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 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

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

Nb-Ti超電導材料－“母” 先進材料 Nb-Ti材料

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

超電導の世界市場と予測 約4,500億円

診断用MRI装置

国内のMRI装置磁場強度別シェア

LHC粒子加速器

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）

超電導材料の物性値比較 超電導物質 臨界温度 Ｔｃ、Ｋ 臨界磁界Bc2(0)、Ｔ ｺﾋｰﾚﾝｽ長、ξ(0)、nm 磁場侵入長、λ(0)、nm Nb-Ti 9.8 12.5 ～4 300 Nb3Sn 18.5 26 ～3 130 Bi-2223 110 60(//c) 850(⊥c) 0.15（c） 2.3(ab) 150 Y-123 93 72(//c) 350(⊥c) 0.4（c） 2.1(ab) >700(c) 141(ab)

各種超電導材料のJc-B特性比較

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

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。 （３）特性向上が創発できる。

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

Nb-Ti超電導材料の臨界曲面 Nb-Ti

超電導の安定化サイクル 不安定領域 安定領域 臨界曲面近傍における事象 不安定領域 不安定領域

安定化設計 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 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。

各種金属系超電導線

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

Nb-Ti超電導材料の複合加工工程

Nb-Ti合金の平衡状態図 実用合金組成

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

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

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

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

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

Nb-Tiフィラメントの横断微細組織

最終熱処理後の冷間加工対数歪みεとJc

Nb-Ti超電導線材のJc特性推移

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

量子化磁束のピン止め≡抵抗ゼロ

ニオブでの磁束線構造 観察結果 理論計算

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： 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 2ξ af

Nb-Ti超電導材料 への人工ピン導入 Nbピン:白 Nb-Ti:黒

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

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。

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 ロングテール 製品寿命 魔の川 死の谷 The Valley of Death ダーウインの海