JP2019537189A - 金属超電導ワイヤのための拡散障壁 - Google Patents

金属超電導ワイヤのための拡散障壁 Download PDF

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Abstract

種々の実施形態では、超電導ワイヤは、内部拡散に抵抗し、優れた機械的強度をワイヤに提供するＴａ合金を備えている拡散障壁を組み込む。一実施形態において拡散障壁は、０．２％〜１０％のＷを含むＴａ合金を備え、拡散障壁は、ワイヤマトリクス内に配置され、拡散障壁は、超電導ワイヤの断面積の３％〜１０％を占有し、拡散障壁は、超電導ワイヤの軸方向寸法を通して延びている。一実施形態において、拡散障壁は、Ｔａ−３Ｗを備えている。一実施形態において、拡散障壁は、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｒｅ、またはＳｉから成る群から選択される１つ以上の合金化元素をさらに含む。

Description

（関連出願）
本願は、米国仮特許出願第６２／３８３，６７６号（２０１６年９月６日出願）の利益およびそれに対する優先権を主張し、上記出願の全開示は、参照により本明細書に組み込まれる。
（技術分野）
種々の実施形態では、本発明は、低導電性相の防止のために拡散障壁を組み込む、超電導ワイヤの形成および処理に関する。
超電導材料は、その特徴的な臨界温度を下回って冷却されたとき、電気抵抗を示さない。窒素の７７Ｋ沸点よりも高い臨界温度を有する高温超電導体材料が識別されているが、これらの材料は、多くの場合、エキゾチック（例えば、ペロブスカイトセラミック）であり、処理することが困難であり、高磁場用途のために不適切である。したがって、ワイヤおよびコイルならびにそれらの束を要求する実践的な超電導用途に対して、金属超電導体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、これらの材料を処理する（例えば、ワイヤに引き伸ばす）ことの相対的容易性、ならびに高電流および高磁場において動作するそれらの能力が、それらの広範な使用をもたらしている。
典型的金属超電導ワイヤは、銅（Ｃｕ）導電性マトリクス内に埋め込まれる超電導相の複数のより線（または「フィラメント」）を特徴とする。Ｎｂ−Ｔｉは、細いワイヤになるように直接引き伸ばすために十分な延性があるが、その適用性は、典型的には、約８テスラを下回る強度を有する磁場を特徴とする用途に限定される。Ｎｂ３Ｓｎは、ワイヤ引き伸ばし変形に耐えることができない脆性金属間相であり、したがって、それは、典型的には、拡散熱処理を介したワイヤ引き伸ばし後、形成される。Ｎｂ３Ｓｎ超電導材料は、典型的には、少なくとも２０テスラまでの強度を有する磁場を特徴とする用途で使用され得る。したがって、いくつかの異なる技法が、Ｎｂ３Ｓｎベースの超電導ワイヤを製作するために利用されている。例えば、「ブロンズプロセス」では、大型複合物は、ＮｂロッドとＮｂロッドを包囲するＣｕ−Ｓｎ合金ロッド（例えば、１３〜１５％のＳｎを含む）とから製作される。これらの材料が延性があるので、複合物は、好適な直径まで引き伸ばされ得、次いで、引き伸ばされた複合物が、焼きなましされる。熱処理が、相互拡散およびＮｂとＣｕ−Ｓｎとの間の界面におけるＮｂ３Ｓｎ相の形成をもたらす。Ｎｂ３Ｓｎベースの超電導ワイヤを形成するための他のプロセスも、同様に、ワイヤ引き伸ばし後の脆性Ｎｂ３Ｓｎ相の形成を伴う。例えば、純粋なＳｎまたはＣｕもしくはＭｇを伴うＳｎ合金が、初期複合物の内部に組み込まれ、引き伸ばし後に焼きなましされ得る。代替として、Ｎｂフィラメントが、Ｃｕマトリクス内に埋め込まれ、ワイヤに引き伸ばされ得る。結果として生じるワイヤが、その後、Ｓｎでコーティングされ得る。コーティングされたワイヤが、加熱され、Ｓｎ−Ｃｕ相を形成し、Ｓｎ−Ｃｕ相は、最終的にＮｂフィラメントと反応してＮｂ３Ｓｎ相を形成する。
上で詳述される技法は、多数の異なる用途に利用される金属超電導ワイヤの成功した製作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、不十分な電気性能を示す。典型的超電導ワイヤは、上で説明されるＮｂ３ＳｎもしくはＮｂ−Ｔｉフィラメントの多くを含み、それらは、Ｃｕ安定剤内に埋め込まれ、その周囲に配置され、および／または、それによって包囲され、Ｃｕ安定剤は、産業システム内での取り扱いおよび組み込みのために十分な延性を伴うワイヤを提供する。
このＣｕ安定剤は、それ自体が超電導性ではないが、Ｃｕの高導電性は、ワイヤの満足のいく全体的電気性能を可能にすることができる。残念ながら、超電導フィラメントからの種々の元素（例えば、Ｓｎ）が、Ｃｕ安定剤の部分と反応し、ワイヤ全体の全体的導電性に悪影響を及ぼす低導電性相を形成し得る。拡散障壁が、超電導フィラメントからＣｕ安定剤を遮蔽するために利用されているが、これらの障壁は、非一様な断面積を有する傾向があり、拡散障壁およびＣｕ安定剤の共処理中の非一様な変形に起因して、局所的に破裂さえし得る。そのような拡散障壁は、単純に、より厚く作製され得るが、そのような解決策は、拡散障壁材料自体のより低い伝導性に起因して、ワイヤの全体的導電性に影響を及ぼす。例えば、新しい粒子加速器および衝突器等の最先端ならびに将来の用途に対して、磁石が、既存のワイヤ能力を超えて設計されており、そのようなワイヤは、１５テスラにおいて２，０００Ａ／ｍｍ２を上回る非銅臨界電流密度を要求するであろう。拡散障壁が非銅断片の一部であるので、いかなる障壁材料の体積も最小化することが、重要である一方で、いかなる強度利益も、有利である。
前述に照らして、ワイヤの全体的断面積の有意な量を占有しないように、一様に薄いままである一方で、Ｃｕ安定剤を伴う、有害な反応を実質的に防止する金属超電導ワイヤのための改良された拡散障壁の必要性がある。
本発明の種々の実施形態によると、超電導ワイヤおよび／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、タンタル（Ｔａ）合金を含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成る拡散障壁を特徴とする。拡散障壁は、典型的には、Ｃｕワイヤマトリクスの少なくとも一部と超電導フィラメントとの間に、および／または、超電導フィラメントと、追加の機械的強度のために超電導ワイヤ内および／またはその周囲に組み込まれる安定化要素との間に、配置される。本発明の実施形態によると、モノフィラメントの各々は、Ｃｕベースの（例えば、Ｃｕもしくはブロンズ（Ｃｕ−Ｓｎ））マトリクス内のＮｂベースのコアを含み、または本質的にそれから成り、またはそれから成り得、モノフィラメントの積み重ねられたアセンブリは、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引き伸ばされ得る。したがって、複合フィラメントの各々は、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か、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得る。本発明の実施形態による拡散障壁は、複合フィラメントが最終的なワイヤを形成するように積み重ねられるとき、各複合フィラメントの周囲に配置され得、および／または、拡散障壁は、複合フィラメントのスタックの周囲に、かつ複合フィラメントのスタックと外側Ｃｕ安定剤もしくはマトリクスとの間に配置され得る。
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、超電導ワイヤ（またはその前駆体）に引き伸ばされ、熱処理される。複合フィラメントのうちの１つ以上のものは、それら自体がその中に拡散障壁を組み込み得、および／または、拡散障壁は、超電導ワイヤのＣｕベースのマトリクス内かつ複合フィラメントの周囲に配置され得る。種々の実施形態では、拡散障壁は、例えば、０．２％〜１０％のＷもしくは０．２％〜５％のＷを含むＴａ−Ｗ合金を含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成る。例えば、拡散障壁は、Ｔａと、約２．５％〜３％のＷとの合金（すなわち、Ｔａ−３Ｗ）を含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得る。種々の実施形態では、拡散障壁は、その中に１つ以上の追加の合金化元素、例えば、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｒｅ、および／もしくはＳｉ等の合金化元素を伴うＴａ−Ｗ合金（例えば、Ｔａ−３Ｗ）を含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成る。そのような合金化元素は、最大で重量５％（例えば、０．０５％〜５％、０．１％〜３％、０．２％〜２％、０．２％〜１％、または０．２％〜０．５％）の濃度で、個々に、または集合的に拡散障壁の中に存在し得る。本発明の種々の実施形態では、これらの追加の合金化元素のうちの１つ以上のものを組み込むＴａ−Ｗ合金で形成された溶接は、そのような溶接の中心に向かってより等軸である粒状構造を有し得、したがって、拡散障壁として使用するためにこれらの材料で形成された溶接管は、ワイヤ製作中に小さいサイズまで引き伸ばされたとき、優れた機械的性質および処理可能性を示し得る。
本発明の実施形態によるＴａ合金拡散障壁はまた、少なくとも部分的に、低酸素含有量および／または高レベルの純度に起因して、有利な延性を示し得る。例えば、本発明の実施形態による拡散障壁は、５００ｐｐｍ未満、２００ｐｐｍ未満、１００ｐｐｍ未満、またはさらに５０ｐｐｍ未満の酸素含有量を有する。加えて、または代替として、本発明の実施形態による拡散障壁は、９９．９％を超過する、またはさらに９９．９９％を超過する純度を有し得る。
有利なこととして、本発明の実施形態によるＴａ合金拡散障壁は、従来の拡散障壁材料と比較すると、微細化された粒状構造（例えば、小さい平均粒径）を有し、これは、超電導ワイヤ内の拡散障壁の変形および処理が、拡散障壁を破裂させ、ワイヤの性質を損ない得る局所的に薄くなることを伴わずに、実質的に一様であることを可能にする。拡散障壁の小さい粒径（例えば、２０μｍ未満、１０μｍ未満、５μｍ未満、１〜２０μｍ、または５〜１５μｍ）は、合金化元素の存在に起因し、したがって、本発明の実施形態による拡散障壁は、微細化された粒状構造を生産するための追加の処理（例えば、３軸鍛造等の鍛造、熱処理等）を必要としない。したがって、全体的製造費用および複雑性が、本発明による拡散障壁の使用を介して、低減され得る。
本発明の実施形態による拡散障壁の優れた粒状構造および／または機械的性質は、拡散障壁が、ワイヤの断面（すなわち、通電）面積の過剰な量を占有することなく、半導体ワイヤ内の有害な拡散からの保護を提供することを可能にする。（対照的に、より劣った機械的性質および／またはあまり微細化されていない粒状構造を伴う種々の他の拡散障壁の使用は、最終的なワイヤの延性、導電性、および／または種々の他の性質に悪影響を及ぼすであろう、より大型の障壁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、それらの臨界温度を下回って、良好な高磁場高電流超電導性質を保持しながら、Ｃｕマトリクスとの相互拡散を殆どまたは全く示さない。
Ｔａ合金拡散障壁の使用は、有利なこととして、より少ない超電導ワイヤの断面が拡散障壁によって占有されることを可能にし、したがって、より多くの断面が、通電超電導フィラメントによって占有され得る。しかしながら、本発明の実施形態による拡散障壁材料は、有利なこととして、それらの臨界温度を下回って、良好な高磁場高電流超電導性質を保持しながら、追加の機械的強度超電導ワイヤにさらに提供する。種々の実施形態では、ワイヤの機械的強度は、ワイヤの電気性能を損なうことなく、および／またはワイヤおよび／またはそのフィラメント内に亀裂もしくは破砕を引き起こすこと、または別様にその機械的安定性を損なうことなく、ワイヤ（例えば、巻線、コイル巻等）の機械的変形を促進し得る。種々の実施形態では、拡散障壁は、最終的なワイヤの断面積の少なくとも２％、少なくとも３％、少なくとも４％、または少なくとも５％を集合的に占有し得る。種々の実施形態では、拡散障壁は、最終的なワイヤの断面積の１５％未満、１２％未満、１０％未満、９％未満、または８％未満を集合的に占有し得る。このようにして、超電導ワイヤ内の拡散障壁は、種々の実施形態によると、（例えば、ワイヤおよび／またはフィラメントの任意の熱処理後に）少なくとも７５ＭＰａもしくはさらに少なくとも１００ＭＰａの最小降伏強度を伴うワイヤを提供する。
本発明の実施形態による超電導ワイヤの増進された機械的強度は、有利なこととして、そのようなワイヤが高磁場強度における動作中にワイヤに及ぼされるローレンツ力に耐えることを可能にする。当技術分野で公知であるように、磁石巻線内の「自己場」は、中心線磁場よりも高く、最内巻線において最高である。加えて、磁場を作成するために要求される電流は、磁石内の全てのワイヤの中で同一である。ローレンツ力は、Ｆ＝Ｂ×Ｉ（すなわち、電流に掛け合わせられた磁場）であり、生成された磁場は、電流Ｉに正比例し、したがって、力は、電流の二乗に比例する。例えば、ローレンツ力は、８テスラと比較して、１６テスラにおいて４倍より高いであろう。したがって、印加された磁場が大きさが増加されると、（外積関係を介して、電流および場の両方に垂直な）力に耐えるためのワイヤの機械的強度もまた同様に、より高くなければならない。本発明の実施形態による超電導ワイヤは、有利なこととして、少なくとも２テスラ、少なくとも５テスラ、少なくとも８テスラ、またはさらに少なくとも１０テスラの強度、すなわち、少なくとも２０，０００ガウス、少なくとも５０，０００ガウス、少なくとも８０，０００ガウス、またはさらに少なくとも１００，０００ガウスの磁束密度を有する磁場を利用する用途のために展開され得る。
本発明の実施形態は、ワイヤ自体内、および／または、ワイヤを形成するために利用される複合フィラメント内に安定化要素を組み込み得る。例えば、本発明の実施形態は、その開示全体が参照することによって本明細書に組み込まれる２０１６年７月９日に出願された米国特許出願第１５／２０５，８０４号（「第‘８０４号出願」）に説明されるように、Ｔａ、Ｔａ合金（例えば、Ｔａ−３Ｗ等のＴａの合金）、またはＨｆ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｖ、Ｙ、Ｍｏ、もしくはＷのうちの１つ以上のものとのＮｂの合金を含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成る安定化要素を組み込み得る。
ある側面では、本発明の実施形態は、外側ワイヤマトリクスと、ワイヤマトリクス内に配置される拡散障壁と、拡散障壁によって包囲され、拡散障壁によって外側ワイヤマトリクスから分離された複数の複合フィラメントとを含むか、本質的にそれらから成るか、またはそれらから成る超電導ワイヤを特徴とする。外側ワイヤマトリクスは、Ｃｕを含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成る。拡散障壁は、Ｔａ−Ｗ合金（例えば、０．２％〜１０％のＷを含むＴａ合金）を含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成る。複合フィラメントのうちの１つ以上のものまたは各々は、（ｉ）複数のモノフィラメントと、（ｉｉ）複数のモノフィラメントを包囲するクラッディングとを含むか、本質的にそれらから成るか、またはそれらから成る。複合フィラメントクラッディングは、Ｃｕを含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得る。モノフィラメントのうちの１つ以上のものまたは各々は、コアと、コアを包囲するクラッディングとを含むか、本質的にそれらから成るか、またはそれらから成る。モノフィラメントコアは、Ｎｂを含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得る。モノフィラメントクラッディングは、Ｃｕを含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得る。拡散障壁は、超電導ワイヤの軸方向寸法を通して延びている。
本発明の実施形態は、種々の組み合わせのうちのいずれかで、以下のうちの１つ以上のものを含み得る。モノフィラメントのうちの１つ以上のものまたは各々のコアは、Ｎｂと、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｙ、もしくはＬａのうちの１つ以上のものとを含む（例えば、Ｎｂ−Ｔｉ）合金、疑似合金、もしくは混合物を含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得る。モノフィラメントのうちの１つ以上のものまたは各々のコアは、Ｎｂ３Ｓｎを含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得る。拡散障壁は、Ｔａ−３Ｗを含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得る。拡散障壁は、加えて、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｒｅ、またはＳｉから成る群から選択される１つ以上の合金化元素を含み得る。拡散障壁の断面厚さおよび／または断面積は、ワイヤの厚さに沿って実質的に一定であり得る。複合フィラメントのうちの１つ以上のものまたは各々は、六角形の断面形状を有し得る（すなわち、ワイヤの軸方向寸法と垂直な断面において）。モノフィラメントのうちの１つ以上のものまたは各々は、六角形の断面形状を有し得る（すなわち、ワイヤの軸方向寸法と垂直な断面において）。
ワイヤは、複数の複合フィラメント内に配置され、拡散障壁によって包囲された安定化要素を含み得る。安定化要素は、０．２％〜１０％のＷを含むＴａ合金を含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得る。安定化要素の少なくとも一部は、実質的に超電導ワイヤの中心コアに位置し得る。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％未満占有し得る。安定化要素は、ワイヤの断面の約１％を上回って、ワイヤの断面の約２％を上回って、ワイヤの断面の約５％を上回って、ワイヤの断面の約８％を上回って、またはワイヤの断面の約１０％を上回って占有し得る。
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め込まれた複数の複合フィラメントとを含むか、本質的にそれらから成るか、またはそれらから成る。ワイヤマトリクスは、Ｃｕを含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成る。複合フィラメントのうちの１つ以上のものまたは各々は、（ｉ）複数のモノフィラメントと、（ｉｉ）複合フィラメントの軸方向寸法を通して延び、複数のモノフィラメントを包囲する拡散障壁と、（ｉｉｉ）拡散障壁を包囲するクラッディングであって、拡散障壁は、複数のモノフィラメントからクラッディングを分離する、クラッディングとを含むか、本質的にそれらから成るか、またはそれらから成る。複合フィラメント拡散障壁は、Ｔａ−Ｗ合金（例えば、０．２％〜１０％のＷを含むＴａ合金）を含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成る。複合フィラメントクラッディングは、Ｃｕを含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成る。モノフィラメントのうちの１つ以上のものまたは各々は、コアと、コアを包囲するクラッディングとを含むか、本質的にそれらから成るか、またはそれらから成る。モノフィラメントコアは、Ｎｂを含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得る。モノフィラメントクラッディングは、Ｃｕを含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得る。
本発明の実施形態は、種々の組み合わせのうちのいずれかで、以下のうちの１つ以上のものを含み得る。モノフィラメントのうちの１つ以上のものまたは各々のコアは、Ｎｂと、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｙ、もしくはＬａのうちの１つ以上のものとを含む（例えば、Ｎｂ−Ｔｉ）合金、疑似合金、もしくは混合物を含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得る。モノフィラメントのうちの１つ以上のものまたは各々のコアは、Ｎｂ３Ｓｎを含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得る。拡散障壁は、Ｔａ−３Ｗを含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得る。拡散障壁は、加えて、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｒｅ、またはＳｉから成る群から選択される１つ以上の合金化元素を含み得る。拡散障壁の断面厚さおよび／または断面積は、ワイヤの厚さに沿って実質的に一定であり得る。複合フィラメントのうちの１つ以上のものまたは各々は、六角形の断面形状を有し得る（すなわち、ワイヤの軸方向寸法と垂直な断面において）。モノフィラメントのうちの１つ以上のものまたは各々は、六角形の断面形状を有し得る（すなわち、ワイヤの軸方向寸法と垂直な断面において）。
ワイヤは、複数の複合フィラメント内に配置された安定化要素を含み得る。安定化要素は、０．２％〜１０％のＷを含むＴａ合金を含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得る。安定化要素の少なくとも一部は、実質的に超電導ワイヤの中心コアに位置し得る。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％未満占有し得る。安定化要素は、ワイヤの断面の約１％を上回って、ワイヤの断面の約２％を上回って、ワイヤの断面の約５％を上回って、ワイヤの断面の約８％を上回って、またはワイヤの断面の約１０％を上回って占有し得る。
さらに別の側面では、本発明の実施形態は、内側ワイヤ安定化マトリクスと、ワイヤ安定化マトリクスの周囲に配置される拡散障壁と、拡散障壁の周囲に配置され、拡散障壁によってワイヤ安定化マトリクスから分離された複数の複合フィラメントとを含むか、本質的にそれらから成るか、またはそれらから成る超電導ワイヤを特徴とする。ワイヤ安定化マトリクスは、Ｃｕを含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成る。拡散障壁は、Ｔａ−Ｗ合金（例えば、０．２％〜１０％のＷを含むＴａ合金）を含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成る。複合フィラメントのうちの１つ以上のものまたは各々は、（ｉ）複数のモノフィラメントと、（ｉｉ）（ｉｉｉ）複数のモノフィラメントを包囲するクラッディングとを含むか、本質的にそれらから成るか、またはそれらから成る。複合フィラメントクラッディングは、Ｃｕを含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成る。拡散障壁は、ワイヤの軸方向寸法を通して延びている。
本発明の実施形態は、種々の組み合わせのうちのいずれかで、以下のうちの１つ以上のものを含み得る。モノフィラメントのうちの１つ以上のものまたは各々のコアは、Ｎｂと、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｙ、もしくはＬａのうちの１つ以上のものとを含む（例えば、Ｎｂ−Ｔｉ）合金、疑似合金、もしくは混合物を含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得る。モノフィラメントのうちの１つ以上のものまたは各々のコアは、Ｎｂ３Ｓｎを含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得る。拡散障壁は、Ｔａ−３Ｗを含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得る。拡散障壁は、加えて、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｒｅ、またはＳｉから成る群から選択される１つ以上の合金化元素を含み得る。拡散障壁の断面厚さおよび／または断面積は、ワイヤの厚さに沿って実質的に一定であり得る。複合フィラメントのうちの１つ以上のものまたは各々は、六角形の断面形状を有し得る（すなわち、ワイヤの軸方向寸法と垂直な断面において）。モノフィラメントのうちの１つ以上のものまたは各々は、六角形の断面形状を有し得る（すなわち、ワイヤの軸方向寸法と垂直な断面において）。
ワイヤは、複数の複合フィラメント内に、または内側ワイヤ安定化マトリクス内もしくはそれに近接して配置される安定化要素を含み得る。安定化要素は、０．２％〜１０％のＷを含むＴａ合金を含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得る。安定化要素の少なくとも一部は、実質的に超電導ワイヤの中心コアに位置し得る。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％未満占有し得る。安定化要素は、ワイヤの断面の約１％を上回って、ワイヤの断面の約２％を上回って、ワイヤの断面の約５％を上回って、ワイヤの断面の約８％を上回って、またはワイヤの断面の約１０％を上回って占有し得る。
別の側面では、本発明の実施形態は、拡散抵抗および機械的強度を保有する超電導ワイヤを特徴とする。超電導ワイヤは、外側ワイヤマトリクスと、ワイヤマトリクス内に配置される拡散障壁と、拡散障壁によって包囲され、拡散障壁によって外側ワイヤマトリクスから分離された複数の複合フィラメントとを含むか、本質的にそれらから成るか、またはそれらから成る。外側ワイヤマトリクスは、Ｃｕを含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成る。拡散障壁は、Ｔａ−Ｗ合金（例えば、０．２％〜１０％のＷを含むＴａ合金）を含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成る。複合フィラメントのうちの１つ以上のもしくはさらに各々は、（ｉ）複数のモノフィラメントと、（ｉｉ）複数のモノフィラメントを包囲するクラッディングとを含むか、本質的にそれらから成るか、またはそれらから成る。複合フィラメントクラッディングは、Ｃｕを含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得る。モノフィラメントのうちの１つ以上のもしくはさらに各々は、コアと、コアを包囲するクラッディングとを含むか、本質的にそれらから成るか、またはそれらから成る。モノフィラメントコアは、Ｎｂを含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得る。モノフィラメントクラッディングは、Ｃｕを含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得る。拡散障壁は、超電導ワイヤの軸方向寸法を通して延びている。拡散障壁は、超電導ワイヤの断面積の１％〜２０％、２％〜１５％、または３％〜１０％を占有する。
本発明の実施形態は、種々の組み合わせのうちのいずれかで、以下のうちの１つ以上のものを含み得る。モノフィラメントのうちの１つ以上のものまたは各々のコアは、Ｎｂと、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｙ、もしくはＬａのうちの１つ以上のものとを含む（例えば、Ｎｂ−Ｔｉ）合金、疑似合金、もしくは混合物を含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得る。モノフィラメントのうちの１つ以上のものまたは各々のコアは、Ｎｂ３Ｓｎを含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得る。拡散障壁は、Ｔａ−３Ｗを含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得る。拡散障壁は、加えて、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｒｅ、またはＳｉから成る群から選択される１つ以上の合金化元素を含み得る。拡散障壁の断面厚さおよび／または断面積は、ワイヤの厚さに沿って実質的に一定であり得る。複合フィラメントのうちの１つ以上のものまたは各々は、六角形の断面形状を有し得る（すなわち、ワイヤの軸方向寸法と垂直な断面において）。モノフィラメントのうちの１つ以上のものまたは各々は、六角形の断面形状を有し得る（すなわち、ワイヤの軸方向寸法と垂直な断面いおいて）。超電導ワイヤの降伏強度は、少なくとも７５ＭＰａまたはさらに少なくとも１００ＭＰａであり得る。
ワイヤは、複数の複合フィラメント内に配置され、拡散障壁によって包囲された安定化要素を含み得る。安定化要素は、０．２％〜１０％のＷを含むＴａ合金を含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得る。安定化要素の少なくとも一部は、実質的に超電導ワイヤの中心コアに位置し得る。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％未満占有し得る。安定化要素は、ワイヤの断面の約１％を上回って、ワイヤの断面の約２％を上回って、ワイヤの断面の約５％を上回って、ワイヤの断面の約８％を上回って、またはワイヤの断面の約１０％を上回って占有し得る。
別の側面では、本発明の実施形態は、拡散抵抗および機械的強度を保有する超電導ワイヤを特徴とする。超電導ワイヤは、ワイヤマトリクスと、ワイヤマトリクス内に埋め込まれた複数の複合フィラメントとを含むか、本質的にそれらから成るか、またはそれらから成る。ワイヤマトリクスは、Ｃｕを含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成る。複合フィラメントのうちの１つ以上のものまたは各々は、（ｉ）複数のモノフィラメントと、（ｉｉ）複合フィラメントの軸方向寸法を通して延び、複数のモノフィラメントを包囲する拡散障壁と、（ｉｉｉ）拡散障壁を包囲するクラッディングであって、拡散障壁は、複数のモノフィラメントからクラッディングを分離する、クラッディングとを含み、本質的にそれらから成り、またはそれらから成る。複合フィラメント拡散障壁は、Ｔａ−Ｗ合金（例えば、０．２％〜１０％のＷを含むＴａ合金）を含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成る。複合フィラメントクラッディングは、Ｃｕを含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成る。モノフィラメントのうちの１つ以上のものまたは各々は、コアと、コアを包囲するクラッディングとを含むか、本質的にそれらから成るか、またはそれらから成る。モノフィラメントコアは、Ｎｂを含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得る。モノフィラメントクラッディングは、Ｃｕを含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得る。拡散障壁は、超電導ワイヤの断面積の１％〜２０％、２％〜１５％、または３％〜１０％を集合的に占有する。
本発明の実施形態は、種々の組み合わせのうちのいずれかで、以下のうちの１つ以上のものを含み得る。モノフィラメントのうちの１つ以上のものまたは各々のコアは、Ｎｂと、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｙ、もしくはＬａのうちの１つ以上のものとを含む（例えば、Ｎｂ−Ｔｉ）合金、疑似合金、もしくは混合物を含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得る。モノフィラメントのうちの１つ以上のものまたは各々のコアは、Ｎｂ３Ｓｎを含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得る。拡散障壁は、Ｔａ−３Ｗを含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得る。拡散障壁は、加えて、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｒｅ、またはＳｉから成る群から選択される１つ以上の合金化元素を含み得る。拡散障壁の断面厚さおよび／または断面積は、ワイヤの厚さに沿って実質的に一定であり得る。複合フィラメントのうちの１つ以上のものまたは各々は、六角形の断面形状を有し得る（すなわち、ワイヤの軸方向寸法と垂直な断面において）。モノフィラメントのうちの１つ以上のものまたは各々は、六角形の断面形状を有し得る（すなわち、ワイヤの軸方向寸法と垂直な断面において）。超電導ワイヤの降伏強度は、少なくとも７５ＭＰａまたはさらに少なくとも１００ＭＰａであり得る。
ワイヤは、複数の複合フィラメント内に配置された安定化要素を含み得る。安定化要素は、０．２％〜１０％のＷを含むＴａ合金を含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得る。安定化要素の少なくとも一部は、実質的に超電導ワイヤの中心コアに位置し得る。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％未満占有し得る。安定化要素は、ワイヤの断面の約１％を上回って、ワイヤの断面の約２％を上回って、ワイヤの断面の約５％を上回って、ワイヤの断面の約８％を上回って、またはワイヤの断面の約１０％を上回って占有し得る。
さらに別の側面では、本発明の実施形態は、拡散抵抗および機械的強度を保有する超電導ワイヤを特徴とする。超電導ワイヤは、内側ワイヤ安定化マトリクスと、ワイヤ安定化マトリクスの周囲に配置される拡散障壁と、拡散障壁の周囲に配置され、拡散障壁によってワイヤ安定化マトリクスから分離された複数の複合フィラメントとを含むか、本質的にそれらから成るか、またはそれらから成る。ワイヤ安定化マトリクスは、Ｃｕを含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成る。拡散障壁は、Ｔａ−Ｗ合金（例えば、０．２％〜１０％のＷを含むＴａ合金）を含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成る。複合フィラメントのうちの１つ以上のものまたは各々は、（ｉ）複数のモノフィラメントと、（ｉｉ）（ｉｉｉ）複数のモノフィラメントを包囲するクラッディングとを含むか、本質的にそれらから成るか、またはそれらから成る。複合フィラメントクラッディングは、Ｃｕを含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成る。拡散障壁は、超電導ワイヤの軸方向寸法を通して延びている。拡散障壁は、超電導ワイヤの断面積の１％〜２０％、２％〜１５％、または３％〜１０％を占有する。
本発明の実施形態は、種々の組み合わせのうちのいずれかで、以下のうちの１つ以上のものを含み得る。モノフィラメントのうちの１つ以上のものまたは各々のコアは、Ｎｂと、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｙ、もしくはＬａのうちの１つ以上のものとを含む（例えば、Ｎｂ−Ｔｉ）合金、疑似合金、もしくは混合物を含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得る。モノフィラメントのうちの１つ以上のものまたは各々のコアは、Ｎｂ３Ｓｎを含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得る。拡散障壁は、Ｔａ−３Ｗを含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得る。拡散障壁は、加えて、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｒｅ、またはＳｉから成る群から選択される１つ以上の合金化元素を含み得る。拡散障壁の断面厚さおよび／または断面積は、ワイヤの厚さに沿って実質的に一定であり得る。複合フィラメントのうちの１つ以上のものまたは各々は、六角形の断面形状を有し得る（すなわち、ワイヤの軸方向寸法と垂直な断面において）。モノフィラメントのうちの１つ以上のものまたは各々は、六角形の断面形状を有し得る（すなわち、ワイヤの軸方向寸法と垂直な断面において）。超電導ワイヤの降伏強度は、少なくとも７５ＭＰａまたはさらに少なくとも１００ＭＰａであり得る。
ワイヤは、複数の複合フィラメント内に、または内側ワイヤ安定化マトリクス内もしくはそれに近接して配置される安定化要素を含み得る。安定化要素は、０．２％〜１０％のＷを含むＴａ合金を含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得る。安定化要素の少なくとも一部は、実質的に超電導ワイヤの中心コアに位置し得る。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％未満占有し得る。安定化要素は、ワイヤの断面の約１％を上回って、ワイヤの断面の約２％を上回って、ワイヤの断面の約５％を上回って、ワイヤの断面の約８％を上回って、またはワイヤの断面の約１０％を上回って占有し得る。
これらおよび他の目的は、本明細書に開示される本発明の利点および特徴とともに、以下の説明、付随する図面、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、相互排他的ではなく、種々の組み合わせおよび順列で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」は、±１０％、いくつかの実施形態では、±５％を意味する。用語「本質的に〜から成る」は、本明細書で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。それでもなお、そのような他の材料は、集合的に、または個々に、微量で存在し得る。例えば、本質的に複数の金属から成る構造は、概して、これらの金属のみと、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な不純物のみ（金属または非金属であり得る）とを含むであろう。本明細書で使用されるように、「本質的に少なくとも１つの金属から成る」は、１つの金属または２つ以上の金属の混合物を指すが、金属と、酸素、ケイ素、または窒素等の非金属元素もしくは化学種との間の化合物（例えば、金属窒化物、金属ケイ化物、または金属酸化物）を指さない。そのような非金属元素または化学種は、例えば、不純物として、集合的に、または個々に、微量で存在し得る。
図面では、同様の参照記号は、概して、異なる図の全体を通して同じ部品を指す。また、図面は、必ずしも一定の縮尺ではなく、代わりに、概して、本発明の原理を例証することを重視している。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管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管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内に拡散障壁を形成するために利用される管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２Ｄは、本発明の種々の実施形態による製作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２Ｅは、本発明の種々の実施形態による超電導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管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された複合フィラメントおよび／または超電導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３Ｄは、本発明の種々の実施形態による安定化要素を組み込む複合フィラメント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超電導ワイヤを形成するために利用される管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超電導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４Ｃは、本発明の種々の実施形態による超電導ワイヤ内に拡散障壁を形成するために利用される管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製作の初期段階における超電導ワイヤ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電導ワイヤの概略断面図である。図４Ｆは、本発明の種々の実施形態による製作の初期段階における安定化された超電導ワイヤの概略断面図である。図４Ｆは、本発明の種々の実施形態による安定化された超電導ワイヤの概略断面図である。 図５は、本発明の種々の実施形態によるＣｕ内側安定剤および安定剤の周囲に配置される拡散障壁を特徴とする超電導ワイヤの断面顕微鏡写真である。 図６は、本発明の種々の実施形態によるＣｕ外側マトリクスおよび外側マトリクスとワイヤフィラメントとの間に配置される拡散障壁を特徴とする超電導ワイヤの断面顕微鏡写真である。 図７Ａは、本発明の種々の実施形態によるＣｕ外側マトリクスおよび外側マトリクスとワイヤ複合フィラメントとの間に配置されるＴａ−３Ｗ拡散障壁を特徴とする超電導ワイヤの断面顕微鏡写真である。図７Ｂは、本発明の種々の実施形態によるＣｕマトリクスおよび各内部複合フィラメントを包囲するＴａ−３Ｗ拡散障壁を特徴とする超電導ワイヤの断面顕微鏡写真である。図７Ｃは、Ｃｕマトリクスおよびその中の複合フィラメントを特徴とする超電導ワイヤの断面顕微鏡写真である。図７Ｄは、本発明の種々の実施形態によるＣｕマトリクス、その中の複合フィラメント、およびＴａ−３Ｗ内側安定化コアを特徴とする超電導ワイヤの断面顕微鏡写真である。 図８Ａは、２つの異なる焼きなまし処理後の図７Ｃで描写されるワイヤの降伏強度および極限引張強度のグラフである。 図８Ｂは、焼きなまし後の図７Ｄで描写されるワイヤの降伏強度および極限引張強度のグラフである。 図８Ｃは、焼きなまし後の図７Ａおよび７Ｂで描写されるワイヤの降伏強度および極限引張強度のグラフである。 図９Ａは、内側Ｓｎ含有フィラメント、外側Ｎｂ含有複合フィラメント、およびフィラメントを包囲し、外側Ｃｕ安定化マトリクスからそれらを分離するＴａ−３Ｗ拡散障壁を特徴とする超電導ワイヤの断面顕微鏡写真である。 図９Ｂは、２１０℃で７２時間にわたる焼きなまし後の、図９Ａで描写されるワイヤの断面顕微鏡写真である。 図９Ｃは、２１０℃で７２時間、４００℃で４８時間、６４０℃で４８時間にわたる焼きなまし後の図９Ａで描写されるワイヤの断面顕微鏡写真である。 図９Ｄは、図９Ｂおよび９Ｃで描写されるワイヤの温度の関数としての、電気抵抗のグラフである。
図１Ａ−１Ｃは、例示的モノフィラメント１００の構成要素およびそれらの構成成分を描写する。本発明の実施形態によると、ロッド１０５が、ＣｕまたはＣｕ合金（例えば、ブロンズ）を含むか、本質的にそれから成るか、もしくはそれから成る管１１０内に配置される。ロッド１０５の組成は、最終的なワイヤにおいて所望される特定の金属超電導体に基づいて選択され得る。例えば、ロッド１０５は、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｎｂ−Ｔｉ、またはその合金を含むか、本質的にそれから成るか、もしくはそれから成り得る。他の例では、ロッド１０５は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｙ、またはＬａのうちの１つ以上のものと混ぜて合金にされるＮｂを含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得る。そのような合金化元素が、例えば、０．２％〜１０％（例えば、０．２％〜５％または０．５％〜１％）の濃度で、個々に、または集合的に、ロッド１０５内に（したがって、モノフィラメント１００のコア内に）存在し得る。管１１０で被覆されたロッド１０５は、その後、例えば、０．５インチ〜１．５インチまでその直径を縮小するために引き伸ばされ得る。被覆ロッドは、複数の段階で引き伸ばされ得、例えば、歪み緩和のために、引き伸ばしステップのうちのいくつかもしく各々中、および／または、その後、熱処理され得る。引き伸ばされると、被覆ロッドは、他のモノフィラメントとの効率的な積み重ねのために成形されたモノフィラメント１００を製作するために、成形ダイを通して引き伸ばされ得る。例えば、図１Ｃに示されるように、六角ダイが、六角形の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得る。他の実施形態では、モノフィラメントが、例えば、正方形、長方形、三角形等の他の断面を有し得る。
モノフィラメント１００が製作されると、他のモノフィラメント１００も、同じ様式で製作され得るか、または、１つ以上のモノフィラメント１００が、複数の断片に分割され得る。複数のモノフィラメントが、複合フィラメントの少なくとも一部を形成するように、一緒に積み重ねられ得る。図２Ａ−２Ｅ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２Ｃに示されるように、複数のモノフィラメント１００が、その後、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置に一緒に積み重ねられ得る。図２Ｃは、１９本の異なるモノフィラメント１００の積み重ねを描写するが、本発明の実施形態は、より多いまたは少ないモノフィラメント１００を含み得る。モノフィラメント１００の積み重ねられたアセンブリは、ＣｕまたはＣｕ合金（例えば、ブロンズ）を含むか、本質的にそれから成るか、もしくはそれから成る管２０５内に配置され得る。図２Ｂに示されるように、管２１０が、管２０５内に、かつモノフィラメント１００のスタックの周囲に配置され得る。この管２１０は、最終的な複合フィラメントの中で拡散障壁２１５になり、モノフィラメント１００と、管２０５の材料との間の相互拡散を妨害または実質的に防止し、管２０５は、結果として生じる複合フィラメントの外側マトリクス２２０になる。したがって、管２１０は、Ｔａ−Ｗ（例えば、Ｔａ−３Ｗ）等のＴａ合金を含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得る。モノフィラメント１００が管２０５および管２１０内に配置される前および／または後、モノフィラメント１００、管２０５、および／または管２１０は、例えば、表面酸化物および／または他の汚染物質を除去するために、（例えば、１つ以上の酸を含むか、本質的にそれから成るか、もしくはそれから成る洗浄剤を介して）洗浄および／またはエッチングされ得る。
管２１０は、拡散障壁内に配置される１つ以上の合金化元素との純Ｔａの合金化を介して製作され得る。例えば、ＴａおよびＷの合金を含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成る拡散障壁（したがって、管２１０）に対して、ＴａおよびＷは、電子ビーム溶解および／またはアーク溶解等のプロセスを介して、所望の量で一緒に合金にされ得る。結果として生じる材料は、シートに製作され得、シートは、例えば、圧延、深絞り、押し出し、ピルガ圧延等によって、管に形成され得る。
図２Ｄに示されるように、管２０５および管２１０が、例えば、スエージング、押し出し、および／または圧延によって、モノフィラメント１００上に圧縮され得る。被覆され積み重ねられたモノフィラメント１００は、積み重ねられたアセンブリの中の種々のモノフィラメント１００の間の結合を促進するために焼きなましされ得る。例えば、被覆され積み重ねら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℃）の温度で焼きなましされ得る。有利なこととして、モノフィラメント１００と外側マトリクス２２０との間の拡散障壁２１５の存在は、マトリクス２２０のＣｕとモノフィラメント１００との間の拡散を実質的に防止し、それによって、低い導電性（例えば、Ｃｕおよび／またはマトリクス２２０の材料よりも低い導電性）を有する金属相の形成を防止する。拡散障壁２１５は、特に、ワイヤにおける超電導相の反応性形成のために利用される長時間高温熱処理後、外側マトリクス２２０および／またはモノフィラメント１００のそれらと比較したその優れた機械的性質（例えば、強度、降伏強度、引張強度、剛性、ヤング係数等）を考慮すると、追加の機械的強度も最終的なワイヤに提供する。
結果として生じるアセンブリは、その直径を縮小するように、１回以上引き伸ばされ得、その後、効率的な積み重ねのために構成される断面形状を伴う複合フィラメント２００を提供するために、成形ダイを通して引き伸ばされ得る。例えば、図２Ｅに示されるように、六角ダイが、六角形の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得る。他の実施形態では、複合フィラメント２００は、例えば、正方形、長方形、三角形、円形、非真円形、楕円形等の他の断面を有し得る。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（すなわち、図２Ｃに示される）前の初めに積み重ねられたアセンブリで利用されるモノフィラメント１００の断面サイズおよび／または形状に等しい。（管２１０の組み込みに起因する拡散障壁２１５が、可変断面厚さを有するものとして図２Ｄおよび２Ｅで描写されているが、本発明の種々の実施形態では、拡散障壁２１５は、その円周の周囲に実質的に一様な断面厚さを有し、拡散障壁２１５は、図５および６に示されるように、断面において環状リング（例えば、その内側のフィラメント（または他の構造）の周囲に緊密に配置されるリング）の形態を有し得、本発明の実施形態による環状断面を有する拡散障壁は、概して、ワイヤの軸方向寸法に沿って延びている管の形態を有する。）
本発明の実施形態による超電導ワイヤは、安定化要素も組み込み得、安定化要素は、ワイヤの引き伸ばし可能性および／または電気性能を損なわずに、さらなる機械的強度を提供する。図３Ａ−３Ｃは、モノフィラメント１００に関して上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の製作を描写する。本発明の実施形態によると、ロッド３０５が、ＣｕまたはＣｕ合金を含むか、本質的にそれから成るか、もしくはそれから成る管３１０内に配置される。ロッド３０５は、モノフィラメント１００を製作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つ以上の金属を含むか、本質的にそれから成るか、もしくはそれから成り得る。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）、もしくは拡散障壁に好適であるような本明細書に開示される任意の他の材料を含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得る。他の実施形態では、ロッド３０５は、実質的に純Ｎｂを上回る機械的強度を有するＮｂ合金を含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得る。例えば、本発明の実施形態によるロッド３０５（したがって、安定化要素）は、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｖ、Ｙ、Ｍｏ、もしくはＷのうちの１つ以上のものとのＮｂの合金を含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得る。例えば、本発明の実施形態による安定化要素は、Ｎｂ Ｃ１０３合金を含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成り得、Ｎｂ Ｃ１０３合金は、約１０％のＨｆと、約０．７％〜１．３％のＴｉと、約０．７％のＺｒと、約０．５％のＴａと、約０．５％のＷと、残りのＮｂとを含む。他の実施形態では、安定化要素は、Ｎｂ Ｂ６６合金および／またはＮｂ Ｂ７７合金を含むか、本質的にそれから成るか、もしくはそれから成り得る。
管３１０で被覆されたロッド３０５は、その後、例えば、０．５インチ〜１．５インチまでその直径を縮小するために引き伸ばされ得る。被覆ロッドは、複数の段階で引き伸ばされ得、例えば、歪み緩和のために、引き伸ばしステップのうちのいくつかまたは各々中、および／または、その後、熱処理され得る。引き伸ばされると、被覆ロッドは、モノフィラメント１００および／または複合フィラメント２００との効率的な積み重ねのために成形される安定化要素３００を製作するために、成形ダイを通して引き伸ばされ得る。例えば、図３Ｃに示されるように、六角ダイが、六角形の断面を有する安定化要素３００を形成するために利用され得る。他の実施形態では、安定化要素３００は、例えば、正方形、長方形、三角形等の他の断面を有し得る。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である断面サイズおよび／または形状を有し得る。
製作されると、１つ以上の安定化要素３００は、モノフィラメント１００のスタックの中に挿入され得、結果として生じるアセンブリは、拡散障壁材料およびマトリクス材料で包囲され、引き伸ばされ、随意に、図３Ｄに示されるように、モノフィラメント１００および安定化要素３００と外側マトリクス２２０との間に拡散障壁２１５を組み込む、安定化された複合フィラメント３１５（例えば、図２Ａ−２Ｅを参照して上で説明されるような）を形成するように成形され得る。本発明の種々の実施形態では、複合フィラメントは、その間の相互拡散を妨害または実質的に防止するために、安定化要素３００と残りのモノフィラメント１００との間に拡散障壁を含み得る。種々の実施形態では、安定化要素３００は、例えば、ＣｕまたはＣｕ合金を含むか、本質的にそれから成るか、もしくはそれから成る内部安定化マトリクスと置換され、またはそれで補完され得、そのような領域は、１つ以上の拡散障壁を介してモノフィラメント１００から分離され得る。
安定化要素および拡散障壁を組み込む本発明の実施形態では、追加の機械的強度を与えるワイヤの断面積の量は、拡散障壁と安定化要素との間で有益に分割され得る。すなわち、１つ以上の安定化要素によって占有されるワイヤの断面積が多いほど、各拡散障壁が、ワイヤの種々の部分の間の拡散を妨害する、または実質的に排除するための十分な厚さを有する限り、ワイヤのより少ない断面積が拡散障壁によって占有される必要がある。逆に、本発明の実施形態による拡散障壁の使用は、依然として、所望の機械的強度（および／または他の機械的性質）をワイヤに与えながら、それら自体が集合的にワイヤのより少ない断面積を占有する１つ以上の安定化要素の使用を可能にする。種々の実施形態では、拡散障壁は、集合的に、ワイヤの断面積の少なくとも２％、少なくとも３％、少なくとも４％、または少なくとも５％を占有し得る。種々の実施形態では、拡散障壁は、集合的に、ワイヤの断面積の１５％未満、１２％未満、１０％未満、９％未満、または８％未満占有し得る。安定化要素を特徴とする本発明の実施形態では、安定化要素および拡散障壁は、集合的に、ワイヤの断面積の２５％未満、２０％未満、または１５％未満占有し得る。安定化要素自体は、ワイヤの断面積の１５％未満または１０％未満（例えば、約２％〜約８％もしくは約５％〜約１５％）を占有し得る。安定化要素は、ワイヤの断面積の少なくとも２％、少なくとも３％、少なくとも５％、または少なくとも８％を占有し得る。
１つ以上の複合フィラメント２００、３１５内に組み込まれることに加えて、もしくはその代わりに、本発明の実施形態による拡散障壁は、有利なこととして、超電導ワイヤ内の相互拡散を妨害または実質的に防止するために、外側安定化マトリクス（および／またはワイヤの中心に近接する内側安定化マトリクスおよび／または安定剤）と複合フィラメントとの間に配置され得る。すなわち、超電導ワイヤおよび／またはワイヤプリフォームは、複合フィラメント２００、安定化された複合フィラメント３１５、および／または、それら自体の拡散障壁を欠く複合フィラメントのアセンブリの周囲に配置される拡散障壁、を利用して、製作され得る。図４Ａ−４Ｅは、例示的超電導ワイヤ４００の製作の種々の段階を描写する。図４Ｂに示されるように、それら自体の内部拡散障壁をそれぞれ欠く、複数の複合フィラメント４０５は、その後、超電導ワイヤ４００のコアの少なくとも一部になるであろう配置に一緒に積み重ねられ得る。各複合フィラメント４０５は、例えば、上で詳述される複合フィラメント２００と同様であるが、製作中、管２１０の使用から生じる拡散障壁２１５の組み込みを伴わず、製作され得る。他の実施形態では、複合フィラメントのスタックは、複合フィラメント４０５を伴い、または伴わずに、複合フィラメント２００、複合フィラメント３１５、および／またはそれらの混合物を含むか、もしくはそれから成り得る。図４Ｂは、１８本の異なる複合フィラメント４０５の積み重ねを描写するが、本発明の実施形態は、より多いまたは少ない複合フィラメントを含み得る。
複合フィラメントの積み重ねられたアセンブリは、ＣｕまたはＣｕ合金を含むか、本質的にそれから成るか、もしくはそれから成る管４１０内に配置され得る。加えて、図４Ｃに示されるように、管２１０は、複合フィラメントの積み重ねられたアセンブリの周囲に、かつ管４１０内に配置され得、それは、したがって、最終的なワイヤの中に拡散障壁を形成し得る。複合フィラメントが管５１０および管２１０内に配置される前および／または後、複合フィラメント、管２１０、および／または管４１０は、例えば、表面酸化物および／または他の汚染物質を除去するために、（例えば、１つ以上の酸を含むか、本質的にそれから成るか、もしくはそれから成る洗浄剤を介して）洗浄および／またはエッチングされ得る。図４Ｄに示されるように、管４１０および管２１０は、例えば、スエージング、押し出し、および／または圧延によって、複合フィラメント上に圧縮され得、管２１０は、拡散障壁４１５になり得、管４１０は、外側マトリクス４２０になり得る。被覆され積み重ねられた複合フィラメントは、積み重ねられたアセンブリの中の種々の複合フィラメントの間の結合を促進するために焼きなましされ得る。例えば、被覆スタックは、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℃）の温度で焼きなましされ得る。有利なこととして、複合フィラメント４０５と外側マトリクス４２０との間の拡散障壁４１５の存在は、マトリクス４２０のＣｕと複合フィラメント４０５との間の拡散を実質的に防止し、それによって、低い導電性（例えば、Ｃｕおよび／またはマトリクス４２０の材料よりも低い導電性）を有する金属相の形成を防止する。結果として生じるアセンブリは、図４Ｅに示されるように、その直径を縮小するように、１回以上引き伸ばされ得る。引き伸ばす前または後、超電導ワイヤ４００は、例えば、残留応力を緩和するために、および／またはその中の再結晶を促進するために焼きなましされ得る。
図４Ｆおよび４Ｇに示されるように、類似方法論が、１つ以上の拡散障壁４１５および１つ以上の安定化要素３００を組み込む、安定化された半導体ワイヤ４２５を製作するために、利用され得る。例えば、積み重ねられた複合フィラメントのアセンブリが、各々が１つ以上の安定化要素３００に適応するようにサイズを決定され、成形される１つ以上の空隙をその内側に画定し得る。複合フィラメントが管４１０および管２１０内に配置される前または後、１つ以上の安定化要素３００が、図４Ｆに示されるように、空隙の各々の内側に配置され得る。結果として生じるアセンブリは、図４Ｇに示されるように、例えば、引き伸ばしおよび／または押し出しによって、その直径を縮小させられ得る。種々の実施形態では、拡散障壁が、特に、安定化要素がＣｕを含むか、本質的にそれから成るか、またはそれから成る実施形態では、ワイヤもしくはワイヤプリフォーム内で安定化要素３００とフィラメントとの間に配置され得る。例えば、所望の拡散障壁材料の管は、ワイヤプリフォームアセンブリが組み立てられるときに安定化要素の周囲に配置され得、アセンブリ全体は、所望のワイヤ寸法まで引き伸ばされ得る。図４Ｆおよび４Ｇは、実質的に複合フィラメントの積み重ねられたアセンブリの中心に配置された単一の安定化要素３００を有する超電導ワイヤ４２５を描写するが、本発明の実施形態によると、１つ以上の安定化要素３００は、中心に配置された安定化要素３００に加えて、もしくはその代わりに、積み重ねられたアセンブリ内の他の場所に配置され得る。
種々の実施形態では、超電導ワイヤ４００、４２５は、その内側の拡散障壁４１５を欠いており、したがって、管２１０は、その形成に利用されず、個々の複合フィラメントのうちの１つ以上のものの中の拡散障壁２１５は、相互拡散を妨害もしくは実質的に防止するために利用される。他の実施形態では、図４Ｄ−４Ｇに示されるように、個々の複合フィラメント４０５は、その内側の拡散障壁を欠き得、拡散障壁４１５は、超電導ワイヤ４００、４２５内に存在する。そのような実施形態では、管１１０および／または２０５は、有利なこととして、Ｓｎをその中に組み込み得、Ｓｎは、その後の熱処理中にフィラメントのＮｂと反応し、超電導相（例えば、Ｎｂ３Ｓｎ）を形成する。他の実施形態では、拡散障壁４１５が、拡散障壁２１５に加えて、個々の複合フィラメント内に存在する。
種々の実施形態では、超電導ワイヤ４００、超電導ワイヤ４２５、複合フィラメント４０１５、複合フィラメント２００、および／または安定化された複合フィラメント３１５は、直径縮小のために、および／またはそれらの構成要素の間の結合を促進するために、ワイヤ引き伸ばしステップに先立って機械的に処理され得る。例えば、超電導ワイヤ４００、超電導ワイヤ４２５、複合フィラメント４０１５、複合フィラメント２００、および／または安定化された複合フィラメント３１５は、最終引き伸ばしステップに先立って、押し出し、スエージング、および／または圧延され得る。種々の実施形態では、超電導ワイヤ４００、超電導ワイヤ４２５、複合フィラメント４０１５、複合フィラメント２００、および／または安定化された複合フィラメント３１５は、歪み緩和のために、複数の異なる引き伸ばしステップの各々中、および／または、その後、熱処理され得る。例えば、引き伸ばしステップのうちの１つ以上のもの中、および／もしくは、その後、超電導ワイヤ４００、超電導ワイヤ４２５、複合フィラメント４０１５、複合フィラメント２００、ならびに／または安定化された複合フィラメント３１５は、例えば、約２０時間〜約４０時間の期間にわたって約３６０℃〜約４２０℃の温度で焼きなましされ得る。
本発明の種々の実施形態では、超電導ワイヤ４００または超電導ワイヤ４２５は、その内側のフィラメントの臨界温度を下回って冷却され、電流を伝導するために利用され得る。いくつかの実施形態では、複数の超電導ワイヤ４００および／または超電導ワイヤ４２５は、単一の超電導ケーブルを形成するために、一緒にコイル状に巻かれる。
いくつかの超電導ワイヤ４００、４２５（例えば、Ｎｂ−Ｔｉ含有フィラメントを組み込むもの）が、超電導用途で直接利用され得るが、種々の他の超電導ワイヤ４００、４２５のための製作プロセスは、超電導相の一部を組み込むための１つ以上のステップを組み込み得る。例えば、Ｎｂ３Ｓｎ超電導相は、形成されると、典型的には、もろく、さらに引き伸ばされない、または別様に損傷を伴わずに機械的に変形させられないこともある。したがって、本発明の実施形態は、互いから分離したＮｂおよびＳｎを組み込む、超電導ワイヤ４００、４２５を製作するために利用され得、ワイヤ４００、４２５が殆どまたは完全に製作されると、ワイヤ４００、４２５は、ＮｂおよびＳｎを相互拡散させ、その中で超電導Ｎｂ３Ｓｎ相を形成するように焼きなましされ得る。例えば、引き伸ばされたワイヤは、例えば、約３０時間〜約２００時間の期間にわたって約６００℃〜約７００℃の温度で焼きなましされ得る。種々の実施形態では、Ｃｕベースの管１１０、２０５、または３１０のうちの１つ以上のものが、その中にＳｎを組み込み得、例えば、管のうちの１つ以上のものが、Ｃｕ−Ｓｎ合金（例えば、１３〜１５％のＳｎを含む）を含むか、本質的にそれから成るか、もしくはそれから成り得る。そのような材料は、延性があり、本明細書で詳述されるような種々のフィラメントおよびワイヤの製作を可能にする。その後、ワイヤ４００、４２５は、焼きなましされ得、相互拡散および少なくともＮｂとＣｕ−Ｓｎとの間の界面における超電導Ｎｂ３Ｓｎ相の形成をもたらす。
他の実施形態では、純ＳｎまたはＳｎ合金（例えば、Ｃｕもしくはマグネシウム（Ｍｇ）を伴うＳｎ合金）が、複合フィラメント２００、安定化された複合フィラメント３１５、および／またはワイヤ４００、４２５を形成するために利用されるスタックのうちの１つ以上のものの内側に（例えば、ロッドまたは管の形態で）組み込まれ得、本明細書で詳述されるような複合フィラメント２００、安定化された複合フィラメント３１５、および／またはワイヤ４００、４２５の形成後、焼きなましステップが、超電導Ｎｂ３Ｓｎ相を形成するために実施され得る。
図５は、本発明の実施形態による拡散障壁を組み込む超電導ワイヤ５００の断面図である。示されるように、拡散障壁５１０は、ワイヤ５００のＣｕ安定化コア５２０と、Ｎｂベースのフィラメント５４０を含む外側ブロンズマトリクス５３０との間に配置される。図６は、本発明の実施形態による拡散障壁を組み込む別の超電導ワイヤ６００の断面図である。示されるように、拡散障壁６１０は、ワイヤ６００のコアにおける内側Ｓｂ−Ｃｕ−Ｎｂベースのフィラメント６２０と外側Ｃｕ安定剤６３０との間に配置される。
（実施例）
一連の実験が、処理可能性および性能（すなわち、最終的なワイヤ内の拡散を妨害すること）の観点からＴａ−３Ｗ拡散障壁を評価するために実施された。初期Ｎｂベースのフィラメントの製作は、ロッドの直径よりもわずかに大きい内径を有する管を沈めることによって、無酸素電子（ＯＦＥ）Ｃｕ管類で焼きなましＮｂロッドを被覆することによって始まった。（当技術分野で公知であるように、ＯＦＥ Ｃｕは、少なくとも９９．９９％純粋であり、０．０００５％と同程度の酸素含有量を有する。）モノフィラメントの各々におけるＣｕ対Ｎｂ比は、約１：３であった。被覆ロッドは、３．６６ｍｍの円形に引き伸ばされ、次いで、３．０５ｍｍの平坦六角ダイを通して引かれた。結果として生じる六角形のモノフィラメントが、複合フィラメントを形成するために、１９本の群に積み重ねられ、別のＣｕ管の中に設置され、３．６６ｍｍまで低温で引き伸ばされ、その後、３．０５ｍｍの平坦六角ダイを通して引かれた。
単一の拡散障壁を有する第１の実験サンプルを形成するために、１９本の複合フィラメントが、一緒に積み重ねられ、１２．７ｍｍの直径および０．３８ｍｍの壁厚を有するシーム溶接Ｔａ−３Ｗ管内に設置された。このアセンブリは、１６．５ｍｍの直径および１．５ｍｍの壁厚を有するＣｕ安定剤管内に設置された。結果として生じるアセンブリが、０．７２ｍｍの直径まで低温で引き伸ばされ、結果として生じるワイヤ７００の断面顕微鏡写真が、図７Ａに示される。ワイヤ７００の部分が、３．０５ｍｍの平坦六角ダイを通して引き伸ばされ、１８．３ｍｍの直径および１．５ｍｍの壁厚を有するＣｕ管内で１８要素アセンブリとして一緒に積み重ねられた。結果として生じるアセンブリが、０．７２ｍｍの直径まで低温で引き伸ばされ、複合フィラメントの各「束」がそれ自体の拡散障壁によって包囲される結果として生じるワイヤ７１０の断面顕微鏡写真が、図７Ｂに示される。ワイヤ７００、７１０は、ワイヤのＮｂおよびＣｕ元素と共処理されるＴａ−３Ｗ拡散障壁の好適性を評価するように製作され、したがって、いかなるＳｎ要素もワイヤ内に組み込まれなかった。図７Ａおよび７Ｂに示されるように、拡散障壁は、連続的なままであり、概して、５００：１を超える面積縮小を受けるにもかかわらず、それらが包囲したフィラメントスタックの形状に一致した。ワイヤ７００の厚さは、初期Ｔａ−３Ｗ管のシーム溶接に対応する場所で、わずかに非一様であることに留意されたい。そのような非一様性は、最初の製作におけるシームレスな管の使用を介して、または溶接を最適化することによって、対処され得る。
比較目的のために、ワイヤ７１０に類似するが、拡散障壁を欠く、２つの追加のワイヤが製作された。図７Ｃは、Ｃｕ安定剤コアを有するが、１９要素複合フィラメント束の各々の周囲に拡散障壁を欠くワイヤ７２０の断面顕微鏡写真である。図７Ｄは、ワイヤ７２０と同じであるが、ＣｕではなくＴａ−３Ｗから成る内側コア安定剤を特徴とするワイヤ７３０の断面顕微鏡写真である。ワイヤ７３０の内側コア安定剤は、ワイヤ７３０の断面積の約２．５％を占有する。
異なるワイヤ直径で得られた種々のワイヤ７００、７１０、７２０、７３０の部分の機械的性質が、超電導ワイヤ製作中の例示的熱処理を模倣するように設計された焼きなまし後、試験された。種々のワイヤが、３時間にわたって７００℃で焼きなましされ、ワイヤの結果として生じる降伏強度および極限引張強度は、その開示全体が参照することによって本明細書に組み込まれるＡＳＴＭ Ｅ８／Ｅ８Ｍ−１５ａ，Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｔｅｎｓｉｏｎ Ｔｅｓｔｉｎｇ ｏｆ Ｍｅｔａｌｌｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ＡＳＴＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｗｅｓｔ Ｃｏｎｓｈｏｈｏｃｋｅｎ，ＰＡ，２０１５に従って、測定された。ワイヤ７２０の追加の部分が、比較目的のために、８時間にわたって２５０℃で焼きなましされた。図８Ａは、８時間にわたって２５０℃または３時間にわたって７００℃のいずれかで焼きなましされたワイヤ７２０のサンプルの降伏強度（「降伏」）および極限引張強度（「ＵＴＳ」）のグラフである。示されるように、ワイヤ７２０は、高温焼きなましサイクル中に著しく軟化する。図８Ｂは、３時間にわたって７００℃で焼きなましされたワイヤ７３０のサンプルの降伏強度およびＵＴＳの類似グラフである。示されるように、ワイヤ７３０は、Ｔａ−３Ｗ安定化コアの存在に起因して、ワイヤ７２０と比較すると、焼きなまし後により高いレベルの強度を維持する。図８Ｃは、３時間にわたって７００℃で焼きなましされたワイヤ７００および７１０のサンプルの降伏強度およびＵＴＳの類似グラフである。示されるように、両方のワイヤ７００および７１０は、その内側のＴａ−３Ｗ拡散障壁の存在に起因して、それらの強度を、ワイヤ７３０のものよりもさらに優れたレベルで維持する。これらの結果から、Ｔａ−３Ｗ拡散障壁および安定剤を両方とも組み込むワイヤは、ワイヤ７００、７１０、および７３０のものよりも優れていないとしても、少なくとも同程度である機械的性質を保有するであろうことが明確である。さらに、そのようなワイヤは、優れた機械的性質を保有するであろうだけではなくて、安定剤のみを保有するワイヤよりも優れた様式で、その内側の相互拡散に抵抗するであろう。したがって、拡散障壁および安定化要素材料に充てられた全断面積がその間で分割されるワイヤは、拡散抵抗および機械的強度の有利な組み合わせを保有しながら、依然として、（例えば、非超電導材料によって占有されている過剰に大量のワイヤ断面積に起因して）ワイヤの電気性能を損なわないであろう。
追加の実験が、超電導ワイヤ内の拡散を妨害することのＴａ−３Ｗ拡散障壁の有効性を評価するために実施された。ワイヤ９００は、次に、外側Ｃｕワイヤマトリクスによって包囲されたＴａ−３Ｗ拡散障壁によって包囲された３７要素スタックを特徴とした。ワイヤの内側の７本の要素が、Ｃｕ被覆Ｓｎ−Ｔｉロッドから形成された一方、ワイヤの外側の３０本の要素が、Ｃｕ被覆Ｎｂ複合フィラメントから形成された。初期Ｔａ−３Ｗ拡散障壁管は、１２．７ｍｍの直径および０．３８ｍｍの壁厚を有する（溶接ではなく）重複管であった。図９Ａは、０．７２ｍｍの直径まで引き伸ばされた場合のワイヤ９００の光学顕微鏡写真である。Ｔａ−３Ｗ拡散障壁は、内側要素の周囲で無傷であり、拡散障壁の厚さは、管重複の領域中でわずかにより厚い。拡散障壁厚は、約０．０２ｍｍであり、Ｎｂフィラメントは、約０．０１５ｍｍの直径を有する。このフィラメント厚さは、市販の超電導ワイヤに適切であるよりも著しく大きいが、ワイヤ製作および拡散抵抗のこの実証のために十分であった。図９Ｂは、７２時間の周期にわたって２１０℃で焼きなましした後のワイヤ９００の反転コントラスト走査電子顕微鏡法（ＳＥＭ）顕微鏡写真である。この焼きなましサイクルは、これらの焼きなまし条件において、短距離固体拡散のみが生じるので、拡散障壁を関与させることなく、単純に外側Ｃｕマトリクスを焼きなましするように意図された。
図９Ｃは、内部拡散および反応プロセスを介して超電導ワイヤを製作するためのプロセスを表す、焼きなましサイクル後のワイヤ９００の顕微鏡写真である。ワイヤが、最初に、（図９Ｂのように）７２時間の期間にわたって２１０℃で焼きなましされ、その後、４８時間にわたる４００℃および４８時間にわたる６４０℃の焼きなましが続いた。示されるように、内側のＳｎベースのフィラメントは、Ｓｎが外側のＮｂベースのフィラメントのＮｂと反応し始めると鮮明度を失った。加えて、外側Ｃｕマトリクスの粒径は、より積極的な焼きなまし後に増加した。より積極的な焼きなましサイクルにもかかわらず、拡散障壁は、無傷であり、外側Ｃｕマトリクスの中への拡散は、検出されなかった。図９Ｄは、第１の焼きなましサイクル（線９１０）のみの後、およびより積極的な焼きなましシーケンス（線９２０）の後のワイヤ９００の温度の関数としての、電気抵抗のグラフである。示されるように、より積極的な焼きなましシーケン後、ワイヤ９００は、約１７．２Ｋにおいて超電導遷移を示し始めた。３００Ｋおよび１９Ｋにおける抵抗を比較する（１）第１の焼きなましのみの後、ならびに（２）より積極的な焼きなましシーケンスの後のワイヤ９００の残留抵抗率（ＲＲＲ）が、４点プローブおよび０．５アンペアの電流を使用して測定された。第１の焼きなましのみの後のワイヤ９００のＲＲＲは、１１３±３であり、より積極的な焼きなましシーケンスの後のワイヤ９００のＲＲＲは、２４７±７であった。３回焼きなましシーケンス後の優れたＲＲＲは、少なくとも部分的に、Ｃｕマトリクスの汚染を防止する拡散障壁の拡散抵抗に起因する。
本明細書で採用される用語および表現は、限定ではなく、説明の用語および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は、示され、説明される特徴、またはその部分のいかなる均等物も除外するという意図はない。加えて、本発明のある実施形態を説明してきたが、本明細書に開示される概念を組み込む他の実施形態も、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得ることが、当業者に明白であろう。故に、説明される実施形態は、あらゆる点で制限的ではなく、例証的にすぎないと見なされるものである。

Claims (26)

  1. 拡散抵抗および機械的強度を保有する超電導ワイヤであって、前記超電導ワイヤは、
    Ｃｕを備えている外側ワイヤマトリクスと、
    ０．２％〜１０％のＷを含むＴａ合金を備えている拡散障壁であって、前記拡散障壁は、前記ワイヤマトリクス内に配置されている、拡散障壁と、
    前記拡散障壁によって包囲され、前記拡散障壁によって前記外側ワイヤマトリクスから分離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）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包囲するＣｕを備えているクラッディングとを備え、
    各モノフィラメントは、Ｎｂを備えているコアと、前記コアを包囲するＣｕを備えているクラッディングとを備え、
    前記拡散障壁は、前記超電導ワイヤの断面積の３％〜１０％を占有し、
    前記拡散障壁は、前記超電導ワイヤの軸方向寸法を通して延びている、
    超電導ワイヤ。
  2. 各モノフィラメントの前記コアは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｙ、またはＬａのうちの少なくとも１つと混ぜて合金にされたＮｂを備えている、請求項１に記載のワイヤ。
  3. 各モノフィラメントの前記コアは、Ｎｂ３Ｓｎを備えている、請求項１に記載のワイヤ。
  4. 前記拡散障壁は、Ｔａ−３Ｗを備えている、請求項１に記載のワイヤ。
  5. 前記拡散障壁は、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｒｅ、またはＳｉから成る群から選択される１つ以上の合金化元素をさらに含む、請求項１に記載のワイヤ。
  6. 前記複合フィラメントの各々は、六角形の断面形状を有する、請求項１に記載のワイヤ。
  7. 前記モノフィラメントの各々は、六角形の断面形状を有する、請求項１に記載のワイヤ。
  8. 前記複数の複合フィラメント内に配置され、前記拡散障壁によって包囲された安定化要素をさらに備え、前記安定化要素は、０．２％〜１０％のＷを含むＴａ合金を備えている、請求項１に記載のワイヤ。
  9. 前記超電導ワイヤの降伏強度は、少なくとも１００ＭＰａである、請求項１に記載のワイヤ。
  10. 拡散抵抗および機械的強度を保有する超電導ワイヤであって、前記超電導ワイヤは、
    Ｃｕを備えているワイヤマトリクスと、
    前記ワイヤマトリクス内に埋め込ま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）複数のモノフィラメントと、（ｉｉ）０．２％〜１０％のＷを含むＴａ合金を備えている拡散障壁であって、前記拡散障壁は、前記複合フィラメントの軸方向寸法を通して延び、前記複数のモノフィラメントを包囲している、拡散障壁と、（ｉｉｉ）前記拡散障壁を包囲するＣｕを備えているクラッディングであって、前記拡散障壁は、前記複数のモノフィラメントから前記クラッディングを分離する、クラッディングとを備え、
    前記拡散障壁は、前記超電導ワイヤの断面積の３％〜１０％を集合的に占有し、
    各モノフィラメントは、Ｎｂを備えているコアと、Ｃｕを備えているクラッディングとを備え、前記クラッディングは、前記コアを包囲している、
    超電導ワイヤ。
  11. 各モノフィラメントの前記コアは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｙ、またはＬａのうちの少なくとも１つと混ぜて合金にされたＮｂを備えている、請求項１０に記載のワイヤ。
  12. 各モノフィラメントの前記コアは、Ｎｂ３Ｓｎを備えている、請求項１０に記載のワイヤ。
  13. 前記拡散障壁は、Ｔａ−３Ｗを備えている、請求項１０に記載のワイヤ。
  14. 前記拡散障壁は、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｒｅ、またはＳｉから成る群から選択される１つ以上の合金化元素をさらに含む、請求項１０に記載のワイヤ。
  15. 前記超電導ワイヤの降伏強度は、少なくとも１００ＭＰａである、請求項１０に記載のワイヤ。
  16. 前記複合フィラメントの各々は、六角形の断面形状を有する、請求項１０に記載のワイヤ。
  17. 前記モノフィラメントの各々は、六角形の断面形状を有する、請求項１０に記載のワイヤ。
  18. 前記複数の複合フィラメント内に配置された安定化要素をさらに備え、前記安定化要素は、０．２％〜１０％のＷを含むＴａ合金を備えている、請求項１０に記載のワイヤ。
  19. 拡散抵抗および機械的強度を保有する超電導ワイヤであって、前記超電導ワイヤは、
    Ｃｕを備えている内側ワイヤ安定化マトリクスと、
    ０．２％〜１０％のＷを含むＴａ合金を備えている拡散障壁であって、前記拡散障壁は、前記ワイヤ安定化マトリクスの周囲に配置されている、拡散障壁と、
    前記拡散障壁の周囲に配置され、前記拡散障壁によって前記ワイヤ安定化マトリクスから分離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）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包囲するＣｕを備えているクラッディングとを備え、
    各モノフィラメントは、Ｎｂを備えているコアと、Ｃｕを備えているクラッディングとを備え、前記クラッディングは、前記コアを包囲しており、
    前記拡散障壁は、前記超電導ワイヤの断面積の３％〜１０％を占有し、
    前記拡散障壁は、前記超電導ワイヤの軸方向寸法を通して延びている、
    超電導ワイヤ。
  20. 各モノフィラメントの前記コアは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｙ、またはＬａのうちの少なくとも１つと混ぜて合金にされたＮｂを備えている、請求項１９に記載のワイヤ。
  21. 各モノフィラメントの前記コアは、Ｎｂ３Ｓｎを備えている、請求項１９に記載のワイヤ。
  22. 前記拡散障壁は、Ｔａ−３Ｗを備えている、請求項１９に記載のワイヤ。
  23. 前記拡散障壁は、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｒｅ、またはＳｉから成る群から選択される１つ以上の合金化元素をさらに含む、請求項１９に記載のワイヤ。
  24. 前記超電導ワイヤの降伏強度は、少なくとも１００ＭＰａである、請求項１９に記載のワイヤ。
  25. 前記複合フィラメントの各々は、六角形の断面形状を有する、請求項１９に記載のワイヤ。
  26. 前記モノフィラメントの各々は、六角形の断面形状を有する、請求項１９に記載のワイヤ。
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