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2019 年度 実施状況報告書

中間活性層による特異なNb3Sn超伝導層拡散生成の誘発と機能創成

研究課題

研究課題/領域番号 18K04249
研究機関国立研究開発法人物質・材料研究機構

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, 機能性材料研究拠点, 主幹研究員 (30354301)

研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2021-03-31
キーワードNb3Sn / 相互拡散 / 元素添加 / β-CuZn層 / カーケンダルボイド / 結晶粒 / 磁束ピンニング / 化学量論性
研究実績の概要

本研究は、今やNMR等の超強磁場磁石に欠かせないNb3Sn超伝導線材の臨界電流特性のブレークスルーを実現するために、中間Cu-X活性層を利用した“特異”なNb3Sn拡散反応現象を発掘し、新たな機能創成につなげることを目指している。
現代の高性能Nb3Snの拡散生成においては、大きく2つのステップに分かれており、第1ステップでは、Snと中間Cu層との相互拡散が行われ、第2ステップでは、Cu-Sn層とNbと拡散反応が行われる。第1ステップのSn/Cu相互拡散は、カーケンダルボイドの形成を伴う反応となり、Snの均一拡散に直接的に影響を与えるため、第2ステップにおけるCu-Sn/Nb拡散反応を促進するうえで特に重要である。2019年度は特に、単純構造試料を作製して、Sn/Cu-Zn拡散反応における生成層の同定や、生成層の成長速度などの研究を行った。
その結果、Znを母材に添加すると、特異的にβ-CuZn層が拡散反応界面に生成し、このβ-CuZn層の生成によりSnとCuの相互拡散速度のバランスが改善され、カーケンダルボイドの生成が著しく抑制されるという極めて貴重な結果を得た。さらに多芯線材において熱処理条件の最適化を進め、Zn添加では臨界電流密度特性の観点から、最適熱処理温度が無添加の場合と比べて若干高くなることも明らかにした。Sn芯に添加していたTiが、母材中を粗大な化合物として移動し、Nb3Sn層が生成されるNbフィラメントモジュール界面で偏析する問題点が明らかにされた。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

β-CuZn層の生成という、これまでにない新たな生成反応現象が確認され、学術基盤の発展に貢献し、また新たな反応経路探索の可能性を広げることができ、研究が大きく進展したため。

今後の研究の推進方策

2019年度は、β-CuZn層の生成が確認された一方、Sn芯に添加していたTiが、母材中を粗大な化合物として移動し、Nb3Sn層が生成されるNbフィラメントモジュール界面で偏析する問題点が明らかにされた。Tiの偏析は、その後のNb3Sn層生成において、Ti分布の不均一さをもたらし、Nb3Sn層臨界電流密度特性の抑制につながっていた。
そこで今年度は、Ti添加場所の影響についても詳しく調査し、現象把握と問題点の解決に尽力する。具体的には、これまでのSn芯への添加の代わりに、Cu母材への添加を検討する。しかしながら母材へTi添加をすると、Cu母材へのZn固溶が著しく制限される。そこで、Zn添加を従来の母材添加からSn芯添加に変えた新しい拡散対構造であるSn-Zn/Cu-Ti/Nb構造を考案し、拡散反応現象を詳しく研究する。

次年度使用額が生じた理由

新しい生成反応現象が確認されたことにより、当初予定していた線材設計・試作の前に、当該現象の詳細な分析が必要と判断し、線材設計・試作に予定していた予算を繰り越すこととしたため。

  • 研究成果

    (11件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 4件、 招待講演 1件) 備考 (1件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] Microstructure and Superconducting Properties of Brass Matrix Internal Tin Nb3Sn Wire With Ti Doping to Nb Core2019

    • 著者名/発表者名
      Morita Taro、Banno Nobuya、Yagai Tsuyoshi、Tachikawa Kyoji
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Applied Superconductivity

      巻: 29 ページ: 1~5

    • DOI

      10.1109/TASC.2019.2910020

    • 査読あり
  • [雑誌論文] New Microstructure Control for Internal Tin Processed Nb3Sn Wires through Element Addition to Matrix2019

    • 著者名/発表者名
      Banno Nobuya、Morita Taro、Yu Zhou、Yagai Tsuyoshi、Tachikawa Kyoji
    • 雑誌名

      Journal of the Japan Institute of Metals and Materials

      巻: 83 ページ: 305~313

    • DOI

      10.2320/jinstmet.JA201903

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Effect of Zn addition and Ti doping position on the diffusion reaction of internal tin Nb3Sn conductors2019

    • 著者名/発表者名
      Banno Nobuya、Morita Taro、Yu Zhou、Yagai Tsuyoshi、Tachikawa Kyoji
    • 雑誌名

      Superconductor Science and Technology

      巻: 32 ページ: 115017~115017

    • DOI

      10.1088/1361-6668/ab4632

    • 査読あり
  • [学会発表] Attempt of Hf addition to internal-tin process Nb3Sn wire2020

    • 著者名/発表者名
      Nobuya Banno, Taro Morita, Tsuyoshi Yagai
    • 学会等名
      10th ACASC - 2nd Asian ICMC - CSSJ
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Microstructural study on internal tin Nb3Sn wire with Sn-Zn/Cu-Ti/Nb structure2020

    • 著者名/発表者名
      Taro Morita, Tsuyoshi Yagai, Nobuya Banno
    • 学会等名
      10th ACASC - 2nd Asian ICMC - CSSJ
    • 国際学会
  • [学会発表] Fundamental study on the effect of Zn addition into Cu matrix in DT method Nb3Sn conductors2019

    • 著者名/発表者名
      Nobuya Banno, Taro Morita, Tsuyoshi Yagai, Shinya Kawashima, Nobuyuki Murakami
    • 学会等名
      26th International Conference on Magnet Technology
    • 国際学会
  • [学会発表] Fabrication of new internal tin Nb3Sn wire using Sn-Zn alloy as Sn core2019

    • 著者名/発表者名
      Taro Morita, Tsuyoshi Yagai, Nobuya Banno
    • 学会等名
      26th International Conference on Magnet Technology
    • 国際学会
  • [学会発表] 内部拡散法Nb3Sn線材におけるZn添加の効果2019

    • 著者名/発表者名
      伴野信哉, 森田太郎, 谷貝剛
    • 学会等名
      2019年度春季低温工学・超電導学会
  • [学会発表] Sn-Zn/Cu-Ti層拡散反応2019

    • 著者名/発表者名
      森田太郎, 谷貝剛, 伴野信哉
    • 学会等名
      2019年度春季低温工学・超電導学会
  • [備考] NIMS研究者総覧SAMURAIー伴野信哉ー

    • URL

      https://samurai.nims.go.jp/profiles/banno_nobuya/publications

  • [産業財産権] Nb3Sn超伝導線材用前駆体、その製造方法、および、それを用いたNb3Sn超伝導線材の製造方法2019

    • 発明者名
      伴野信哉
    • 権利者名
      国立研究開発法人物質・材料研究機構
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2019-145017

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公開日: 2021-01-27  

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