| 研究課題/領域番号 |
23K04453
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分26050:材料加工および組織制御関連
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| 研究機関 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 |
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研究代表者 |
伴野 信哉 国立研究開発法人物質・材料研究機構, エネルギー・環境材料研究センター, 主幹研究員 (30354301)
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| 研究期間 (年度) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2025年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2024年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
2023年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
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| キーワード | Nb3Sn / Sn / 拡散 / 結晶組織 / Hf添加 / 超伝導材料 / Sn拡散 / 核融合炉 / 加速器 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
Nb母相内にCuナノネットワークを人工的に構築しておくことで、従来古典熱力学では考えられない超高速Sn拡散を引き起こしNb3Sn超伝導層の生成が数倍に促進される現象が確認されている。この促進現象を解明することは、Nb3Sn層形成の理解と性能向上にとってとても重要である。本研究ではCuナノネットワーク導入によるSn拡散挙動の解明、中間生成相・ナノ析出相の同定、結晶組織解析、超伝導性能評価、Cuネットワーク構造最適化を行い、組織と超伝導特性の相関を明らかにすることで、Nb3Sn超伝導層の高性能化を実現する。
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| 研究実績の概要 |
ＣｕはＳｎ拡散を促進する上で欠かせない元素であるようだ。本研究では、Ｔｉ－ＨｆおよびＴａ－ＨｆをドープしたＮｂ３Ｓｎ層中のＣｕならびにＳｎの粒界拡散挙動を調べるため、走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）およびＴＥＭベースの自動結晶方位マッピング（ＡＣＯＭ－ＴＥＭM）を実施し、Ｈｆ添加によってＣｕならびにＳｎの拡散が促進されることを明らかにした。見方を変えれば、Ｎｂ３Ｓｎ結晶粒界で構成されるネットワークが、Ｓｎ拡散の最小のナノ拡散ネットワークでもある。
ＨｆドーピングはＮｂ３Ｓｎ層に微細化効果をもたらしたが、その程度はＴｉ－Ｈｆでは比較的小さかった。ＳＴＥＭ／ＥＤＳマップを見ると、粒界に沿ってＣｕ－Ｓｎ側から多量のＣｕが流れ込んでいることがわかった。それがＴｉ－Ｈｆで特に顕著であり、Ｎｂ３Ｓｎ層中の元素添加で、ＣｕとＳｎの拡散度合いに違いが現れることが示唆された。また、粒界にＣｕが多く析出することで、Ｎｂ３Ｓｎの粒成長が促進される可能性も露見された。
走査型電子顕微鏡-電子後方散乱回折法（ＳＥＭ－ＥＢＳＤ）によるカーネル平均方位ずれ（ＫＡＭ）分析では、Ｔｉ－ＨｆとＴａ－ＨｆのＮｂ合金母相の内部ひずみ状態に顕著な違いは見られなかった。ＳＴＥＭ／ＥＤＳによって新たに発見された注目すべき点は、Ｎｂ３Ｓｎ層中にＣｕ－Ｈｆ化合物相が存在することであった。Ｃｕ－Ｈｆ化合物は、Ｃｕマトリックスを持つＮｂ－４７Ｔｉが熱処理されたときに形成されるＣｕ－Ｔｉ化合物に類似している。これはＣｕとＨｆの結合性の強さを反映していると考えられる。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
Sn拡散におけるCuの影響を調べることが本研究課題の重要課題の一つである。今回、Nb3Sn層内の添加元素によって、SnおよびCuの拡散挙動が異なることが示されたのは大きな成果であり、今後のNb3Sn層形成メカニズムの解明に大きく貢献することが期待される。
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| 今後の研究の推進方策 |
TiやHfがNb3Sn層内にあると、SnおよびCuの拡散挙動が変化することが今回明らかとなった。TiやHfの添加場所は、Nb3Sn層形成メカニズム解明の中でしばしば議論の的となるところで、添加場所の影響をより深く掘り進むことは重要と考える。今後はTi、Hfをはじめとした候補添加元素について、Nb3Sn層内だけでなくCu母材層への添加も視野に入れた広い視点から、Sn・Cu拡散挙動について研究していく。
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