DE69710113T2

DE69710113T2 - Supraleitendes Materialgemisch

Info

Publication number: DE69710113T2
Application number: DE69710113T
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Fujimoto; Masato Murakami; Ken Nagashima; Naomichi Sakai; Sang-Im Yoo
Original assignee: Railway Technical Research Institute; International Superconductivity Technology Center
Current assignee: Railway Technical Research Institute; International Superconductivity Technology Center; New Energy and Industrial Technology Development Organization
Priority date: 1996-03-22
Filing date: 1997-03-21
Publication date: 2002-09-26
Anticipated expiration: 2017-03-22
Also published as: JP3962107B2; JPH09255333A; US5920246A; EP0797261B1; EP0797261A1; DE69710113D1

Description

Diese Erfindung betrifft ein supraleitendes Verbundmaterial, das als ein supraleitender Magnet usw. nützlich ist, und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Verbundmaterials.
JP-A-7-111213 offenbart einen supraleitenden Magneten der eine Masse aus einem supraleitenden Metalloxid REBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;-δ verwendet (RE: ein seltenes Erdelement; δ: eine Zahl, die einen Sauerstoffmangel repräsentiert; dieses Metalloxid wird auch als RE-Ba-Cu-O gezeigt), die Pinningzentren enthält, die in der Lage sind, ein Magnetfeld einzufangen. Fig. 10 zeigt Jc- B-Kurven von Massen aus Y123 und Nd123. Diese Massen sind quadratische Platten mit einer Größe von 20 · 20 · 2 (cm), wie in Fig. 9 gezeigt, und zeigen eine kritische Stromdichte, wie in den Fig. 11 und 12 gezeigt. Die Verteilung des eingefangenen magnetischen Felds an einer Position, die um 12 cm von der Oberfläche der Masse beabstandet ist, wird in den Fig. 13 und 14 gezeigt, aus denen zu verstehen sein wird, daß in den Fällen der Massen aus Y123 und Nd123, die eine in Fig. 9 gezeigte Struktur aufweisen, kein starkes magnetisches Feld zu erhalten sein wird.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein supraleitendes Verbundmaterial bereitzustellen, das ein starkes magnetisches Feld ergibt.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung des obigen Verbundmaterials bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen supraleitenden Magneten bereitzustellen, der ein starkes magnetisches Feld erzeugt.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine supraleitende Spule bereitzustellen, die ein starkes magnetisches Feld erzeugt.
WO 92/18992 offenbart (in Fig. 10) eine Supraleiterstruktur, in der zwei im wesentlichen identische Massen miteinander verbunden oder laminiert sind.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verbundmaterial nach Anspruch 1 bereitgestellt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials nach Anspruch 10 bereitgestellt.
Andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, die folgt, deutlich werden, wenn sie im Lichte der beigefügten Zeichnungen betrachtet wird. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht, die eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen supraleitenden Verbundmaterials zeigt;
Fig. 2 eine graphische Darstellung, die eine Verteilung der kritischen Stromdichte des Verbundmaterials der Fig. 1 zeigt;
Fig. 3 eine graphische Darstellung, die eine Verteilung des eingefangenen Magnetfeldes des Verbundmaterials der Fig. 1 zeigt;
Fig. 4 Jc-B-Kurven von Massen aus Y123, Nd123 und Sm123;
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht, die eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen supraleitenden Verbundmaterials zeigt;
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht, die eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen supraleitenden Verbundmaterials zeigt;
Fig. 7 eine perspektivische Ansicht, die schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen supraleitenden Spule zeigt;
Fig. 8 eine bruchstückhafte perspektivische Ansicht der supraleitenden Spule der Fig. 7, die längs einer Linie A-A in Fig. 7 geschnitten ist;
Fig. 9 eine perspektivische Ansicht, die eine bekannte supraleitende Platte zeigt;
Fig. 10 Jc-B-Kurven von supraleitenden Metalloxiden Nd123 und Y123;
Fig. 11 eine graphische Darstellung, die eine Verteilung der kritischen Stromdichte der supraleitenden Platte aus Y123 der Fig. 9 zeigt;
Fig. 12 eine graphische Darstellung, die eine Verteilung der kritischen Stromdichte der supraleitenden Platte aus Nd123 der Fig. 9 zeigt;
Fig. 13 eine graphische Darstellung, die eine Verteilung des eingefangenen magnetischen Feldes der supraleitenden Platte aus Y123 der Fig. 9 zeigt; und
Fig. 14 eine graphische Darstellung, die eine Verteilung des eingefangenen magnetischen Feldes der supraleitenden Platte aus Nd123 der Fig. 9 zeigt.
Fig. 1 stellt schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen supraleitenden Verbundmaterials dar. Als 2 wird ein quadratischer Kernabschnitt bezeichnet, der eine erste Masse eines supraleitenden Metalloxids aus NdBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;-δ enthält (δ ist eine Zahl, die einen Sauerstoffmangel repräsentiert; dieses Metalloxid wird in der vorliegenden Beschreibung auch als Nd123 gezeigt). Die erste Masse weist Pinningzentren auf und ist in der Lage, ein magnetisches Feld einzufangen. Die erste Masse zeigt eine maximale supraleitende Stromdichte bei einem verhältnismäßig hohen magnetischen Feld (Fig. 12). Um den äußeren Umfang des Kernabschnitts 1 herum ist ein äußerer Abschnitt 2 vorgesehen, der eine zweite Masse eines supraleitenden Metalloxids aus YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;-δ enthält (δ ist eine Zahl, die einen Sauerstoffmangel repräsentiert; dieses Metalloxid wird in der vorliegenden Beschreibung auch als Y123 gezeigt). Die zweite Masse weist Pinningzentren auf und ist in der Lage, ein magnetisches Feld einzufangen. Die zweite Masse zeigt eine maximale supraleitende Stromdichte bei einem verhältnismäßig niedrigen magnetischen Feld (Fig. 11).
Als Ergebnis der obigen Verbundstruktur zeigt das in Fig. 1 gezeigte supraleitende Verbundmaterial eine kritische Stromdichteverteilung, wie in Fig. 2 gezeigt, und eine Verteilung des eingefangenen magnetischen Feldes an einer Position, die um 12 cm von der Oberfläche des Verbundmaterials beabstandet ist, wie in Fig. 4 gezeigt. Die maximale Stärke des magnetischen Feldes des Verbundmaterials der Fig. 1 beträgt 0,38T, was sehr viel größer als das der herkömmlichen Strukturen ist (0,23T im Fall einer Y123-Masse (Fig. 13) und 0,27T im Fall der Nd123-Masse (Fig. 14)).
Die vorliegende Erfindung kann in verschiedenen Formen ausgeführt werden. Während zum Beispiel in der Ausführungsform, die in Fig. 1 gezeigt wird, sich die beiden Massen 1 und 2 einander direkt berühren, kann irgendein geeignetes Material. wie ein Metall- oder Kunststoffkörper zwischen den beiden Massen angeordnet werden. Die Fig. 5-8 zeigen verschiedene erfindungsgemäße Ausführungsformen.
Das in Fig. 5 gezeigte Verbundmaterial ist ähnlich zu dem, das in Fig. 1 gezeigt wird, verwendet jedoch drei Massen supraleitender Metalloxide 2, 3 und 1 aus jeweils Nd123, Sm123 und Y123, wobei die Sm123-Masse 3 zwischen der Nd123-Kernmasse 2 und der äußeren Y123-Masse angeordnet ist. Die Magnetfeldabhängigkeit der kritische Stromdichte der Massen 2, 3 und 1 wird in Fig. 4 gezeigt.
Das erfindungsgemäße supraleitende Verbundmaterial wird geeignet als ein supraleitender Magnet in einer an sich bekannten Weise angewendet. Folglich wird das Verbundmaterial einem magnetischen Feld bei einer Temperatur ausgesetzt, die höher als dessen kritische Temperatur Tc ist, und wird dann auf eine Temperatur im magnetischen Feld abgekühlt, die niedrigen als Tc ist. Danach wird das Anlegen des magnetischen Felds gestoppt. Alternativ wird das Verbundmaterial zuerst auf eine Temperatur abgekühlt, die niedriger als Tc ist, und wird dann augenblicklich (in einer impulsförmigen Art) einem hohen magnetischen Feld ausgesetzt. In jedem Fall wird das magnetische Feld in den Pinningzentren der Massen eingefangen, um den supraleitenden Magnet bereitzustellen.
In der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform wird als 6 eine Kernschicht bezeichnet, die eine Masse aus Nd123 enthält. Zwei Außenschichten 5 und 7, die jeweils eine Masse aus Y123 enthalten, sind auf beiden Seiten der Kernschicht 6 vorgesehen. Falls erwünscht, kann das Verbundmaterial in der Form eines Stabes, einer Säule oder einer Röhre geformt sein.
Das erfindungsgemäße Verbundmaterial, wie in der Fig. 1 gezeigt, kann wie folgt hergestellt werden. Zuerst wird eine erforderliche Anzahl von Kern- und Außenabschnitten von Massen getrennt hergestellt. Die Abschnitte werden dann zu einer einheitlichen Struktur zusammengefügt. Alternativ wird zuerst ein Kernabschnitt hergestellt. Der Kernabschnitt wird dann in eine Lösung eingetaucht, um einen Kristall eines Supraleiters für einen Außenabschnitt zu züchten, wobei der Kernabschnitt als ein Keimkristall dient. Der gezüchtete Kristall wird geschnitten und/oder gemahlen, um einen Außenabschnitt zu bilden.
Die Fig. 7 und 8 stellen eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Verwendung als eine supraleitende Spule dar. Die supraleitende Spule umfaßt mehrerer ringförmige Körper 10a, 10b, 10c..., die axial gestapelt sind, um einen hohlen Mittelraum 14 zu bilden. Jeder der ringförmigen Körper 10a, 10b, 10c... besteht aus inneren und äußeren Abschnitten 13 und 15. Wie in Fig. 8 gezeigt, weist der innere Abschnitt 13 jedes der ringförmigen Körper mindestens einen ersten Ring 12 (drei koaxiale Ringe im dargestellten Fall) aus Nd123 auf, die in eine Matrix 17 eines leitenden Metalls, wie Cu eingebettet sind, während der Außenabschnitt 15 mindestens einen zweiten Ring 11 (drei koaxiale Ringe im dargestellten Fall) aus Y123 aufweist, die in eine Matrix 16 aus einem leitenden Metall wie Cu eingebettet sind. Es ist selbstverständlich, daß jeder der ringförmigen Körper 10a, 10b, 10c ... aus einer gemeinsamen Matrix aus einem leitenden Metall gebildet werden kann, in dem einer oder mehrere der inneren Ringe 12 und einer oder mehrere der äußeren Ringe 11 eingebettet sind.
Es ist nicht wesentlich, daß die supraleitende Ringe 11 und 12 in jedem in den Fig. 7 und 8 gezeigten ringförmigen Körper vollständig durch die Cu-Matrix umgeben sind. Die Ringe 11 und 12 können einfach in Rillen eingepaßt sein, die auf den Oberflächen der ringförmigen Cu-Körper ausgebildet sind.
Die obige supraleitende Spule kann in jeder bekannten Weise magnetisiert werden und kann ein homogenes magnetisches Feld mit hoher Stärke ergeben.
Das erfindungsgemäße supraleitende Verbundmaterial kann als ein supraleitender Magnet oder eine supraleitende Spule für vielfältige Anwendungen, wie magnetisch schwebende Züge, Katapulte und Transporter, Aufzüge für mehrgeschossige Gebäude, supraleitende elektromagnetische Marineantriebssysteme, supraleitende Motoren, supraleitende Generatoren, magnetische Trenner, magnetische Lager, Schwungräder für supraleitende magnetische Energiespeicher, Beschleuniger und NMR genutzt werden.
Das folgende Beispiel wird die vorliegende Erfindung weiter veranschaulichen.

Ausführungsbeispiel

Es wurde ein supraleitendes Verbundmaterial hergestellt, das eine in Fig. 1 gezeigte Struktur aufwies. Zuerst wurde gemäß dem OCMG-Verfahren (Sauerstoffgesteuertes Schmelzzüchtungsverfahren), das zum Beispiel in JP-A-7-187671, JP-A-7- 232917 und Applied Physics, Ausg. 64, Nr. 4, 368-371 (1995) offenbart wird, eine Masse aus Nd123 hergestellt, indem ein Pulver aus Nd&sub2;O&sub3;, BaCO&sub3; und CuO in Mengen gemischt wurde, die ein Nd:Ba:Cu-Verhältnis von 1 : 2 : 3 lieferten. Die Mischung wurde für 24 Stunden bei 900ºC gebrannt und dann in einem Platin- Mörser für 20 Minuten bei 1400ºC geschmolzen. Die Schmelze wurde zwischen Kupferhämmern mit Kühlung zu einer Platte geformt. Die Platte wurde gemahlen, und die gemahlenen Teilchen wurden zu einer Platte geformt, die eine Größe von 16 · 16 · 2 cm aufwiesen. Die geformte Platte wurde für 20 Minuten bei 1120ºC erwärmt und dann während 20 Minuten auf 1080ºC und mit einer Rate von 1ºC/Stunde auf 950ºC abgekühlt, während der Sauerstoffpartialdruck auf 0,01 atm gehalten wurde.
Danach wurde gemäß dem MPMG-Verfahren (Schmelz-Pulver- Textur-Züchtungsverfahren), das zum Beispiel in JP-A-5279032, JP-A-5-279034, JP-B-7-51463 und "Melt Processed High-Temperature Superconductors", World Scientific, herausgegeben von Masato Murakami, offenbart wird, eine Masse von Y123 um die obige Nd123-Masse herum gebildet. Pulver aus Nd&sub2;O&sub3;, BaCO&sub3; und CuO wurden in Mengen gemischt, die ein Y:Ba:Cu-Verhältnis von 1,8 : 2,4 : 3, 4 lieferten. Die Mischung wurde für 24 Stunden bei 900ºC gebrannt und dann für 20 Minuten in einem Platinmörser bei 1400ºC geschmolzen. Die Schmelze wurde zwischen Kupferhämmern mit Kühlung zu einer Platte geformt.
Die Platte wurde gemahlen, und die gemahlenen Teilchen wurden mit 10 Gew.-% Ag&sub2;O-Pulver (beruhend auf dem Gewicht der gemahlenen Teilchen) gemischt. Die Mischung wurde um die obige Nd123-Masse angeordnet und geformt, um eine Verbundplatte zu bilden, die eine Größe von 20 · 20 · 2 cm aufwies. Die Verbundplatte wurde für 30 Minuten auf 1040ºC erwärmt und dann während 10 Minuten auf 980ºC und mit einer Rate von 1ºC/Stunde auf 900ºC abgekühlt. Nachdem man sie auf Raumtemperatur abkühlen gelassen hatte, wurde die Verbundplatte in einem Sauerstoffstrom bei einem Sauerstoffdruck von 1 atm auf 500-600ºC erwärmt. Diese ließ man dann auf Raumtemperatur abkühlen, wodurch ein supraleitendes Verbundmaterial erhalten wurde. Im allgemeinen wird Y123 bei etwa 1000ºC in Luft gebildet. Durch den Einbau von Ag nimmt der Schmelzpunkt um etwa 40ºC (von 1000ºC auf 960ºC) ab. Da die Nd123-Phase bei 1090ºC in Luft gebildet wird, bewirkt die obige Wärmebehandlung keine Änderung im Kern Nd123.
Für den Zweck der vorliegenden Erfindung kann irgendein anderes geeignetes Verfahren, als die oben beschriebenen OCMG und MPMG-Verfahren, zur Herstellung einer Masse eines supraleitenden Oxids, das Pinningzentren aufweist, und in der Lage ist, ein magnetisches Feld einzufangen, verwendet werden.
Die Erfindung kann in anderen spezifischen Formen ausgeführt werden, ohne deren Geist oder deren wesentliche Eigenschaften zu verlassen. Die vorliegenden Ausführungsformen werden daher in jeder Hinsicht als veranschaulichend und nicht beschränkend betrachtet, wobei der Rahmen der Erfindung eher durch die beigefügten Ansprüche als durch die vorhergehende Beschreibung angegeben werden, und es ist beabsichtigt, daß alle Änderungen, die in die Ansprüche fallen, daher darin eingeschlossen sind.

Claims

1. Verbundmaterial mit mehreren Abschnitten (1, 2; 1, 2, 3; 5, 6, 7; 13, 15), die zu einer einheitlichen Struktur integriert sind, wobei jeder Abschnitt eine Masse eines supraleitenden Metalloxids aus RE-Ba-Cu-O aufweist, wobei RE ein seltenes Erdelement repräsentiert, wobei die Masse jedes der Abschnitte Pinningzentren aufweist und in der Lage ist, ein magnetisches Feld einzufangen, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse eines ersten (2; 2; 6; 13) der Abschnitte eine maximale supraleitende Stromdichte bei einem magnetischen Feld aufweist, das sich von dem magnetischen Feld unterscheidet, bei dem die Masse eines zweiten (1; 1; 5; 15) der Abschnitte eine maximale supraleitende Stromdichte aufweist.

2. Verbundmaterial nach Anspruch 1, wobei das seltene Erdelement RE im ersten Abschnitt (2; 2; 6; 13) sich von jenem im zweiten Abschnitt (1; 1; 5; 15) unterscheidet.

3. Verbundmaterial nach Anspruch 1, wobei die Masse des ersten Abschnitts (2; 2; 6; 13) eine maximale supraleitende Stromdichte bei einem höheren magnetischen Feld als dem magnetischen Feld zeigt, bei dem die Masse des zweiten Abschnitts (1; 1; 5; 15) eine maximale supraleitende Stromdichte zeigt.

4. Verbundmaterial nach Anspruch 3, in dem:

der erste Abschnitt (2) ein Kernabschnitt ist, der eine äußere Umfangsfläche aufweist; und

der zweite Abschnitt (1) ein äußerer Abschnitt ist, der den äußeren Umfang des Kernabschnitts umgibt.

5. Verbundmaterial nach Anspruch 4, wobei die erste Masse Nd- Ba-Cu-O und die zweiten Masse Y-Ba-Cu-O ist.

6. Verbundmaterial nach Anspruch 5, in dem der zweite Abschnitt (1) ein Abschnitt ist, der aus einer Lösung auf den äußeren Umfang des ersten Abschnitts (2) gezüchtet ist.

7. Verbundmaterial nach Anspruch 3, in dem der erste Abschnitt (6) ein Kernabschnitt in der Form einer Schicht ist, die gegenüberliegende Seiten aufweist;

der zweite Abschnitt (5) in der Form einer Schicht vorliegt und auf der ersten Seite des Kernabschnitts vorgesehen ist; und

ein dritter (7) der Abschnitte in der Form einer Schicht vorliegt und auf einer zweiten Seite des Kernabschnitts vorgesehen ist, wobei der dritte Abschnitt (7) eine maximale supraleitende Stromdichte bei einem niedrigeren magnetischen Feld als dem magnetischen Feld zeigt, bei dem der erste Abschnitt (6) eine maximale supraleitende Stromdichte zeigt.

8. Verbundmaterial nach Anspruch 7, in dem die zweiten und dritten Abschnitte aus einer Lösung auf den ersten Abschnitt gezüchtet werden.

9. Verbundmaterial nach Anspruch 7 wobei die Masse des ersten Abschnitts (6) Nd-Ba-Cu-O ist, und die Masse des zweiten Abschnitts (5) und des dritten Abschnitts (7) Y-Ba-Cu-O ist.

10. Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials, das die Schritte aufweist:

getrenntes Vorbereiten mehrerer Abschnitte (1, 2), wobei jeder Abschnitt eine Masse eines supraleitenden Metalloxids aus RE-Ba-Cu-O aufweist, wobei RE ein seltenes Erdelement repräsentiert, wobei die Masse jedes der Abschnitte Pinningzentren aufweist und in der Lage ist, ein magnetisches Feld einzufangen; und

Zusammenfügen der mehreren Abschnitte zu einer einheitlichen Struktur;

dadurch gekennzeichnet, daß ein erster (2) der Abschnitte eine maximale supraleitende Stromdichte bei einem magnetischen Feld aufweist, das sich von dem magnetischen Feld unterscheidet, bei dem ein zweiter (1) der Abschnitte eine maximale supraleitende Stromdichte aufweist.

11. Supraleitender Magnet, der ein Verbundmaterial nach Anspruch 1 und eine Einrichtung zur Magnetisierung des Verbundmaterials aufweist.

12. Supraleitende Spulenvorrichtung, die mehrere Körper (10a, 10b, 10c) eines Materials nach Anspruch 3 aufweist, wobei die Körper (10a, 10b, 10c) ringförmig und axial gestapelt sind, und aus einem leitenden Material (16, 17) bestehen, wobei für jeden der Körper (10a, 10b, 110c) die Masse des jeweiligen ersten Abschnitts (13) aus mindestens einem ersten Ring (12) besteht, der in das leitende Material eingebettet ist, die Masse des jeweiligen zweiten Abschnitts (15) aus mindestens einem zweiten Ring (11) besteht, der in das leitende Material eingebettet ist, und der mindestens eine erste Ring (12) koaxial mit dem mindestens einen zweiten Ring (11) ist und innerhalb des zweiten Rings (11) angeordnet ist.

13. Supraleitende Spulenvorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Masse (12) des ersten Abschnitts (13) Nd-Ba-Cu-O ist und die Masse (11) des zweiten Abschnitts (15) Y-Ba-Cu-O ist.