DE2222214C3 - Supraleiter und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Supraleiter gemäß Oberbegriff des Patentanspruches I und ein Verfahren zu seiner Herstellung gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 3.

Aus der DE-PS 11 80 955 ist ein Supraleiter aus einer Niob-Zirkon-Legierung sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung, das verschiedene Wärmebehandlungen und Kaltverformungen zur Verbesserung der supraleitenden Eigenschaften vorsieht, bekannt

Aus der FR-PS 13 88 181 ist weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Supraleiter des hier int^ressierenden Typs A3B bekannt, zu dem beispielsweise Supraleiter auf der Basis von Nb₃Sn, V₃Ga, Nb₃(AlGe), V₃Si gehören. Das bekannte Verfahren besteht darin, einen Draht aus Niob, einer Nioblegierung oder Vanadium durch eine Schmelze aus Zinn Aluminium, Gold oder Gallium hindurchzuführen, wodurch sich auf dem Draht eine Legierungszwischenschicht bildet, und den Draht nach Verlassen des Schmelzbades abkühlen zu lassen, so daß die anhaftende Schicht aus dem Metall des Schmelzbades erstarrt und die auf dem Draht gebildete Legierungszwischenschicht umhüllt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Supraleiter mit besonders hohen Werten für die kritische Stromdichte und die kritische Feldstärke sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben.

Diese Aufgabe ist durch die in den Patentansprüchen 1 bzw. 3 angegebene Erfindung gelöst

In der Zeichnung ist ein Supraleiter nach der Erfindung in einem schematischen Längsschnitt dargestellt Er besieht aus einer Niobseele 1, aus einer Schicht 2, 3 aus supraleitendem Werkstoff Nb₃Sn mit Kristallaufbau A 15 bei einer Stärke von etwa 4 Mikrometern und aus einem umhüllenden Mantel 4 aus Zinn oder einer Zinnlegierung. Die Schicht 2,3 aus supraleitendem Werkstoff besteht aus einer innenliegenden Unterschicht 2 mit einer Stärke von 1 Mikrometer, die aus zahlreichen und genau gleichgerichteten Körnern Nb₃Sn einiger Zehntel Mikrometern gebildet wird, sowie aus einer außenliegenden Schicht 3 einer Stärke von 3 Mikrometern, die aus Nb₃ar<-Körnern mit einer Korngröße von mehreren Mikrometern aufgebaut ist, wobei die Körner ein ausgerichtetes Gefüge bilden, dessen Achse senkrecht zur Ebene der Schicht 2, 3 verläuft.

Dieser Verbundsupraleiter weist hohe Werte für Strom, Feld und kritische Temperatur auf. Wie festgestellt wurde, hängen diese guten Eigenschaften eng mit der Stärke der Unterschicht 2 und deren Feinkörnigkeit zusammen. Ein aus einem Streifen von

so 10 mm Breite bestehender derartiger Supraleiter hat bei lOTesla einen kritischen Strom zwischen 150A und 200A.

Im Vergleich dazu hat ein Supraleiter gleicher Abmessungen nach dem Stand der Technik bei einem Wert von lOTesla einen kritischen Strom in der Größenordnung von nur 100 bis 130 A.

Wie weiterhin festgestellt wurde, wird nahezu die Gesamtheit des Stromes in der feinkörnigen Unterschicht 2 geleitet. Eine Erklärung ermöglichen die bekannten theoretischen und experimentellen Erkenntnisse hinsichtlich der Wirkung von Strukturfehjern im Sinne einer Unterbrechung der Bewegung von Flußlinien in Supraleitern. Demgemäß sind Fehler wie Dislozierungen, Korngrenzen, Heterogenitäten der Zusammensetzung und Berührungsstellen von Zwillingskristallen wirksame Haftstellen für Wirbel, die deren Bewegung unter der Wirkung lorentzscher Kräfte verhindern und damit die kritische Stromdichte

erhöhen. Je kleiner die Korngröße der Unterschicht 2 ist, um so mehr Kornübergänge und Fehler der vorgenannten Art treten auf und um so höher ist daher der kritische Strom des Supraleiters.

Der von einer Schicht oder einem Leitungsnetz aus supraleitendem Werkstoff Nb₃Sn transportierte kritische Strom hängt demnach nicht von der Gesamtstärke dieser Schicht bzw. dieses Leitungsnetzes ab, sondern im wesentlichen von seiner Struktur und insbesondere von der Stärke der feinkörnigen Unterschicht und deren Korngröße.

Der optimale Aufbau der Schicht aus supraleitendem Werkstoff Nb₃Sn aus Unterschichten hängt von zahlreichen Parametern ab, die vor allem mit den Bedingungen der Bildung dieser Schicht (Temperatur, Zeit, Umgebungsbedingungen usw.), der Zusammensetzung und der Art der Ausgangswerkstoffe, d. h. des Niobs und des Zinns, verknüpft sind.

Der angegebene optimale Aufbau kann beispielsweise durch Herstellung des Supraleiters nach folgendem Verfahren erzielt werden:

Die Seele aus Niob wird im Vakuum während 3 Minuten bei einer Temperatur von 800°C vorerhitzt und anschließend während 1 Minute in ein Zinnbad mit einer Temperatur von 925° C eingetaucht Hieran schließt sich eine Nacherhitzung von 3 Minuten Dauer auf eine Temperatur von 900"C an. Es folgt eine kurzzeitige Abschreckung mit einer Geschwindigkeit vonlOO°C/s.

Bei diesem Beispiel besitzt das Niob der Seele einen geringen Gehalt ν,οη Zusatzelementen wie z. B. Zirkon, Titan, Hafnium von etwa 500 bis 10 000 ppm und is; außerordentlich stark verstreckt (Kaltverformung von 99,99%). Das Schmelzbad besteht aus Zinn aus 99,95% reinem Metall und 200 ppm Arsen und Wismut.

Eine Temperaturerhöhung zwischen der Vorerhitzung una dem Eintauchen der Seele in das Zinnbad, eine relativ kurze Dauer dieser Schritte und eine Abschrekkung des Supraleiters nach der Nacherhitzung sowie ein geringer Gehalt an Zusatzelementen und Verunreinigungen der Werkstoffe der Seele and des Schmelzbades sind wichtige Faktoren bei der Bildung einer Schicht aus supraleitendem Werkstoff A₃B von beispielsweise 10 Mikrometern Dicke und einer besonderen Kristallstruktur, die eine Unterschicht von mehr als 2 Mikrometern Stärke aus etwa gleichachsig orientierten Körnern mit einer Korngröße von einigen Zehnteln Mikrometer umfaßt.

Die supraleitenden Werkstoffe des A₃B-Typs kristallisieren gemäß der ^-Modifikation des Wolframs und ergeben sich aus einer Diffusion-Reaktion eines Bestandteils A wie etwa Nb, Va, Ta usw. und eines Bestandteils oder einer Legierung B wie etwa Sn, Al oder AiGe usw. Die Dicke der feinkörnigen Unterschicht aus supraleitendem Werkstoff A₃B und deren Feinkörnigkeit verleiht dem Supraleiter eine hohe kritische Stromdichte, deren Wert um so höher liegt, je feiner und zahlreicher die Körner sind.

Der besondere Aufbau und die Unterschichten der Schicht aus supraleitendem Werkstoff A₃B kann durch eine Untersuchungsmethode festgestellt werden, die darin besteht, einen Bruch dieser Schicht durch eine auf das Material A₃B ausgeübte Zugkraft zu bewirken und die Bruchzone mit einem geeigneten Spezialmikroskop (z. B. »Stereoscan« der Firma Caneca) zu untersuchen. Eine bevorzugte Anwendung der hier vorgeschlagenen Supraleiter ist die Herstellung von Wicklungen für Magnete zur Erzeugung starker magnetischer Felder.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Supraleiter aus einer Seele aus einem Werkstoff A und einer umgebenden, supraleitenden Werkstoffschicht kristallinen Aufbaus der allgemeinen Formel A3B, wobei der Werkstoff A unter den Elementen der Gruppe V und der Werkstoff B oder eine Legierung desselben aus den Gruppen III und IV des Periodensystems ausgewählt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus supraleitendem Werkstoff A3B aus zwei Unterschichten besteht, von denen die innenliegende eine Dicke von mehr als 20% der Gesamtdicke der supraleitenden Werkstoffschicht hat und aus sehr feinen Körnern A3B untereinander gleicher Orientierung und einer Größe zwischen einigen Hundertstel und einigen Zehntel Mikrometern besteht

2. Supraleiter nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die außenliegende Unterschicht aus verhältnismäßig großen Körnern A3B untereinander gleicher, aar Ebene der innenliegenden Unterschicht rechtwinkliger Orientierung besteht, wobei die Korngröße zwischen einigen Zehntel Mikrometern und einigen Mikrometern schwankt.

3. Verfahren zur Herstellung eines Supraleiters nach Anspruch 1 oder 2, bestehend aus einer Vorerhitzung der Seele aus dem Werkstoff A, deren nachfolgendem Eintauchen in eine Schmelze aus dem Werkstoff B, wobei der Werkstoff B teilweise in die Seile eindiffundiert, und einer Nacherhitzung der Seele nach Verlassen des Schmelzbades, um die Diffusion 1er Bestandteile abzuschließen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Vorerhitzung und dem Eintauchen in die Schmelze eine Temperaturerhöhung sowie im Anschluß -an die Nacherhitzung eine schnellablaufende Abschreckung vorgenommen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Seele aus dem Werkstoff A im Vakuum oder unter Schutzgasatmosphäre während 1 bis 10 Minuten bei einer Temperatur zwischen 400⁰C und 800⁰C vorgeheizt wird, daß die Seele im Vakuum oder unter Schutzgasatmosphäre während 1 bis 10 Minuten in eine Schmelze aus dem Werkstoff B mit einer Temperatur zwischen 850° C und 950⁰C eingetaucht wird, daß die Seele nach Verlassen der Schmelze im Vakuum oder unter Schutzgasatmosphäre während 1 bis 10 Minuten nochmals auf eine Temperatur zwischen 800° C und I000°C erwärmt und der erhaltene Supraleiter anschließend mit einer Geschwindigkeit zwischen 100°C/s und 400°C/s abgeschreckt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Abschreckung eine Kaltverformung zwischen 80 und 99,99% vorgenommen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit 500 bis 10 000 ppm Zr, Hf, Ti oder Ta dotierte Seile verwendet wird.

7. Verwendung eines Supraleiters nach Anspruch 1 oder 2 zur Herstellung einer Wicklung.