REBCO テープの90度ピールテストによる剥離強度特性評価：銅層の影響に焦点を当てる

核心概念

REBCO テープの90度ピールテストは、銅層の厚さとRRRの影響を大きく受けるものの、大量のテープの中から剥離強度の低いものを迅速に特定できる有効な品質保証ツールである。

摘要

書誌情報

Lu, J., Levitan, J., Hutley, A., & Bai, H. (2024). REBCO delamination characterization by 90 degree peel test. 2024 IEEE International Conference on Applied Superconductivity and Electromagnetic Devices (ICASED).

研究目的

本研究では、REBCO テープの剥離強度を評価するために、特に銅層の厚さと残留抵抗比（RRR）がピール強度に及ぼす影響に焦点を当て、90度ピールテスト法の有効性を検証することを目的とする。

方法

• 市販の SuperPower 社製 REBCO テープ（銅安定化層厚さ 20 µm）を用いて90度ピールテストを実施。
• 銅層の厚さを変化させたサンプルを作製し、ピール強度の測定を実施。
• 銅層の RRR を変化させたサンプルを作製し、ピール強度の測定を実施。
• 測定結果と銅層の厚さおよび RRR の相関性を分析。

主な結果

• 銅層の厚さが減少するにつれてピール強度が増加する傾向が見られた。
• 銅層の RRR が高いほどピール強度も高い傾向が見られた。
• 銅層の厚さと RRR の影響を考慮してピール強度を正規化した結果、剥離強度の非常に低いREBCO テープをいくつか特定することができた。

結論

• 90度ピールテストは、銅層の厚さと RRR の影響を受けるものの、REBCO テープの剥離強度を評価するための有効な品質保証ツールであると言える。
• 特に、銅層の厚さが同一で、同一プロセスで製造された大量の REBCO テープの中から、剥離強度の低いものを迅速に特定するのに有効である。
• 測定されたピール強度は、銅層の厚さと RRR を考慮して正規化する必要がある。

意義

本研究は、REBCO テープの品質保証プロセスにおいて、90度ピールテストが有効なツールとなりうることを示唆している。

制限と今後の研究

• 本研究では、銅層の厚さと RRR 以外の要因（例えば、銅層の機械的特性や界面の微細構造など）がピール強度に及ぼす影響については検討していない。
• 今後は、これらの要因がピール強度に及ぼす影響についても検討する必要がある。
• また、他の剥離強度試験法との相関性についても検討する必要がある。

統計資料

スコッチ®マジックTMテープを用いて校正した結果、測定されたピール強度は1.06 N/cmであり、報告されているピール強度1.1 N/cmと一致した。
5つのサンプルの平均ピール強度は0.85 N/cm、標準偏差は0.09 N/cmであった。
銅層の厚さを20 µmから変化させた結果、ピール強度は銅層の厚さの減少に伴い増加することがわかった。
74個の導体スプール（全長10 km以上）のピール強度とRRRのデータを分析した結果、ピール強度は銅のRRRと相関していることがわかった。
銅層をアルゴン中で30分間、異なる温度でアニールした結果、アニール温度の上昇に伴い、RRRとピール強度が共に増加することがわかった。
74個のサンプルについて、RRR = 50に正規化したピール強度の平均は0.57 N/cm、標準偏差は0.24 N/cmであった。

引述

"Evidently the peel strength increases with decreasing Cu thickness consistent with previously reported peel test of Cu-Cr film on silicon [10], [11]."
"Since the interfaces are nearly identical for these samples, the different peel strength strongly suggests that the measured peel strength is not sole property of the interfaces. It contains a significant contribution from the bending of the copper layer."
"We studied the correlation between the peel strength and other quality assurance data of REBCO, and found surprisingly that peel strength is correlated with RRR of the copper."
"This experiment strongly suggests that higher peel strength in Fig. 5(a) is the consequence of the softer copper layer."
"The 90 degree peel test developed in this work has the advantage of applicable to quality control and quality assurance process to quickly identify conductors with low delamination strength."

從以下內容提煉的關鍵洞見

REBCO delamination characterization by 90 degree peel test

by Jun Lu, Jere... 於 arxiv.org 10-15-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.09946.pdf

深入探究

REBCO テープ以外の材料におけるピール強度の銅層依存性はどうなっているのだろうか？

REBCO テープ以外の材料におけるピール強度の銅層依存性は、材料の組み合わせや界面の性質、銅層の厚さや機械的特性によって異なります。

金属フィルム: REBCO テープと同様に、銅層の厚さが増すにつれてピール強度が低下する傾向が見られます。これは、厚い銅層ほど曲げ剛性が高くなり、界面に伝達される応力が大きくなるためと考えられます。
ポリマーフィルム: 銅層の厚さが増すにつれてピール強度が向上する傾向が見られます。これは、ポリマーフィルムの変形が大きいため、厚い銅層が拘束層として働き、界面の剥離を抑制するためと考えられます。
その他: 銅と他の金属、セラミックス、複合材料など、様々な材料の組み合わせが考えられます。それぞれの材料の機械的特性、界面の接着強度、表面処理などがピール強度に影響を与えます。
一般的に、ピール強度は、界面の接着強度だけでなく、剥離時の材料の変形挙動にも大きく影響されます。銅層は、その厚さや機械的特性によって、この変形挙動に影響を与えるため、ピール強度の銅層依存性が現れると考えられます。

銅層の厚さやRRRを最適化することで、REBCO テープの剥離強度を向上させることは可能だろうか？

銅層の厚さやRRRの最適化によって、REBCO テープの剥離強度を向上させることは可能です。

銅層の厚さ: 銅層が薄くなると、曲げ剛性が低下し、ピール強度が向上する傾向があります。しかし、銅層が薄すぎると、通電容量や機械的強度が低下するため、最適な厚さを決定する必要があります。
RRR: RRRが高いほど銅の結晶粒径が大きくなり、降伏強度が低下します。これは、銅層の曲げ剛性を低下させ、ピール強度向上に寄与します。アニーリング処理などによってRRRを制御することで、剥離強度を向上させることができます。
ただし、ピール強度は、銅層の特性だけで決まるわけではありません。REBCO層と銅層間の界面の接着強度も重要な因子です。界面の形成プロセスや表面処理などを最適化することで、より高い剥離強度を実現できる可能性があります。

ピールテスト以外の delamination 試験方法と比較して、90度ピールテストの利点と欠点は何だろうか？

90度ピールテストは、他の delamination 試験方法と比較して、以下のような利点と欠点があります。
利点:

簡便性: 試験片の形状が単純で、試験装置も比較的簡素であるため、容易に試験を実施できます。
迅速性: 試験時間が短く、多くのサンプルを効率的に評価できます。
感度: 剥離開始時の荷重を測定するため、初期の剥離現象を捉えるのに優れています。
欠点:

測定値の影響因子: 測定されるピール強度は、界面の接着強度だけでなく、銅層の厚さやRRR、試験速度などの影響を受けます。
破壊モードの限定: 90度ピールテストでは、モードIの剥離のみを評価するため、他の破壊モード（モードII、モードIII）に対する知見は得られません。
定量的な評価の難しさ: 測定値は、材料の特性値というよりは、試験条件に依存した値であるため、定量的な評価には注意が必要です。
他の delamination 試験方法:

引張せん断試験: 接着界面に垂直に荷重をかけることで、剥離強度を評価します。
ダブルカンチレバービーム試験: 試験片に亀裂を導入し、亀裂進展に必要なエネルギーを測定することで、破壊靭性を評価します。
Cleavage 試験: 接着界面に沿って試験片を劈開し、剥離に必要なエネルギーを測定します。
これらの試験方法は、それぞれ異なる原理に基づいており、得られる情報も異なります。目的に応じて適切な試験方法を選択することが重要です。
90度ピールテストは、簡便で迅速な評価が可能であるため、REBCO テープのような大量生産される製品の品質管理に適しています。しかし、得られる情報は限定的であるため、より詳細な評価には、他の試験方法と組み合わせて総合的に判断する必要があります。