста на отслаивание (N=2) (мПа)
54,1
23,6
9,8
16,9
36,2
18,2
10,2
4,9
Оценка
X (расслоение)
О (нет расслоения сверхпроводящей слоя и промежуточного слоя)
По результатам, представленным в таблице 1, в стабилизирующем слое из меди в качестве основания покрывающего слоя смолы, значение прочности на отслоение образца из сравнительного примера 1, в котором значение максимальной высоты Rz поверхности было большим, было велико. Однако происходило отслаивание части промежуточного слоя или сверхпроводящего слоя. Это интерпретировали следующим образом. Если неровность поверхности медного стабилизирующего слоя велика, изолирующий покрывающий слой приводят в тесный контакт со стабилизирующим слоем посредством анкерного эффекта из-за неровности стабилизирующего слоя. Соответственно, когда покрывающий слой смолы сильно тянут наружу за штырь, адгезия между каждым из промежуточного слоя и сверхпроводящего слоя и слоем в тесном контакте с ними становится слабой прежде, чем возникает отслаивание на границе раздела между покрывающим слоем смолы и стабилизирующим слоем. Как результат, каждый из промежуточного слоя и сверхпроводящего слоя отслаивают от слоя в тесном контакте с ними.
В отличие от этого, во всех образцах из примеров с 1 до 3, в которых значение максимальной высоты Rz меньше такового в образце из сравнительного примера 1, изолирующий покрывающий слой отслаивали от стабилизирующего слоя, но отслаивание отсутствовало в части, в которой промежуточный слой и сверхпроводящий слой находились в тесном контакте. Изолирующий покрывающий слой формируют для изоляции. Соответственно, даже если возникает легкое отслаивание, возможно достигать эффекта изоляции, если изолирующий покрывающий слой присутствует на стабилизирующем слое из Cu. По этой причине проблема использования отсутствует. В отличие от этого, если отслаивание возникает в части промежуточного слоя или сверхпроводящего слоя, происходит частичное повреждение сверхпроводящего слоя. Это имеет неблагоприятный эффект, оказываемый на характеристики сверхпроводимости.
Из результатов тестов, представленных в таблице 1, можно видеть, что часть каждого из промежуточного слоя и сверхпроводящего слоя не отслаивается от слоя в тесном контакте с ними, если максимальная высота Rz поверхности стабилизирующего слоя из Cu, который формирует основание покрывающего слоя смолы, составляет 890 нм или меньше. Кроме того, из результатов, представленных в таблице 1, если Rz поверхности стабилизирующего слоя составляет 887 нм или меньше, каждый из промежуточного слоя и сверхпроводящего слоя не отслаивается от слоя в тесном контакте с ними. Следовательно, ввиду результатов из примеров с 1 до 3, если максимальную высоту Rz поверхности стабилизирующего слоя задают так, чтобы она попадала в диапазон от 189 до 887 нм, часть каждого из промежуточного слоя и сверхпроводящего слоя не отслаивается от слоя в тесном контакте с ними. Кроме того, поскольку покрывающий слой смолы легко отслаивается от стабилизирующего слоя из Cu, когда максимальная высота Rz уменьшается, нижний предел максимальной высоты Rz конкретно не определен для того, чтобы защищать промежуточный слой и сверхпроводящий слой и заставлять изолирующий покрывающий слой отслаиваться от стабилизирующего слоя из Cu.
Кроме того, из результатов тестов, представленных в таблице 1, можно видеть, что часть каждого из промежуточного слоя и сверхпроводящего слоя не отслаивается от слоя в тесном контакте с ними, если средняя шероховатость Ra поверхности медного стабилизирующего слоя в качестве основания покрывающего слоя смолы составляет 80 нм или меньше. Кроме того, из результатов тестов, представленных в таблице 1, если средняя шероховатость Ra составляет 77 нм или меньше, часть каждого из промежуточного слоя и сверхпроводящего слоя не отслаивается от слоя в тесном контакте с ними. Ввиду результатов из примеров с 1 до 3, если среднюю шероховатость Ra задают так, чтобы она попадала в диапазон от 30 до 77 нм, часть каждого из промежуточного слоя и сверхпроводящего слоя не отслаивается от слоя в тесном контакте с ними.
В сравнительном примере 1 приведен пример, в котором слой омеднения используют в качестве второго стабилизирующего слоя. Однако до тех пор, пока максимальная высота Rz и средняя шероховатость Ra слоя омеднения находятся в описанном выше диапазоне, использование слоя омеднения для настоящего изобретения не исключено и можно использовать слой омеднения, который попадает в указанный выше диапазон.
Далее описан пример конструкции при изготовлении сверхпроводящей катушки с использованием сверхпроводящего провода, имеющего структуру, представленную выше в примере 3.
Используя сверхпроводящий провод со стержнем шириной 10 мм и толщиной 0,19 мм (подложка Hastelloy толщиной 0,1 мм + стабилизирующий слой из Ag 2 толщиной мкм + стабилизирующий слой из меди толщиной 20 мкм и покрытие изолирующим покрывающим слоем толщиной 20 мкм), катушку двойного дискового типа с внутренним диаметром 70 мм и высотой 20,5 мм изготавливали в качестве сверхпроводящей катушки. Кроме того, диффузионный барьерный слой, подстилающий слой, слой оксида металла, верхний слой и оксидный сверхпроводящий слой, сформированные на подложке, являются такими же, как соответствующие слои в приведенном выше третьем варианте осуществления.
Сверхпроводящую катушку изготавливали посредством намотки катушки на бухту, которую формировали из GFRP, где число витков катушки составляло 200 витков (100 витков × 2).
Каждый параметр приведенной выше сверхпроводящей катушки записан в следующей таблице 2.
В качестве стандартного примера получали сверхпроводящий провод, в котором изолирующий покрывающий слой формировали посредством намотки двух полиамидных лент, имеющих толщину 12,5 мкм, с перекрыванием, вместо нанесения покрытия с использованием формалевой смолы, и сравнивали сверхпроводящую катушку, которую формировали в тех же условиях, что и описанную выше сверхпроводящую катушку, с использованием сверхпроводящего провода со структурой из примера 3.
Указанные выше результаты приведены в следующей таблице 2.
Таблица 2
Параметры
Стандартный пример 1
Пример 1
Способ изоляции и пропитывания
Намотка двух полиамидных лент по 12,5 мкм с перекрытием
Покрытие толщиной 20 мкм
Ток (A)
300
300
Плотность тока в катушке (А/мм<sup>2</sup>)
142,9
151,8
Магнитное поле в центре катушки (T) (при 20K)
0,828
0,836
Внутренний диаметр катушки (мм)
70
70
Внешний диаметр катушки (мм)
110
110
Высота катушки (мм)
20
19
Число витков/слой
100
100
Число слоев
2
2
Длина использованного стержня (м)
56,2
55,9
В результате сравнения, представленном в таблице 2, можно видеть, что плотность тока сверхпроводящей катушки в случае сверхпроводящего провода, содержащего изолирующий покрывающий слой, сформированный посредством спекания формалевой смолы, можно усовершенствовать на 6% по сравнению с таковой в случае сверхпроводящей провода с навитой полиамидной лентой.
Это разница возникала потому, что изолирующий слой в катушке из примера мог становиться тонким, даже если высота катушки, внутренний и внешний диаметры катушки, число витков и число слоев были почти одинаковыми и, соответственно, совершенствовалась плотность тока в катушке.
<Пример изготовления сверхпроводящей катушки>
Получали сверхпроводящий провод (критический ток стержня Ic=от 205 A до 221 A (77 K, в собственном магнитном поле)) шириной 5 мм и толщиной 0,19 мм (толщина подложки из Hastelloy: 0,1 мм, толщина первого стабилизирующего слоя из Ag: 2 мкм, толщина стабилизирующего медного слоя: 20 мкм и толщина покрывающего слоя: 20 мкм). Навивали около 31 витка сверхпроводящего провода на поверхности бухты, сформированной из GFRP, эпоксидную смолу доставляли в навитую часть посредством вакуумного пропитывания, и сверхпроводящий провод на поверхности бухты фиксировали посредством пропитывающей смолы, тем самым получая пример 1 сверхпроводящей катушки.
До и после вакуумного пропитывания эпоксидной смолой, измеряли критический ток Ic сверхпроводящего провода в жидком азоте. Изготавливали две сверхпроводящие катушки. Когда имела место по меньшей мере одна сверхпроводящая катушка, в которой критическое значение плотности тока снижалось на 10% или больше до и после пропитывания эпоксидной смолой, давали отметку X в качестве оценки. Когда снижение критического тока не наблюдали в какой-либо из двух сверхпроводящих катушек, давали отметку О в качестве оценки.
Для сравнения, в качестве стандартного примера получали сверхпроводящий провод (критический ток стержня Ic=от 492 до 520 A (77K, в собственном магнитном поле)) шириной 10 мм и толщиной 0,19 мм (толщина подложки из Hastelloy: 0,1 мм, толщина первого стабилизирующего слоя из Ag: 2 мкм, толщина стабилизирующего слоя омеднения: 20 мкм, и толщина покрывающего слоя: 20 мкм).
Наматывали около 31 витка сверхпроводящего провода на поверхности бухты, сформированной из GFRP, эпоксидную смолу доставляли в навитую часть посредством вакуумного пропитывания, и сверхпроводящий провод на поверхности бухты фиксировали посредством пропитывающей смолы, тем самым получая стандартный пример 1 сверхпроводящей катушки.
До и после вакуумного пропитывания эпоксидной смолой, измеряли критический ток Ic сверхпроводящего провода в жидком азоте. Изготавливали две сверхпроводящих катушки. Когда имела место по меньшей мере одна сверхпроводящая катушка, в которой критическое значение плотности тока снижалось на 10% или больше до и после пропитывания эпоксидной смолой, давали отметку X в качестве оценки. Когда снижение критического тока не наблюдали в какой-либо из двух сверхпроводящих катушек, давали отметку О в качестве оценки.
Таблица 3
Параметры
Стандартный пример 1 сверхпроводящей катушки
Пример 1 сверхпроводящей катушки
Стержень
10 мм ширина20 мкм меднение
5 мм ширина20 мкм покрытие оловом Формирование меди
Способ изоляции
Толщина формалевого покрытия 20 мкм
Толщина формалевого покрытия 20 мкм
Внутренний диаметр катушки (мм)
60
60
Внешний диаметр катушки (мм)
78
77
Высота катушки (мм)
10,5
5,4
Число витков/слой
31
31
Число слоев
1
1
Длина использованного стержня (м)
7,5
7,5
Максимальная высота Rz
898
189
1207
610
2375
887
Средняя шероховатость Ra
83,7
30,2
145,2
43,7
186,4
76,5
Результат оценки характеристик сверхпроводимости
X
O
В сверхпроводящей катушке, представленной в таблице 3, каждый сверхпроводящий провод, представленный выше в таблице 1, используют для изготовления катушки. Соответственно, значение максимальной высоты Rz и значение шероховатости поверхности Ra являются такими же, как те, что в случае сверхпроводящего провода из таблицы 1.
Как показано в таблице 3, образец из примера 1 демонстрировал превосходные результаты без снижения критического тока.
Поскольку сверхпроводящий провод, который формирует сверхпроводящую катушку из стандартного примера 1, имеет ширину 10 мм и сверхпроводящий провод, который формирует сверхпроводящую катушку из примера 1 имеет ширину 5 мм, значения Ic для обоих стержней различны.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Настоящее изобретение предусматривает сверхпроводящий провод, который можно использовать для сверхпроводящих катушек, используемых в различных сверхпроводящих устройствах, например, таких как сверхпроводящий двигатель и ограничитель тока повреждения.
ОПИСАНИЕ НОМЕРОВ ПОЗИЦИЙ
1: подложка
2: промежуточный слой
3: оксидный сверхпроводящий слой
4, 4B, 4F: металлический стабилизирующий слой
5, 5B, 5F: сверхпроводящая слоистая структура
5a, 12a, 22a: угловая часть
7, 7B, 7F: изолирующий покрывающий слой
8: первый стабилизирующий слой
9, 12, 22: второй стабилизирующий слой
10, 10B, 10F: сверхпроводящий провод
13: слой припоя
S2, S6: наслоенная подложка
23: связывающий слой.