DE3835242C2 - Verfahren zum Erhöhen der kritischen Stromdichte in metallumhüllten Hochtemperatur-Supraleitern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der kritischen Stromdichte in einem Hochtemperatur-Supraleiter aus keramischem Werkstoff (Verbundleiter), bei dem zur Einstellung optimaler supraleitender Eigenschaften des keramischen Werkstoffes eine stufenweise Wärmebehandlung durchgeführt wird.

Aus keramischen Werkstoffen bestehende Hochtemperatur- Supraleiter sind spröde und können daher nicht ohne weiteres zu Drähten oder Bändern weiterverarbeitet werden, wie dies zur Herstellung von Wicklungen für Elektromagnete oder elektrische Maschinen meist erforderlich ist. Um solche keramischen Werkstoffe zu Drähten oder Bändern weiterverarbeiten zu können, wurde bereits vorgeschlagen, das homogene supraleitende Material in geeignete Hüll­ körper aus hoch kaltverformbaren Metallen zu füllen. Durch Kaltverformung werden dann die gefüllten Hüllkörper ent­ sprechend gestreckt und so auf den gewünschten Querschnitt gebracht. Hierbei gehen jedoch die supraleitenden Eigen­ schaften der keramischen Werkstoffe zumindest teilweise verloren. Durch eine anschließende gezielte Wärmebehand­ lung unter Sauerstoff kann dann die Supraleitfähigkeit wieder hergestellt werden. Es hat sich gezeigt, daß bei einer Sauerstoffnachbehandlung im Temperaturbereich der orthorhombischen Phase eine optimale Einstellung der supraleitenden Eigenschaften möglich ist.

In Jap. Journal of Applied Physics, Vol. 27 (1988), S. 191 bis 194 ist beschrieben, daß Hochtemperatur-Supraleiter sowohl orthorhombische Phasen als auch tetragonale Phasen aufweisen können. Um den Sauerstoff-Gehalt und damit die supraleitenden Eigenschaften zu erhöhen, wird eine Wärme­ behandlung bei 800°C für 3 h in Stickstoff und bei 450°C für 5 h in Sauerstoff vorgeschlagen. Weiterhin ist es aus Journal Am. Ceram. Soc. 71 (1988) S. C-328 bis 329 bekannt geworden, Hochtemperatur-Supraleitermaterial einer Wärme­ behandlung bei einer Temperatur von 850°C für max. 12 h in einer Helium- oder Sauerstoffatmosphäre durchzuführen; anschließend erfolgte eine Wärmebehandlung bei 450°C in Sauerstoff-Atmosphäre für 30 min.

Weiterhin ist in Journal Am. Ceram. Soc. 70 (1987), S. C-388 bis 390 eine Methode angegeben, wobei das Supra­ leitermaterial einer Heißumformung mit anschließender Nachbehandlung in Sauerstoff bei 900°C unterzogen wird.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfin­ dung darin, hochtemperatur-supraleitende Pulver, die in Metallrohren eingeschlossen und auf Enddimension kalt­ verformt sind, so wärmezubehandeln, daß auch bei diesem Verbund eine ganz wesentliche Erhöhung der kritischen Stromdichte erreicht werden kann.

Dies wird erfindungsgemäß durch eine stufenweise Wärme­ behandlung des durch Kaltverformung in einem Metallrohr auf Enddimension gebrachten Supraleiterdrahtes erreicht, die zunächst im Temperaturbereich von 880 bis 900°C in einer Schutzgasatmosphäre oder Vakuum maximal 3 h und danach im Temperaturbereich von 560° bis 650°C in einer Sauerstoffatmosphäre durchgeführt wird.

Besonders vorteilhaft ist, wenn sich die abschließende Sauerstoffnachbehandlung dann über 24 bis 48 h erstreckt. Nach dieser Behandlung wird der Verbundleiter unter Sauerstoff bis auf 50°C abgekühlt.

Die Tabellen 1 und 2 zeigen die kritische Stromdichte eines mit einem Silbermantel umgebenden keramischen Werk­ stoffes (Y₁Ba₂Cu₃O_7-x, x < 0,5) in Abhängigkeit von der Wärmebehandlung und der entsprechenden Schutzgas- bzw. Sauerstoffatmosphäre.

Wie insbesondere Tabelle 1 zeigt, reicht die dreistündige Wärmebehandung - ob unter Edelgas oder Sauerstoff - allein nicht aus, um eine nennenswerte Erhöhung der kritischen Stromdichte zu erzielen. Die Werte zeigen jedoch, daß mit einer ersten erfindungsgemäßen Wärmebehandlung unter Schutzgas in Verbindung mit einer anschließenden Sauerstoffnachbehandlung eine erhebliche Erhöhung der kritischen Stromdichte eintritt. Diese ist aber wieder wesentlich von der gewählten Temperatur abhängig, wie dies die Werte der Tabelle 2 zeigen.

Gemäß der Erfindung kann in einem metallumhüllten kera­ mischen Verbundkörper mit einer logarithmischen Form­ änderung von 4,15 eine kritische Stromdichte von 300 A/cm² dann erzielt werden, wenn der in Form von Draht oder Band vorliegende Verbundleiter drei Stunden lang bei einer Temperatur von 900°C unter Argon vorbehandelt und anschließend 48 Stunden lang bei einer Temperatur von 560°C unter Sauerstoff und Abkühlung auf 50°C nachbehandelt wird.

Kritische Stromdichte im Ag-Mantel-Halbzeug
Wärmebehandlung
Kritische Stromdichte
3h/900°C/Ar
0-30 A/cm²
3h/900°C/O₂	0-10 A/cm²,
3h/900°C/O₂+ 48h/560°C/O₂	8 A/cm²
3h/900°C/Ar + 48h/560°C/O₂	100 A/cm²

Temperatureinfluß der Sauerstoffnachbehandlung auf die kritische Stromdichte im Ag-Verbunddraht mit einer logarithmischen Formänderung von 4,15
Wärmebehandlung
Kritische Stromdichte
3h/900°C/Ar + 48h/460°C/O₂
128 A/cm²
3h/900°C/Ar + 48h/560°C/O₂	300 A/cm²

Claims (4)

1. Verfahren zur Erhöhung der kritischen Stromdichte in metallumhüllten Hochtemperatur-Supraleitern (Verbund­ leiter), bei dem das keramische Supraleitermaterial in einem Metallrohr durch Kaltverformung auf Enddimension gebracht wird und zur Einstellung optimaler supraleitender Eigenschaften des keramischen Werkstoffes eine stufenweise Wärmebehandlung zunächst im Temperaturbereich von 880°C bis 900°C im Vakuum oder einer Schutzgasatmosphäre maximal 3 h lang und dann im Temperaturbereich von 560°C bis 650°C in einer Sauerstoffatmosphäre durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Schutzgas­ atmosphäre aus Stickstoff, Edelgasen, Kohlendioxid, Kohlenoxid oder Wasserdampf verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem nach der Sauerstoffwärmebehandlung der Verbundleiter unter Sauerstoff auf 50°C abgekühlt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffnachbehandlung für eine Dauer von 24 bis 48 h erfolgt.