DE3243265T1 - Supraleitende materialien und verfahren zu deren herstellung - Google Patents
Supraleitende materialien und verfahren zu deren herstellungInfo
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Description
Supraleitende Materialien und Verfahren zu deren
Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft supraleitende Materialien, die sich selbst bei Verformung durch
mechanische Beanspruchung in ihren supraleitenden Charakteristiken kaum verschlechtern, und die im
kommerziellen Maßstab hergestellt werden können, sowie eine Verfahren zur Herstellung von supraleitenden
Substanzen, die.bei der Herstellung derartiger supraleitender Materialien Verwendung finden.
Die Verwendung von supraleitenden Einrichtungen bei einer Vielzahl von Anwendungen - wie z. B. als Vorrichtung
in Verbindung mit der Erzeugung von Energie, wie einem Kernverschmelzungsreaktor/ einem supraleitenden
Generator, und einer Vorrichtung für
die Speicherung von elektrischer Energie; physikalische
Hocheneryievorrichtungen, wie einem Beschleuniger;
Transporteinrichtungen, wie einem magnetischem
Schwebezug und eine Vorrichtung zum Antrieb von Schiffen; und medizinische Vorrichtungen,
wie z. B. eine Vorrichtung zur Behandlung von Erkrankungen unter Verwendung von TT-Meson - wurde
allmählich realisiert. Hand in Hand mit dem großen Fortschritt derartiger Einrichtungen und der Herstellung
von großdimensionierten Vorrichtungen, war es wünschenswert, supraleitende Materialien zu entwickeln,
die in der Lage sind, hohen magnetischen Feldern und einer Hochgeschwindigkeitsanregung
standzuhalten.
So werden z. B. in magnetischen Feldern von mindestens
8 Tesla im allgemeinen supraleitende Drähte verwendet, die aus Verbindungen, wie z. B. Nb3Sn
und V-Ga7 hergestellt worden sind und ausgezeichnete
Hochmagnetfeld-Charakteristiken besitzen. Diese
Drähte weisen jedoch den Nachteil auf, daß sie mechanisch spröde sind. Aus diesem Grunde wurden
verschiedene verbesserte Verfahren zur Herstellung derartiger supraleitender Drähte vorgeschlagen, um
das vorstehend beschriebene Problem zu überwinden. So wurden z. B. diskontinuierliche, faserförmige
supraleitende Drahtmaterialien hergestellt. Diese supraleitenden Drahtiaaterialien werden nach einem
Verfahren hergestellt, welches das Solidifizieren einer Kupfer-Basislegierung, die geringe Konzentrationen
an Niob- und Zinnkomponenten enthält, durch schnelles Abkühlen zu fein verteilten Niobpartikeln
in einer Kupfermatrix, Ziehen der auf diese Weise
gebildeten Legierung unter Bildung von Niobfasern, und anschließende Anwendung einer Wärmebehandlung
auf der Oberfläche der Niobfaser unter Bildung von Nb3Sn umfaßt, oder alternativ ein Verfahren, welches
das Pressintern eines Gemisches aus Niobpulver und Kupfer- und Zinnpulver, oder eines Kupfer-Zinn-Legierungspulvers,
Herstellung feiner kurzer Fasern und anschließende Anwendung einer Wärmebehandlung
auf der Oberfläche der feinen kurzen Faser unter Bildung von Nb3Sn umfaßt*
In den diskontinuierlichen, faserförmigen supraleitenden Drahtmaterialien, die nach den vorstehend
beschriebenen Verfahren hergestellt werden, kann der elektrische Strom infolge des angrenzenden
Effekts der diskontinuierlichen, faserförmigen supraleitenden Substanzen, passieren. Selbst wenn daher
die Drahtmaterialien durch Einwirkung elektromagnetischer Kräfte verformt werden, so werden deren
supraleitende Stromcharakteristiken so lange nicht reduziert, als die Distanz zwischen den supraleitenden
Substanzen auf einem niedrigeren Wert als einem vorausbestimmten Wert gehalten wird.
Um die vorstehend beschriebenen ausgezeichneten
diskontinuierlichen, faserförmigen supraleitenden Drahtmaterialien oder supraleitenden Materialien
herzustellen, ist es erforderlich, pulverförmige
3(J oder kurze, faserförmige supraleitende Substanzen mit ausgezeichneten supraleitenden Charakteristiken
zu verwenden. Ein industrielles Verfahren zur Her-
stellung derartiger supraleitender Substanzen wurde bis jetzt nicht zur Verfugung gestellt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das die industrielle Herstellung
pulverförmiger oder faseriger supraleitender Substanzen mit ausgezeichneten supraleitenden Charakteristiken
erlaubt.
Eine v/eitere Aufgabe gemäß der Erfindung besteht in der Schaffung ausgezeichneter supraleitender Materialien,
die aus supraleitenden Substanzen gebildet werden, welche man nach dem vorstehend beschriebenen
Verfahren herstellt.
Supraleitende Substanzen umfassen Verbindungen vom A 15-Typ, wie z. B. Nb-Sn, Nb3Ge, Nb3Al,
V3Ge, V3Ga und V3Si; Verbindungen vom
C 15-Typ, wie z. B. HfV2/ Verbindungen vom
NaCl-Typ, wie z. B. NbC und NbN, Oxide, wie BaPb1^BixO3 und Li.1+xTi2_xO4, und
Chevrel-Phasen-Verbindungen, wie PbMo6SR. Diese
Substanzen werden in pulverartiger und faseriger Form verwendet, wobei die Seite oder der Durchrnesser
von mehreren Mikron bis zu mehreren Zehnen Angstrom (S) beträgt.
Diese pulverförmigen oder faserigen supraleitenden
Substanzen werden nach einem Verfahren hergestellt, das die folgenden Schritte umfaßt:
Bearbeiten eines Verbundmetalles, welches eine Niob- oder Vanadium-Grundkomponente mit hohem
Schmelzpunkt und ein leicht bearbeitbares Metall, wie z. B. Cu, Sn, Ga, eine Cu-Sn-Legierung und eine
Cu-Ga-Legierung umfaßt, so daß die Querschnittsfläche des Verbundmetalles unter Bildung eines Verbundmetalldrahtmaterials
(composite metallic wire material) reduziert wird; Entfernen leicht bearbeitbaren
Metalles aus dem Verbundmetalldrahtmate-
IU rial unter Bildung einer Niob- oder Vanadium-Grundmetallfaser,und
Aufbringen einer Zinn- oder Gallium-Grundkomponente mit niederem Schmelzpunkt auf
der Metallfaser und Anwendung einer Wärmebehandlung unter Herstellung der gewünschten supraleitenden
Verbindung. .
Die vorstehend beschriebene Viärmebehandlung umfaßt einen Schritt, wonach die Metallfaser auf Niob-
oder Vanadium-Basis mit einem pulverigen oder fase-
2U rigen Zinn- oder Gallium-Grundmetall vermischt wird, oder einen Schritt, wonach ein Zinn- oder
Galliuni-Grundmetall auf der Niob- oder Vanadium-Grundmetallfaser
nach Methoden, wie elektrolytische oder galvanische Abscheidung, Vakuumaufdampfung
oder Niederschlagsbildung (deposition) aufgebracht wird.
Diese pulverförmigen oder faserigen supraleitenden
Substanzen können nach einem Verfahren hergestellt werden, das sich von den vorstehend beschriebenem
unterscheidet. Dies ist ein Verfahren für die Herstellung supraleitender Substanzen, das gekenn-
-Sf-
zeichnet ist, durch die Kombination von einem der Elemente Niob und Vanadium und einem leicht bearbeitbaren
Metall, und Bearbeitung des auf diese Weise gebildeten metallischen Materials unter Herstellung
eines metallischen Verbundmetalls; Wärmebehandeln des metallischen Verbundmetalls unter
Bildung einer supraleitenden Substanz; und anschließendes chemisches Auflösen und Entfernen der
nicht-supraleitenden Substanzen in dem metallischen Verbundmaterial.
Das Bearbeitungsverfahren zur Bildung des vorstehend
beschriebenen metallischen Verbundmetalls und die Wärmebehandlung zur Bildung der supraleitenden
Substanz werden zumindest einmal wiederholt.
Metalle mit hoher mechanischer Festigkeit umfassen Cu-Ni-Legierungen, wie Kupronickel, welches 10 bis
30 Gew.% Ni enthält und Monelinetall, welches 30 bis
40 Gew.% Cu enthält, abscheidungshärtende Kupiorlegierunyen,
wie Cu-Ti und Cu-Be, nicht-magnetischer rostfreier Stahl, wie SUS 304 und SUS 316, und Metalle
mit ausgezeichneten Kaltverarbeitungseigenschaften, wie z. B. Nb und Ta.
Fig. 1 stellt eine Querschnittsansicht eines Stranges (billet) dar, welcher einen Kupferbehälter
und eine Mehrzahl von Verbundmetalldraht-Materialien
umfaßt, die sich in dem Behälter befinden; diese Fig. zeigt ein Beispiel gemäß der Erfindung.
Fig. 2 stellt eine charakteristische Ansicht
dar, welche die Veränderungen der kritischen Stromdichte eines supraleitenden Drahtmaterials gemäß
der Erfindung, eines supraleitenden Drahtmaterials, wie sie im Handel erhältlich ist und eines supraleitenden
Drahtmaterials, wie es nach einer konventionellen Methode hergestellt wurde, zeigt.
Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Verbundpulvers,
welches Kupfer und Niob umfaßt.
Fig. 4 und 5 stellen jeweils Querschnittsansichten eines Beispieles von Verbundmetalldrahten dar,
die Kupfer und Vanadium umfassen. 15
Fig. 6 bis 8 sind Querschnittsansichten von Beispielen von Verbundmetalldrahten, welche Kupfer,
Zinn und Niob umfassen..
Bevorzugtes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung
Beispiel 1
Nb-Sn-Pulver (3) in faseriger Form mit einem
Durchmesser von 500 bis 3.200 Ä und einer Länge von 0,5 bis 5 ,um wurde in ein 30 Gew.% Cu-haltiges
Nickelrohr (Kupronickel-Rohr) (2) gegeben, welches
wiederum umgeben war von einem Kupferrohr (4) mit einem Außendurchmesser von 3,2 mm und einem Innendurchmesser
11,8 mm. Das auf diese Weise gebildete Verbundmetall wurde unter Bildung eines Drahtmate-
rials mit einem AuBendurchinesser von 3 mm kalt<jo/.ogen.
Dann wurde das Drahtmaterial bearbeitet, so daß es einen hexagonalen Querschnitt aufwies, in
welchem der Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden Seiten 2,8 mm betrug. Diese Drahtmaterialien
(127) wurden, wie in Fig. 1 gezeigt, in einen Kupferbehälter (1) mit einem Außendurchmesser
von 50 mm und einem Innendurchmesser von 37,5 mm gegeben und bei 6500C unter Bildung eines Drahtmaterials
mit einem Außendurchmesser von 20 mm heiß extrudiert. Schließlich wurde das Drahtmaterial unter Bildung eines runden Drahtes mit einem Durchmesser
von 0,5 mm kaltgezogen und dann mit einer Ganghöhe (pitch) von 20 mm gedreht unter Bildung
eines Nb-^Sn-Drahtinaterials vom diskontinuierlichen
Faser-Typ gemäß der Erfindung.
Das auf diese Weise erhaltene Nb^Sn-Drahtmaterial
vom diskontinuierlichen Faser-Typ wurde in flüssigern Helium bei einer Temperatur von 4,2 K geboyen,
während ein diagonales Magnetfeld (bias magnetic field) von 12 Tesla angelegt wurde. Es wurde die
kritische Stromdichte der Nb-.Sn-Verbindung in dem Kupronickel-Rohr gemessen; die Ergebnisse sind in
Fig. 2 wiedergegeben (Kurve A).
Zum Vergleich wurde jeweils die kritische Stromdichte eines im Handel erhältlichen kontinuierlichen faserigen fein-kernigen Drahtes und eines
Nb-jSn-Drahtmaterials vom diskontinuierlichen Faser-Typ,
hergestellt nach einem konventionellen Verfahren, unter den gleichen Bedingungen, wie sie
oben beschrieben sind, gemessen. Die Ergebnisse werden in Fig. 2 jeweils als Kurve B und C aufgezeigt.
Wie Fig. 2 zeigt, ist das Nb3Sn-Drahtmaterial vom
diskontinuierlichen Faser-Typ gemäß der Erfindung in einem solchen Masse verbessert, daß dessen kritische
Stromdichte bei einer Beanspruchung bzw. Verformung von 0 ein Mehrfaches des Wertes aufzeigt,
wie das im Handel erhältliche Drahtmaterial und das nach dem konventionellen Verfahren hergestellte
Drahtmaterial. Der Grund dafür liegt darin, daß das Drahtmaterial gemäß der Erfindung keine
nicht-supraleitenden Substanzen, wie Cu-Sn-Bronze in dem Kupronickel-Rohr enthält, im Gegensatz zu
den konventionellen Drähten, sondern im wesentlichen aus Nb-Sn-Substanz besteht. Außerdem nimmt
die kritische Stromdichte des Drahtmaterials gemäß der Erfindung selbst bei einer Verformung von 5 %
nicht ab, wohingegen das nach dem konventionellen Verfahren hergestellte Drahtmaterial eine Abnahme
der kritischen Stromdichte bei einer Verformung von 1 % zeigt. Der Grund dafür liegt darin, daß das
Drahtmaterial gemäß der Erfindung aus feinem Nb..Sn-faserförmigen Pulver zusammengesetzt ist.
Wie vorstehend beschrieben, besitzt das Nb3Sn-Drahtmaterial
vom diskontinuierlichen Faser-Typ gemäß der Erfindung ausgezeichnete supraleitende Eigenschaften,
welche auch bei Anwendung einer mechanischen Beanspruchung kaum verschlechtert werden.
-Mi-
Das Kupferrohr (4) wurde verwendet, um das Kupronickel-Rohr
(2) zu umhüllen, und zwar um die durch den Plußsprung, z. B. in Richtung des äußeren
Durchmessers, gebildete Wärme schnell zu übertragen. Außerdem können auch Rohre aus Aluminium oder
Silber verwendet werden und haben den selben Effekt, wie vorstehend beschrieben. Es ist jedoch
nicht immer erforderlich, derartige Rohre einzusetzen.
Im Beispiel 1 ist das supraleitende Material, wie vorstehend beschrieben, so konstruiert, daß ein Metall
mit einer hohen mechanischen Festigkeit um die supraleitende Substanz herum vorgesehen ist. Da das
supraleitende Material keine nicht-supraleitenden Substanzen, wie Cu-Sn-Bronze enthält, die in deia
konventionellen supraleitenden Material dieses Typs enthalten sind, besitzt es eine deutlich erhöhte
Stromdichte pro Einheit der Querschnittsfläche und ist außerdem in seiner Struktur vereinfacht; es
kann im kommerziellen Maßstab hergestellt werden. In einem Elektromagneten z. B., der durch Aufwickeln
des supraleitenden Materials gemäß der Erfindung hergestellt wird, kann selbst dann, wenn
das Drahtmaterial unter dem Einfluß großer elektromagnetischer
Kräfte deformiert wird, der angrenzende Effekt (adjacent effect) aufrechterhalten werden,
da sich die pulverförmige supraleitende Substanz
durch Gleiten bewegt, so daß auf diese Weise eine Reduzierung der Stromdichte wirksam verhindert
werden kann. Da außerdem ein Metall mit einem hohen Widerstand, wie Kupronickel, als Metall, welches
eine hohe mechanische Festigkeit besitzt, verwendet wird, kann der Verlust an Wechselstrom aufgrund des
sich dynamisch ändernden Strom- und Magnetfeldes, wie z. B. bei einem Pulsmagnet, weitgehend verrnindert
werden. Aus diesem Grunde findet das Drahtmaterial gemäß der Erfindung einen breiten Anwendungsbereich
als Drahtmaterial mit hoher Leistung und Verlässlichkeit bei der Herstellung von z. B.
Elektromagneten, die an Stellen verwendet werden, wo starke elektromagnetische Kräfte wirken.
Verbundpulver (composite powder) mit einem mittleren
Durchmesser von ca. 40 /Um, welches Cu (5) und Nb (6) umfaßt, das in Cu (5), wie in Fig. 3 gezeigt,
gegeben wird, wurde bei einer Temperatur von 600 bis 10000C unter Bildung eines Verbundmetallstabes, welcher Cu und Nb umfaßt, mit einem Durch-
messer von 20 mm heißgepreßt. Der Verbundmetallstab wurde dann kalt bearbeitet unter Bildung eines
Drahtmaterials mit einem Durchmesser von 0,2 mm, welches wiederum chemisch behandelt wurde zur Entfernung
der Cu-Metallschicht, unter Erhalt einer Nb-Metallfaser mit einem mittleren Durchmesser von
ca. 0,3 ,um. Schließlich wurde die Nb-Metallfaser durch elektrolytische Abscheidung mit Sn Versehen
und bei 700 bis 10000C wärmebehandelt, um die Nb-Metallfaser
in eine Nb-Sn-Mischfaser umzuwandeln, die dann in einer Kugelmühle unter Bildung einer
pulverförmiyen Nb_Sn-Verbindung mit einem mittleren
Durchmesser von ca. 0,3 -um vermählen wurde.
Im Verlauf der Herstellung des Verbundmetallstabes in diesem Beispiel können Cu-Pulver oder Cu-Faser
anhängen. Obwohl gemäß diesem Beispiel Sn durch Galvanisieren auf der Metallfaser abgeschieden wurde,
kann hier auch die Methode der Vakuuinaufdämpfung,
eine Methode, bei welcher geschmolzenes Zinn permeiert wird, eine Methode, bei der lediglich
Sn-Pulver zugemischt wird und eine Methode, bei welcher Sn und Cu vorher zu einer Legierung verarbeitet
werden, angewendet werden. Das Vermählen der Nb^Sn-Faser kann durch verschiedene mechanische
Verfahren erfolgen.
Ein Verbundmetalldraht, welche Cu (7) und V (8) umfaßt,
der in Cu (7), wie in Fig. 4 gezeigt wird, plaziert ist, oder ein Verbundmetalldraht, welcher
Cu (9) und eine Mehrzahl von Drähten mit V-Kern
(10) (Durchmesser: 50 ,um) umfaßt, die gemäß
Fig. 5 in Cu (9) plaziert sind, wurde in einen metallischen Behälter mit einem Durchmesser von
100 mm gegeben, bei 300 bis 9000C extrudiert und
kalt bearbeitet unter Bildung eines Vorbunddrahle;;
mit einem Druchmesser von 0,1 mm. Der auf die:,'..·
Weise hergestellt Verbunddraht wurde chemisch behandelt, um die Cu-Basis-Metallschicht zu entfernen,
wobei eine Metallfaser auf V-Basis mit einem mittleren Durchmesser von ca. 0,05 ,um gebildet
wurde. Eine Ga-Bu-Lergierung wurde in geschmolzenem Zustand in ein Bündel der vorstehend hergestellten
Metallfasern auf V-Basis permeiert, welches dann
wiederum einer VJärmebehandlung bei 550 bis 10000C
unterworfen wurde um die V-Basis-Faser in eine V3Ga-Mischfaser umzuwandeln. Die VoGa-Mischfaser
wurde in einer Kugelmühle vermählen, wobei eine zu winzigen Teilchen vermahlene V3Ga-Verbindung
mit einem mittleren Durchmesser von ca. 0,05 /Um
erhalten wurde.
Die Nb-Sn-Mischfaser und die V3Ga-Mischfaser,
die tjei.iäü den Beispielen 2 und 3 hergestellt wurden,
wurden jeweils nach dem üblichen Verfahren weiterverarbeitet unter Herstellung eines supraleitenden
Drahtmaterials. Die supraleitenden Charakteristiken des supraleitenden Drahtmaterials wurden
geprüft, wobei zufriedenstellende Ergebnisse erzielt
wurden.
Um die supraleitenden Eigenschaften zu erhöhen,
wurden Hf, Ta, Zr, Ti, etc. zu den Nb- oder V-Basis-Metallschichten,
Mg, In, Si, Al, Pb, etc. zu den Sn- oder Ga-Basis-Metallschichten, oder andere
harmlose metallische Elemente zugegeben. In diesen Fällen wurde der gleiche Effekt, wie er oben beschrieben
wird, erhalten.
Außerdem kann das Verfahren nach diesem Beispiel
zur Herstellung von supraleitenden Verbindungen, wie Hb-Al und V-.Si angewendet werden.
Nb-Drähte (11) (9.120) mit einem Durchmesser von
110 /Um wurden in Cu-Substrat (12) gemäß Fig. G
eingebettet, um ein Verbundmetallrohr mit eineill
äußeren Durchmesser von 50 mm und einem inneren Durchmesser von 20 mm herzustellen. Ein Sn-Drahtmaterial
(13) wurde in den hohlen Teil des Verbundmetallrohres eingeführt unter Bildung eines Verbundmetallstabes.
Das Verbundmetallrohr kann in einfacher V/eise durch zentrale maschinelle Bearbeitung
(central machining) nach dem Heiß-hohlstrangpressen oder Heißextrudieren hergestellt werden. Der Verbundmetallstab
kann hergestellt werden, indem man geschmolzenes Zinn in den hohlen Teil des Verbundmetallrohres
einfüllt.
Der Verbundmetallstab wurde dann mittels einer Drahtzangenbank, einer Streckmaschine oder dergleichen
gezogen unter Bildung eines Drahtmaterial:; mit einem Außendurchmesser von 0,8 mm. Das Drahtmaterial
wurde dann in einem Temperaturbereich von bis 9500C in Inertgasatmosphäre für mehrere 10
Stunden wärmebehandelt, wobei Sn durch Cu diffundierte, und Nb in eine faserige Form mit einem
Drahtdurchmesser von 2 ,um oder darunter in Nb^Sn durch Festkörperreaktion umgewandelt wurde.
Schließlich wurde das Material in HNO3 eingetaucht,
um die Anteile an Cu-Sn, mit Ausnahme von NboSn, aufzulösen und zu entfernen, wodurch sich
eine faserige Nb-Sn-supraleitende Substanz bildete.
Die supraleitende Substanz wurde verwendet, um ein diskontinuierliches, faserförmiges, supraleitendes
Drahtmaterial herzustellen; die supraleitenden Eigenschaften
desselben wurden untersucht, wobei zufriedenstellende
Ergebnisse erhalten wurden.
Wenn es erforderlich ist, die Korngröße der vorstehend genannten faserigen Nb^Sn-supraleitenden
Substanz einzustellen, so wird die supraleitende Substanz z. B. mit Hilfe einer Kugelmühle in eine
feine Pulverform gemahlen. In vielen Fällen ist die Verwendung einer Cu-Sn-Legierung, die Cu anstelle
von Sn enthält, vom Standpunkt der Leichtigkeit des Ziehens vorteilhaft.
In diesem Beispiel wurde ein Bronze-Verfahren angewendet,
obwohl in den vorstehenden Beispielen ein
2Ü Innendiffusionsverfahren zur Anwendung kam. D.h.,
eine Anzahl von Nb-Stäben (15) wurden in Bronze, welche 13 Gew.% oder darunter Sn enthielt, eingebettet
unter Bildung eines Verbundmetallstabes, wie dies in Fig. 7 gezeigt wird. Der Verbundmetallstab
wurde wiederholt Behandlungen durch Heißextrudieren und Kaltziehen-Weichglühen unterworfen, um dessen
Querschnittsfläche zu reduzieren und ein Verbunddrahtmaterial
zu bilden. Dann wurde das Verbunddrahtmaterial unter den gleichen Bedingungen wie in
3D Beispiel 4 unter Bildung von Nb~Sn wärmebehandelt.
Schließlich wurden Anteile von Cu-Sn mit Hilfe des gleichen Xtzungsmittels, wie es in dem vor-
-K-
stehenden Beispiel verwendet wurde, entfernt unter Bildung einer Nb^Sn-supraleitenden Substanz in
faseriger Form. In ähnlicher Weise wurde ein dic- ! kontinuierliches faserförmiges supraleitendes
Drahtruaterial hergestellt; seine supraleitenden
Charakteristiken wurden untersucht und als zufrie- : denstellend beurteilt.
Auch durch Einbetten von Nb-Stäben in Bronze, die durch Reduzierung der Sn-Konzentration in ihrer Bearbeitbarkeit
verbessert waren., Bearbeiten des erhaltenden Materials unter Reduzierung seiner Querschnittsfläche, Abscheiden von Sn nach Methoden,
wie z. B. Plattieren, um fehlendes Sn zu ersetzen, und anschließende Anwendung einer Wärmebehandlung,
kann eine Nb-.Sn-supraleitende Substanz hergestellt werden.
In.diesem Beispiel wurde ein externes Diffusionsverfahren
angewendet. D.h., eine Anzahl von Nb-Drähten (17) wurden in ein Cu-Substrat (16) gemäß
Fig. 8 eingebettet, und das Substrat (16) unter Reduzierung seiner Querschnittsfläche bearbeitet. Sn
(18) wurde mit Hilfe von Verfahren, wie Galvanisieren (electro-deposition) oder Schmelzplattieren auf
demselben unter Einstellung der Enddimensionen abgeschieden. Das erhaltene Material wurde der gleichen
Wärmebehandlung wie im Beispiel 4 unter Bildung von Nb3Sn unterworfen. Dann wurden Cu-Sn-Anteile
mit Hilfe des gleichen Xtzungsmittels wie im
Beispiel 4 entfernt unter Bildung einer faserigen Nb Sn-supraleitenden Substanz. Die supraleitende
Substanz wurde verwendet zur Herstellung eines diskontinuierlichen faserförmigen supraleitenden
Drahtmaterials; die supraleitenden Charakteristiken desselben wurden untersucht und als befriedigend
beurteilt.
Obwohl ein kontinuierlicher Nb-Drahtkern in den Beispielen 4 bis 6 verwendet wird, selbst wenn der
Draht im Verlauf der Herstellung gebrochen wird, oder eine diskontinuierliche Faser von Anfang an
verwendet wird, kann durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine supraleitende Substanz
hergestellt werden.
Nach der Bildung von Nb,Sn auf einem Teil der
Oberfläche des Nb-Drahtes durch Anwendung der Wärmebehandlung auf das 'Verbundnietallmater ial, wird
eine Kaltbearbeitung durchgeführt, um das gesamte oder einen Teil des Nb^Sn zu brechen, und durch
weitere Wärmebehandlung reagieren nicht umgesetztes Nb und Sn. Selbst wenn daher ein Nb-Drahtkern einen
verhältnismäßig hohen Durchmesser aufweist, kann das gesamte Nb zur Bildung von Nb^Sn verwendet
werden.
Obwohl die Erfindung im Bezug auf ein Verfahren zur
Herstellung einer supraleitenden Substanz von Nb3Sn in pulverförmiger oder kurzfaseriger Form
in den vorstehenden Beispielen beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Wenn z.
- ie
B. V oder ein V-Basis-Material als metallischer
Drahtkern verwendet werden, oder Ga oder eine Cu-Ga-Legierung als leicht bearbeitbares Metall, das
in der Lage ist, in Kombination mit dem V-Basis-Metall
eine supraleitende Substanz zu bilden, eingesetzt werden, so kann eine V^Ga-supraleitende
Substanz nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden. In ähnliche^ Weise können supraleitende
Substanzen, wie V3Si und Nb3Al nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden.
Außerdem können die supraleitenden Eigenschaften durch Zugabe metallischer Elemente, wie Al, Mg, Mn,
Ga, Hf, Ta, Zr, etc., zu dem Nb- oder V-Metall, und metallische Elemente wie Al, In, Mg, Mn, Pb, etc.,
zu dem Sn- oder Ga-Metall verbessert werden.
Der Ausdruck "chemisches Auflösen einer nicht-supraleitenden
Substanz", wie er hier verwendet wird, bedeutet ein Verfahren, bei welchem ein Verbundmetallmaterial
in ein Ätzmittel eingetaucht wird, um nicht-supraleitende Substanzen, die in diesem enthalten
sind, aufzulösen und zu entfernen. Geeignete Ätzmittel umfassen Säuren, wie HNO3, HCl,
H3SO4, H3PO4, CH3COOH und HF und gemischte
Lösungen, die diese Säuren enthalten.
Claims (13)
1) Herstellung einer Kombination aus Niob oder Vanadium und einem leicht verformbaren Metall in
einein Stück und Bearbeitung desselben unter Bildung eines metallischen Verbundmaterials;
2) Wärmebehandlung des metallischen Verbundmaterials
unter Bildung einer supraleitenden Substanz; und
3) chemisches Auflösen und Entfernen von nichtsupraleitenden Substanzen, die in dem metallischen
Verbundmaterial enthalten sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das leicht verformbare
Metall mindestens ein Element aus der Gruppe Kupfer (Cu), Zinn (Sn), Gallium (Ga), eine Cu-Sn-Legierung
und eine Cu-Ga-Legierung darstellt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bearbeitungsverfahren zur Herstellung des metallischen Verbundmaterials
und die Wärmebehandlung zur Bildung der supraleitenden Substanz zumindest einmal durchgeführt
werden.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der.Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß eines der Elemente Niob und Vanadium eingebettet wird in eine der Substanzen der Gruppe
Cu-Sn-Legierung und Cu-Ga-Legierung, oder parallel dazu plaziert, und zu einem Stück fabriziert, und
unter Bildung eines metallischen Verbundmaterials bearbeitet wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß eines der Elemente Niob oder Vanadium eingebettet wird in das Cu-Grundmetall oder parallel
dazu plaziert wird, und so bearbeitet wird, daß die Querschnittsfläche reduziert wird, und dann
ai. -
eines dec Elemente Zinn und Gallium darauf unter Bildung eines metallischen Verbundmaterials niedergeschlagen
wird.
6. Verfahren gernäß einem oder mehreren der Ansprüche
1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß eines der Elemente Niob und Vanadium in mindestens eine Legierung der Gruppe Cu-Sn-Legierung
und Cu-Ga-Legierung eingebettet oder dazu parallel plaziert und zu einem Stück fabriziert
wird, und zu einem Draht oder einer riemenähnlichen Form verarbeitet wird, und daraufhin eines der Elemente
Zinn und Gallium auf demselben unter Bildung eines metallischen Verbundmaterials abgeschieden
wird.
7. Verfahren zur Herstellung einer supraleitenden
Substanz, gekenn zeichn
e t durch die Schritte:
20
20
1) Bearbeitung eines Verbundmetalls, welches eine Niob- oder Vanadiumkomponente mit hohem
Schmelzpunkt und ein leicht verformbares Metall umfaßt, so daß die Querschnittsfläche des Verbundmetails
unter Herstellung eines metallischen Verbund-Drahtmaterials reduziert wird;
2) Entfernen des leicht verformbaren Metalles aus dem metallischen Verbund-Drahtmaterial unter
Bildung einer Niob- oder Vanadium-Grundmetallfaser;
22 -
3) Abscheiden einer Zinn- oder Galliuin-Grundkoinponente
mit niederem Schmelzpunkt auf der Metallfaser und Anwendung einer Wärmebehandlung unter
Bildung einer supraleitenden Substanz.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß, die Wärmebehandlung
einen Schritt mit einschließt, wonach die Niob- oder Vanadium-Grundmetallfaser mit einem pulverförmigen
oder faserigen Zinn- oder Gallium-Grundinetall vermischt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung
einen Schritt mit einschließt, wonach Zinn oder Gallium auf der Niob- oder Vanadium-Grundmetallfaser
durch galvanische oder elektrolytische Abscheidung, Vakuumaufdampfung, Ablagerung oder dergleichen
niedergeschlagen wird.
10. Supraleitendes Material, gekennzeichnet durch eine supraleitende Substanz,
wobei diese supraleitende Substanz, hergestellt wird durch
Fabrizieren von einem der Elemente Niob und Vanadium und einem leicht verformbaren Metall zu einem
Stück und bearbeiten desselben unter Herstellung eines metallischen Verbundmetalls, Wärmebehandlung
des metallischen Verbundmetalls unter Bildung einer supraleitenden Substanz und chemisches Auflösen und
Entfernen der nicht-supraleitenden Substanzen in
metallischen Verbundmaterial, und Anbringen
eines Metalles um die supraleitende Substanz, so daß diese direkt umhüllt ist, wobei das genannte
Metall eine hohe mechanische Festigkeit aufweist.
11. Supraleitendes Material nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß auf
dem Metall mit der hohen mechanischen Festigkeit im weiteren mindestens ein Metall mit einer verhältnismäßig
niederen mechanischen Festigkeit, welches leicht verarbeitbar ist und eine hohe Wärmeleitfähigkeit
besitzt, wie z. B. Ag, Al und Cu, so angebracht ist, daß es dieses einhüllt.
12. Supraleitendes Material, g e k e η η zeichnet durch eine supraleitende Substanz,
wobei diese supraleitende Substanz in folgenden Schritten hergestellt wird:
1) Bearbeiten eines Verbundmetalls, welches eine Niob- oder Vanadiumkomponente mit hohem Schmelzpunkt
und ein leicht verformbares Metall umfaßt, so daß die Querschnittsfläche des Verbundmetalls unter
Bildung eines Verbund-Metalldrahtes reduziert wird;
2) Entfernen des leicht verformbaren Metalles aus dem Verbund-Metalldraht unter Bildung einer
Niob- oder Vanadium-Grundmetallfaser; und
3) Ablagern einer Zinn- oder Gallium-Grundkomponente mit niederem Schmelzpunkt auf der Metallfaser
und Anwendung einer Wärmebehandlung und Anbringen
- 34 -
eines Metalles urn die supraleitende Substanz, so daß diese davon direkt eingehüllt wird, wobei das
genannte Metall eine hohe mechanische Festigkeit aufweist.
13. Supraleitendes Material nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß auf
dem Metall mit der hohen mechanischen Festigkeit im weiteren mindestens ein Metall mit einer verhältnismäßig
niederen mechanischen Festigkeit, welches leicht bearbeitbar ist und eine hohe Wärmeleitfähigkeit
besitzt, wie z. B. Ag, Al und Cu angebracht ist, so daß es dieses einhüllt.
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