DE602004004294T2

DE602004004294T2 - Supraleitendes kompositband und entsprechendes herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE602004004294T2
Application number: DE602004004294T
Authority: DE
Inventors: Alberto Baldini; Armando Sbrana; Claudio Serracane; Sergio Zannella
Original assignee: Edison SpA
Current assignee: Edison SpA
Priority date: 2003-09-11
Filing date: 2004-09-10
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2024-09-11
Also published as: US20070235210A1; EP1668712B1; EP1668712B8; EP1668712A1; CN1849715A; KR20070052685A; WO2005024963A1; ITTO20030692A1; ES2281009T3; DE602004004294D1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein supraleitendes Kompositband und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
STAND DER TECHNIK
Supraleitende Kompositbänder (sogenannte „beschichtete Leiter") sind von beträchtlichem industriellem Interesse. Im allgemeinen bestehen supraleitende Kompositbänder aus einem flexiblen Metallsubstrat, einer oder mehreren Zwischensperr- oder -pufferschichten und einer Schicht aus supraleitendem Material, z.B. RE-Ba₂Cu₃O_7-d (REBCO) oder YBa₂Cu₃O_7-d (YBCO).
Gegenwärtig erhältliche supraleitende Kompositbänder sind jedoch im Hinblick auf elektrische und thermische Stabilisierung nicht ganz zufriedenstellend und sorgen darüber hinaus beim Vorhandensein von sich über die Zeit verändernden Strömen und/oder Magnetfeldern für einen relativ hohen Energieverlust. Diese Nachteile sind bei Anwendungen im Energiesektor von besonderer Bedeutung.
Das Dokument DE 40 04 908 A1 zeigt ein Kompositsupraleiterband, bei dem auf einem Metallsubstrat gebildete YBCO-Schicht-Streifen in einer metallischen Beschichtung wie Silber eingebettet und von ihr bedeckt sind.
Der Artikel „The importance of interfilamentary barrier resistance in YBCO coated conductor to minimize AC losses" von C.E. Oberly et al, International Cryogenics Materials Conference, AIP Conference Proceedings No. 614B, 2002, Seiten 621–630 (XP2311092), beschreibt ein ähnliches Multifilamentkompositleiterband mit YBCO-Beschichtung, bei dem die Nuten zwischen den Filamenten mit Sperrmaterial wie Silber oder Dielektrika gefüllt sind.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht folglich darin, ein supraleitendes Kompositband und ein entsprechendes Herstellungsverfahren zu schaffen, die die Überwindung der oben erwähnten Nachteile des bekannten Standes der Technik ermöglichen.
Eine besondere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein supraleitendes Kompositband mit guten elektrischen und thermischen Stabilisierungseigenschaften und geringem Energieverlust beim Vorhandensein von über die Zeit variierenden Strömen und/oder Magnetfeldern zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Erzeugung des supraleitenden Kompositbandes auf relativ einfache, schnelle und wirtschaftlich vorteilhafte Weise vorzusehen.
Entsprechend diesen Aufgaben betrifft die vorliegende Erfindung ein supraleitendes Kompositband und ein Verfahren zu seiner Herstellung gemäß der Definition in den angefügten Ansprüchen 1 bzw. 12.
Somit wird erfindungsgemäß ein supraleitendes Kompositband vorgesehen, bei dem die aus supraleitendem Material bestehende Schicht in dünne, voneinander getrennte supraleitende Filamente geteilt ist. Das Teilen des supraleitenden Materials in dünne Filamente ermöglicht sowohl eine elektrische als auch eine thermische Stabilisierung und eine Verringerung des Energieverlusts beim Vorhandensein von über die Zeit variierenden Strömen und/oder Magnetfeldern.
Das erfindungsgemäße supraleitende Kompositband mit Multifilamentstruktur ist somit für eine besonders vorteilhafte Anwendung auf dem Energiesektor geeignet.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen deutlich aus der Beschreibung der folgenden nicht einschränkenden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren der angefügten Zeichnungen hervor, welche zeigen:
1 ist eine schematische Darstellung eines Schritts des Verfahrens zur Herstellung eines supraleitenden Kompositbandes gemäß der Erfindung;
2 und 3 sind schematische Schnittansichten eines supr-aleitenden Kompositbandes in zwei folgenden Schritten des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens; und
4 stellt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäß hergestellten supraleitenden Kompositbandes dar.
BESTE ART ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In 1 ist mit 1 ein supraleitendes Kompositband mit einem Substrat 2, insbesondere einem bandförmigen flexiblen Metallsubstrat (beispielsweise einer Legierung aus Ni, Cu, etc.) auf einer Fläche 3 bezeichnet, auf der mindestens eine Zwischenpufferschicht 4 aus z.B. Metalloxid und eine Schicht 5 aus supraleitendem Material, z.B. REBCO oder YBCO, aufgebracht sind.
Das Substrat 2 ist mittels bekannter Aufbringtechniken mit der Pufferschicht 4 und der Schicht 5 versehen.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht dann die Bildung mehrerer supraleitender Filamente 11 in der Schicht 5 vor, die im wesentlichen parallel zueinander und zu einer Längsachse A des Bandes und mit gegenseitigem seitlichem Abstand verlaufen.
Die Filamente 11 werden insbesondere in einem Ätzschritt gebildet, der in 1 schematisch dargestellt ist. Das Band 1 wird kontinuierlich in einer Vorschubrichtung D parallel zur Achse A einer Mikroätzvorrichtung 12, z.B. einer Laserätzvorrichtung, zugeführt, die oberhalb einer Fläche 13 des Bands 1 angeordnet ist, die von einer Außenfläche der Schicht 5 gebildet ist. Die Vorrichtung 12 nimmt mehrere Nuten 14 durch die Schicht 5 über die gesamte Dicke der Schicht 5 aus, um die Filamente 11 zu begrenzen. Jedes Filament 11 weist zwei Seitenwände 15 auf.
Die Nuten 14 können durchgehend sein, d.h. sich im wesentlichen über die gesamte Länge des Bandes 1 erstrecken, oder anderenfalls von unterbrochenen Strecken 16 derart gebildet sein, dass jede Nut 14 von einer Reihe von quer verlaufenden Brücken 17 aus supraleitendem Material (von denen der Einfachheit halber nur eine in 1 gezeigt ist) unterbrochen ist, die zur Verbindung benachbarter Filamente 11 vorgesehen sind. Das Vorhandensein der Brücken 17 hat positive Auswirkungen auf die elektrische Stabilisierung und verringert die Verluste aufgrund der Verbindung der Filamente 11.
Auf jeden Fall wird, wie in 2 im einzelnen dargestellt, das Band 1 geätzt, bis das Substrat 2 erreicht und damit die Fläche 3 freigelegt ist. Die Nuten 14 werden durch die Schicht 5 und die Pufferschicht 4 gebildet und dringen möglicherweise leicht in das Substrat 2 unterhalb der Fläche 3 ein.
In dem in 1 dargestellten Beispiel weist die Vorrichtung 12 eine Laserquelle 20, die im sichtbaren und/oder ultravioletten Bereich arbeitet, und eine optische Anordnung 21 auf, die den von der Quelle 20 emittierten Strahl 23 abfängt und ihn z.B. über in geeigneter Weise ausgerichtete Platten 22 in mehrere parallele Strahlen 24 splittet, die im wesentlichen senkrecht zur Fläche 13 verlaufen und jeweils eine Nut 14 ätzen, wobei sie das Material entfernen, mit dem sie in Wechselwirkung stehen.
Durchmesser, Leistung, Dauer und Wellenlänge der Strahlen 23, 24 sind so gewählt, dass sich Nuten 14 mit den gewünschten Abmessungen ergeben. Die Nuten haben beispielsweise eine Breite von ungefähr 10–50 μm und eine Tiefe von 0,1–3 μm (und sind in jedem Fall so ausgestaltet, dass das Substrat 2 freigelegt wird).
Falls Brücken 17 vorgesehen sind, werden sie vorteilhafterweise durch Unterbrechen des Ätzens der Nuten in vorgegebenen Abständen während des Vorschiebens des Bandes 1 gebildet.
Es sei angemerkt, dass die Nuten 14 auch mit anderen Techniken als Laserätzen geätzt werden können, wobei eine beliebige bekannte Ausrüstung zur mikromaschinellen Bearbeitung verwendet werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst auch den Schritt des Versehens der Seitenwände 15 der Filamente 11 mit Widerstandssperrschichten 25.
In dem vorliegenden Fall sind die Widerstandssperrschichten 25 jeweils von Teilen 26 der Seitenwände 15, die eine geringe Dicke aufweisen, gebildet. Die Teile 26 erstrecken sich entlang der Filamente 11 und innerhalb jedes Filaments 11. In jedem Teil 26 hat das supraleitende Material eine in bezug auf den Körper der Schicht 5 (d.h. der Filamente 11) modifizierte Struktur und bildet somit eine Widerstandssperrschicht 25.
In diesem Fall ergeben sich die Widerstandssperrschichten 25 in vorteilhafter Weise in dem Ätzschritt durch Modifizieren der Struktur des supraleitenden Materials der Seitenwände 15. Im allgemeinen sind die Eigenschaften des Strahls 23 und die Verfahrensparameter des Ätzschrittes derart gewählt, dass eine übermäßige Erwärmung des die von den Strahlen 24 erzeugten Ätzstellen umgebenden Bereichs verhindert wird, um eine übermäßige Degradation der Materialien der Schicht 5, der Pufferschicht 4 und des Substrats 2 zu verhindern. Eine begrenzte Degradation dieser Materialien und insbesondere des supraleitenden Materials in unmittelbarer Nähe der Seitenwände 15 und in ei nem auf die Teile 26 beschränkten Bereich führt jedoch zur erwünschten Bildung der Widerstandssperrschichten 25.
Dank des Vorhandenseins der Widerstandssperrschichten 25 sind die Filamente 11 elektromagnetisch voneinander entkoppelt.
Gemäß einem in 3 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren dann einen Beschichtungsschritt, in dem die Filamente 11 in ein Beschichtungsmaterial, insbesondere ein Metallmaterial, das sowohl elektrisch als auch thermisch hochleitfähig ist (z.B. Cu, Ag, Au, usw.), eingebettet werden, das eine Beschichtung 30 mit einer Stärke von wenigen Mikrometern auf dem Band 1 bildet.
In dem Beschichtungsschritt wird das Beschichtungsmaterial in die Nuten 14 eingeleitet und füllt diese vollständig aus und wird darüber hinaus zur Beschichtung der Filamente 11 auf der Fläche 13 abgelagert.
Folglich ist jedes einzelne Filament 11 in einer Metallmatrix 31 eingebettet, wobei jedes Filament 11 auf drei Seiten von dem Beschichtungsmaterial umgeben ist, welches seinerseits in direktem Kontakt mit dem darunter liegenden Metallsubstrat 2 ist.
Auf diese Weise erhält man eine höchst stabilisierte Struktur.
Sodann sieht ein in 4 schematisch dargestelltes bevorzugtes Ausführungsbeispiel vor, dass das Band 1, das bereits mit den die Filamente 11 begrenzenden Nuten 14 und der (in 4 durch eine gestrichelte Linie dargestellten) Beschichtung 30 versehen ist, weiter zu einem Wickelschritt geleitet wird, in dem das Band 1 um die Achse A in Querrichtung auf sich selbst gewickelt wird, um einen supraleitenden Strang 33 mit einer Multifilamentstruktur zu bilden, in dem die Filamente 11 im wesentlichen parallel zueinander und zu der Achse A verlaufen.
Alternativ ist ein Schritt des Drehens des Bandes 1 entlang der Achse A um sich selbst vorgesehen, um einen verdrillten Strang 33 zu bilden, in dem die Filamente 11 in bezug zueinander im wesentlichen spiralig gewunden sind.
Vorzugsweise wird das Band 1 als erstes um die Achse A auf sich selbst gewickelt, um einen Strang 33 mit parallelen Filamenten 11 zu bilden, und anschließend wird der Strang 33 wiederum um sich selbst gedreht, um entlang der Achse A einen verdrillten Strang zu bilden. Auf diese Weise wird ein vorteilhafter Effekt der Verminderung der Verluste erzielt.

Claims

Supraleitendes Kompositband (1) mit einem Substrat (2) und einer Schicht (5) aus supraleitendem Material, wobei die Schicht (5) aus supraleitendem Material mehrere supraleitende Filamente (11) aufweist, die zueinander und zu einer Längsachse (A) des Bandes im wesentlichen parallel sind und voneinander beabstandet sind, wobei das Band dadurch gekennzeichnet ist, dass es eine Beschichtung (30) aus einem leitfähigen Beschichtungsmaterial aufweist, wobei die Filamente (11) in der Beschichtung (30) eingebettet sind, und dass jedes Filament (11) durch zwei Seitenwände (15) begrenzt ist, welche mit Widerstandssperrschichten (25) versehen sind.
Band nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandssperrschichten (25) durch jeweilige Bereiche (26) der Seitenwände (15) gebildet sind, in welchen das supraleitende Material eine Struktur hat, welche in bezug auf den Körper der supraleitenden Materialschicht (5) modifiziert ist.
Band nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Filamente (11) voneinander durch Nuten (14) getrennt sind, die über die gesamte Dicke der supraleitenden Materialschicht (5) durch die supraleitende Materialschicht (5) hindurch gebildet sind.
Band nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (14) durch querverlaufende Brücken (17) zum Verbinden benachbarter Filamente (11) unterbrochen sind.
Band nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Nuten (14) in ihrer Tiefe bis zu dem Substrat (2) erstrecken.
Band nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens eine Pufferschicht (4) aufweist, die zwischen dem Substrat (2) und der supraleitenden Materialschicht (5) angeordnet ist, wobei die Nuten (14) sich durch die supraleitende Materialschicht (5) und durch die Pufferschicht (4) bis zum Substrat (2) erstrecken.
Band nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial ein Metallmaterial ist.
Band nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (30) die Nuten (14) füllt und die Filamente (11) beschichtet.
Band nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Bildung eines Stranges (33) um die Achse (A) auf sich selbst gewickelt ist, bei dem die Filamente (11) im wesentlichen parallel zu der Achse (A) verlaufen.
Band nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Bildung eines verdrillten Stranges (33) entlang der Achse (A) auf sich selbst gedreht ist, bei dem die Filamente (11) in bezug zueinander im wesentlichen spiralig gewunden sind.
Band nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filamente (11) miteinander durch quer verlaufende Brücken (17) aus supraleitendem Material verbunden sind.
Verfahren zur Herstellung von supraleitenden Kompositbändern, mit dem Schritt des Vorsehens eines supraleitenden Kompositbandes (1) mit einer auf einem Substrat (2) angeordneten supraleitenden Materialschicht (5) und dem Schritt des Bildens mehrerer supraleitender Filamente (11) in der supraleitenden Materialschicht (5), welche durch jeweils zwei Seitenwände (15) begrenzt sind, wobei die Filamente (11) im wesentlichen parallel zueinander und zu einer Längsachse (A) des Bandes verlaufen und voneinander beabstandet sind, wobei das Verfahren ferner dadurch gekennzeichnet ist, dass es einen Schritt des Vorsehens der Seitenwände (15) der Filamente (11) mit Widerstandssperrschichten (25) und einen Beschichtungsschritt umfasst, in dem die Filamente (11) in ein leitfähiges Beschichtungsmaterial eingebettet werden, das eine Beschichtung (30) des Bandes (1) bildet.
Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen Ätzschritt, bei dem mehrere Nuten (14) durch die supraleitende Materialschicht (5) über die gesamte Dicke der supraleitenden Materialschicht (5) ausgebildet werden, um die Filamente (11) zu begrenzen; wobei die Widerstandssperrschichten (25) in dem Ätzschritt durch Modifizieren der Struktur des supraleitenden Materials der Wände (15) gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ätzschritt die Nuten (14) in unterbrochenen Erstreckungen derart ausgebildet werden, dass jede Nut (14) durch quer verlaufende Brücken (17) unterbrochen ist, die benachbarte Filamente verbinden.
Verfahren nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ätzschritt das Band (1) bis zu dem Substrat (2) ausgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Band (1) wenigstens eine Pufferschicht (4) aufweist, die sich zwischen dem Substrat (2) und der supraleitenden Materialschicht (5) befindet, und der Ätzschritt durch die supraleitende Materialschicht (5) und durch die Pufferschicht (4) hindurch bis zum Substrat (2) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial ein Metallmaterial ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Beschichtungsschritt das Beschichtungsmaterial die Nuten (14) füllt und die Filamente (11) beschichtet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Schritt des Wickelns des Bandes (1) um die Achse (A) auf sich selbst zur Bildung eines Stranges (33) aufweist, bei dem die Filamente (11) im wesentlichen parallel zu der Achse (A) verlaufen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Schritt des Drehens des Bandes (1) um sich selbst entlang der Achse (A) zur Bildung eines verdrillten Stranges (33) umfasst, bei dem die Filamente (11) in bezug zueinander im wesentlichen spiralig gewunden sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass es den Schritt des Verbindens der Filamente (11) durch quer verlaufende Brücken (17) aus supraleitendem Material umfasst.