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Sep 03, 2023

バルク超電導体の特性と微細構造の最適化

6 giugno 2023 Questo articolo

2023 年 6 月 6 日

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芝浦工業大学

超伝導体は、医療画像技術、薬物送達システム、エネルギー貯蔵システム、浮上プロセス、浄水方法など、いくつかの分野での応用が増えています。 これは、抵抗ゼロという驚異的な能力によるもので、大量の電流を確実に流すことができるため、電力伝送や輸送の革新に適しています。

磁性超伝導体は通常、「トップシードメルト成長法」（TSMG）によって合成されます。 ただし、このプロセスには、製造中に液体原料が大量に失われるなど、いくつかの欠点があります。 これにより、材料組成の変化、形成された材料のマトリックスに亀裂、機械的欠陥、さらには熱伝導率の低下が生じます。

代替として、液相ペレット上に第二相ペレットを積み重ねる浸透成長プロセスが、生産および用途の効率を高めるために開発されました。 このようなバルク超電導体の製造には、液相のいくつかの組成物が使用されている。 ただし、RE-123 などの大型の単一粒子のバルク希土類 (RE) 材料を浸透成長プロセスを使用して合成することは依然として困難です。

しかし現在、日本の研究者らは、ガドリニウム（Gd）、イットリウム（Y）、エルビウム（Er）などの重元素を使用して、液体ストック組成と浸透成長技術を用いて単結晶バルク超伝導体や三元超伝導体を合成することに焦点を当てている。 彼らはまた、形成された超電導材料 (Gd、Y、Er)-123 の微細構造と特性 (超電導および電磁) を綿密に分析します。

彼らの発見により、現在市場で入手可能な材料と比較して、これらの三元バルクの性能が大幅に向上していることが明らかになりました。 この研究は芝浦工業大学のMiryala Muralidhar教授が主導し、Journal of Alloys and Compoundsでオンラインで閲覧できるようになった。

まず、研究者らは、(Gd、Y、Er)-123 単一粒子バルクを成長させるための複数の液体ソース出発材料の性能を評価しました。 Er123 と Ba3Cu5O8 の比率が 1:1 であることが最良の液相原料であることを確認した後、出発原料としてそれぞれの酸化物粉末を使用して、他の主要元素成分の添加を進めました。

臨界温度での電流の流れを評価したところ、得られた超電導体は、このカテゴリーで以前に入手可能な材料よりも 81.09% 高い、最高の電流密度を流すことができることがわかりました。 走査型電子顕微鏡による微細構造分析により、従来の Ba3Cu5O8 と比較して、二次相粒子サイズが大幅に減少し、平均粒子減少率が 43.13% であることが明らかになりました。

これらの結果についてミリヤラ教授は次のように述べています。「結果は素晴らしいというほかありません。費用対効果の高い方法を使用して、これらのバルク超電導体を空中で製造できたという事実により、このアプローチは大規模産業にとって非常に魅力的です」生産。"

さらに、Er123+ Ba3Cu5O8 は、(Gd, Y, Er)-123 三元系液体ソースの場合、自己磁場で 81.91 kA/cm2、1 T で 28.29 kA/cm2 という最高の臨界電流密度 (Jc) をもたらしました。

新しく合成された材料の電流密度が大幅に向上したことは、この研究の最も注目すべき点であり、磁性超伝導体の応用に大きな可能性を秘めています。 「これらの改善は、磁気浮上、超電導ベアリング、電気モーター、磁気ドラッグデリバリー（MDD）、フライホイールエネルギーシステムなどの現実の応用に革命をもたらす可能性を秘めています」とミリヤラ教授は言う。

このような優れた特性を備えた超電導材料は、近い将来、送電システムや輸送システムを大幅に強化し、影響を与える可能性があります。 また、国連の持続可能な開発目標 (SDGs) をサポートしながら、複数の業界を変革し、気候変動との闘いに貢献することもできます。

要約すると、バルク超電導体を合成するこの新しいアプローチは、明らかに高性能超電導体の大量生産への扉を開き、幅広い用途にとって画期的な進歩とみなされています。

詳しくは： Akash Garg Agarwal et al、浸潤成長プロセスによる三元バルク (Gd、Y、Er)-123 の超電導特性と微細構造に対する液体ソースの効果の探索、Journal of Alloys and Compounds (2023)。 DOI: 10.1016/j.jallcom.2023.170506

芝浦工業大学提供