DE68925176T2 - Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Metallmatrix-Verbundkörpers - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Metallmatrix-VerbundkörpersInfo
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Description
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines supraleitenden Metallmatrix-Verbundkörpers bzw. Verbundwerkstoffes.
- Jüngste Entdeckungen von supraleitenden Keramikoxidmaterialien ließen die kritische Temperatur des Supraleiters beträchtlich ansteigen und haben die Kosten des zur Kühlung des Supraleiters unterhalb der kritischen Temperatur benötigten Kühlmaterials verringert. Ein Nachteil verschiedener Keramikoxidmaterialien ist der, daß diese spröde sind und brechen, wenn sie gebrannt bzw. flammen- bzw. feuer-gehärtet werden, was die Formen einschränkt, in welche sie nach dem Brennen gebracht werden können. Wenn die Supraleitfähigkeit wegen eines Anstiegs der Temperatur oder aus anderen Gründen verloren geht, könnte ein keramischer Supraleiter außerdem die Leitfähigkeit verlieren und einen Schaden für andere Elemente in dem zugeordneten elektrischen Schaltkreis bewirken.
- Die WO-A-89/01706 sowie "A novel metal matrix high Tc superconducting composite", veröffentlicht in Advanced Ceramic Materials, Spezialausgabe, Band 2 (3B), Juli 1987, Seiten 319 bis 321 beschreiben ein supraleitendes Verbundmaterial, welches ein keramisches supraleitendes partikelförmiges Material und eine normale Metallmatrix sowie die Verwendung von Silber als Matrixmetall aufweist. Bei einem der Ausführungsbeispiele ist die Konzentration der supraleitenden keramischen Partikel kleiner als die Perkolationskonzentration, so daß die Metallmatrix die supraleitenden keramischen Partikel einkapselt. Bei dem in diesen Dokumenten beschriebenen Verfahren sind Heizen, spezielles Sintern und/oder Sauerstoffglühen bzw. -vergüten ein Erfordernis zur Herstellung des Verbundwerkstoffes.
- Das der Erfindung zugrundeliegende Problem besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen eines supraleitenden Metallmatrix-Verbundkörpers zu schaffen, welcher die Anwendung von Wärme weder für das Sintern noch für das Sauerstoffglühen zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundwerkstoffes mit supraleitenden Eigenschaften benötigt.
- Gemäß der Erfindung wird dieses Problem mittels eines Verfahrens gemäß Anspruch 1 gelöst.
- Weitere vorteilhafte Weiterentwicklungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 4 aufgeführt.
- Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Herstellen eines supraleitenden Metallmatrix-Verbundkörpers, welcher ein partikelförmiges Metall aufweist, welches ein supraleitendes partikelförmiges Material aufweist, das innerhalb des partikelförmigen Metalls dispergiert ist. Wärme und Druck werden auf das Gemisch angewendet, um die Matrix des Verbundwerkstoffes zu verdichten. Die Dispersion des supraleitenden partikelförmigen Materials in der Metallmatrix bewirkt, daß das Metall auch supraleitend infolge eines Nachbarschaftseffektes wird. Die Metallmatrix kapselt die supraleitenden Partikel ein, welche eine Degradation der supraleitenden Partikel hemmen, welche wegen der chemischen Reaktionen zwischen den supraleitenden Partikeln und der äußeren Umgebung auftreten kann. Das Metall schafft außerdem einen Grad von Leitung für den Verbundwerkstoff, falls die Supraleitfähigkeit infolge eines Temperaturanstieges oder wegen anderer Gründe verlorengehen sollte.
- Des weiteren ist ein Sauerstoffglühen nach einer Verdichtung bei dem Verfahren der Erfindung nicht erforderlich, da es der Keramik ermöglicht wird, ihre supraleitenden Eigenschaften beizubehalten. Das bedeutet, daß sie keiner Erwärmung ausgesetzt wird, die zu einer Sauerstoffverarmung führen würde.
- Nachfolgend wird eine Erklärung der Erfindung mittels der beigefügten Zeichnung vorgenommen.
- Fig. 1 ist eine Perspektivansicht eines elektrischen Leiters, welcher einen supraleitenden Verbundwerkstoff gemäß der Erfindung aufweist.
- Fig. 2 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 2-2 von Fig. 1.
- Fig. 3 ist ein Diagramm, welches das supraleitende Regime des supraleitenden Verbundwerkstoffes der Erfindung in Abhängigkeit von der Temperatur, der aktuellen Dichte und dem angelegten magnetischen Feld zeigt.
- Ein Leiter 10, der aus supraleitenden Metallmatrix-Verbundwerkstoffen der Erfindung hergestellt werden kann, ist in Fig. 1 beschrieben. Der Leiter 10 wird unter Verwendung eines supraleitenden keramischen Materials wie z.B. Yttrium-Barium-Kupferoxid hergestellt, welches zur Bildung eines supraleitenden partikelförmigen Materials fein gemahlen ist. Ein partikelförmiges Metall, wie z.B. Silber oder Silberoxid, wird mit dem supraleitenden partikelförmigen Material gemischt, so daß eine Vielzahl von supraleitenden Partikeln 11 (Fig. 2) überall in einem partikelförmigen Metall 12 dispergiert ist. Das Gemisch wird unter Druck gesetzt und Wärme ausgesetzt, um die supraleitenden Partikel in eine dichte kontinuierliche Metallmatrix einzulagern. Der daraus resultierende Verbundwerkstoff kann in supraleitende Drähte und Spulen für Magnete hoher Feldstärken ausgebildet werden, welche bei zahlreichen Energieerzeugungs- und Übertragungsvorrichtungen angewendet werden.
- Wenn der Leiter 10 unter eine kritische Temperatur Tc (Fig. 3) gekühlt wird, weisen die supraleitenden Partikel einen scharfen Abfall im Widerstand bezüglich elektrischen Stromes auf. Wegen des allgemein bekannten Nachbarschaftseffektes fällt der Widerstand des partikelförmigen Metalls ebenfalls scharf, so daß der gesamte Verbundwerkstoff unterhalb der Temperatur Tc supraleitend ist.
- Zusätzlich zur Herstellung von verformbaren bzw. ductilen Drähten und zu der Eigenschaft, daß ein Material infolge des Nachbarschaftseffektes supraleitend wird, schafft das Metall 12 von Fig. 2 auch einen elektrischen Stromweg durch den Leiter 10, falls das keramische Material seine supraleitenden Eigenschaften verlieren sollte. Dieser Stromweg könnte einen Schaden von elektrischen Elementen in einem Schaltkreis verhindern, wenn das keramische Material nicht mehr supraleitend ist. Das Metall 12 (Fig. 2) schafft des weiteren eine bessere Wärmedissipation als der keramische Abschnitt und kann verhindern, daß die Leitertemperatur über den kritischen Wert ansteigt. Die Metallmatrix gewährleistet des weiteren ein schnelleres Schalten von einem supraleitenden Zustand in einen nichtsupraleitenden Zustand des Leiters 10 (Fig. 1).
- Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, gibt es drei kritische Parameter des supraleitenden Materials, welche bestimmen, ob das Material ein Supraleiter ist. Als erstes muß die Temperatur des Materials kleiner sein als eine kritische Temperatur Tc. Zweitens muß das magnetische Feld, in welchem das Material sich befindet, kleiner sein als ein kritischer Wert Hc2. Drittens muß die Stromdichte im Leiter geringer sein als ein kritischer Wert Jc.
- Ein Problem bei der Verarbeitung eines keramischen supraleitenden Materials ist das, daß Wärme bewirken kann, daß Sauerstoff von den supraleitenden Partikeln verloren geht, was seinerseits bewirkt, daß das keramische Material seine supraleitenden Eigenschaften verliert. Bei der Erfindung werden die Metallpartikel 12 (Fig. 2), welche die keramischen Partikel 11 umgeben, in eine dichte kontinuierliche Matrix durch die Anwendung von Wärme und Druck überführt, so daß die Temperatur der keramischen Partikel nicht ein Niveau übersteigt, welches zu einem deutlichen Verlust an Sauerstoff führt.
- Nachfolgend ist ein Beispiel eines Verbundwerkstoffes beschrieben, welcher als ein Supraleiter eingesetzt werden kann: Der Verbundwerkstoff kann durch zunächst Mischen des supraleitenden Yttrium-Barium-Kuprat- Pulvers einer Partikelgröße von 1,77 x 10&supmin;¹ mm und 3,45 x 10&supmin;¹ mm (45 bis 80 mesh) mit reinem Silberpulver einer Partikelgröße von 2,4 bis 4,0 um hergestellt werden. Das Gemisch wird einachsig kalttrocken-gepreßt bei etwa 282,7 MPa (41,000 psi) in einer Stahlform mit 12,70 mm (0,5 inch) Durchmesser. Die Form wird dann vor einem Einleiten des Heißpreßzyklusses auf etwa 35,2 MPa (5,100 psi) vorbelastet. Das Material wird durch Erwärmen der Form auf 385ºC in etwa 10 Minuten und Beibehalten der Temperatur bei 385ºC während weiterer 40 Minuten heiß-gepreßt. Während des Aufwärmabschnittes des Zyklusses läßt man den Druck von 35,2 auf 47,6 MPa (von 5,100 auf 6,900 psi) ansteigen. Während des 40-minütigen Temperaturhalteabschnittes des Zyklusses läßt man den Druck von 47,6 MPa auf 34,5 MPa (von 6,900 psi auf 5,000 psi) absinken. Nach dem 40minütigen Temperaturhalten bei 385ºC werden die Form und das Material rasch auf Raumtemperatur abgekühlt. Eine Vielzahl weiterer Materialien kann zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes verwendet werden.
- Somit schafft das Mischen eines partikelförmigen Metalls mit einem supraleitenden keramischen partikelförmigen Material ein festeres, verformbareres Material, welches in die Form eines Drahtleiters gebracht werden kann. Das partikelförmige Metall wird auch infolge des Nachbarschaftseffektes supraleitend und schafft einen elektrischen Stromweg durch den Drahtleiter, falls das keramische Material nicht supraleitend werden sollte.
- Obwohl die betrachtete beste Art zum Ausführen der Erfindung hier gezeigt und beschrieben worden ist, ist klar, daß Modifikationen und Abweichungen ausgeführt werden können, ohne von dem Gegenstand der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.
Claims (4)
1. Verfahren zum Herstellen eines supraleitenden
Metallmatrix-Verbundkörpers, wobei
ein supraleitendes Material in Partikelform gebracht wird,
ein pulverförmiges Metallmaterial diesen Partikeln zugegeben
wird,
die supraleitenden Partikel mit dem pulverförmigen
Metallmaterial vermischt werden,
das Gemisch auf eine Vorlast von ungefähr 35,2 MPa (5,100
psi) einachsig kalttrocken-gepreßt wird,
das Material auf 385ºC über einen Zeitraum von ungefähr 10
Minuten erhitzt wird,
der aufgebrachte Druck von 35,2 MPa (5,100 psi) über diesen
Zeitraum von 10 Minuten auf 47,611 MPa (6,900 psi) erhöht wird,
das Gemisch für 40 Minuten auf einer Temperatur von 385ºC
gehalten wird und
das Gemisch schnell auf Raumtemperatur abgekühlt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das supraleitende Material in
eine Partikelgröße von zwischen 1,77 x 10&supmin;¹ und 3,45 x 10&supmin;¹ mm (45
und 80 mesh) vorbereitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das pulverförmige Metallmaterial
Silberpulver mit einer Partikelgröße von zwischen 2,4 und 4,0 um
ist.
4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die supraleitenden Partikel
Yttrium-Barium-Kuprat-Pulver sind.
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