DE3930252A1 - Verfahren zur herstellung eines hochtemperatur-supraleiters - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hochtemperatur-Supraleiters auf der Basis einer Oxidkeramik durch Verpressen eines pulverförmigen Ausgangsmaterials der Oxidkeramik.

Die Hochtemperatur-Supraleiter unterscheiden sich in ihrer molekularen Struktur grundsätzlich von den metallischen Tieftemperatur-Supraleitern. Sie bestehen nämlich aus einer Oxidkeramik, beispielsweise von der Art La-Ba-Cu-O oder Y-Ba-Cu-O. Während bei den Tieftemperatur-Supraleitern eine Kühlung mit flüssigem Helium erforderlich ist, verlieren die Hochtemperatur-Supraleiter ihren ohmschen Widerstand bei höheren Temperaturen, im Falle von Y-Ba-Cu-O schon beim Siedepunkt des flüssigen Stickstoffs. Durch diese wesentlich billigere Stickstoffkühlung wird eine wirtschaftliche Anwendung auf vielen Gebieten möglich, beispielsweise verlustarme Generatoren, Motoren, Transformatoren, Kabel, Magnetspeicher usw.

Ein Nachteil der Oxidkeramiken besteht unter anderem in ihrer schlechten Verarbeitbarkeit, da sie sehr spröde sind. Die üblichen Metallverarbeitungsverfahren lassen sich somit nicht anwenden. Ein weiterer Nachteil der bekannten Oxidkeramiken ist darin zu sehen, daß sie eine den technologischen Anforderungen nicht immer genügende, nämlich eine zu geringe Stromtragfähigkeit aufweisen. Das liegt offenbar daran, daß die Kristallite der Oxidkeramiken eine ausgeprägte anisotrope Struktur aufweisen. Die Stromtragfähigkeit ist in der kristallographischen c-Achse etwa um eine Größenordnung kleiner als in Richtung der beiden anderen Achsen, der a- und b-Achse, wenn das Material unter Druck- und Temperaturerhöhung gepreßt wird.

Bei der Herstellung eines Hochtemperatur- Supraleiters liegt die Oxidkeramik in gemahlenem Zustand als Pulver vor, das unter Druck und gegebenenfalls unter Temperaturerhöhung gepreßt wird. Dabei entsteht eine polykristalline Stuktur, deren einzelne Kristallite statisch verteilt sind, und zwar bezüglich der Richtung des Stromflusses der Kristallachsen. Als Folge ergibt sich eine gegenüber dem optimalen Wert deutlich reduzierte Stromdichte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren verfügbar zu machen, mit dem ein Hochtemperatur- Supraleiter auf der Basis einer Oxidkeramik in Form eines kompakten Leiters herstellbar ist, dessen maximal erreichbare Stromdichte erhöht ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß vor und gegebenenfalls während des Preßvorgangs die Partikel des pulverförmigen Ausgangsmaterials mittels eines Magnetfeldes so ausgerichtet werden, daß ihre kristallographischen Achsen mit der größten elektrischen Leitfähigkeit etwa parallel zueinander stehen.

Bei diesem Verfahren werden die einzelnen Kristallite des pulverförmigen Ausgangsmaterials im Hinblick auf ihre kristallographischen Achsen so ausgerichtet und in diesem Zustand verpreßt, daß sich ein kompakter Leiter mit einer größtmöglichen Stromtragfähigkeit ergibt. Dabei kann das Verfahren in verschiedener Weise durchgeführt werden. Es können beispielsweise sowohl hohlzylinderförmige Preßlinge als auch Dickschichten aus Oxidkeramik hergestellt werden.

Weitere Ausbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Das Wesen der Erfindung soll anhand einiger in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1a, 1b ein erstes Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines hohlzylinderförmigen Preßlings;

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines hohlzylinderförmigen Preßlings und

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel zur Herstellung einer supraleitenden Dickschicht.

In den Figuren sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung im Querschnitt und in der Draufsicht, die zur Herstellung eines zylinderförmigen Preßlings dient. Ein Außenrohr 1 aus Stahl oder Titan und ein Innenrohr 2 aus Silber bilden einen Zwischenraum, in den das pulverförmige Preßgut 3 eingefült wird, wobei bereits das Einfüllen unter Einwirkung von Ultraschall erfolgen kann. Das Ausgangsmaterial läßt sich nach dem sogenannten SOL-GEL- Verfahren herstellen, wobei aus einer Lösung die Komponenten des Stoffgemisches stöchiometrisch im richtigen Verhältnis ausgefällt werden.

Die Verwendung von Ultraschall sowohl beim Einfüllen als auch zum Ausrichten der Kristallite setzt eine gute Ankopplung des Ultraschall-Strahlers an das Rüttelgut voraus. Zu diesem Zweck muß man bei der Verwendung Zwischenräume zwischen den pulverförmigen Komponenten durch eine Flüssigkeit anfüllen, um die Übertragung der Ultraschallenergie auf das Rüttelgut sicherzustellen. Es ist dann unerheblich, wo die Ultraschall-Strahler angebracht werden. Das kann sowohl beim Rohr einseitig am Umfang geschehen, es kann jedoch auch axial erfolgen.

Zur Ausrichtung der gewünschten kristallographischen Achsen der Kristallite wird ein geeignetes Magnetfeld angelegt. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1b sind dazu Permanentmagnete mit den Magnetpolen 4a und 4b vorgesehen. Das sich dabei ergebende Magnetfeld ist durch die Pfeile 5 angedeutet. Zum Verpressen der ausgerichteten Kristalle wird in den Innenraum 6 des Silberrohres 2 Sauerstoff unter erhöhtem Druck eingeleitet, wobei das gesamte System gleichzeitig noch erwärmt wird. Durch den Sauerstoffdruck wird das duktile Innenrohr aus Silber in seinem Umfang vergrößert, wodurch ein Verpressen des supraleitenden Ausgangsmaterials zu einem Preßling stattfindet. Die Duktilität des Materials sorgt dafür, daß auch ohne Innendruck das Silberrohr nicht auf seinen ursprünglichen kleineren Durchmessers zurückgeht.

Gute Ergebnisse werden bei einem Preßdruck von mehr als 1 Mpa, einer Temperatur von mehr als 400°K und einem Magnetfeld von mehr als 1 T erhalten. Bei Temperaturen im Bereich von einigen Hundert Grad Celsius wird das Silber für Sauerstoff durchlässig, dieser dringt dann durch die Wandung des Rohres 2 bis zu der zu verpressenden Oxidkeramik vor und begünstigt dort die Ausbildung der gewünschten Oxidkeramik. Beispielsweise entsteht im Falle des Y-Ba-Cu-O beim Sintervorgang im Sauerstoffüberschuß YBaCu₃O_7-x, wobei ein Wert von x = 0,14 zur Supraleitfähigkeit des Materials führt. Deswegen erfolgt auch ein an den Preßvorgang anschließender Temperprozeß im Sauerstoffüberschuß. Bei der Abkühlung verliert das Silber seine Sauerstoffdurchlässigkeit und dient als Sauerstoffbarriere, so daß kein Sauerstoff nach außen dringt, was zu einer unerwünschten Veränderung der Sauerstoffstöchiometrie führen würde.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 unterscheidet sich gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 lediglich darin, daß anstelle der Magnetpole zur Erzeugung eines Magnetfeldes eine Spule 7 vorgesehen ist, die zwischen dem Außenrohr 1 und einem zusätzlichen Stützrohr 8 angeordnet ist. Das pulverförmige Ausgangsmaterial 3 wird dann in den Zwischenraum eingefüllt, der von dem Silberrohr 2 und dem Stützrohr 8 gebildet ist. Im übrigen wird verfahrensmäßig so vorgegangen, wie es anhand des Ausführungsbeispiels 1 erläutert wurde.

Die Vorrichtung nach Fig. 3 dient zur Herstellung einer Dickschicht aus Oxidkeramik. Dazu ist eine Matrize 9 mit einem Stempel 10 vorgesehen, wobei das Ausgangsmaterial 3 in den Raum eingebracht wird, der von der Matrize und dem Stempel begrenzt ist. Auf dem Stempel 10 ist ein Ultraschallgeber 11 vorgesehen. Das magnetische Feld wird über die beiden Magnetpole 4a und 4b erzeugt.

Claims (14)

1. Verfahren zur Herstellung eines Hochtemperatur- Supraleiters auf der Basis einer Oxidkeramik durch Verpressen eines pulverförmigen Ausgangsmaterials, dadurch gekennzeichnet, daß vor und gegebenenfalls während des Preßvorgangs die Partikel des pulverförmigen Ausgangsmaterials mittels eines Magnetfeldes (5) so ausgerichtet werden, daß ihre kristallographischen Achsen mit der größten elektrischen Leitfähigkeit etwa parallel zueinander stehen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das pulverförmige Ausgangsmaterial (3) in einen von zwei kontinuierlich zueinander angeordneten Rohren (1, 2) begrenzten Hohlraum eingebracht wird und das Verpressen des Ausgangsmaterials durch eine Umfangsvergrößerung des Innenrohres erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr aus einem duktilen Material besteht und daß auf seine Innenwandung während des Preßvorgangs ein Druckmedium wirkt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Innenrohres (2) aus Silber.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Außenrohres (1) aus Stahl oder Titan.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Druckmedium ein Gas verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Gas Sauerstoff und für das Innenrohr (2) ein sauerstoffdurchlässiges Material verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung eines Dickschicht- Supraleiters das pulverförmige Ausgangsmaterial (3) in einen Raum zwischen zwei parallel zueinander angeordneten Platten eingebracht wird und daß das Ausgangsmaterial (3) zwischen den beiden Platten verpreßt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßvorgang unter Sauerstoffatmosphäre erfolgt und mindestens eine der beiden Platten aus einem sauerstoffdurchlässigen Material besteht.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Material nach dem Preßvorgang einer Sinterung unterworfen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß während der Sinterung das Magnetfeld aufrechterhalten wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinterung unter Druck erfolgt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausrichtung der Partikel durch eine Rüttelbewegung begünstigt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Rüttelbewegung durch Ultraschalleinwirkung hervorgerufen wird.