JP2018529180A - 補強された超電導性ワイヤの製造 - Google Patents

補強された超電導性ワイヤの製造 Download PDF

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Abstract

種々の実施形態では、超伝導性ワイヤは、ワイヤマトリクス内に埋設された被覆加工された複合フィラメントおよび／または安定化複合フィラメントのアセンブリを特徴とする。本ワイヤは、改良された機械的特質のための１つまたはそれを上回る安定化要素を含んでもよい。本発明の種々の実施形態によると、超伝導性ワイヤおよび／またはその前駆体は、ワイヤマトリクスのものより優れた１つまたはそれを上回る機械的特質を有する１つまたはそれを上回る金属、および／または超伝導性である、もしくは続いて、１つまたはそれを上回る他の種と反応し、超伝導性相を生産する、モノフィラメントを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、１つもしくはそれを上回る安定化要素を特徴とする。

Description

（関連出願）
本願は、２０１５年７月１４日に出願された米国仮特許出願第６２／１９２，３２１号の利益およびそれに対する優先権を主張するものであり、該米国仮特許出願の全体の開示は、参照により本明細書中に援用される。
種々の実施形態では、本発明は、付加的機械的強度のために補強される、超伝導性ワイヤの形成および処理に関する。
超伝導性材料は、その特性臨界温度を下回って冷却されると、電気抵抗を呈さない。窒素の７７Ｋ沸点より高い臨界温度を有する、高温超伝導体材料が、同定されているが、これらの材料は、多くの場合、エキゾチックであって（例えば、ペロブスカイトセラミック）、処理が困難であって、高磁場用途に好適ではない。したがって、ワイヤおよびコイルならびにその束を要求する実践的超伝導性用途のために、金属超伝導体Ｎｂ−ＴｉおよびＮｂ３Ｓｎが、最も多くの場合、利用される。これらの材料は、７７Ｋを下回る臨界温度を有するが、セラミックベースの解決策と比較して、これらの材料の処理（例えば、ワイヤに延伸する）の相対的容易性ならびに高電流および高磁場におけるその動作能力は、その広範な使用をもたらしている。
典型的金属超伝導性ワイヤは、銅（Ｃｕ）伝導性マトリクス内に埋設された超伝導性相の複数のストランド（または「フィラメント」）を特徴とする。これは、多数の異なる用途のために利用される金属超伝導性ワイヤの加工の成功をもたらしているが、結果として生じるワイヤは、多くの場合、不十分な機械的強度を呈する。超伝導性フィラメントを囲繞する銅マトリクスは、ある程度の機械的安定性を提供するものの、銅は、非常に延性であって、容易に変形される材料である。したがって、十分に延性（したがって、ワイヤに延伸可能）であって、高温熱処理の間、銅（またはＣｕベースの）ワイヤマトリクスの中に過度に拡散しない（したがって、その伝導性を損なわせない）、機械的安定化材を組み込む、改良された金属超伝導性ワイヤの必要性がある。
本発明の種々の実施形態によると、超伝導性ワイヤおよび／またはその前駆体（例えば、ワイヤを形成するために利用される複合フィラメント）は、ワイヤマトリクス（典型的には、ワイヤへの延伸性を促進するためのＣｕをベースとする）のものより優れた１つまたはそれを上回る機械的特質（例えば、強度、降伏強度、引張強度、堅度、ヤング係数等）を有する１つまたはそれを上回る金属、および／または超伝導性である、もしくは続いて、１つまたはそれを上回る他の種（例えば、Ｓｎ）と反応し、超伝導性相を生産する、モノフィラメント（典型的には、Ｎｂベース）を含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、１つもしくはそれを上回る安定化要素を特徴とする。本発明の実施形態による、例示的安定化要素は、タンタル（Ｔａ）またはＴａ合金を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。前述のように、安定化要素は、典型的には、Ｎｂを含有する、複数のモノフィラメントおよび／または複合フィラメントとともに、Ｃｕベースのワイヤマトリクス内に配置される。１つまたはそれを上回る安定化要素は、複合フィラメントもしくは超伝導性ワイヤの略中心に配置されてもよく、および／または１つもしくはそれを上回る安定化要素は、複合フィラメントまたは超伝導性ワイヤのコアから離れて（例えば、周縁に近接して）配置されてもよい。複合フィラメント（および種々の実施形態では、安定化要素）は、ワイヤ内への種々の要素の効率的スタック化を促進する断面形状（例えば、六角形、正方形、長方形、三角形）を有してもよい。本発明の実施形態によると、モノフィラメントはそれぞれ、Ｃｕベースのマトリクス内のＮｂベースのコアを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよく、モノフィラメントのスタックされたアセンブリは、Ｃｕベースのマトリクス内に配置され、複合フィラメントを形成するように延伸されてもよい。したがって、複合フィラメントはそれぞれ、Ｃｕベースのマトリクス内の複数のＮｂベースのモノフィラメントを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。複合フィラメントのように、モノフィラメントはまた、複合フィラメント内への効率的スタック化を促進する断面形状（例えば、六角形、正方形、長方形）を有してもよく、本断面形状は、複合フィラメントの断面形状と同一または異なってもよい。
種々の実施形態では、複合フィラメントは、Ｃｕベースのマトリクス（例えば、Ｃｕベースの管）内に配置され、超伝導性ワイヤ（またはその前駆体）に延伸され、熱処理される。複合フィラメントのうちの１つまたはそれを上回るものはそれ自体が、その中の安定化要素を用いて安定化されてもよく、および／または１つもしくはそれを上回る安定化要素が、複合フィラメントに加え、超伝導性ワイヤのＣｕベースのマトリクス内に配置されてもよい。種々の実施形態では、安定化要素は、例えば、約３％Ｗ（すなわち、Ｔａ−３Ｗ）を含む、Ｔａ−Ｗ合金を含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。種々の他の要素では、安定化要素は、Ｔａと窒素、例えば、タンタル窒化物、および／または炭素、例えば、炭化タンタルの合金を含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。
本発明の実施形態による、安定化要素の優れた機械的特質は、ワイヤを過度に大きくせずに、改良された機械強度を最終超伝導性ワイヤに提供する。（対照的に、より少ない機械的特質を伴う種々の他の金属安定化材の使用は、最終ワイヤの延性および種々の他の特質に有害な影響を及ぼすであろう、より大きいコアの使用を要求するであろう。）本発明の実施形態による、ワイヤは、その臨界温度を下回る良好な高磁場高電流超伝導性特質を留保しながら、優れた機械的強度を呈する。
Ｔａ−合金安定化要素の使用は、有利には、超伝導性ワイヤのわずかな断面が安定化要素によって占有されることを可能にし、したがって、断面の多くは、電流搬送超伝導性フィラメントによって占有され得る。例えば、約３％Ｗを含有するＴａ−Ｗ合金は、純Ｔａを約２５％上回る降伏強度を有し得、したがって、本発明の実施形態による安定化コアは、例えば、純Ｔａコアを有する類似ワイヤより約２５％少ない超伝導性ワイヤの断面積を占有し得る。種々の実施形態では、安定化要素は、最終ワイヤの断面の１０％未満（例えば、断面の約５％〜約８％）を占有し得る、または超伝導性ワイヤの断面の約８％〜約１５％を占有し得る。
Ｔａおよび／またはＴａ合金をベースとする例示的安定化要素が本明細書に詳述されるが、安定化要素は、本発明の実施形態による１つまたはそれを上回る他の金属を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。例えば、安定化要素は、実質的純Ｎｂより優れた機械強度を有する、Ｎｂ合金を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。例えば、本発明の実施形態による安定化要素は、ＮｂとＨｆ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｖ、Ｙ、Ｍｏ、またはＷのうちの１つまたはそれを上回るものの合金を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。例えば、本発明の実施形態による安定化要素は、約１０％Ｈｆ、約０．７％−１．３％Ｔｉ、約０．７％Ｚｒ、約０．５％Ｔａ、約０．５％Ｗ、および残量Ｎｂを含む、ＮｂＣ１０３合金を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。他の実施形態では、安定化要素は、ＮｂＢ６６合金および／またはＮｂＢ７７合金を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。
ある側面では、本発明の実施形態は、機械的に安定化された超伝導性ワイヤを形成する方法を特徴とする。複数のモノフィラメントが、提供される。モノフィラメントの１つまたはそれを上回る（またはさらに全ての）ものは、コアと、少なくとも部分的にコアを囲繞する、被覆加工を含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。モノフィラメントの少なくとも１つの（またはさらに全ての）もののコアは、Ｎｂを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。モノフィラメントの少なくとも１つの（またはさらに全ての）ものの被覆加工は、Ｃｕを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。安定化要素が、提供される。安定化要素は、コアと、少なくとも部分的にコアを囲繞する、被覆加工とを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。安定化要素のコアは、Ｔａおよび／またはＴａ合金を含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。安定化要素の被覆加工は、Ｃｕを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。複数の複合フィラメントは、複合フィラメント毎に、（ｉ）複数のモノフィラメントをモノフィラメントスタックに組み立てることと、（ｉｉ）少なくとも部分的に、モノフィラメントスタックをＣｕから成る被覆加工で囲繞することと、（ｉｉｉ）被覆加工されたモノフィラメントスタックの直径を縮小させることとによって加工される。随意に、被覆加工されたモノフィラメントスタックの断面形状は、改変されてもよい。複数の複合フィラメントおよび安定化要素は、複合スタックに組み立てられる。安定化要素は、複合スタックの半径方向寸法を通して延在する。複合スタックは、少なくとも部分的に、被覆加工で囲繞される。複合スタックの被覆加工は、Ｃｕを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。被覆加工された複合スタックの直径（または他の半径方向もしくは側方寸法）は、ワイヤを形成するように縮小される。
本発明の実施形態は、種々の組み合わせのいずれかにおいて、以下のうちの１つまたはそれを上回るものを含んでもよい。安定化要素は、実質的に複合スタックの半径方向中心に配置されてもよい。モノフィラメントの１つまたはそれを上回る（またはさらにそれぞれの）ものは、（ｉ）Ｎｂを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、ロッドをＣｕを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、管の中に配置し、被覆加工されたロッドを形成することと、（ｉｉ）被覆加工されたロッドの直径を縮小させることと、（ｉｉｉ）随意に、被覆加工されたロッドの断面形状を改変することとを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、プロセスによって提供されてもよい。被覆加工されたロッドの断面形状を改変することは、被覆加工されたロッドを六角形ダイを通して延伸することを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。安定化要素を提供することは、（ｉ）Ｔａおよび／またはＴａ合金を含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、ロッドをＣｕを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、管の中に配置し、被覆加工されたロッドを形成することと、（ｉｉ）被覆加工されたロッドの直径を縮小させることと、（ｉｉｉ）随意に、被覆加工されたロッドの断面形状を改変することを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。被覆加工されたロッドの断面形状を改変することは、被覆加工されたロッドを六角形ダイを通して延伸することを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。被覆加工されたモノフィラメントスタックの断面形状を改変することは、被覆加工されたモノフィラメントスタックを六角形ダイを通して延伸することを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。
安定化要素のコアは、Ｔａを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。安定化要素のコアは、Ｔａ合金、例えば、ＴａとＷ、Ｃ、またはＮのうちの少なくとも１つとの合金を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。安定化要素のコアは、Ｔａ−３Ｗを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。Ｓｎは、ワイヤ内またはその上に配置されてもよい。ワイヤは、焼鈍され、Ｎｂ３Ｓｎ相をワイヤ内に形成してもよい。安定化要素は、ワイヤの断面の約２０％未満、ワイヤの断面の約１０％未満、またはワイヤの断面の約５％未満を占有してもよい。安定化要素は、ワイヤの断面の約１％超、ワイヤの断面の約２％超、ワイヤの断面の約５％超、ワイヤの断面の約８％超、またはワイヤの断面の約１０％超を占有してもよい。
別の側面では、本発明の実施形態は、機械的に安定化された超伝導性ワイヤを形成する方法を特徴とする。複数のモノフィラメントが、提供される。モノフィラメントの１つまたはそれを上回る（またはさらにそれぞれの）ものは、コアと、少なくとも部分的にコアを囲繞する、被覆加工とを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。モノフィラメントの１つまたはそれを上回る（またはさらにそれぞれの）もののコアは、Ｎｂを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。モノフィラメントの１つまたはそれを上回る（またはさらにそれぞれの）ものの被覆加工は、Ｃｕを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。複数の安定化要素が、提供される。安定化要素の１つまたはそれを上回る（またはさらにそれぞれの）ものは、コアと、少なくとも部分的にコアを囲繞する、被覆加工とを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。安定化要素の１つまたはそれを上回る（またはさらにそれぞれの）もののコアは、Ｔａおよび／またはＴａ合金を含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。安定化要素の１つまたはそれを上回る（またはさらにそれぞれの）ものの被覆加工は、Ｃｕを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。複数の複合フィラメントは、複合フィラメント毎に、（ｉ）複数のモノフィラメントおよび安定化要素のうちの第１の１つまたはそれを上回るものをモノフィラメントスタックに組み立てることであって、安定化要素のうちの第１の１つまたはそれを上回るものは、モノフィラメントスタックの軸方向寸法を通して延在する、ことと、（ｉｉ）少なくとも部分的に、モノフィラメントスタックをＣｕを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、被覆加工で囲繞することと、（ｉｉｉ）被覆加工されたモノフィラメントスタックの直径を縮小させることとによって加工される。随意に、被覆加工されたモノフィラメントスタックの断面形状は、改変されてもよい。複数の複合フィラメントは、複合スタックに組み立てられる。複合スタックは、少なくとも部分的に、Ｃｕを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、被覆加工で囲繞される。被覆加工された複合スタックの直径（または他の半径方向もしくは側方寸法）は、縮小され、ワイヤを形成する。
本発明の実施形態は、種々の組み合わせのいずれかにおいて以下のうちの１つまたはそれを上回るものを含んでもよい。安定化要素のうちの第２の１つまたはそれを上回るものは、複数の複合フィラメントと組み立てられ、複合スタックを形成してもよい。第２の１つまたはそれを上回る安定化要素は、複合スタックの軸方向寸法を通して延在してもよい。第２の１つまたはそれを上回る安定化要素は、実質的に複合スタックの半径方向中心に配置されてもよい。第２の１つまたはそれを上回る安定化要素は、ワイヤの断面の約２０％未満、ワイヤの断面の約１０％未満、またはワイヤの断面の約５％未満を占有してもよい。第２の１つまたはそれを上回る安定化要素は、ワイヤの断面の約１％超、ワイヤの断面の約２％超、ワイヤの断面の約５％超、ワイヤの断面の約８％超、またはワイヤの断面の約１０％超を占有してもよい。
第１の１つまたはそれを上回る安定化要素は、実質的にモノフィラメントスタックの１つまたはそれを上回る（またはさらにそれぞれの）ものの半径方向中心に配置されてもよい。複合フィラメントの少なくとも１つ（またはさらにそれぞれ）の断面の約２０％未満は、第１の１つまたはそれを上回る安定化要素によって占有されてもよい。複合フィラメントの少なくとも１つ（またはさらにそれぞれ）の断面の約１０％未満は、第１の１つまたはそれを上回る安定化要素によって占有されてもよい。複合フィラメントの少なくとも１つ（またはさらにそれぞれ）の断面の約５％未満は、第１の１つまたはそれを上回る安定化要素によって占有されてもよい。複合フィラメントの少なくとも１つ（またはさらにそれぞれ）の断面の約１％超は、第１の１つまたはそれを上回る安定化要素によって占有されてもよい。複合フィラメントの少なくとも１つ（またはさらにそれぞれ）の断面の約２％超は、第１の１つまたはそれを上回る安定化要素によって占有されてもよい。複合フィラメントの少なくとも１つ（またはさらにそれぞれ）の断面の約５％超は、第１の１つまたはそれを上回る安定化要素によって占有されてもよい。複合フィラメントの少なくとも１つ（またはさらにそれぞれ）の断面の約８％超は、第１の１つまたはそれを上回る安定化要素によって占有されてもよい。複合フィラメントの少なくとも１つ（またはさらにそれぞれ）の断面の約１０％超は、第１の１つまたはそれを上回る安定化要素によって占有されてもよい。
モノフィラメントの少なくとも１つの（またはさらにそれぞれの）ものは、（ｉ）Ｎｂを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、ロッドをＣｕを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、管の中に配置し、被覆加工されたロッドを形成することと、（ｉｉ）被覆加工されたロッドの直径を縮小させることと、（ｉｉｉ）随意に、被覆加工されたロッドの断面形状を改変することとを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、プロセスによって提供されてもよい。被覆加工されたロッドの断面形状を改変することは、被覆加工されたロッドを六角形ダイを通して延伸することを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。安定化要素の少なくとも１つの（またはさらにそれぞれの）ものは、（ｉ）Ｔａおよび／またはＴａ合金を含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、ロッドをＣｕを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、管の中に配置し、被覆加工されたロッドを形成することと、（ｉｉ）被覆加工されたロッドの直径を縮小させることと、（ｉｉｉ）随意に、被覆加工されたロッドの断面形状を改変することとを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、プロセスによって提供されてもよい。被覆加工されたロッドの断面形状を改変することは、被覆加工されたロッドを六角形ダイを通して延伸することを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。被覆加工されたモノフィラメントスタックの断面形状を改変することは、被覆加工されたロッドを六角形ダイを通して延伸することを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。
安定化要素の１つまたはそれを上回る（またはさらにそれぞれの）もののコアは、Ｔａを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。安定化要素の１つまたはそれを上回る（またはさらにそれぞれの）もののコアは、Ｔａ合金、例えば、ＴａとＷ、Ｃ、またはＮのうちの少なくとも１つとの合金を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。安定化要素の１つまたはそれを上回る（またはさらにそれぞれの）もののコアは、Ｔａ−３Ｗを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。Ｓｎは、ワイヤ内またはその上に配置されてもよい。ワイヤは、焼鈍され、Ｎｂ３Ｓｎ相をワイヤ内に形成してもよい。
さらに別の側面では、本発明の実施形態は、ワイヤマトリクスと、安定化要素と、複数の複合フィラメントとを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、超伝導性ワイヤを特徴とする。ワイヤマトリクスは、Ｃｕを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。安定化要素は、ワイヤマトリクス内に埋設される。安定化要素は、コアと、少なくとも部分的にコアを囲繞する、被覆加工とを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。安定化要素のコアは、Ｔａおよび／またはＴａ合金を含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。安定化要素の被覆加工は、Ｃｕを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。複合フィラメントは、ワイヤマトリクス内に埋設され、少なくとも部分的に、安定化要素を囲繞する。複合フィラメントの１つまたはそれを上回る（またはさらにそれぞれの）ものは、複数のモノフィラメントと、複数のモノフィラメントを少なくとも部分的に囲繞する、被覆加工とを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。複合フィラメントの１つまたはそれを上回る（またはさらにそれぞれの）ものの被覆加工は、Ｃｕを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。モノフィラメントの１つまたはそれを上回る（またはさらにそれぞれの）ものは、コアと、少なくとも部分的にコアを囲繞する、被覆加工とを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。モノフィラメントの１つまたはそれを上回る（またはさらにそれぞれの）もののコアは、Ｎｂを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。モノフィラメントの１つまたはそれを上回る（またはさらにそれぞれの）ものの被覆加工は、Ｃｕを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。安定化要素は、ワイヤの軸方向寸法を通して延在する。
本発明の実施形態は、種々の組み合わせのいずれかにおいて以下のうちの１つまたはそれを上回るものを含んでもよい。モノフィラメントの１つまたはそれを上回る（またはさらにそれぞれの）もののコアは、Ｎｂ−Ｔｉを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。モノフィラメントの１つまたはそれを上回る（またはさらにそれぞれの）もののコアは、Ｎｂ３Ｓｎを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。安定化要素のコアは、Ｔａを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。安定化要素のコアは、Ｔａ合金、例えば、ＴａとＷ、Ｃ、またはＮのうちの少なくとも１つとの合金を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。安定化要素のコアは、Ｔａ−３Ｗを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。安定化要素は、ワイヤの断面の約２０％未満、ワイヤの断面の約１０％未満、またはワイヤの断面の約５％未満を占有してもよい。安定化要素は、ワイヤの断面の約１％超、ワイヤの断面の約２％超、ワイヤの断面の約５％超、ワイヤの断面の約８％超、またはワイヤの断面の約１０％超を占有してもよい。複合フィラメントの１つまたはそれを上回る（またはさらにそれぞれの）ものは、略六角形断面形状を有してもよい。モノフィラメントの１つまたはそれを上回る（またはさらにそれぞれの）ものは、略六角形断面形状を有してもよい。安定化要素は、略六角形断面形状を有してもよい。安定化要素は、ワイヤの半径方向中心に近接して配置されてもよい。
別の側面では、本発明の実施形態は、ワイヤマトリクスと、ワイヤマトリクス内に埋設された複数の複合フィラメントとを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、超伝導性ワイヤを特徴とする。ワイヤマトリクスは、Ｃｕを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。複合フィラメントの１つまたはそれを上回る（またはさらにそれぞれの）ものは、（ｉ）複合フィラメントの軸方向寸法を通して延在する第１の安定化要素と、（ｉｉ）第１の安定化要素を半径方向に囲繞する複数のモノフィラメントと、（ｉｉｉ）複数のモノフィラメントおよび第１の安定化要素を少なくとも部分的に囲繞する、被覆加工とを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。複合フィラメントの１つまたはそれを上回る（またはさらにそれぞれの）ものの被覆加工は、Ｃｕを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。モノフィラメントの１つまたはそれを上回る（またはさらにそれぞれの）ものは、コアと、少なくとも部分的にコアを囲繞する、被覆加工とを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。モノフィラメントの１つまたはそれを上回る（またはさらにそれぞれの）もののコアは、Ｎｂを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。モノフィラメントの１つまたはそれを上回る（またはさらにそれぞれの）ものの被覆加工は、Ｃｕを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。第１の安定化要素の１つまたはそれを上回る（またはさらにそれぞれの）ものは、コアと、少なくとも部分的にコアを囲繞する、被覆加工とを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。第１の安定化要素の１つまたはそれを上回る（またはさらにそれぞれの）もののコアは、Ｔａおよび／またはＴａ合金を含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。第１の安定化要素の１つまたはそれを上回る（またはさらにそれぞれの）ものの被覆加工は、Ｃｕを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。
本発明の実施形態は、種々の組み合わせのいずれかにおいて以下のうちの１つまたはそれを上回るものを含んでもよい。ワイヤは、ワイヤマトリクス内に埋設される、および／または少なくとも部分的に、複数の複合フィラメントによって囲繞される、第２の安定化要素を含んでもよい。第２の安定化要素は、ワイヤの軸方向寸法を通して延在してもよい。第２の安定化要素は、コアと、少なくとも部分的にコアを囲繞する、被覆加工とを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第２の安定化要素のコアは、Ｔａおよび／またはＴａ合金を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第２の安定化要素の被覆加工は、Ｃｕを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第２の安定化要素は、ワイヤの半径方向中心に近接して配置されてもよい。第２の安定化要素のコアは、Ｔａを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第２の安定化要素のコアは、Ｔａ合金、例えば、ＴａとＷ、Ｃ、またはＮのうちの少なくとも１つとの合金を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第２の安定化要素のコアは、Ｔａ−３Ｗを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第２の安定化要素は、ワイヤの断面の約２０％未満、ワイヤの断面の約１０％未満、またはワイヤの断面の約５％未満を占有してもよい。第２の安定化要素は、ワイヤの断面の約１％超、ワイヤの断面の約２％超、ワイヤの断面の約５％超、ワイヤの断面の約８％超、またはワイヤの断面の約１０％超を占有してもよい。
モノフィラメントの１つまたはそれを上回る（またはさらにそれぞれの）もののコアは、Ｎｂ−Ｔｉを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。モノフィラメントの１つまたはそれを上回る（またはさらにそれぞれの）もののコアは、Ｎｂ３Ｓｎを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第１の安定化要素の１つまたはそれを上回る（またはさらにそれぞれの）もののコアは、Ｔａを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第１の安定化要素の１つまたはそれを上回る（またはさらにそれぞれの）もののコアは、Ｔａ合金、例えば、ＴａとＷ、Ｃ、またはＮのうちの少なくとも１つとの合金を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第１の安定化要素の１つまたはそれを上回る（またはさらにそれぞれの）もののコアは、Ｔａ−３Ｗを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。複合フィラメントの１つまたはそれを上回る（またはさらにそれぞれの）ものは、六角形断面形状を有してもよい。モノフィラメントの１つまたはそれを上回る（またはさらにそれぞれの）ものは、六角形断面形状を有してもよい。第１の安定化要素の１つまたはそれを上回る（またはさらにそれぞれの）ものは、六角形断面形状を有してもよい。複合フィラメントの１つまたはそれを上回る（またはさらにそれぞれの）ものに関して、第１の安定化要素は、複合フィラメントの半径方向中心に近接して配置されてもよい。複合フィラメントの１つまたはそれを上回る（またはさらにそれぞれの）ものに関して、第１の安定化要素は、複合フィラメントの断面の約２０％未満、複合フィラメントの断面の約１０％未満、または複合フィラメントの断面の約５％未満を占有してもよい。複合フィラメントの１つまたはそれを上回る（またはさらにそれぞれの）ものに関して、第１の安定化要素は、複合フィラメントの断面の約１％超、複合フィラメントの断面の約２％超、複合フィラメントの断面の約５％超、複合フィラメントの断面の約８％超、または複合フィラメントの断面の約１０％超を占有してもよい。
これらおよび他の目的は、本発明の本明細書に開示される利点および特徴とともに、以下の説明、付随の図面、および請求項の参照を通してより明白となるであろう。さらに、本明細書に説明される種々の実施形態の特徴は、相互に排他的ではなく、種々の組み合わせおよび順列において存在し得ることを理解されたい。本明細書で使用されるように、用語「約」および「実質的に」とは、±１０％、いくつかの実施形態では、±５％を意味する。用語「〜から本質的に成る」とは、本明細書に別様に定義されない限り、機能に寄与する他の材料を除外することを意味する。それにもかかわらず、そのような他の材料は、集合的または個々に、微量に存在し得る。例えば、複数の金属から本質的に成る構造は、概して、それらの金属のみと、化学分析を介して検出可能であり得るが、機能に寄与しない、非意図的不純物（金属または非金属であり得る）のみとを含むであろう。本明細書で使用されるように、「少なくとも１つの金属から本質的に成る」とは、金属または２つもしくはそれを上回る金属の混合物を指すものであって、金属と酸素、シリコン、または窒素等の非金属要素もしくは化学種との間の化合物（例えば、金属窒化物、金属硅化物、または金属酸化物）を指すものではない。そのような非金属要素または化学種は、集合的もしくは個々に、例えば、不純物として、微量に存在し得る。
図面中、同様の参照文字は、概して、異なる図全体を通して同一部品を指す。また、図面は、必ずしも、正確な縮尺ではなく、代わりに、概して、本発明の原理の例証に強調が置かれている。以下の説明では、本発明の種々の実施形態は、以下の図面を参照して説明される。
図１Ａは、本発明の種々の実施形態による、モノフィラメントを形成するために利用されるリングの概略断面図である。 図１Ｂは、本発明の種々の実施形態による、モノフィラメントを形成するために利用されるロッドの概略断面図である。 図１Ｃは、本発明の種々の実施形態による、複合フィラメントを形成するために利用されるモノフィラメントの概略断面図である。 図２Ａは、本発明の種々の実施形態による、複合フィラメントを形成するために利用されるリングの概略断面図である。 図２Ｂは、本発明の種々の実施形態による、複合フィラメントを形成するために利用されるモノフィラメントのスタックの概略断面図である。 図２Ｃは、本発明の種々の実施形態による、加工の初期段階における複合フィラメントの概略断面図である。 図２Ｄは、本発明の種々の実施形態による、超伝導性ワイヤを形成するために利用される複合フィラメントの概略断面図である。 図３Ａは、本発明の種々の実施形態による、安定化要素を形成するために利用されるリングの概略断面図である。 図３Ｂは、本発明の種々の実施形態による、安定化要素を形成するために利用されるロッドの概略断面図である。 図３Ｃは、本発明の種々の実施形態による、安定化複合フィラメントおよび／または超伝導性ワイヤを形成するために利用される安定化要素の概略断面図である。 図４Ａは、本発明の種々の実施形態による、安定化複合フィラメントを形成するために利用されるリングの概略断面図である。 図４Ｂは、本発明の種々の実施形態による、安定化複合フィラメントを形成するために利用される安定化要素の概略断面図である。 図４Ｃは、本発明の種々の実施形態による、安定化複合フィラメントを形成するために利用されるモノフィラメントのスタックの概略断面図である。 図４Ｄは、本発明の種々の実施形態による、加工の初期段階における安定化複合フィラメントの概略断面図である。 図４Ｅは、本発明の種々の実施形態による、超伝導性ワイヤを形成するために利用される安定化複合フィラメントの概略断面図である。 図５Ａは、本発明の種々の実施形態による、超伝導性ワイヤを形成するために利用されるリングの概略断面図である。 図５Ｂは、本発明の種々の実施形態による、超伝導性ワイヤを形成するために利用される安定化要素の概略断面図である。 図５Ｃは、本発明の種々の実施形態による、超伝導性ワイヤを形成するために利用される複合フィラメントのスタックの概略断面図である。 図５Ｄは、本発明の種々の実施形態による、加工の初期段階における超伝導性ワイヤの概略断面図である。 図５Ｅは、本発明の種々の実施形態による、超伝導性ワイヤの概略断面図である。 図６は、安定化要素を欠いたワイヤ、本発明の種々の実施形態によるＴａ安定化要素を特徴とするワイヤ、および本発明の種々の実施形態によるＴａ−３Ｗ安定化要素を特徴とするワイヤの引張試験の間のワイヤ直径の関数としての降伏強度のグラフである。 図７は、安定化要素を欠いたワイヤ、本発明の種々の実施形態によるＴａ安定化要素を特徴とするワイヤ、および本発明の種々の実施形態によるＴａ−３Ｗ安定化要素を特徴とするワイヤの引張試験の間のワイヤ直径の関数としての極限引張強度のグラフである。
図１Ａ−１Ｃは、例示的モノフィラメント１００の構成要素と、その成分構成要素とを描写する。本発明の実施形態によると、ロッド１０５が、ＣｕまたはＣｕ合金を含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、管１１０内に配置される。ロッド１０５の組成物は、最終ワイヤにおいて所望される特定の金属超伝導体に基づいて選択されてもよい。例えば、ロッド１０５は、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｎｂ−Ｔｉ、またはその合金を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。管１１０で被覆加工されたロッド１０５は、続いて、その直径を、例えば、０．５インチ〜１．５インチに縮小するように延伸されてもよい。被覆加工されたロッドは、複数の段階において延伸されてもよく、例えば、歪み緩和のために、延伸ステップの任意もしくはそれぞれの間および／または後に熱処理されてもよい。いったん延伸されると、被覆加工されたロッドは、他のモノフィラメントとの効率的スタック化のために成形されるモノフィラメント１００を加工するために、成形されたダイを通して延伸されてもよい。例えば、図１Ｃに示されるように、六角形ダイが、六角形断面を有するモノフィラメント１００を形成するために利用されてもよい。他の実施形態では、モノフィラメントは、他の断面、例えば、正方形、長方形、三角形等を有してもよい。
いったんモノフィラメント１００が加工されると、他のモノフィラメント１００もまた、同一様式で加工されてもよい、または１つもしくはそれを上回るモノフィラメント１００は、複数の部片に分割されてもよい。複数のモノフィラメントは、ともにスタックされ、複合フィラメントの少なくとも一部を形成してもよい。図２Ａ−２Ｄは、複合フィラメント２００の種々の構成要素およびアセンブリを描写する。図２Ｂに示されるように、複数のモノフィラメント１００は、続いて複合フィラメント２００のコアの少なくとも一部になるであろう配列において、ともにスタックされてもよい。図２Ｂは、１９の異なるモノフィラメント１００のスタック化を描写するが、本発明の実施形態は、より多いまたはより少ないモノフィラメント１００を含んでもよい。モノフィラメント１００のスタックされたアセンブリは、ＣｕまたはＣｕ合金を含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、管２０５内に配置されてもよい。モノフィラメント１００が管２０５内に配置される前および／または後に、モノフィラメント１００および／または管２０５は、清掃および／またはエッチングされ（例えば、１つまたはそれを上回る酸を含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、洗浄剤を介して）、例えば、表面酸化物および／または他の汚染物質を除去してもよい。図２Ｃに示されるように、管２０５は、例えば、かしめ、押出、および／または圧延によって、モノフィラメント１００上に圧密化されてもよい。被覆加工され、スタックされたモノフィラメント１００は、焼鈍され、スタックされたアセンブリ内の種々のモノフィラメント１００間の接合を助長してもよい。例えば、被覆加工され、スタックされたモノフィラメントは、約０．５時間〜約３時間（例えば、約１時間）の時間にわたって、約３００℃〜約５００℃（例えば、約４００℃）の温度で焼鈍されてもよい。結果として生じるアセンブリは、１回またはそれを上回る回数延伸され、その直径を縮小させてもよく、続いて、効率的スタック化のために構成された断面形状を伴う複合フィラメント２００を提供するために、成形されたダイを通して延伸されてもよい。例えば、図２Ｄに示されるように、六角形ダイは、六角形断面を有する複合フィラメント２００を形成するために利用されてもよい。他の実施形態では、複合フィラメント２００は、他の断面、例えば、正方形、長方形、三角形、丸形、略丸形、楕円形等を有してもよい。種々の実施形態では、処理および成形後の複合フィラメント２００の断面サイズおよび／または形状は、サイズが縮小される前の（すなわち、図２Ｂに示される）初期のスタックされたアセンブリにおいて利用されるモノフィラメント１００の断面サイズおよび／または形状と等しい。
本発明の実施形態による超伝導性ワイヤはまた、ワイヤの延伸性および／または電気性能を損なわずに、付加的機械強度を提供する、安定化要素を組み込んでもよい。図３Ａ−３Ｃは、モノフィラメント１００に関して上記で詳述されるものに類似する方法を介した安定化要素３００の加工を描写する。本発明の実施形態によると、ロッド３０５が、ＣｕまたはＣｕ合金を含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、管３１０内に配置される。ロッド３０５は、モノフィラメント１００を加工するために利用されるロッド１０５のものを上回る機械的強度（例えば、引張強度、降伏強度等）を有する、１つまたはそれを上回る金属を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。例えば、ロッド３０５は、ＴａまたはＴａ合金（例えば、Ｔａ−３Ｗ等のＴａ−Ｗ合金）を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。管３１０で被覆加工されたロッド３０５は、続いて、延伸され、その直径を、例えば、０．５インチ〜１．５インチに縮小させてもよい。被覆加工されたロッドは、複数の段階において延伸されてもよく、例えば、歪み緩和のために、延伸ステップの任意もしくはそれぞれの間および／または後に熱処理されてもよい。いったん延伸されると、被覆加工されたロッドは、モノフィラメント１００および／または複合フィラメント２００との効率的スタック化のために成形される安定化要素３００を加工するために、成形されたダイを通して延伸されてもよい。例えば、図３Ｃに示されるように、六角形ダイが、六角形断面を有する安定化要素３００を形成するために利用されてもよい。他の実施形態では、安定化要素３００は、他の断面、例えば、正方形、長方形、三角形等を有してもよい。種々の実施形態では、安定化要素３００は、モノフィラメント１００および／または複合フィラメント２００の断面サイズおよび／または形状と実質的に同一の断面サイズならびに／もしくは形状を有してもよい。
本発明の実施形態によると、安定化要素３００は、増加された機械的安定性のために、複合フィラメント内の１つまたはそれを上回る場所の中に組み込まれてもよい。例えば、図４Ａ−４Ｅに示されるように、その中における１つまたはそれを上回る安定化要素３００を特徴とする安定化複合フィラメント４００が、複合フィラメント２００に関して前述のものに類似するプロセスを介して加工されてもよい。図４Ｃに示されるように、複数のモノフィラメント１００が、続いて複合フィラメント２００のコアの少なくとも一部になるであろう配列においてともにスタックされてもよい。示されるように、スタックされたモノフィラメント１００のアセンブリは、その中における１つまたはそれを上回る空隙４０５を画定し、それぞれ、１つまたはそれを上回る安定化要素３００を収容するように定寸および成形されてもよい。図４Ｃは、１８の異なるモノフィラメント１００およびその中における１つの空隙４０５のスタック化を描写するが、本発明の実施形態は、より多いもしくはより少ないモノフィラメント１００および／またはより多い空隙４０５を含んでもよい。図４Ｃは、空隙４０５が本発明の実施形態によるモノフィラメント１００のスタックされたアセンブリの略中心に配置されるように描写するが、１つまたはそれを上回る空隙４０５は、中心に配置される空隙４０５に加え、またはその代わりに、スタックされたアセンブリ内の他の場所に配置されてもよい。モノフィラメント１００のスタックされたアセンブリは、ＣｕまたはＣｕ合金を含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、管４１０内に配置されてもよい。モノフィラメント１００が管４１０内に配置される前または後に、１つまたはそれを上回る安定化要素３００が、空隙４０５のそれぞれ内に配置されてもよい。モノフィラメント１００および安定化要素３００が、管４１０内に配置される前および／または後に、モノフィラメント１００、安定化要素３００、ならびに／もしくは管４１０は、清掃および／またはエッチング（例えば、１つまたはそれを上回る酸を含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、洗浄剤を介して）され、例えば、表面酸化物および／または他の汚染物質を除去してもよい。図４Ｄに示されるように、管４１０は、例えば、かしめ、押出、および／または圧延によって、モノフィラメント１００ならびに安定化要素３００上に圧密化されてもよい。被覆加工され、スタックされたモノフィラメント１００および安定化要素３００は、焼鈍され、スタックされたアセンブリ内の種々のモノフィラメント１００と安定化要素３００との間の接合を助長してもよい。例えば、被覆加工され、スタックされたモノフィラメントおよび安定化要素は、約０．５時間〜約３時間（例えば、約１時間）の時間にわたって、約３００℃〜約５００℃（例えば、約４００℃）の温度で焼鈍されてもよい。結果として生じるアセンブリは、１回またはそれを上回る回数延伸され、その直径を縮小させてもよく、続いて、効率的スタック化のために構成される断面形状を伴う安定化複合フィラメント４００を提供するために、成形されたダイを通して延伸されてもよい。例えば、図４Ｅに示されるように、六角形ダイは、六角形断面を有する安定化複合フィラメント４００を形成するために利用されてもよい。他の実施形態では、安定化複合フィラメント４００は、他の断面、例えば、正方形、長方形、三角形等を有してもよい。種々の実施形態では、処理および成形後の安定化複合フィラメント４００の断面サイズおよび／または形状は、サイズが縮小される前の（すなわち、図４Ｂおよび４Ｃに示される）初期のスタックされたアセンブリにおいて利用されるモノフィラメント１００および／または安定化要素３００の断面サイズならびに／もしくは形状と等しい。
本発明の実施形態によると、超伝導性ワイヤおよび／またはワイヤ予備成形物は、複合フィラメント２００、安定化複合フィラメント４００、および／または安定化要素３００のアセンブリを利用して加工されてもよい。図５Ａ−５Ｅは、例示的超伝導性ワイヤ５００の加工の種々の段階を描写する。図５Ｃに示されるように、複数の複合フィラメント２００および／または安定化複合フィラメント４００は、続いて超伝導性ワイヤ５００のコアの少なくとも一部になるであろう配列においてともにスタックされてもよい。示されるように、スタックされた複合フィラメント２００および／または安定化複合フィラメント４００のアセンブリは、それぞれ、１つまたはそれを上回る安定化要素３００を収容するように定寸および成形される、その中における１つまたはそれを上回る空隙５０５を画定してもよい。他の実施形態、例えば、その中における安定化要素３００を組み込む、安定化複合フィラメント４００を利用する実施形態では、空隙５０５は、スタック内に存在しなくてもよい。図５Ｃは、１８の異なる複合フィラメント２００およびその中における１つの空隙５０５のスタック化を描写するが、本発明の実施形態は、より多いもしくはより少ない複合フィラメント２００、１つもしくはそれを上回る安定化複合フィラメント４００、および／またはより多くの（もしくは無）空隙５０５を含んでもよい。図５Ｃは、空隙５０５が複合フィラメント２００のスタックされたアセンブリの略中心に配置されるように描写するが、本発明の実施形態によると、１つまたはそれを上回る空隙５０５は、中心に配置される空隙５０５に加え、またはその代わりに、スタックされたアセンブリ内の他の場所に配置されてもよい。複合フィラメント２００および／または安定化複合フィラメント４００のスタックされたアセンブリは、ＣｕまたはＣｕ合金を含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、管５１０内に配置されてもよい。複合フィラメント２００および／または安定化複合フィラメント４００が、管５１０内に配置される前または後に、１つまたはそれを上回る安定化要素３００が、空隙５０５のそれぞれ内に配置されてもよい。複合フィラメント２００および／または安定化複合フィラメント４００ならびに安定化要素３００が、管５１０内に配置される前および／または後に、複合フィラメント２００ならびに／もしくは安定化複合フィラメント４００、安定化要素３００、ならびに／もしくは管５１０は、清掃および／またはエッチング（例えば、１つまたはそれを上回る酸を含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、洗浄剤を介して）され、例えば、表面酸化物および／または他の汚染物質を除去してもよい。図５Ｄに示されるように、管５１０は、例えば、かしめ、押出、および／または圧延によって、複合フィラメント２００ならびに／もしくは安定化複合フィラメント４００ならびに安定化要素３００上に圧密化されてもよい。被覆加工され、スタックされた複合フィラメント２００および／または安定化複合フィラメント４００ならびに安定化要素３００は、焼鈍され、スタックされたアセンブリ内の種々の複合フィラメント２００および／または安定化複合フィラメント４００ならびに安定化要素３００間の接合を助長してもよい。例えば、被覆加工されたスタックは、約０．５時間〜約３時間（例えば、約１時間）の時間にわたって、約３００℃〜約５００℃（例えば、約４００℃）の温度で焼鈍されてもよい。結果として生じるアセンブリは、図５Ｅに示されるように、１回またはそれを上回る回数延伸され、その直径を縮小させてもよい。延伸前また後に、超伝導性ワイヤ５００は、焼鈍され、例えば、残留応力を緩和させ、および／またはその中における再結晶化を助長してもよい。
種々の実施形態では、超伝導性ワイヤ５００、複合フィラメント２００、および／または安定化複合フィラメント４００は、直径縮小のために、および／またはワイヤ延伸ステップに先立って、その成分要素間の接合を助長するために機械的に処理されてもよい。例えば、超伝導性ワイヤ５００、複合フィラメント２００、および／または安定化複合フィラメント４００は、最終延伸ステップに先立って、押出、かしめ、および／または圧延されてもよい。種々の実施形態では、超伝導性ワイヤ５００、複合フィラメント２００、および／または安定化複合フィラメント４００は、歪み緩和のために、複数の異なる延伸ステップのそれぞれの間および／または後に熱処理されてもよい。例えば、延伸ステップのうちの１つまたはそれを上回るものの間および／または後に、超伝導性ワイヤ５００、複合フィラメント２００、および／または安定化複合フィラメント４００は、例えば、約２０時間〜約４０時間の時間期間にわたって、約３６０℃〜約４２０℃の温度で焼鈍されてもよい。
本発明の種々の実施形態では、超伝導性ワイヤ５００は、その中におけるフィラメントの臨界温度を下回って冷却され、電流を伝導させるために利用されてもよい。いくつかの実施形態では、複数の超伝導性ワイヤ５００は、ともにコイル状にされ、単一超伝導性ケーブルを形成する。
いくつかの超伝導性ワイヤ５００（例えば、Ｎｂ−Ｔｉ含有フィラメントを組み込むもの）は、直接、超伝導性用途において利用されてもよいが、種々の他の超伝導性ワイヤ５００のための加工プロセスは、１つまたはそれを上回るステップを組み込み、超伝導性相の一部を組み込んでもよい。例えば、Ｎｂ３Ｓｎ超伝導性相は、いったん形成されると、典型的には、脆弱であって、損傷せずに、さらに延伸または別様に機械的に変形され得ない。したがって、本発明の実施形態は、相互から別個にＮｂおよびＳｎを組み込む超伝導性ワイヤ５００を加工するために利用されてもよい。いったんワイヤ５００が大部分または完全に加工されると、ワイヤ５００は、焼鈍され、ＮｂおよびＳｎを相互に拡散させ、超伝導性Ｎｂ３Ｓｎ相をその中に形成してもよい。例えば、延伸されたワイヤは、例えば、約５０時間〜約２００時間の時間期間にわたって、約６５０℃〜約７００℃の温度で焼鈍されてもよい。種々の実施形態では、Ｃｕベースのリング１１０、２０５、３１０、４１０、または５１０のうちの１つまたはそれを上回るものは、Ｓｎをその中に組み込んでもよい。例えば、リングのうちの１つまたはそれを上回るものは、Ｃｕ−Ｓｎ合金（例えば、１３〜１５％Ｓｎを含む）を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。そのような材料は、延性であって、本明細書に詳述されるように、種々のフィラメントおよびワイヤの加工を可能にする。その後、ワイヤ５００は、焼鈍され、少なくともＮｂとＣｕ−Ｓｎとの間の界面に超伝導性Ｎｂ３Ｓｎ相の相互拡散および形成をもたらしてもよい。
他の実施形態では、純ＳｎまたはＳｎ合金（例えば、Ｃｕまたはマグネシウム（Ｍｇ）とのＳｎ合金）が、複合フィラメント２００、安定化複合フィラメント４００、および／またはワイヤ５００を形成するために利用されるスタックのうちの１つまたはそれを上回るもの内に組み込まれてもよい（例えば、ロッドまたはリングの形態において）。本明細書に詳述されるように、複合フィラメント２００、安定化複合フィラメント４００、および／またはワイヤ５００の形成後、焼鈍ステップが、超伝導性Ｎｂ３Ｓｎ相を形成するために行われてもよい。本発明のさらに別の実施形態では、超伝導性ワイヤ５００は、本明細書に詳述されるように加工されてもよく、その後、ワイヤ５００は、ＳｎまたはＳｎ合金でコーティングされてもよい。コーティングされたワイヤは、続いて、焼鈍され、最終的に、Ｎｂ含有フィラメントと反応し、Ｎｂ３Ｓｎ相を形成する、Ｓｎ−Ｃｕ相を形成してもよい。
ある実験が、安定化要素の有無別に、Ｎｂベースのフィラメントを組み込む、超伝導性ワイヤ（またはその前駆体）の延伸特質を比較するために行われた。フィラメントの加工は、ロッドの直径より若干大きい内径（約０．４インチ）を有する管を打ち込むことによって、焼鈍されたＮｂロッドを無酸素電子（ＯＦＥ）Ｃｕ管類で被覆加工することから開始した。（当技術分野において公知のように、ＯＦＥ Ｃｕは、少なくとも９９．９９％の純度であって、０．０００５％以下の酸素含有量を有する。）安定化要素の加工は、焼鈍されたＴａ−３Ｗまたは焼鈍されたＴａロッドのいずれかを類似様式でＯＦＥ Ｃｕ管で被覆加工することから開始した。Ｃｕ管の壁厚は、０．０２８インチであった。Ｃｕで被覆加工されたＮｂ、Ｔａ−３Ｗ、およびＴａロッドは、０．１４４インチ直径まで通過ステップあたり２０％の面積縮小において冷間延伸された。０．１４４インチ直径から、丸形モノフィラメントおよび安定化要素が、六角形に成形されたダイ（０．１２０インチ対辺）を通して延伸された。Ｎｂ六角形モノフィラメントはそれぞれ、１８または１９の等長部片に切断された。
モノフィラメント部片は、硝酸と水の混合物中で軽くエッチングされ、表面酸化物を除去し、次いで、１９要素の六角形アレイにスタックされ、０．０２８インチ壁厚を有するＯＦＥ Ｃｕ管中に挿入された。Ｃｕ管はまた、組立の直前に酸エッチングされた。１９要素のアセンブリは、かしめられ、銅管を六角形スタック上に圧密化し、次いで、約５０％面積縮小まで冷間延伸された。アセンブリは、１時間にわたって４００℃の熱処理を受け、要素間接合を助長した。接合熱処理後、アセンブリは、通過ステップあたり約１０％の面積縮小において、０．１３８インチまで冷間延伸された。０．１３８インチから、アセンブリは、０．１２０インチ対辺六角形ダイを通して延伸された。その後、１９要素のアセンブリは、３時間にわたって公称３００℃の熱処理を受けた。本熱処理後、アセンブリ（すなわち、複合フィラメント）は、種々のワイヤの形成のために複数の部片に切断された。
Ｎｂ複合フィラメントのアレイが、３つの異なるワイヤに組み立てられた。第１のワイヤでは、１８の複合フィラメントが、中心純焼鈍Ｃｕ要素の周囲にスタックされ、安定化要素を伴わない対照サンプル（サンプル１）を形成した（すなわち、ワイヤマトリクスとしてＣｕまたは同一材料を含有するワイヤのコア領域または他の領域は、本明細書に利用されるような「安定化要素」と見なされない）。他のワイヤは、１８のＮｂ複合フィラメントによって囲繞される中心Ｔａ（サンプル２）またはＴａ−３Ｗ（サンプル３）安定化要素を組み込んだ。スタックは、０．０６０インチ壁厚を有する焼鈍されたＣｕ管の中に打ち込まれた。組立に先立って、複合フィラメント、安定化要素、およびＣｕ管は、硝酸と水の混合物中で酸清掃された。種々の要素は、水で濯がれ、組立直前まで、イソプロピルアルコール中に保管された。
スタックは、酸清掃後、要素をアルコール保管から除去して２０分以内に、かしめを介して、被覆加工および圧密化された。各アセンブリは、０．３２５インチ直径まで個々にスタック化されることから処理され、可能な限り迅速に、かしめを受け、延伸された。全３つのアセンブリが０．３２５インチ直径になると、さらなる処理が、並行して行われた。全３つは、次の最小サイズに移行する前に、ダイを通して延伸された。ワイヤは、０．０２８５インチ直径まで延伸され、サンプルは、直径縮小の間に種々のステップにおいて収集された。０．１２８５インチ直径を下回ると、サンプルは、ほぼそれぞれ５０％の総面積縮小において各ワイヤから収集された。０．１２８５インチ、０．０９０７インチ、０．０６６インチ、０．０５０インチ、および０．０３２インチの直径におけるサンプルが、顕微鏡検査および引張試験のために収集された。サンプルは全て、引張試験前に、８時間にわたって２５０℃で焼鈍された。
図６および７は、ＡＳＴＭＥ８／Ｅ８Ｍ−１５ａ，Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｔｅｎｓｉｏｎ Ｔｅｓｔｉｎｇ ｏｆ Ｍｅｔａｌｌｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， ＡＳＴＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ， Ｗｅｓｔ Ｃｏｎｓｈｏｈｏｃｋｅｎ， ＰＡ， ２０１５（その全開示は、参照することによって本明細書に組み込まれる）に従って試験のための選択された異なる直径のそれぞれにおいて、サンプル１、２、および３毎に、降伏強度（図６）および極限引張強度（図７）をグラフで描写する。各ワイヤ直径における複数のサンプルが、試験され、結果の標準偏差が、図６および７上の誤差バーとして示される。示されるように、安定化要素を特徴とするサンプル２および３は、安定化要素を欠いたサンプル１と比較して、優れた機械的特質を呈する。したがって、本発明の実施形態によるそのようなワイヤは、優れた信頼性を提供するであろう。加えて、Ｔａ−３Ｗ安定化要素を特徴とするサンプル３は、Ｔａ安定化要素を特徴とするサンプル２より全直径において一貫して強固である。サンプルのそれぞれのコア領域は全て、処理に先立って、同一直径を有していたことに留意されたい。したがって、本発明の実施形態による安定化要素は、超伝導性ワイヤに優れた機械的特質を提供しながら、さらにより小さい直径を有し得る。そのようなワイヤは、より大きい直径の超伝導性フィラメントを組み込み、ワイヤ自体の同一公称直径においてさえ、その電流搬送性能をさらに改良し得る。
本明細書に採用される用語および表現は、限定ではなく、説明の用語ならびに表現として使用され、そのような用語および表現の使用において、図示ならびに説明される特徴またはその一部の任意の均等物の排除を意図するものではない。加えて、本発明のある実施形態が説明されたが、本明細書に開示される概念を組み込む他の実施形態が、本発明の精神および範囲から逸脱することなく使用されてもよいことは、当業者に明白となるであろう。故に、説明される実施形態は、あらゆる点において、制限ではなく、単なる例証として見なされるものとする。

Claims (60)

  1. 機械的に安定化された超伝導性ワイヤを形成する方法であって、
    複数のモノフィラメントを提供することであって、前記複数のモノフィラメントのそれぞれは、Ｎｂを含むコアと、前記コアを囲繞する、Ｃｕを含む被覆加工とを備える、ことと、
    ＴａまたはＴａ合金を含むコアと、前記コアを囲繞する、Ｃｕを含む被覆加工とを備える、安定化要素を提供することと、
    複合フィラメント毎に、（ｉ）複数の前記モノフィラメントをモノフィラメントスタックに組み立て、（ｉｉ）前記モノフィラメントスタックをＣｕを含む被覆加工で囲繞することと、（ｉｉｉ）前記被覆加工されたモノフィラメントスタックの直径を縮小させることと、（ｉｖ）前記被覆加工されたモノフィラメントスタックの断面形状を改変することとによって、複数の複合フィラメントを加工することと、
    複数の前記複合フィラメントおよび前記安定化要素を複合スタックに組み立てることであって、前記安定化要素は、前記複合スタックの半径方向寸法を通して延在する、ことと、
    前記複合スタックをＣｕを含む被覆加工で囲繞することと、
    前記被覆加工された複合スタックの直径を縮小させ、ワイヤを形成することと、
    を含む、方法。
  2. 前記安定化要素は、実質的に前記複合スタックの半径方向中心に配置される、請求項１に記載の方法。
  3. 各モノフィラメントは、（ｉ）Ｎｂを含むロッドをＣｕを含む管の中に配置し、被覆加工されたロッドを形成することと、（ｉｉ）前記被覆加工されたロッドの直径を縮小させることと、（ｉｉｉ）前記被覆加工されたロッドの断面形状を改変することとを含む、プロセスによって提供される、請求項１に記載の方法。
  4. 前記被覆加工されたロッドの断面形状を改変することは、前記被覆加工されたロッドを六角形ダイを通して延伸することを含む、請求項３に記載の方法。
  5. 前記安定化要素を提供することは、（ｉ）ＴａまたはＴａ合金を含むロッドをＣｕを含む管の中に配置し、被覆加工されたロッドを形成することと、（ｉｉ）前記被覆加工されたロッドの直径を縮小させることと、（ｉｉｉ）前記被覆加工されたロッドの断面形状を改変することとを含む、請求項１に記載の方法。
  6. 前記被覆加工されたロッドの断面形状を改変することは、前記被覆加工されたロッドを六角形ダイを通して延伸することを含む、請求項５に記載の方法。
  7. 前記被覆加工されたモノフィラメントスタックの断面形状を改変することは、前記被覆加工されたモノフィラメントスタックを六角形ダイを通して延伸することを含む、請求項１に記載の方法。
  8. 前記安定化要素のコアは、Ｔａを含む、請求項１に記載の方法。
  9. 前記安定化要素のコアは、ＴａとＷ、Ｃ、またはＮのうちの少なくとも１つとの合金を含む、請求項１に記載の方法。
  10. 前記安定化要素のコアは、Ｔａ−３Ｗを含む、請求項９に記載の方法。
  11. （ｉ）Ｓｎを前記ワイヤ内またはその上に配置することと、（ｉｉ）前記ワイヤを焼鈍し、Ｎｂ３Ｓｎ相を前記ワイヤ内に形成することとをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  12. 前記安定化要素のコアは、ＴａまたはＴａ合金から成る、請求項１に記載の方法。
  13. 前記安定化要素は、前記ワイヤの断面の約１０％未満を占有する、請求項１に記載の方法。
  14. 機械的に安定化された超伝導性ワイヤを形成する方法であって、
    複数のモノフィラメントを提供することであって、前記複数のモノフィラメントのそれぞれは、Ｎｂを含むコアと、前記コアを囲繞する、Ｃｕを含む被覆加工とを備える、ことと、
    複数の安定化要素を提供することであって、前記複数の安定化要素のそれぞれは、ＴａまたはＴａ合金を含むコアと、前記コアを囲繞する、Ｃｕを含む被覆加工とを備える、ことと、
    複合フィラメント毎に、（ｉ）複数の前記モノフィラメントおよび前記安定化要素のうちの第１の１つまたはそれを上回るものをモノフィラメントスタックに組み立てることであって、前記安定化要素のうちの第１の１つまたはそれを上回るものは、前記モノフィラメントスタックの軸方向寸法を通して延在する、ことと、（ｉｉ）前記モノフィラメントスタックをＣｕを含む被覆加工で囲繞することと、（ｉｉｉ）前記被覆加工されたモノフィラメントスタックの直径を縮小させることと、（ｉｖ）前記被覆加工されたモノフィラメントスタックの断面形状を改変することとによって、複数の複合フィラメントを加工することと、
    複数の前記複合フィラメントを複合スタックに組み立てることと、
    前記複合スタックをＣｕを含む被覆加工で囲繞することと、
    前記被覆加工された複合スタックの直径を縮小させ、ワイヤを形成することと、
    を含む、方法。
  15. 前記安定化要素のうちの第２の１つまたはそれを上回るものは、（ｉ）前記複数の複合フィラメントと組み立てられ、前記複合スタックを形成し、（ｉｉ）前記複合スタックの軸方向寸法を通して延在する、請求項１４に記載の方法。
  16. 前記第２の１つまたはそれを上回る安定化要素は、実質的に前記複合スタックの半径方向中心に配置される、請求項１５に記載の方法。
  17. 前記第２の１つまたはそれを上回る安定化要素は、前記ワイヤの断面の約１０％未満を占有する、請求項１５に記載の方法。
  18. 前記第１の１つまたはそれを上回る安定化要素は、実質的に各モノフィラメントスタックの半径方向中心に配置される、請求項１４に記載の方法。
  19. 前記複合フィラメントのそれぞれの断面の約１０％未満は、前記第１の１つまたはそれを上回る安定化要素によって占有される、請求項１４に記載の方法。
  20. 各モノフィラメントは、（ｉ）Ｎｂを含むロッドをＣｕを含む管の中に配置し、被覆加工されたロッドを形成することと、（ｉｉ）前記被覆加工されたロッドの直径を縮小させることと、（ｉｉｉ）前記被覆加工されたロッドの断面形状を改変することとを含む、プロセスによって提供される、請求項１４に記載の方法。
  21. 前記被覆加工されたロッドの断面形状を改変することは、前記被覆加工されたロッドを六角形ダイを通して延伸することを含む、請求項２０に記載の方法。
  22. 各安定化要素は、（ｉ）ＴａまたはＴａ合金を含むロッドをＣｕを含む管の中に配置し、被覆加工されたロッドを形成することと、（ｉｉ）前記被覆加工されたロッドの直径を縮小させることと、（ｉｉｉ）前記被覆加工されたロッドの断面形状を改変することとを含む、プロセスによって提供される、請求項１４に記載の方法。
  23. 前記被覆加工されたロッドの断面形状を改変することは、前記被覆加工されたロッドを六角形ダイを通して延伸することを含む、請求項２２に記載の方法。
  24. 前記被覆加工されたモノフィラメントスタックの断面形状を改変することは、前記被覆加工されたモノフィラメントスタックを六角形ダイを通して延伸することを含む、請求項１４に記載の方法。
  25. 各安定化要素のコアは、Ｔａを含む、請求項１４に記載の方法。
  26. 各安定化要素のコアは、ＴａとＷ、Ｃ、またはＮのうちの少なくとも１つとの合金を含む、請求項１４に記載の方法。
  27. 各安定化要素のコアは、Ｔａ−３Ｗを含む、請求項２６に記載の方法。
  28. 各安定化要素のコアは、ＴａまたはＴａ合金から成る、請求項１４に記載の方法。
  29. （ｉ）Ｓｎを前記ワイヤ内またはその上に配置し、（ｉｉ）前記ワイヤを焼鈍し、Ｎｂ３Ｓｎ相を前記ワイヤ内に形成することをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
  30. 超伝導性ワイヤであって、
    Ｃｕを含むワイヤマトリクスと、
    前記ワイヤマトリクス内に埋設された、ＴａまたはＴａ合金を含むコアと、前記コアを囲繞する、Ｃｕを含む被覆加工とを備える、安定化要素と、
    前記ワイヤマトリクス内に埋設され、前記安定化要素を囲繞する、複数の複合フィラメントと、
    を備え、
    各複合フィラメントは、（ｉ）複数のモノフィラメントと、（ｉｉ）前記複数のモノフィラメントを囲繞するＣｕを含む被覆加工とを備え、
    各モノフィラメントは、Ｎｂを含むコアと、前記コアを囲繞する、Ｃｕを含む被覆加工とを備え、
    前記安定化要素は、前記ワイヤの軸方向寸法を通して延在する、
    超伝導性ワイヤ。
  31. 各モノフィラメントの前記コアは、Ｎｂ−Ｔｉを含む、請求項３０に記載のワイヤ。
  32. 各モノフィラメントの前記コアは、Ｎｂ３Ｓｎを含む、請求項３０に記載のワイヤ
  33. 前記安定化要素のコアは、Ｔａを含む、請求項３０に記載のワイヤ。
  34. 前記安定化要素のコアは、ＴａとＷ、Ｃ、またはＮのうちの少なくとも１つとの合金を含む、請求項３０に記載のワイヤ。
  35. 前記安定化要素のコアは、Ｔａ−３Ｗを含む、請求項３４に記載のワイヤ。
  36. 前記安定化要素のコアは、ＴａまたはＴａ合金から成る、請求項３０に記載のワイヤ。
  37. 前記安定化要素は、前記ワイヤの断面の約１０％未満を占有する、請求項３０に記載のワイヤ。
  38. 前記複合フィラメントのそれぞれは、六角形断面形状を有する、請求項３０に記載のワイヤ。
  39. 前記モノフィラメントはそれぞれ、六角形断面形状を有する、請求項３０に記載のワイヤ。
  40. 前記安定化要素は、六角形断面形状を有する、請求項３０に記載のワイヤ。
  41. 前記安定化要素は、前記ワイヤの半径方向中心に近接して配置される、請求項３０に記載のワイヤ。
  42. 超伝導性ワイヤであって、
    Ｃｕを含むワイヤマトリクスと、
    前記ワイヤマトリクス内に埋設された複数の複合フィラメントと、
    を備え、
    各複合フィラメントは、（ｉ）前記複合フィラメントの軸方向寸法を通して延在する第１の安定化要素と、（ｉｉ）前記第１の安定化要素を半径方向に囲繞する複数のモノフィラメントと、（ｉｉｉ）前記複数のモノフィラメントおよび前記第１の安定化要素を囲繞するＣｕを含む被覆加工とを備え、
    各モノフィラメントは、Ｎｂを含むコアと、前記コアを囲繞する、Ｃｕを含む被覆加工とを備え、
    各第１の安定化要素は、ＴａまたはＴａ合金を含むコアと、前記コアを囲繞する、Ｃｕを含む被覆加工とを備える、
    超伝導性ワイヤ。
  43. 前記ワイヤマトリクス内に埋設され、前記複数の複合フィラメントによって囲繞される、第２の安定化要素をさらに備え、前記第２の安定化要素は、（ｉ）ＴａまたはＴａ合金を含むコアと、前記コアを囲繞する、Ｃｕを含む被覆加工とを備え、（ｉｉ）前記ワイヤの軸方向寸法を通して延在する、請求項４２に記載のワイヤ。
  44. 前記第２の安定化要素は、前記ワイヤの半径方向中心に近接して配置される、請求項４３に記載のワイヤ。
  45. 前記第２の安定化要素のコアは、Ｔａを含む、請求項４３に記載のワイヤ。
  46. 前記第２の安定化要素のコアは、ＴａとＷ、Ｃ、またはＮのうちの少なくとも１つとの合金を含む、請求項４３に記載のワイヤ。
  47. 前記第２の安定化要素のコアは、Ｔａ−３Ｗを含む、請求項４６に記載のワイヤ。
  48. 前記第２の安定化要素のコアは、ＴａまたはＴａ合金から成る、請求項４３に記載のワイヤ。
  49. 前記第２の安定化要素は、前記ワイヤの断面の約１０％未満を占有する、請求項４３に記載のワイヤ。
  50. 各モノフィラメントの前記コアは、Ｎｂ−Ｔｉを含む、請求項４２に記載のワイヤ。
  51. 各モノフィラメントの前記コアは、Ｎｂ３Ｓｎを含む、請求項４２に記載のワイヤ。
  52. 各第１の安定化要素の前記コアは、Ｔａを含む、請求項４２に記載のワイヤ。
  53. 各第１の安定化要素の前記コアは、ＴａとＷ、Ｃ、またはＮのうちの少なくとも１つとの合金を含む、請求項４２に記載のワイヤ。
  54. 各第１の安定化要素の前記コアは、Ｔａ−３Ｗを含む、請求項５３に記載のワイヤ。
  55. 各第１の安定化要素の前記コアは、ＴａまたはＴａ合金から成る、請求項４２に記載のワイヤ。
  56. 前記複合フィラメントのそれぞれは、六角形断面形状を有する、請求項４２に記載のワイヤ。
  57. 前記モノフィラメントはそれぞれ、六角形断面形状を有する、請求項４２に記載のワイヤ。
  58. 各第１の安定化要素は、六角形断面形状を有する、請求項４２に記載のワイヤ。
  59. 複合フィラメント毎に、前記第１の安定化要素は、前記複合フィラメントの半径方向中心に近接して配置される、請求項４２に記載のワイヤ。
  60. 複合フィラメント毎に、前記第１の安定化要素は、前記複合フィラメントの断面の約１０％未満を占有する、請求項４２に記載のワイヤ。
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