KR102396965B1 - 초전도체의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

초전도체의 제조방법이 설명된다. 금속 어셈블리 전구체는 중공 구리 지지체 요소 내에 형성될 수 있다. Sn을 포함하는 코어 주위에 복수의 전도체 요소들을 위치시켜, 상기 코어 및 전도체 요소들 사이에, 복수의 전도체 요소들 간 제1 복수의 내부 틈새 공간, 및 중공형 구리 지지체 요소 및 코어 간 제`2 복수의 외부 틈새 공간을 제공하도록, 중공의 구리 지지체 요소 내에 금속 어셈블리 전구체를 형성하는 단계로서, 상기 복수의 전도체 요소들은 미반응된 Nb를 포함하는 것인, 단계. 상기 금속 어셈블리 전구체는, 냉연신을 통해 축소되어, 축소된 금속 어셈블리를 생성할 수 있다. 상기 축소된 금속 어셈블리는, 반응 열 처리되어, 미반응된 Nb가 반응된 초전도체로 상 변태를 겪도록 할 수 있다.

Description

초전도체의 제조방법
관련된 출원의 교차 참조
본 출원은 현재 계류중인, 2019년 2월 8일에 제출된, 미국 임시 출원 제62/627,972호에 대한 우선권을 주장하고, 이의 전체 개시 내용은 본 명세서에서 참조로 포함된다.
기술분야
본 개시는 주로 초전도체 및 초전도체의 제조에 관한 것이다.
초전도체 전구체의 다양한 구조 및 제조방법이 알려져 있다. 하위요소 단위(subelement unit)를 제조하기 위해 많은 수의 필라멘트를 이용할 때, 압출(extrusion) 및 이어서 드로운-다운(drawn-down) 공정으로부터 만들어지는 개별적인 필라멘트 막대는 새로운 다중-필라멘트 빌릿(billet)으로 적층될 수 있고, 이는 결국 압출되고 드로잉 다운된다. 하나의 구체적인 공정은 튜브-내-막대 (rod-in-tube; RIT") 방법이다. RIT 방법은, 국소적인 면적비 (local area ratio; LAR")를 작게 유지하기 위한 목적을 위해, 증가된 필라멘트 개수 및 더 얇은 구리 헥스(hex) 튜빙(tubing)으로 하위요소를 제조하는 단계를 포함한다. 더 두꺼운 순수한 또는 합금화된 니오븀 배리어가, 구리 시스(sheath)로부터 필라멘트 번들(bundle)을 분리하기 위해 도입된다. 하위요소 막대 내 Sn 합금 코어는, 삼원소상(ternary phase), 예를 들면 (NbTi)3Sn 또는 (NbTa)3Sn를 촉진하기 위해 사용된다. 또다른 공정은 "관형(tubular)" 방법으로, 여기서는 하위요소가, 구리 튜브 재킷(tube jacket) 내에 감싸인(encased) 니오븀 또는 니오븀-합금으로 둘러싸인(surrounded), 구리 시스화된(sheathed) 주석 공급원 막대 코어로 만들어진다. RIT 방법과 관련된 비용은 관형 방법보다도 현저히 높으며, 이는 RIT 방법이 이중 압출 (첫번째는 단일 필라멘트 막대에 대해, 그리고 두번째 압출은 하위요소 다중-필라멘트 빌릿에 대해) 및 이어서 다단계 연신 공정을 필요로 하기 때문이다. RIT 방법의 또다른 높은 비용의 구성은 상대적으로 넓고 두꺼운 니오븀 합금 장벽이다. 관형 방법은 매우 비싼 니오븀 합금 튜빙을 필요로 하며, 이는 합금화 종류, 치수 및 제조 공급원에 대해 극도로 제한된 이용가능성을 갖는다. RIT 방법 및 관형 방법 모두의 주요한 제한 중 하나는 제한된 전류 운반 용량(current carrying capacity)을 포함하며, 이는, 외부 구리 재킷이 오염되지 않도록, 니오븀 배리어에 대한 반응의 양이 특정 수준으로 조절되고 억제되어야 한다는 사실 때문이다.
개선된 구조 및 초전도체 전구체의 제조방법이 요구된다.
U.S. Pat. No. 4,646,428A EP2099080A1 EP2202814B1
본 개시는 초전도체 제조를 위한 구조 및 방법을 설명한다. 일 구현예에서, 금속 어셈블리 전구체(metal assembly precursor)는 중공형 구리 지지체 요소(support element) 내에 형성될 수 있다. 초전도체의 제조방법이 설명된다. 금속 어셈블리 전구체는 중공형 구리 지지체 요소 내에 형성될 수 있다. Sn을 포함하는 코어 주위에 복수의 전도체 요소들을 위치시켜, 상기 코어 및 전도체 요소들 사이에, 상기 복수의 전도체 요소들 간 제1 복수의 내부 틈새 공간(inner interstitial space), 및 중공형 구리 지지체 요소 및 코어 간 제2 복수의 외부 틈새 공간을 제공하도록, 중공형 구리 지지체 요소 내에 금속 어셈블리 전구체를 형성하는 단계로서, 상기 복수의 전도체 요소들은 미반응된(unreacted) Nb를 포함하는 것인, 단계. 금속 어셈블리 전구체는 냉연신(cold drawing)을 통해 축소되어(reduce), 축소된 금속 어셈블리를 생성할 수 있다. 축소된 금속 어셈블리 전구체는 반응 열 처리시켜, 미반응된 Nb가 반응된 초전도체로 상 변태(phase transformation)를 겪도록 할 수 있다. 금속 어셈블리 전구체는, 복수의 전도체 요소들 및 중공형 구리 지지체 요소 사이에 확산 방지 층을 포함할 수 있다.
상기 코어는 고체일 수 있고 Sn, SnTi, SnCu, 및 SnO2 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 금속 어셈블리 전구체는 30 mm 이상의 직경을 가질 수 있다. 다른 구현예에서, 상기 금속 어셈블리 전구체는 50 mm 이상의 직경을 가질 수 있다. 축소된 초전도체는 5 mm 이하의 직경을 가질 수 있다.
일부 구현예에 따르면, 내부 틈새 요소는 상기 복수의 내부 틈새 공간들 중 하나 이상 내에 위치될 수 있다. 내부 틈새 요소는 산화 첨가제 및 피닝 요소 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 하나의 특정한 구현예에서, 내부 틈새 요소는 산화 첨가제로 SnO2를 포함한다. 또다른 구현예에서, 내부 틈새 요소는 상기 피닝 요소로, Hf, Zr, 및 Ta 중 하나 이상을 포함한다.
상기 제조방법은, 외부 틈새 요소를, 상기 복수의 외부 틈새 공간 중 하나 이상 내에 위치시키는 단계를 또한 포함할 수 있다. 상기 외부 틈새 요소는 도핑 요소, 전도체 요소, 산화 첨가제, 및 외부 피닝 요소 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 하나의 특정한 구현예에서, 상기 외부 틈새 요소는 도핑 요소로 NbTi를 포함할 수 있다. 또다른 예시에서, 외부 틈새 요소는 전도체 요소로 순수한 Nb를 포함할 수 있다. 또 또다른 예시에서, 외부 틈새 요소는 산화 첨가제로 SnO2를 포함할 수 있다. 외부 틈새 요소는 외부 피닝 요소로 Hf, Zr, 또는 Ta를 포함할 수 있다.
일 구현예에서, 다음 중 하나 이상은 실린더형 막대이다: 복수의 전도체 요소들, 내부 틈새 요소, 및 외부 틈새 요소.
일부 구현예에서, 복수의 전도체 요소 각각은, 복수의 전도체 요소들 중 인접한 전도체 요소와 접촉하도록 배열된다. 복수의 전도체 요소들은 코어의 중심 주위에 대칭적으로 배치된다. 내부 틈새 요소 각각은 서로 이격되어 위치하여, 상기 내부 틈새 요소 각각이 또다른 내부 틈새 요소와 접촉하지 않도록 할 수 있다. 내부 요소는 코어의 중심 주위에 대칭적으로 배치된다.
필라멘트는 축소된 초전도체로부터 생성될 수 있다. 일 구현예에 따르면, 필라멘트는 추가적인 필라멘트와 적층되어, 다중필라멘트 전구체를 생성할 수 있고, 각각의 추가적인 필라멘트는 각각의 감소된 초전도체로부터 생성된 것이다. 다중필라멘트 전구체는 다중필라멘트 초전도체로 압출될 수 있다. 또다른 구현예에 따르면, 단일필라멘트 초전도체는 축소된 열 처리된 초전도체 어셈블리로부터 생성될 수 있다.
본 개시의 성질 및 목적의 더 완전한 이해를 위해, 동반된 도면과 함께 취해지는 다음의 상세한 설명이 참조되어야 한다:
도 1은 본 개시의 일 구현예에 따른 금속 어셈블리 전구체의 도식적인 표현이다;
도 2는 본 개시의 또다른 구현예에 따른 금속 어셈블리 전구체의 도식적인 표현이다;
도 3은 금속 어셈블리의 사진이다;
도 4는 와이어 내에 적층된 복수의 금속 어셈블리들의 사진이다;
도 5는 완성된 초전도체의 성능을 비교하는 그래프 및 표이다;
도 6은 RIT 금속 어셈블리의 사진이다;
도 7은 복수의 RIT 금속 어셈블리들로부터 제조된 적층된 와이어의 사진이다.
도 8은 관형 금속 어셈블리를 도시한다;
도 9는 복수의 관형 금속 어셈블리들로부터 제조된 적층된 와이어를 도시한다;
도 10은 본 개시의 일 구현예에 따른 제조방법의 순서도이다.
도 1은 초전도체로 축소되고 반응될 수 있는 금속 어셈블리 전구체 (10)의 예시이다. 금속 어셈블리 전구체 (10)는 외부 지지체 요소 (12) 내에 다양한 전구체 구조를 위치시킴으로써 형성될 수 있다. 일 구현예에 따르면, 전구체 구조는 상호교환가능하고 미반응될 수 있으며, 이는 금속 어셈블리 전구체 (10)가, 축소되어 바람직한 완성된 초전도체로 궁극적으로 반응되기 전에, 쉽게 어셈블링되고 주문제작되는(customized) 것을 가능하게 한다.
지지체 요소 (12)는 금속 어셈블리 전구체 (10)를 함께 고정(hold)하도록 구성될 수 있다. 지지체 요소 (12)는 중공형 실린더를 포함할 수 있고, 이때 전도체 요소는, Sn-공급원 (예를 들면 어셈블리 (10)의 중심에서)과 함께, 실리더 내부에 배열된다. 이러한 예시에서, 주위의 지지체 요소 (12)는 순수한 Cu 또는 Cu-합금으로 만들어질 수 있고, 그 이유는, 완성된 초전도체 (예를 들면, 단일필라멘트 또는 다중필라멘트 초전도체의 하나의 필라멘트)가 전기적 및 기계적 안정성 모두를 위해 구리 내에 내장될 수 있다는 것이 유리하기 때문이다. 지지체 요소 (12)는 임의의 전구체 구조물 (예를 들면 전도체 요소 케이싱(casing))과 동일한 물질로 만들어질 수 있다.
일 구현예에 따르면, 전구체 구조는 코어 (16) 주위에 복수의 전도체 요소들 (14)을 포함할 수 있다. 전도체 요소 (14)는 코어 (16) 및 지지체 요소 (12) 사이에 배열되어, 복수의 전도체 요소들 (14) 및 코어 (16) 사이에 위치한 제1 복수의 내부 틈새 공간 (18)을 제공할 수 있다. 전도체 요소 (14)는 또한 코어 (16) 및 지지체 요소 (12) 사이에 배열되어, 전도체 요소들 (14) 및 지지체 요소 (12) 사이에 제2 복수의 내부 틈새 공간 (20)을 제공할 수 있다.
복수의 전도체 요소들 (14)은 초전도체 기본 물질(base material) (예를 들어, 미반응됨)을 함유하는 전도체 코어를 포함할 수 있으며, 이는 완성된, 반응된 초전도체 내 초전도체 필라멘트로 기능할 수 있다. 이러한 예시에서, 전도체 요소 (14)는 순수한 Nb, 또는 Nb 합금 예컨대 NbTa (예를 들면, Nb8wt%Ta 합금), NbTi, NbHf 및 NbZr (예를 들어, Nb-1 Zr 합금)을 포함할 수 있다. 순수한 Nb는 연성이고 쉽게 얇은 필라멘트로 형성되기 때문에, 전도체 코어는, 불순물을 제외하고, 순수한 Nb를 포함할 수 있다. 특정 구현예에 따르면, 각각의 전도체 요소 (14)는, 코어 주위에, 예를 들면 코어 바로 주위에, 배치된 케이싱(casing)을 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 전도체 요소 (14)는 얇은 Cu 또는 Cu 합금 케이싱 (도시되지 않음)을 가질 수 있고, 이는 Sn 확산을 위한 채널로 기능할 수 있다. 얇은 구리 포장(encasement)는 반응 열처리 동안 Sn 확산의 균일성을 향상시킬 수 있다. 구리 포장의 두께는 국소적인 면적비 (예를 들면, 필라멘트간 영역 (interfilamentary region) 내 전도체 요소에 대한 Cu의 면적비)에 의해 정의될 수 있다. 일 구현예에서, 국소적인 면적비 ("LAR")은 0.04 내지 0.09의 범위일 수 있다. 하나의 특정한 구현예에서, LAR은 0.04-0.06의 범위일 수 있다.
코어 (16)는 Sn을 전도체 요소 (14)에 제공하기 위한 Sn 공급원일 수 있다. 코어 (16)는 순수한 또는 합금화된 Sn의, 고체의, 원통형 막대일 수 있다. 예를 들면, 코어 (16)는 순수한 Sn, SnTi, SnCu 및 SnO2 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 코어 (16)는 분말 또는 고체일 수 있다. 코어 (16)는 외부 층 (22)을 가질 수 있고, 상기 외부 층은 Cu 시스 및/또는 NbTi 포일 랩을 포함하여 구조적 특성, 물질의 확산을 개선할 수 있고, 분말 코어 (16)를 위치에 고정시키는 역할도 할 수 있다. 코어 (16)는 소정의 크기 및 함량의 확산 물질 (예를 들면 Sn)을 갖도록 구성될 수 있어서, 반응 동안 발생하는 확산 후, 완성된 초전도체 필라멘트 (예를 들면 전도체 요소 (14))가 도핑될 수 있도록 할 수 있다. 일 예시에서, 초전도체 필라멘트는 Ti 및/또는 Ta로 도핑된 Nb3Sn으로 구성될 수 있다.
일 구현예에서, 금속 어셈블리 전구체 (10)는 지지체 요소 (12) 및 전도체 요소 (14) 사이에 배열된 확산 방지 층 (24)을 더 포함할 수 있다. 확산 방지 층 (24)은 Sn이 외부 Cu 재킷을 오염시키는 것을 방지하기 위해 필요할 수 있다. 확산 방지 층 (24)은, 예를 들면, 외부 Cu 재킷 (예를 들면, Ta, TaNb 및 Nb 중 하나 이상) 및 전도체 요소의 열(row) 사이에 위치한 순수한 또는 합금화된 Nb 또는 Ta의 층으로 만들어질 수 있다. 반응 열 처리 동안 Sn의 확산을 방해하는 것이 바람직할 수 있고, 그 이유는 그렇지 않으면 Sn이 외부 Cu 재킷 내로 확산되어 외부 Cu 재킷의 오염을 야기할 수 있고, 이는 높은 저항으로 이어질 것이기 때문이다. 확산-방지 층 (24)은 원하는 확산 온도 이하의 온도에서 확산을 차단하도록 구성될 수 있다. 하나의 특정한 예시에서, 확산-방지 층 (24)은 Ta40Nb일 수 있다.
도 2는 본 개시에 따른 초전도체 전구체 (10)의 다른 구현예를 도시하며, 이는 내부 틈새 요소 (26)가 내부 틈새 공간들 (18) 중 하나 이상 내에 위치될 수 있다는 것, 및/또는 외부 틈새 요소 (28)가 복수의 외부 틈새 공간들 (20) 중 하나 이상 내에 위치될 수 있다는 것을 보여준다.
전구체 (10)는 외부 층 (22)에 의해 둘러싸인 Sn 또는 Sn 합금 코어 (16)를 포함할 수 있다. 외부 층 (22)은 Cu 시스 및/또는 NbTi 포일 랩일 수 있다. 복수의 전도체 요소들 (14)은 코어 (16)를 둘러쌀 수 있다. 복수의 전도체 요소들(14)은 가장자리-대-가장자리(edge to edge)로 배열되어, 복수의 전도체 요소 각각이 인접한 전도체 요소 (14)와 접촉하도록 할 수 있으며, 이로 인해 열을 형성한다. 전도체 요소 (14)는 또한 코어 (16)의 중심 주위에 대칭적으로 배치될 수 있다.
내부 틈새 요소 (26)는 코어 (16) 및 전도체 요소 (14) 사이의 내부 틈새 공간 (18)에 위치할 수 있다. 내부 틈새 요소 (26)는 서로 이격되어, 각각의 내부 틈새 요소 (26)가 다른 내부 틈새 요소(26)와 접촉하게 되지 않도록 할 수 있다. 내부 틈새 요소 (26)는 코어 (16)의 중심 주위에 대칭적으로 배열될 수 있다. 전도체 요소 (14) 및 코어 (16) 사이의 내부 틈새 공간 (18)은, 초전도의 특성을 향상시키기 위한 추가적인 요소(들)을 위한 위치를 제공할 수 있다. 예를 들면, "불순물"은 내부 틈새 요소 (26)로 첨가되어 내부의 산화를 촉진할 수 있고, 이로 인해 시스템 내 플럭스 피닝(flux pinning) 중심을 형성하도록 기능하고/하거나 미세 구조를 개선할 수 있다. 산화 첨가제의 예시는 SnO2이다. 내부 틈새 요소 (26)로 사용되는 피닝 요소는 다음 중 하나 이상을 포함할 수 있다: Hf, Zr 및 Ta. 대안적으로, 또는 "불순물" 이외에, 내부 틈새 요소 (26)는 복수의 더 작은 크기의 전도체 요소들 (예를 들면, 전도체 요소 (14) 및 감싸는(enveloping) Cu 시스 및/또는 NbTi 포일(foil) 랩 사이에 제공됨)을 포함할 수 있다. 따라서, 내부 틈새 요소는 산화 첨가제, 피닝 요소 및 전도체 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
외부 틈새 요소 (28)는 복수의 외부 틈새 공간들 (20) 중 하나 이상에 위치할 수 있다. 외부 틈새 요소 (28)는 다음 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 도핑 요소, 전도체 요소, 산화 첨가제 및 외부 피닝 요소. 일 실시예에서, 외부 틈새 요소 (28)는 추가적인 전도체 요소이며, 이는 최외부 구리 튜브 (12)와 복수의 전도체 요소들 (14) 사이에서 어셈블리 (10) 내에 포함될 수 있다. 추가적인 전도체 요소는 전도체 요소(14)와 동일한 전도체 물질로 만들어질 수 있지만, 전도체 요소 (14)보다 작은 단면을 가질 수 있다. 추가적인 전도체 요소는 전도체 요소의 전체 부피를 증가시켜, 완성된 초전도체의 전류 운반 용량을 증가시킬 수 있다. 더욱이, 추가적인 전도체 요소는, 순수한 또는 합금화된 Nb 또는 Ta 확산 배리어(24) 및 전도체 요소(14)의 열 사이에 더 균일한 계면을 제공할 수 있다.
또다른 구현예에 따르면, 외부 틈새 요소 (28)는 전도체 요소 (14)를 도핑하기 위한 도핑 공급원을 제공하는 도핑 요소일 수 있다. 하나의 특정한 예시에서, 외부 틈새 요소 (28) (예를 들면 도핑 요소)는 적어도 전도체 요소의 개수만큼 많이 있을 수 있다. 예를 들면, 적어도 하나의 도핑 요소는 각 전도체 요소 (14)에 인접하여 위치될 수 있다. 그러므로, 확산 열처리 후, 도핑 요소 내에 함유된 도핑 물질은 초전도체 전체에 걸쳐 더 균질하게 확산될 수 있고, 이는 초전도체의 품질을 향상시킬 수 있다.
도핑 물질, 예를 들어 도핑 코어는, 전도체 요소를 Ti로 도핑하기 위한 NbTi 합금일 수 있다. 이러한 합금은 연성이며 원하는 형태의 도핑 요소로 쉽게 형성될 수 있다. 도핑 요소의 개수 및 크기는, 완성된 초전도체 필라멘트가 0.2-3 중량%의 Ti, 바람직하게는 0.5-1.5 중량%의 Ti를 함유하도록 선택된다.
내부 틈새 요소 (26) 및/또는 외부 틈새 요소 (28)는 전도체 요소 (14)에 인접하여 (예를 들어, 접촉하지는 않음) 또는 접촉하여 배치될 수 있다. 예를 들면, 전도체 요소 (14) 옆의 외부 틈새 요소 (28) 및/또는 내부 틈새 요소 (26)는, 적어도, 가장 가까운 다른 전도체 요소 (14)만큼, 전도체 요소 (14)와 가까울 수 있다. 이는 반응 열 처리 동안 몇몇 이점을 가질 수 있으며, 상기 이점은 외부 틈새 요소 (28)가 도핑 요소를 포함할 때, 도핑 물질에 대한 확산 거리가 짧을 수 있다는 것을 포함한다. 내부 틈새 요소 (26) 및/또는 외부 틈새 요소 (28)가 산화 첨가제, 피닝 요소 및 전도체 중 하나 이상일 때, 유사한 이점이 발견될 수 있다. 그러나, 전도체 요소 (14) 및 내부 틈새 요소 (26) 및/또는 외부 틈새 요소 (28)는 반응 열처리를 통해 확산이 일어날 때까지 개별적인(separate) 요소를 구성할 수 있다.
내부 틈새 요소 (26) 및/또는 외부 틈새 요소 (28)의 크기가 전도체 요소 (14)의 크기보다 훨씬 더 작을(예를 들어, 단면적에 의해) 수 있기 때문에, 내부 틈새 요소 (26) 및/또는 외부 틈새 요소 (28)는 전도체 요소들 사이에 형성된 미충전된 공간 내에 배열될 수 있다. 단순함을 위해 도면에는 오직 한 층의 전도체 요소(14)가 도시되지만, 실제로는 임의의 개수의 동심원의(concentric) 층의 전도체 요소들이 사용될 수 있다. 다수의 틈새 요소가 각각의 내부 틈새 공간 (18) 및/또는 각각의 외부 틈새 공간 (20) 내에 위치할 수 있다는 것이 또한 고려된다. 일부 구현예에서, 내부 틈새 요소 (26)는 외부 틈새 요소(28)보다 더 작다 (예를 들어, 단면적에 의해). 그러나, 틈새 요소 (26)는, 대안적으로, 예를 들면 원하는 응용에 따라 외부 틈새 요소 (28)와 동일한 크기이거나 또는 더 클 (예를 들어, 단면적에 의해) 수 있다.
본 개시의 구현예에 따르면, 금속 어셈블리 전구체 (10)는, 외부 지지체 요소 (12) 내에 다양한 고체 전구체 구조를 위치시킴으로써 형성될 수 있다. 전구체 구조 (예를 들면, 전도체 요소 (14), 코어 (16), 내부 틈새 요소 (26) 및/또는 외부 틈새 요소 (28))는 이들의 길이가 이들의 폭 및 높이보다 더 길도록 세장형 형상을 가질 수 있다. 전구체 구조는 원형 단면을 갖도록 형상화된 실린더형 막대로 도시되어 있지만, 다른 형상 (예를 들어, 다각형, 불규칙, 비대칭 등)도 본 개시의 범위 내에 있다. 예를 들면, 어셈블리의 충전율(fill factor)을 증가시키기 위해 육각형 또는 사다리꼴 형상과 같은 다른 형상의 전도체 및 도핑 요소가 사용될 수 있다. 전구체 구조는 이들의 전체 길이에서 균일한 단면을 가질 수 있다. 전구체 구조의 적어도 대부분에서, 각 틈새 요소 (예를 들어, 외부 또는 내부)의 단면적은 각 전도체 요소의 단면적의 5분의 1보다 작을 수 있다.
각 금속 어셈블리는 30-100mm 직경 (또는 50-100mm 직경)에서 시작하여 냉연신(cold drawing)을 통해 직경이 축소될 수 있다. 도 3은 1.2 mm 직경으로 냉연신한 후 금속 어셈블리의 사진이다. 도 4는 와이어 내에 적층되고 1.25mm 직경으로 냉연신된 복수의 금속 어셈블리들의 사진이다. 동등한 와이어 유닛을 제조하는 종래의 방법 (예를 들면, RIT 방법)과 달리, RTR 방법은 다양하고 유연한 설계 옵션으로 더 간단한 단계들을 제공한다. 예를 들면, RIT 방법과 비교하면, RTR 방법은 하위-요소를 생성하기 위해 초기 압축 또는 압출을 필요로 하지 않는다. 선행 기술의 방법은 Sn의 낮은 융점으로 인해 고온 압출(hot extrusion) 공정 전에 Sn 공급원이 도입되는 것을 허용하지 않지만, RTR 방법은 Sn 공급원이 초기 어셈블리 단계에 포함되는 것을 가능하게 한다. 테스트에서, 금속 어셈블리는 우수한 가공성을 보여주었다. 특히, 초기 열처리 후/동안 발생할 수 있는, 연신 공정 중의 와이어 파손을 겪지 않았다.
도 5는, 도 1(즉, 막대-대-링(rod-to-ring) 금속 어셈블리 또는 "RTR")에 도시된 금속 어셈블리 전구체로부터 제조된 완성된 초전도체의 성능을, 선행 기술의 금속 어셈블리로부터 제조된 2개의 기준 초전도체들과 비교한 그래프 및 표이다. 구체적으로, 선행 기술의 금속 조립체는, 본 개시의 배경기술 부분에 설명된 튜브-내-막대 (rod-in-tube; "RIT") 및 관형 (tubular' "TA") 금속 어셈블리 전구체를 포함한다. 도 2에 도시된 금속 어셈블리 전구체로부터 형성된 초전도체는, 도 1에 도시된 금속 어셈블리 전구체와 비교하면 추가적인 성능 개선으로 이어질 수 있다(예를 들어, 틈새 공간을 이용함으로써).
도 6은 RIT 금속 어셈블리를 도시하고 도 7은 복수의 RIT 금속 어셈블리들로부터 제조된 적층된 와이어를 도시한다. 도 8은 TA 금속 어셈블리를 도시하고, 도 9는 복수의 TA 금속 어셈블리들로부터 제조된 적층된 와이어를 도시한다. 보여지는 것과 같이, RTR 어셈블리는 비-구리 임계 전류 밀도(non-copper critical current density)를 가지며, 이는 거의 RIT 방법과 마찬가지로 잘 작동한다. 또한, RTR 어셈블리는 TA 금속 어셈블리로 제조된 초전도체보다 훨씬 더 우수하게 작동했다. 그러나, RTR 어셈블리는 RIT 방법보다 상당히 더 낮은 비용으로 제조될 수 있고, 또한 훨씬 더 긴 길이로 생산가능하다. 이 방법은, 단면적의 매우 큰 감소를 위해 압출이 필요한 상대적으로 큰 크기의 하위-요소 단위를 만들 필요가 없기 때문에, 매우 비용적으로 효율적이다.
도 10은 본 개시에 따른 초전도체의 제조방법을 도시한다. 단계 (100)에서, Sn을 포함하는 코어 주위에 복수의 전도체 요소들을 위치시켜, 상기 코어 및 전도체 요소들 사이에, 복수의 전도체 요소들 간 제1 복수의 내부 틈새 공간, 및 중공형 구리 지지체 요소 및 코어 간 제2 복수의 외부 틈새 공간을 제공하도록, 중공형 구리 지지체 요소 내에 금속 어셈블리 전구체(metal assembly precursor)가 형성될 수 있으며, 상기 복수의 전도체 요소들은 미반응된(unreacted) Nb 또는 Nb 합금을 포함한다. 단계 (110)에서, 금속 어셈블리 전구체는 냉연신을 통해 감소되어, 감소된 금속 어셈블리를 생성할 수 있다. 단계 (120)에서, 감소된 금속 어셈블리는 열 처리되어 미반응된 Nb 또는 Nb 합금이 반응된 초전도체로 상 변태를 겪도록 한다.
실시예
제1 실시예에서, 금속 어셈블리 전구체 (10)는 Cu 외부 지지체 요소 (12), 순수한 Nb 전도체 요소 (14), Sn 코어 (16), NbTi 포일 외부 층 (22), Ta 확산-방지 층 (24), NbTi 내부 틈새 요소 (26), 및 순수한 Nb 외부 틈새 요소 (28)을 포함한다. 이러한 배합(arrangement)은, SnCu 코어, 개선된 필라멘트 단편(fraction) (예를 들면, 틈새 위치 둘 다에서) 및 Ta 배리어를 갖는 (NbTi)3Sn 삼원소 상 초전도체 (예를 들어, 열처리 및 감소 후)를 생성할 수 있다. 다음의 예들 외에, 이러한 배합은 가장 비용이 적게 들며 우수한 연신성(drawability)을 허용할 수 있다. 그러나, 이러한 설계의 Jc 성능은 본 명세서에 제공된 다음의 실시예보다 낮을 수 있다.
제2 실시예에서, 금속 어셈블리 전구체 (10)는 Cu 외부 지지 요소 (12), Nb1Zr 전도체 요소 (14), SnTi 코어 (16), Cu 외부 층 (22), Ta40Nb 확산-차단 층 (24), SnO2 내부 틈새 요소 (26) 및 순수한 Nb 외부 틈새 요소 (28)를 포함한다. 이러한 배합은 SnTi 코어, 인공 피닝 중심 (예를 들면, SnO2 및 Nb1Zr에 의한 내부 산화를 통해) 및 Ta40Nb 배리어를 갖는 (NbTi)3Sn 삼원소 상 초전도체 (예를 들어, 열처리 및 감소 후)를 생성할 수 있다. 제1 실시예와 비교하면, 이러한 배합은 결정립 미세화(grain refinement) 및 인공 피닝 중심에 의해 개선된 Jc를 제공할 수 있지만, 제조 비용이 더 높아지고 가공성이 더 낮아진다.
제3 실시예에서, 금속 어셈블리 전구체 (10)는 Cu 외부 지지체 요소 (12), Nb8wt%Ta 전도체 요소 (14), Sn/SnO2 코어 (16), Cu 외부 층 (22), Ta40Nb 확산-방지 층 (24), Nb1Zr 내부 틈새 요소 (26) 및 Nb1Zr 외부 틈새 요소 (28)를 포함한다. 이러한 배합은 Sn/SnO2 코어, 인공 피닝 중심 (예를 들면, SnO2 및 Nb1Zr에 의한 내부 산화를 통해), 및 Ta40Nb 배리어를 갖는 (NbTa)3Sn 삼원소 상 초전도체 (예를 들어, 열처리 및 감소 후)를 생성할 수 있다. 제1 및 제2 실시예와 비교하면, 이러한 배합은 최고의 Jc를 제공하지만, Sn/SnO2 분말로 인해 가공성이 가장 낮고 제조 비용이 가장 높다.
본 개시는 하나 이상의 특정한 구현예들과 관련하여 설명되었지만, 본 개시의 본질 및 범위를 벗어나지 않고 본 개시의 다른 구현예들이 만들어질 수 있다는 것이 이해될 것이다.

Claims (18)

  1. 초전도체의 제조방법으로서, 상기 제조방법은
    Sn을 포함하는 단일 코어 주위에 복수의 전도체 요소들을 위치시켜, 상기 코어 및 전도체 요소들 사이에 그리고 상기 복수의 전도체 요소들 사이에 제1 복수의 내부 틈새 공간(inner interstitial space), 및 중공형 구리 지지체 요소(support element) 및 상기 전도체 요소들 사이에 그리고 상기 복수의 전도체 요소들 사이에 제2 복수의 외부 틈새 공간을 제공하도록, 중공형 구리 지지체 요소 내에 금속 어셈블리 전구체(metal assembly precursor)를 형성하는 단계로서, 상기 복수의 전도체 요소들은 미반응된(unreacted) Nb를 포함하는 것인, 단계;
    내부 틈새 요소를, 상기 복수의 내부 틈새 공간들 중 하나 이상 내에 위치시키는 단계로서, 상기 내부 틈새 요소는 피닝(pinning) 요소를 포함하는 것인, 단계;
    냉연신(cold drawing)을 통해 상기 금속 어셈블리 전구체를 축소시켜(reduce), 축소된 금속 어셈블리를 생성하는 단계; 및
    상기 축소된 금속 어셈블리를 반응 열 처리시켜, 미반응된 Nb가 반응된 초전도체로 상 변태(phase transformation)를 겪도록 하는 단계;를 포함하고,
    상기 금속 어셈블리 전구체는, 복수의 전도체 요소들 및 중공형 구리 지지체 요소 사이에 확산 방지 층을 포함하는 것이고,
    상기 코어의 단면적(cross-sectional area)은 상기 전도체 요소들 각각의 단면적보다 크고,
    상기 내부 틈새 요소는 산화 첨가제를 추가로 포함하는 것인, 초전도체의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 내부 틈새 요소는 상기 산화 첨가제로 SnO2를 포함하는 것인, 초전도체의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 내부 틈새 요소는 상기 피닝 요소로, Hf, Zr, 및 Ta 중 하나 이상을 포함하는 것인, 초전도체의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제조방법은, 외부 틈새 요소를, 상기 복수의 외부 틈새 공간 중 하나 이상 내에 위치시키는 단계를 추가로 포함하고, 상기 외부 틈새 요소는 도핑 요소, 전도체 요소, 산화 첨가제, 및 외부 피닝 요소 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 초전도체의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 외부 틈새 요소는 도핑 요소로 NbTi를 포함하는 것인, 초전도체의 제조방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 외부 틈새 요소는 전도체 요소로 순수한 Nb를 포함하는 것인, 초전도체의 제조방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기 외부 틈새 요소는 산화 첨가제로 SnO2를 포함하는 것인, 초전도체의 제조방법.
  9. 제5항에 있어서, 상기 외부 틈새 요소는 상기 외부 피닝 요소로, Hf, Zr, 및 Ta 중 하나 이상을 포함하는 것인, 초전도체의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 코어는 고체이고 Sn, SnTi, SnCu, 및 SnO2 중 하나 이상을 포함하는 것인, 초전도체의 제조방법.
  11. 제5항에 있어서, 다음 중 하나 이상이 실린더형 막대인 것인, 초전도체의 제조방법: 복수의 전도체 요소들, 내부 틈새 요소, 및 외부 틈새 요소.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제조방법은, 외부 틈새 요소를, 상기 복수의 외부 틈새 공간들 중 하나 이상 내에 위치시키는 단계를 추가로 포함하고, 상기 외부 틈새 요소는 도핑 요소, 전도체 요소, 산화 첨가제, 및 외부 피닝 요소 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 초전도체의 제조방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제조방법은, 축소된 금속 어셈블리를 추가적인 축소된 금속 어셈블리와 적층하여 다중필라멘트 전구체를 생성하는 단계를 추가로 포함하고,
    상기 축소된 금속 어셈블리를 반응 열처리하는 것은, 다중필라멘트 전구체를 반응 열처리하는 것을 포함하여, 축소된 초전도체가 다중필라멘트 초전도체가 되도록 하는 것인, 초전도체의 제조방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 반응된 초전도체는 단일필라멘트 초전도체인 것인, 초전도체의 제조방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 금속 어셈블리 전구체는 30 mm 이상 및 100 mm 이하의 직경을 갖는 것인, 초전도체의 제조방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 축소된 초전도체는 5 mm 이하의 직경을 갖는 것인, 초전도체의 제조방법.
  17. 제5항에 있어서, 상기 복수의 전도체 요소 각각은 복수의 전도체 요소들 중 인접한 전도체 요소와 접촉하도록 배열되고, 상기 복수의 전도체 요소들은 코어의 중심 주위에 대칭적으로 배치되고;
    상기 내부 틈새 요소 각각은 서로 이격되어 위치하여, 상기 내부 틈새 요소 각각이 또다른 내부 틈새 요소와 접촉하지 않도록 하고, 상기 내부 틈새 요소는 코어의 중심 주위에 대칭적으로 배치되는 것인, 초전도체의 제조방법.
  18. 초전도체의 제조방법으로서, 상기 제조방법은,
    Sn을 포함하는 단일 코어 주위에 복수의 전도체 요소들을 위치시켜, 상기 코어 및 전도체 요소들 사이에 그리고 상기 복수의 전도체 요소들 사이에 제1 복수의 내부 틈새 공간, 및 중공형 구리 지지체 요소 및 상기 전도체 요소들 사이에 그리고 상기 복수의 전도체 요소들 사이에 제2 복수의 외부 틈새 공간을 제공하도록, 중공의 구리 지지체 요소 내에 금속 어셈블리 전구체를 형성하는 단계로서, 상기 복수의 전도체 요소들은 미반응된 Nb를 포함하는 것인, 단계;
    내부 틈새 요소를, 복수의 내부 틈새 공간들 중 하나 이상 내에 위치시키는 단계로서, 상기 내부 틈새 요소는 피닝 요소를 포함하는 것인, 단계;
    외부 틈새 요소를, 상기 복수의 외부 틈새 공간 중 하나 이상 내에 위치시키는 단계로서, 상기 외부 틈새 요소는 도핑 요소, 전도체 요소, 산화 첨가제, 및 외부 피닝 요소 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 단계;
    냉연신을 통해 상기 금속 어셈블리 전구체를 축소시켜, 축소된 금속 어셈블리를 생성하는 단계; 및
    상기 축소된 금속 어셈블리를 반응 열 처리시켜, 미반응된 Nb가 반응된 초전도체로 상 변태를 겪도록 하는 단계;를 포함하고,
    상기 금속 어셈블리 전구체는 30 mm 이상의 직경을 갖고;
    상기 금속 어셈블리 전구체는, 복수의 전도체 요소들 및 중공 구리 지지체 요소 사이에 확산 방지 층을 포함하고, 상기 확산 방지 층은 Ta, TaNb, 및 Nb 중 하나 이상을 포함하고;
    상기 코어는 Sn, SnCu, SnTi, 및 SnO2 중 하나 이상을 포함하는 고체 코어이고, 상기 코어는 Cu 시스(sheath) 및 NbTi 포일(foil) 중 하나 이상을 포함하는 외부 층을 포함하고;
    상기 코어는 NbTi 포일 및 Cu 중 하나 이상으로 둘러싸이고(wrapped);
    상기 전도체 요소는 Nb, NbZr 합금, 및 NbTa 합금 중 하나 이상을 포함하고;
    상기 복수의 전도체 요소 각각은 상기 복수의 전도체 요소 중 인접한 전도체 요소와 접촉하고, 상기 복수의 전도체 요소는 코어의 중심 주위에 대칭적으로 배치되고;
    상기 내부 틈새 요소의 각각은 서로 이격되어 위치하여, 상기 내부 틈새 요소가 서로 접촉하지 않도록 하고, 상기 내부 틈새 요소는 상기 코어의 중심의 주위에 대칭적으로 배치되고,
    상기 코어의 단면적은 상기 전도체 요소들 각각의 단면적보다 크고,
    상기 내부 틈새 요소는 산화 첨가제를 추가로 포함하는 것인, 초전도체의 제조방법.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4646428A (en) 1985-11-21 1987-03-03 Oxford Superconducting Technology Method of fabricating multifilament intermetallic superconductor
JP4791309B2 (ja) 2006-09-25 2011-10-12 株式会社神戸製鋼所 Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材およびそのための前駆体
KR100797405B1 (ko) 2006-12-12 2008-01-24 케이. 에이. 티. (주) 초전도 선재와 그 제조방법
PL2202814T3 (pl) 2008-12-23 2013-11-29 Mmc Copper Products Oy Zespół metalowy stanowiący prekursor nadprzewodnika oraz sposób odpowiedni do wytwarzania nadprzewodnika
DE102012218222B4 (de) * 2012-10-05 2020-10-15 Bruker Eas Gmbh Halbzeugdraht für einen Nb3Sn-Supraleiterdraht und Verfahren zur Herstellung eines Nb3Sn-Supraleiterdrahts

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009211880A (ja) 2008-03-03 2009-09-17 Kobe Steel Ltd 内部Ｓｎ法Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材およびそのための前駆体

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