2018 Fiscal Year Research-status Report
大型で電磁力に耐える超電導バルクの組織構造と機械特性発現機構の解明
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17K06825
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| Research Institution | Ichinoseki National College of Technology |
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Principal Investigator |
村上 明 一関工業高等専門学校, その他部局等, 准教授 (30361033)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | バルク超電導体 / 機械的特性 / 単結晶バルク / 希土類系銅酸化物 / ニホウ化マグネシウム / 曲げ試験 / 引張試験 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
超電導バルクを用いた応用機器の高性能化にとって、大型化に伴い増加する電磁力に耐えることのできるバルクの開発が求められている。超電導バルクとしては、希土類系の単結晶バルクが一般的であるが、種結晶から離れたところでの余分な核生成により大型のバルクを得ることは困難である。また、希土類系のバルクは、作製プロセスにおいて必然的に気孔を含み、それが機械的特性の低下を招く原因となっている。最近、希土類系のバルクに加えて、ニホウ化マグネシウムバルクに注目が集まっており、超電導転移温度は希土類系と比較して低いが、単結晶化しなくても焼結により優れた超電導特性を有するバルクが得られるとされる。これまでに、焼結を大気中で行って作製したニホウ化マグネシウムバルクを対象に機械的特性の評価が行われているが、充填率が50%程度と低く、希土類系バルクと比較して機械的特性が劣ること、熱間等方圧加圧により充填率が92%程度に向上し、機械的特性も著しく上昇することなどが分かっている。本研究では、更なる充填率と機械的特性の改善を目指し、放電プラズマ焼結によるニホウ化マグネシウムを対象として、内部での機械的特性のバラツキの少ないバルクを得るために、焼結温度と圧力の違いが充填率と機械的特性に及ぼす影響を検討した。焼結温度の上昇に伴い機械的特性は向上し、焼結温度1100℃において充填率98%程度のほぼ緻密質なバルクとなり、希土類系のバルクと比較して3倍程度の強さが得られた。また、焼結温度1100℃において焼結圧の影響を調べたところ、充填率と機械的特性の平均値に焼結圧による顕著な違いは見られなかったが、バルク内部での機械的特性のバラツキが拡大する傾向が見られた。ニホウ化マグネシウムバルクの機械的特性は、焼結法によらず充填率に大きく依存し、充填率の向上に伴い機械的特性は指数関数的に上昇することが示された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成30年度においては、ニホウ化マグネシウムバルクに加えて、希土類系のバルクについても従来のバルクとは異なり気孔を含まない緻密質のバルクを対象に機械的特性についての検討を計画していて、おおむね当初の予定通りに研究が進展した。より多くの作製条件について、バルクの機械的特性の違いを効率的に検討するために、比較的小さいサイズのバルクを対象とし、研究を行った。それに伴い、脆性材料を対象とする従来の機械的特性の評価法である曲げ試験では、寸法の大きい試験片が必要となり、試験法として適さなかったので、小さい寸法の試験片により評価を行うために、試験片の両端を金属棒に接着して引張負荷を行うことを検討し、試験片と金属棒との接着剥離が生じずに、接着部近傍での応力集中が評価結果に影響を及ぼさないような、金属の材質や接着剤の組合せを様々な条件から決定することができた。曲げ試験では、最大応力の生じる領域が試験片の長手方向中央の引張側表面に限られるが、この引張試験では、試験片内部全域に含まれるすべての欠陥が破壊に影響を及ぼすため、これまでよりも、より正確に材料の機械的特性を把握できるようになった。結晶成長時の酸素分圧の上昇に伴い希土類系バルク内部の気孔が減少し、酸素中での結晶成長では完全に消滅すること、引張試験を通して、気孔（空隙）の減少に伴い機械的特性が上昇することを、ニホウ化マグネシウムバルクだけでなく、希土類系バルクにおいても確認できたことから、当初の予定通りにおおむね順調に研究が進展したと言える。希土類系バルクにおいて、気孔を含まないバルクを得るためのもう一つの製法であるインフィルトレーショングロース法によるバルクの評価も行い、機械的特性の改善を確認できた。
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| Strategy for Future Research Activity |
気孔を含む従来の希土類系バルクの破断面上には、き裂の進展に伴い形成される筋状の模様が気孔から広がる様子が観察された。一方、気孔を含まない緻密質の希土類系バルクの破断面上にも筋状の模様が観察され、それを辿って破壊の起点付近に観察されたものの分析を行った結果、優れた超電導特性の発現にとって不可欠な第2相粒子が微細に分散した組織を得るために添加されるPtの化合物であることが明らかとなった。この結果を踏まえて、今後は、緻密質の希土類系バルクを対象に、第2相やPtの添加量による第2相粒子の分散状況などの材料組織の違いや、それが機械的特性と破壊のメカニズムに及ぼす影響を検討し、それによって得られた結果を作製プロセスにフィードバックすることで、優れた機械的特性を有するバルクの開発を目指す予定である。また、そのようなバルクの応用に向けて、バルクが実際に使用される状況下での機械的特性を正確に把握するために、低温下での引張試験方法についても検討する予定である。
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