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JP4190914B2 - Method for producing oxide superconductor and oxide superconductor - Google Patents
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JP4190914B2 - Method for producing oxide superconductor and oxide superconductor - Google Patents

Method for producing oxide superconductor and oxide superconductor Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半溶融凝固法に基づいて酸化物超電導体を製造する方法とそれにより製造された酸化物超電導体に関し、大型の酸化物超電導体を容易に得ることができるようにした技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
大型のバルク状の酸化物超電導体を製造する方法の一例として、特許第1869884号、特許第2555640号に開示されている溶融法が知られている。これらの特許に記載されている溶融法とは、REBaCu7−X(REは希土類元素を示す)なる組成の酸化物超電導体を製造するに際し、REBaCu相またはREBaCu10相と、Ba-Cu-Oを主成分とした液相とが共存する温度領域まで加熱した後、REBaCu7−X相が生成する包晶温度直上の温度まで冷却し、その温度から徐冷することにより結晶成長させ、核生成と結晶方位の制御を行い、酸化物超電導体を得る製造方法である。
【0003】
また、1つの種結晶を使用し、結晶成長開始温度が異なる材料を順次組み合わせて核生成、結晶方位および結晶成長方向を制御して酸化物超電導体を製造する半溶融凝固法が知られている。(特許文献1参照)
【0004】
この半溶融凝固法では、酸化物超電導体を構成する元素の化合物粉末を混合してなる原料粉末を圧密して前駆体を得た後、この前駆体を利用してREBaCu7−X(REは希土類元素を示す)なる組成の酸化物超電導体を製造するに際し、REBaCu相またはREBaCu10相と、Ba-Cu-Oを主成分とした液相とが共存する温度領域まで前駆体を加熱して半溶融状態とした後、半溶融状態の前駆体上に種結晶を設置し、REBaCu7−X相が生成する包晶温度直上の温度まで冷却し、その温度から徐冷することにより半溶融状態の前駆体の内部で徐々に結晶成長を行い、前駆体全体を酸化物超電導体とする製造方法である。また、半溶融凝固法による酸化物超電導体の結晶に必要に応じて更に酸素を付加して結晶構造を整えるために、酸素雰囲気中にて熱処理を施すことも知られている。
【0005】
次に、異なる希土類系の酸化物超電導体のバルク体を重ねて製造する技術として、希土類元素のうち、それぞれ異なる種類であって、REBaCu7−X相が生成する温度が高温側または低温側から連続するように複数の原料層を積層してから圧密して前駆体を形成し、その後に半溶融凝固法を実施する方法が知られている。(特許文献2参照)
【0006】
【特許文献1】
特開平5−170598号公報
【特許文献2】
特許第2556401号公報(特開平5−193938号公報)
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、先に記載の酸化物超電導体の製造方法では、結晶成長できる前駆体の大きさに限界を有していた。即ち、前駆体の内部では半溶融凝固法を実施する際に、2REBaCu7−X(R123相)=REBaCu(R211相)+L(液相;3BaCuO+2CuO)なる式で示される反応を基に、R211相と液相がR123相を生成しながらR211相を半溶融状態の前駆体の内部で移動させる形で結晶化が進行するが、R211相を移動させながらR123相生成させる際の進行速度は極めて遅く、しかも半溶融状態の前駆体の内部に不純物や反応阻止要因があると反応は直ちに停止するか、結晶状態の悪い酸化物超電導体を生成してしまうので、Nd系やSm系の酸化物超電導体で直径2cm程度、厚さ数mm〜1cm程度、Y系の酸化物超電導体でも直径が10cmを多少越える程度、厚さ数mm〜1cm程度が現状の技術での限界的な大きさとされている。即ち、これらのサイズ以上の大きな前駆体を用いても、半溶融凝固反応が途中で停止するか、結晶成長が部分的に任意の方向に進行し、全体として配向性の良好な酸化物超電導体を得ることができない問題を有している。
【0008】
また、半溶融凝固法に用いる前駆体は酸化物超電導体の原料粉末を混合して圧密したものであるので、通常はCIP装置(冷間等方圧加圧装置)などを用いた圧密法により緻密で空孔のほとんど無い状態として用いるのが一般的である。ところがそのためには、数千万以上の設備であるCIP装置を用いる必要があり、低コストで簡単に製造できるものではないとともに、通常のCIP装置で固めることができる前駆体の大きさよりも更に大きな酸化物超電導体を製造することができない問題を有していた。なお、より大型の前駆体を得るために、更に大型のCIP装置を用いれば前駆体を製造できない訳ではないが、CIP装置が大型になるにつれて設備コストは大幅に上昇することになり、製造コストが著しく上昇するおそれがある。
【0009】
本発明は上述の課題に鑑みてなされたもので、半溶融凝固法により酸化物超電導体を製造する際に従来よりも大型の酸化物超電導体を簡便に製造することが可能な酸化物超電導体の製造方法とそれにより得られる酸化物超電導体の提供を目的とする。
また、本発明は、大型の前駆体を製造するための特別なCIP装置を要することなく実施することができる製造方法とそれにより得られる酸化物超電導体の提供を目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は前述の目的を達成するために、RE Ba Cu 7−X (REは希土類元素の1種又は2種以上を示す)なる組成の酸化物超電導体を製造するに際し、目的とするRE Ba Cu 7−X なる組成の酸化物超電導体を構成する元素の化合物を混合した原料の圧密体であって、RE Ba Cu 7−X 成分が1.1(5モル%RE Ba Cu 相成分)以上、1.8(40モル%RE Ba Cu 相成分)以下の範囲となるような配合比とした原料の圧密体からなる前駆体を加熱して半溶融状態とした後に冷却し、前記前駆体上に設置されている種結晶の結晶構造を基に先の半溶融状態の前駆体を結晶化して酸化物超電導体とする半溶融凝固法によって酸化物超電導体を製造する方法であって、前記半溶融凝固法を実施するにあたり、前記前駆体を複数積み重ね、積み重ねた最上段の前駆体上に種結晶を設置し、半溶融凝固法により該種結晶を基にして最上段の前駆体を結晶化するとともに、該結晶化を下段側の前駆体に伝播させて積み重ねた他の前駆体を順次結晶化する方法とし、前記半溶融凝固法を実施するにあたり、前記積み重ねた前駆体を加熱して半溶融状態とし、等温保持した後、降温して結晶化開始温度よりも高い温度域に等温保持する予備加熱を行った後、予備加熱温度よりも低い結晶化開始温度に降温し、該結晶化開始温度において等温保持したまま結晶化を行い、その後に降温することを特徴とする。
【0011】
複数の前駆体を単に積み重ね、最上段の前駆体に対して種結晶を基に結晶成長させることで、最上段の前駆体を酸化物超電導体にすることができるとともに、その前駆体の下段側に設けた他の前駆体に対して結晶化を伝播させて順次酸化物超電導体とすることができる。この際、積み重ねた前駆体どうしは相互に加圧密着させる必要はなく、単に自重によって自然に接触している状態で良い。これにより、従来の前駆体を用いて得られていた酸化物超電導体の数倍もの厚さの酸化物超電導体を前駆体の単なる積み重ね作業の追加により容易に製造することができるようになる。
ここで半溶融凝固法とは、酸化物超電導体を構成する元素の化合物を複数混合して成形した原料混合成形体(前駆体)を得た後、この前駆体に種結晶を設置しておき、この後前駆体を融点以上の温度で液相と固相が共存する温度に加熱溶融させて半溶融状態とした後、冷却し、先の種結晶を利用し、種結晶を起点として前駆体内に目的の酸化物超電導体の単結晶を成長させることにより、結晶構造の良好な超電導特性の優れた酸化物超電導体を得ようとする方法である。
なお、半溶融凝固法を実施するにあたり、半溶融状態の温度に等温保持し、それよりも低い温度で等温保持する予備加熱を行った後、予備加熱温度よりも低い結晶化開始温度に降温し、結晶化開始温度において等温保持したまま結晶化を行うようにすれば、結晶化の進行を促進することができ、徐冷しながら温度勾配をかけて結晶成長させる場合に比べて遙かに短時間で結晶化を進行させることができる。
【0012】
本発明は前述の目的を達成するために、前記酸化物超電導体として、REBaCu7−X(REは希土類元素の1種又は2種以上を示す)なる組成の酸化物超電導体に適用することを特徴とする。
適用できる具体的な酸化物超電導体としてREBaCu7−X(REは希土類元素の1種または2種以上を示す)なる組成のものを例示できる。REとしてより具体的には、Yを含む希土類元素(La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)の1種または2種以上を示す。これらの組成式で示す酸化物超電導体を製造しようとする場合、半溶融状態とすると、REBaCu相またはREBaCu10相と、Ba−Cu−Oを主成分とした液相とが共存する温度領域まで加熱することで半溶融状態とすることができ、その後、半溶融状態の温度より低い温度で等温保持した後、REBaCu7−X相が生成する包晶温度直上の結晶化温度まで冷却し、その結晶化温度において等温保持して結晶成長させてから徐冷することにより目的の積み重ね構造の酸化物超電導体を得ることができる。
【0013】
本発明は前述の目的を達成するために、前記複数積み重ねた上下の前駆体の間を完全密着状態ではなく隙間を有した自然載置状態としたことを特徴とする。
積み重ねた前駆体どうしは相互に圧密法などにより圧密する必要はなく、単に自重によって接触している設置状態でよい。即ち、積み重ねた前駆体どうしが完全密着した状態ではなくとも、相互の間に多少の隙間を有して単に積み重ねられた状態でも上段側の酸化物超電導体の結晶を基にして下段側の前駆体を酸化物超電導体とすることができる。
本発明は前述の目的を達成するために、前記前駆体として、目的とするREBaCu7−X(REは希土類元素の1種又は2種以上を示す)なる組成の酸化物超電導体を構成する元素の化合物を混合した原料の圧密体であって、REBaCu7−X相成分が1.1(5モル%REBaCu相成分)以上、1.8(40モル%REBaCu相成分)以下の範囲となるような配合比とした原料の圧密体を用いることを特徴とする。
半溶融状態とした場合の前駆体の内部でREBaCu相(R211相)と液相(3BaCuO+2CuO)とに分解した場合にR123相の生成が促進され、結晶化が円滑になされる。
【0014】
本発明は前述の目的を達成するために、複数積み上げた前駆体を上段側から下段側にかけて順次結晶化する際、結晶化進行中の前駆体のみを結晶化温度に保持し、それよりも下段側の前駆体を半溶融状態の温度に維持し、結晶化の進行に応じて半溶融状態の前駆体を順次結晶化温度とする温度勾配を与えながら結晶化することを特徴とする。
このように温度管理することで、結晶化するべき前駆体のみを結晶化させることができ、半溶融状態の前駆体には結晶化を生じないようにすることで、上段側から下段側にかけて連続して均一した結晶化を進行させることができる。
【0015】
本発明は前述の目的を達成するために、RE Ba Cu 7−X (REは希土類元素の1種又は2種以上を示す)なる組成の酸化物超電導体を製造するに際し、目的とするRE Ba Cu 7−X なる組成の酸化物超電導体を構成する元素の化合物を混合した原料の圧密体であって、RE Ba Cu 7−X 成分が1.1(5モル%RE Ba Cu 相成分)以上、1.8(40モル%RE Ba Cu 相成分)以下の範囲となるような配合比とした原料の圧密体からなる前駆体を用い、酸化物超電導体の前駆体を加熱して半溶融状態とし、等温保持した後、降温して結晶化開始温度よりも高い温度域に等温保持する予備加熱を行った後、予備加熱温度よりも低い結晶化開始温度に降温し、該結晶化開始温度において等温保持したまま結晶化を行い、その後に降温して前記前駆体上に設置されている種結晶の結晶構造を基に先の半溶融状態の前駆体を結晶化して酸化物超電導体とする半溶融凝固法によって製造された酸化物超電導体であって、前記前駆体が複数積み重ねられるとともに、最上段の前駆体に設置した種結晶を基にする結晶化により、積み重ねられた複数の前駆体が結晶化されて酸化物超電導体とされてなるものである。
積み重ねた複数の前駆体に基づいて製造された酸化物超電導体であるならば、積み重ねた個々の前駆体自体は従来の前駆体と同じ大きさであっても、最終的には積み重ね数に応じた数倍もの厚さの酸化物超電導体を得ることができる。
これに対して最初から数倍の厚さの前駆体を得ようとすれば、CIP等の加圧装置で大型の製造装置が必要となり、設備コストが大幅に向上してしまう。従って本発明により得られた酸化物超電導体は、通常のプレス装置を用いても、通常のプレス装置では従来得られなかった厚さの前駆体に相当する厚さの酸化物超電導体の製造が可能であり、設備コストを上昇させることなく得ることが可能な酸化物超電導体である。
【0016】
本発明は前述の目的を達成するために、積み重ねられた酸化物超電導体のうち、上下に接する酸化物超電導体が互いに接する部分において溶着一体化されてなることを特徴とする。
積み重ねられた前駆体どうしは半溶融凝固法に基づいて結晶成長されているので、上下に接する前駆体どうしには溶融凝固時に溶融して一体に接合された溶着一体化された部分が生成する。
本発明は前述の目的を達成するために、酸化物超電導体として具体的に、REBaCu7−X(REは希土類元素の1種又は2種以上を示す)なる組成であるものに適用することができる
【0017】
半溶融凝固法を行うと、種結晶を基にして積み上げられた複数の前駆体の結晶化が順次進行するが、半溶融状態の前駆体の内部ではR211相と液相とに分解した領域から、液相がR211相を押し出してゆく代わりに、R123相を生成するようにして前駆体の全体に結晶化が進行する。そして、半溶融状態において存在していたR211相は、最上段の前駆体の底部まで押し出された後で、1つ下段の前駆体側に移動し、1つ下段の半溶融状態の前駆体にR123相を生成させながら、該1つ下段の前駆体の底部側まで移動する。このようにして下段側の前駆体にR211相が順次移動する結果、最終的に結晶化されてできた酸化物超電導体の最底部の中央部にR211相が集積する。
【0018】
【発明の実施の形態】
図1と図2は本発明に係る製造方法を実施する状態を説明するための側面図であり、図1は円盤状をなす酸化物超電導体の前駆体1,2をそれらの厚さ方向に重ね合わせ、上側(上段側)の前駆体1の上部中央に種結晶3を設置した状態を示し、図2は図1に示す前駆体1、2に対して以下に説明する製造方法を実施することにより得られた酸化物超電導体5を示している。
本発明で用いる酸化物超電導体の前駆体1,2とは、目的とする酸化物超電導体の組成と同じ組成、あるいは、近似する組成の原料混合体の圧密体であり、本発明を適用できる酸化物超電導体として例えば、RE-Ba-Cu-O系(REはYを含む希土類元素La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luのうちの1種または2種以上を示す。)のものを例示することができる。
【0019】
ここで目的の酸化物超電導体がRE-Ba-Cu-O系の酸化物超電導体である場合、前駆体1、2として例えば、REの化合物粉末とBaの化合物粉末とCuの化合物粉末をRE:Ba:Cu=1:2:3、またはそれに近似する組成で混合した原料混合粉末を圧密したものなどを用いることができる。
先の化合物粉末をRE:Ba:Cu=1:2:3に近似する組成で混合する場合、REBaCu7−X相成分(R123相成分)に対するREBaCu相成分(R211相成分)の比で1.1以上、1.8以下の範囲、モル比では5モル%以上、40モル%以下の範囲が好ましい。なお、得られるバルク体の臨界電流密度の値は1.4近傍で飽和する傾向にある。また、R123相に対するR211相の比を1.1未満にすると、溶融凝固時に正常な結晶化の反応が進行し難くなる。
【0020】
前記モル比の具体的な数値として例えば、R123相成分とR211相成分の比を1.1(5モル%R211相成分)、1.2(10モル%R211相成分)、1.4(20モル%R211相成分)、1.8(40モル%R211相成分)に設定することができる。ここで例えば、比が1.8とは、Sm123のSmモル数が10モルに対してSm211のSmモル数が8モルになるようにすることを意味する。
即ち、10(REBaCu7−X)+4(REBaCu)=100(REBaCu7−X)+40(REBaCu)の関係となるような百分率と考える。従って本明細書で用いる比で1.1とは5モル%R211相成分を意味し、比で1.2とは10モル%R211相成分を意味し、比で1.4とは20モル%R211相成分を意味し、比で1.8とは40モル%R211相成分を意味する。
【0021】
この形態において前駆体1、2は先の組成の原料混合粉末をプレス装置、あるいは、CIP装置(静水圧装置)などの加圧装置により円盤状に成形したものを用いる。勿論、CIP装置が高価であるならば、プレス装置で前駆体1、2を製造する方が製造コストは安くなる。また、前駆体1、2の大きさは任意で良く、用いるプレス装置やCIP装置で製造可能な大きさの前駆体とすれば良い。
また、前駆体1、2を製造する場合、原料混合粉末を得た後、800〜1000℃程度で仮焼きしてから粉砕装置で粉砕したものを再度混合するという仮焼き粉砕操作を必要回数行ったものを成形しても良い。粉末混合粉砕と仮焼き温度の条件として、めのう乳鉢あるいはアトライタやボールミル等の粉砕混合装置を用いて1時間程度混合した後に900℃程度で15時間程度仮焼きする条件等を例示することができる。
また、繰り返し複数回仮焼きして最終粉砕して混合する際、後に行う半溶融凝固法の際の溶融温度を下げるためと機械的強度を向上させる目的でAgOを添加すること、あるいは、Re211の微細化触媒としてのPtを添加物質として混合して成形体としたものを前駆体としても良い。なお、他の元素としてAuを添加物質として混合することもあり得る。
これらの添加物質は最終的に得られる酸化物超電導体の超電導特性を向上させるもの、あるいは超電導特性を阻害しないものであれば良い。例えば添加物質がAgであれば、酸化物超電導体に5〜20wt%程度の範囲で添加できることが知られているので、銀を添加しても良い。
【0022】
このような行程を経て前駆体を製造する場合、仮焼き後に粉砕して粉砕物を再度混合する場合、粉砕物の粒径をできるだけ小さくして、それらの粒度を揃えることが望ましい。例えば粉砕物の粒径が300μmを越える大粒のものがほとんどないように最大粒径を300μm以下に、好ましくは50〜100μm程度の範囲の平均粒径になるように粉砕することを例示できるが、この範囲よりも更に微細な平均粒径になるように粉砕して混合しても差し支えない。粉砕物の粒径については後述する実施例に記載のごとく50〜100μm程度の範囲とすれば本発明の実施には十分である。
【0023】
これらの前駆体1、2を積み重ねる場合、単にそれらの中心を同軸位置に合わせてそれらの上面と下面を合わせて積み重ねるものとし、前駆体1を前駆体2の上に自重により載置した状態とする。勿論、上下の前駆体1、2の中心をずらして積み重ねても良い。この状態において前駆体1、2の重ねた面どうしの間は図1に示すように目視状態では密着しているが、密着部分を拡大してみると前駆体1、2の面どうしが完全な平面にはなり得ないことから、必然的に若干の隙間を有している。勿論、前駆体1、2を成形する際に上面と下面の形成精度を厳格に形成して面どうしの密着性を向上させても良いが、目視しても若干の隙間を確認できるような程度の面精度で形成した成形体からなる前駆体1、2を積み重ねた場合でも本発明で使用するには十分である。
なお、図1では略しているが、これらの積み重ねた前駆体1、2の下には、YSZ(イットリウム安定化ジルコニア)の膜あるいは板(厚さ0.1〜0.2mmのシート)を敷き、更にそれらを支持する板状、ボート状、坩堝状などの耐熱材料製の基台を設置しておき、加熱時にこれらの基台とともに加熱炉に装入すれば良い。
先のYSZの膜あるいは板は前駆体1、2への不純物の侵入を阻止するもので、この膜あるいは板を下に敷いておかないと下側の前駆体2が他の物質に接触した部分から結晶化が起こり、最終的に得られる結晶が多結晶体になるか配向性の悪い結晶体になってしまう。
また、耐熱性の基台と前駆体2との反応を抑制するなどの目的で、基台の上に更に別途耐熱層や耐熱材料製の中間層、下地材などを適宜敷設しても良い。
【0024】
図1に示す積み重ね状態としたならば上段側の前駆体1の上に種結晶3を設置し、これらを加熱炉に装入し、半溶融凝固法に基づいて熱処理する。
ここで行う半溶融凝固法とは、予め酸化物超電導体の前駆体に種結晶を載せておき、この前駆体を融点以上の温度で液相と固相が共存する温度に加熱溶融させて半溶融状態とした後、冷却工程を行ない、種結晶を利用し、種結晶を起点として前駆体内に目的の酸化物超電導体の単結晶を成長させることにより、結晶構造の良好な超電導特性の優れた酸化物超電導体を得ようとする製造方法として知られている方法である。また、結晶成長を行う場合に本実施例では後述するように規定の結晶化開始温度において等温保持させて行うものとする。なお、本実施形態では前駆体に種結晶を載せてから加熱してゆくコールドシーディング(cold seeding)法を利用するが、半溶融状態にしてから種結晶を設置するホットシーディング法を利用しても差し支えないのは勿論である。
【0025】
この実施形態で用いる種結晶3とは、目的とする希土類酸化物超電導体とは異なる希土類を用いた種類の酸化物超電導体の単結晶体か薄膜を用いる。
例えば、目的の酸化物超電導体がSm系のものである場合、Sm系よりも包晶温度の高いNd系の酸化物超電導体の単結晶体あるいは薄膜を用いることができる。即ち、種結晶3は前駆体の半溶融温度において結晶状態を維持している必要があるので、用いる前駆体よりも包晶温度の高いものを用いる。
酸化物超電導薄膜として、MgOなどの耐熱性基板の上に成膜法により形成したNd系の酸化物超電導体の単結晶状のフィルムを有するものを適用できる。勿論、この他に、希土類として、Gd系、Dy系、Ho系、Y系など、半溶融凝固法に適用できる種々の系の単結晶体あるいは超電導薄膜を種結晶として適用することができる。
【0026】
即ち、まず、前駆体1、2の融点よりも若干高い最高到達温度(Tmax)に全体を加熱して前駆体1、2を半溶融状態とする。また、加熱雰囲気としては、大気中でも良いし、不活性ガス中に微量の酸素を供給した酸素雰囲気でも良い。例えば一例として、1%O濃度のArガス雰囲気を選択できる。
この際の加熱温度は、目的とする酸化物超電導体の組成によって、あるいは、熱処理する場合の雰囲気ガスの成分により若干異なるが、概ね1%O不活性ガス雰囲気中においてNd系の酸化物超電導体であるならば1000〜1200℃の範囲、他の系の酸化物超電導体でも概ね950〜1200℃の範囲である。また、昇温する際に急激に前駆体1、2を加熱するとクラック等の欠陥部分を導入する危険性があるので、徐々に温度を上げることが好ましい。また、前駆体を加熱して半溶融状態にするまでの間の温度勾配は、どのような温度勾配でも差し支えないが、最高到達温度付近で温度勾配を緩やかにしないと加熱炉の温度調整機能に依存して最高到達温度を遥かに飛び越した温度になってしまう可能性があるので、最高到達温度付近で温度勾配を緩やかにすることが好ましい。
【0027】
前駆体1、2を最高到達温度の半溶融状態としたならば、前駆体1、2の温度を先の温度から数10℃、例えば20〜40℃程度下げた後、その温度で所定の時間保持する予備加熱を行った後、先の温度から数10℃、例えば20〜40℃程度下げた結晶化開始温度に温度を下げて、その結晶化開始温度で数時間等温保持して結晶成長させてから炉冷する。これにより、図2に示すような2段重ねの酸化物超電導体5を得ることができる。
より具体的には、Sm系の酸化物超電導体を製造する場合、室温から900℃まで1時間程度かけて昇温し、そこから半溶融温度の1080±20℃まで1時間かけて徐々に昇温し、半溶融温度で40分程度保持し、5分程度かけて1050℃まで降温し、次いで5分程度かけて目的の結晶化温度1020℃で約5時間程度等温保持して結晶化し、その後に1時間程度かけて900℃まで降温し、その後に室温まで炉冷するという熱処理条件を例示できる。なお、先の1080±20℃まで一気に昇温しても差し支えないが、昇温時の温度勾配が高過ぎると半溶融温度の上限に定めた1100℃を飛び越えて加熱してしまい、前駆体を溶解させてしまうおそれがあるので、昇温の際の温度勾配は定めた1080±20℃を越えないように設定する必要がある。勿論、加熱装置が前駆体1、2を規定の温度に精密に制御できるものであるならば前述の昇温条件に拘束されるものではなく、また、組成に応じて定めた目的の半溶融温度の範囲に合わせて適宜の割合で昇温するのは勿論である。
【0028】
その他の系の酸化物超電導体の結晶生成温度としては、Y系が1000℃、Nd系が1060℃、Eu系が1050℃、Gd系が1030℃、Dy系が1010℃、Ho系が990℃、Er系が970℃、Yb系が900℃として知られているので、これらの系に要求される結晶化開始温度条件とする。
ところで、半溶融温度である最高到達温度とその後の等温保持時間は、例えば直径30mm程度の前駆体の場合、上述の条件が望ましいが、更に大きな直径の前駆体に適用する場合は前駆体の中心部と外周部で温度が不均一になり易いので温度と時間を適宜変更することができる。
また、先の結晶化開始温度において等温保持することが重要であり、この等温保持により、1個の種結晶に温度勾配をかけて徐冷しながらなされる従来の結晶成長時間において約100時間程度必要であったものを、本実施形態では、2個積み重ねた状態であっても約5時間程度の結晶成長時間に短縮することができる。これは本実施形態では等温処理で結晶成長できることによっている。
一般に半溶融凝固法においては、1個の前駆体に対して結晶化温度に設定した後、温度勾配をかけて徐々に冷却することで結晶成長を行うが、一般的な半溶融凝固法では前駆体の直径において20〜30mmのものを結晶成長させるために100時間程度かけている。ところが、先の如く結晶化温度で等温保持して結晶成長させることで後述する実施例の如く直径20〜30mmの前駆体を5時間程度で結晶化することができる。勿論、この等温で結晶化する場合の維持温度と維持時間は前駆体の大きさに応じて適宜調整して良い。
更に最終段階の炉冷による冷却時間や冷却条件は、用いる炉の大きさによって変わるので、自然放冷と同じゆるやかなもので、得られた酸化物超電導体にヒートショックをかけない程度の冷却条件で良い。
【0029】
半溶融状態の前駆体1に対して種結晶3を設置し、結晶化温度で保持しておくことで、前駆体1の内部ではREBaCu相(R211相)とL相(液相:3BaCuO+2CuO)とに分解し、種結晶を起点として、液相がR211相を下側に(種結晶から離れる側に)押し出すように移動しながら種結晶を起点としてREBaCu7−X(R123相)なる組成比の酸化物超電導体の結晶を成長させることができ、その結果として最終的に前駆体1の全体を結晶化させてREBaCu7−X相(R123相)の酸化物超電導体とする。
【0030】
次に、REBaCu7−Xなる組成比の酸化物超電導体の結晶が成長する過程において前駆体1の底部まで結晶成長が伝達すると、この結晶成長が前駆体2側に伝わり、前駆体2においてもその上部側から下部側に向かって結晶成長が進み、最終的に前駆体2においても全体がREBaCu7−Xなる組成比の酸化物超電導体となる。ここでの結晶成長は前駆体2の上に前駆体1を単に載置しておくだけで進行する。前駆体1、2を予めプレス装置やCIP装置などを用いた加圧法で一体化しておく必要はない。
【0031】
以上説明の如く製造された酸化物超電導体5は前駆体1、2の境界部分に目視可能な境界線6が存在するものの、結晶構造が整って結晶化された一体ものの酸化物超電導体となる。また、酸化物超電導体5の最底部中央側(前駆体2の底部中央側)には溶融凝固時の反応で液相から押し出される形で排出されつつ半溶融状態の前駆体1、2を上部側から下部側に移動した結果残留されたREBaCu相(R211相)を主体とする残留層7が形成される。更に酸化物超電導体5において境界線6の一部分を占めるように、前駆体1、2の境界部において有していたわずかな隙間部分が溶着一体化された際に生成した溶着部分8が形成される。
なお、上段側の前駆体1の結晶成長に伴ってR211相が前駆体1の底部側まで移動し、次いで下段側の前駆体2に結晶成長が移動する際、前駆体1と前駆体2の境界線6の部分周りにR211相が一部残留している領域があるものと思われる。
【0032】
次に、上述の如く得られた酸化物超電導体5の上面の一形状例を図3に示す。本発明で用いる溶融凝固法によれば、上面中央部に設置した種結晶3(図3では種結晶を略している)を基にして放射状に単結晶領域が成長し、矩形状の単結晶領域の角部が円盤の周縁部まで到達して図3に示すような十字状のファセットラインを有する単結晶領域15が生成し、その領域の外側には平面視弓形の多結晶領域16が生成する。しかし、図3に示す単結晶領域は一例であって、単結晶領域が円盤状の前駆体1、2の全域に完全に広がって生成する場合、単結晶領域が円盤状の前駆体1、2の周縁部の手前で停止して図3に示す単結晶領域16よりも小さな矩形状の単結晶領域となる場合等、いずれの場合もあり得る。
【0033】
そして、この形態の酸化物超電導体5は前駆体1、2を合わせた分の厚さのものとなり、前駆体1、2が等しい厚さであるならば、元の前駆体の2倍の厚さの酸化物超電導体5が得られる。この点において従来の製造方法においては、規定厚さの前駆体の2倍の厚さの酸化物超電導体を得ようとしたならば、前駆体自体を2倍の厚さに圧密成型してから半溶融凝固法を適用しなくてはならない。
即ち、2倍の厚さの前駆体を得るために2倍の厚さの前駆体を圧密成形可能なCIP装置などの特別な加圧装置を導入しなくてはならない。従って従来方法では2倍厚さ対応の高価なCIP装置を購入する必要があり、設備コストの大幅な上昇を見込まなくてはならないが、本発明方法では現状使用の加圧装置をそのまま使用しても容易に2倍厚さの酸化物超電導体を得ることができるので、極めて経済的であり、従来よりも厚い酸化物超電導体を設備コストの上昇を招く事なく実現することができる。
また、この方法によれば前駆体1、2の境界部分に境界線6を有するものの、実質的には単結晶領域15が酸化物超電導体5の上部から下部にかけて連続生成された構造となり、全体として一体化された結晶構造の酸化物超電導体となる。
【0034】
図4は本発明係る製造方法の第2の例を実施した場合に得られる酸化物超電導体の一形態を示す。この形態の酸化物超電導体9は、先の2段積みの前駆体1、2に対して3段積みの前駆体に半溶融凝固法を適用して得られたものである。
この図4に示すように前駆体を3段積みしても良い。3段積みした前駆体であっても先の条件とほぼ同等の半溶融凝固法を適用すれば、最上段の前駆体1の結晶化を2段目の前駆体2に伝達することができ、2段目の前駆体2の結晶化を3段目の前駆体に伝達することができ、結果的に3段全ての前駆体とも同じように結晶化させて酸化物超電導体とすることができる。
【0035】
そして、3つの前駆体の境界位置に相当する位置には図4に示すように境界線6、10が生成し、境界線6,10によって酸化物超電導体9は目視的には3つの部分、上部酸化物超電導体9a、中央部酸化物超電導体9b、底部酸化物超電導体9cに分割されているように見えるが、最上部から最底部まで単結晶化された単結晶領域を有している。その単結晶領域の平面形状は図3で先に説明した単結晶領域15と同等となる。
また、この形態の酸化物超電導体9の底部9cの底面側中央には先の第1実施形態の場合と同様にR211相を主体とする残留層11が形成される。
【0036】
図4に示す構造であるならば、従来の前駆体の3倍分の厚さの酸化物超電導体9を得ることができ、先の第1の実施形態の場合よりも更に厚さの大きな酸化物超電導体9を得ることができる。
なお、3段積みした前駆体のそれぞれに形成される単結晶領域の例としては先に図3を基に説明した場合と同様に矩形状の単結晶領域を生成する場合と、前駆体の全体が単結晶領域となる場合のいずれの場合もあり得るのは先の実施の形態の場合と同様である。
【0037】
なお、これまで説明した実施形態においては、積み重ねた前駆体の全体を均一な温度に加熱あるいは冷却して目的を達成したが、積み重ねた前駆体に応じて温度勾配を与えても良い。例えば、半溶融状態から冷却し、結晶化温度以下にするとその部分から結晶成長が始まるので、最初に最上段の前駆体1のみを結晶化開始温度以下の温度にしておき、それよりも下段側の前駆体は半溶融温度のまま保持し、1段目の前駆体1の結晶化が終了した時点で2段目の前駆体を結晶化開始温度に加温し、3段目の前駆体は半溶融温度としておき、結晶化の進行に合わせて順次下段側の前駆体を結晶化開始温度にしてゆくというように温度勾配を与えながら結晶化を進行させて酸化物超電導体を製造しても良いのは勿論である
【0038】
【実施例】
「実施例1」
SmBaCu7−X系の酸化物超電導体を製造する目的で、酸化サマリウム(Sm)粉末と炭酸バリウム(BaCO)粉末と酸化銅(CuO)粉末をR123相成分(SmBaCu7−X相成分)とR211相成分(SmBaCu相成分)の比を1.1(5モル%R211相成分)、1.2(10モル%R211相成分)、1.4(20モル%R211相成分)、1.8(40モル%R211相成分)にそれぞれなるように個別に秤量し、個別にめのう乳鉢を用いて混合し、試験用の4種類の原料混合粉末を作製した。
【0039】
その後、各原料混合粉末を900℃で15時間仮焼きし、更に粉砕し、次いで900℃で15時間仮焼きを行った。この仮焼き粉に酸化銀(AgO)粉末を20wt%、白金(Pt)粉末を0.5wt%添加し、更に1時間混合して4種類の原料混合粉を得た。これらの原料混合粉を一軸加圧プレスにより直径20mm、厚さ5mmの複数のペレットに成型し、複数の前駆体とした。
これらのペレットにおいて、外径の等しいものを2段積み、あるいは3段積みにして試験体とし、これらに種結晶としてNdBaCu7−Xの組成の薄膜を設置し、大気中において以下の加熱パターンに応じて加熱処理した。この薄膜はMgOの基板上に先の組成比の10×10mmの厚さ700nmの酸化物超電導薄膜を成膜し、これを1mm角程度の大きさに割って使用したものである。
【0040】
加熱処理においては、大気中において各試験体に対して室温から900℃まで1時間かけて加熱し、900℃から1080℃まで1時間かけて加熱し、この温度で40分間保持し、次に5分かけて1050℃まで降温し、1050℃で1時間保持し、その後に5分かけて1020℃まで降温し、この温度を10〜20時間保持し、次に1時間かけて900℃まで降温し、その後に1時間かけて室温まで降温した。
以上の工程により得られた試料のうち、Sm123相成分に対してSm211相成分を40モル%の比率とした試料の単結晶領域どうしの部分において、上下の酸化物超電導体の接合境界部分の断面の拡大写真を図5に示す。
図5に示すように上下の酸化物超電導体の境界部分には、黒点が点々と数珠状に横方向につながって形成されていた。また、図5において複数存在する大きな黒丸は空孔を示し、白抜きの不定形の部分は銀粒子の存在している部分を示し、その他の灰色の無地の部分の多くの部分はR123相の単結晶が成長した部分に相当する。また、図5の写真よりも更に倍率を上げて撮影した写真では、単結晶が成長した部分に不定形の微細なR211相の存在を多数確認でき、R123相中にR211相が分散された組織となっていることを確認できたが、図5に示す写真で示す倍率ではR211相の存在は確認できない大きさとなっている。
【0041】
この図5に示す数珠状に繋がっている黒点のうちの1つをエネルギー分散型X線分光法により元素分析した結果を図6に示す。この境界部分の黒点部分の分析の結果、SmとBaとCuとOがほぼ1:2:3:(7程度)の割合で存在し、この黒点部分はSmBaCu7−Xの組成の酸化物超電導体であるものと推定できる。
図6に示す分析結果から本発明により得られる酸化物超電導体は上下の前駆体の部分の境界を単結晶が良好な結晶整合性でもって一体化したものであると推定できる。
【0042】
次に先の工程により得られた各酸化物超電導体試料について、各試料が非超電導状態にあるとき、それぞれ200〜5000Gの磁界をヘルムホルツ型コイルで印加後、液体窒素温度(77.3K)に冷却する磁場中冷却を行って各試料を冷却し、冷却後にホール素子を用いて各試料表面の磁界を検出し、磁界分布を測定した。
代表例として1.8の比率(40モル%)の原料混合粉末を用いて製造された外径17mmの試料に対する各印加磁場(0〜5000G)での捕捉磁場分布を測定した結果を図7に示す。なお、この試料はペレットの状態では外径20mmであったが、溶融凝固反応後は外径17mmの酸化物超電導体になったものである。
【0043】
図7はSm211相成分を40モル%添加した原料混合粉末から製造した試料の捕捉磁場分布を3次元表示した図、図8はSm211相成分を40モル%添加した原料混合粉末から製造した試料の捕捉磁場分布を3次元表示した図、図9はSm211相成分を40モル%添加した原料混合粉末から製造した試料の捕捉磁場分布を3次元表示した図である。いずれの試料においてもシングルピークの優れた数値を示している。
以上の試験結果から、前駆体を2つ重ねたものを半溶融凝固法により結晶化して一体化し、酸化物超電導体としたものにおいて、シングルピークを有する優れた酸化物超電導体とすることができるとともに、捕捉磁場を向上させた酸化物超電導体を製造しようとする場合は、Sm211相成分を微細かつ均質にできるだけ多量に分散させることが好ましいものと思われる。
【0044】
図10は先の前駆体を製造した工程において仮焼きして得られた後の粉末の粒度分布測定結果を示す。仮焼1回目と2回目の各工程における粒度分布状況を見ると、53μm以下のものの割合と53〜106μmのものの割合と106〜300μmのものの割合と300〜500μmのものの割合から見て、仮焼1回目では53〜300μmのものが多く、仮焼2回目では53〜106μmの粒度のものが多いことから、仮焼物をそれほど微細化しなくとも本発明の前駆体の成形に利用できることから、本発明では仮焼物をそれほど微細化しなくとも優れた酸化物超電導体を製造できることが明らかになった。勿論、仮焼物を更に微細化して微細粒径の粉末状に加工してから成型しても良いが、粉砕加工に手間がかかることになる。
【0045】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、RE Ba Cu 7−X (REは希土類元素の1種又は2種以上を示す)なる組成の酸化物超電導体を製造するに際し、目的とするRE Ba Cu 7−X なる組成の酸化物超電導体を構成する元素の化合物を混合した原料の圧密体であって、RE Ba Cu 7−X 成分が1.1(5モル%RE Ba Cu 相成分)以上、1.8(40モル%RE Ba Cu 相成分)以下の範囲となるような配合比とした原料の圧密体としての複数の前駆体を積み重ね、最上段の前駆体に対して種結晶を基に、半溶融状態とし、等温保持した後、降温して結晶化開始温度よりも高い温度域に等温保持する予備加熱を行った後、予備加熱温度よりも低い結晶化開始温度に降温し、該結晶化開始温度において等温保持したまま結晶化を行い、その後に降温して前駆体を結晶化して酸化物超電導体とする半溶融凝固法により、結晶成長させてその前駆体を酸化物超電導体にすることができるとともに、その前駆体の下段側に設けた他の前駆体にも結晶化を伝搬させることができ、上段側の結晶化した酸化物超電導体の結晶構造を基に順次結晶化させて全体を酸化物超電導体とすることができる。この際、積み重ねた前駆体どうしは相互に加圧密着させる必要はなく、単に自重によって自然に接触している状態で良い。これにより、従来の前駆体を用いて得られていた酸化物超電導体の数倍もの厚さの酸化物超電導体を前駆体の単なる積み重ね作業を行うことにより製造できる効果を奏する。しかもその酸化物超電導体は捕捉磁場の分布がシングルピークとなる優れた超電導特性を有するものとなる。
次に、積み重ねた前駆体を結晶化する場合、半溶融状態とし、等温保持した後、降温して結晶化開始温度よりも高い温度域に等温保持する予備加熱を行った後、予備加熱温度よりも低い結晶化開始温度に降温し、該結晶化開始温度において等温保持したまま結晶化を行うことにより、徐冷して結晶化する方法よりも遥かに短時間で全体を結晶化することができる。しかも、上段側の前駆体の結晶化を下段側の前駆体の結晶化に伝播させることで従来よりも数倍厚い酸化物超電導体を従来よりも短時間で容易に得ることができる。また、具体的には前述の製造方法により、直径20〜30mmの前駆体を結晶成長させることができる。
【0046】
本発明は酸化物超電導体として、REBaCu7−X(REは希土類元素の1種又は2種以上を示す)なる組成の酸化物超電導体に適用することができる。 更に本発明は、前記複数積み重ねた上下の前駆体の間を完全密着状態ではなく自然載置状態で実現できるので、製造コストを上昇させることなく大型の酸化物超電導体の製造を可能とする効果がある。
【0047】
本発明は、目的とするREBaCu7−Xなる組成の酸化物超電導体を構成する元素の化合物を混合した原料の圧密体であって、REBaCu7−X相成分に対するREBaCu相成分の比の値を1.1以上、1.8以下の範囲となるような配合比とした原料の圧密体を用いるので、積み上げた前駆体の全てに結晶成長を円滑に伝達させて全体を確実に酸化物超電導体とすることができる効果を奏する。
また、本発明は、原料を混合して圧密し仮焼した後に粉砕し、その粉砕物を再度圧密した前駆体を用いる場合、平均粒径を50〜100μmの範囲とした粉砕物を用いることで、目的の酸化物超電導体を製造することができる。
【0048】
本発明による酸化物超電導体であるならば、従来の前駆体を製造する手法では得られない厚さに対応する厚さの酸化物超電導体が従来よりも容易に、しかも、特別な加圧装置を要することなく安価に得られる。更に、得られた酸化物超電導体は捕捉磁場の分布がシングルピークとなる優れた超電導特性を有するものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は本発明方法を実施している状態を説明するためのもので、前駆体を2つ積み重ねたものの上に種結晶を設置した状態を示す側面図である。
【図2】 図2は本発明方法を実施して得られた本発明に係る酸化物超電導体の第1の実施形態の側面図である。
【図3】 図3は本発明方法で得られた酸化物超電導体の平面形状の一例を示す図である。
【図4】 図4は本発明に係る酸化物超電導体の第2の実施形態の側面図である。
【図5】 図5は実施例で得られた酸化物超電導体の結晶化領域の境界部分の断面組織写真である。
【図6】 図6は図5に示す試料の境界部分の黒点部分の分析結果を示す図である。
【図7】 図7は実施例で得られた酸化物超電導体の捕捉磁場分布を示す図である。
【図8】 図8は実施例で得られた第1の例の酸化物超電導体試料の捕捉磁場の3次元分布図である。
【図9】 図9は実施例で得られた第2の例の酸化物超電導体試料の捕捉磁場の3次元分布図である。
【図10】 図10は実施例で適用された前駆体形成用粉砕物の粒度分布を示す図である。
【符号の説明】
1、2…前駆体、3…種結晶、5、9…酸化物超電導体、6、10…境界線、15…単結晶領域、16…多結晶領域。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing an oxide superconductor based on a semi-molten solidification method and an oxide superconductor manufactured thereby, and relates to a technique capable of easily obtaining a large oxide superconductor.
[0002]
[Prior art]
As an example of a method for producing a large bulk oxide superconductor, there are known melting methods disclosed in Japanese Patent No. 1869884 and Japanese Patent No. 2555640. The melting methods described in these patents are RE1Ba2Cu3O7-XIn manufacturing an oxide superconductor having a composition (RE represents a rare earth element), RE2Ba1Cu1O5Phase or RE4Ba2Cu2O10After heating to a temperature range in which the phase and the liquid phase mainly composed of Ba—Cu—O coexist, RE1Ba2Cu3O7-XThis is a manufacturing method in which an oxide superconductor is obtained by cooling to a temperature just above the peritectic temperature where a phase is formed and gradually cooling from that temperature to grow crystals and control nucleation and crystal orientation.
[0003]
In addition, a semi-melt solidification method is known in which an oxide superconductor is manufactured by using one seed crystal and sequentially combining materials having different crystal growth start temperatures to control nucleation, crystal orientation, and crystal growth direction. . (See Patent Document 1)
[0004]
In this semi-molten solidification method, a raw material powder obtained by mixing compound powders of elements constituting an oxide superconductor is consolidated to obtain a precursor, and then this precursor is used to make a RE.1Ba2Cu3O7-XIn manufacturing an oxide superconductor having a composition (RE represents a rare earth element), RE2Ba1Cu1O5Phase or RE4Ba2Cu2O10The precursor is heated to a temperature range in which a phase and a liquid phase mainly composed of Ba-Cu-O coexist to be in a semi-molten state, then a seed crystal is placed on the semi-molten precursor, and RE1Ba2Cu3O7-XA manufacturing method in which a crystal is gradually grown inside a semi-molten precursor by cooling to a temperature just above the peritectic temperature where a phase is formed, and gradually cooling from that temperature, and the precursor is the oxide superconductor. It is. It is also known to perform heat treatment in an oxygen atmosphere in order to adjust the crystal structure by adding oxygen to the oxide superconductor crystal by the semi-melt solidification method as necessary.
[0005]
Next, as a technique for stacking and manufacturing bulk bodies of different rare earth oxide superconductors, different types of rare earth elements,1Ba2Cu3O7-XA method is known in which a precursor is formed by laminating a plurality of raw material layers so that the temperature at which a phase is generated is continuous from the high temperature side or the low temperature side, and then a semi-melt solidification method is performed. (See Patent Document 2)
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-5-170598
[Patent Document 2]
Japanese Patent No. 2556401 (Japanese Patent Laid-Open No. 5-1993938)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the oxide superconductor manufacturing method described above has a limit on the size of a precursor that can be crystal-grown. That is, when the semi-melt solidification method is performed inside the precursor, 2REBa2Cu3O7-X(R123 phase) = RE2Ba1Cu1O5(R211 phase) + L (liquid phase; 3BaCuO2Based on the reaction represented by the formula + 2CuO), the R211 phase and the liquid phase generate the R123 phase while the R211 phase moves inside the semi-molten precursor, When the R123 phase is generated while moving, the progress speed is very slow, and if there is an impurity or reaction inhibiting factor inside the semi-molten precursor, the reaction stops immediately or an oxide superconductor with a poor crystalline state is generated. Therefore, the Nd-based or Sm-based oxide superconductor has a diameter of about 2 cm and a thickness of about several millimeters to 1 cm, and the Y-based oxide superconductor has a diameter of a little over 10 cm and a thickness of several millimeters to 1 cm. The degree is the limit of the current technology. That is, even when a large precursor larger than these sizes is used, the semi-molten solidification reaction stops halfway or the crystal growth partially proceeds in an arbitrary direction, and the oxide superconductor having a good orientation as a whole. Have problems that you can't get.
[0008]
In addition, the precursor used in the semi-melt solidification method is obtained by mixing and compacting the raw material powder of the oxide superconductor, and therefore usually by a consolidation method using a CIP device (cold isostatic pressure device) or the like. It is generally used as a dense state having almost no voids. However, for that purpose, it is necessary to use a CIP device that is tens of millions of equipment, and it is not easy to manufacture at low cost, and it is even larger than the size of a precursor that can be solidified with a normal CIP device. There was a problem that an oxide superconductor could not be manufactured. In order to obtain a larger precursor, the precursor cannot be produced if a larger CIP apparatus is used. However, as the CIP apparatus becomes larger, the equipment cost will increase significantly, and the production cost will increase. May increase significantly.
[0009]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and an oxide superconductor capable of easily producing a larger oxide superconductor than the conventional one when producing an oxide superconductor by a semi-melt solidification method. It is an object of the present invention to provide an oxide superconductor obtained thereby.
Another object of the present invention is to provide a production method that can be carried out without requiring a special CIP device for producing a large precursor and an oxide superconductor obtained thereby.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, the present inventionRE 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X (RE represents one or more rare earth elements) When producing an oxide superconductor having a composition of 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X A compact of a raw material in which a compound of an element constituting an oxide superconductor having the following composition is mixed: 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X Ingredient 1.1 (5 mol% RE 2 Ba 1 Cu 1 O 5 Phase component) or more, 1.8 (40 mol% RE) 2 Ba 1 Cu 1 O 5 Phase component) Consists of a compacted raw material with a blending ratio in the following rangeThe precursor is heated to a semi-molten state and then cooled, and the semi-molten precursor is crystallized into an oxide superconductor based on the crystal structure of the seed crystal placed on the precursor. A method for producing an oxide superconductor by a semi-molten solidification method, and in carrying out the semi-melt solidification method, a plurality of the precursors are stacked, a seed crystal is placed on the uppermost stacked precursor, The uppermost precursor is crystallized based on the seed crystal by the melt solidification method, and the other precursors stacked are sequentially crystallized by propagating the crystallization to the lower precursor.In carrying out the semi-molten solidification method, preheated to heat the stacked precursors into a semi-molten state, hold isothermally, then cool down and keep isothermally in a temperature range higher than the crystallization start temperature After performing the above, the temperature is lowered to the crystallization start temperature lower than the preheating temperature, the crystallization is performed while maintaining the isothermal temperature at the crystallization start temperature, and then the temperature is lowered.It is characterized by that.
[0011]
  By simply stacking multiple precursors and growing a crystal based on a seed crystal for the uppermost precursor, the uppermost precursor can be made into an oxide superconductor, and the lower side of the precursor Oxide superconductors can be sequentially formed by propagating crystallization with respect to other precursors provided in the substrate. At this time, the stacked precursors do not need to be pressure-contacted with each other, and may be in a state where they are naturally in contact by their own weight. As a result, an oxide superconductor having a thickness several times that of an oxide superconductor obtained by using a conventional precursor can be easily manufactured by simply adding the precursors.
  Here, the semi-molten solidification method refers to obtaining a raw material mixed molded body (precursor) formed by mixing a plurality of elemental compounds constituting an oxide superconductor and then placing a seed crystal on the precursor. After this, the precursor is heated and melted at a temperature equal to or higher than the melting point to a temperature in which the liquid phase and the solid phase coexist to form a semi-molten state, and then cooled, using the previous seed crystal and starting from the seed crystal. In this method, a single crystal of the desired oxide superconductor is grown to obtain an oxide superconductor having a good crystal structure and excellent superconducting characteristics.
  In carrying out the semi-molten solidification method, the temperature in the semi-molten stateKeep it isothermal to itKeep isothermal at lower temperaturesAfter performing the preheating, the temperature is lowered to a crystallization start temperature lower than the preheating temperature,If the crystallization is performed while maintaining the isothermal temperature at the crystallization start temperature, the progress of the crystallization can be promoted, compared with the case where the crystal is grown by applying a temperature gradient while gradually cooling.FarCrystallization can proceed in a short time.
[0012]
  In order to achieve the above object, the present invention provides the oxide superconductor as RE.1Ba2Cu3O7-XThe present invention is characterized by being applied to an oxide superconductor having a composition (RE represents one or more rare earth elements).
  As a specific oxide superconductor applicable, RE1Ba2Cu3O7-XA composition having a composition (RE represents one or more rare earth elements) can be exemplified. More specifically, as RE, one or more of rare earth elements including Y (La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) are included. Show. When an oxide superconductor represented by these composition formulas is to be manufactured, if it is in a semi-molten state, RE2Ba1Cu1O5Phase or RE4Ba2Cu2O10It can be made into a semi-molten state by heating to a temperature region where a phase and a liquid phase mainly composed of Ba-Cu-O coexist,After isothermal holding at a temperature lower than that of the semi-molten state,RE1Ba2Cu3O7-XCool to the crystallization temperature just above the peritectic temperature where the phase forms, Keep it isothermal at its crystallization temperature and grow the crystalBy slowly cooling fromObtaining the desired stacked oxide superconductorbe able to.
[0013]
In order to achieve the above-mentioned object, the present invention is characterized in that a plurality of stacked upper and lower precursors are not placed in a completely close contact state but in a natural placement state having a gap.
The stacked precursors do not need to be consolidated with each other by a consolidation method or the like, and may be in an installed state where they are in contact by their own weight. That is, even if the stacked precursors are not completely in close contact with each other, even if they are simply stacked with some gaps between them, the precursors on the lower side are based on the crystals of the upper oxide superconductor. The body can be an oxide superconductor.
In order to achieve the above-mentioned object, the present invention provides a target RE as the precursor.1Ba2Cu3O7-X(RE represents one or more rare earth elements) A compact of a raw material in which a compound of an element constituting an oxide superconductor having a composition of1Ba2Cu3O7-XThe phase component is 1.1 (5 mol% RE2Ba1Cu1O5Phase component) 1.8 or more (40 mol% RE)2Ba1Cu1O5Phase component) It is characterized by using a compacted material having a blending ratio in the following range.
RE inside the precursor when in a semi-molten state2Ba1Cu1O5Phase (R211 phase) and liquid phase (3BaCuO)2When it is decomposed to + 2CuO), the formation of the R123 phase is promoted, and crystallization is facilitated.
[0014]
In order to achieve the above-mentioned object, the present invention, when sequentially crystallizing a plurality of stacked precursors from the upper stage side to the lower stage side, only the precursor that is in the process of crystallization is maintained at the crystallization temperature. The precursor on the side is maintained at a temperature in a semi-molten state, and crystallization is performed while giving a temperature gradient in which the precursors in the semi-molten state are sequentially set to a crystallization temperature as crystallization progresses.
By controlling the temperature in this way, only the precursor to be crystallized can be crystallized, and by preventing the crystallization from occurring in the semi-molten precursor, it is continuous from the upper stage side to the lower stage side. Thus, uniform crystallization can proceed.
[0015]
  In order to achieve the above object, the present inventionRE 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X (RE represents one or more rare earth elements) When producing an oxide superconductor having a composition of 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X A compact of a raw material in which a compound of an element constituting an oxide superconductor having the following composition is mixed: 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X Ingredient 1.1 (5 mol% RE 2 Ba 1 Cu 1 O 5 Phase component) or more, 1.8 (40 mol% RE) 2 Ba 1 Cu 1 O 5 Phase component) Using a precursor consisting of a compacted raw material with a blending ratio in the following range,The oxide superconductor precursor is heated to form a semi-molten state.And keep isothermalAfterAfter preheating to lower the temperature and hold isothermally in a temperature range higher than the crystallization start temperature, the temperature is lowered to a crystallization start temperature lower than the preheating temperature, and crystallization is performed while maintaining the isothermal temperature at the crystallization start temperature. Do, then cool downAn oxide superconductor manufactured by a semi-melt solidification method based on a crystal structure of a seed crystal placed on the precursor to crystallize the precursor in a semi-molten state to form an oxide superconductor. In addition, a plurality of the precursors are stacked, and the plurality of stacked precursors are crystallized into oxide superconductors by crystallization based on a seed crystal placed in the uppermost precursor. Is.
  If it is an oxide superconductor manufactured based on multiple stacked precursors, even if the stacked individual precursors themselves are the same size as the conventional precursors, it will ultimately depend on the number of stacks. An oxide superconductor several times thicker can be obtained.
  On the other hand, if it is going to obtain the precursor several times thick from the beginning, a large sized manufacturing apparatus will be needed with pressurization apparatuses, such as CIP, and an installation cost will improve significantly. Therefore, the oxide superconductor obtained by the present invention can produce an oxide superconductor having a thickness corresponding to a precursor having a thickness not conventionally obtained by a normal press device, even if a normal press device is used. It is an oxide superconductor that can be obtained without increasing the equipment cost.
[0016]
In order to achieve the above-mentioned object, the present invention is characterized in that, among the stacked oxide superconductors, the oxide superconductors which are in contact with each other are welded and integrated at the portions where they are in contact with each other.
Since the stacked precursors are crystal-grown based on the semi-melt solidification method, the precursors that are in contact with the top and bottom are melted at the time of melt solidification to form a welded integrated part that is integrally joined.
In order to achieve the above-mentioned object, the present invention specifically provides an oxide superconductor as RE.1Ba2Cu3O7-X(RE represents one or more rare earth elements) and can be applied to those having a composition
[0017]
When the semi-molten solidification method is performed, crystallization of a plurality of precursors stacked on the basis of the seed crystal proceeds sequentially, but from the region decomposed into the R211 phase and the liquid phase inside the semi-molten precursor. Instead of the liquid phase pushing out the R211 phase, crystallization proceeds throughout the precursor in a manner that produces the R123 phase. Then, the R211 phase existing in the semi-molten state is pushed out to the bottom of the uppermost precursor and then moves to the lower precursor side, and into the lower-half-molten precursor R123. It moves to the bottom side of the next lower precursor while forming a phase. As a result of the sequential movement of the R211 phase to the lower precursor in this way, the R211 phase accumulates at the center of the bottom of the oxide superconductor finally crystallized.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 and FIG. 2 are side views for explaining a state in which the manufacturing method according to the present invention is carried out. FIG. 1 shows disk-shaped oxide superconductor precursors 1 and 2 in their thickness direction. FIG. 2 shows a state in which the seed crystal 3 is placed in the center of the upper portion of the precursor 1 on the upper side (upper side), and FIG. 2 performs the manufacturing method described below on the precursors 1 and 2 shown in FIG. The oxide superconductor 5 obtained by this is shown.
The oxide superconductor precursors 1 and 2 used in the present invention are compacts of a raw material mixture having the same composition as the target oxide superconductor or an approximate composition, and the present invention can be applied to the precursors. As an oxide superconductor, for example, RE-Ba-Cu-O system (RE is a rare earth element containing Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu. 1 type | mold or 2 types or more are shown.) Can be illustrated.
[0019]
Here, when the target oxide superconductor is a RE-Ba-Cu-O-based oxide superconductor, for example, as the precursors 1 and 2, RE compound powder, Ba compound powder, and Cu compound powder are RE. : Ba: Cu = 1: 2: 3, or a compacted raw material mixed powder mixed with a composition close to that can be used.
When the above compound powder is mixed with a composition approximate to RE: Ba: Cu = 1: 2: 3, RE1Ba2Cu3O7-XRE for phase component (R123 phase component)2Ba1Cu1O5The ratio of the phase component (R211 phase component) is preferably 1.1 or more and 1.8 or less, and the molar ratio is preferably 5 mol% or more and 40 mol% or less. Note that the value of the critical current density of the obtained bulk body tends to saturate in the vicinity of 1.4. Further, when the ratio of the R211 phase to the R123 phase is less than 1.1, a normal crystallization reaction is difficult to proceed during melt solidification.
[0020]
As specific values of the molar ratio, for example, the ratio of the R123 phase component to the R211 phase component is 1.1 (5 mol% R211 phase component), 1.2 (10 mol% R211 phase component), 1.4 (20 Mol% R211 phase component) and 1.8 (40 mol% R211 phase component). Here, for example, a ratio of 1.8 means that the number of Sm moles of Sm211 is 8 moles with respect to 10 moles of Sm123.
That is, 10 (RE1Ba2Cu3O7-X) +4 (RE2Ba1Cu1O5) = 100 (RE1Ba2Cu3O7-X) +40 (RE2Ba1Cu1O5) Is considered as a percentage. Accordingly, the ratio 1.1 used in this specification means 5 mol% R211 phase component, the ratio 1.2 means 10 mol% R211 phase component, and the ratio 1.4 means 20 mol%. R211 phase component is meant, and a ratio of 1.8 means 40 mol% R211 phase component.
[0021]
In this embodiment, the precursors 1 and 2 are obtained by forming the raw material mixed powder having the above composition into a disk shape by a pressing device such as a press device or a CIP device (hydrostatic pressure device). Of course, if the CIP device is expensive, the manufacturing cost is lower when the precursors 1 and 2 are manufactured by the press device. Moreover, the magnitude | sizes of the precursors 1 and 2 may be arbitrary, and should just be a precursor of the magnitude | size which can be manufactured with the press apparatus and CIP apparatus to be used.
In addition, when the precursors 1 and 2 are manufactured, after obtaining the raw material mixed powder, the calcining and grinding operation is performed as many times as necessary by calcining at about 800 to 1000 ° C. and then remixing the material pulverized by the pulverizer. You may shape | mold. Examples of the conditions for powder mixing and calcination include calcining conditions such as an agate mortar or an attritor or ball mill for about 1 hour and then calcining at about 900 ° C. for about 15 hours.
Further, when repeatedly calcining a plurality of times and finally pulverizing and mixing, Ag is used for the purpose of lowering the melting temperature and improving the mechanical strength in the subsequent semi-melt solidification method.2A precursor may be formed by adding O, or by mixing Pt as a re211 refining catalyst as an additive substance into a molded body. In addition, Au may be mixed as an additive substance as another element.
These additive substances may be those that improve the superconducting properties of the finally obtained oxide superconductor or that do not impair the superconducting properties. For example, if the additive substance is Ag, it is known that it can be added to the oxide superconductor in a range of about 5 to 20 wt%, and therefore silver may be added.
[0022]
When manufacturing a precursor through such a process, when grind | pulverizing after calcining and mixing a ground material again, it is desirable to make the particle size of a ground material as small as possible, and to arrange those particle sizes. For example, the pulverized product may be pulverized such that the maximum particle size is 300 μm or less, preferably an average particle size in the range of about 50 to 100 μm so that there are almost no large particles exceeding 300 μm, It may be pulverized and mixed so as to have an average particle size finer than this range. The particle size of the pulverized product is sufficient for the practice of the present invention to be in the range of about 50 to 100 μm as described in the examples described later.
[0023]
When these precursors 1 and 2 are stacked, they are simply stacked by aligning their centers at the coaxial position and aligning their upper and lower surfaces, and placing the precursor 1 on the precursor 2 by its own weight; To do. Of course, the upper and lower precursors 1 and 2 may be stacked while being shifted in the center. In this state, the overlapping surfaces of the precursors 1 and 2 are in close contact with each other as shown in FIG. 1, but when the close contact portion is enlarged, the surfaces of the precursors 1 and 2 are completely in contact with each other. Since it cannot be a flat surface, it necessarily has a slight gap. Of course, when forming the precursors 1 and 2, the formation accuracy of the upper surface and the lower surface may be strictly formed to improve the adhesion between the surfaces, but only a slight gap can be confirmed visually. Even when the precursors 1 and 2 formed of the molded body formed with the above surface accuracy are stacked, it is sufficient for use in the present invention.
Although not shown in FIG. 1, a YSZ (yttrium stabilized zirconia) film or plate (sheet having a thickness of 0.1 to 0.2 mm) is laid under the stacked precursors 1 and 2. Further, a base made of a heat-resistant material such as a plate shape, a boat shape, or a crucible shape for supporting them may be installed and charged into the heating furnace together with these bases during heating.
The YSZ film or plate previously prevents impurities from entering the precursors 1 and 2, and the lower precursor 2 is in contact with other substances unless the film or plate is placed underneath. Thus, crystallization occurs and the finally obtained crystal becomes a polycrystal or a crystal with poor orientation.
In addition, for the purpose of suppressing the reaction between the heat-resistant base and the precursor 2, a heat-resistant layer, an intermediate layer made of a heat-resistant material, a base material, or the like may be appropriately laid on the base.
[0024]
  If the stacked state shown in FIG. 1 is obtained, the seed crystal 3 is placed on the precursor 1 on the upper stage, and these are placed in a heating furnace and heat-treated based on a semi-melt solidification method.
  The semi-molten solidification method performed here is a method in which a seed crystal is placed on a precursor of an oxide superconductor in advance, and the precursor is heated and melted at a temperature equal to or higher than the melting point to a temperature where a liquid phase and a solid phase coexist. After making it into a molten state, a cooling process is performed, and a seed crystal is used to grow a single crystal of the target oxide superconductor in the precursor starting from the seed crystal. This is a known method for producing an oxide superconductor. Further, in the case of crystal growth, in this embodiment, as described later, it is carried out by maintaining isothermal at a specified crystallization start temperature.. NaIn this embodiment, a cold seeding method in which a seed crystal is placed on a precursor and then heated is used. However, a hot seeding method in which a seed crystal is placed after being in a semi-molten state is used. Of course, there is no problem.
[0025]
As the seed crystal 3 used in this embodiment, a single crystal or thin film of an oxide superconductor of a kind using a rare earth different from the target rare earth oxide superconductor is used.
For example, when the target oxide superconductor is Sm-based, a single crystal or thin film of an Nd-based oxide superconductor having a peritectic temperature higher than that of the Sm-based can be used. That is, since the seed crystal 3 needs to maintain a crystal state at the semi-melting temperature of the precursor, a seed crystal 3 having a peritectic temperature higher than that of the precursor to be used is used.
An oxide superconducting thin film having a single crystal film of an Nd-based oxide superconductor formed on a heat resistant substrate such as MgO by a film forming method can be applied. Of course, in addition to these, single crystals or superconducting thin films of various systems applicable to the semi-melt solidification method such as Gd, Dy, Ho, and Y can be used as seed crystals.
[0026]
That is, first, the whole is heated to the highest ultimate temperature (Tmax) slightly higher than the melting points of the precursors 1 and 2 to bring the precursors 1 and 2 into a semi-molten state. The heating atmosphere may be air or an oxygen atmosphere in which a small amount of oxygen is supplied in an inert gas. For example, 1% O as an example2A concentration Ar gas atmosphere can be selected.
The heating temperature at this time is slightly different depending on the composition of the target oxide superconductor or depending on the components of the atmospheric gas when the heat treatment is performed, but is approximately 1% O2If it is an Nd-based oxide superconductor in an inert gas atmosphere, it is in the range of 1000 to 1200 ° C, and other oxide superconductors are generally in the range of 950 to 1200 ° C. Further, when the precursors 1 and 2 are suddenly heated when the temperature is raised, there is a risk of introducing a defective portion such as a crack. Therefore, it is preferable to gradually raise the temperature. In addition, the temperature gradient from heating the precursor to the semi-molten state can be any temperature gradient, but if the temperature gradient is not moderated near the maximum temperature, the temperature adjustment function of the heating furnace can be achieved. Depending on this, there is a possibility that the temperature will be far beyond the maximum temperature, so it is preferable to make the temperature gradient gentle in the vicinity of the maximum temperature.
[0027]
If the precursors 1 and 2 are brought into a semi-molten state at the highest attained temperature, the temperature of the precursors 1 and 2 is lowered from the previous temperature by several tens of degrees C. After the preheating to be held, the temperature is lowered to a crystallization start temperature lowered by several tens of degrees centigrade, for example, about 20 to 40 degrees centigrade from the previous temperature, and the crystals are grown by maintaining the crystallization start temperature for several hours. Then cool in the furnace. Thereby, the two-layered oxide superconductor 5 as shown in FIG. 2 can be obtained.
More specifically, when producing an Sm-based oxide superconductor, the temperature is raised from room temperature to 900 ° C. over about 1 hour, and then gradually increased from the half-melting temperature to 1080 ± 20 ° C. over 1 hour. Warm, hold at semi-melting temperature for about 40 minutes, drop to 1050 ° C. over about 5 minutes, and then crystallize for about 5 hours at the target crystallization temperature of 1020 ° C. for about 5 hours. An example of the heat treatment condition is that the temperature is lowered to 900 ° C. over about 1 hour, and then the furnace is cooled to room temperature. The temperature may be increased to 1080 ± 20 ° C. at a stretch, but if the temperature gradient at the time of temperature increase is too high, the precursor will be heated over the 1100 ° C. defined as the upper limit of the half-melting temperature, Since it may be dissolved, the temperature gradient at the time of temperature rise needs to be set so as not to exceed the defined 1080 ± 20 ° C. Of course, if the heating device can precisely control the precursors 1 and 2 to a specified temperature, the heating temperature is not restricted by the above-mentioned temperature rising conditions, and the target half-melting temperature determined according to the composition It goes without saying that the temperature is raised at an appropriate rate in accordance with the above range.
[0028]
  The crystal generation temperatures of other oxide superconductors are 1000 ° C. for the Y system, 1060 ° C. for the Nd system, 1050 ° C. for the Eu system, 1030 ° C. for the Gd system, 1010 ° C. for the Dy system, and 990 ° C. for the Ho system. Since the Er system is known as 970 ° C. and the Yb system is known as 900 ° C., the crystallization start temperature condition required for these systems is set.
  by the wayHalfFor example, in the case of a precursor having a diameter of about 30 mm, the above-described conditions are desirable for the maximum temperature that is the melting temperature and the subsequent isothermal holding time. However, when the precursor is applied to a precursor having a larger diameter, Since the temperature tends to be non-uniform in the part, the temperature and time can be changed as appropriate.
  In addition, it is important to keep isothermal at the crystallization start temperature, and by this isothermal keeping, about one hundred hours in the conventional crystal growth time performed while gradually cooling one seed crystal with a temperature gradient. In the present embodiment, what is necessary can be reduced to a crystal growth time of about 5 hours even when two are stacked. This is because the crystal can be grown by isothermal treatment in this embodiment.
  In general, in the semi-molten solidification method, crystal growth is performed by setting a crystallization temperature for one precursor and then gradually cooling it with a temperature gradient. It takes about 100 hours to grow crystals having a body diameter of 20 to 30 mm. However, a precursor having a diameter of 20 to 30 mm can be crystallized in about 5 hours as in the examples described later by growing the crystal while maintaining isothermal temperature at the crystallization temperature as described above. Of course, the maintenance temperature and the maintenance time in the case of crystallization at the isothermal temperature may be appropriately adjusted according to the size of the precursor.
  Furthermore, the cooling time and cooling conditions for furnace cooling at the final stage vary depending on the size of the furnace used, so they are the same as natural cooling and cooling conditions that do not apply heat shock to the resulting oxide superconductor. Good.
[0029]
The seed crystal 3 is placed on the semi-molten precursor 1 and kept at the crystallization temperature.2Ba1Cu1O5Phase (R211 phase) and L phase (liquid phase: 3BaCuO)2+ 2CuO), starting from the seed crystal, the liquid phase moves to extrude the R211 phase downward (toward the side away from the seed crystal) and the seed crystal as the starting point.1Ba2Cu3O7-XIt is possible to grow an oxide superconductor crystal having a composition ratio of (R123 phase). As a result, the entire precursor 1 is finally crystallized to form RE.1Ba2Cu3O7-XPhase (R123 phase) oxide superconductor.
[0030]
Next, RE1Ba2Cu3O7-XWhen the crystal growth is transmitted to the bottom of the precursor 1 in the process of growing the oxide superconductor crystal having the composition ratio as described above, this crystal growth is transmitted to the precursor 2 side, and also in the precursor 2 from the upper side to the lower side. The crystal growth progresses toward the end, and finally the whole of the precursor 2 is also RE.1Ba2Cu3O7-XAn oxide superconductor having a composition ratio of The crystal growth here proceeds simply by placing the precursor 1 on the precursor 2. It is not necessary to integrate the precursors 1 and 2 in advance by a pressurizing method using a press device or a CIP device.
[0031]
Although the oxide superconductor 5 manufactured as described above has a visible boundary 6 at the boundary between the precursors 1 and 2, it becomes an integrated oxide superconductor having a crystal structure and crystallized. . The semi-molten precursors 1 and 2 are placed on the center of the bottom of the oxide superconductor 5 (on the center of the bottom of the precursor 2) while being discharged from the liquid phase by a reaction during melting and solidification. Remaining RE as a result of moving from side to bottom2Ba1Cu1O5A residual layer 7 mainly composed of a phase (R211 phase) is formed. Further, a welded portion 8 formed when the slight gap portion of the boundary between the precursors 1 and 2 is welded and integrated so as to occupy a part of the boundary line 6 in the oxide superconductor 5 is formed. The
In addition, when the R211 phase moves to the bottom side of the precursor 1 with the crystal growth of the precursor 1 on the upper stage side, and then the crystal growth moves to the precursor 2 on the lower stage side, the precursor 1 and the precursor 2 It seems that there is an area where a part of the R211 phase remains around the boundary line 6.
[0032]
Next, FIG. 3 shows an example of the shape of the upper surface of the oxide superconductor 5 obtained as described above. According to the melt solidification method used in the present invention, the single crystal region grows radially based on the seed crystal 3 (see FIG. 3 omits the seed crystal) installed in the center of the upper surface, and the rectangular single crystal region A single crystal region 15 having a cross-shaped facet line as shown in FIG. 3 is generated when the corner portion of the disk reaches the periphery of the disk, and a polycrystalline region 16 having a arch shape in plan view is generated outside the region. . However, the single crystal region shown in FIG. 3 is an example, and when the single crystal region is completely spread over the entire area of the disk-shaped precursors 1 and 2, the single crystal region is the disk-shaped precursors 1 and 2. In this case, it may be any case such as a case where it stops before the peripheral edge of the substrate and becomes a rectangular single crystal region smaller than the single crystal region 16 shown in FIG.
[0033]
The oxide superconductor 5 in this form has a thickness corresponding to the precursors 1 and 2, and if the precursors 1 and 2 have the same thickness, the thickness is twice that of the original precursor. The oxide superconductor 5 is obtained. In this regard, in the conventional manufacturing method, if an oxide superconductor having a thickness twice as large as that of the precursor having the specified thickness is to be obtained, the precursor itself is compacted to a thickness twice that of the precursor. A semi-melt solidification method must be applied.
That is, in order to obtain a double-thickness precursor, a special pressure device such as a CIP device capable of compacting a double-thickness precursor must be introduced. Therefore, in the conventional method, it is necessary to purchase an expensive CIP device corresponding to the double thickness, and it is necessary to expect a significant increase in equipment cost. However, in the method of the present invention, the pressure device currently used is used as it is. However, since an oxide superconductor having a double thickness can be easily obtained, it is extremely economical, and an oxide superconductor thicker than the conventional one can be realized without increasing the equipment cost.
In addition, according to this method, although the boundary line 6 is present at the boundary portion between the precursors 1 and 2, the single crystal region 15 is substantially continuously formed from the upper part to the lower part of the oxide superconductor 5. It becomes an oxide superconductor having an integrated crystal structure.
[0034]
FIG. 4 shows an embodiment of an oxide superconductor obtained when the second example of the production method according to the present invention is carried out. The oxide superconductor 9 of this form is obtained by applying the semi-melting solidification method to the precursors of the three-stage stack with respect to the precursors 1 and 2 of the two-stage stack.
As shown in FIG. 4, the precursors may be stacked in three stages. Even if the precursors are stacked in three stages, the crystallization of the uppermost precursor 1 can be transmitted to the second precursor 2 by applying a semi-melt solidification method substantially equivalent to the previous conditions. The crystallization of the second-stage precursor 2 can be transmitted to the third-stage precursor, and as a result, all the three-stage precursors can be crystallized in the same manner to form an oxide superconductor. .
[0035]
As shown in FIG. 4, boundary lines 6 and 10 are generated at positions corresponding to the boundary positions of the three precursors, and the oxide superconductor 9 is visually divided into three parts by the boundary lines 6 and 10. Although it appears to be divided into an upper oxide superconductor 9a, a central oxide superconductor 9b, and a bottom oxide superconductor 9c, it has a single crystal region that is single-crystallized from the top to the bottom. . The planar shape of the single crystal region is equivalent to the single crystal region 15 described above with reference to FIG.
Further, a residual layer 11 mainly composed of the R211 phase is formed in the center of the bottom surface of the bottom portion 9c of the oxide superconductor 9 of this form, as in the case of the first embodiment.
[0036]
If the structure shown in FIG. 4 is used, an oxide superconductor 9 having a thickness three times that of the conventional precursor can be obtained, and the thickness of the oxide superconductor 9 is larger than that in the case of the first embodiment. The physical superconductor 9 can be obtained.
In addition, as an example of the single crystal region formed in each of the precursors stacked in three stages, a case where a rectangular single crystal region is generated as in the case described above with reference to FIG. In any case where is a single crystal region, it is the same as in the previous embodiment.
[0037]
  In the embodiments described so far, the whole of the stacked precursors is heated or cooled to a uniform temperature to achieve the object. However, a temperature gradient may be given according to the stacked precursors. For example, when cooling from a semi-molten state and lowering the temperature below the crystallization temperature, crystal growth starts from that portion. Therefore, only the uppermost precursor 1 is first set to a temperature lower than the crystallization start temperature and lower than that The second precursor is heated to the crystallization start temperature when crystallization of the first-stage precursor 1 is completed, and the third-stage precursor is Even if the oxide superconductor is manufactured by setting the semi-melting temperature and proceeding with crystallization while giving a temperature gradient such that the precursor on the lower stage is sequentially brought to the crystallization start temperature as the crystallization progresses. Of course it is good.
[0038]
【Example】
"Example 1"
Sm1Ba2Cu3O7-XSamarium oxide (Sm2O3) Powder and barium carbonate (BaCO)3) Powder and copper oxide (CuO) powder into R123 phase components (Sm1Ba2Cu3O7-XPhase component) and R211 phase component (Sm)2Ba1Cu1O5The ratio of the phase component) is 1.1 (5 mol% R211 phase component), 1.2 (10 mol% R211 phase component), 1.4 (20 mol% R211 phase component), 1.8 (40 mol% R211 phase component). Were individually weighed so as to be each of the phase components) and individually mixed using an agate mortar to prepare four kinds of raw material mixed powders for testing.
[0039]
Then, each raw material mixed powder was calcined at 900 ° C. for 15 hours, further pulverized, and then calcined at 900 ° C. for 15 hours. To this calcined powder, silver oxide (Ag2O) 20 wt% powder and 0.5 wt% platinum (Pt) powder were added and further mixed for 1 hour to obtain four kinds of raw material mixed powder. These raw material mixed powders were molded into a plurality of pellets having a diameter of 20 mm and a thickness of 5 mm by a uniaxial pressure press to obtain a plurality of precursors.
Of these pellets, those having the same outer diameter are stacked in two or three layers to form test specimens, and Nd is used as a seed crystal.1Ba2Cu3O7-XA thin film of the composition was placed and heat-treated in the air according to the following heating pattern. This thin film is formed on a MgO substrate with a composition ratio of 10 × 10 mm.2An oxide superconducting thin film having a thickness of 700 nm was formed and used by dividing it into a size of about 1 mm square.
[0040]
In the heat treatment, each specimen is heated in the atmosphere from room temperature to 900 ° C. over 1 hour, heated from 900 ° C. to 1080 ° C. over 1 hour, held at this temperature for 40 minutes, and then 5 The temperature is lowered to 1050 ° C. over 1 minute and held at 1050 ° C. for 1 hour, then the temperature is lowered to 1020 ° C. over 5 minutes, this temperature is maintained for 10 to 20 hours, and then the temperature is lowered to 900 ° C. over 1 hour. Thereafter, the temperature was lowered to room temperature over 1 hour.
Among the samples obtained by the above steps, the cross section of the junction boundary portion of the upper and lower oxide superconductors in the portion between the single crystal regions of the sample in which the Sm211 phase component is 40 mol% with respect to the Sm123 phase component An enlarged photograph of is shown in FIG.
As shown in FIG. 5, black dots are formed in a beaded manner in the lateral direction at the boundary between the upper and lower oxide superconductors. Further, in FIG. 5, a plurality of large black circles indicate pores, a white irregular-shaped portion indicates a portion where silver particles are present, and most of other gray plain portions are R123 phase. This corresponds to the portion where the single crystal has grown. Further, in the photograph taken at a higher magnification than the photograph of FIG. 5, the presence of a large number of irregular R211 phases can be confirmed in the portion where the single crystal has grown, and the structure in which the R211 phase is dispersed in the R123 phase It can be confirmed that the presence of the R211 phase cannot be confirmed with the magnification shown in the photograph shown in FIG.
[0041]
FIG. 6 shows the result of elemental analysis of one of the black dots connected in a bead shape shown in FIG. 5 by energy dispersive X-ray spectroscopy. As a result of the analysis of the black spot portion of the boundary portion, Sm, Ba, Cu, and O are present at a ratio of approximately 1: 2: 3: (about 7).1Ba2Cu3O7-XIt can be presumed that this is an oxide superconductor having the following composition.
From the analysis results shown in FIG. 6, it can be estimated that the oxide superconductor obtained by the present invention is a single crystal integrated with good crystal matching at the upper and lower precursor portions.
[0042]
Next, for each oxide superconductor sample obtained in the previous step, when each sample is in a non-superconducting state, a magnetic field of 200 to 5000 G is applied by a Helmholtz type coil, and then the liquid nitrogen temperature (77.3 K) is applied. Each sample was cooled by cooling in a magnetic field to be cooled, and after cooling, the magnetic field on each sample surface was detected using a Hall element, and the magnetic field distribution was measured.
As a representative example, FIG. 7 shows the result of measuring the trapped magnetic field distribution in each applied magnetic field (0 to 5000 G) for a sample having an outer diameter of 17 mm manufactured using a raw material mixed powder having a ratio of 1.8 (40 mol%). Show. This sample had an outer diameter of 20 mm in the pellet state, but became an oxide superconductor having an outer diameter of 17 mm after the melt solidification reaction.
[0043]
FIG. 7 is a three-dimensional representation of the captured magnetic field distribution of a sample prepared from a raw material mixed powder added with 40 mol% of Sm211 phase component, and FIG. 8 is a sample manufactured from the raw material mixed powder added with 40 mol% of Sm211 phase component. FIG. 9 is a diagram in which the captured magnetic field distribution of a sample manufactured from a raw material mixed powder added with 40 mol% of the Sm211 phase component is displayed in three dimensions. All samples show excellent single peak values.
From the above test results, an oxide superconductor having a single peak can be obtained in a case where two precursors are crystallized and integrated by a semi-melt solidification method to form an oxide superconductor. At the same time, when an oxide superconductor having an improved trapping magnetic field is to be manufactured, it seems preferable to disperse the Sm211 phase component in a large amount as finely and uniformly as possible.
[0044]
FIG. 10 shows the particle size distribution measurement result of the powder obtained after calcining in the step of producing the precursor. Looking at the particle size distribution in each step of the first and second calcinations, it can be seen from the ratio of those of 53 μm or less, the ratio of 53 to 106 μm, the ratio of 106 to 300 μm, and the ratio of 300 to 500 μm. Since the first one is mostly 53 to 300 μm and the second calcining is mostly 53 to 106 μm in particle size, it can be used for molding the precursor of the present invention without making the calcined material very fine. Then, it became clear that an excellent oxide superconductor could be manufactured without making the calcined material very fine. Of course, the calcined material may be further refined and processed into a powder with a fine particle diameter, and then molded, but it takes time and effort to grind.
[0045]
【The invention's effect】
  As detailed above, according to the present invention,RE 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X (RE represents one or more rare earth elements) When producing an oxide superconductor having a composition of 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X A compact of a raw material in which a compound of an element constituting an oxide superconductor having the following composition is mixed: 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X Ingredient 1.1 (5 mol% RE 2 Ba 1 Cu 1 O 5 Phase component) or more, 1.8 (40 mol% RE) 2 Ba 1 Cu 1 O 5 Phase component) As a consolidated body of raw materials with a blending ratio in the following rangeStacking multiple precursors, based on the seed crystal for the uppermost precursor,After the semi-molten state is maintained isothermally, the temperature is decreased and preheating is performed so that the temperature is higher than the crystallization start temperature.After that, the temperature is decreased to a crystallization start temperature lower than the preheating temperature, and the Crystallize while maintaining isothermal temperature at the starting temperature, and then cool down the precursor.Semi-molten solidification method by crystallizing oxide superconductorByCrystal growth allows the precursor to become an oxide superconductor, and can also propagate crystallization to other precursors on the lower side of the precursor. The whole can be made into an oxide superconductor by sequentially crystallizing based on the crystal structure of the physical superconductor. At this time, the stacked precursors do not need to be pressure-contacted with each other, and may be in a state where they are naturally in contact by their own weight. This produces an effect that an oxide superconductor having a thickness several times that of an oxide superconductor obtained by using a conventional precursor can be manufactured by simply stacking the precursors. In addition, the oxide superconductor has excellent superconducting characteristics in which the trapped magnetic field distribution has a single peak.
  Next, when crystallizing the stacked precursors,After the semi-molten state is maintained isothermally, the temperature is decreased and preheating is performed so that the temperature is higher than the crystallization start temperature.After that, the temperature is decreased to a crystallization start temperature lower than the preheating temperature, and the Crystallization while keeping isothermal at the starting temperatureBy carrying out, the whole can be crystallized in a much shorter time than the method of crystallization by slow cooling. In addition, an oxide superconductor several times thicker than the conventional one can be easily obtained in a shorter time than the prior art by propagating the crystallization of the upper precursor to the crystallization of the lower precursor.Specifically, a precursor having a diameter of 20 to 30 mm can be crystal-grown by the above-described manufacturing method.
[0046]
The present invention provides an RE superconductor as an RE superconductor.1Ba2Cu3O7-X(RE represents one or more rare earth elements) The present invention can be applied to an oxide superconductor having a composition. Furthermore, since the present invention can be realized in a naturally mounted state between the plurality of stacked upper and lower precursors instead of being in a completely close contact state, it is possible to manufacture a large oxide superconductor without increasing the manufacturing cost. There is.
[0047]
  The present invention provides a target RE1Ba2Cu3O7-XA compact of a raw material in which a compound of an element constituting an oxide superconductor having the following composition is mixed:1Ba2Cu3O7-XRE for phase components2Ba1Cu1O5Since the raw material compact is used in such a ratio that the phase component ratio is in the range of 1.1 or more and 1.8 or less, the crystal growth is smoothly transmitted to all of the accumulated precursors, so that Can be obtained as an oxide superconductor.
  In addition, the present invention uses a pulverized product having an average particle size in the range of 50 to 100 μm when a precursor obtained by mixing and compacting and calcining the raw materials and then pulverizing and re-compacting the pulverized product is used. The target oxide superconductor can be manufactured.
[0048]
If it is an oxide superconductor according to the present invention, an oxide superconductor having a thickness corresponding to a thickness that cannot be obtained by a conventional method for producing a precursor is easier than in the past, and a special pressurizing apparatus is used. Can be obtained at low cost. Furthermore, the obtained oxide superconductor has excellent superconducting properties in which the trapped magnetic field distribution has a single peak.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view showing a state in which the method of the present invention is being carried out, and shows a state in which a seed crystal is placed on a stack of two precursors.
FIG. 2 is a side view of the first embodiment of the oxide superconductor according to the present invention obtained by carrying out the method of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing an example of a planar shape of an oxide superconductor obtained by the method of the present invention.
FIG. 4 is a side view of a second embodiment of the oxide superconductor according to the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional structure photograph of the boundary portion of the crystallization region of the oxide superconductor obtained in the example.
FIG. 6 is a diagram showing an analysis result of a black spot portion at a boundary portion of the sample shown in FIG.
FIG. 7 is a diagram showing the trapped magnetic field distribution of the oxide superconductor obtained in the example.
FIG. 8 is a three-dimensional distribution diagram of the trapping magnetic field of the oxide superconductor sample of the first example obtained in the example.
FIG. 9 is a three-dimensional distribution diagram of the trapping magnetic field of the oxide superconductor sample of the second example obtained in the example.
FIG. 10 is a diagram showing the particle size distribution of the pulverized material for forming precursors applied in the examples.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 2 ... Precursor, 3 ... Seed crystal, 5, 9 ... Oxide superconductor, 6, 10 ... Borderline, 15 ... Single-crystal region, 16 ... Polycrystalline region.

Claims (9)

RE Ba Cu 7−X (REは希土類元素の1種又は2種以上を示す)なる組成の酸化物超電導体を製造するに際し、目的とするRE Ba Cu 7−X なる組成の酸化物超電導体を構成する元素の化合物を混合した原料の圧密体であって、RE Ba Cu 7−X 成分が1.1(5モル%RE Ba Cu 相成分)以上、1.8(40モル%RE Ba Cu 相成分)以下の範囲となるような配合比とした原料の圧密体からなる前駆体を加熱して半溶融状態とした後に冷却し、前記前駆体上に設置されている種結晶の結晶構造を基に先の半溶融状態の前駆体を結晶化して酸化物超電導体とする半溶融凝固法によって酸化物超電導体を製造する方法であって、
前記半溶融凝固法を実施するにあたり、前記前駆体を複数積み重ね、積み重ねた最上段の前駆体上に種結晶を設置し、半溶融凝固法により該種結晶を基にして最上段の前駆体を結晶化するとともに、該結晶化を下段側の前駆体に伝播させて積み重ねた他の前駆体を順次結晶化する方法とし、前記半溶融凝固法を実施するにあたり、前記積み重ねた前駆体を加熱して半溶融状態とし、等温保持した後、降温して結晶化開始温度よりも高い温度域に等温保持する予備加熱を行った後、予備加熱温度よりも低い結晶化開始温度に降温し、該結晶化開始温度において等温保持したまま結晶化を行い、その後に降温することを特徴とする酸化物超電導体の製造方法。
When manufacturing an oxide superconductor having a composition of RE 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X (RE represents one or more rare earth elements), the target RE 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X A raw material compacted with a compound of an element constituting an oxide superconductor having the composition as shown above, wherein the RE 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X component is 1.1 (5 mol% RE 2 Ba 1 Cu 1 O 5 phase component) to 1.8 (40 mol% RE 2 Ba 1 Cu 1 O 5 phase component), the precursor composed of a compacted raw material having a blending ratio so as to be in the range of not more than 1.8 (40 mol% RE 2 Ba 1 Cu 1 O 5 phase component) Then, the oxide superconductor is cooled, and the oxide superconductor is formed by a semi-melting solidification method by crystallizing the precursor in the semi-molten state based on the crystal structure of the seed crystal placed on the precursor. A method of manufacturing
In carrying out the semi-molten solidification method, a plurality of the precursors are stacked, a seed crystal is placed on the stacked uppermost precursor, and the uppermost precursor is formed based on the seed crystal by the semi-melt solidification method. In addition to crystallization, the crystallization is propagated to the lower precursor, and the other precursors stacked are sequentially crystallized. In carrying out the semi-melt solidification method, the stacked precursors are heated. The semi-molten state is maintained isothermally, and then the temperature is lowered and preheating is performed so that the temperature is higher than the crystallization start temperature, and then the crystallization start temperature is lowered to a temperature lower than the preheat temperature. A method for producing an oxide superconductor , wherein crystallization is performed while maintaining isothermal temperature at a crystallization start temperature, and then the temperature is lowered .
前記種結晶を前記前駆体に載置してから加熱して半溶融状態とするコールドシーディング法を用いることを特徴とする請求項1に記載の酸化物超電導体の製造方法。 The method for producing an oxide superconductor according to claim 1, wherein a cold seeding method in which the seed crystal is placed on the precursor and then heated to be in a semi-molten state is used . 前記種結晶として耐熱性基板の上に成膜法により形成された酸化物超電導体の単結晶状のフィルムであり、製造しようとする酸化物超電導体の包晶温度よりも高い包晶温度を有する酸化物超電導体の単結晶状のフィルムを用いることを特徴とする請求項1または2に記載の酸化物超電導体の製造方法。 A single crystal film of an oxide superconductor formed as a seed crystal on a heat-resistant substrate by a film forming method, and has a peritectic temperature higher than that of the oxide superconductor to be manufactured. The method for producing an oxide superconductor according to claim 1 or 2, wherein a single crystal film of the oxide superconductor is used. 前記複数積み重ねた上下の前駆体の間を完全密着状態ではなく隙間を有した自然載置状態とすることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の酸化物超電導体の製造方法。The method for producing an oxide superconductor according to any one of claims 1 to 3, wherein the plurality of stacked precursors are placed in a natural placement state having a gap instead of a completely close contact state. 原料を混合して圧密し仮焼した後に粉砕し、その粉砕物を再度圧密した前駆体を用いる場合、平均粒径を50〜100μmの範囲とした粉砕物を用いることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の酸化物超電導体の製造方法。 2. A pulverized product having an average particle diameter in the range of 50 to 100 μm is used when a precursor obtained by mixing and compacting and calcining the raw materials and then pulverizing and then re-compacting the pulverized product is used. The manufacturing method of the oxide superconductor in any one of -3. 前記複数積み上げた前駆体を上段側から下段側にかけて順次結晶化する際、結晶化進行中の前駆体のみを結晶化温度に保持し、それよりも下段側の前駆体を半溶融状態の温度に維持し、結晶化の進行に応じて半溶融状態の前駆体を順次結晶化温度とする温度勾配を与えながら結晶化することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の酸化物超電導体の製造方法。When the plurality of stacked precursors are sequentially crystallized from the upper stage side to the lower stage side, only the precursor that is in the process of crystallization is kept at the crystallization temperature, and the precursor on the lower stage side is kept at a temperature in a semi-molten state. The oxide superconductivity according to any one of claims 1 to 5, wherein the oxide superconductivity is maintained and crystallized while giving a temperature gradient in which the precursors in a semi-molten state are sequentially set to a crystallization temperature as crystallization progresses. Body manufacturing method. RE Ba Cu 7−X (REは希土類元素の1種又は2種以上を示す)なる組成の酸化物超電導体を製造するに際し、目的とするRE Ba Cu 7−X なる組成の酸化物超電導体を構成する元素の化合物を混合した原料の圧密体であって、RE Ba Cu 7−X 成分が1.1(5モル%RE Ba Cu 相成分)以上、1.8(40モル%RE Ba Cu 相成分)以下の範囲となるような配合比とした原料の圧密体からなる前駆体を加熱して半溶融状態とした後に徐冷して前記前駆体上に設置されている種結晶の結晶構造を基に先の半溶融状態の前駆体を結晶化して酸化物超電導体とする半溶融凝固法によって製造された酸化物超電導体であって、
前記前駆体が複数積み重ねられるとともに、最上段の前駆体に設置した種結晶を基にする半溶融凝固法による結晶化により、積み重ねられた複数の前駆体が結晶化されて酸化物超電導体とされてなり、前記半溶融凝固法を実施するにあたり、前記積み重ねた前駆体を加熱して半溶融状態とし、等温保持した後、降温して結晶化開始温度よりも高い温度域に等温保持する予備加熱を行った後、予備加熱温度よりも低い結晶化開始温度に降温し、該結晶化開始温度において等温保持したまま結晶化を行い、その後に降温されてなることを特徴とする酸化物超電導体。
When manufacturing an oxide superconductor having a composition of RE 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X (RE represents one or more rare earth elements), the target RE 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X A raw material compacted with a compound of an element constituting an oxide superconductor having the composition as shown above, wherein the RE 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X component is 1.1 (5 mol% RE 2 Ba 1 Cu 1 O 5 phase component) to 1.8 (40 mol% RE 2 Ba 1 Cu 1 O 5 phase component), the precursor composed of a compacted raw material having a blending ratio so as to be in the range of not more than 1.8 (40 mol% RE 2 Ba 1 Cu 1 O 5 phase component) After that, it was manufactured by a semi-melting solidification method by crystallizing the precursor in a semi-molten state from the crystal structure of a seed crystal placed on the precursor after being gradually cooled to form an oxide superconductor. An oxide superconductor,
A plurality of the precursors are stacked, and the plurality of stacked precursors are crystallized into an oxide superconductor by crystallization by a semi-melt solidification method based on a seed crystal placed on the uppermost precursor. In carrying out the semi-molten solidification method, the stacked precursors are heated to a semi-molten state, held isothermally, and then cooled and pre-heated to be kept isothermal in a temperature range higher than the crystallization start temperature. The oxide superconductor is characterized in that it is cooled to a crystallization start temperature lower than the preheating temperature, crystallized while being kept isothermally at the crystallization start temperature, and then cooled .
積み重ねられた酸化物超電導体のうち、上下に接する酸化物超電導体が互いに接する部分において溶着一体化されてなることを特徴とする請求項7に記載の酸化物超電導体。8. The oxide superconductor according to claim 7, wherein, among the stacked oxide superconductors, the oxide superconductors that are in contact with each other are welded and integrated at portions where they are in contact with each other. Ag、Pt、Auのいずれかが添加されてなることを特徴とする請求項7または8に記載の酸化物超電導体。The oxide superconductor according to claim 7 or 8, wherein any one of Ag, Pt, and Au is added .
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