【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】17H03239 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超伝導 / ナノひずみ / ナノ粒子 / 臨界電流密度 / 熱電材料 / ひずみ / 磁場中臨界電流 / 電子・電気材料 / エネルギー回収型発電用電気材料 / フレキシブル基板 / ナノ歪 / 電気材料

【研究成果の概要】

これまで特性低下要因であったひずみを積極的に母相内にナノスケールで導入する技術を確立し、フレキシブル電気材料の超伝導特性や熱電変換効率の飛躍的向上を目指した。2017年度には、化学ドーピングによる超伝導超伝導薄膜線材のc軸方向へのナノひずみ制御技術開発を行った。2018年度には、ナノ異相導入によるc軸方向へのひずみ制御技術の確立を実施し、ひずみが電気特性に及ぼす影響を明らかにした。2019年度には、「ナノ異相導入技術」と「ひずみ制御技術」を融合し電気材料の特性を飛躍的に向上に成功した。これまでの業績として査読付き学術論文17報、国際学会39件、国内学会29件、新聞発表9報で研究成果を発表した。

【研究の社会的意義】

超伝導や熱電変換材料などの電気材料は、発電機の効率向上や廃熱利用発電などエネルギーハーべスティングなど次世代電気エネルギーの中核となり得る。ただし、これらの応用に用いるには、超伝導では磁場中臨界電流密度、熱電変換では熱電変換効率が応用に必要とされる特性に至っていないという課題点が存在した。本研究成果では、ナノ構造制御によって酸化物超伝導や酸化物熱電変換薄膜にナノ異相を導入することで、超伝導では磁場中臨界電流密度、熱電変換では熱電変換効率を向上させることに成功した。この研究成果を活かした発電システムを開発することで、超伝導や熱電材料を用いた新たなエネルギー回収型発電システムが期待される。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2017-04-01 - 2020-03-31

【配分額】18,070千円 (直接経費: 13,900千円、間接経費: 4,170千円)

【研究分野】材料加工・処理

【研究領域課題番号】11650735 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超伝導 / セラミックス / 液相拡散接合 / インサート材 / 臨界温度 / 臨界電流密度 / 帯磁率 / 接合強度 / 拡散接合

【研究成果の概要】

酸化物系超伝導材料のうち、臨界温度T_cが90K級のYBa_2Cu_3O_<7-x>系(Y系)超伝導材料は、最も一般的であり実用化が期待されている。実用化に際しては、材料の成形加工及び接合技術が不可欠であるが、特に焼結バルク体の接合技術についてはこれまでほとんど報告されていない。脆性なセラミック超伝導バルク体を接合するためには、接合界面に軟質層あるいは液層を介在させることが望ましいが、一方、接合界面に超伝導を妨げる層が介在することを避ける必要がある。本研究では、超伝導特性を有しながらY系よりも低い融点(包晶温度)を有するRE系超伝導材料をインサート材として用い、Y系の接合を試みた。さらに、超伝導特性および接合強度向上を目的にAg添加の効果について検討した。以下に、本研究により得られた主な結果をまとめて示す。
1.接合部に形成されるY系およびRE系の混合層あるいは拡散層の特性を調べた結果、どの混合比率においても各々の超伝導相は独立して形成され、超伝導特性を発揮する。
2.直流4端子法及び帯磁率法によるY系バルク体の臨界温度は約87Kであるが、帯磁率が検出されなくなる温度は約68Kと測定された。
3.RE系にAgを添加すると、包晶温度は約35K低下し、接合性を向上させる。
4.Ag20を添加したREBCOをインサート材として接合する場合、Ag20の添加量が29mass%までは、継ぎ手のTc及びJcは向上する。しかし、常伝導相である211相が接合部に生成されたため、YBCO母材のJcより低い値しか得られなかった。
5.インサート材へのAg20添加により継ぎ手のせん断強度は向上したが、母材であるYBCOと同等のせん断強度を得ることは出来なかった。これは、接合部の緻密度は向上したものの、接合部に部分的に気孔が生成した結果と考えられる。この気孔生成は、Agの流出によるものと考えられる。接合圧力等の接合条件の選定により、継ぎ手の機械的性質は改善できるものと考えられる。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】1999 - 2000

【配分額】3,600千円 (直接経費: 3,600千円)

【研究分野】材料加工・処理

【研究領域課題番号】06452333 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超伝導 / セラミックス / 拡散接合 / インサート材 / 臨界温度(T_C) / 臨界電流密度(J_C) / X線回折 / 示差熱分析 / 臨界温度(Tc) / 臨界電流密度(Jc) / X線回析

【研究成果の概要】

酸化物系超伝導材料の実用化に際しては、材料の成形加工及び接合技術が不可欠であるが、接合技術についてはこれまでほとんど報告されていない。本研究では臨界温度T_Cが90K級のYBa_2Cu_3O_<7-X>系超伝導材料について、まず酸化銀添加の焼結性及び超伝導特性への影響を調べるため、焼結体の臨界温度Tc・臨界電流密度Jcの測定、及び密度変化・組織観察及びX線回折試験等を行った。つぎに超伝導体同士を直接またはインサート材を用いて接合し、せん断強度試験により接合性に及ぼす酸化銀の影響について検討した。さらに、示差熱分析により酸化銀の酸素解離現象を把握し、添加剤の挙動が超伝導特性に及ぼす効果について検討した。なお、インサート材としては、種々の比率の酸化銀と超伝導セラミックス原料の混合粉末を用いた。
以下に、本研究によって得られた主な結果をまとめて記す。
1.YBCO系超伝導体にAg_2Oを添加することによって超伝導体の密度が増加し強度も向上した。また、臨界電流密度Jcも向上した。さらに接合部のせん断強度も向上した。
2.超伝導体に酸化銀を添加しても、本研究の範囲ではX線回折結果には明らかな変化は見られなかった。SEM観察及びEDS分析結果によると、添加した酸化銀は焼結途上で酸素を解離し、銀単体粒子の形で粒界に分布していた。
3.最適組成の超伝導セラミックス原料粉末とAg_2O粉末の混合粉末インサート材としてを用いて接合すると、超伝導特性を損なわずに接合を行うことができる。
4.以上より、酸化銀添加剤は、超伝導体の結晶構造には大きな影響を与えないが、焼結体を緻密にし焼結体自体の強度および接合強度を向上させると共に、臨界電流密度Jcも向上させる効果がある。また、接合の超伝導特性を維持するにはYBCO-Ag_2O混合粉末インサート材の使用は有効であるといえる。

【研究種目】一般研究(B)

【研究期間】1994 - 1995

【配分額】3,300千円 (直接経費: 3,300千円)

【研究分野】溶接工学

【研究領域課題番号】04452285 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超伝導 / セラミックス / 拡散接合 / インサート材 / 臨界温度(Tc) / 臨界電流密度(Jc) / X線回折 / 示差熱分析 / 臨界温度(T_C) / 臨界電流密度(J_C)

【研究成果の概要】

酸化物系超伝導材料のうち臨界温度Tcが90K級のY-Ba-Cu-O系超伝導材料は、最も一般的であり実用化が期待されている。実用化に際しては、材料の成形加工及び接合技術が不可欠であるが、接合技術についてはこれまでほとんど報告されていない。本研究では、まずセラミック高温超伝導体を作製し、得られた超伝導体同士の拡散接合を行った。接合継手に対し、せん断強度試験・組織観察及びX線回折試験等を行った。また示差熱分析により、接合界面に挿入した銀及び酸化銀インサート材の酸素解離現象を把握し、超伝導特性評価結果と比較して、インサート材中からの元素の拡散が超伝導特性に及ぼす影響について検討した。
以下に、本研究によって得られた主な結果をまとめて記す。
1.示差熱分析装置での熱分析結果によると、超伝導体に添加した酸化銀は、約350℃付近で酸素を解離していた。酸素欠損量の大きいYBCOは350℃付近で重量の増加が見られ、酸化銀から解離した酸素が超伝導体に取り込まれている可能性が高いことが示唆された。
2.酸化銀添加超伝導体と銀添加超伝導体の焼結後のペレットの収縮量を測定した結果により、酸化銀中の銀が超伝導体の密度の向上に寄与していることが示された。
3.接合界面近傍のX線回折結果から、インサート材として使用した酸化銀が接合時に酸素を供給することにより超伝導組成の維時に寄与していると判断された。従って、接合を考える上での添加剤あるいはインサート材としては銀よりも酸化銀の方が適していると考えられる。
4.接合部のX線回折結果によると、接合時における超伝導相の破壊は最大でも接合界面から0.3mmあたり迄であり、インサート材を拡散させることにより、超伝導特性を損なわずにセラミック高温超伝導体の拡散接合が可能である事が示された。

【研究種目】一般研究(B)

【研究期間】1992 - 1993

【配分額】7,600千円 (直接経費: 7,600千円)