DE2734410C3 - Verfahren zur Herstellung eines Supraleiters - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines SupraleitersInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Supraleiters mit mindestens einer
Ader aus einer supraleitenden Verbindung, die aus mindestens zwei Komponenten gebildet wird, bei dem
ein Leitcrvorprodukl mit diesen Komponenten zunächst auf einen Wickelkörper aufgebracht und dabei
zumindest /.wischen aneinanderliegenden Obcrfläehcnleilen
dieses l.eitervorproduktcs ein kohlenstoffhaltiges Trennmittel vorgesehen wird, daran anschließend eine
Wärmebehandlung zur Bildung der supraleitenden Verbindung vorgenommen wird und schließlich der so
entstandene supraleitende Körper zur Weiterverarbeitung von dem Wickelkörper wieder abgewickelt wird.
Supraleitende intermetallische Verbindungen vom Typ AiB mil Λ15-Kristnll.striikliir wie beispielsweise
Nb)Sn oder Vj(Ja haben sehr gute Suprulcitungscigcnschaftcn
und zeichnen sich insbesondere durch ein hohes kritisches Magnetfeld B1J, eine hohe Spriinglemperalur
T1- und eine hohe kritische Stromdichte J1 aus.
Leiter mit diesen Materialien sind deshalb besonders für Supraleitungsmugnctspulen /um Erzeugen starker Magnetfelder
geeignet. Neben diesen Binärverbindungen sind auch Ternärverbindungen wie beispielsweise
Niob-AIuminium-Gernianium Nb)Aln«Ge(u für Leiter
solcher Magnete besonders interessant.
Diese intermetallischen Verbindungen sind jedoch im allgemeinen sehr spröde, so daß ihre Herstellung in
einer beispielsweise für Magnetspulen geeigneten F;orm mit Schwierigkeiten verbunden ist. Es sind deshalb
besondere Verfahren entwickelt worden, mit denen Supraleiter mit diesen Verbindungen in Form langer
Drähte oder Bänder hergestellt werden können. Diese Verfahren ermöglichen insbesondere eine Herstellung
von sogenannten Vielkernleitcrn, die eine Matrix aus nomiallciicndem Material enthalten, in der Drähte aus
den genannten Verbindungen, beispielsweise NbjSno'Jer ViGa-Drähte oder Niob bzw. Vanadiurn-Drähie
mit Obcrflächcnschichten aus diesen Verbindungen eingebettet sind. Dabei wird eine erste Komponente, die
im allgemeinen ein drahtförmiges duktiles Element der herzustellenden intermetallischen Verbindung wie beispielsweise
ein Niob- oder Vanadium-Draht ist, mit einer Hülle aus einer weiteren Komponente umgeben.
Diese Komponente besteht zum Beispiel aus einem duktilen Trägermctall und einer die übrigen Elemente
der Verbindung enthaltenden Legierung, beispielsweise aus einer Kupfer-Zinn-I.egicrung oder einer Kupfer-Gallium-Legicrung.
Man kann auch eine Vielzahl solcher Drähte in eine Matrix aus der Legierung einlagern. Der Aufbau aus diesen beiden Komponenten
wird dann einer querschnittsverringernden Bearbeitung unterzogen. Dadurch erhall man einen langen Draht,
wie er für Spulen benöligt wird. Außerdem wirJ bei dieser Bearbeitung der Durchmesser der beispielsweise
aus Niob oder Vanadium besiehenii.-n Drahtkernc auf
einen niedrigen Wert in der Größenordnung von etwa .30 bis 50 μηι oder weniger reduziert und damit die
Siipraleilungseigenschaflen des schließlich hergestellten
Leiters verbessert, l'erner erhält man durch diesen
Verfahrensschritt eine gute metallurgische Verbindung zwischen den Drahlkernen und dem sie umgebenden
Matrixmaterial aus der Legierung, ohne daß jedoch Reaktionen miflrelcn. die den Leiter verspröden
wurden. Nach der Qucrsehiiittsverringerung wird dann
das aus einem oder mehreren Drahtkernen und dem umgebenden Matrixmaterial bestehende l.eilervorprodukt
eines Supraleiters einer Wärmebehandlung derart unterzogen, daß die gewünschlc supraleitende Verbindung
durch eine Reaktion des Kcrnmatcrials mit dem in der umgebenden Matrix enthaltenen weiteren Element
der Verbindung gebildet wird. Das in der Matrix enthaltene Element diffundiert dabei in das aus dem
anderen Element der Verbindung bestehende Kernmalerial
ein und reagiert mit diesem unter Bildung einer aus der gewünschten iniermclallischen Verbindung
bestehenden Schicht (deutsche Offcnlcgungsschrift 20 44 660).
Supraleitende Magnetspulen aus solchen Supraleitern werden im iillgemeinen nach zwei verschiedenen
Verfahren hergestellt. Bei dein ersten Verfahren, das
auch als »wind and react-Technik« bezeichnet wird,
bewickelt man zunächst den Spulenkörper mit dem noch nicht durchrcagierien l.eiiervorprodiikl des
Supraleiters und setzt dann die gesamte so bewickeile Spule einer Diffusionsglühung aus. Damit Iial man alle
Schwierigkeiten bei der Verarbeitung eines spröden l.eitermaterials vermieden. Auch ist es su möglich,
Spulen mil sdir kleinen Innendurchmessern mit noch
verhältnismäßig dicken Leitern zu fertigen. Bei diesem Verfahren müssen jedoch aiie zum Bau der Spule
verwendeten Materialien die für eine Diffiisionsglühung
erforderlichen hohen Temperaturen, die im Falle von Niob-Zinn über /00"C liegen, mehrere Stunden lang
aushalten können.
Das zweite Verfahren zur Herstellung von supraleitenden Magnetspulen mit den genannten Supraleitern
ist das sogenannte »react first-wind than-Verfahren«.
Bei diesem Verfahren wird auf einen provisorischen Wickelkörper das I.eitervorprodukt des herzustellenden
Supraleiters aufgewickelt und dann der erforderlichen Wärmebehandlung zur Bildung der supraleitenden
Verbindung ausgesetzt. Daran anschließend wird der so hergestellte Supraleiter wieder von dem Wickelkörper
abgewickelt und kann weiterverarbei'ct werden. Bei diesem Verfahren besteht jedoch die Gefahr des
Zusanimenbackcns der Windungen untereinander und mit der Wickelunterlage während der Wärmebehandlung.
Um dieses Zusammenbacken der Windungen zu verhindern, sind besondere Trennmittel erforderlich, die
zwischen den einzelnen Windungen des Leilervorproduktcs angeordnet werden müssen. Als Trennmittel
werden beispielsweise Kupfer-Beryllium- und Tantal-Folien verwendet. Diese Trennfolien sind jedoch
verhältnismäßig kostspielig. Außerdem besieht bei ihnen die Gefahr von Beschädigungen des Supraleiters
an Stoßkanten, an denen einzelne Teile dieser Folien aneinandergefügt sind, sowie an den Übergängen von
einer Lage zur nächsten Lage des Leiters auf dem Wickelkörper bei einer mehrlagigen Anordnung. Diese
Gefahr besieht zwar bei der Verwendung von Trennmiileln wie Magnesium-Aufschlämmungen (deutsche
Offcnlegungsschrifl 22 05 i08) oder eines Kohlenstoffüberzugs
(deutsche Olfenlcgungsschrift 22 61 877) nicht, ledoch können sich bei Verwendung dieser
Trennmittel die Windungen an einzelnen Stellen berühren, falls sie sich bei der Glühung lockern. An
diesen Bcrührungsstellen können die Windungen dann zusammenbacken. Außerdem verbleiben störende
Schichten auf dem so hergestellten Supraleiter, die in einem Nachbearbeitungsprozeß erst wieder entfernt
werden müssen.
Darüber hinaus sind für den Bau großer Magnete oft Supraleiter von mehreren Kilometern Länge erforderlich.
Da bekanntlich Lötstellen zwischen einzelnen Supralcilerstücken Gefahrenquellen darstellen, bedingt
die Forderung nach großen l.eiterlängcn im allgemeinen eine mehrlagige Abordnung auf dem Wickelkörper
zur Diffusionsglüluing, bei der die einzelnen Lagen des
l.eilervorprodukies sicher voneinander getrennt sein müssen.
Außerdem sind nach diesem zweiten Verfahren hergestellte Mehrkcrnlciter auch sehr empfindlich
gegen Biegungen und Zug. Ihre spröden ΛI.5-Phasen
sind nämlich im allgemeinen in ein weiches Malrixmulerial,
beispielsweise in eine Bronze eingebettet, das nur eine geringe mechanische Belastung aufnehmen kann.
Line zu starke Dehnung des Leiters muß also vermieden
werden.
Line weitere Schwierigkeit ergibt sich aufgrund einer bleibenden Längenänderung von nach diesem Verfahren
hergestellten Mchrkcrnlcitern nach der Diffusions·
glühiing, d. h. die aufgebrachten Windungen liegen nach
der Glühting nur locker auf der jeweiligen Unterlage, so
daß beim Abwickeln die oberen Lagen mit der darunterliegenden zusammenrutschen können und so
nicht mehr ohne Schi'den zu trennen sind.
Aufgabe der vorliegenden trfindiing ist es deshalb,
ein Verfahren zur Herstellung eines Supraleiters nach der »react first-wind than-Technik« anzugeben, bei dem
die genannten Schwierigkeiten nicht oder nur in unwesentlichem Umfange auftreten.
Diese Aufgabe wird für ein Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgeniäß dadurch gelöst, daß als
Trennmittel ein Graphilgewebe oder eine Graphilfolie
verwendet wird.
Die Vorteile dieses Verfahrens bestehen insbesondere darin, daß eine dünne Schicht aus dem Graphilgewebe
oder der Graphitfolie sehr gute Trenneigenschaften besitzt und außerdem etwas elastisch ist, so daß die
Lockerung der Wicklung bei dem Wä'rmebehandlungsschriti zur Bildung der supraleitenden Verbindung
gedämpft wird. Außerdem kann el·., solches Gewebe oder eine solche Folie stoßfrei anc'iandergefügi,
beispielsweise geklebt werden. Da dieses Trennmittel auch bei hohen Diffusionstemperaluren keinerlei
Reaklionen mit den Komponenten des I.eitervorprodiiktes
eingeht, hinterläßt es auch keine störenden Schichten auf dem nach diesem Verfahren hergestellten
Supraleiter.
Vorteilhaft kann der Wickelkörper mit mehreren Lagen aus dem I.eitervorprodukt bewickelt werden,
wobei zwischen den benachbarten Windungen jeder Lage ein vorbestimmter Zwischenraum freigelassen
wird, und können der Wickelkörper und jede Wicklungslagc, bis auf die äußerste Wicklungslage, mit dem
Graphilgewebc oder der Graphitfolie stoßfrei umhüllt
werden. Bei einer solchen mehrlagigen Anordnung sind während der Wärmebehandlung /ur Bildung der
supraleitenden Verbindung sowohl die einzelnen Lagen mit Hilfe des Trennmittel als auch die einzelnen
Windungen einer Lage aufgrund tier /wischen ihnen
vorhandenen Zwischenräume sicher voneinander gctrcn.it,
so daß ein Aneinanderbacken der einzelnen Windungen und die Gefahr einer Beeinträchtigung der
supraleitenden Lcilereigcnschaftcn aufgrund von Stoßstcllcn
ausgeschlossen ist.
Zur weiteren Hrläuicrung des Verfahrens nach der
Erfindung und dessen in den Unteransprtichen gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die Zeichnung
Bezug genommen, in der ein mit einem I.eitervorprodukt
bewickelter Wickelkörper schematiseh im Querschnitt veranschaulicht ist.
Dem Ausführungsbcispiel ist die Herstellung eines
NbiSn-Mehrkernlcitcrs nnch dem Verfahren gemäß der
Erfincl'in;; zugrundcgelcgt. Dabei wird zunächst ein
Leitervorprodukt gebildet, das in bekannter Weise als erste Komponente line Vielzahl von Niob-Füamcntcn
enthalten kann, die in einer Bronzcmatrix als zweiter Komponente eingelagert sind. Die Bronzcmatrix hat
beispielsweise einen rechteckigen Querschnitt von 0,65 mm χ 0,25 mm und enthält 1615 Niob-Filamente.
Da ein Wickelkörper 2, der beispielsweise aus einem Rohr aus rostfreiem Stahl (zum Beispiel V2A-StaLI) von
etwa 155 mm Länge und 55 mm Durchmesser besieht, das an seinen finden aufgebördelt ist, mit mehreren
hundert Metern dieses Leitervorprodiiktes bewickelt
werden soll, ist eine mehrlagige Bewicklung des Wickelkörper erforderlich. Vor der Bewicklung des
Wicklungskörpers mit der ersten Lage aus diesem
I.eitervorprodukt umhüllt man zunächst die zu bewikkclndc Zylinderfläche dieses Wickelkörper mit einer
l.iifH- .ms einem (iraphilgcwehe. this beispielsweise
0.I1MiIm st.irk ist Das (irapliilgcwehc wird dabei
zweckmäßig so .in dem Wickelkörper befestigt,
beispielsweise geklebt, du I.I keine Slollstcllcn auftreten,
llierfiir kann beispielsweise im axialer Richtung iiui dem
Wickelkörper 2 aufgeklebtes, beidseitig klebendes Kunststoffband i dienen, an dessen Mille eine
vorbereitete Hahn des (iraphitgcwehes angesetzt, um
die zylindrische Wickelf liiche des Wickelkörper·« herumgelegt
imil auf dir nrnleren I liilfle des Klebebandes 3
festgeklebt wird I !herstellendes (iraphilgewehc wird
dann abgeschnitten, so dall an einem so enlslandenen
StoH 4 keine 1 rholiiing einsieht Is ergibt sich so line
geschlossene Umhüllung 5 um die zu bewickelnde
Alinderfläche des VViekelkörpeis 2 mil einer Langs
naht, lim diese Umhüllung 5 aus dem (iaphitgewebc
wird nun die erste Lage aus dem l.cilcrvorprodiikt
schraubenförmig mil einer solchen Steigung gewickelt,
dall ein \orbestiiumler. geringer Absland h /wischen
benachbarten Windungen ausgebildet wird Aufgrund dieses Abstandes wird bei einer nachfolgenden Diffu
sionsglijhiing ein Zusammenbacken der einzelnen
Windungen >. ei mieden Im Schnitt der l'igur sind die
rechteckige (iestalt der mn 7 bezeichneten Quer
schmiisflachc des l.eiler\orpioduktcs sowie einige der
in der Matrix eingelagerten I ilamenle ersichtlich.
Die so aus den einzelnen Windungen les l.eitcrvor
ptiiduktes ausgebildete erste Wicklungsiage 8 wird nun
mit einer weiteren Umhüllung 9 aus (iraphitgew ehe
umschlossen, die in gleicher Weise wie die I linhüllimg 5
hergestellt wird. I1Ui diese 1 Inihiilliing 9 kann eine
weiten· I.agc 10 aus dem l.citer\orpn>dukl gewickelt
werden, wobei heachlet werden muH. dall beim
I !bergang von der Lage 8 aiii die Lage 10 eric
unzulässige Deformation des l.eitervoiproduktes sei
mieden wird Aus diesem (irimde darf auch das
(jraphitgewebe nicht /u dick sein, weil sonst eine Stufe
beim I Ihergang auf die nächste I age entstehen kann
In der I igur ist noch eine weitere Umhüllung Il aus
(iraphitgewehe angedeutet, die diese Lage 10 aus dem
l.eilcrwirnrodukt umschließt. Um diese Unilin'liiru' Il
ist noch eine weitere Lage 12 aus dem I .eilen οι produkt
gewickelt. Die iiuHerstc Lage aus dem l.eilervorproduki
braucht nicht mit einem (iraphitgewehe umschlossen /u
werden
In der l'igur sind nur drei Lagen aus dem
l.citcrwirprodukt dargestellt. )c nach Länge des
herzustellenden Supraleiters können jedoch auch wesentlich mehr Lagen mit zwischen ihnen angeordneten
l!mhüllii"gen aus (jraphitgewebe erforderlich
weiden.
Mit Hilfe der Klebestreifen 5 wird das (iraphilgewe
be während des Aufwickekoiganges auf der jeweiligen
Wickelunterlage.d h. entweder auf dem Wickelkörper 2
oder auf einer aus dem l.eilcr\orpiodukt gewickelten
Lage, festgehalten (ieeignete Klebemalerialien hierfür
gehen keine Reaktion mil den l.cilermatei iahen ein und
hinterlassen auch keine Deckschichten auf dem Leitelendprodukt. Als Kleber ist beispielsweise beidseitig
klebender lesa-lilm \on elwa Γιιιιηι liieilc
geeignet.
Der mit dem Lciter\oipiodukt bewickelte Wickel
körper kann nun unter Vakuum bei einer lemperatiii.
die innerhalb der Diffiisionslemperatur zur Hildung der
supraleitenden Verbindung liegl. ausgeheizl werden, um
llindciiiitlel aus dem (ira ph it ge webe und den Kleber an
den Slol.lstellen 4 in den Hüllen 5, 9, It aus
(iraphitgewebe auszutreiben habei weiden auch die
den Kleber nagenden KunstMoliulicn } \orleilhall /\i
Kohlenstoff umgesetzt. Ueispielsweise kann der lettig
bewickeln· Wickelkörper bei r>(H) C eine Stunde lang
ausgeheizt werden.
Nach diesem Ausbeizen erfolgt die Diflusionsgliihung
zur Bildung der intermetallischen supraleitenden Verbindung beispielsweise bei 700 (etwa 24 Stunden lang.
Nach der Diflusionsgliihung kann der so hergestellte siipit-ii'ilciulc NbiSn-Mehikernleiter von dem Wickel
körper abgewickelt werden. Da auf der Oberfläche dieses Leiters praktisch keine Rückstände vorhanden
sind, lallt er sich gut verzinnen und verlöten. Durch ein
\ erlöicri mehrerer solcher Kechlcckleiler nebeneinan
dei erhält man einen Leiter mil großem Seitenverhältnis,
der dann besser biegbar ist als beispielsweise ein «nullleiter nut gleicher (piiersehnitlsfläche. Zugleich
bleibt auch die sogenannte I1-Degradation dieses
I eiters infolge des sogenannten Anisotropioeffektes
kleiner als bei einem monolithischen Keclileekleiler
gleicher Abmessung. I ilr den Spulenaufbau ermöglicht
das Verlöten auch ein rationelles Graduieren der Wicklung mit einem einzigen Standardleitcr.
Dem AusfiihniiHTshiii*.niH iu /u:ir mn ΗιτΜίΊΙιιιη'*.-veifahren
zur Bildung der supraleitenden intermetallischen Verbindung NbiSn zugrundegelcgt. Das Verfahren
geniiil.1 der Erfindung eignet sich jedoch ebensogut
für alle bekannten supraleitenden Verbindungen, die in Diffusionstechnik aus zwei Komponenten mit jeweils
mindestens einem llement durch Wärmebehandlung ausgebildet werden. Solche Verbindungen sind beispielsweise
V|Ga oder V1Si.
Hierzu 1 Platt Zeichnungen
Claims (6)
1. Verfahren /ur Herstellung eines Supraleiters
mit mindestens einer Ader aus einer supraleitenden
Verbindung, die aus mindestens zwei Komponenten gebildet wird, bei dem ein Leitervorprodukt mit
diesen Komponenten zunächst auf einen Wickelkörper aufgebracht und dabei zumindest zwischen
aneinanderliegenden Oberflächenteilen dieses Leitervorproduktes ein kohlenstoffhaltiges Trennmittel
vorgesehen wird, daran anschließend eine Wärmebehandlung zur Bildung der supraleitenden
Verbindung vorgenommen wird und schließlich der so entstandene supraleitende Körper zur Weiterverarbeitung
von dem Wickelkörper abgewickelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Trennmittel
ein Graphitgewebe oder eine Graphitfolie verwendet wird.
2. Verfaß .cn nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet,
daß der Wickelkörper (2) mit mehreren Lagen (8, 10, 12) aus dem Leitervorprodukt
bewickelt wird, wobei zwischen benachbarten Windungen jeder Lage ein vorbestimmler Zwischenraum
(6) freigelassen wird, und daß der Wickelkörper (2) und jede Wickclungslage (8, 10),
bis auf die äußerste Wicklungslage (12), mit dem Graphitgewebe bzw. der Graphitfolie stoßfrei
umhüllt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, da!* Teile des Graphitgewebes bzw. der
Graphitfolic stoßfrei aneinandergcklebt werden.
4. Verfahren nach Ansprucit 3, dadurch gekennzeichnet,
daß vor der Wärmebehandlung /ur Bildung der supraleitenden Verbindung bei einer im Vergleich
zu der Wärmebchandlungslemperaliir niedrigeren Temperatur das für die Klebung erforderliche
Klebemittel unter Vakuum ausgetrieben wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein dünner Klcbcfilm (.3) verwendet
wird, der bei der niedrigeren Temperatur /u Kohlenstoff umgesetzt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer mehrlagigen
Bewicklung des Wickelkörper (2) ein Graphitgewebe oder eine Graphitfolie mit einer Stärke
verwendet wird, die kleiner ist als die Dicke des Leitervorproduktes.
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OAP | Request for examination filed | ||
OD | Request for examination | ||
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
8320 | Willingness to grant licences declared (paragraph 23) |