JP2011124575A - 機械強度が向上した超電導体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】軸方向に沿って延び、第1の延性材料から作られた基材(4)を含む中空管(1)は、基材(4)中に、管(1)の軸方向に沿って延びる複数の連続フィラメント(5)が分布しており、連続フィラメント(5)が第2の延性材料でできていることを特徴とする。本発明を用いると、超電導線の良質な機械的補強、特に、後に熱間押出しを実施することなく使用することができる超電導線の良質な機械的補強を達成することができる。
【選択図】図2
Description
軸方向に沿って延び、
第1の延性材料から作られた基材(matrix)を含む
中空管に関する。
本発明の管の有利な一変形形態では、
基材の第1の延性材料が、高電気伝導率および高熱伝導率の材料、すなわちフィラメントの第2の延性材料の電気伝導率σ2および熱伝導率k2よりも大きな電気伝導率σ1および熱伝導率k1を有する材料、特にそのような金属または合金であり、
フィラメントの第2の延性材料が、高耐力の材料、すなわち基材の第1の材料の耐力ys1よりも大きな耐力ys2を有する材料、特にそのような金属または合金であることを提供する。この場合、基材は、クエンチの場合のその保護機能に集中することができるが、フィラメントによって機械的に強化される。なお、一般に、σ1は5×107S/m以上、k1は350W/(mK)以上である。これらの値はそれぞれ室温で測定する。
フィラメントの第2の延性材料が、高電気伝導率および高熱電気伝導率の材料、すなわち基材の第1の延性材料の電気伝導率σ1および熱伝導率k1よりも大きな電気伝導率σ2および熱伝導率k2を有する材料、特にそのような金属または合金であり、
基材の第1の材料が、高耐力の材料、すなわちフィラメントの第2の材料の耐力ys2よりも大きな耐力ys1を有する材料、特にそのような金属または合金である
ことを特徴とする。このケースでは、基材は、この中空管から製造された超電導線を機械的に効果的に強化することができる。一般に、σ2は5×107S/m以上、k2は350W/(mK)以上である。これらの値はそれぞれ室温で測定する。
− 金属基材、特にCuまたはCu基固溶合金の金属基材と、
− 粒子または非連続繊維、特に材料Nb、Nb合金、Ta、Ta合金、Ti、Ti合金、V、V合金、Zr、Zr合金、Hf、Hf合金、Mo、Mo合金、Fe、Fe合金、Ni、Ni合金のうちの1種または数種の材料の粒子または非連続繊維と
から作られた金属基複合材料である実施形態も好ましい。この非連続繊維は、基材材料を機械的に強化する。この非連続繊維の長さは管の長さよりもはるかに短く、一般に20〜1000μmである。
以下の一連のステップを特徴とする方法も本発明の範囲に含まれる:
a)上述の本発明の中空管を用意するステップ、
b)中空管のボアに、超電導材料または超電導体前駆材料、特に複数の超電導体前駆ロッドを挿入するステップ、
c)超電導材料または超電導体前駆材料を含む管を、管の直径を低減させる機械的変形にかけるステップ。この方法は、単純な手段によって低コストの強化超電導構成部品を提供する。この補強は、冷間リスタック段階で実施される。補強材を含む中空管は、リスタッキングの前に製造する。なお、本発明によれば、ステップc)後の管の直径は一般に0.5〜2mm、超電導体前駆ロッドの有効径は一般に20〜50μmである。
管の周縁から管材料の一部を除去し、そうすることで管の外径を低減させ、
特に、管材料の除去後、管の外面からフィラメントが露出することを提供する。この手段によって、構成部品の管部分の機械的特性および伝導率特性を調整することができる。材料の除去は、例えばシェービングまたは旋削または化学エッチングによって実施することができる。管材料の除去は、特にエッチングを行うときに基材材料に限定することができる。材料の除去は一般に、ステップa)の最中、またはステップc)の前、またはステップc)の後に実施する。
補強フィラメントを有するこの好ましい実施形態の管は、Cu基材とTaから作られた連続縦フィラメントとを有する。この材料の組合せの利点は、Cuが高い電気伝導率を有すること、ならびに管の製造に必要な押出し中または最終的な線の内部における超電導フィラメントの形成に必要な反応熱処理中にCu基材およびTa原子がさらされる高温においても、Cu基材中でのTa原子の拡散がごくわずかであることである。本実施形態は、内部Snルートまたはパウダーインチューブルートによって強化Nb3Sn超電導線の製造に特に適している。
補強フィラメントを有するこの好ましい実施形態の管は、Cu基材4とTaから作られた連続縦フィラメント5とを有する。図3を対照されたい。本実施形態も、強化Nb3Sn超電導体を製造する目的に特に適している。
他の好ましい実施形態では、より低度の補強が必要となる用途に対して、管1の壁2内の補強フィラメント5が、環状扇形5aの形状に形成され、酸化物分散強化(ODS)Cuから作られる。図5を参照されたい。Cuよりもかなり強いこの材料は、匹敵する強度の他の材料と比べたときに、比較的に高い電気伝導率および熱伝導率を有する。典型的な一構成では、ODS−Cuから作られた6本の環状弓形5aが管壁2の円環の2/3を占める。環状弓形以外の部分、すなわち基材4は、特定の半径方向経路に沿った優れた電気および熱コンダクタンスを保証する高純度Cuからなる。この実施形態も、Nb3Sn超電導体を製造する目的に特に適している。
MgB2パウダーインチューブ型の超電導体を製造するためには、反応熱処理中にMg、BまたはMgB2とあまり反応しない材料の管を使用することが望ましい。金属間化合物MgCu2を形成するため、Cuは、MgB2超電導体の前駆粉末と接触する材料としては排除される。Fe、Ni、Nb、TaまたはTiは、MgB2前駆材料とあまり反応せず、したがって、これらの金属は、このような用途に対して、管の形態で、またはMgB2前駆粉末を、この粉末を内包する管の残りの部分から分離するバリヤとして使用される通常の材料である。バリヤの場合には、管材料を、多芯線を形成する後のリスタッキングで使用する細長いロッドへの変形を成功させる耐力と変形能の適切な組合せを有する任意の金属材料とすることができる。バリヤが存在する場合であっても、Cuはしばしば軟らかすぎて、MgB2前駆粉末を内包する管の材料とはなりえず、アセンブリを所望のサイズにうまく変形することができない。
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2 管壁
3 中心ボア
4 基材
4a 管1の内壁
4b 管1の外形
5 フィラメント
5a 環状扇形フィラメント
6 サブエレメント
7 隙間
8 サブエレメント束
9a 超電導相前駆材料または超電導コア
9b Cu層
10 サブエレメント
11 バリヤ
12 構成部品
13 超電導体前駆ロッド
Claims (15)
- 超電導体前駆ロッド(13)などの超電導体前駆材料をそのボア(3)に挿入する中空管(1)であって、
軸方向に沿って延び、
第1の延性材料から作られた基材(4)を含む
中空管(1)において、
前記基材(4)中に、前記管(1)の前記軸方向に沿って延びる複数の連続フィラメント(5)が分布しており、前記連続フィラメント(5)が第2の延性材料でできている
ことを特徴とする中空管(1)。 - 前記基材(4)の前記第1の延性材料が、高電気伝導率および高熱伝導率の材料、すなわち前記フィラメント(5)の前記第2の延性材料の電気伝導率σ2および熱伝導率k2よりも大きな電気伝導率σ1および熱伝導率k1を有する材料、特にそのような金属または合金であり、
前記フィラメント(5)の前記第2の延性材料が、高耐力の材料、すなわち前記基材(4)の前記第1の材料の耐力ys1よりも大きな耐力ys2を有する材料、特にそのような金属または合金である
ことを特徴とする、請求項1に記載の管(1)。 - 前記フィラメント(5)の前記第2の延性材料が、高電気伝導率および高熱電気伝導率の材料、すなわち前記基材(4)の前記第1の延性材料の電気伝導率σ1および熱伝導率k1よりも大きな電気伝導率σ2および熱伝導率k2を有する材料、特にそのような金属または合金であり、
前記基材(4)の前記第1の材料が、高耐力の材料、すなわち前記フィラメント(5)の前記第2の材料の耐力ys2よりも大きな耐力ys1を有する材料、特にそのような金属または合金である
ことを特徴とする、請求項1に記載の管(1)。 - 前記高電気伝導率および高熱伝導率の材料が、群Cu、Cu合金、Ag、Ag合金の中から選択されたものであることを特徴とする、請求項2または3に記載の管(1)。
- 前記高耐力の材料が、群Nb、Nb合金、Ta、Ta合金、Ti、Ti合金、V、V合金、Zr、Zr合金、Hf、Hf合金、Mo、Mo合金、Fe、Fe合金、Ni、Ni合金、Cu合金の中から選択されたものであることを特徴とする、請求項2から4の一項に記載の管(1)。
- 前記高耐力の材料が、
金属基材、特にCuまたはCu基固溶合金の金属基材と、
粒子または非連続繊維、特に材料Nb、Nb合金、Ta、Ta合金、Ti、Ti合金、V、V合金、Zr、Zr合金、Hf、Hf合金、Mo、Mo合金、Fe、Fe合金、Ni、Ni合金のうちの1種または数種の材料の粒子または非連続繊維と
から作られた金属基複合材料であることを特徴とする、請求項2から5の一項に記載の管(1)。 - 前記管(1)が円形の外形(4b)を有することを特徴とする、請求項1から6のいずれか一項に記載の管(1)。
- 前記管(1)が、多角形の断面、特に六角形の断面、または円形の断面をそれぞれが有するロッドの束(8)の外形に一致した形状(4a)を有するボア(3)を有することを特徴とする、請求項1から7のいずれか一項に記載の管(1)。
- 前記管(1)の前記ボア(3)の断面積ABと、前記基材(4)と前記フィラメント(5)の総断面積ATとの比AB/ATが0.25から9、好ましくは0.5から2であることを特徴とする、請求項1から8の一項に記載の管(1)。
- 前記基材(4)中に分布した前記フィラメント(5)が、基材(4)とフィラメント(5)の総面積ATの10%から90%、好ましくは35%から55%を占めることを特徴とする、請求項1から9の一項に記載の管(1)。
- 前記基材(4)中の前記連続フィラメント(5)が、前記基材(4)および前記フィラメント(5)の前記第2の延性材料の前記第1の延性材料とは異なる第3の延性材料のシースで覆われていることを特徴とする、請求項1から10の一項に記載の管(1)。
- 管(1)の中に配置された超電導材料または超電導体前駆材料を含む構成部品(12)、特にそのような線またはロッドまたはテープを製造する方法であって、
以下の一連のステップを特徴とする方法:
a)請求項1から11の一項に記載の中空管(1)を用意するステップ、
b)前記中空管(1)の前記ボア(3)に、超電導材料または超電導体前駆材料、特に複数の超電導体前駆ロッド(13)を挿入するステップ、
c)前記超電導材料または前記超電導体前駆材料を含む前記管(1)を、前記管(1)の直径を低減させる機械的変形にかけるステップ。 - ステップc)と同時に、またはステップc)の後に熱を発生させ、その際に、前記超電導体前駆材料が反応して、その対応する超電導体に変化することを特徴とする、請求項12に記載の方法。
- 前記管(1)の周縁から管材料の一部を除去し、そうすることで管(1)の外径を低減させ、
特に、管材料の前記除去後、前記管(1)の外面(4b)から前記フィラメント(5)が露出する
ことを特徴とする、請求項12または13に記載の方法。 - 請求項1から14の一項に記載の方法によって製造された管(1)の中に配置された超電導材料または超電導体前駆材料、特に超電導体前駆ロッド(13)を含む構成部品(12)、特にそのような線またはロッドまたはテープ。
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