DE2218223A1

DE2218223A1 - Verbundsupraleiter

Info

Publication number: DE2218223A1
Application number: DE19722218223
Authority: DE
Inventors: David John Warley Worcestershire Sambrook (Großbritannien). M
Original assignee: Imperial Metal Industries Kynoch Ltd
Current assignee: Imperial Metal Industries Kynoch Ltd
Priority date: 1971-04-15
Filing date: 1972-04-14
Publication date: 1972-11-23
Also published as: FR2133717A1; BE782155A; CA976279A; FR2133717B1; JPS6010403B1; GB1387621A; NL7204878A; DE2218223C2; IT965634B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verbundmaterialien und Verfahren zu deren Herstellung.

Durch die Erfindung wird ein Verbundmaterial gebildet, das eine Anzahl von in Längsrichtung verlaufenden Fasern eines ersten nicht-ferromagnetischen Materials mit einem elektrischen Widerstand von weniger als 3 Mikroohm pro Zentimeter bei 0⁰C aufweist, wobei jede Paser von den anderen Fasern durch eine Schicht aus einem zweiten Metall mit einem höheren elektrischen Widerstand getrennt ist, wobei die Fasern mit ihren benachbarten Metallschichten metallurgisch verbunden sind und die benachbarten Metallschichten benachbarter Fasern metallurgisch miteinander

verbunden sind.

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Die Verbundanordnung kann die Form einer Röhre haben, deren Wände aus den in Längsrichtung verlaufenden Pasern und den Schichten aus dem zweiten Metall gebildet sein können. Die Wände können aus abwechselnden Segmenten aus dem ersten und dem zweiten Material gebildet sein. Alternativ können die Wände aus einer Anzahl Pasern des ersten Metalls in einer Matrix aus dem zweiten Metall gebildet sein.

Die Innenseite und/oder die Außenseite der Wände kann mit einem Metall mit höherem elektrischen Widerstand, vorzugsweise dem zweiten Metall, beschichtet sein, wobei das Metall mit den Röhrenwänden metallurgisch verbunden ist.

Das Metall mit einem höheren elektrischen Widerstand kann ein nicht-ferromagnetisches Metall sein.

Vorzugsweise sind weniger als 50 Gew.-Ϊ des Verbundmaterials durch das Metall mit höherem elektrischen Widerstand gebildet; vorzugsweise beträgt dieser Prozentsatz weniger als 10 *.

Vorzugsweise ist der Widerstand des Materials mit dem höheren Widerstandswert zumindest das 10-fache, vorzugsweise zumindest das JJO-fache des Widerstandes des Metalls mit niedrigem Widerstandswert. Diese Verhältnisse gelten bei Umgebungstemperaturen, so daß bei Verwendung des Verbundmaterials bei sehr niedrigen Temperaturen, beispielsweise bei Kühlung mit flüssigem Stickstoff oder flüssigem Helium, eine größere Pro-

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portionalität zwischen den Widerstandswerten der Materialien vorliegt. In einer solchen gekühlten Umgebung beträgt der Widerstandswert des Metalls mit dem höheren Widerstand vorzugsweise zumindest das 2000-fache des Widerstandes des Metalls mit niedrigem Widerstand.

Das Verbundmaterial kann längs einer Längsachse verdrillt sein, wodurch jede Paser mit Ausnahme jeder zentralen Faser einem schraubenförmigen Weg folgt.

Vorzugsweise ist ferner das Metall mit niedrigem elektrischen Widerstand Kupfer und das Material mit höherem Widerstand eine Legierung aus Kupfer mit 2 bis 30 Gew.-JS Nickel oder eine Titanlegierung oder eine Legierung aus Nickel mit 10 bis 30 Gew.-% Chrom, vorzugsweise Nicke1-20 Gew.-%-Chrom.

Mit der Erfindung wird ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Verbundmaterials geschaffen, bei dem eine Anzahl von in Längsrichtung verlaufenden Elementen aus einem nicht-ferromagnetischen Metall mit einem niedrigen elektrischen Widerstand zusammengefügt wird, bei dem jedes Element von den anderen Elementen durch eine Schicht aus einem Metall getrennt wird, das einen höheren elektrischen Widerstand als das Metall der Elemente besitzt, bei dem die Anordnung zusammen befestigt wird (gesichert wird), und bei dem die Anordnung in Längsrichtung gestreckt wird, um die Elemente zu verlängern und entsprechende Fasern zu bilden, und die Komponenten der Anordnung sicher miteinander zu verbinden.

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Vorzugsweise ist das Material mit höherem Widerstand ein Metall, und die Komponenten der Anordnung sind durch metallurgische Verbindung der Elemente mit niedrigem elektrischen Widerstand mit dem metallischen Material mit einem höheren elektrischen Widerstand aneinander befestigt.

Die Anordnung kann hergestellt werden, indem man ein Element aus Metall mit niedrigem Widerstand nimmt, es mit einer Schicht aus dem Metall mit höherem Widerstand zur Bildung einer Unteranordnung umgibt, die Unteranordnung zur Befestigung der Komponenten aneinander in Längsrichtung streckt, die gestreckte Unteranordnung in eine Anzahl Stücke schneidet und diese Stücke zur Bildung der Anordnung zusammenstapelt. Alternativ kann die Anordnung gebildet werden, indem man eine Anzahl Röhren des-Metalls mit höherem Widerstand stapelt und in jeder Röhre ein Element aus dem Metall mit niedrigem Widerstand vorsieht. In dem zuletzt genannten Fall haben die Röhren vorzugsweise hexagonale Form, und jedes Element hat einen komplementären Querschnitt zum Einsetzen in die entsprechende Röhre.

Vorzugsweise wird die in Längsrichtung erfolgende Verlängerung am Anfang durch Extrusion durchgeführt. Weiterhin wird die Extrusion vorzugsweise bei einer erhöhten Temperatur, typischerweise zwischen 250 und 1000⁰C, durchgeführt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert.

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Pig. 1 zeigt einen perspektivische Ansicht einer Verbundanordnung;

Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer gestreckten Anordnung;

Fig^N. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Teils einer geformten Anordnung;

Fig. Ί zeigt einen Querschnitt einer weiteren Anordnung;

Fig. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer verdrillten Anordnung;

Fig. 6 zeigt einen Querschnitt einer weiteren Anordnung;

Fig. 7 zeigt einen Querschnitt eines Hohlleiters;

Fig. 8 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Hohlleiters nach Fig. 7» und

Fig. 9 zeigt einen Querschnitt eines weiteren anderen Hohlleiters.

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In einer Ausführungsform ist eine Stange 1 aus hochreinem, hochleitfähigem Kupfer in eine Röhre 2 aus Kupfer-3o Gew.^-Nickel-Legierung eingefüllt; die Anordnung ist
evakuiert und abgedichtet und dann bei einer Temperatur
von 55o°C zur Bildung eines Kupferbarren extrudiert, der
mit einer metallurgisch verbundenen Hülle aus Kupfer-Nickel beschichtet ist. Der Barren wird bei Umgebungstemperaturen
zur Erzeugung einer Stange gezogen, die schließlich zu hexagonalem Querschnitt 5 verformt wird. Die Stange wird dann
in eine Anzahl Stücke geschnitten, die innerhalb eines
Extrusionsbehalters 6 aus der gleichen Kupfer-Nickel-Legierunc zusammengestapelt werden; Extraräume werden von dünnen Drähten aus in Kupfer-Nickel 6a eingekleidetem Kupfer eingenommen; dies wird bei einer Temperatur von 95o C extrudiert und bei Umgebungstemperaturen gezogen. Das resultierende Produkt ist ein Verbundmaterial, in dem eine Anzahl Kupferfasern voneinander durch Schichten aus der Kupfer-Nickel-Legierung getrennt sind. Die Kupfer-3o Gew./5-Nickel-Legierung besitzt einen elektrischen Widerstand, der annähernd das 23-fache
des Widerstandes von hochreinem Kupfer bei Raumtemperaturen is"t. Wird das Verbundmaterial in dieser Ausführungsform bis 4,2 K abgekühlt, hat die Kupfer-Nickel-Legierung einen elektrischen Widerstand, der etwa das ^750-fache des Widerstandes von hochreinem Kupfer ist.

Die Verbundanordnung kann dann längs ihrer Längsachse
verdrillt werden (Fig. 5), so daß jede Kupferfaser 8 mit Aus-

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nähme jeder zentralen Paser 7 einem schraubenförmigen Weg längs der Verbundanordnung folgt. Die verdrillte Verbundanordnung kann zur Führung von Leistung oder elektrischen Signalen verwendet werden und besitzt verringerte Wechselstromverluste und nimmt weniger Rauschen von elektrischen Hintergrundquellen auf. Sie findet somit Anwendung bei der Energieübertragung, beispielsweise in elektrischen Kabeln, insbesondere bei Cryo-gekühlten Installationen, d.h. wo das elektrische Kabel auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff oder sogar von flüssigem Helium gekühlt wurde. Die zuletzt erwähnte Temperatur liegt bei etwa 4,2°K. Die Verbundanordnung kann jedes gewünschte Profil besitzen und kann beispielsweise bei Rechteckform zur Füllung der rechteekförmigen Räume in dem Rotor oder Stator eines elektrischen Generators oder Motors verwendet werden, was für den Fachmann ersichtlich ist.

In einer anderen Form des erfindungsgemäßen Verbundsupraleiters werden Kupferfasern 9, die mit einer Titanlegierung Io bedeckt sind, beispielsweise kommerziell reines Titan oder eine mit IMI 318 bezeichnete Titanlegierung, die eine Ti-6 Gew.i? Al-M Gew.% V-Legierung ist, in der im vorhergehenden anhand der Figuren 1 bis 3 beschriebenen Weise gebildet. Diese Fasern werden dann in einem Behälter zusammengefügt, der folgendermaßen gebildet wurde.

Ein dickwandiger Kupferbehälter wird aus einem Kupferbarren herausgearbeitet, und in die Außenwand des Behälters

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werden Längsschlitze eingearbeitet; in diesem Fall werden acht Schlitze gebildet; sie haben gleichen Abstand um die Röhrenachse. Streifen aus Titan 3l8 werden auf die richtige Stärke gewalzt und einer Kantenbearbeitung zur Vorbereitung zum Einsetzen in die Schlitze unterworfen. Die Streifen werden dann abgebeizt und entfettet und die Schlitze eingesetzt, die ebenfalls gereinigt wurden. Dann wird ein Titanbehälter mit der gleichen Zusammensetzung wie die Streifen gebildet,abgebeizt,entfettet und über den Kupferbehälter zur Bildung einer Außenhülle geschoben. Die Enden der Hülle werden dann mit Scheiben abgedichtet, die unter Vakuum mit Elektronenstrahl angeschweißt werden, so daß sich der Innenraum des Behälters unter Vakuum befindet. Der Behälter wird dann auf eine Temperatur im Bereich von ^5o° bis 580⁰C vorerhitzt und zur Bildung einer Röhrenhülle extrudiert. Diese Hülle wird dann zur Entfernung der Abdeckungsscheiben und zur Entfernung des Kupfers aus der Bohrung der Röhre bearbeitet. Der fertige Behälter besitzt somit eine Außenhülle 11 aus Titan mit nach innen ragenden Segmenten 12 und das Titan trennende Segmente 13 aus Kupfer.

Die Anordnung der Fasern in diesem Behälter wird dann durch Heißextrusion bei einer Temperatur von 5oo°C +_ 75°C zum Kompaktmachen der Anordnung und metallurgischen Verbinden in Längsrichtung gestreckt.

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In Fig. 7 und 8 ist ein Hohlleiter veranschaulicht, der normalerweise verwendet werden würde, wenn es erwünscht ist, die Spulenwindungen zu kühlen, beispielsweise bei Elektromagneten, Elektromotoren oder elektrischen Generatoren; er wird folgendermaßen hergestellt:

In einen Kupferzylinder werden radiale Schlitze in der Außenwand eingearbeitet, in die Kupfer-Nickelstreifen eingesetzt werden. Die Anordnung wird dann in eine Kupfer-Nickelröhre gesetzt, evakuiert, die Oberseite und der Boden mit einem Paar Kupferendplatten abgedichtet (von denen eine einen Nasenstopfen enthält), und die Anordnung wird auf 5.4 bis 57o°C erhitzt und übereinen Dorn extrudiert. Die Anordnung wird dann in Stücke mit etwa 6o cm (2 engl. Fuß) geschnitten, und das Zentrum der Stücke wird herausgearbeitet, um die Kupfer-Nickelstreifen freizulegen. Ein inneres Kupfer-Nickelröhrenfutter wird dann eingesetzt und die Anordnung wieder evakuiert, abgedichtet, auf 45o bis 57o°C erhitzt und wieder extrudiert.

Die Enddichtungen werden dann entfernt und die Anordnung wird zu einer Röhre mit den gewünschten Abmessungen unter Verwendung eines feststehenden oder schwimmender Stopfen gezogen. Gemäß Darstellung sind die Segmente 2o aus Kupfer die verbliebenen Teile des anfänglich verwendeten Kupferzylinders. Die Sperren 21 sind somit aus den in die Schlitze in dem Zylinder eingesetzten Kupfer-Nickelstreifen gebildet,

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und die innere und äußere Hülle 22 und 23 sind aus den anfänglich verwendeten inneren und äußeren Kupfer-Nickel-Röhren gebildet.

In einer Modifikation der Ausführungsformen können die aus hochreinem Kupfer bestehenden Fasern durch Aluminium ersetzt werden. Dies ist besonders nützlich, wenn der Leiter bei sehr niedrigen Temperaturen zu verwenden ist, da der Widerstandsabfall von hochreinem Aluminium von Raumtemperatur bis etwa 4,2⁰K größer ist als der Widerstandsabfall von hochreinem Kupfer von Raumtemperatur bis etwa 4,2⁰K.

Zusätzlich können Aluminiumleiter mit bei Temperaturen von flüssigem Stickstoff "Isolatoren" bildenden Kupferlegierungen verwendet werden, und ein Beispiel eines röhrenförmigen Leiters, der Aluminiumlitzen in einer Kupfer-1 ί-Zinn-Legierung verwendet, ist in Fig. 9 veranschaulicht. Die Anordnung wird folgendermaßen hergestellt. Ein Aluminiumbarren wird in einer Röhre aus einer Kupfer-1 ^-Zinn-Legierung eingesetzt; dann werden Endplatten aus Kupfer mit Elektronenstrahlen auf die Röhre geschweißt, so daß der Innenraum unter Vakuum abgedichtet wird. Die Anordnung wird dann auf 350 - 45O°C erhitzt und zur Bildung einer metallurgischen Verbindung zwischen der Außenröhre aus Kupfer-Zinn und dem Aluminium extrudiert. Die extrudierte Anordnung wird dann zu einer Stange gezogen und abschließend durch ein hexagonales Gesenk geführt, damit der Stange ein hexagonaler Querschnitt gegeben wird. Die Stange wird dann in kurze Stücke geschnitten und innerhalb zwei kon-

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zentrischen Kupfer-Zinn-Röhren gestapelt, wie dies in Fig. 9 gezeigt ist. Der Innere Aluminiumdraht 25, der von einer Kupfer-Zinn-Matrix umgeben ist, die durch benachbarte Kupfer-Zinn-Wände 26 gebildet ist, ist daher zwischen der inneren und der äußeren Kupfer-Zinn-Röhre 27 und 28 angeordnet. Die Anordnung wird wieder evakuiert, abgedichtet, auf 350 bis 45O⁰C erhitzt und zur Bildung einer Röhre extrudiert. Die Röhre wird dann gezogen, wobei feststehende oder schwimmende Stopfen zur Bildung einer Hohlröhre verwendet werden. Im Bedarfsfall kann der Röhre bei ihrer abschließenden Hindurchführung durch eine Reihe von Gesenken ein rechteckförmiger oder quadratischer äußerer Querschnitt gegeben werden. Der Vorteil der Verwendung eines Aluminiumleiters in einem Leiter liegt darin, daß er einen sehr niedrigen Widerstand bei Temperaturen um den Siedepunkt von flüssigem Stickstoff hat. Dies bedeutet, daß er bei Temperaturen vorteilhaft verwendet werden kann, die relativ leicht durch konventionelle Flüssigluftgeräte aufrechterhalten werden können. Es ist natürlich weit einfacher, eine Temperatur von 77°K als eine Temperatur von 4,2°K aufrechtzuerhalten, und flüssiger Stickstoff kann als Kühlmittel in großem kommerziellen Maßstab verwendet werden.

In einer weiteren Modifikation der typischen Ausführungsformen kann die Kupfer-30 Gew.-/6-Nickel-Legierung oder Titanlegierung ersetzt werden durch die Kupfer-bis zu 50 Gew.-JS-Nickel-Legierung, Nickel-10 bis 30 Gew.-Jf-Chrom-Le gierung, Kupfer« 5 bis 7 Gew.-ϊ-Ζίηη-Ο,ΟΙ bis 0,02 Gew.-55-Phosphor-Legierung, Kupfer-1 Gew.-ί-Mangan-3 Gew.-$-Silizium-Legierung, Kupfer-

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10 Gew.-?-Mangan-2 Gew.-Ji-Aluminium-Legierung, Kupfer-2 Gew.-J? Nickel-12 Gew.-^-Mangan-Legierung, Kupfer-^5 Gew.-?-Nickel-2 Gew.-%-Mangan-22 Gew.-i-Zin-Legierung, oder Kupfer-27»7 Gew. Zink-1,02 Gew.-i-Zinn-0,02 Gew.-i-Eisen-Legierung.

Claims

Patentansprüche

1. Verbundsupraleiter, gekennzeichnet durch eine Anzahl von in Längsrichtung verlaufenden Pasern aus einem ersten niehtferromagnetischen Material mit einem elektrischen Widerstand von weniger als 3 Mikroohm pro Zentimeter bei O⁰C, wobei jede Faser von den anderen Fasern durch eine Schicht aus einem zweiten Metall mit einem höheren elektrischen Widerstand getrennt ist, wobei die Fasern mit ihren benachbarten Metallschichten metallurgisch verbunden sind und die benachbarten Metallschichten benachbarter Fasern metallurgisch miteinander verbunden sind.

2. Verbundsupraleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er die Form einer Röhre hat, deren Wände durch Strecken von Fasern und der Schichten aus dem zweiten Metall in Längsrichtung gebildet sind.

3. Verbundsupraleiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände aus abwechselnden Segmenten aus dem ersten und zweiten Material gebildet sind.

l\, Verbundsupraleiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände aus einer Anzahl von Fasern des ersten Metalls in einer Matrix des zweiten Metalls gebildet sind.

5. Verbundsupraleiter nach Anspruch 3 oder ¹I, dadurch gekennzeichnet, daß die "Innenseite υηά/ούΘν die Außenseite der

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Wände mit einem Metall mit höherem elektrischen Widerstand bedeckt sind und daß das Metall mit den Röhrenwänden metallurgisch verbunden ist.

6. Verbundsupraleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß weniger als 50 Gew.-ί durch Metall mit dem höheren elektrischen Widerstand gebildet sind.

7. Verbundsupraleiter nach Anspruch 6,dadurch gekennzeichnet, daß weniger als 10 Gew.-5& durch Metall mit dem höheren elektrischen Widerstand gebildet sind.

8. Verbundsupraleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand des Metalls mit dem höheren Widerstandswert zumindest das 10-fache, vorzugsweise zumindest das Ίθ-fache des Widerstandes des Metalls mit niedrigem Widerstand beträgt.

9. Verbundsupraleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall mit niedrigem elektrischen Widerstand aus der Gruppe Kupfer und Aluminium und das Metall mit dem höheren elektrischen Widerstand aus der Gruppe Kupfer mit 2 bis 30 % Nickel oder 1 bis 10 % Zinn, einer Titanlegierung, einer Nickellegierung mit 10 bis 30 Gew.-% Chrom, vorzugsweise Nickel-20 Gew.-jS-Chrom, gewählt ist.

10. Verfahren zur Herstellung eines Verbundsupraleiters nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

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daß man eine Anzahl von in Längsrichtung verlaufenden Elementen aus einem nicht-ferromagnetischen Metall mit einem niedrigen elektrischen Widerstand zusammenfügt, daß man jedes Element von den anderen Elementen durch eine Schicht aus einem Metall mit einem höheren elektrischen Widerstand als der Widerstand des Metalls der Elemente trennt, daß man die Anordnung aneinander befestigt, und daß man die Anordnung zur Verlängerung der Elemente in Längsrichtung streckt ,um entsprechende Fasern zu. erzeugen und die Komponenten der Anordnung sicher miteinander metallurgisch zu verbinden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten metallurgisch miteinander verbunden werden.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung erzeugt wird, indem man ein Element aus dem Metall mit niedrigem Widerstand mit einer Schicht au3 dem Metall mit höherem Widerstand zur Bildung einer Unteranordnung umgibt, indem man die Unteranordnung zur Befestigung ihrer Komponenten aneinander in Längsrichtung streckt, indem man die gestreckte Unteranordnung in eine Anzahl Stücke schneidet und indem man diese Stücke zur Bildung der Anordnung zusammenstapelt.

13. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung erzeugt wird, indem man eine Anzahl Röhren aus dem Metall mit höherem Widerstand stapelt und in jeder Föhre ein Element aus dem Retail mit ^vLsä

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14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die geschnittenen Stücke einen hexagonalen Außenquerschnitt besitzen.

15. Verfahren nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß die Röhren einen hexagonalen Außenquerschnitt besitzen und daß jedes Element einen komplementären Querschnitt besitzt, um in seine entsprechende Röhre zu passen.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15» dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung vor der Längsstreckung in einem Behälter untergebracht wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter aus einem Metall mit einem höheren elektrischen Widerstand gebildet ist.

18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter eine Anzahl von im wesentlichen abwechselnden Segmenten aus einem Metall mit niedrigem elektrischen Widerstand und einem Metall mit höherem elektrischen Widerstand besitzt,

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbundmaterial als Hohlröhre gebildet

20. Verfahren nach Anspruch 19» dadurch gekennzeichnet ;1ie /ioiiir ^:rre ^-i: ^ coiii?-.■** i^s ej.^e-i-j Met^l,,. sr.i.- höherem

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Widerstand besitzt, die metallurgisch auf der Innenseite und/ oder der Außenseite der Röhre befestigt ist.

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