DE2503393C2 - Verbund-Supraleiter - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Verbund-Supraleiter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Herstellung von Supraleitern aus supraleitfähigen intermetallischen Verbindungen, wie z. B. Nb3Sn. ist
bekannt Derartige Verbindungen sind jedoch sehr spröde und neigen zum Brechen, wenn sie verformt werden.
Bei einem beKannten Verfahren wird deshalb zunächst ein Gebilde hergestellt, das auf einem Trägermaterial
Niob und Zinn oder oje Bestandteile einer anderen herzustellenden supraleitfähigen Verbindung in nicht
umgesetztem Zustand ali Vorläufer der supraleitfähigen Verbindung aufweist Aus diesem Gebilde wird dann
ein Solenoid hergestellt, das auf t ne Temperatur erwärmt wird, die ausreicht, um eine zur Bildung der intermetallischen
Verbindung führende Umsetzung ihrer Bestandteile miteinander hervorzurufen. Das bei diesem
Verfahren notwendige Erwärmen des gesamten Solenoids führt jedoch beispielsweise zu dem Nachteil, daß die
Wicklung verformt werden kann. Ferner ist der auf diese Weise erhaltene Supraleiter zerbrechlich, so daß die
während des Betriebes als Ergebnis der erzeugten Magnetfelder auf den Supraleiter ausgeben hohen BeIa-
stungen eine Verformung verursachen können, die ausreicht, um ein Brechen der supraleitfähigen Verbindung
herbeizuführen.
Verbund-Supraleiter, die Fäden aus einer supraleitfähigen intermetallischen Verbindung aufweisen und bei
denen die supraleitfähige Verbindung durch Umsetzung ihrer Bestandteile vor dem Wickeln des Solenoids
hergestellt wird, bieten hinsichtlich der Bearbeitung und der Gleichmäßigkeit der Supraleitfähigkeitseigenschaf-
-45 ten Vorteile; sie sind jedoch nicht zufriedenstellen, wenn das Verbundgebilde zu spröde ist.
Aus der DE-OS 20 52 323 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Verbund-Supraleiters bekannt, bei dem ein
Verbundmaterial aus einem Trägermaterial und mindestens einem aus Aluminium, Gallium, Indium. Silicium,
Germanium und Zinn ausgewählten Element mit einem Grundmaterial aus Niob oder Vanadium in Berührung
gebracht und derart wärmebehandelt wird, daß eine supraleitfähige Verbindung aus Niob oder Vanadium und
den vorstehend erwähnten Elementen gebildet wird. So können beispielsweise Niobfäden in eine Bronzematrix
eingebettet werden, worauf das erhaltene Verbundmaterial wärmebehandelt wird. Aus der DE-OS 20 52 323 ist
zu entnehmen, daß der Durchmesser der Niobfäden genügend klein sein muß, um eine vollständige Reaktion
zwischen Niob und Zinn sicherzustellen, wobei Durchmesser von 5 bis 10 μπι angemessen sind. Größere
Durchmesser können zwar akzeptabel sein, würden aber eine relativ langwierige Wärmebehandlung erfordern.
Demgemäß läßt sich der DE-OS 20 52 323 die Lehre entnehmen, daß eine vollständige Umsetzung über den
gesamten Fadendurchmesser angestrebt wird, um eine vollständige Umsetzung zwischen Niob und Zinn sicherzustellen,
d. h„ ein Einzelphasen-Nb3Sn mit sich daraus ergebenden guten Supraleitfähigkeitseigenschaften zu
erzielen.
Aus der DE-OS 20 56 779 sind Verbund-Supraleiter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt.
Aus der DE-OS 20 56 779 sind Verbund-Supraleiter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt.
Zur Lösung des Problems der Sprödigkeit von supraleitfähigen m.ermetallischen Verbindungen wird gemäß
dem in der DE-OS 20 56 779 behandelten: Stand der Technik vorgeschlagen, Verbund-Supraleiter mit einem
/möglichst hohen Anteil an Matrixmaterial im Verhältnis zu dem Fadenmaterial herzustellen, wobei das Matrixmaterial
ein bei 4,2 K nicht supraleitfähiges Metall, wie z. B. Kupfer, ist. Der hohe Anteil an Matrixmaterial führt
nach dem in der DE-OS 20 56 779 behandelten Stand der Technik zur Stabilisierung des Verbund-Supraleiters,
b5 und man versprach sich nach dem Stand der Technik von dem erhöhten Anteil des geschmeidigen Matrixmaterial
eine bessere Verfestigung der Fäden aus der spröden supraleitfähigen Verbindung.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Verbund-Supraleiter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs I zur
Verfugung zu stellen, der eine erhöhte Festigkeit und eine verbesserte Verformbarkeit hat, so daß die elektri-
sehen Eigenschaften, wie z. B. die elektrische Leitfähigkeit des Verbund-Supraleiters nach seiner Verformung,
z. B. durch Wickeln, in hohem Maße erhalten bleiben.
Diese Aufgabe wird durch einen Verbund-Supraleiter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, der
dadurch gekennzeichnet ist, daß der Abstand zwischen den Fäden kleiner ist als der Durchmesser der Fäden,
gelöst.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform enthalten die Fäden einen Niobkern, während das nicht supraleitfähige
Material Kupfer oder eine Kupfer-Zinn-Legierung ist
Mindestens einige der Fäden können einen Kern aus einem anderen Metall enthalten. Der Kern kann auch aus
mehr als einem Metall bestehen.
Der Verbund-Supraleiter kann auch eine zum Teil durch die Fäden verlaufende zylindrische Diffusionssperre
enthalten, die innerhalb der Fäden derart angeordnet ist, daß sich ein innerer Kern und eine äußere Hülle aus
einem Bestandteil der supraleitfähigen intermetallischen Verbindung, die durch die Diffusionssperre voneinander
getrennt sind, ergeben.
Das Matrixmaterial kann ein stabilisierendes Material und den noch fehlenden Bestandteil bzw. die noch
fehlenden Bestandteile der supraleitfähigen intermetallischen Verbindung enthalten.
Die Querzahl (Poissonsche Konstante) des Matrixmaterials ist vorzugsweise kleiner als die Querzahl des
Fadenmaterials, (d. h. des Kernmaterials), so daß unter Spannung die supraleitfähige intermetallische Verbindung
einer Materialspannung in Richtung dreier zueinander senkrechter Achsen ausgesetzt ist, was auf die
Neigung des Fadens zum Wegschrumpfen von der Matrix zurückzuführen ist In diesem Fall wird der erfindungsgemäße
Verbund-Supraleiter durch eine 2% betragende Verformung (beispielsweise br.·, ίι Wickeln) nicht
beschädigt
Der Kern der Fäden kann einen Durchmesser von 5 bis 20 μηι, vorzugsweise 5 bis 15 μπι und insbesondere 6
bis 10 μπι aufweisen, während das Verhältnis der Menge des Matrixmaterials zu der Menge des Fadenmaterials
3 :1 bis 1 :1 betragen kann. Die aus der supraleitfähigen intermetallischen Verbindung bestehende Schicht hat
eine Dicke von 0,5 bis 2 μπι und vorzugsweise von 0,5 bis 1 μπι.
F i g. 1 ist eine Schnittansicht eines dicken und eines dünnen Drahtes und einer Wickelschablone;
F i g. 2 ist ein Querschnitt eines Verbund-Supraleiters.
Es sind Verbund-Supraleiter in Form von Drähten bekannt, bei denen Fäden, die eine supraleitfähige intermetallische
Verbindung enthalten, in situ in einem Matrixmaterial geformt werden. Diese Fäden habdn im allgemei-
nen einen sehr kleinen Durchmesser. Weil supraleitfähige intermetallische Verbindungen sehr spröde sind,
wurde der Durchmesser bekannter Drähte so klein w:e möglich gemacht wobei erwartet wurde, daß die Fäden
um so wiederstandsfähiger gegen Brechen sind, je kleiner deren Durchmesser ist. Beim Biegen der Drähte bzw.
der Fäden um einen konstanten äußeren Radius ist der Unterschied der Verformung zwischen den innenseitigen
und den außenseitigen Radien der Drähte bzw. der Fäden um so geringer, je kleiner der Durchmesser der Drähte
bzw. der Fäden ist Beispielsweise ist in F i g. 1 der Abstand 1 zwischen der neutralen Achse 2 und der äußeren
Oberfläche 3 des dicken Drahtes 4 größer als der Abstand 5 zwischen der neutralen Achse 6 und der äußeren
Oberfläche 7 des darüber gezeichneten dünnen Drahtes 8. Dabei werden beide Drähte um einen konstanten
Radius 9 der Wickelschablone 10 gebogen. Somit beträgt die Verformung an der Oberfläche des Drahtes 4 mit
großem Durchmesser (b—a)/a. während die Verformung an der Oberfläche des Drahtes 8 mit kleinem Durchmesser
(d— c)/c beträgt Aus F i g. 1 ist ersichtlich, daß (b— a)/a größer ist als (d— c)/c.
Es wäre daher zu erwarten, daß durch Verringerung der Dicke der Fäden und des Drahtdurchmessers
Verbund-Supraleiter in Form von Drähten, die eine Vielzahl von Fäden mit einer supraleitfähigen intermetallischen
Verbindung in einer Matrix aus einem nicht supraleitfähigen Material enthalten, gegen Beschädigung
durch Verformung widerstandsfähiger gemacht werden würden. In einer Versuchsreihe wurden Verbund-Supraleiter
in Form von Drähten, dl** Fäden mit der supraleitfähigen intermetallischen Verbindung Nb3Sn in einer
Bronzematrix enthielten, hergestellt, wobei die Bruchfestigkeit der Fäden geprüft wurde. ΙΟμπι dicke Fäden
wurden nicht beschädigt, wenn die Verformung während der Verarbeitung, z. B. beim Wickeln, 2% betrug (d. h.,
wenn mit den Bezeichnungen des Drahtes 4 in Fig. 1 (b—a)/a 2% betrug). Fäden mit einem Durchmesser von
6 μπι wurden jedoch durch eine 2% betragende Verformung während der Verarbeitung beschädigt. Diese
Ergebnisse stehen im Gegensatz zu den Ergebnissen, die gemäß den vorstehend erwähnten Schlußfolgerungen
zu erwarten wären.
Die Analyse der vorstehend beschriebenen Drähte hat gezeigt, daß in beidsn Fällen die supraleitfähige
intermetallische Verbindung eine etwa 1 -μΓη-Schicht auf einem ansonsten nicht umgesetzten Niobkern bildete.
Eine Untersuchung derartiger Verbunddrähte ergibt, daß die wesentlichen Faktoren, die ihre mechanische
Festigkeit beeinflussen, der Fadendurchmesser, die Dicke der Schicht aus der supraleitfähigen intermetallischen
Verbindung und der Abstand zwischen den Fäden sind. Um eine maximale mechanische Festigkeit zu erzielen,
soll der Fadendurchmesser möglichst groß sein, während sowohl die Dicke der supraleitfähigen Schicht als auch
der Abstand zwischen den Fäden möglichst klein sein soll.
Es wurde auch erkannt, daß sich das Prinzip der Stützung des Niob-Zinns in Verbund-Supraleitern aus dem
Unterschied der Querzahlen (Poissonschen Konstanten) des Kernamterials, des Niob-Zinns und des Matrixma»
• teriais ergibt Wenn auf einen Draht eine Spannung oder Belastung in Richtung der Drahtachsc ausgeübt wird,
führt dies zu einer Verformung in dieser Richtung sowie gleichzeitig zu einer dem Poissoneffekt zuzuschreibenden
Verformung senkrecht zur Drahtachse. Das Ausmaß der Verformung senkrecht zur Drahtachse ist für jedes
Material des Verbund-Supraleiters Unterschiedlich. Eine dünne Schicht aus dor supraleitfähigen Verbindung an
der Grenzfläche zwischen Matrix und Kern wird daher verformt, wenn der Verbund-Supraleiter »zusammengeklebt«
bleiben soli. An der Schicht aus der supraleitfähigen Verbindung wird eine Spannung senkrecht zu der auf
den Draht ausgeübten Belastung erzeugt. Als Folge davon — vorausgesetzt, daß die Hauptspannungen in der
supraleitfähigen Verbindung das gleiche Vorzeichen besitzen — werden die Scherspannungen in der supraleitfä-
| Flußdichte des | Stromstärke (A) | Drahtdurchmesser ?50 μπι | Drahtdurchmesser: 280 μιη |
| Magnetfeldes (T) | Drahtdurchmesser: 230 um | Kerndurchmesser: 5.4 μπι | Kerndurchmesser: 6,0 μπι |
| Kerndurchmesser: 45 μπι | umgesetzt nur umgesetzt | umgesetzt nur umgesetzt | |
| umgesetzt umgesetzt | und gebogen | und gebogen | |
| und gebogen | |||
higen Verbindung, die die Formänderung und den nachfolgenden Bruch verursachen, verringert. Infolgedessen
ist es bei einem auf Zugspannung beanspruchten Draht erforderlich, daß das Niob-Zinn die Neigung zeigt, von
dem Niob und der Bronze wegzuschrumpfen; dieser Zustand wird erreicht, da die Querzahl 10%iger Bronze
etwa 0,34 und die Querzahl von Niob etwa 0,38 betrügt, während die Querzahl von Niob-Zinn etwa 03 beträgt.
Das setzt voraus, daß senkrecht zur Drahtachsc keine Verformung der Matrix oder des Kerns infolge der in der
supraleitfähigen Verbindung erzeugten Spannung auftritt, d. h., daß die supraleitfähige Verbindung nicht fester
ist als die Matrix oder der Kern.
Um den Einfluß des Kerndurchmessers bei gegebener Dicke der supraleitfähigen Schicht (und damit des
Fadendurchmessers) auf die mechanischen Eigenschaften des Verbund-Supraleiters zu beweisen, wurde eine
Versuchsreihe durchgeführt. Es wurden Verbund-Supraleiter in Form von Drähten, die im Endergebnis nach der
Umsetzung die Form von durch eine Schicht aus supraleitfähigen! NbjSn ummantelten Niobkernen in einer
Bronzematrix annahmen, hergestellt. Bei diesen Drähten betrug die Dicke der Nb3Sn-Schicht 1 μπι, während die
Drähte den in Tabelle I angegebenen Drahtdurchmesser und Kerndurchmesser hatten, wobei unter dem
Kerndurchmesser der Durchmesser des nicht umgesetzten Niobkerns zu verstehen ist.
Verbund-Supraleiter wurden in Form von Drähten der im vorstehenden Absatz genannten Art hergestellt und
unter Bildung von NbjSn-Schichten umgesetzt. Bei jedem der Verbund-Supraleiter wurde dann im nicht verformten
Zustand die elektrische Leitfähigkeit gemessen. Danach wurde der Draht um eine Wickelschablone mit
1 cm Durchmesser gebogen, und die elektrische Leitfähigkeit, deren Änderung die mechanischen Eigenschaften
■widerspiegelt, wurde -wieder gemessen. Die in äsr. Spalten »umgesetzt αν.ύ gebogen« angeführien Werte m
Tabelle I beziehen sich auf Messungen, die nach dem Verformen der Drähte durch Biegen um die Wickelschablone
durchgeführt wurden, während die Spalten »nur umgesetzt« Meßwerte bei Drähten, die nicht verformt
wurden, enthalten. In jedem Fall wurde die elektrische Leitfähigkeit des Drahtes in einer Reihe von Magnetfeldern
mit verschiedener Flußdichte gemessen, wobei folgende Ergebnisse erzielt wurden:
25 Tabelle I
18
15
13
176 83 64 60 46
44 33 25 20 18
95
73
55
47
40
73
55
47
40
124 95 76 58 48
Aus Tabellel geht hervor, daß nach dem Biegen die Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit des Drahtes um so
geringer ist, je größer der Kerndurchmesser ist. Das wird besonders deutlich, wenn man die Fäden mit einem
Kerndurchmesser von 4,9 μπι mit den Fäden mit einem Kerndurchmesser von 6,0 μπι vergleicht. Bei einer
magnetischen Flußdichte von 2 T beträgt die Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit im ersten Fall nahezu 90%,
während im zweiten Fall die Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit nur etwa 25% beträgt Bei einer magnetischen
Flußdichte von 6 T beläuft sich die Abnahme im ersten Fall auf etwa 85%, während im zweiten Fall die
Abnahme nur etwa 15% beträgt
Zur Herstellung von aus supraleitfähigen intermetallischen Verbindungen bestehenden Schichten mit der
erforderlichen Dicke wird geeigneterweise eine zum Teil durch die Niob-Fäden verlaufende Diffusionssperre
aus Tantal verwendet Zur Herstellung derartiger Verbund-Supraleiter wird eine Anzahl von Niob-Stäben mit
Tantal und einer äußeren Schicht aus Niob ummantelt und in eine Bronzehülle eingeführt. Die Stäbe werden
dann in einem Bronzebehälter geschichtet, der ausgepumpt und luftdicht abgeschlossen und danach erwärmt
und stranggeprcSt wird. Der erhaltene Verbunddraht wird dann auf eine erhöhte Temperatur in der Größenordnung
von 800 bis 9000C erwärmt, so daß das Zinn aus der Bronze in die äußere Niob-Schicht diffundiert, bis es
das Tantal erreicht, wobei es mit dem Niob unter Bildung von Nb3Sn reagiert Das Tantal verhindert eine
Weiterwanderung des Zinns, so daß auf diese Weise die Nb3Sn-ScMcIu genauer abgegrenzt wird. Das Niob im
inneren Kern könnte durch ein anderes Material mit einer ähnlichen Querzahl ersetzt werden.
Zusätzlich zu der Wirkung des Kerndurchmessers wurde gefunden, daß das Verhältnis der Menge des
Matrixmaterials zu der Menge des Fadenmaterials so niedrig wie möglich gehalten werden sollte; beispielsweise
werden Fäden mit einem Kerndurchmesser von 6 μπι durch 2%ige Verformung beschädigt, wenn das Verhältnis
Bronze zu Niob bei dem Vorläufergebüde vor der Umsetzung 3 :1 beträgt, während Fäden mit einem Kerndurchmesser
von 6 μιη durch eine 3%ige Verformung unbeeinflußt bleiben, wenn das Verhältnis Bronze zu Niob
2:1 beträgt Es wird angenommen, daß benachbarte Fäden eine gegenseitige Stützung bewirken, was eine
erhöhte mechanische Festigkeit des Verbund-Supraleiters zur Folge hat
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1. Verbund-Supraleiter, der mehrere oder eine Vielzahl von Fäden mit einer supraleitfähigen intermetallischen
Verbindung aufweist, die in einem Matrixmaterial aus einem bei 5 K nicht supraleitfähigen Material
eingebettet sind, wobei die Fäden einen Durchmesser von 6 bis 24 μπι haben und einen Kern aus duktilem,
nicht umgesetztem Metall enthalten und wobei sich auf dem Kern eine Schicht aus der supraleitfähigen
Verbindung mil einer Dicke von 0,5 bis 2 μπι befindet, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand
zwischen den Fäden kleiner ist als der Durchmesser der Fäden.
2. Verbund-Supraleiter nach Anspruch I1 dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden einen Niobkern rnthalten
und daß das nicht supraleitfähige Material Kupfer oder eine Kupfer-Zinn-Legierung ist
3. Verbund-Supraleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der Fäden
einen Kern aus einem anderen Metall enthalten.
4. Verbund-Supraleiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern mehr als ein Metall
enthält.
5. Verbund-Supraleiter nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Fäden eine
zylindrische Diffusionssperre angeordnet ist, so daß sich ein innerer Kern und eine äußere Hülle aus einem
Bestandteil der supraleitfähigen intermetallischen Verbindung, die durch die Diffusionssperre voneinander
getrennt sind, ergeben.
6. Verbund-Supraleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
jo Querzah! (Poissonsche Konstante) des Matrixmaterials kleiner ist als die Querzahl des Fadenmaterials, so
daß unter Spannung die intermetallische Verbindung infolge der Neigung des Fadens zum Wegschrumpfen
von der Matrix einer Materialspannung in Richtung dreier zueinander senkrechter Achsen ausgesetzt ist
7. Verbund-Supraleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das
Verhältnis der Menge des Matrixmaterials zu der Menge des Fadenmaterials 3 :1 bis 1:1 beträgt
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