DD294155A5

DD294155A5 - Hochtemperatur-supraleiter

Info

Publication number: DD294155A5
Application number: DD88319917A
Authority: DD
Inventors: Guenter Albrecht; Roland Mueller; Sylvia Rohr; Wilfried Hinueber
Original assignee: Akademie Der Wissenschaften,De; Zi Fuer Festkoerperphysik Und Werkstofforschung Der Adw,De
Priority date: 1988-09-19
Filing date: 1988-09-19
Publication date: 1991-09-19

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hochtemperatur-Supraleiter in Draht- oder Bandform, der beispielsweise fuer Magnete, elektrische Maschinen und Energieuebertragungskabel anwendbar ist. Erfindungsgemaesz ist bei diesem Leiter ein flexibler, draht- oder bandfoermiger Kern aus einem elektrisch nichtleitenden Werkstoff mit einer Schicht aus einem hochtemperatur-supraleitenden Werkstoff umgeben, wobei sich zwischen dem Kern und der Schicht mindestens eine haftvermittelnde Zwischenschicht befindet. Dieser Leiteraufbau ist von einer Normalleiterschicht mit hoher thermischer und elektrischer Leitfaehigkeit umgeben, wobei sich zwischen der hochtemperatur-supraleitenden Schicht und der Normalleiterschicht eine Haftschicht befinden kann. Der Leiter zeichnet sich besonders durch eine grosze Zugfestigkeit und Duktilitaet aus.{Hochtemperatur-Supraleiter; Draht; Band; Magnet; Elektromaschine; Kabel; Kern, flexibel; Zwischenschicht; Supraleiterschicht; Haftschicht; Normalleiterschicht}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Elektrotechnik. Objekte bei denen ihre Anwendung möglich und zweckmäßig ist, sind insbesondere supraleitende Drähte oder Bänder, die für Magnete, elektrische Maschinen und Energieübertragungskabel anwendbar sind.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es sind bereits in unterschiedlicher Weise aufgebaute und hergestellte Hochtemperatur-Supraleiter bekannt. Bei einem dieser bekannten Leiter ist ein Ni-Band beidseitig mit Cu beschichtet, und auf dieser Beschichtung befinden sich zwei Schichten aus unterschiedlichen oxidischen Y-Ba-Cu-Oxidverbindungen. Dabei besteht die innere, an das Cu angrenzende Schicht aus einer hochtemperatur-supraleitenden YBa₂Cu₃O₇ _ „-Schicht und die äußere Schicht aus einer nicht supraleitenden Y₂BaCu0₆-Phase (The Materials Res.Soc. 1987, Fall Melting 30.11 -5.12.1987, Boston, USA, S.53).

Ein Mangel dieses Hochtemperatur-Supraleiters besteht in seiner ungenügenden Festigkeit, insbesondere unter den Bedingungen des Einsatzes für supraleitende Magnete. Hinzu kommt, daß bei der im Zuge der Herstellung notwendigen Wärmebehandlung durch die vorliegende Kombination Cu/supraleitende Schicht eine Cu-Diffusion in die Schicht stattfindet, wodurch die Stöchiomotrie der supraleitenden Schicht verändert und damit in nachteiliger Weise der Übergang in den supraleitenden Zustand verbreitert und die Stromtragfähigkeit verringert wird.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung von Voraussetzungen für die Herstellung von Hochtemperatur-Supraleitern mit verbesserten Gebrauchseigenschaften.

-2- 294155 Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochtemperatur-Supraleiter zu entwickeln, der eine hohe Festigkeit aufweist und bei dem eine Verschlechterung der Supraleiteigenschaften im Herstellungsprozeß nicht eintreten kann.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe mit einem Hochtemperatur-Supraleiter gelöst, bei dem ein flexibler, draht- oder bandförmiger Kern aus einem elektrisch nichtleitenden Werkstoff mit einer Schicht aus einem hochtomperatur-supraleitenden Werkstoff umgeben ist, wobei sich zwischen dem Kern und der Schicht mindestens eine haftvermittelnde und als Diffusionsbarriere dienende Zwischenschicht befindet. Dieser Leiteraufbau ist von einer Normalleiterschicht mit hoher thermischer und elektrischer Leitfähigkeit umgeben, wobei sich zwischen der hochtemperatur-supraleitenden Schicht und der Normalloiterschicht eine Haftschicht befinden kann.

Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung besteht der flexible Kern aus einem bis 1000⁰C unter Sauerstoff oder sauerstoffhaltiger Atmosphäre temperaturstabilen Werkstoff, vorzugsweise aus SiO₂ oder AI₂Oa, und ist in der Drahtform 0,001 bis 1,0mm dick.

Die hochtemperatur-supraleitende Schicht kann zweckmäßig aus einem Werkstoff auf der Basis der Verbindungen YBa₂Cu₃O₇, YBa₂(CUi-_XA_X)₃O7 mit A = Au, Ag, In, Zn oder Fe, oder (Lai -_XA_X)₂ CuO₄ mit A = Sr oder Ba oder des Systems Bi-Ca-Sr-Cu-O bestehen und 100nm bis 5μπι, vorzugsweise 100 bis 500ηm dick sein.

Die Zwischenschicht kann aus einem Werkstoff auf der Basis der Elemente der IV. und V. Nebengruppe des Periodensystems, vorzugsweise Zr, Ti oder Nb, oder auf der Basis von Oxiden oder Nitrid der genannten Elemente oder aus Si₃N₄ oder AIN bestehen und 100 bis 300 nm, vorzugsweise 150 bis 200 nm, dick sein. Vorteilhaft ist, wenn die Zwischenschicht eine solche Vorzugsrichtung aufweist, die ein Wachstum der supraleitenden Schicht in einerjür das Erreichen hoher kritischer Stromdichten vorteilhaften Kristallorientierung ermöglicht.

Die Haftschicht kann zweckmäßig aus dem gleichen Werkstoff wie die Zwischenschicht oder aus Ni, NiCr oder Cr bestehen und 150 bis 300nm dick sein.

Als Werkstoff für die Normalleiterschicht kann zweckmäßigerweise Cu verwendet sein. Die Schichtdicke kann 0,1 bis 50 pm, vorzugsweise 0,2 bis 5Mm, betragen.

Der erfindungsgemäße Hochtemperatur-Supraleiter besitzt eine hohe Flexibilität, bedingt durch den hinreichend kleinen Durchmesser derTrägerfaser, ist in beliebiger Länge herstellbar und besitzt gegenüber den bekannten Leitern mit Ni-Band-Kern eine wesentlich höhere Festigkeit. Sein Aufbau gewährleistet die Realisierung sehr guter Supraleitereigenschalten nach der Temperaturbehandlung ohne Beeinträchtigung durch chemische Wechselwirkung oder mechanische Belastung. Ein nach der Erfindung mögliches Supraleiter/Normalleiterverhältnis von ~ 1:10 ermöglicht eine hohe Gesamtstromtragfähigkeit des Leiters. Eine Weiterverarbeitung des Leiters zu Mehrkernleitern nist ohne weiteres durchführbar. Vorteilhaft ist auch, daß bei der Herstellung des Leiters die thermische Behandlung zur Einstellung der Supraleitereigenschaften vor dem Aufbringen des Normalleiters durchgeführt werden kann. Damit besteht keine Behinderung der O₂-Diffusion, und es werden Phasen mit hohem T_c erzielt.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung ist nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Beispiel 1

Auf einem drahtförmigen Kern aus SiO₂ und mit einem Durchmesser von 35pm ist eine 0,15Mm dicke Si₃N₄-Schicht und auf dieser eine 0,5Mm dicke hochtemperatur-supraleitende Schicht aus YBa₂Cu₃O₇ aufgebracht. Auf der supraleitenden Schicht befindet sich eine TiN-Haftschicht mit einer Dicke von 0,15Mm und darauf eine 0,25 pm dicke Normalleiterschicht aus Cu.

Dieser Supraleiterdraht besitzt folgende Eigenschaften:

Zugfestigkeit: 450kp/mm²

Sprungtemperatur: 9OK

Gesamtstromdichte: 10⁴A/cm²

Beispiel 2

Dieses Beispiel bezieht sich auf einen Hochtemperatur-Supraleiter mit einem drahtförmigen AI₂O₃-KBm von 50 Mm Durchmesser, welcher mit einer 5Mm dicken hochtemperatur-supraleitenden Schicht aus YBa₂Cu₃O₇ umgeben ist, wobei sich zwichen dem Kern und der Schicht zwei Zwischenschichten befinden. Die erste, auf dem Kern befindliche Zwischenschicht besteht aus TiN und ist 0,1 Mm dick. Die zweite Zwischenschicht besteht aus einer 0,15Mm dicken Ti-Schicht. Auf der supraleitenden Schicht ist eine 0,15Mm dicke 75Ni25Cr-Schicht als Haftschicht für eine darauf befindliche 0,5Mm dicke Normalleiterschicht aus Cu aufgebracht.

Dieser Supraleiter besitzt folgende Kennwerte:

Zugfestigkeit = 520kp/mm^J

Sprungtemperatur = 92 K

Gesamtstromdichte = 7,3 · 10^aA/cm².

Claims

1. Hochtemperatur-Supraleiter, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch seinen hinreichend kleinen Durchmesser flexibler draht- oder bandförmiger Kern aus einem elektrisch nichtleitenden Werkstoff mit einer Schicht aus einem hochtemperatur-supraleitenden Werkstoff umgeben ist, wobei sich zwischen dem Kern und der Schicht mindestens eine haftvermittelnde und als Diffusionsbarriere dienende Zwischenschicht befindet, und daß dieser Leiteraufbau von einer Normalleiterschicht mit hoher thermischer und elektrischer Leitfähigkeit umgeben ist, wobei sich zwischen der hochtemperatur-supraleitenden Schicht und der Normalschicht einer Haftschicht befinden kann.

2. Hochtemperatur-Supraleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der flexible Kern aus einem bis 1000⁰C unter Sauerstoff oder sauerstoffhaltiger Atmosphäre temperaturstabilem Werkstoff, vorzugsweise aus SiO₂ oder AI2O3, besteht und in der Drahtform 0,001 bis 1,0 mm dick ist.

3. Hochtemperatur-Supraleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hochtemperatursupraleitende Schicht aus einem Werkstoff auf der Basis der Verbindungen YBa₂Cu₃O₇, YBa₂ (Cu-I __XA_X)₃O₇ mit A = Au, Ag, In, Zn oder Fe, oder (La₁-XA_xJ₂ CUO4 mit A = Sr oder Ba oder des Systems Bi-Ca-Sr-Cu-O besteht.

4. Hochtemperatur-Supraleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hochtemperatursupraleitende Schicht eine Dicke von 100nm bis 5μηι, vorzugsweise 100 bis 500nm aufweist.

5. Hochtemperatur-Supraleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht aus einem Werkstoff auf der Basis der Elemente der IV. und V. Nebengruppe des Periodensystems, vorzugsweise Zr, Ti oder Nb, oder auf der Basis von Oxiden oder Nitrid der genannten Elemente oder aus S13N4 oder AIN besteht.

6. Hochtemperatur-Supraleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht 100 bis 300nm, vorzugsweise 150 bis 200nm dick ist.

7. Hochtemperatur-Supraleiter nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftschicht aus einem Werkstoff wie die Zwischenschicht oder aus Ni, NiCr oder Cr besteht und 150 bis 300 nm dick ist.

8. Hochtemperatur-Supraleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Normalleiterschicht aus Cu besteht und 0,1 bis 50μηη, vorzugsweise 0,2 bis 5μιτι dick ist.