Nb-Ti超電導材料の現状 と可能性 2006年9月２７日 九州・西日本支部 若手セミナー 田中 靖三 （財）国際超電導産業技術研究センター 1 アウトライン 実用超電導線材としての実績 Ｎb-Ti超電導材料とは 実用超電導線材の要件 技術的ブレークスルー１-複合加工 技術的ブレークスルー２-自己組織化 技術的ブレークスルー３-人工ピンニング Nb-Ti超電導材料の今後 2 Nb-Ti超電導材料－“母” 先進材料 Nb-Ti材料 3 実用超電導線材としての実績 超電導市場約4.5千億円の大半を Nb-Ti超電導材料が担う Nb-Ti超電導材料として約180億円 に寄与 Nb-Ti超電導材料の主な用途 ・診断用MRI装置 ・LHC等粒子加速器 4 超電導の世界市場と予測 約4,500億円 5 診断用MRI装置 6 国内のMRI装置磁場強度別シェア 7 LHC粒子加速器 8 Ｎb-Ti超電導材料とは 材料としての条件 ・超電導温度が高い。 △ ・物理的・化学的に安定。 ◎ ・目的の形状に加工しやすい。 ◎ ・実用上要求される電磁特性を満足する。 ○ ・資源的に問題が無く、経済性が保てる。 ◎ ・毒性が無い。 ◎ 実用材料としての要件 ・材料開発の難易度が低い。 ◎ ・技術的ブレークスルーが実現容易である。 ◎ 総合相対評価 ・Nb-Ti超電導線材：21 ・（Nb3Sn超電導線材：17） ・（酸化物超電導線材：14） 9 超電導材料の物性値比較 超電導物 臨界温度 臨界磁界 ｺﾋｰﾚﾝｽ 磁場侵入 質 Bc2(0)、Ｔ 長、ξ(0)、 長、λ(0)、 Ｔｃ、Ｋ nm nm Nb-Ti 9.8 12.5 300 ～4 Nb3Sn 18.5 26 ～3 130 Bi-2223 110 93 0.15（c） 2.3(ab) 0.4（c） 2.1(ab) 150 Y-123 60(//c) 850(⊥c) 72(//c) 350(⊥c) >700(c) 141(ab) 10 各種超電導材料のJc-B特性比較 11 Nb-Ti合金のTc、Bc2及びJc特性 実用 組成 Nb-Ti系合金のＴｃとBc2の濃度依存性 Nb-33at%Ti合金のJc-B特性 12 実用超電導線材の要件 基本特性が優れている。 技術的ブレークスルーの適用が容易である。 （１）安定化材との複合加工が容易にできる。 ・直流用、パルス用及び交流用線材として、任意に 導体設計できる。 ・長尺線材に容易に加工できる。 （２）実用特性を満足する。 ・適用磁場及び温度で十分な電流容量が確保でき る。 ・適正な機械的強度と柔軟性を有する。 ・熱応力、電磁力、放射線などの使用環境に耐える。 ・適正なコスト、かつ適正な納期で要望に応じられ る。 13 材料開発の難易度 材料の特性ポテンシャル P=Tc・Bc2・Jc（KTA/m2) たとえば、4.2Kで利用の場合、 PNb-Ti=3x1011 PY-123=320ｘ1011 材料開発の困難度 D=N n-1 ただし、N：2～3（N<n)、n：主成分数 たとえば、DNb-Ti=2、DY-123=27 出典：超電導材料工学 北田正弘著 14 Nb-Ti超電導材料の臨界曲面 Nb-Ti 15 超電導の安定化サイクル 不安定領域 熱発生 ΔＱ 磁束線の動き Δφ 不安定領域 安定領域 臨界電流密度低下 -ΔJ c 温度上昇 ΔＴ 臨界曲面近傍に おける事象 不安定領域 不安定領域 16 安定化設計 クエンチすると Nb-Tiが溶断する ことがある。 磁気的不安定性回避/多心線 フラックスジャンプやクエンチの回避 本質的（断熱的）安定化設計/極細多心線 フラックスジャンプを回避できるまで細線化する。 フラメント径：d<d0=(3T0cp/μ0)1/2・1/Jc d<d0=34μm(1T)、 d<d0=115μm（6T) 動的安定化設計/ツイスト線 磁界変動下や交流で使用すると、多心線が遮蔽電流によって 再結合する。多心線をツイストすることで防止する。 ツイストピッチ長lp<lpc=2｛(2ρdJc)/（dＢ/dｔ）｝1/2 d=40μm、銅母材、dＢ/dｔ=～10-2T/s lp=～0.1m d=0.1μm、CuNi母材、50Hz lp=～0.001m 完全安定化設計/安定化金属複合線 クエンチしたNb-Tiフィラメントに流れる電流をすべて冷えた 安定化金属、高純度銅(RRR>300）や高強度アルミ （RRR>500)に流す。 17 各種金属系超電導線 18 技術的ブレークスルー１ －複合加工－ 原理： 容易加工性材料との複合加工←ブレークスルー 原材料の厳選 ・高純度銅：RRR>300 ・高純度・高均質Nb-Tiインゴット －合金組成：Nb-46.5ｗｔ％～50wt%±1.5wt% ガス元素（C.O.N.H）含有量：<1400ppm 加工手段の選定 ・複合封止：圧接、真空封止 ・押出し：熱間押出し、静水圧温間押出し ・抽伸：スエージング機、ドローベンチ ・伸線：潤滑剤、@減面率 19 Nb-Ti超電導材料の複合加工工程 20 Nb-Ti合金の平衡状態図 実用合金 組成 21 Nb-Ti合金の均一性 全率固溶体型合金のおける高融点元素（Nb)合金 相の偏析（EB溶製インゴット横断面） β相における熱間加工の繰り返し 22 複合加工性の劣化現象 膨れ：封止め不良 ソーセージング： ・Nb-Ti合金の不均質 ・Nb-Ti合金結晶粒調整不良 ・Nb-Ti/Cu界面反応による (NbTi)2Cu粒の形成 断線： ・・Nb-Ti合金の不均質 ・Nb-Ti/Cu界面反応による (NbTi)2Cu粒の形成 ・加工間割率不調整 23 容易加工性と高加工率 標準化された加工工程では、 ・無断線で10km以上の加工が実現している。 加工率表示 ・断面減少率：105～1010、～1012（交流用） Ai/Af Ai：加工前（初期）断面積 Af：最終断面積 たとえば、 di =200mmφ、 df =5μmφのとき、 Ai/Af =1.6ｘ109 ・加工歪（対数歪）：12～25、～30（交流用） εｅ=ln（Ai/Af） たとえば、 di =200mmφ、 ｄf =5μmφのとき、 εｅ=ln（Ai/Af）=21.2 24 技術的ブレークスルー２ －自己組織化－ 万物の理論－自己組織化－に従う。 ・NbとTiを溶解し、冷却するだけで単一相の Nb-Ti合金になる。 ・Nb-Ti線を冷やすだけで超電導になる。 ・Nb-Ti合金の急冷β相を再加熱し、待つだけ で実用超電導線材になる。 経験的な観察力と想像力を駆使して、目標特 性を達成する。－Top-down的アプローチ 加工熱処理法の創出←ブレークスルー 25 加工熱処理法 原理 ・bcc構造のβ相に強度の加工歪みを与える。 ・再加熱によって、α-Ti相の時効析出を促進 する。 ・この工程を数回繰り返し、α-Ti相を微細化す る。 β相 → α-Ti相析出（β＋α） ↑ 適正な加工歪み付与 26 Nb-Tiフィラメントの横断微細組織 27 最終熱処理後の冷間加工対数歪みεとJc 28 Nb-Ti超電導線材のJc特性推移 29 技術的ブレークスルー３ －人工ピンニング－ 原理： Nb-Ti合金にいて、ピンニング点となるα-Ti相に対応 するピンニング点を人工的に導入する。 ピンニング点の導入設計 Nb-Tiにおけるコヒーレンス長ξと磁束線格子間隔af に着目し、ピンニング点の体積率、材質、サイズ、形 状、分布などを任意に設計する。 -Bottom-up的アプローチ 製造方法 ・従来の複合加工法のみを駆使 ・加工熱処理法からの決別 ←ブレークスルー 30 量子化磁束のピン止め≡抵抗ゼロ 31 ニオブでの磁束線構造 観察結果 理論計算 32 コヒーレンス長ξと磁束線格子間隔af コヒーレンス長ξ： 2ξ ピン止め点の大きさ ～量子化磁束の太さ程度 ～２ξ＝11nm (4.2K) 量子化磁束格子間隔af ピン留め点の分散 ～磁束線格子間距離 B=1Tのとき、af =48.9nm B=5Tのとき、af =21.9nm af =1.07（φ0/B）1/2 af 33 Nb-Ti超電導材料 への人工ピン導入 Nbピン:白 Nb-Ti:黒 34 ラメラ型人工ピンを導入したNb-Ti超電導 線材の特性 人工ピン特性 実用特性 35 Nb-Ti超電導材料の今後 Nb-Ti超電導材料は、3つの技術的ブレークスルーを 経て、工業材料にまで発展した。 Nb-Ti超電導材料自体の特性向上にも期待できる。 対破壊電流密度Jdをどれだけ達成できるか。 Jd=φ0/(4πμ0λξ） from Larbalestier他 現在 Jd(MA/cm2) Jc(MA/cm2) Jc/Jd 4.2K,0T 36 ～2 6% 4.2K,5T 0.3→0.95 0.8→2.6% 冷凍機冷却マグネットシステムの普及に期待する。 “技術経営”サイクルの確立と継続の追求する。 Nb-Ti超電導材料技術は、先進超電導材料開発技術 の“母”である。 36 Nb-Ti超電導材料における“技術経営”サイクル 技術経営、MOT: Management of Technology 1961年 事業利益 製品の見極め Nb-Ti発見 ロングテール 魔の川 製品寿命 Nb-Ti選定 研究開発投資 複合加工法創出 事業化 特性向上 人工ピン導入創出 ダーウインの海 製品化 加工熱処理 法創出 高Jc化 死の谷 The Valley of Death 37
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