DE2733511A1 - Aluminium-stabilisierter vieldraehtiger supraleiter und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Aluminium-stabilisierter vieldraehtiger supraleiter und verfahren zu seiner herstellung

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Description

Die Erfindung betrifft die Herstellung aluminium-stabilisierter vieldrähtiger Supraleiter. Die Erscheinung der Supraleitung, d.h. verschwindenden elektrischen Widerstandes, die manche Metalle bei sehr tiefen Temperaturen zeigen, ist von großem wissenschaftlichen und wirtschaftlichen Interesse, da dadurch der Betrieb von verschiedenen Arten von Hochleistungsgeräten mit minimalen Verlusten elektrischer Leistung ermöglicht wird. Bei dem Überschreiten eines der drei kritischen Parameter, nämlich der kritischen Temperatur T , der kritischen Magnetfeldstärke H oder der kritischen Stromstärke J wird die Erscheinung zum Verschwinden gebracht. Da die meisten interessierenden und nützlichen Anwendungen der Supraleitfähigkeit von hohen Strömen oder Feldstärken begleitet sind, ist das Ziel gegeben, Supraleiter mit den höchstmöglichen kritischen Werten herzustellen. Ein Material mit sehr nützlichen Supraleitungs-Eigenschaften ist die Legierung NbTi. Dabei werden Legierung mit einem Niob-Anteil von 40-60 at.% im Titan typischerweise benutzt.
Auf dem Gebiet der Supraleiterherstellung ist es bekannt, daß ein Weg zur Erhöhung der Betriebsparameter eines bestimmten Supraleiters darin besteht, denselben dadurch zu "stabilisieren", daß ein Alternativ-Stromweg mit normaler Leitfähigkeit geschaffen wird, so daß bei Aussetzen der Supraleitfähigkeit, d.h. bei einer Rückkehr des Supraleiters zum normalleitenden Zustand der Strom einen parallelen Leitungsweg vorfindet. Auf diese Weise können höhere Ströme durch den Supraleiter geschickt werden, ohne befürchten zu müssen, daß momentane örtliche Veränderungen in der Stromstärke oder dem Magnetfeld zur Zerstörung des Supraleiters führen. Darüberhinaus ergibt der parallele Stromweg für den Supraleiter eine Zeitspanne, in der die Supraleitfähigkeits-Eigenschaften wieder einsetzen können.
Es ist auf diesem Fachgebiet auch bekannt, daß die Tendenz der Supraleiter, den Normalleitungszustand einzunehmen, normalerweise eine örtliche Erscheinung ist. Damit ist es wichtig, den Parallelleitungsweg in dichte körperliche Nähe zu dem Supraleiter zu bringen, so daß nicht
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der Gesamtstrom abgeleitet werden muß.
Unter Beachtung dieser Punkte ist bei der Auswahl eines Stabilisierungsmaterials bei dem Entwurf eines Supraleiters folgendes zu berücksichtigen: Der elektrische Widerstand des Materials muß so gering wie möglich sein, so daß bei notwendig werdender Stromleitung so wenig Wärme wie möglich erzeugt wird und der Supraleiter vom Normalleitungszustand schnell zum Supraleitungszustand zurückkehrt, womit weniger Stabilisierungsmaterial erforderlich ist; weiterhin sollte die Wärmeleitfähigkeit des Materials groß sein, so daß erzeugte Wärme schnell abgeführt wird und damit beim Abkühlen der Anordnung auf Tieftemperaturen vor dem Einsatz des Supraleiters Zeit gespart wird; darüberhinaus sollte das Material leicht durch Magnetfluß durchdringbar sein, so daß ein Aufheizen durch Magnetfluß verringert werden kann.
Das Material, das die aufgeführten Eigenschaften am besten vereinigt, ist hochreines (99,999% reines) Aluminium. Dieses Material besitzt jedoch auch Nachteile, obwohl es zusätzlich noch die Vorteile geringen Gewichts, leichter Erhältlichkeit und mäßiger Kosten aufweist. Im besonderen erwies es sich bisher als unmöglich, Reinaluminium mit den Elementen, Verbindungen oder Legierungen mechanisch zusammen zu verarbeiten, die die nützlichsten Supraleitungseigenschaften aufweisen, also beispielsweise NbTi oder Nb.Sn, da diese Legierungen viel größere Härten und viel höhere Zugfestigkeiten als Aluminium aufweisen. Deshalb blieb bisher bei den normalerweise ausgeführten mechanischen Verarbeitungsschritten, beispielsweise beim Extrudieren, beim Ziehen, Walzen und Schlagverformen in Gesenken (swaging) das Aluminium nicht in seiner ursprünglichen Anordnung in Bezug auf die supraleitenden Materialien.
Es ist auf diesem Gebiet bekannt, daß die kritische Stromdichte J eines bestimmten Materials von der Form der jeweiligen Probe abhängt, und daß Drähte mit kleinem Durchmesser (d.h. in der Größenordnung von Aim) sich viel besser als solche mit größerem Durchmesser verhalten. Da Drähte mit solchen mikroskopischen Abmessungen sehr schwer herzustellen sind, werden
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bei der praktischen Ausführung eine Anzahl von Stäben in einen Block aus geeignetem Material, das keine Supraleitung aufweist, eingebracht und die ganze Anordnung wird dann so gezogen, bis sich das ergibt, was normalerweise als Feindrahtdurchmesser angesehen wird. Obwohl bereits die Stabilisierung eines Einzelleiters mit Aluminium aus der US-PS 3 514 850 bekannt ist, reicht diese Arbeitsweise nicht aus. Es werden mehrdrähtige Leiter benötigt.
Es ist deshalb ein Ziel der Erfindung, einen aluminium-stabilisierten vieldrähtigen Supraleiter zu schaffen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Supraleiters auf einfache und wirtschaftliche Weise zu schaffen.
Die vorliegende Erfindung erfüllt die Notwendigkeit, einen aluminiumstabilisierten vieldrähtigen Supraleiter zu schaffen, in dem ein in zwei Stufen verlaufender Vorgang entwickelt wird. Zuerst wird ein Block aus einer Aluminiumlegierung vorbereitet, in dem in einer geometrischen symmetrischen Anordnung eine Vielzahl von Stäben aus supraleitendem Material angeordnet wird. Dieses Zwischenprodukt wird extrudiert und gereinigt. Daraufhin wird ein Mantel oder eine Hülle aus hochreinem Aluminium angebracht und diese wiederum wird in einer Metallhülle eingeschlossen, die typischerweise aus Kupfer bestehen kann. Dieses Zwischenprodukt wird zu Draht ausgezogen. Wegen der symmetrischen Eigenschaften der Anordnung aus supraleitendem NbTi wird das Reinaluminium gleichförmig während der Bewegung eingeschnürt, und auch deshalb weil es durch die äußere Hülle umschlossen ist. Auf diese Weise wird durch Reinaluminium ein vieldrähtiger NbTi-Supraleiter stabilisiert.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigt:
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Fig. 1, 2, 3, 4 die fortlaufenden Stufen des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Darstellung von perspektivischen Ansichten der Zwischenprodukte nach den jeweiligen Verarbeitungsstufen, und
Fig. 5 eine bevorzugte Anordnung eines erfindungsgemäßen Produkts in einem frühen Stadium.
In Fig. 1 ist ein Block 10 aus einer Aluminiumlegierung dargestellt, der eine Anzahl von Bohrungen parallel zur Zylinderachse aufweist. In diese Bohrungen werden eine gleiche Anzahl von Stäben 20 aus supraleitendem Material eingesetzt. Die Anzahl der Bohrungen ist für sich nicht ausschlaggebend, es ist jedoch wichtig, daß die Bohrungen so symmetrisch angeordnet sind, daß im extrudierten Zustand die auf die einzelnen Stäbe ausgeübte Druckkraft so wenig unterschiedlich wie nur möglich ist. In einer besonderen Ausführung wurden 55 Stäbe mit einem Durchmesser von jeweils 4,52 mm (- 0,178") aus einer NbTi-Legierung mit einem Gehalt von 45 at.% Ti in Bohrungen eingesetzt, die in einem Block mit einer Länge von 76,2 mm (= 3") und einem Durchmesser von 50,8 mm (= 2") aus einer Aluminiumlegierung entsprechend Legierung llOOnach der Vorschrift der American Aluminium Association eingebracht waren.
In Fig. 2 ist der Block aus Fig. 1 nach einer Verlängerung durch einen Extrudierungsvorgang gezeigt. Bei der eben beschriebenen Ausführung wurde der Block auf 155°C vorgeheizt und wies nach der Extrudierung einen Durchmesser von 15,88 mm (= 5/8") und eine Länge von annähernd 762 mm (= 30") auf.
In Fig. 3 ist der extrudierte Block aus Fig. 2 mit konzentrischen Röhren 22 aus Reinaluminium und 21 aus Kupfer gezeigt. Der Block wird vorteilhafterweise zuerst durch Polieren, Entfetten und Ätzen gesäubert. Der eben erwähnte Block wies einen Durchmesse]: von 14,22 mm (■= 0,56") auf, das Reinaluminiumrohr besaß einen Außendurchmesser von 18,92 mm (= 0,745")
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und einen Innendurchmesser von 14,48 mm (= 0,57"), und das Kupferrohr (technisch reines Kupfer) besaß einen Außendurchmesser von 25,4 mm und einen Innendurchmesser von 19,05 mm (= 1" bzw. 3/4").
In Fig. 4 wird das Endprodukt gezeigt. Der Block mit zweifacher Ummantelung wurde bis zur gewünschten Größe ausgezogen (bei dem beschriebenen Verfahren betrug der Durchmesser 0,66 mm (= 26 mil) und es wurde in Schritten etwa 10% Flächenverringerung pro Zug gezogen) und der äußere Kupfermantel wurde mit Salpetersäure entfernt.
Auf diese Weise kann die durch weiches hochreines Aluminium stabilisierte Zusammensetzung einfach auf die gewünschte Größe gezogen werden.
Wie bereits erwähnt ist die Anzahl der Stäbe in dem ursprünglichen Block selbst nicht ausschlaggebend. Es scheint jedoch wichtig zu sein, daß die Stäbe so angeordnet sind, daß die auf jeden einzelnen Stab ausgeübten Kräfte in allen Richtungen gleich sind und daß die auf die Stäbe ausgeübten Kräfte auch untereinander gleich sind. Es ist anzunehmen, daß auf diese Weise die Weichheit des Aluminiums im Vergleich zu den NbTi-Stäben weniger wichtig ist. Die Anordnung ist,soweit es das Aluminium betrifft, einer Anordnung mit einheitlicher Mittelseele äquivalent. Darüberhinaus stellt das Einschließen des Blockes innerhalb des Weichaluminiummantels und das Einschließen dieser Anordnung in Kupfer sicher, daß dieser zusammengesetzte Gegenstand sich zusammen verjüngt, als ob er aus einem einheitlichen Material bestünde; das weichere Aluminium gibt an keiner Stelle nach.
In Fig. 5 ist eine Anordnung aus 55 NbTi-Stäben gezeigt, die für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet ist. Es ist zu bemerken, daß bei einer überprüfung der Fig. 5 nach Linie a-f die Anordnung fast kreisförmig erscheint und daß sie nach all den anderen Linien fast identisch aussieht. Wenn beispielsweise die Anordnung an den Ecken zu einer vollhexagonalen Anordnung aufgefüllt würde, würde sie nicht mehr genügend kreisförmig sein.
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Es hat sich oft als vorteilhaft erwiesen, supraleitende Materialien einer Wärmebehandlung zu unterziehen, wenn auch nicht immer aus den gleichen Gründen. Bei der Verbindung Nb Sn ist es eine Wärmebehandlung, um die Verbindung zu bilden; bei NbTi wird die Supraleitungseigenschaft durch die Wärmebehandlung (typischerweise 24 bis 72 Stunden bei 350 bis 375 C) verbessert. Es wird allgemein angenommen, daß die Behandlung von NbTi erst nach gründlicher Kaltbearbeitung wirksam ist, da die Wärmebehandlung durch eine Normalisierung der durch Kristallversetzungen gebildeten Härtung, die beispielsweise beim Ziehen entsteht, wirkt. Das bedeutet, daß die Wärmebehandlung ausgeführt werden muß, nachdem das Zwischenprodukt fast zur endgültigen Größe oder bis zur endgültigen Größe auszogen wurde.
Es ist nachteilig, daß bis zu einem gewissen Maße die Reinheit der Außenhülle aus Aluminium während der Wärmebehandlung herabgesetzt wird. Die Legierungselemente neigen dazu, in das reinere Metall zu diffundieren. Dieser Effekt kann in gewissem Ausmaß durch die Auswahl der Legierung begrenzt werden. Es hat sich beispielsweise herausgestellt, daß die Legierungen des 1100-Typs eine geringere Verunreinigung hervorrufen, als beispielsweise die 606!-Legierungen. Eine zweite oder zusätzliche Lösung dieses Problemes besteht darin, mehr reines Aluminium als nötig zu verwenden und das überflüssige Aluminium nach der Wärmebehandlung zu entfernen. Auf diese Weise diffundieren die Verunreinigungen in ein größeres Volumen und sind nicht so schädlich. Auf jeden Fall können zureichende elektrische Leitfähigkeitswerte erreicht werden. Bei einem ausgeführten Beispiel wurde die Wärmebehandlung nach dem Fertigziehen des Leiters auf seinen endgültigen Durchmesser von 0,66 mm und dem Abätzen des Kupfermantels durchgeführt. Die Wärmebehandlung enthielt ein Aufwärmen über 8 Stunden auf 280 C und diese Temperatur wurde eine Stunde lang gehalten. Die Temperatur wurde dann auf 34O°C angehoben, und diese Temperatur wurde 60 Stunden lang gehalten. Der endgültige spezifische Widerstand des gesamten Leiters betrug 0,58 χ 10 Q .cm bei 9K (d.h. vor dem Eintritt der Supraleitung des NbTi), dabei wurde
4 2 eine kritische Stromdichte von 4,12 χ 10 A/cm bei einem Magnetfeld
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von 5 Tesla (über den Querschnitt des gesamten Leiters berechnet) beobachtet.
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Claims (11)

Patentansprüche
1.) Aus vielen Drähten bestehender, mit Reinaluminium stabilisierter Supraleiter, dadurch gekennzeichnet , daß eine Vielzahl supraleitender Stäbe oder Drähte in eine aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Matrix eingebettet ist, und daß die Matrix in einer im wesentlichen aus Reinaluminium bestehenden Hülle eingeschlossen ist.
2. Supraleiter nach Anspruch ], dadurch gekennzeichnet , daß die supraleitenden Stäbe oder Drähte aus einer Niob-Titan-Legierung bestehen.
3. Supraleiter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß eine Wärmebehandlung von zwischen 24 und 72 Stunden bei etwa 350 C ausgeführt ist.
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DR. C. MANITZ ■ DIPL.-INC. M. FINSTERWALD β MÖNCHEN 33. ROBERT-KOCH-STRASSE I TEt. 1089) 39 43 11. TELEX 08-29672 PATMF
ZENTRALKASSE BAYER. VOLKSBANKEN MÖNCHEN. KONTO-NUMMER 7370 POSTSCHECKi MÖNCHEN 77063-βΟβ
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4. Verfahren zur Herstellung eines aluminium-stabilisierten vieldrähtigen Supraleiters, dadurch gekennzeichnet ,
a) daß ein zylindrischer Bleck aus einer Aluminiumlegierung mit einer Vielzahl von sich parallel zur Zylinderachse durch denselben erstreckenden Bohrungen vorbereitet wird,
b) daß Stäbe aus supraleitendem Material in die Bohrungen eingesetzt werden,
c) daß der Block so extrudiert wird, daß er in Achsenrichtung verlängert wird,
d) daß der extrudierte Block in ein im wesentlichen aus Reinaluminium bestehendes Rohr eingeschlossen wird,
e) daß der eingeschlossene extrudierte Block mit einer weiteren Metallhülle umgeben wird,
f) daß die so erzeugte Anordnung zu einem feinen Draht ausgezogen wird und
g) daß die Metallhülle von der Außenseite der Anordnung entfernt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Anordnung in einem Zwischenstadium des Ziehvorgangs wärmebehandelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Wärmebehandlung bei etwa
72 Stunden durchgeführt wird.
die Wärmebehandlung bei etwa 350 C mit einer Dauer von zwischen 24 und
7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß als weitere Metallhülle eine Hülle aus Kupfer verwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Kupferhülle durch Ätzen mit Salpetersäure (nitric acid) entfernt wird.
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9. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß in dem anfänglichen Block 55 Bohrungen angebracht werden, bevor die Stäbe aus supraleitendem Material eingesetzt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß als supraleitendes Material eine Legierung aus Niob und Titan verwendet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Anordnung nach Beendigung des Ziehvorgangs wärmebehandelt wird.
12. Verfahren nach Anspruch II, dadurch gekennzeichnet , daß die Wärmebehandlung während einer Dauer von annähernd 60 Stunden bei etwa 340 C durchgeführt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Kupferhülle vor der Wärmebehandlung entfernt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß
vor der Wärmebehandlung eine etwa 8 Stunden dauernde Aufwärmung auf annähernd 280 vorgenommen 1 Stunde beibehalten wird.
annähernd 280 vorgenommen wird und daß diese Temperatur annähernd
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