DE3740467A1 - Flexibler supraleiter - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen flexiblen Supraleiter, beste
hend aus mindestens einer Trägerfaser, deren Mantelfläche
von einer supraleitenden Schicht umhüllt ist und ein Verfah
ren zur Herstellung flexibler Supraleiter.
Einige oxidische Keramiken (die sogenannten Perowskite)
weisen besonders hohe Sprungtemperaturen auf und sind des
halb noch bei vergleichsweise hohen Temperaturen supralei
tend.
Ein Beispiel für eine solche oxidische, supraleitende Kera
mik ist YBa2Cu3O7. Weitere supraleitende Keramiken können
davon abgeleitet werden, indem z. B. Yttrium durch andere
Seltene Erden oder z. B. Kupfer durch andere Metallatome
ersetzt wird.
Diese Perowskite sind jedoch sehr spröde, so daß mit den
üblichen Methoden aus diesem Material keine supraleitenden
Fasern erzeugt werden können.
Aus der DE-PS 28 56 885 ist ein Verfahren zur Herstellung
eines flexiblen Supraleiters, bestehend aus einer C-Faser
mit einer dünnen Schicht einer Niobverbindung der allgemei
nen Formel NbC x N y bekannt.
Aus der DE-PS 32 49 624 ist ein Verfahren zur Beschichtung
von Kohlenstoff-, Bor- und Stahlfasern mit Niobverbindungen
der allgemeinen Formel NbC x N y O z durch reaktive Kathodenzer
stäubung bekannt.
Die Supraleiter, die nach diesen Verfahren hergestellt wur
den, weisen jedoch eine gegenüber den oxidischen Keramiken
wesentlich tiefere Springtemperatur auf.
Die Beschichtung der genannten Trägerfasern mit den Niobver
bindungen ist deshalb möglich, weil diese Beschichtung in
inerter Gasatmosphäre durchgeführt werden kann.
Die Herstellung einer Schicht einer oxidischen Keramik er
fordert Temperaturen von etwa 800°C und die Gegenwart von
gasförmigem Sauerstoff. Unter derart aggressiven Bedingungen
ist keine der genannten Trägerfasern beständig.
Aus DE-PS 33 19 524 ist bekannt, daß die Mantelfläche der
Trägerfaser mit einem Carbid, z. B. mit SiC, abgedeckt
werden kann, auf der die supraleitende Schicht haftet. Diese
Deckschicht kann jedoch nicht verhindern, daß bei hohen
Temperaturen und bei Anwesenheit von Sauerstoff der Kern
schmilzt oder chemisch umgewandelt wird oder daß Sauerstoff
durch diese Deckschicht diffundiert und den Kern schädigt.
Damit ist auch die Haftung dieser Deckschicht nicht mehr
gewährleistet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, flexible Hoch-T c -
Supraleiter hoher Stromdichte in Form technisch anwendbarer
Filamentfasern anzugeben.
Der Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein Ver
fahren zur Herstellung solcher Supraleiter zu schaffen.
Die Aufgabenstellung erfordert insbesondere, daß ein Träger
faser-Material gefunden wird, das unter den aggressiven
Bedingungen, die zur Beschichtung der Trägerfasern mit oxi
discher Keramik erforderlich sind, nämlich bei Gegenwart von
Sauerstoff und Temperaturen über 800°C, nicht geschädigt
wird.
Weiterhin ist erforderlich, daß die physikalischen Eigen
schaften, z. B. thermische Ausdehnung des Trägerfaser-Mate
rials und der oxidischen Keramik, ähnlich sind und daß die
supraleitende Keramik auf der Trägerfaser haftet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen flexib
len Supraleiter, bestehend aus mindestens einer Trägerfaser,
deren Mantelfläche von einer supraleitenden Schicht umhüllt
ist, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Trägerfaser aus
Siliciumcarbid (SiC) und die supraleitende Schicht aus einer
oxidischen Keramik bestehen und daß die oxidische Keramik
durch die bekannten Methoden der Dünnschichttechnik, vor
zugsweise durch Kathodenzerstäubungstechniken, auf der Trä
gerfaser erzeugt wurde.
Die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung solcher flexibler
Supraleiter zu schaffen, wird dadurch gelöst, daß
- a) durch die bekannten Methoden der Dünnschichttechnik, vorzugsweise durch Kathodenzerstäubung (Sputtern), aus den Komponenten der oxidischen Keramik auf mindestens einer Trägerfaser aus SiC eine supraleitende Hülle aus oxidischer Keramik erzeugt wird,
- b) die umhüllte Trägerfaser einer Oxidationsglühung in rei ner Sauerstoffatmosphäre bei Temperaturen zwischen 350 und 500°C, vorzugsweise bei 430°C, unterzogen wird,
- c) die auf diese Weise supraleitend beschichtete(n) Trä gerfaser(n) mit Kupfer, Aluminium oder einem anderen geeigneten Stabilisierungsmaterial überzogen und an schließend in bekannter Weise zu einem Faserbündel verei nigt werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht in der
Vorbeschichtung der Faser mit einem Perowskit, z. B. mit
SrTiO3. Es hat sich gezeigt, daß diese Schicht eine positive
Wirkung auf die Supraleiterschicht aufweist, möglicherweise
weil in ihr die Kristallstruktur des Supraleiters schon
vorgebildet ist.
Wesentliche Vorteile für die supraleitend beschichteten
Trägerfasern und deren Herstellung ist, daß die Trägerfasern
während der Beschichtung nicht geschädigt wird. Die bisher
bekannten Trägerfasern sind unter den Beschichtungsbedingun
gen nicht beständig. Diese Beschichtungsbedingungen sind so
aggressiv, daß auch SiC oberflächlich angegriffen wird.
Allerdings wurde beobachtet, daß sich hierbei auf der Ober
fläche eine dichte Schicht aus Siliciumdioxid bildet, die
einen weiteren Angriff verhindert. Dieses Siliciumdioxid
wirkt sich weiterhin vorteilhaft auf die Haftung der Perows
kit-Schicht aus.
Die Herstellung von YBa2Cu3O7 gelang durch Hochleistungska
thodenzerstäubung (Magnetronsputtern), wobei eine Kathode
aus gesintertem YBa2Cu3O7 verwendet wurde. Die Substrattem
peratur bei der Abscheidung betrug 800°C. Die dabei entste
hende tetragonale Phase wird in situ einer anschließenden
Wärmebehandlung bei 430°C in O2-Atmosphäre bei 1 bar ausge
setzt. Dabei bildet sich die gewünschte orthorhombische
Phase mit P mmm -Struktur und dem gewünschten Sauerstoffan
teil. Die sich ergebende Einsatztemperatur zur Supraleitung
auf dem Faserleiter beträgt 85 K. Verbesserungen vor allem
hinsichtlich des Stromtragfähigkit werden durch die vorhe
rige Beschichtung der Substratfaser mit SrTiO3 erzielt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Beispiels näher
erläutert.
Zur Ablagerung von dünnen Filmschichten wurde ein einfacher,
aber nicht kommerziell erhältlicher Hochleistungskathoden
zerstäuber (Magnetron sputtering device) des planaren Typs
verwendet, der in einem UHV-System aufgebaut war. Das UHV-
System wurde durch eine Turbomolekularpumpe evakuiert. Eine
Kathodenscheibe aus Y1Ba2Cu3O7 mit einem Durchmesser von 40
mm und eine Dicke von 8 mm wurde durch Sintern der entspre
chenden Menge von Y2O3, BaCO3 und CuO in Pulvrform bei
hoher Temperatur und hohem Druck hergestellt.
Mit einem CoSm-Magneten an der Spitze der Kathode wurde ein
Plasma-Ring mit 25 mm Durchmesser geschaffen. Das Zerstäu
bungsgas bestand aus einer Mischung von Sauerstoff (2 × 10-4
bar) und Argon (4 × 10-4 bar). Die Entladung vollzog sich
bei 100 Volt und 0,5 A.
Ein aufgefächertes Bündel aus 1200 SiC-Fasern wurde im Ab
tand von 20 mm zur Kathode auf einem Heizband befestigt.
Während der Abscheidung der Schicht wurden die Fasern auf
800°C erhitzt. Die Dauer der Abscheidung betrug 1 Stunde,
die sich ergebende Supraleiterschichtdicke 1 µm.
Danach wurden die beschichteten Fasern 30 Minuten lang in
einer Sauerstoffatmosphäre von 1 bar bei 430°C wärmebehan
delt.
Claims (4)
1. Flexibler Supraleiter, bestehend aus mindestens einer
Trägerfaser, deren Mantelfläche von einer supraleitenden
Schicht umhüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die
Trägerfaser aus Siliciumcarbid (SiC) und die supraleiten
de Schicht aus einer oxidischen Keramik bestehen und daß
die oxidische Keramik durch die bekannten Methoden der
Dünnschichttechnik, vorzugsweise durch Kathodenzerstäu
bungstechniken, auf der Trägerfaser erzeugt wurde.
2. Supraleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Trägerfaser aus SiC mit einem Perowskit der allgemei
nen Formel ABO3, vorzugsweise mit Erdalkali-Titan-Oxiden,
vorbeschichtet ist.
3. Verfahren zur Herstellung flexibler Supraleiter nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
- a) durch die bekannten Methoden der Dünnschichttechnik, vorzugsweise durch Kathodenzerstäubung (Sputtern), aus den Komponenten der oxidischen Keramik auf mindestens einer Trägerfaser aus SiC eine supraleitende Hülle aus oxidischer Keramik erzeugt wird,
- b) die umhüllte Trägerfaser einer Oxidationsglühung in einer Sauerstoffatmosphäre bei Temperaturen zwischen 350 und 500°C, vorzugsweise bei 430°C, unterzogen wird,
- c) die auf diese Weise supraleitend beschichtete(n) Trä gerfaser(n) mit Kupfer, Aluminium oder einem anderen geeigneten Stabilisierungsmaterial überzogen und an schließend in bekannter Weise zu einem Faserbündel vereinigt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Trägerfaser aus SiC vor Durchführung des Schrittes a)
mit einem Perowskit der Formel ABO3, vorzugsweise mit
Erdalkali-Titan-Oxiden beschichtet wird.
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