DE3942715A1 - Verfahren zur beschichtung eines traegers mit hochtemperatur-supraleitendem material - Google Patents
Verfahren zur beschichtung eines traegers mit hochtemperatur-supraleitendem materialInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Beschichtung
eines Trägers mit hochtemperatur-supraleitendem Material (HTSL)
unter Anwendung eines Schmelzprozesses, bei dem das HTSL-Ma
terial zumindest teilweise aufgeschmolzen wird.
In den letzten Jahren sind unterschiedliche keramische Ma
terialien auf Kupferoxid-Basis bekannt geworden, die bei Tem
peraturen oberhalb von Flüssig-Stickstoff (TN2= 77 K) supra
leitend sind. Diesen Materialien wird ein hohes Innovations
potential in der Elektrotechnik bzw. Elektronik, insbesondere
für energietechnische Anwendungen, zugemessen, sofern es ge
lingt, die Keramik durch Formgebung bzw. Beschichtung in ge
eignetes, weiterverarbeitbares Halbzeug zu überführen. Insbe
sondere sollen für diesen Zweck ebene Träger, beispielsweise
bandförmig, mit HTSL-Material beschichtet werden.
Grundlegende Untersuchungen beschränken sich bisher vorwiegend
auf die Herstellung dünner epitaxialer Filme auf Einkristall-
Substraten, die durch bekannte PVD-Prozesse, wie insbesondere
Laserverdampfen gemäß der DE-OS 38 16 192 oder auch Lichtbo
genverdampfen gemäß der DE-OS 38 33 132, hergestellt werden
können.
Dickere Schichten auf beliebig geformten Bauteilen mit Stär
ken <10 µm können auch beispielsweise durch thermisches
Spritzen hergestellt werden. Hierzu sind durch die DE-OS′en
38 06 174 bis ′178 spezifische Verfahrensbedingungen für das
Plasmaspritzen oder das sog. Hypersonicspritzen von HTSL-Mate
rialien bekannt geworden, mit denen über pulverförmige Aus
gangsstoffe an vorbestimmten Stellen von Substraten Deck
schichten vorgegebener Dicke erzeugt werden können. Zwar dienen
derartige Spritzverfahren in erster Linie zur Beschichtung eng
lokalisierter Stellen des Substrates, durch entsprechende Füh
rung der Spritzdüsen sind aber auch Bänder oder andere durch
laufende Träger beschichtbar. Problematisch ist dabei das Er
reichen hinreichender Dichtheit der Spritzschichten.
Aufgrund letzterer Problematik ist bei den mit dem bekannten
Verfahren hergestellten Schichten eines hochtemperatur-supra
leitendem Materials die elektrische Stromtragfähigkeit, ins
besondere unter dem Einfluß von Magnetfeldern, häufig noch
unbefriedigend. Ein Schmelzprozeß, bei dem das HTSL-Material
aufgeschmolzen und im flüssigen Zustand auf den Träger aufge
bracht wird, läßt hier Verbesserungen erwarten.
Zur Beschichtung eines Trägers mit HTSL-Material über einen
Schmelzprozeß muß zunächst das Keramikmaterial bei entspre
chend hohen Temperaturen aufgeschmolzen werden. Das Schmelzen
erfolgt üblicherweise in einem Tiegel. Experimentelle Untersu
chungen haben gezeigt, daß dabei folgende Probleme auftreten
können:
- - Das Tiegelmaterial wird von der flüssigen Schmelze angegrif fen bzw. angelöst, so daß sich die Zusammensetzung der Schmelze ändert;
- - wegen unterschiedlicher Dichten im Vormaterial kann es zu Entmischungen in der Schmelze durch Schwerkraftsteigerungen kommen,
- - die in bestimmten Fällen notwendigen feinkristallinen Aus scheidungen bzw. Zumischungen kleinster Teilchen können sich in unerwünschter Weise vergröbern und ihre Verteilung in der Schmelze kann inhomogen werden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, das Verfahren der eingangs
genannten Art derart auszubilden, daß tiegelfrei gearbeitet
werden kann.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch eine Verfahrensführung
mit folgenden Merkmalen gelöst:
- a) Das HTSL-Material wird in kompakter Form als Rolle oder Walze bereitgestellt, die um ihre Achse rotierend an ordenbar sind,
- b) der Träger wird an der rotierenden Rolle oder Walze vor beigeführt,
- c) durch Energieeinkopplung wird eine Oberflächenschicht der Rolle oder Walze vor der Übertragung auf den Träger aufge schmolzen und
- d) das jeweils aufgeschmolzene Volumen des HTSL-Materials wird als Schicht auf den vorbeigeführten Träger übertragen.
Vorteilhafterweise hat der Träger zumindest teilweise Berühr
kontakt mit der Rolle oder Walze aus HTSL-Material.
Das erfindungsgemäße Verfahren vermeidet alle Nachteile, die
sich beim Stand der Technik zwangsläufig bei Verwendung von
Tiegeln ergeben. Vorteilhaft ist dabei insbesondere die kurze
Aufschmelzdauer des HTSL-Materials, so daß sich weder eine
Entmischung der Schmelze noch eine Vergrößerung von ggfs. er
wünschten feinen Ausscheidungen ergeben kann. Weiterhin kann
eine Texturierung der Schichten durch entsprechende Abkühl
profile erreicht werden. Bei Verwendung von breiten Walzen ist
dabei insbesondere auch eine Einhaltung definierter Abkühlpro
file nicht nur in Längsrichtung, sondern auch in axialer Rich
tung der Walze möglich, so daß texturierte Werkstoffe herge
stellt werden können.
Im Rahmen der Erfindung lassen sich die wesentlichen Parameter
der Prozeßführung verändern. Insbesondere kann die Umfangsge
schwindigkeit der Rolle oder der Walze und die Geschwindigkeit
des daran vorbeibewegten Trägers gleich oder unterschiedlich
sein. Für bestimmte Anwendungsfälle ist es vorteilhaft, daß die
an der Rolle oder Walze angeschmolzene Schicht nach Berührung
mit dem Träger mechanisch abgearbeitet wird. Dadurch ist immer
ein "jungfräuliches" HTSL-Material an der Übertragungsstelle
vor dem Aufschmelzen vorhanden.
Für den eigentlichen Anschmelzprozeß auf den Träger kann der
Träger selbst auf eine erhöhte Temperatur vorgewärmt werden. Es
ist jedoch vorteilhaft, wenn in diesem Fall unmittelbar im Be
reich der Aufschmelzzone der Träger mit der aufgebrachten HTSL-
Schicht gekühlt wird, um ein zu starkes Anlösen des Trägerwerk
stoffes zu vermeiden. Nach Abkühlung können weitere Wärmebe
handlungsschritte des Trägers mit der HTSL-Schicht erfolgen,
die sich im Durchlaufverfahren anschließen.
Die Energieeinkopplung erfolgt bei der Erfindung vorteilhaf
terweise über eine aktive Wärmequelle, beispielsweise einen
Plasmabrenner, einen Lichtbogen, einen Laser oder eine Hoch
energielampe. Die Wärmequelle kann dabei über die Walzenbreite
oszillieren. Alternativ können auch mehrere Wärmequellen paral
lel geschaltet sein. Insbesondere bei Verwendung von Hochener
gielampen ist es aber möglich, die Rolle oder Walze gleichzei
tig über ihre gesamte Breite partiell zu erhitzen. Gegebenen
falls ist auch eine induktive Energieeinkopplung oder eine
Energieeinkopplung über direkten Wärmekontakt möglich.
Zur Herstellung von beschichteten Bändern ist der Träger selbst
als dünnes, vorzugsweise flexibles Band beliebiger Länge ausge
bildet. Er kann auch faserförmig sein und/oder ein Gewebe bil
den. Dabei kommen als Träger metallische Materialien, wie bei
spielsweise Kupfer, Kupferlegierungen, Nickel-Basislegierungen,
Kupfer-Nickel, Titan-Legierungen oder aber auch warmfester
Stahl in Frage. Ebenso kann der Träger auch aus einem nichtme
tallischen Material, beispielsweise Kohle, Keramik oder Glas,
bestehen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich
aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung eines Ausführungs
beispiels anhand der Zeichnung. Die einzige Figur zeigt in
schematischer Darstellung die Beschichtung eines durchlaufen
den Bandes mit HTSL-Material.
In der Figur ist ein Band 1 dargestellt, das sich in Pfeil
richtung zwischen Einlaufrollen 2 und Auslaufrollen 3 be
wegt. Das Band besteht entweder aus metallischem oder nicht
metallischem Material. Beispielsweise kommen Kupfer- oder Nickel
legierungen in Frage. Das Band 1 kann auch mit weiteren Materia
lien, die als Substrat für das speziell zu verwendende HTSL-
Material geeignet sind, vorbeschichtet sein.
In der Figur durchläuft das Band 1 eine Station 6 zum Vor
wärmen, anschließend eine Kühleinrichtung 7 und schließlich
weitere Stationen 8 zur Wärmebehandlung. Speziell die Kühl
einrichtung 7 ermöglicht die Vorgabe und Einstellung einer
definierten Temperatur im Beschichtungsbereich.
Oberhalb der Station 7 für die Kühlung ist eine Walze 10 aus
kompaktem HTSL-Material angeordnet, die um ihre Längsachse
rotiert. Beim Vorbeibewegen des Trägers 1 am Umfang der Rolle
10 wird der "Berührbereich" mit einem Wärmestrom Q beauf
schlagt, so daß eine Oberflächenschicht der Keramikrolle 10 vor
der Berührung mit dem Träger 1 aufgeschmolzen und dann als
Schicht 11 auf den Träger übertragen wird.
Bei letzterem Übertragungsprozeß ist eine Berührung der Rolle
10 mit dem Träger nicht zwingend erforderlich. Das HTSL-Mate
rial kann bei Einhaltung eines Abstandes auch durch seine
Schwerkraft übertragen werden.
Durch geeignete Einstellung der variablen Parameter, wie ins
besondere Stärke des Energiestroms, Umlaufgeschwindigkeit
der Rolle 10 sowie Vorschubgeschwindigkeit und Temperatur des
Bandes 1 läßt sich die Dicke der sich auf dem Band 1 bildenden
Schicht vorgeben. Sie kann beispielsweise etwa 10 µm oder mehr
betragen.
Bei einem anderen Beispiel wird als Träger ein nichtmetal
lisches Material, beispielsweise aus Kohle oder Glas verwen
det. Insbesondere kann dabei der Träger auch ein Gewebe aus
einzelnen Fasern sein.
Als HTSL-Material kommen insbesondere die bisher bekanntgewor
denen Keramiken auf Kupferoxid-Basis in Frage. Beispielsweise
werden die Systeme Y-Ba-Cu-O oder Bi-Ca-Sr-Cu-O oder
Tl-Ba-Ca-Cu-O gewählt. Bei den beiden letzteren Materialien
kann das Wismut oder das Thallium teilweise durch Blei und/oder
Antimon ersetzt werden. Das HTSL-Material wird in bekannter
Weise pulvermetallurgisch zu einem kompakten Körper, d. h. der
Rolle 10, aufbereitet und insbesondere vorgesintert.
Aufgrund der über den Schmelzprozeß erzeugten Beschichtung
des Trägers und der damit erzielten hohen Dichte und gegebe
nenfalls Texturierung ist eine gute Stromtragfähigkeit der
HTSL-Schicht zu erwarten. Derartige beschichtete Träger, die
beispielsweise als Bänder unbegrenzter Länge in einem konti
nuierlichen Fertigungsvorgang hergestellt werden können, eignen
sich für unterschiedlichste energietechnische Anwendungen.
Claims (24)
1. Verfahren zur Beschichtung eines Trägers mit hochtempe
ratur-supraleitendem Material (HTSL) unter Anwendung eines
Schmelzprozesses, bei dem das HTSL-Material zumindest teil
weise aufgeschmolzen wird, mit folgenden Merkmalen:
- a) Das HTSL-Material wird in kompakter Form als Rolle oder Walze bereitgestellt, die um ihre Achse rotierend anorden bar sind,
- b) der Träger wird an der rotierenden Rolle oder Walze vorbei geführt,
- c) durch Energieeinkopplung wird eine Oberflächenschicht der Rolle oder Walze vor der Übertragung auf den Träger aufge schmolzen und
- d) das jeweils aufgeschmolzene Volumen des HTSL-Materials wird als Schicht auf den vorbeigeführten Träger übertragen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Träger Berührkontakt mit der Rolle
oder Walze aus HTSL-Material hat.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Umfangsgeschwindigkeit der
Rolle oder Walze und die Geschwindigkeit des daran vorbeibe
wegten Trägers gleich sind.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Umfangsgeschwindigkeit der
Rolle oder Walze und die Geschwindigkeit des daran vorbeige
führten Trägers unterschiedlich sind.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die auf der Rolle oder Walze verblei
bende angeschmolzene Schicht nach Berührung mit dem Träger
mechanisch abgearbeitet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Träger auf eine erhöhte
Temperatur erwärmt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Träger unmittelbar bei der
Beschichtung mit der HTSL-Schicht gekühlt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß anschließend weitere Wärmebehandlungen
des Trägers einschließlich der HTSL-Schicht erfolgen.
9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Energieeinkopplung durch
eine aktive Wärmequelle, beispielsweise über einen Plasma
brenner, einen Lichtbogen, einen Laser oder eine Hochenergie
lampe, erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekenn
zeichnet, daß die aktive Wärmequelle in axialer Rich
tung der Rolle oder Walze oszilliert.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekenn
zeichnet, daß mehrere aktive Wärmequellen in axialer
Richtung der Rolle oder Walze nebeneinander angeordnet sind.
12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekenn
zeichnet, daß die aktive Wärmequelle die ganze Breite
der Rolle oder Walze überstreicht.
13. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Energieeinkopplung induktiv
erfolgt.
14. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Energieeinkopplung über
direkten Wärmekontakt erfolgt.
15. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß durch Einhaltung definierter
Abkühlprofile in Längs- und/oder Querrichtung des Trägers in
der HTSL-Schicht eine Texturierung erreicht wird.
16. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Träger bandförmig ist.
17. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Träger faserförmig ist.
18. Verfahren nach Anspruch 16 und 17, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Träger aus einem Gewebe be
steht.
19. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Träger aus einem metalli
schen Material, insbesondere Kupfer (Cu), Kupfer-Legierungen,
Nickel (Ni)-Basislegierungen, CuNi, Titan (Ti)-Legierungen oder
warmfestem Stahl, besteht.
20. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Träger aus einem nichtme
tallischen Material, vorzugsweise Kohle, Keramik oder Glas,
besteht.
21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß als hochtempe
ratur-supraleitendes Material (HTSL) eine Keramik auf Yttrium-
Basis, insbesondere Y-Ba-Cu-O, gewählt ist.
22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß als hochtempe
ratur-supraleitendes Material (HTSL) eine Keramik auf Wismut-
Basis, insbesondere Bi-Ca-Sr-Cu-O, gewählt ist.
23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß als hochtempe
ratur-supraleitendes Material (HTSL) eine Keramik auf Thallium-
Basis, insbesondere Tl-Ba-Ca-Cu-O, gewählt ist.
24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Wismut (Bi) oder Thallium
(Tl) teilweise durch Blei (Pb) und/oder Antimon (Sb) ersetzt
ist.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DE3942715A DE3942715A1 (de) | 1989-12-22 | 1989-12-22 | Verfahren zur beschichtung eines traegers mit hochtemperatur-supraleitendem material |
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Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE3942715A1 true DE3942715A1 (de) | 1991-06-27 |
| DE3942715C2 DE3942715C2 (de) | 1992-04-16 |
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ID=6396279
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DE3942715A Granted DE3942715A1 (de) | 1989-12-22 | 1989-12-22 | Verfahren zur beschichtung eines traegers mit hochtemperatur-supraleitendem material |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE3942715A1 (de) |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE3942715C2 (de) | 1992-04-16 |
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