DE2044660A1

DE2044660A1 - Verfahren zur Herstellung von Supra leitern

Info

Publication number: DE2044660A1
Application number: DE19702044660
Authority: DE
Inventors: Albert R Lexington Mass Kaufmann (VStA)
Original assignee: Whittaker Corp
Current assignee: Whittaker Corp
Priority date: 1969-09-10
Filing date: 1970-09-09
Publication date: 1971-04-08
Also published as: GB1280583A; FR2061170A5; CA921177A; BE755928A

Description

Anmelder; Whittaker Corporation, 9229 Sunset Boulevard, Los Angeles, California, USA

Verfahren zur Herstellung von Supraleitern

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Supraleitern, insbesondere Supraleitern in Form endloser, feiner, supraleitender Fäden bzw. Drähte, die durch eine normal leitende* Matrix bzw. ein normal leitendes Grundgefüge verlaufen.

Supraleiter sind Materialien, deren spezifischer Widerstand unterhalb einer bestimmten Temperatur verschwindet. Diese Temperatur ist als kritische Temperatur bekannt, wenn kein magnetisches Feld vorhanden ist. Unterhalb dieser Temperatur können Supraleiter extrem hohe Stromdichten führen. Bis zu einer bestimmten magnetischen Feldstärke, die als kritische Feldstärke für die gegebene Stromdichte bekannt ist, können sie diese Stromdichten auch bei Vorhandensein eines hohen magnetischen Feldes führen. Dabei treten keine unerwünschten Erwärmungseffekte auf. Beispielsweise sind unterhalb der kritischen Temperatur von 18,5°C bei dem Supraleiter Nb₁Sn bei einem magnetischen Feld von etwa 200 kG Stromdichten in der Größenordnung von 10 bis 10 A/cm möglich. Wegen dieser Eigen schaften sind Supraleiter unter anderem zur Verwendung als stromführende Leiter in Magneten zur Erzeugung hoher magnetischer Felder überaus erwünscht.

Wird die kritische Temperatur, der kritische Strom oder die kritische Feldstärke überschritten, so fällt das supraleitende Ma-

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terial in den normal leitenden Zustand zurück, wo der spezifische

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Widerstand in der Größenordnung von 10 Ohm " m liegen kann. Dieser Übergang kann sehr abrupt erfolgen, so daß ein supraleitender Leiter bei einer Stromdichte in der Größenordnung von 10 A/cm² überhitzt wird und sich selbst, zumindest zu einem großen Teil, zerstört, wenn dieser Strom geführt werden muß. Demzufolge werden supraleitende Leiter, die hohe Ströme führen müssen, gewöhnlich in eine normal leitende Matrix, beispielsweise Kupfer oder einem anderen gut leitenden Material, eingebettet, das, wenn das supraleitende Material in seinen normal leitenden Zustand zurückfällt, einen Teil der durch den Supraleiter fließenden Ströme übernehmen kann.

Viele supraleitende Materialien bestehen aus intermetallischen Verbindungen, die brüchig und schwierig zu bearbeiten sind. Ferner brechen sie unter Beanspruchung sehr leicht. Ein Beispiel hierfür ist die einen überlegenen Supraleiter bildende Verbindung Nb^Sn, die eine verhältnismäßig hohe kritische Temperatur (etwa 18,5 K) besitzt. Dieses Material bricht infolge seiner Sprödigkeit unter Beanspruchungen sehr leicht, insbesondere wenn es in Form nicht unterstützter dünner Drähte oder Bänder hergestellt wird. Ferner vertragen die nicht unterstützten oder besonders gelagerten Drähte oder Bänder keine größere Belastung, so daß sie mit einem Belastungen aufnehmenden Aufbau verbunden werden müssen, vorzugsweise einem Aufbau, der auch als Stromleiter dient, wenn sich der Supraleiter in seinem normalen (nicht supraleitenden) Zustand befindet. Infolge ihrer Sprödigkeit muß beim Einbau dieser Drähte oder Bänder in den endgültigen Aufbau große Sorgfalt angewendet werden, so daß die Arbeitsergebnisse bei der Bearbeitung dieser Materialien nach ihrer Herstellung beträchtlich eingeschränkt werden. Ferner können die spröden Drähte oder Bänder, wenn sie vor der Bearbeitung in die Matrix eingebettet werden, dieselbe so stark verfestigen, daß eine weitere Bearbeitung äußerst schwierig wird. Zur Beseitigung dieser Nachteile ist vorgeschlagen worden, einen Supraleiter aus einer Niobium-Zinn-Zusammensetzung herzustellen, indem zunächst ein flaches dünnes Band aus reinem Niobium gebildet und darauf dessen Oberfläche mit Zinn überzogen wird. Dieser Aufbau wird zur Herstellung einer einen Niobium-Kern umgebenden, mit Zinn überzogenen Diffusionsschicht aus Nb^Sn wMrmebe handelt. Dieser Zu-

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sammenbau wird dann mittels eines Lötprozesses zwischen Kupferbändern laminiert, so daß sich ein laminierter oder geschichteter Leiter ergibt, der ein supraleitendes Material enthält, das von der notwendigen elektrisch leitenden und mechanisch schützenden Schicht aus nicht leitendem Material umgeben ist. Bei diesem Verfahren muß das spröde supraleitende Material mit dem elektrisch leitenden, mechanisch stützenden Material nach Bildung der supraleitenden Verbindung verbunden werden, das heißt, wenn das supraleitende Material spröd ist·. Wie oben erwähnt, ist die Gefahr eines mechanischen Bruchs der spröden Nb₃Sn-Schicht sehr groß, so daß während der Behandlung große Sorgfalt zur Verhinderung eines Bruchs , aufgewendet werden muß, insbesondere, wenn das in den Schichten vorhandene Nb₃Sn eine größere Dicke aufweist. Hierdurch werden selbstverständlich bei diesem Verfahren die Herstellungskosten zur Herstellung eines zusammengesetzten Supraleiters stark erhöht. Durch die Anzahl der zur Herstellung des Supraleiters notwendigen Schritte und die Notwendigkeit, zur Verbindung des supraleitenden Materials mit dem dasselbe umgebenden Material, getrennte Lötungen vorzunehmen, ergeben sich weitere Kostenerhöhungen und Komplizierungen des Verfahrens. Ferner wird die die supraleitende Schicht umgebende Restschicht aus Zinn auf dieser belassen, was ir manchen fällen zu einer Schwächung des Aufbaus führt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, „ ein Verfahren zur Herstellung zusammengesetzter Supraleiter ahzu- I geben, die aus einer Anzahl feiner, endloser Drähte aus supraleitendem Material bestehen, die in eine elektrisch leitende und mechanisch schützende Matrix eingebettet sind. Hierbei sollen die Komponenten des supra"^itenden Materials bearbeitet werden, während sie dehnbar oder bearbeitbar sind. Ferner soll ein Verfahren zur Herstellung zusammengesetzter Supraleiter aus spröden intermetallischen Verbindungen angegeben werden, bei dem die Verbindungen erst nach der Bearbeitung gebildet werden. Ferner sollen erfindungsgemäß zusammengesetzte Supraleiter hergestellt werden, die, bevor sie ihre supraleitenden Eigenschaften annehmen, bearbeitbar sind und aus mehreren supraleitenden Drähten bestehen, die in eine normal leitende Matrix eingebettet und in die gewünschte Form gebracht sind, bevor ihr supraleitender Zustand eintritt. Ferner soll ein zusammenge-

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setzter Leiter hergestellt werden, der eine Anzahl einzelner, endloser dünner Drähte aus sprödem Material enthält, die in den Leiter eingebettet sind.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein zusammengesetzter Supraleiter hergestellt, der wenigstens einen einzelnen feinen Draht aus supraleitendem Material enthält, der von einer normal leitenden, mechanisch schützenden Matrix umgeben ist. Hierbei wird ein Material, das eine erste Komponente (z.B. reines Nb) einer supraleitenden Verbindung (z.B. Nb,Sn) mit einem Material umhüllt, das eine zweite Komponente (z.B. Sn) der Verbindung zuzüglich einer Komponente enthält, die zur Bildung einer normal leitenden Matrix (z.B. Cu) für die supraleitenden Drähte dient. Das die erste Komponente enthaltende Material besteht vorzugsweise aus einzelnen, in einem Abstand voneinander angeordneten Stangen. Das die zweite Komponente enthaltende Material kann in Form eines Pulvers vorliegen, das rings um die Stangen geschüttet ist, oder es kann in Form eines Batten vorliegen, der in Axialrichtung durch ihn gebohrte Kanäle aufweist, die den Stangen entsprechen und in die die Stangen eingesetzt sind.

Diese Materialien werden in eine Schutzhülle gebracht und zusammen bei einer Temperatur bearbeitet, die geringer ist als die Temperatur, bei der zwischen den Stangen und den diese umgebenden Materialien eine merkliche Diffusion auftritt. Der Druck ist hierbei so hoch, daß der Querschnitt der Stangen reduziert und sie in langgestreckte Fäden umgeformt werden. Der Querschnitt des die Stangen umgebenden Materials wird während der Bearbeitung, wenn der anfängliche Barren zu einem Draht reduziert wird, ebenfalls verringert. Der sich ergebende Draht wird dann auf eine Temperatur oberhalb der Bearbeitungstemperatur geheizt, so daß die zweite Komponente der supraleitenden Verbindung aus der Matrix in die erste Komponente diffundiert. Er wird genügend lange bei dieser Temperatur gehalten, so daß die beiden Komponenten miteinander reagieren und die gewünschte supraleitende Verbindung in situ bilden. Der sich ergebende Draht enthält dann eine Anzahl diskreter, drahtähnlicher supraleitender Fäden, die in eine elektrisch leitende und mechanisch schützende Matrix eingebettet sind und sich durchgehend durch diese erstrecken.

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Vor der Wärmebehandlung, während sich also die Komponenten noch in bearbeitbarem Zustand befinden, kann der Draht in die gewünschte Endform gebracht werden, wenn diese Form eine andere sein soll als die eines geraden Drahtes. Beispielsweise kann er vor der Bildung der spröden intermetallischen Verbindung in ein flaches Band, eine gedrehte Spirale, eine Spule und dergleichen geformt werden.

Anhand der beigefügten Zeichnung wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschema des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 eine Seitenansicht, mit zum Teil weggebrochenen Teilen, eines zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß der bevorzugten Ausführungsform geeigneten Extrusionsrohrs;

Fig. 3 einen Querschnitt längs der Linie 3-3 in Fig. 2;

Fig. 4 eine Seitenansicht, mit zum Teil weggebrochenen Teilen, eines supraleitenden, erfindungsgemäß hergestellten Verbunddrahtes; und

Fig. 4a eine Draufsicht auf das Ende des Drahtes der Fig. 4.

Fig. 1 zeigt in schematischer Form die Grundschritte bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Material, das eine erste Komponente der supraleitenden Verbindung enthält, die nach der Behandlung die Drähte bilden soll, und das Füllmaterial, das eine zweite Komponente der Verbindung zusammen mit einer Komponente enthält, die die Matrix bilden soll, in der die Drähte eingebettet sind, müssen zunächst zusammengeführt, das heißt zur Verarbeitung zusammengebracht werden. Beispielsweise werden die Materialien innerhalb einer Schutzhülle miteinander in Kontakt gebracht, die anschließend als Extrusionsrohr oder -düse (extrusion cannister) dient. Diese Materialien werden so gewählt, daß die chemische Aktivität der zweiten Komponente der supraleitenden Verbindung, wenn sie sich in fester Lösung im Material der Matrix befindet, größer ist als in der Verbindung. Demzufolge ist die freie Energie der supraleitenden Verbindung niedriger als die freie Energie der festen Lösung der Matrix, so daß die Verbindung thermodynamisch ata-

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bil ist. Ferner muß das gewünschte Matrixmaterial mit der ersten Komponente der supraleitenden Verbindung weniger reaktiv sein als die zweite Komponente. Hierdurch wird sichergestellt, daß sich die Verbindung in erster Linie, wenn nicht ausschließlich, aus der ersten und zweiten Komponente bildet.

Nach der Zusammeηführung der Materialien werden sie zusammen bearbeitet, so daß sie einen Draht, ein Band oder eine andere Form ergeben, wobei die erste Komponente der supraleitenden Verbindung einen oder mehrere feine Drähte ergibt, die in eine die zweite Komponente enthaltende feste Matrix eingebettet sind. Durch diese Be-

k arbeitung werden die Materialien geformt und zu einer monolithischen Struktur verfestigt. Die Bearbeitung erfolgt bei einer Temperatur, die unterhalb der Temperatur liegt, bei der eine merkliche Diffusion zwischen den beiden Materialien während der Bearbeitungszeit auftritt, so daß die Materialien während der Bearbeitung in duktilem, das heißt, bearbeitbarem Zustand bleiben. Diese Temperatur wird im folgenden als T, bezeichnet. Diese Bearbeitung kann aus einer einzelnen Bearbeitungsart (z.B. Extrusion oder Walzen bzw. Strecken) oder aus einer Verbindung mehrerer Bearbeitungsarten (z.B. Extrusion, Walzen bzw. Strecken usw., worauf weiter extrudiert oder gestreckt, gezogen oder mittels eines Gesenkes bearbeitet wird, usw.) bestehen. Wie erwähnt, können eine oder mehrere Zwischenglühungen vorgenommen werden, um Spannungen abzubauen, die

ψ in der Matrix oder in den Drähten entstanden sein können.

Nachdem die Matrix und die darin eingebetteten Drähte in der monolithischen Struktur den gewünschten verringerten Querschnitt angenommen haben, wird das Ganze auf eine Temperatur T^ aufgeheizt, bei der innerhalb einer angemessenen Zeit eine merkliche Diffusion in Richtung von der Matrix auf die Drähte auftritt, so daß die zweite supraleitende Komponente in der Matrix mit. der ersten supraleitenden Komponente in den Drähten reagieren kann und wenigstens ein Teil des Drahtes oder der Drähte in die gewünschte supraleitende Verbindung umgewandelt wird. Im allgemeinen ist. diese Temperatur höher als die Bearbeitungstemperatur, so daß die Ausbildung der gewünschten Verbindung innerhalb angemessener Zeit gewährleistet wird. Ist jedoch die Bearbeitungsperiode kurz genug, um zu verhindern, daß bei der Bearbeitungstemperatur eine merkliche Bildung der supraleitenden Verbindung auftritt, so kann die Temperatur T^ im Bereich

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oder auch unterhalb der Bearbeitungstemperatur liegen.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nunmehr anhand der Ausbildung einer bestimmten Form näher beschrieben, nämlich eines supraleitenden Verbundleiters, der eine Anzahl feiner, durchgehender Drähte aus dem Supraleiter Nb₃Sn enthält, die in eine Matrix aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung eingebettet sind. Ferner sei angenommen, daß der Durchmesser des Leiters etwa 1,5mm (60 mils) und der Durchmesser der supraleitenden Drähte oder Litzen etwa 0,05 mm (2 mils) betrage, und die supraleitenden Litzen etwa 25% des Querschnittes des Leiters einnehmen. Die erste Komponente des Supraleiters ist reines Nb, das in den anfänglich vorbereiteten Litzen auftritt. Die zweite Komponente ist Sn, das in fester Lö- ■" sung mit. Cu in der anfänglich vorbereiteten Matrix vorhanden ist. Bei den angegebenen Werten führt eine Sn-Legierung mit 15 Gewichtsprozent (Cu-15 w/o Sn alloy) eine ausreichende Menge Sn dem Nb zu, so daß eine vollständige Umwandlung des Nb in Nb₃Sn auftritt. Die thermodynamischen Eigenschaften des Materials sind so, daß Sn eine größere chemische Aktivität in der Legierung als in der Verbindung aufweist, so daß die Verbindung thermodynamisch stabil ist.

Anhand der Fig. 2 und 3 soll nunmehr ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung des obigen zusammengesetzte^, supral'-.it'e^er. Leiters oder Verbundleiters erläutert werden.

Fig. 2 zeigt in einer Seitenansicht, bei der einige Bereiche zum Teil weggebrochen sind, ein Extrusionsrohr 10, das zur Durch- " führung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Das Extrusionsrohr 10 besitzt eine vordere und eine hintere Platte 12 bzw. 14, sowie eine Seitenwand 16. Zur Unterstützung bei der Extrusion ist. an der vorderen Wand ein Stirnkonus 18 befestigt. In Abständen voneinander sind eine Anzahl von Stangen 20 der ersten Komponente (reines Nb) der gewünschten supraleitenden Verbindung innerhalb des Extrusionsrohrs 10 angeordnet. Die Zwischenräume zwischen den Stangen 20 sind mit einem Pulver 22 gefüllt, das die zweite Komponente (Sn) der supra .Leitenden Verbindung zusammen einer Komponente (Cu) enthält, das zur Bildung einer normal leitenden Matrix dient, die die Litzen umgibt, wenn der zusammengesetzte Supraleiter ausgebildet ist. im vorliegenden Fall enthält, das Pulver 22 eine Sn-Legierung mit 15 Gewichtsprozent (Cu-15 w/o Sn alloy) . Nachdem die Stanaen 20 und das Pulver 22 in der richtigen Weise innerhalb des

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Rohrs angeordnet, sind, werden die Endplatte 14 und die Seitenwand 16 miteinander abgedichtet und das Rohr 10 wird verschlossen und zur Vorbereitung der Extrusion evakuiert. Die Evakuation verhindert, eine Oxydation der Materialien während der Extrusion. Das Rohr bzw. die Hülse 10 wird dann auf normale Weise bei einer Temperatur unterhalb T, extrudiert, bei der eine merkliche Diffusion der supraleitenden Komponenten zueinander auftritt. Selbstverständlich ist T^ abhängig von dem für die Stangen 20 und das Pulver 22 verwendetenMaterial, sowie von der Gesamtzeit, während der die Materialien bei erhöhten Temperaturen bearbeitet werden. Bei dem hier beschriebenen System aus Nb und Cu-15, Sn führen eine Extrusions-™ temperatur von etwa 69O°C (1375°F), eine Druckkolben-Geschwindigkeit von etwa 165cm/Min. (65 inch/Min.) und ein Reduktionsverhältnis von 16:1 zu brauchbaren Ergebnissen.

Nach der ersten Extrusion kann eine weitere Bearbeitung zur weiteren Verringerung des Querschnittes der Stangen und des sie umgebenden Materials vorgenommen werden. Dies kann durch zusätzliche Extrusionen oder andere Bearbeitungsarten geschehen. Im vorliegenden Beispiel wurde ein Barren von etwa 5cm Durchmesser zu einem Leiterdurchmesser von etwa 1,5mm durch zwei aufeinanderfolgende Extrusionen bei einem Extrusionsverhältnis von 16:1 verringert, worauf kaltgezogen wurde. Nach der ersten Extrusion konnte der Leiter mittels eines Gesenkes bzw. einer Ziehdüse bearbeitet ψ werden, wobei zur Beseitigung von Restspannungen im Leiter ein- oder zweistündige Zwischenglühungen bei etwa 538°C (1000⁰F) vorgenommen wurden.

Der sich bei der vorstehenden Bearbeitung ergebende Leiter ist in den Fig. 4 und 4a gezeigt, die eine Seitenansicht bzw. eine Ansicht, des Endes des sich ergebenden Leiters darstellen. Wie in diesen Fig. gezeigt, besitzt der Leiter 24 eine Anzahl feiner, fadenartiger Litzen 20', die in einem Abstand voneinander liegen und in eine gleichförmige Matrix 22' eingebettet sind, die jede der Litzen umgibt. An dieser Stelle haben die Litzen 20' und die Matrix 22" im wesentlichen die gleiche Zusammensetzung wie die Ausgangsmaterialien 20 bzw. 22. Zur Umwandlung der Litzen 20' in eine supraleitende Verbindung wird der Leiter 24 auf eine Temperatur T^ aufgeheizt, bei der zwischen den Komponenten des Supraleiters in den

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Litzen 20' und der Matrix 22' in angemessener Zeit eine merkliche Diffusion stattfindet. Bei dem vorher erläuterten Nb-Cu-Sn-System tritt praktisch eine vollständige Umwandlung der Litzen 20' auf, wenn der Leiter 24 im Falle von Litzen mit einem Durchmesser von etwa 0,05mm etwa 96 Stunden lang bei einer Temperatur von etwa 775°C (1425°F) gehalten wird.

Vor der Ausbildung der supraleitenden Verbindung durch Diffusion kann es erwünscht sein, den Leiter 24' oder die eingebetteten Litzen 20', oder beide, in eine bestimmte Form zu bringen. Soll beispielsweise der Leiter 24 für Wechselströme höherer Frequenz verwendet werden, so kann es zweckmäßig sein, die Litzen 20' spiralförmig zu verdrehen, um die Wirbelstromverluste im supra- ' leitenden Zustand der Litzen zu verringern. Dies kann auf einfache Weise dadurch geschehen, daß lediglich der Leiter 24 während oder nach der Formung des Leiters, jedoch vor Ausbildung der supraleitenden Verbindung, in bekannter Weise verdreht wird, das heißt, während sich die Materialien in bearbeitbarem Zustand befinden. Die Formung der Materialien vor Ausbildung der supraleitenden Verbindung erleichtert die Formung und stellt sicher, daß die spröden supraleitenden Litzen durch die Bearbeitung nicht zerbrochen werden.

Vorstehend ist eine Ausfuhrungsform des erfindtingsgemäßen Verfahrens erläutert worden. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Erfindung nicht auf die genaue, vorstehend beschriebene Aus- \ führungsform beschränkt ist, sondern daß vielerlei Abwandlungen entsprechend den verwendeten Materialien, der endgültigen Form und anderen Faktoren möglich sind. Zum Beispiel kann das die Matrix bildende und die supraleitenden Litzen umgebende Material in Form eines Barren vorbereitet werden, der mit Öffnungen versehen ist, die sich durch; ihn hindurch erstrecken, und zur Aufnahme der Stangen dienen, aus denen die Litzen gebildet werden sollen. Alternativ "kann das Litzenmaterial in Form eines Pulvers hergestellt und in die Öffnungen des Barrens zur nachfolgenden Verfestigung während der mechanischen Bearbeitung eingeführt werden. Die Supraleiter selbst brauchen nicht in Form feiner Litzen oder Drähte im endgültigen Supraleiter vorzuliegen, obwohl dies oft zweckmäßig ist.

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Beispielsweise können die supraleitenden Elemente die Form von dünnen flachen Bändern innerhalb einer Matrix mit rundem ader anderem Querschnitt besitzen. Ferner kann eine große Anzahl unterschiedlicher Bearbeitungsarten verwendet werden, um zu der gewünschten Verfestigung der Materialien und der QuerSchnittsverringerung derselben zu gelangen. Beispielsweise können die Materialien gewalzt oder gezogen oder auch im Gesenk bearbeitet oder extrudiert werden.

Hinsichtlich der Materialarten, mit denen das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, sei darauf hingewiesen, daß zwei Hauptbedingungen erfüllt sein müssen, um eine erfolgreiche Ausbildung des zusammengesetzten Supraleiters zu gewährleisten:

1. Die chemische Aktivität der Komponente der supraleitenden Verbindung, die in das Material eingeführt wird, das schließlich die Matrix bildet, muß in der Matrix größer sein als in der supraleitenden Verbindung, so daß die Diffusion von der Matrix .in. die Drähte stattfindet.

2. Das Material, das schließlich die Matrix bildet, sollte mit dem Material der Drähte entweder eine supraleitende Verbindung bilden oder nicht in merklichem Maße mit. dem Drahtmaterial eine Legierung bilden.

Die erste der zwei vorstehenden Bedingungen gewährleistet, daß sich bei der Diffusions-Wärmebehandlung die supraleitende Verbindung ausbildet. Die zweite Bedingung gewährleistet, daß das Material, das schließlich die Matrix bildet, die Ausbildung der gewünschten intermetallischen Verbindung nicht in merklichem Maße behindert.

Durch Anwendung der vorstehenden Regeln ist man in der Lage, eine vorteilhafte Wahl unter den Materialien zu treffen, um einen Supraleiter mit den gewünschten Eigenschaften zu erhalten, So sind, obwohl bisher lediglich eine einzige Matrix (Cu) und ein einziger Supraleiter (Mb₃Sn) beschrieben wurden, andere Kombinationen des Matrixmaterials und der supraleitenden Komponenten bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung möglich. Beispielsweise bildet Nb unter anderem brauchbare Supraleiter mit Aluminium (Nb₃Al, T_c= 17,5°K), Ga (Nb₀Ga, T =14,5°K) oder mit Kombinationen zweier oder

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mehrerer Materialien wie Al und Sn (Al_n ,.Nb^Sn ,., T =16,3°K). Diese Materialien können in eine Kupferlegierung eingeführt werden, die, wie hier beschrieben, das Niobium umgibt, oder sie können in Legierung mit anderen Materialien, wie unter anderem Ag, Al, Ni, Fe oder Au oder Kombinationen eines oder mehrerer dieser Materialien eingeführt werden. Ag ist ein sehr vorteilhaftes Material, da es mit Nb keine merkliche Legierung eingeht. Zusätzlich ist. es ein guter elektrischer Leiter. Es ist jedoch teurer als Cu, was in vielen Anwendungsfällen den Ausschlag gibt. Al, Ni und Fe legieren mit Nb in mehr oder weniger starkem Maß, so daß bei Verwendung dieser Materialien als Matrixmaterial mit Sorgfalt gearbeitet werden muß. Wegen der unterschiedlichen Diffusionsgeschwin- i digkeiten bei den verschiedenen Materialien ist es möglich, die gewünschten Supraleiterverbindungen mit Komponenten zu bilden, die in eine Matrix eingebettet, sind, die normalerweise mit der Hauptkomponente der Verbindung reagiert, indem die Materialien der Komponenten und der Matrix sorgfältig ausgewählt werden, so daß die gewünschte Supraleiterkomponente aus der Matrix zur Seite der Hauptkomponente schneller diffundiert als das Matrixmaterial. Somit entsteht zwischen den Supraleiterkomponenten und dem Matrixmaterial ein "Wettlauf".

Außer den Supraleiterformen aus einer Nb-Basis haben a¹ einer V-Basis gebildete Supraleiter eine verhältnismäßig hohe kritische Temperatur, so daß sie für viele Anwendungszwecke zweck- ä mäßig sind. Z.B. bildet V supraleitende Verbindungen mit Silicium (VoSi, T =17°K), Gallium (V^Ga, T =16,8°K) und einer Kombination aus Molybdän und Silicium (Mo _{Q 005}Si_{0 25}V_{O ?45},T_c=16 K). Obwohl diese Verbindungen üoeraus spröde sind und normalerweise schwer verarbeitbar sind, ohne während der Bearbeitung zu brechen, sind die Komponenten, aus denen sie gebildet werden, im Vergleich zu den Supraleitern duktil bzw. gut bearbeitbar, die sie bilden und können vor der Umwandlung in die gewünschte Verbindung leicht bearbeitet und geformt werden.

Aus den vorstehenden Ausführungen geht hervor, daß mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens die Herstellung eines Supraleiters unterschiedlicher Form möglich ist, der eine Anzahl feiner, durch-

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gehender, eingebetteter Drähte bzw. Litzen oder Bänder aus einer
spröden, supraleitenden intermetallischen Verbindung enthält, die in eine die Verbindung umgebende normal leitende Matrix eingebettet sind. Erfindungsgemäß werden die Leiter oder auf andere Weise geformte Gegenstände vor der Ausbildung der Verbindung behandelt, während die Komponenten der supraleitenden Verbindung sich in
duktilem Zustand befinden. Dies ermöglicht eine leichtere Bearbeitung, beseitigt ansonsten notwendige Einschränkungen hinsichtlich des Maßes und der Stärke der Bearbeitung des Leiters, um ein Brechen der supraleitenden Verbindung zu verhindern und ermöglicht die Herstellung zusammengesetzter Supraleiter mit einer Vielzahl
von Formen und Stärken mittels herkömmlicher Bearbeitungsverfahren vor der Ausbildung der supraleitenden Verbindung in situ.

Patentansprüche

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Claims

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Patentansprüche

I./Verfahren zur Ausbildung zusammengesetzter Supraleiter mit wenig-"""^ stens einem Bereich, der wenigstens zum Teil aus einer spröden supraleitenden intermetallischen Verbindung besteht, die sich durchgehend durch eine den Bereich umgebende normal leitende Matrix erstreckt, d a d u r c h g e k e η η ζ e i c h η e t , daß ein Material mit. einer ersten duktilen Komponente einer spröden supraleitenden intermetallischen Verbindung mit einem Material umgeben wird, das eine zweite duktile Komponente der Verbindung und eine Komponente enthält, die zur Ausbildung der normal leitenden Matrix dient, daß die Materialien zusammen bei einer Tempera-' tür unterhalb des Schmelzpunktes eines der Materialien in einem Maße bearbeitet werden, daß die Materialien verfestigt werden und sich zwischen diesen eine metallurgische Bindung ergibt, und zwar solange, daß eine wesentliche Reaktion zwischen den Materialien eintreten kann, und daß die Materialien nach der Bearbeitung solange geheizt werden, daß die zweite Komponente in die erste Komponente eindiffundiert und die Komponenten miteinander reagieren, so daß sich eine spröde Verbindung ergibt und wenigstens ein Teil der ersten Komponente in situ in die Verbindung umgewandelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e η η ζ e i c h η e t , daß das die erste duktile Komponente umgebende Material aus einer Legierung besteht, die die zweite duktile Komponente in fester Lösung enthält, wobei die Aktivität der zweiten Komponente in der Legierung größer ist als ihre Aktivität in der Verbindung, so daß die zweite Komponente.aus der Legierung in die erste Komponente diffundiert. .
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Komponente Nb enthält, und daß die zweite 'Komponente aus der Gruppe enthaltend Sn, Al und Ga gewählt ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3,dadurch gekennzeichn e t , daß die so gebildete spröde supraleitende Verbindung Nb₃Sn enthält.

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5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gebildete spröde supraleitende Verbindung Nb₃Al enthält.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die so gebildete spröde supraleitende Verbindung Al_{n K}Hb_Sn_o _ enthält.
7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die so gebildete spröde supraleitende Verbindung Nb₃Ga enthält.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich-

das
net, daß aie erste duktile Komponente umgebende Material aus einer Legierung besteht, die in fester Lösung die zweite duktile Komponente enthält, wobei die Aktivität der zweiten Komponente in der Legierung größer ist als in der Verbindung, so daß die zweite Komponente aus der Legierung in die Verbindung diffundiert, und daß die erste Komponente V enthält und die zweite Komponente aus der Gruppe enthaltend Si, Ga und Mo ausgewählt ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die so gebildete spröde supraleitende Verbindung V₃Si enthält.
10. Verfahren nach Anspruch.8, dadurch gekennzeichnet, daß die so gebildete spröde supraleitende Verbiaadung V₃Ga enthält.
11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die so gebildete spröde supraleitende Verbindung ^M°O,OO5^SiO,25^VO,745 ^enthält'
12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die erste duktile Komponente umgebende Material aus einer Legierung aus Cu und wenigstens einem Material aus der Gruppe enthaltend Sn, Al, Ga besteht.

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13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die erste duktile Komponente umgebende Material aus einer Legierung aus Ag und dem die zweite duktile Komponente bildenden Material besteht.
14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gek e nnze ichn e t , daß das die erste duktile Komponente umgebende Material aus einer Legierung aus dem die zweite duktile Komponente bildenden Material und wenigstens einem der Materialien aus der Gruppe enthaltend Ni, Fe, Al und Au besteht.
15. Verfahren zur Herstellung eines zusammengesetzten Supraleiters, ' insbesondere nach Anspruch 1, in Form eines Leiters, der mehrere feine Drähte bzw. Litzen enthält, die wenigstens zum Teil aus einer spröden, supraleitenden, intermetallischen Verbindung bestehen und sich durchgehend durch eine normal leitende Matrix erstrecken, die die Drähte umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes duktiles, als Quelle einer ersten Komponente der Verbindung dienendes Material mit einem zweiten duktilen Material umgeben wird, das als Quelle einer zweiten Komponente der Verbindung dient, daß die Materialien bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes eines der Materialien in einem Maße bearbeitet werden, das ausreicht, das erste Material zu einem monolithischen Kern zu formen, der vom zweiten Material umgeben ist, und zwar für A eine Zeit, die ausreicht, eine wesentliche Reaktion zwischen dem ersten und dem zweiten Material herbeizuführen, daß die Materialien nach der Bearbeitung auf eine Temperatur und für eine Zeit aufgeheizt werden, die ausreichen, einen wesentlichen Teil der zweiten Komponente in die erste Komponente zu diffundieren, so daß die Komponenten miteinander reagieren können und wenigstens ein wesentlicher Teil der duktilen Komponente in die spröde supraleitende Verbindung in situ eindiffundiert wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das erste duktile Material anfänglich in Form mehrerer Stangen vorliegt, die vom zweiten duktilen Material umgeben sind.

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17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch ge kennzeich net, daß das zweite duktile Material in Form eines Pulvers vorliegt, das die Stangen umgibt, wobei das Pulver eine Legierung aus wenigstens der zweiten duktilen Komponente und dem Material, aus dem die Matrix geformt werden soll, enthält.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialien durch Extrusion bearbeitet werden, um das Pulver zu verfestigen und den Querschnitt des Pulvers und der Stangen zu reduzieren, wobei die Extrusion bei einer Temperatur erfolgt, die geringer ist als die Temperatur, bei der zwischen der ersten und der zweiten Komponente während der Extrusion eine merkliche Diffusion auftritt, so daß die Materialien während der Extrusion in duktilem Zustand verbleiben.
19. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Bearbeitung gebildete Leiter vor der Diffusion der ersten und zweiten Komponente zueinander, um eine spröde supraleitende Verbindung zu bilden, weiter in eine gewünschte Form geformt wird.

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