葉, 術軍

九州大学学術情報リポジトリ

Kyushu University Institutional Repository

高性能MgB2超伝導線材に関する研究

葉, 術軍

https://doi.org/10.15017/1441201

出版情報：Kyushu University, 2013, 博士（工学）, 課程博士 バージョン：

権利関係：Fulltext available.

（別紙様式2)

区 分

論文題名

：＞，、

自問

文 要

＠・乙

Development of h i g h  p e r f o r m a n c e  MgB2 s u p e r c o n d u c t i n g  w i r e s  

（高 性能MgB2超伝導線材に関する研究）

Abstract 

MgB2 i s  e x p e c t e d  t o  b e  u s e d  i n  n o ‑ h e l i u m  c o n d i t i o n s  t o  r e p l a c e  m e t a l l i c  s u p e r c o n d u c t o r s  t h a t  a r e  o p e r a t i n g  i n   a  l i q u i d  h e l i u m  e n v i r o n m e n t .  Low c o s t  i s   t h e  most i m p o r t a n t  a d v a n t a g e  of MgB2 t o  be u s e d  a s  a  p r a c t i c a l   s u p e r c o n d u c t i n g  w i r e .  C u r r e n t l y ,  t h e r e  h a v e  a l r e a d y  b e e n  p r o d u c t s  u s i n g  MgB2 s u p e r c o n d u c t o r ,  b u t  t h e  c o s t  p e r   u n i t  l e n g t h  a n d  u n i t  s u p e r c o n d u c t i n g  cu

e n td e n s i t y  of t h e s e  p r o d u c t s  a r e  n o t  s o  low b e c a u s e  t h e  c r i t i c a l   c u r r e n t  p r o p e r t i e s  of t h e s e  MgB2 w i r e s  a r e  n o t  h i g h  enough t o  o p e r a t e  i n  t h e  e x p e c t e d  c o n d i t i o n .  The e x p e c t e d   c o n d i t i o n  f o r  MgB2 w i r e  o p e r a t i o n  i s   a t

20 K u s i n g  a  c r y o c o o l e r  o r  l i q u i d  h y d r o g e n .  The main work of t h i s   t h e s i s  i s  t o  e n h a n c e  t h e  c r i t i c a l  c u η e n t  p r o p e r t i e s  f o r  MgB2 w i r e s  a t  20 Kand 5  T .  

I n t e r n a l ‑ M g ‑ d i f f u s i o n  (IMD) p r o c e s s  p r o d u c e s  h i g h e r  d e n s i t y  MgB2 l a y e r  t h a n  t h a t  of Powder

t u b e( P I T )   p r o c e s s ,  t h u s  IMD MgB2 w i r e s  h a v e  h i g h e r  c r i t i c a l  c u η e n t  p r o p e r t i e s .  However, un

r e a c t e dB p a r t i c l e s  were  o b s e r v e d  i n  t h e  MgB2 l a y e r  of ! M D ‑ p r o c e s s e d  w i r e s  f a b r i c a t e d  w i t h  low q u a l i t y  B  powder ( 3 2 5

m e s h ,9 9 % ) .  I n   c h a p t e r  2 ,  I  f o u n d  t h a t  some Mg  powder a d d i t i o n  i s  e f f e c t i v e  t o  d e c r e a s e  t h e  u n ‑ r e a c t e d  B  p a r t i c l e s  and e n h a n c e   t h e  c r i t i c a l  c u r r e n t  d e n s i t y  

v a l u e s .  On  t h e  o t h e r  h a n d ,  Mg  powder a d d i t i o n  a l s o  f o r m e d  v o i d s  i n  MgB2 l a y e r   and t h e s e  v o i d s  d e c r e a s e d  t h e   J c  v a l u e s .  I

t h e  amount of Mg  powder i n  t h e  B l a y e r  i s   i n c r e a s e d ,  t h e  Mg  r o d   d i a m e t e r  s h o u l d  be d e c r e a s e d  s i m u l t a n e o u s l y  i n   o r d e r  t o   m a i n t a i n  a  Mg:B r a t i o   of 1  : 2 ,   c o

e s p o n d i n gt o   s t o i c h i o m e t r i c  MgB2. C o n s e q u e n t l y  I  d e v e l o p e d  a  new h y b r i d  method f o r

b r i c a t i n gMgB2 w i r e s  by a  c o m b i n a t i o n  ofIMD and PIT p r o c e s s e s .  The MgB2 l a y e r  t h i c k n e s s  i s   l a r g e r  and t h e  d i a m e t e r  of t h e  c e n t r a l  h o l e   i s   s m a l l e r  t h a n  t h o s e  of a  c o n v e n t i o n a l  IMD p r o c e s s e d  w i r e ,  t h u s  MgB2 a r e a  f r a c t i o n  i s   h i g h e r .  The p r o p o s e d   method a l s o  a c h i e v e s  a  much h i g h e r  MgB2 l a y e r  d e n s i t y ,  a n d  t h u s  a  much h i g h e r   J c ,  t h a n  t h o s e  o b t a i n e d  by t h e   PIT m e t h o d .  The c o m b i n a t i o n  of t h e s e  f a c t o r s  l e a d s  t o  t h e  e n h a n c e d  e n g i n e e r i n g  c r i t i c a l  c u r r e n t  d e n s i t y  （

v a l u e .  The new method i n t r o d u c e d  i n   c h a p t e r  2  i s   d e v e l o p e d  f o r  t h e  low q u a l i t y  B p o w d e r ,  b u t  i t   i s   a l s o   e f f e c t i v e  f o r  n a n o ‑ s i z e d  B h i g h  q u a l i t y  powders u s e d  i n  c h a p t e r  5  and i n   c h a p t e r  6 b e c a u s e  i t   c o u l d  be  e

e c t i v e l yu s e d  t o  d e c r e a s e  t h e  B ‑ r i c h  r e g i o n  c a u s e d  by t h e s e  n a n o ‑ s i z e d  p o w d e r s .  

The m u l t i ‑ f i l a m e n t a r y   s u p e r c o n d u c t i n g  w i r e s   a r e   i m p o r t a n t  f o r   p r a c t i c a l   a p p l i c a t i o n s .   I n   c h a p t e r  3 ,   we  s u c c e e d e d  i n  f a b r i c a t i n g  ! M D ‑ p r o c e s s e d  3 7 ‑ f i l a m e n

r yMgB2 w i r e s .  S i C ‑ a d d e d  3 7 ‑ f i l a m e n

r yMgB2 w i r e s   show t h e  h i g h e s t   J c  v a l u e  ( 7 . 6  x  1 0 4  A/cm2 a t  4 . 2  K and 1 0  T )  among a l l  of t h e  ! M D ‑ p r o c e s s e d  MgB2 w i r e s   f a b r i c a t e d  u n d e r  t h e  same c o n d i t i o n s  ( m o n o ‑ f i l a m e n t a r y  and 7

a m e n t a r y ) .The s h o r t  Mg  d i f f u s i o n  d i s t a n c e  of  3 7 ‑ f i l a m e n

r y! M D ‑ p r o c e s s e d  MgB2 w i r e s  d e c r e a s e s  u n ‑ r e a c t e d  B  p a r t i c l e s .  T h i s  i s  t h e  main f a c t o r  t o  r a i s e  t h e   J c  v a l u e s .  The s u c c e s s f u l  f a b r i c a t i o n  of 3 7 ‑ f i l a m e n t a y  w i r e s  i n d i c a t e s  t h a t  t h e  IMD p r o c e s s  c a n  be u s e d  t o   f a b r i c a t e  MgB2 w i r e s  f o r  l a r g e ‑ s c a l e  a p p l i c a t i o n s .  

It W邸

r e p o r t e d

a tt h e  c o ‑ a d d i t i o n  of SiC and e t h y l t o l u e n e  i s   e f f e c t i v e  i n  t h e  P I T ‑ p r o c e s s e d  MgB2 w i r e s .  

A c c o r d i n g l y ,  i t   may be a l s o  e f f e c t i v e  i n  t h e  ! M D ‑ p r o c e s s e d  MgB2 w i r e s .  I n  c h a p t e r  4 ,   I  h a v e  c a η i e d  o u t  t h e  

SiC  and  e t h y l t o l u e n e ,   t o l u e n e ,   o r   d i m e t h y l b e n z e n e   c o ‑ a d d i t i o n   t o   !MD‑processed MgB2 w i r e s .   The J c   p r o p e r t i e s  a r e  enhanced by t h e  t o l u e n e  and d i m e t h y l b e n z e n e ,  b u t  n o t  s o  good f o r  e t h y l t o l u e n e .  

The r e s e a r c h e r s  i n  Ohio S t a t e  U n i v e r s i t y  and Hyper Tech Company used a  s p e c i a l  p l

m a ‑ s y n t h e s i z e d2% 

c a r b o n ‑ c o a t e d  B powder ( S p e c i a l  M a t e r i a l s  I n c . ,   SMI powder) t o  f a b r i c a t e  t h i n  !MD‑processed MgB2 w i r e s   ( d i a m e t e r :  0 . 5 5  mm). They o b t a i n e d  h i g h   J c  and J e  f o r  d i f f e r e n t  s a m p l e s .  The s m a l l  d i a m e t e r  of t h e  w i r e  i s   c o n s i d e r e d  t o  d e c r e a s e  t h e  Mg  d i f f u s i o n  d i s t a n c e ,  which l e a d s  t o  an improved r e a c t i o n  between Mg  and B

us a  h i g h   J c  i s   o b t a i n e d .  I  a l s o  t r i e d  t h i s  B p o w d e r ,  h o w e v e r ,  I  c o u l d  n o t  o b t a i n  good r e s u l t s  a s  t h e i r s .  A f t e r   i n v e s t i g a t i n g  t h e  B p o w d e r ,  I  f o u n d  t h a t  many BCh ( s o u r c e  m a t e r i a l  f o r  t h i s  B powder) e x i s t s  i n  t h e  B p o w d e r .   S i n c e   d i m e t h y l b e n z e n e   d i s s o l v e   BCh, and o u r  e x p e r i m e n t s   i n   c h a p t e r   2 a l s o   showed d i m e t h y l b e n z e n e   enhanced t h e   J c  of !MD‑processed MgB2 w i r e s ,  I  used t h e  d i m e t h y l b e n z e n e  t o  remove BCh from t h e  B  p o w d e r .   The d i m e t h y l b e n z e n e  d e c r e a s e d  t h e  BCh i n  B powder and t h e n  I  o b t a i n e d   J c  v a l u e s  h i g h e r  t h a n  Ohio s t a t e   u n i v e r s i t y  i n  c h a p t e r  5 .   For b o t h  T a ‑and F e ‑ s h e a t h e d  w i r e s ,  t h e  h i g h e s t   J c  v a l u e  was a b o u t  1 . 2  x  1 0 5  A/cm2 a t   4 . 2  Kand 1 0  T ,  and t h e  J e  v a l u e  w

a b o u t1  x  1 0 4  A / c m 2 .  F u r t h e r m o r e ,  t h e  F e ‑ s h e a t h e d  w i r e  e x h i b i t e d  a  J c  of  7 . 6  x  1 0 4  A/cm2 and a  J e  of 5 . 3  x  1 0 3  A/cm2 a t  20 Kand 5  T ,  which a r e  t h e  h i g h e s t  v a l u e s  r e p o r t e d  f o r  MgB2  w i r e s  t o  d a t e .  

The c a r b o n ‑ c o a t e d  n a n o ‑ s i z e d  B powder i s  r e s p o n s i b l e  t o  o b t a i n  t h e  h i g h   J c  and J e  f o r  !MD‑processed MgB2 

w i r e s .  However, t h e  C ‑ c o a t i n g  p r o c e s s  u s i n g  plasma method i s  n o t  e

y ,t h u s  i t   i s   e x p e n s i v e .  F u r t h e r m o r e ,  t h i s  

B powder i s   u n s t a b l e  b e c a u s e  BCh e x i s t s .   T h e r e f o r e ,   I  t r i e d   a new B powder added w i t h  an a r o m a t i c  

h y d r o c a r b o n  ( c o r o n e n e ,  C 2 4 H 1 2 )  a s  a  c a r b o n  s o u r c e ,  which i s  d e s c r i b e d  i n  c h a p t e r  6 .  The s i m i l a r  l e v e l  of h i g h   J c  

and J e  v a l u e s  t o  t h e  c a r b o n ‑ c o a t e d  B powders i n  c h a p t e r  5  were o b t a i n e d .  The  J c  p r o p e r t i e s  a r e  e x p e c t e d  t o  be 

f u r t h e r  enhanced by o p t i m i z i n g  t h e  c o r o n e n e ‑ c o a t i n g  and h e a t

・ e a t m e n tc o n d i t i o n s .  I

i s   e a s y  t o  o b t a i n  t h i s  

c o r o n e n e ‑ c o a t e d  B powder and t h e   powder i s   s t a b l e .   And t h e   amount of c a r b o n  a d d i t i o n  i s   a l s o   e a s i l y  

c o n t r o l l e d .  Using t h e  new B powder w i t h  C 2 4 H 1 2  c o a t i n g  we c a n  e x p e c t  t o  f a b r i c a t e  h i g h  p e r f o r m a n c e  MgB2 

w i r e s  f o r  l a r g e ‑ s c a l e  p r a c t i c a l  a p p l i c a t i o n s  w i t h  low c o s t .