KR20200106221A - 금속성 초전도성 와이어를 위한 확산 배리어 - Google Patents
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Abstract
다양한 실시형태에서, 초전도성 와이어는 내부 확산에 저항하고 와이어에 우수한 기계적 강도를 제공하는 Nb 합금 또는 Nb-Ta 합금으로 구성되는 확산 배리어를 포함한다.
Description
관련 출원
본 출원은 2018년 3월 7일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/639,530호의 이익 및 우선권을 주장하며, 그 전체 개시내용은 본 명세서에 참조로 포함되어 있다.
다양한 실시형태에서, 본 발명은 상호확산(interdiffusion)의 방지를 위한 확산 배리어를 포함하는 초전도성 와이어의 형성 및 가공에 관한 것이다.
초전도성 물질은 그의 특징적 임계 온도 미만으로 냉각시 전기 저항을 나타내지 않는다. 질소의 77K 비점보다 높은 임계 온도를 갖는 고온 초전도체 물질이 규명되었지만, 이들 물질은 종종 외래적이고(예를 들어, 페로브스카이트 세라믹), 가공이 어렵고, 높은 장(field) 응용에 대해서는 부적합하다. 따라서, 와이어 및 코일 및 그의 다발을 필요로 하는 실제 초전도성 응용물에서는, 금속성 초전도체 Nb-Ti 및 Nb3Sn이 가장 흔하게 활용된다. 이들 물질은 77K 미만의 임계 온도를 갖지만, 이들 물질의 비교적 용이한 가공(예를 들어, 와이어로의 드로잉), 뿐만 아니라 이들의 높은 전류 및 높은 자기장에서의 작업 능력은 이들의 광범위한 용도를 제공하였다.
전형적인 금속성 초전도성 와이어는 구리(Cu) 전도성 매트릭스 내에 매립된 초전도성 상(phase)의 다수의 가닥(또는 "필라멘트")을 특징으로 한다. Nb-Ti는 직접 얇은 와이어로 드로잉 다운되기에 충분히 연성이지만, 그의 응용성은 전형적으로 대략 8 테슬라 미만의 강도를 갖는 자기장을 특징으로 하는 응용으로 제한된다. Nb3Sn은 와이어-드로잉 변형을 견딜 수 없는 취성 금속간 상이고, 따라서 이는 전형적으로 확산 열처리를 통한 와이어 드로잉 후에 형성된다. Nb3Sn 초전도성 물질은 전형적으로, 적어도 20 테슬라까지의 강도를 갖는 자기장을 특징으로 하는 응용에서 사용될 수 있다. 따라서, Nb3Sn계 초전도성 와이어를 제작하기 위해 여러 상이한 기술이 활용되어 왔다. 예를 들어, "청동 공정"에서는, Nb 로드 및 Nb 로드를 둘러싼 Cu-Sn 합금 로드(예를 들어, 13 내지 15% Sn 포함)로부터 대형 복합체를 제작한다. 이들 물질은 연성이기 때문에, 복합체를 적합한 직경으로 드로잉 다운할 수 있고, 이어서 드로잉 다운된 복합체를 어닐링한다. 열처리는 Nb과 Cu-Sn 사이의 계면에서의 Nb3Sn 상의 상호확산 및 형성을 제공한다. Nb3Sn계 초전도성 와이어를 형성하기 위한 다른 공정은 유사하게 와이어 드로잉 후의 취성 Nb3Sn 상의 형성을 포함한다. 예를 들어, 순수 Sn 또는 Cu 또는 Mg와의 Sn 합금이 초기 복합체의 내부에 포함되고, 드로잉 후에 어닐링될 수 있다. 대안적으로, Nb 필라멘트를 Cu 매트릭스 내에 매립하고, 와이어로 드로잉 다운할 수 있다. 이어서, 생성된 와이어를 Sn으로 코팅할 수 있다. 코팅된 와이어는 가열되어 Sn-Cu 상을 형성하고, 결국 Nb 필라멘트와 반응하여 Nb3Sn 상을 형성한다.
상기에 상술된 기술은 상이한 응용물의 호스트에 활용되는 금속성 초전도성 와이어의 성공적인 제작을 제공하였지만, 생성된 와이어는 종종 불충분한 전기적 성능을 나타낸다. 전형적인 초전도성 와이어는 산업 시스템 내의 취급 및 포함을 위해 충분한 연성을 갖는 와이어를 제공하는 Cu 또는 Cu-함유 안정화제 내에 매립되고, 그 주위에 배치되며, 그리고/또는 그것에 의해 둘러싸이는 상술된 Nb3Sn 또는 Nb-Ti 필라멘트의 다수를 함유한다. 이러한 안정화제는 자체적으로 초전도성이 아니지만, Cu의 높은 전기 전도도는 와이어의 만족스러운 전체 전기 성능을 가능하게 할 수 있다. 불행하게도, 초전도성 필라멘트로부터의 다양한 요소(예를 들어, Sn)는 Cu계 안정화제의 부분과 반응하여 전체 와이어의 전체 전도도에 부정적인 영향을 미치는 저-전도도 상을 형성할 수 있다. 확산 배리어가 초전도성 필라멘트로부터 안정화제를 차폐하는 데 활용되었지만, 이들 배리어는 불균일한 단면적을 갖는 경향이 있고, 확산 배리어 및 안정화제의 동시 가공 동안 불균일한 변형으로 인해 국소적으로 파손될 수도 있다. 이러한 확산 배리어가 단순히 보다 두껍게 제조될 수 있지만, 이러한 해결은 확산 배리어 물질 자체의 보다 낮은 전기 전도도로 인해 와이어의 전체적 전도도에 영향을 준다. 예를 들어, 절단-연부 및 차후 응용물, 예컨대 새로운 입자 가속화기 및 충돌기에 대해, 자석이 기존 와이어 능력을 넘어서 디자인되고; 이러한 와이어는 15 테슬라에서 2000 A/mm2 초과의 비-구리 임계 전류 밀도를 필요로 할 것이다. 확산 배리어는 비-구리 분획의 부분이기 때문에, 임의의 강도 이득이 유리하면서 임의의 배리어 물질의 부피를 최소화시키는 것이 중요하다.
전술한 관점에서, 안정화제 또는 다양한 요소(예를 들어, Cu)를 포함하는 유해한 반응을 실질적으로 방지하는 금속 초전도성 와이어를 위한 개선된 확산 배리어에 대한 필요성이 존재하고, 한편 와이어의 전체적인 단면적의 상당한 양을 점유하지 않도록 균일하게 얇게 유지된다.
본 발명의 다양한 실시형태에 따라서, 초전도성 와이어 및/또는 그의 전구체(예를 들어, 와이어를 형성하는데 이용되는 복합 필라멘트)는 니오븀(Nb) 합금을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성되는 하나 이상의 확산 배리어를 특징으로 한다. 확산 배리어는 전형적으로 Cu 와이어 매트릭스의 적어도 일부와 초전도성 필라멘트 사이에, 및/또는 초전도성 필라멘트와 추가의 기계적 강도를 위해 초전도성 와이어 내에 및/또는 그 주위에 포함된 안정화 요소 사이에 배치된다. 본 발명의 실시형태에 따르면, 모노필라멘트는 각각, Cu계 (예를 들어, Cu 또는 청동(Cu-Sn)) 매트릭스 내의 Nb계 코어를 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성될 수 있고, 모노필라멘트의 적층된 어셈블리는 Cu계 매트릭스 내에 배치되고 드로잉 다운되어 복합 필라멘트를 형성할 수 있다. 따라서, 복합 필라멘트는 각각, Cu계 매트릭스 내의 다수의 Nb계 모노필라멘트를 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성될 수 있다. 본 발명의 실시형태에 따른 확산 배리어는, 복합 필라멘트가 적층되어 최종 와이어를 형성하는 경우, 각각의 복합 필라멘트 주위에 배치될 수 있고, 및/또는 확산 배리어는 복합 필라멘트의 적층물 주위에, 및 복합 필라멘트의 적층물과 외부 Cu 안정화제 또는 매트릭스 사이에 배치될 수 있다.
다양한 실시형태에서, 복합 필라멘트는 Cu계 매트릭스(예를 들어, Cu계 튜브) 내에 배치되고, 초전도성 와이어(또는 그의 전구체)로 드로잉 다운되고, 열처리된다. 복합 필라멘트 중 하나 이상이 그 자체로 그 내부에 확산 배리어를 포함할 수 있고, 및/또는 확산 배리어가 초전도성 와이어의 Cu계 매트릭스 내에 및 복합 필라멘트 주위에 배치될 수 있다. 다양한 실시형태에서, 확산 배리어는 예를 들어 0.1% 내지 20% W, 0.2% 내지 15% W, 0.2% 내지 12% W, 0.2% 내지 10% W, 0.2% 내지 8% W, 또는 0.2% 내지 5% W를 포함하는 Nb-W 합금을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성된다. 예를 들어, 확산 배리어는 Nb 및 대략 11% 내지 12% W의 합금(즉, Nb-12W) 또는 Nb 및 대략 5% 내지 6% W의 합금(즉, Nb-6W) 또는 Nb 및 대략 2.5% 내지 3% W의 합금(즉, Nb-3W)을 포함하거나, 그로 구성되거나, 또는 그로 구성될 수 있다. 다양한 실시형태에서, 확산 배리어는 하나 이상의 추가적인 합금화 원소, 예를 들어 Ru, Pt, Pd, Rh, Os, Ir, Mo, Re 및/또는 Si와 같은 합금화 원소를 내부에 갖는 Nb-W 합금(예를 들어, Nb-12W, Nb-6W, 또는 Nb-3W)을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성된다. 이러한 합금화 원소는 확산 배리어에 개별적으로 또는 집합적으로 5 중량% 이하, 또는 심지어 10 중량% 이하(예를 들어, 0.05% 내지 10%, 0.05% 내지 5%, 0.1% 내지 3%, 0.2% 내지 2%, 0.2% 내지 1%, 또는 0.2% 내지 0.5%)의 농도로 존재할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시형태에서, 이러한 추가 합금화 원소 중 하나 이상을 포함하는 Nb-W 합금으로 형성된 용접부는 이러한 용접부의 중심을 향해 더 등축화된 결정립 구조를 가질 수 있고; 따라서, 확산 배리어로서 사용하기 위한 이들 물질로 형성된 용접된 튜브는 와이어 제작 중에 작은 크기로 드로잉 다운될 때 우수한 기계적 특성 및 가공성을 나타낼 수 있다.
본 발명의 다양한 실시형태에 따르면, 확산 배리어는 하나 이상의 합금화 원소, 예컨대 W, Ru, Pt, Pd, Rh, Os, Ir, Mo, Re 및/또는 Si를 포함할 수 있다. 이러한 합금화 원소는 확산 배리어에 개별적으로 또는 집합적으로 5 중량% 이하, 또는 심지어 10 중량% 이하(예를 들어, 0.05% 내지 10%, 0.05% 내지 5%, 0.1% 내지 3%, 0.2% 내지 2%, 0.2% 내지 1%, 또는 0.2% 내지 0.5%)의 농도로 존재할 수 있다. 다양한 실시형태에서, 본 발명의 실시형태에 따른 필라멘트 및/또는 확산 배리어는 Mg, B, Fe, Al 및/또는 Ni가 실질적으로 없을 수 있다.
본 발명의 다양한 실시형태에서, 확산 배리어는 Nb 및 탄탈럼(Ta) 모두를 함유하는 합금 또는 혼합물, 뿐만 아니라 W와 같은 하나 이상의 합금화 원소를 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성될 수 있다. 예를 들어, 확산 배리어는 상기 열거된 합금화 원소 중 하나 이상이 있거나 없는 상태에서 Nb, Ta 및 대략 2.5 내지 3 원자% W의 합금(즉, Nb-Ta-3W)을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성될 수 있다. 다양한 실시형태에서, Nb-Ta-W 합금을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성되는 확산 배리어는 W를 예를 들어 0.2 내지 12 원자%의 농도로 함유할 수 있다. 본 발명의 실시형태에 따른 확산 배리어는 적어도 1% Ta, 적어도 5% Ta, 적어도 8% Ta, 적어도 10% Ta, 적어도 15% Ta, 적어도 20% Ta, 적어도 25% Ta, 적어도 30% Ta, 적어도 35% Ta, 적어도 40% Ta, 또는 적어도 45% Ta를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시형태에 따른 확산 배리어는 최대 50% Ta, 최대 45% Ta, 최대 40% Ta, 최대 35% Ta, 최대 30% Ta, 최대 25% Ta, 최대 20% Ta, 최대 15% Ta, 최대 10% Ta, 최대 5% Ta, 또는 최대 2% Ta를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따른 확산 배리어는 Nb(또는 Nb 및 Ta)를 함유하는 합금 또는 혼합물 및 W를 대신하는(또는 그 이외의) 하나 이상의 합금화 원소를 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성될 수 있다. 예를 들어, 이러한 합금화 원소는 C 및/또는 N을 포함할 수 있다. W를 함유하는 확산-배리어 합금에 대한 본원에서의 언급은 W 대신에 또는 그 이외에 C 및/또는 N과 같은 합금화 원소를 함유하는 합금을 포함하는 것으로 이해된다.
본 발명의 실시형태에 따른 Nb-합금 확산 배리어는 또한 적어도 부분적으로 낮은 산소 함량 및/또는 높은 수준의 순도로 인해 유리한 연성을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시형태에 따른 확산 배리어는 500 ppm 미만, 200 ppm 미만, 100 ppm 미만, 또는 심지어 50 ppm 미만의 산소 함량을 갖는다. 산소 함량은 적어도 0.5 ppm, 적어도 1 ppm, 적어도 2 ppm, 또는 적어도 5 ppm일 수 있다. 추가로 또는 대안적으로, 본 발명의 실시형태에 따른 확산 배리어는 99.9% 초과, 또는 심지어 99.99% 초과의 순도를 가질 수 있다.
유리하게는, 본 발명의 실시형태에 따른 Nb-합금 확산 배리어는 통상적인 확산 배리어 물질과 비교할 때 정제된 결정립 구조(예를 들어, 작은 평균 결정립 크기)를 갖고, 이는 초전도성 와이어 내의 확산 배리어의 변형 및 가공이 확산 배리어를 파열시키고 와이어의 성능을 손상시킬 수 있는 국소화된 박막화 없이 실질적으로 균일화될 수 있게 한다. 확산 배리어의 작은 결정립 크기(예를 들어, 20 μm 미만, 10 μm 미만, 5 μm 미만, 1 내지 20 μm, 또는 5 내지 15 μm)는 합금화 원소(들)의 존재로부터 초래되고, 따라서 본 발명의 실시형태에 따른 확산 배리어는 정제된 결정립 구조를 생성하기 위해 추가의 가공(예를 들어, 3축 단조 같은 단조, 열처리 등)을 필요로 하지 않는다. 따라서, 본 발명에 따른 확산 배리어의 사용에 의해 전체적인 제조 비용 및 복잡성이 감소할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따른 확산 배리어의 우수한 결정립 구조 및/또는 기계적 특성은 확산 배리어가 와이어의 단면(즉, 전류-운반) 영역의 과도한 양을 점유하지 않으면서 초전도체 와이어 내에서 유해한 확산으로부터 보호를 제공할 수 있게 한다. (대조적으로, 보다 낮은 기계적 특성 및/또는 덜 정제된 결정립 구조를 갖는 다양한 다른 확산 배리어의 사용은 최종 와이어의 연성, 전도도, 및/또는 다양한 다른 특성에 해로운 영향을 주는 보다 큰 배리어의 사용을 필요로 한다.) 본 발명의 실시형태에 따른 와이어는, 그의 임계 온도 미만에서 우수한 높은 장, 고전류 초전도성 특성을 유지하면서 Cu 매트릭스와의 상호확산을 거의 나타내지 않거나 나타내지 않는다.
Nb-합금 확산 배리어의 사용은 유리하게는 초전도성 와이어의 단면이 확산 배리어에 의해 그리 많이 점유되지 않게 할 수 있고, 따라서 더 많은 단면이 전류-운반 초전도성 필라멘트에 의해 점유될 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시형태에 따른 확산-배리어 물질은 또한 유리하게, 그의 임계 온도 미만에서 우수한 높은 장, 고전류 초전도성 특성을 유지하면서, 초전도성 와이어에 추가의 기계적 강도를 제공한다. 다양한 실시형태에서, 와이어의 기계적 강도는, 와이어의 전기적 성능을 손상시키지 않고 및/또는 와이어 및/또는 그의 필라멘트 내에서 균열 또는 파쇄를 일으키거나 다른 방식으로 그의 기계적 안정성을 손상시키지 않으면서, 와이어의 기계적 변형(예를 들어, 권취, 코일링 등)을 용이하게 할 수 있다. 다양한 실시형태에서, 확산 배리어(들)는 최종 와이어의 단면적의 적어도 0.5%, 적어도 1%, 적어도 2%, 적어도 3%, 적어도 4%, 적어도 5%, 또는 적어도 7%를 집합적으로 또는 개별적으로 점유할 수 있다. 다양한 실시형태에서, 확산 배리어(들)는 최종 와이어의 단면적의 20% 미만, 15% 미만, 12% 미만, 10% 미만, 9% 미만, 8% 미만, 7% 미만, 6% 미만, 5% 미만, 4% 미만, 3% 미만, 또는 2% 미만을 집합적으로 또는 개별적으로 점유할 수 있다. 이러한 방식으로, 초전도성 와이어 내의 확산 배리어(들)는 다양한 실시형태에 따라 적어도 75MPa, 적어도 100MPa, 또는 심지어 적어도 150MPa의 최소 항복 강도(예를 들어, 와이어 및/또는 필라멘트의 임의의 열처리 후)를 갖는 와이어를 제공한다. 대신 또는 추가로, 다양한 실시형태에 따른 하나 이상의 확산 배리어를 함유하는 와이어는 적어도 250MPa, 적어도 300MPa, 또는 심지어 적어도 350MPa의 극한 인장 강도를 나타낸다. 다양한 실시형태에서, 확산 배리어(들)는 최종 와이어의 단면적의 25% 초과, 및/또는 최종 와이어의 단면적의 35% 미만, 또는 30% 미만을 집합적으로 또는 개별적으로 점유할 수 있다. 본 발명의 실시형태에 따른 와이어의 항복 강도 및 극한 인장 강도와 같은 기계적 특성은 펜실베니아주 웨스트 컨쇼혹켄 소재의 ASTM International의 ASTM E8/E8M-15a, Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials, 2015에 따라 측정될 수 있으며, 이의 전체 개시내용은 본원에 참조로 포함된다.
본 발명의 실시형태에 따른 초전도성 와이어의 향상된 기계적 강도는 유리하게, 이러한 와이어가 높은 자기장 강도에서 작업 동안 와이어 상에 발휘되는 로렌츠(Lorentz) 힘을 견딜 수 있게 한다. 관련 기술분야에 공지된 바와 같이, 자석 권취에서 "자기-자계(self-field)"는 중심-라인 자계보다 높고, 최내측 권취에서 최고이다. 추가로, 자기장 생성을 위해 필요한 전류는 자석 내 모든 와이어에서 동일하다. 로렌츠 힘은 F = B × I(즉, 전류로 교차되는 자기장)이고, 생성된 장은 전류(I)에 직접 비례하며, 따라서 힘은 전류의 제곱에 비례한다. 예를 들어, 로렌츠 힘은 8 테슬라에 비해 16 테슬라에서 4배 더 높을 것이다. 따라서, 인가된 자기장의 크기가 증가하면, (외적 관계(cross-product relation)에 의해, 전류 및 자기장 둘 다에 대해 수직인) 힘을 견디는 와이어의 기계적 강도가 또한 더 높아야 한다. 본 발명의 실시형태에 따른 초전도성 와이어는 유리하게는, 적어도 2 테슬라, 적어도 5 테슬라, 적어도 8 테슬라, 또는 심지어 적어도 10 테슬라의 강도, 즉, 적어도 20,000 가우스, 적어도 50,000 가우스, 적어도 80,000 가우스, 또는 심지어 적어도 100,000 가우스의 자속 밀도를 갖는 자기장을 활용하는 응용에 대해 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시형태에 따른 확산 배리어는 Nb를 포함하기 때문에, 다양한 실시형태에서 확산 배리어의 일부는 유리하게는 와이어 제조 공정 동안(하나 이상의 열처리/어닐링 단계 동안) (예를 들어, Sn 또는 Ti와) 반응하여 최종 와이어의 초전도성 전도도에 기여하는 초전도성 상(즉, Nb3Sn 또는 Nb-Ti)을 형성할 수 있다. 이러한 실시형태에서, 확산 배리어의 두께는 전형적으로 전체 확산 배리어(또는 적어도 그 내부의 Nb)가 반응하는 것을 방지하기에 충분히 크고, 따라서 확산 배리어의 나머지 미반응 부분은 상호확산에 대한 저항성뿐만 아니라 증가된 기계적 강도(예를 들어, W와 같은 합금화 원소의 존재로 인해)를 제공한다. 따라서, 다양한 실시형태에서, 확산 배리어의 반응 부분은 환형(또는 확산 배리어의 형상을 모방하는 다른 형상) 반응 영역으로서 와이어 내에 존재한다. 다양한 실시형태에서, 비-Nb 합금화 원소(예를 들어, Ta, W 등)는 반응하지 않아 반응 영역에 초전도성 상을 형성할 수 있고, 따라서 이들 원소는 반응 동안 확산 배리어의 반응 부분으로부터 배출될 수 있다. 따라서, 확산 배리어의 반응 부분과 확산 배리어의 미반응의 나머지 부분 사이의 계면에서, 이러한 비-Nb 원소 중 하나 이상(또는 심지어 전부)은 반응 부분에 대향하는 확산 배리어의 부분 내보다 높은 농도로 존재할 수 있다. 다른 실시형태에서, 확산 배리어의 미반응의 나머지 부분은 반응 전에 존재했던 것보다 더 높은 농도의 하나 이상의 이러한 비-Nb 원소를 함유한다(예를 들어, 확산 배리어가 와이어 제조 공정 동안 도입되었을 때). 따라서, 확산 배리어의 일부가 반응하여 초전도성 상을 형성한 후에도, 나머지 확산 배리어의 두께는 감소되고, 그 내의 하나 이상의 비-Nb 원소의 더 높은 농도는 그의 감소된 두께에도 불구하고 나머지, 더 얇은 확산 배리어의 기계적 강도 및/또는 확산 저항을 증가시킬 수 있다.
다양한 실시형태에서, 확산 배리어는, 하나 이상의 층이 본원에 상세화된 바와 같이 Nb 합금을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성되며, 하나 이상의 다른 층이 Nb를 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성되는 다층 환형 구조일 수 있다(또는 Nb 합금은 더 적은 농도의 하나 이상의 비-Nb 합금화 원소를 함유하며; 본원에서의 "Nb 층" 또는 "Nb의 층"이라는 언급은 이러한 층을 포함한다). 예를 들어, 확산 배리어는 Nb 합금의 외층에 의해 둘러싸인 Nb의 내층을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성될 수 있거나, 또는 그 반대일 수 있다. 다른 실시형태에서, 확산 배리어는 Nb의 내층과 Nb의 외층 사이에 끼워진 Nb 합금의 층을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성될 수 있다. 본 명세서에서 상세화되는 바와 같이, 열처리 동안, 확산 배리어의 Nb 층(들)의 모두 또는 일부는 초전도성 상으로 변환될 수 있으며, 한편 Nb-합금 층(들)은 미변환 상태로 유지된다.
본 발명의 실시형태는 또한 와이어 자체 내에 및/또는 와이어의 형성에 활용되는 복합 필라멘트 내에 안정화 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시형태는, 전체 개시내용이 본원에 참조로 포함되는 2016년 7월 8일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 15/205,804("'804 출원")에 기재된 바와 같이, Ta, Ta 합금(예를 들어, Ta-3W 같은 Ta 및 W의 합금), 또는 Hf, Ti, Zr, Ta, V, Y, Mo, 또는 W 중 하나 이상을 갖는 Nb의 합금을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성되는 안정화 요소를 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 초전도성 와이어에서, 안정화 요소는 전형적으로 모노필라멘트 및/또는 복합 필라멘트로부터 그들 사이의 하나 이상의 확산 배리어를 통해 분리된다.
일 양태에서, 본 발명의 실시형태는 외부 와이어 매트릭스, 와이어 매트릭스 내에 배치된 확산 배리어, 및 확산 배리어에 의해 둘러싸이고 확산 배리어에 의해 외부 와이어 매트릭스로부터 분리된 복수의 복합 필라멘트를 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성되는 초전도성 와이어를 특징으로 한다. 외부 와이어 매트릭스는 Cu를 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성된다. 확산 배리어는 Nb-W 합금(예를 들어, 0.1% 내지 20% W 또는 0.2% 내지 12% W 또는 0.2% 내지 10% W를 함유하는 Nb 합금) 또는 Nb-Ta-W 합금을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성된다. 복합 필라멘트 중 하나 이상 또는 심지어 각각은 (i) 복수의 모노필라멘트 및 (ii) 복수의 모노필라멘트를 둘러싸는 클래딩을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성된다. 복합 필라멘트 클래딩은 Cu를 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성될 수 있다. 모노필라멘트 중 하나 이상 또는 심지어 그 각각은 코어 및 코어를 둘러싸는 클래딩을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성된다. 모노필라멘트 코어는 Nb를 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성될 수 있다. 모노필라멘트 클래딩은 Cu를 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성될 수 있다. 확산 배리어는 초전도성 와이어의 축방향 치수를 통해 연장된다.
본 발명의 실시형태는 하기의 것 중 하나 이상을 임의의 다양한 조합으로 포함할 수 있다. 확산 배리어는 와이어의 단면의 대략 20% 미만, 와이어의 단면의 대략 15% 미만, 와이어의 단면의 대략 10% 미만, 또는 와이어의 단면의 대략 5% 미만을 점유할 수 있다. 확산 배리어는 와이어의 단면의 대략 1% 초과, 와이어의 단면의 대략 2% 초과, 와이어의 단면의 대략 5% 초과, 와이어의 단면의 대략 8% 초과, 또는 와이어의 단면의 대략 10% 초과를 점유할 수 있다. 와이어는 확산 배리어에 근접하여 배치되는(예를 들어, 그것의 어느 한 쪽 또는 양쪽에서, 예컨대 복합 필라멘트와 확산 배리어 사이에 배치되는) 환형 영역 또는 층을 포함할 수 있고, 환형 영역의 적어도 일부는 Nb계 초전도성 상(예를 들어, Nb-Ti 및/또는 Nb3Sn)을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성될 수 있다. 환형 영역의 일부는 확산 배리어와 상이한 조성을 갖는 Nb 합금 또는 Nb-Ta 합금을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성될 수 있다. 환형 영역은 확산 배리어와 일치하고 및/또는 그와 직접 기계적으로 접촉할 수 있다.
모노필라멘트 중 하나 이상 또는 심지어 그 각각의 코어는 합금, 의사-합금, 또는 Nb 및 Ti, Zr, Hf, Ta, Y 또는 La 중 하나 이상을 포함하는 혼합물(예를 들어, Nb-Ti)을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성될 수 있다. 모노필라멘트 중 하나 이상 또는 심지어 그 각각의 코어는 Nb3Sn을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성될 수 있다. 확산 배리어는 Nb-3W 또는 Nb-6W 또는 Nb-12W를 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성될 수 있다. 확산 배리어는 Ru, Pt, Pd, Rh, Os, Ir, Mo, Re, 또는 Si로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 합금화 원소를 추가로 함유할 수 있다. 확산 배리어의 단면 두께 및/또는 단면적은 와이어의 두께를 따라 실질적으로 일정할 수 있다. 복합 필라멘트 중 하나 이상 또는 심지어 그 각각은 육각형 단면 형상(즉, 와이어의 축방향 치수에 수직인 단면에 있어서)을 가질 수 있다. 모노필라멘트 중 하나 이상 또는 심지어 그 각각은 육각형 단면 형상(즉, 와이어의 축방향 치수에 수직인 단면에 있어서)을 가질 수 있다.
와이어는 복수의 복합 필라멘트 내에 배치되고 확산 배리어에 의해 둘러싸인 안정화 요소를 포함할 수 있다. 안정화 요소는 Cu 및/또는 0.1% 내지 20% W 또는 0.2% 내지 12% W 또는 0.2% 내지 10% W를 함유하는 Ta 합금을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성될 수 있다. 안정화 요소의 적어도 일부는 실질적으로 초전도성 와이어의 중심 코어에 위치될 수 있다. 안정화 요소는 와이어의 단면의 대략 20% 미만, 와이어의 단면의 대략 15% 미만, 와이어의 단면의 대략 10% 미만, 또는 와이어의 단면의 대략 5% 미만을 점유할 수 있다. 안정화 요소는 와이어의 단면의 대략 1% 초과, 와이어의 단면의 대략 2% 초과, 와이어의 단면의 대략 5% 초과, 와이어의 단면의 대략 8% 초과, 또는 와이어의 단면의 대략 10% 초과를 점유할 수 있다.
다른 양태에서, 본 발명의 실시형태는 와이어 매트릭스 및 와이어 매트릭스 내에 매립된 복수의 복합 필라멘트를 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성되는 초전도성 와이어를 특징으로 한다. 와이어 매트릭스는 Cu를 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성된다. 복합 필라멘트 중 하나 이상 또는 심지어 그 각각은 (i) 복수의 모노필라멘트, (ii) 복합 필라멘트의 축방향 치수를 통해 연장되고 복수의 모노필라멘트를 둘러싸는 확산 배리어, 및 (iii) 확산 배리어를 둘러싸는 클래딩을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성되며, 확산 배리어는 복수의 모노필라멘트로부터 클래딩을 분리한다. 복합 필라멘트 확산 배리어는 Nb-W 합금 또는 Nb-Ta-W(예를 들어, 0.1% 내지 20% W 또는 0.2% 내지 12% W 또는 0.2% 내지 10% W를 함유하는 Nb 합금 또는 Nb-Ta 합금)을 포함하거나, 또는 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성된다. 복합 필라멘트 클래딩은 Cu를 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성된다. 모노필라멘트 중 하나 이상 또는 심지어 그 각각은 코어 및 코어를 둘러싸는 클래딩을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성된다. 모노필라멘트 코어는 Nb를 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성될 수 있다. 모노필라멘트 클래딩은 Cu를 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성될 수 있다.
본 발명의 실시형태는 하기의 것 중 하나 이상을 임의의 다양한 조합으로 포함할 수 있다. 확산 배리어는 와이어의 단면의 대략 20% 미만, 와이어의 단면의 대략 15% 미만, 와이어의 단면의 대략 10% 미만, 또는 와이어의 단면의 대략 5% 미만을 집합적으로 점유할 수 있다. 확산 배리어는 와이어의 단면의 대략 1% 초과, 와이어의 단면의 대략 2% 초과, 와이어의 단면의 대략 5% 초과, 와이어의 단면의 대략 8% 초과, 또는 와이어의 단면의 대략 10% 초과를 집합적으로 점유할 수 있다. 와이어는 적어도 하나의 확산 배리어에 근접하여 배치되는(예를 들어, 그것의 어느 한쪽 또는 양쪽에서, 예컨대 복합 필라멘트 중 적어도 하나의 확산 배리어와 모노필라멘트 사이에 배치되는) 환형 영역 또는 층을 포함할 수 있으며, 환형 영역의 적어도 일부는 Nb계 초전도성 상(예를 들어, Nb-Ti 및/또는 Nb3Sn)을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성될 수 있다. 환형 영역의 일부는 확산 배리어와 상이한 조성을 갖는 Nb 합금 또는 Nb-Ta 합금을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성될 수 있다. 환형 영역은 확산 배리어와 일치하고 및/또는 그와 직접 기계적으로 접촉할 수 있다.
모노필라멘트 중 하나 이상 또는 심지어 그 각각의 코어는 합금, 의사-합금, 또는 Nb 및 Ti, Zr, Hf, Ta, Y 또는 La 중 하나 이상을 포함하는 혼합물(예를 들어, Nb-Ti)을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성될 수 있다. 모노필라멘트 중 하나 이상 또는 심지어 그 각각의 코어는 Nb3Sn을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성될 수 있다. 확산 배리어는 Nb-3W, Nb-6W 또는 Nb-12W를 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성될 수 있다. 확산 배리어는 Ru, Pt, Pd, Rh, Os, Ir, Mo, Re, 또는 Si로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 합금화 원소를 추가로 함유할 수 있다. 확산 배리어의 단면 두께 및/또는 단면적은 와이어의 두께를 따라 실질적으로 일정할 수 있다. 복합 필라멘트 중 하나 이상 또는 심지어 그 각각은 육각형 단면 형상(즉, 와이어의 축방향 치수에 수직인 단면에 있어서)을 가질 수 있다. 모노필라멘트 중 하나 이상 또는 심지어 그 각각은 육각형 단면 형상(즉, 와이어의 축방향 치수에 수직인 단면에 있어서)을 가질 수 있다.
와이어는 복수의 복합 필라멘트 내에 배치된 안정화 요소를 포함할 수 있다. 안정화 요소는 Cu 및/또는 0.1% 내지 20% W 또는 0.2% 내지 12% W 또는 0.2% 내지 10% W를 함유하는 Ta 합금을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성될 수 있다. 안정화 요소의 적어도 일부는 실질적으로 초전도성 와이어의 중심 코어에 위치될 수 있다. 안정화 요소는 와이어의 단면의 대략 20% 미만, 와이어의 단면의 대략 15% 미만, 와이어의 단면의 대략 10% 미만, 또는 와이어의 단면의 대략 5% 미만을 점유할 수 있다. 안정화 요소는 와이어의 단면의 대략 1% 초과, 와이어의 단면의 대략 2% 초과, 와이어의 단면의 대략 5% 초과, 와이어의 단면의 대략 8% 초과, 또는 와이어의 단면의 대략 10% 초과를 점유할 수 있다.
또 다른 양태에서, 본 발명의 실시형태는 내부 와이어 안정화 매트릭스, 와이어 안정화 매트릭스 주위에 배치된 확산 배리어, 및 확산 배리어 주위에 배치되고 확산 배리어에 의해 와이어 안정화 매트릭스로부터 분리되는 복수의 복합 필라멘트를 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성되는 초전도성 와이어를 특징으로 한다. 와이어 안정화 매트릭스는 Cu를 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성된다. 확산 배리어는 Nb-W 합금 또는 Nb-Ta-W 합금(예를 들어, 0.1% 내지 20% W 또는 0.2% 내지 12% W 또는 0.2% 내지 10% W를 함유하는 Nb 합금 또는 Nb-Ta 합금)을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성된다. 복합 필라멘트 중 하나 이상 또는 심지어 그 각각은 (i) 복수의 모노필라멘트, 및 (ii) (iii) 복수의 모노필라멘트를 둘러싸는 클래딩을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성된다. 복합 필라멘트 클래딩은 Cu를 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성된다. 확산 배리어는 와이어의 축방향 치수를 통해 연장된다.
본 발명의 실시형태는 하기의 것 중 하나 이상을 임의의 다양한 조합으로 포함할 수 있다. 확산 배리어는 와이어의 단면의 대략 20% 미만, 와이어의 단면의 대략 15% 미만, 와이어의 단면의 대략 10% 미만, 또는 와이어의 단면의 대략 5% 미만을 점유할 수 있다. 확산 배리어는 와이어의 단면의 대략 1% 초과, 와이어의 단면의 대략 2% 초과, 와이어의 단면의 대략 5% 초과, 와이어의 단면의 대략 8% 초과, 또는 와이어의 단면의 대략 10% 초과를 점유할 수 있다. 와이어는 확산 배리어에 근접하여 배치되는(예를 들어, 그것의 어느 한 쪽 또는 양쪽에서, 예컨대 복합 필라멘트와 확산 배리어 사이에 배치되는) 환형 영역 또는 층을 포함할 수 있고, 환형 영역의 적어도 일부는 Nb계 초전도성 상(예를 들어, Nb-Ti 및/또는 Nb3Sn)을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성될 수 있다. 환형 영역의 일부는 확산 배리어와 상이한 조성을 갖는 Nb 합금 또는 Nb-Ta 합금을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성될 수 있다. 환형 영역은 확산 배리어와 일치하고 및/또는 그와 직접 기계적으로 접촉할 수 있다.
모노필라멘트 중 하나 이상 또는 심지어 그 각각의 코어는 합금, 의사-합금, 또는 Nb 및 Ti, Zr, Hf, Ta, Y 또는 La 중 하나 이상을 포함하는 혼합물(예를 들어, Nb-Ti)을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성될 수 있다. 모노필라멘트 중 하나 이상 또는 심지어 그 각각의 코어는 Nb3Sn을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성될 수 있다. 확산 배리어는 Nb-3W 또는 Nb-6W 또는 Nb-12W를 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성될 수 있다. 확산 배리어는 Ru, Pt, Pd, Rh, Os, Ir, Mo, Re, 또는 Si로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 합금화 원소를 추가로 함유할 수 있다. 확산 배리어의 단면 두께 및/또는 단면적은 와이어의 두께를 따라 실질적으로 일정할 수 있다. 복합 필라멘트 중 하나 이상 또는 심지어 그 각각은 육각형 단면 형상(즉, 와이어의 축방향 치수에 수직인 단면에 있어서)을 가질 수 있다. 모노필라멘트 중 하나 이상 또는 심지어 그 각각은 육각형 단면 형상(즉, 와이어의 축방향 치수에 수직인 단면에 있어서)을 가질 수 있다.
와이어는 복수의 복합 필라멘트 내에 또는 내부 와이어 안정화 매트릭스 내에 또는 그에 근접하여 배치되는 안정화 요소를 포함할 수 있다. 안정화 요소는 Cu 및/또는 0.1% 내지 20% W 또는 0.2% 내지 12% W 또는 0.2% 내지 10% W를 함유하는 Ta 합금을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성될 수 있다. 안정화 요소의 적어도 일부는 실질적으로 초전도성 와이어의 중심 코어에 위치될 수 있다. 안정화 요소는 와이어의 단면의 대략 20% 미만, 와이어의 단면의 대략 15% 미만, 와이어의 단면의 대략 10% 미만, 또는 와이어의 단면의 대략 5% 미만을 점유할 수 있다. 안정화 요소는 와이어의 단면의 대략 1% 초과, 와이어의 단면의 대략 2% 초과, 와이어의 단면의 대략 5% 초과, 와이어의 단면의 대략 8% 초과, 또는 와이어의 단면의 대략 10% 초과를 점유할 수 있다.
이들 및 다른 목적은, 본원에 개시된 본 발명의 이점 및 특징과 함께, 하기 설명, 첨부된 도면, 및 청구범위의 참조를 통해 더 명백해질 것이다. 또한, 본원에 기재된 다양한 실시형태의 특징은 상호 배타적이 아니며, 다양한 조합 및 순열로 존재할 수 있음을 이해해야 한다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "대략" 및 "실질적으로"는 ±10%, 및 일부 실시형태에서는 ±5%를 의미한다. 용어 "본질적으로 ~로 구성된다"는, 본원에서 달리 정의되지 않는 한, 기능에 기여하는 다른 물질이 배제됨을 의미한다. 그럼에도 불구하고, 이러한 다른 물질이 집합적으로 또는 개별적으로 미량으로 존재할 수 있다. 예를 들어, 다수의 금속으로 본질적으로 구성되는 구조는 일반적으로 이러한 금속만을 그리고 화학 분석을 통해 검출가능할 수 있지만 기능에 기여하지 않는 (그리고, 5 ppm, 2 ppm, 1 ppm, 0.5 ppm, 또는 0.1 ppm 미만의 농도로 존재할 수 있는) 의도하지 않은 불순물만(금속성 또는 비금속성일 수 있음)을 포함할 것이다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "본질적으로 적어도 하나의 금속으로 구성된다"는, 금속 또는 2종 이상의 금속의 혼합물 - 그러나 금속과 비금속성 원소 또는 화학 종, 예컨대 산소, 규소, 또는 질소 사이의 화합물(예를 들어, 금속 질화물, 금속 규화물, 또는 금속 산화물)은 제외 - 을 지칭하며; 이러한 비금속성 원소 또는 화학 종은, 집합적으로 또는 개별적으로, 미량으로, 예를 들어 불순물로서 존재할 수 있다.
도면에서, 유사한 참조 문자는 일반적으로 상이한 모습들 전체에 걸쳐 동일한 부분들을 지칭한다. 또한, 도면은 반드시 일정한 비율로 도시된 것은 아니며, 대신에 일반적으로 본 발명의 원리를 예시하는 것임이 강조된다. 다음의 설명에서, 본 발명의 다양한 실시형태들이 다음의 도면을 참조하여 설명된다.
도 1a는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 모노필라멘트를 형성하기 위해 활용되는 튜브의 개략 단면도이고;
도 1b는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 모노필라멘트를 형성하기 위해 활용되는 로드의 개략 단면도이고;
도 1c는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 복합 필라멘트를 형성하기 위해 활용되는 모노필라멘트의 개략 단면도이고;
도 2a는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 복합 필라멘트를 형성하기 위해 활용되는 튜브의 개략 단면도이고;
도 2b는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 복합 필라멘트 내에 확산 배리어를 형성하기 위해 활용되는 튜브의 개략적인 단면도이고;
도 2c는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 복합 필라멘트를 형성하기 위해 활용되는 모노필라멘트 적층물의 개략 단면도이고;
도 2d는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 초기 제작 단계에서의 복합 필라멘트의 개략 단면도이고;
도 2e는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 초전도성 와이어를 형성하기 위해 활용되는 복합 필라멘트의 개략 단면도이고;
도 3a는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 안정화 요소를 형성하기 위해 활용되는 튜브의 개략 단면도이고;
도 3b는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 안정화 요소를 형성하기 위해 활용되는 로드의 개략 단면도이고;
도 3c는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 안정화된 복합 필라멘트 및/또는 초전도성 와이어를 형성하기 위해 활용되는 안정화 요소의 개략 단면도이고;
도 3d는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 안정화 요소를 포함하는 복합 필라멘트의 개략 단면도이고;
도 4a는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 초전도성 와이어를 형성하기 위해 활용되는 튜브의 개략 단면도이고;
도 4b는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 초전도성 와이어를 형성하기 위해 활용되는 복합 필라멘트의 적층물의 개략 단면도이고;
도 4c는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 초전도성 와이어 내의 확산 배리어를 형성하기 위해 활용되는 튜브의 개략 단면도이고;
도 4d는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 초기 제작 단계에서의 초전도성 와이어의 개략 단면도이고;
도 4e는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 초전도성 와이어의 개략 단면도이고;
도 4f는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 초기 제작 단계에서의 안정화된 초전도성 와이어의 개략 단면도이고;
도 4g는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 안정화된 초전도성 와이어의 개략 단면도이고;
도 5는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 Cu 내부 안정화제 및 안정화제 주위에 배치된 확산 배리어를 특징으로 하는 초전도성 와이어의 단면 현미경 사진이고;
도 6은 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 Cu 외부 매트릭스 및 외부 매트릭스와 와이어 필라멘트 사이에 배치된 확산 배리어를 특징으로 하는 초전도성 와이어의 단면 현미경 사진이다.
도 1a는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 모노필라멘트를 형성하기 위해 활용되는 튜브의 개략 단면도이고;
도 1b는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 모노필라멘트를 형성하기 위해 활용되는 로드의 개략 단면도이고;
도 1c는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 복합 필라멘트를 형성하기 위해 활용되는 모노필라멘트의 개략 단면도이고;
도 2a는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 복합 필라멘트를 형성하기 위해 활용되는 튜브의 개략 단면도이고;
도 2b는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 복합 필라멘트 내에 확산 배리어를 형성하기 위해 활용되는 튜브의 개략적인 단면도이고;
도 2c는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 복합 필라멘트를 형성하기 위해 활용되는 모노필라멘트 적층물의 개략 단면도이고;
도 2d는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 초기 제작 단계에서의 복합 필라멘트의 개략 단면도이고;
도 2e는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 초전도성 와이어를 형성하기 위해 활용되는 복합 필라멘트의 개략 단면도이고;
도 3a는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 안정화 요소를 형성하기 위해 활용되는 튜브의 개략 단면도이고;
도 3b는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 안정화 요소를 형성하기 위해 활용되는 로드의 개략 단면도이고;
도 3c는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 안정화된 복합 필라멘트 및/또는 초전도성 와이어를 형성하기 위해 활용되는 안정화 요소의 개략 단면도이고;
도 3d는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 안정화 요소를 포함하는 복합 필라멘트의 개략 단면도이고;
도 4a는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 초전도성 와이어를 형성하기 위해 활용되는 튜브의 개략 단면도이고;
도 4b는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 초전도성 와이어를 형성하기 위해 활용되는 복합 필라멘트의 적층물의 개략 단면도이고;
도 4c는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 초전도성 와이어 내의 확산 배리어를 형성하기 위해 활용되는 튜브의 개략 단면도이고;
도 4d는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 초기 제작 단계에서의 초전도성 와이어의 개략 단면도이고;
도 4e는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 초전도성 와이어의 개략 단면도이고;
도 4f는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 초기 제작 단계에서의 안정화된 초전도성 와이어의 개략 단면도이고;
도 4g는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 안정화된 초전도성 와이어의 개략 단면도이고;
도 5는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 Cu 내부 안정화제 및 안정화제 주위에 배치된 확산 배리어를 특징으로 하는 초전도성 와이어의 단면 현미경 사진이고;
도 6은 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 Cu 외부 매트릭스 및 외부 매트릭스와 와이어 필라멘트 사이에 배치된 확산 배리어를 특징으로 하는 초전도성 와이어의 단면 현미경 사진이다.
도 1a 내지 도 1c는 예시적인 모노필라멘트(100)의 구성요소 및 그 성분 구성요소를 도시한다. 본 발명의 실시형태에 따르면, 로드(105)는 Cu 또는 Cu 합금(예를 들어, 청동)을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성되는 튜브(110) 내에 배치된다. 로드(105)의 조성은 최종 와이어에서 요망되는 특정 금속성 초전도체에 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 로드(105)는 Nb, Ti, Nb-Ti, 또는 이들의 합금을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성될 수 있다. 다른 예에서, 로드(105)는 Ti, Zr, Hf, Ta, Y, 또는 La 중 하나 이상과 합금화된 Nb를 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성될 수 있다. 이러한 합금화 원소는 개별적으로 또는 집합적으로 로드(105) 내에(및 따라서 모노필라멘트(100)의 코어 내에) 존재할 수 있고, 예를 들어 0.2% 내지 10%(예를 들어, 0.2% 내지 5%, 또는 0.5% 내지 1%)의 농도이다. 다양한 실시형태에서, 튜브(110)(및/또는 본원에 기재된 임의의 다른 튜브)는 로드(105) 주위에 금속 시트를 랩핑함으로써 형성될 수 있고; 이러한 실시형태에서, 시트의 단부는 중첩될 수 있다. 이어서, 튜브(110)로 클래딩된 로드(105)는 드로잉 다운되어 그의 직경을, 예를 들어 0.5 인치 내지 1.5 인치로 감소시킬 수 있다. 클래딩된 로드는 다단계로 드로잉 다운될 수 있고, 예를 들어 변형 완화를 위해 임의의 또는 각각의 드로잉 단계 동안 및/또는 후에 열처리될 수 있다. 드로잉 다운되면, 클래딩된 로드는 성형 다이를 통해 드로잉되어 다른 모노필라멘트와의 효율적인 적층을 위해 성형된 모노필라멘트(100)를 제작할 수 있다. 예를 들어, 도 1c에 나타낸 바와 같이, 육각형 다이를 활용하여 육각형 단면을 갖는 모노필라멘트(100)를 형성할 수 있다. 다른 실시형태에서, 모노필라멘트는 다른 단면, 예를 들어 정사각형, 직사각형, 삼각형 등을 가질 수 있다. 도 1c에 도시된 바와 같이, 모노필라멘트(100)는 전형적으로 실질적으로 균일한 조성을 갖는 단일 원통형 코어 주위에 배치되고 그를 둘러싸는 단일 환형 클래딩을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성되며; 따라서 다수의 클래딩 및 분리된 원통형 코어를 포함하는 본 발명의 실시형태에 따른 초전도성 와이어의 영역은 다중 "모노필라멘트" 또는 단일 "복합 필라멘트"에 대응한다.
모노필라멘트(100)가 제작되면, 다른 모노필라멘트(100) 또한 동일한 방식으로 제작할 수 있거나, 또는 하나 이상의 모노필라멘트(100)가 다수의 단편으로 분할될 수 있다. 다수의 모노필라멘트는 함께 적층되어 복합 필라멘트의 적어도 일부를 형성할 수 있다. 도 2a 내지 2e는 복합 필라멘트(200)의 다양한 구성요소 및 어셈블리를 도시한다. 도 2c에 도시된 바와 같이, 다수의 모노필라멘트(100)는 함께 소정 배열로 적층시킬 수 있고, 이어서 이것이 복합 필라멘트(200)의 코어의 적어도 일부가 될 것이다. 도 2c는 19개의 상이한 모노필라멘트(100)의 적층물을 도시한 것이지만, 본 발명의 실시형태는 더 많거나 적은 모노필라멘트(100)를 포함할 수 있다. 모노필라멘트(100)의 적층된 어셈블리는 Cu 또는 Cu 합금(예를 들어, 청동)을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성된 튜브(205) 내에 배치될 수 있다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 튜브(210)는 튜브(205) 내에 및 모노필라멘트(100)의 적층물 주위에 배치될 수 있고; 이 튜브(210)는 최종 복합 필라멘트 내의 확산 배리어(215)가 되고, 모노필라멘트(100)와 생성되는 복합 필라멘트의 외부 매트릭스(220)가 되는 튜브(205)의 물질 사이의 상호확산을 지연시키거나 또는 실질적으로 방지할 것이다. 따라서, 튜브(210)는 Nb-W(예를 들어, Nb-12W 또는 Nb-6W 또는 Nb-3W) 또는 Nb-Ta-W(예를 들어, Nb-Ta-12W 또는 Nb-Ta-6W 또는 Nb-Ta-3W)와 같은 Nb 합금 또는 Nb-Ta 합금을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성될 수 있다. 모노필라멘트(100)를 튜브(205) 및 튜브(210) 내에 배치하기 전 및/또는 배치한 후, 모노필라멘트(100), 튜브(205), 및/또는 튜브(210)를 세정하고 및/또는 에칭하여(예를 들어, 하나 이상의 산을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성된 세정제에 의해), 예를 들어, 표면 산화물 및/또는 다른 오염물을 제거할 수 있다.
튜브(210)는 순수 Nb 또는 Nb-Ta 합금을 확산 배리어 내에 배치된 하나 이상의 다른 합금화 원소와 합금화하는 것을 통해 제조될 수 있다. 예를 들어, Nb 및 W의 합금을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성되는 확산 배리어(및 따라서 튜브(210))에 대해, Nb 및 W는 전자-빔 용융 및/또는 아크 용융과 같은 공정을 통해 원하는 양으로 함께 합금화될 수 있다. 유사하게, Nb, Ta, 및 W의 합금을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성되는 확산 배리어(및 이에 따른 튜브(210))에 대해, Nb, Ta, 및 W는 전자-빔 용융 및/또는 아크 용융과 같은 공정을 통해 원하는 양으로 함께 합금화될 수 있다. 생성된 물질을 시트로 제작될 수 있고, 시트는 예를 들어, 압연, 딥 드로잉, 압출, 필거링(pilgering) 등에 의해 튜브로 형성될 수 있다.
도 2d에 도시된 바와 같이, 튜브(205) 및 튜브(210)는, 예를 들어 스웨이징, 압출, 및/또는 압연에 의해 모노필라멘트(100)들 상에 압착될 수 있다. 클래딩된 적층된 모노필라멘트(100)는 어닐링되어 적층된 어셈블리 내의 다양한 모노필라멘트(100) 사이의 접합을 촉진시킬 수 있다. 예를 들어, 클래딩된 적층된 모노필라멘트는 대략 300℃ 내지 대략 500℃(예를 들어, 대략 400℃)의 온도에서 대략 0.5시간 내지 대략 3시간(예를 들어, 대략 1시간)의 시간 동안 어닐링될 수 있다. 유리하게, 모노필라멘트(100)와 외부 매트릭스(220) 사이의 확산 배리어(215)의 존재는 매트릭스(220)의 Cu와 모노필라멘트(100) 사이의 확산을 실질적으로 방지함으로써, 낮은 전기 전도도(예를 들어, Cu보다 낮은 및/또는 매트릭스(220)의 물질보다 낮은 전기 전도도)를 갖는 금속성 상의 형성을 방지한다. 확산 배리어(215)는 또한, 특히 와이어 내의 초전도성 상의 반응성 형성에 활용되는 연장된 고온 열처리 후에, 외부 매트릭스(220) 및/또는 모노필라멘트(100)의 경우에 비해 그의 우수한 기계적 특성(예를 들어, 강도, 항복 강도, 인장 강도, 강성, 영률 등)을 고려할 때, 최종 와이어에 추가의 기계적 강도를 제공한다.
생성된 어셈블리를 1회 이상 드로잉 다운하여 그의 직경을 감소시킬 수 있고, 이어서 성형 다이를 통해 드로잉하여 효율적인 적층을 위해 구성된 단면 형상을 갖는 복합 필라멘트(200)를 제공할 수 있다. 예를 들어, 도 2e에 나타낸 바와 같이, 육각형 다이를 활용하여 육각형 단면을 갖는 복합 필라멘트(200)를 형성할 수 있다. 다른 실시형태에서, 복합 필라멘트(200)는 다른 단면, 예를 들어, 정사각형, 직사각형, 삼각형, 라운드형, 오프-라운드형, 타원형 등을 가질 수 있다. 다양한 실시형태에서, 가공 및 성형 후 복합 필라멘트(200)의 단면 크기 및/또는 형상은 크기가 감소되기 전에 초기 적층된 어셈블리에서 활용된 모노필라멘트(100)(즉, 도 2c에 나타냄)의 단면 크기 및/또는 형상과 동일하다. (튜브(210)의 포함으로부터 초래되는 확산 배리어(215)는 도 2d 및 2e에 가변 단면 두께를 갖는 것으로 도시되어 있지만, 본 발명의 다양한 실시형태에서 확산 배리어(215)는 그의 원주 둘레에서 실질적으로 균일한 단면 두께를 가질 수 있고, 확산 배리어(215)는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 단면적이 환형 링(예를 들어, 내부의 필라멘트(또는 다른 구조체) 주위에 긴밀하게 배치되는 링)의 형태를 가질 수 있으며; 본 발명의 실시형태에 따른 환형 단면을 갖는 확산 배리어는 일반적으로 와이어의 축방향 치수를 따라 연장되는 실린더의 형태를 갖는다).
본 발명의 실시형태에 따른 초전도성 와이어는 또한 와이어의 드로잉성 및/또는 전기적 성능을 손상시키지 않으면서 훨씬 더 큰 기계적 강도를 제공하는 안정화 요소를 포함할 수 있다. 도 3a 내지 도 3c는, 모노필라멘트(100)에 대해 상기에 상술된 것과 유사한 방법에 의한 안정화 요소(300)의 제작을 도시한 것이다. 본 발명의 실시형태에 따르면, 로드(305)는 Cu 또는 Cu 합금을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성된 튜브(310) 내에 배치된다. 로드(305)는, 모노필라멘트(100)의 제작에 활용된 로드(105)보다 큰 기계적 강도(예를 들어, 인장 강도, 항복 강도 등)를 갖는 하나 이상의 금속을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성될 수 있다. 예를 들어, 로드(305)는 Ta 또는 Ta 합금(예를 들어, Ta-3W와 같은 Ta-W 합금), Nb 또는 Nb 합금(예를 들어, Nb-12W, Nb-6W, 또는 Nb-3W 같은 Nb-W 합금), Nb-Ta 합금, Hf, Ti, Zr, Ta, V, Y, Mo, 또는 W 같은 하나 이상의 추가적인 합금화 원소를 함유하는 Nb-Ta 합금, 또는 확산 배리어에 적합한 것과 같은 본원에 개시된 임의의 다른 물질을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성될 수 있다. 다른 실시형태에서, 로드(305)는 실질적으로 순수 Nb보다 큰 기계적 강도를 갖는 Nb 합금을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시형태에 따른 로드(305)(및 따라서 안정화 요소)는 Nb와 Hf, Ti, Zr, Ta, V, Y, Mo, 또는 W 중 하나 이상의 합금을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시형태에 따른 안정화 요소는 대략 10% Hf, 대략 0.7% 내지 1.3% Ti, 대략 0.7% Zr, 대략 0.5% Ta, 대략 0.5% W, 및 잔부 Nb를 포함하는 Nb C103 합금을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성될 수 있다. 다른 실시형태에서, 안정화 요소는 Nb B66 합금 및/또는 Nb B77 합금을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성될 수 있다.
이어서, 튜브(310)로 클래딩된 로드(305)는 드로잉 다운되어 그의 직경을, 예를 들어 0.5 인치 내지 1.5 인치로 감소시킬 수 있다. 클래딩된 로드는 다단계로 드로잉 다운될 수 있고, 예를 들어 변형 완화를 위해 임의의 또는 각각의 드로잉 단계 동안 및/또는 후에 열처리될 수 있다. 드로잉 다운되면, 클래딩된 로드는 모노필라멘트(100) 및/또는 복합 필라멘트(200)와의 효율적인 적층을 위해 성형된 안정화 요소(300)를 제작하기 위해 성형 다이를 통해 드로잉될 수 있다. 예를 들어, 도 3c에 나타낸 바와 같이, 육각형 다이를 활용하여 육각형 단면을 갖는 안정화 요소(300)를 형성할 수 있다. 다른 실시형태에서, 안정화 요소(300)는 다른 단면, 예를 들어 정사각형, 직사각형, 삼각형 등을 가질 수 있다. 다양한 실시형태에서, 안정화 요소(300)는 모노필라멘트(100) 및/또는 복합 필라멘트(200)의 단면 크기 및/또는 형상과 실질적으로 동일한 단면 크기 및/또는 형상을 가질 수 있다.
제작되면, 하나 이상의 안정화 요소(300)는 모노필라멘트(100)의 적층물 내로 삽입될 수 있고, 생성된 어셈블리는 확산-배리어 물질 및 매트릭스 물질로 둘러싸이고, 드로잉 다운되며, 선택적으로 성형되어, 도 3d에 나타낸 바와 같이, 모노필라멘트(100) 및 안정화 요소(들)(300)와 외부 매트릭스(220) 사이에 확산 배리어(215)를 포함하는 안정화된 복합 필라멘트(315)(예를 들어, 도 2a 내지 2e를 참조로 하여 위에서 설명된 바와 같음)를 형성할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시형태에서, 복합 필라멘트는, 안정화 요소(300)와 나머지 모노필라멘트(100) 사이의 상호확산을 지연시키거나 실질적으로 방지하기 위해 이들 사이에 확산 배리어를 포함할 수 있다. 다양한 실시형태에서, 안정화 요소(300)는, 예를 들어, Cu 또는 Cu 합금을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성된 내부 안정화 매트릭스로 대체되거나 보충될 수 있고, 이러한 영역은 하나 이상의 확산 배리어에 의해 모노필라멘트(100)로부터 분리될 수 있다. 도 3d는 모노필라멘트(100) 중 하나의 것과 실질적으로 동일한 단면적을 갖는 안정화 요소(300)를 나타내지만, 본 발명의 다양한 실시형태에서, 안정화 요소(300)는 단일 모노필라멘트(100)의 단면적보다 큰 단면적을 갖는다. 예를 들어, 안정화 요소(300)의 단면적은 모노필라멘트(100)의 단면적의 적어도 1.5배, 적어도 2배, 적어도 3배, 적어도 4배, 적어도 5배, 또는 적어도 6배일 수 있다.
안정화 요소뿐만 아니라 확산 배리어를 포함하는 본 발명의 실시형태에서, 추가의 기계적 강도를 부여하는 와이어의 단면적의 양은 유리하게는 확산 배리어(들)와 안정화 요소(들) 사이에서 분할될 수 있다. 즉, 하나 이상의 안정화 요소에 의해 점유된 와이어의 단면적이 클수록, 각각의 확산 배리어가 와이어의 다양한 부분들 사이의 확산을 지연시키거나 실질적으로 제거하기에 충분한 두께를 갖는 한, 확산 배리어(들)에 의해 점유되어야 하는 와이어의 단면적은 작아진다. 대조적으로, 본 발명의 실시형태에 따른 확산 배리어의 사용은, 요망되는 기계적 강도(및/또는 다른 기계적 특성)를 와이어에 여전히 부여하면서, 그 자체가 집합적으로 와이어의 보다 작은 단면적을 점유하는 하나 이상의 안정화 요소의 사용을 가능하게 한다. 다양한 실시형태에서, 확산 배리어(들)는 집합적으로 와이어의 단면적의 적어도 1%, 적어도 2%, 적어도 3%, 적어도 4%, 또는 적어도 5%를 점유할 수 있다. 다양한 실시형태에서, 확산 배리어(들)는 집합적으로 와이어의 단면적의 15% 미만, 12% 미만, 10% 미만, 9% 미만, 8% 미만, 7% 미만, 6% 미만, 또는 5% 미만을 점유할 수 있다. 안정화 요소를 특징으로 하는 본 발명의 실시형태에서, 안정화 요소 및 확산 배리어는 집합적으로 와이어의 단면적의 25% 미만, 20% 미만, 15% 미만, 또는 10% 미만을 점유할 수 있다. 안정화 요소는 그 자체가 와이어의 단면적의 15% 미만 또는 10% 미만(예를 들어, 대략 2% 내지 대략 8%, 또는 대략 5% 내지 대략 15%)을 점유할 수 있다. 안정화 요소는 와이어의 단면적의 적어도 2%, 적어도 3%, 적어도 5%, 또는 적어도 8%를 점유할 수 있다.
하나 이상의 복합 필라멘트(200, 315) 내에 포함되는 것에 추가로 또는 그 대신에, 본 발명의 실시형태에 따른 확산 배리어는, 초전도성 와이어 내의 상호확산을 유리하게 지연시키거나 실질적으로 방지하기 위해, 외부 안정화 매트릭스(및/또는 내부 안정화 매트릭스 및/또는 와이어의 중심에 근접하는 안정화제)와 복합 필라멘트 사이에 배치될 수 있다. 즉, 초전도성 와이어 및/또는 와이어 예비성형체는, 복합 필라멘트(200), 안정화된 복합 필라멘트(315), 및/또는 그 자체의 확산 배리어를 갖지 않는 복합 필라멘트의 어셈블리 주위에 배치된 확산 배리어를 활용하여 제작될 수 있다. 도 4a 내지 도 4e는 예시적인 초전도성 와이어(400)의 다양한 제작 단계를 도시한다. 도 4b에 나타낸 바와 같이, 그 자체의 내부 확산 배리어를 각각 갖지 않는 다수의 복합 필라멘트(405)를 함께 소정 배열로 적층시킬 수 있고, 이어서 이것이 초전도성 와이어(400)의 코어의 적어도 일부가 될 것이다. 각각의 복합 필라멘트(405)는, 예를 들어, 상기에 상술된 복합 필라멘트(200)와 유사하게, 그러나 제작 동안 튜브(210)의 사용으로부터 유래되는 확산 배리어(215)의 포함 없이 제작될 수 있다. 다른 실시형태에서, 복합 필라멘트의 적층물은 복합 필라멘트(200), 복합 필라멘트(315), 및/또는 복합 필라멘트(405)를 갖거나 갖지 않는 이들의 혼합물을 포함하거나 이것으로 구성될 수 있다. 도 4b는 18개의 상이한 복합 필라멘트(405)의 적층물을 도시한 것이지만, 본 발명의 실시형태는 더 많거나 더 적은 복합 필라멘트를 포함할 수 있다.
복합 필라멘트의 적층된 어셈블리는 Cu 또는 Cu 합금을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성된 튜브(410) 내에 배치될 수 있다. 추가로, 도 4c에 나타낸 바와 같이, 튜브(210)가 복합 필라멘트의 적층된 어셈블리 주위에, 또한 튜브(410) 내에 배치될 수 있고, 따라서 최종 와이어에서 확산 배리어를 형성할 수 있다. 복합 필라멘트를 튜브(510) 및 튜브(210) 내에 배치하기 전 및/또는 후에, 복합 필라멘트, 튜브(210), 및/또는 튜브(410)를 세정하고 및/또는 에칭하여 (예를 들어, 하나 이상의 산을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성된 세정제에 의해), 예를 들어 표면 산화물 및/또는 다른 오염물을 제거할 수 있다. 도 4d에 나타낸 바와 같이, 튜브(410) 및 튜브(210)를, 예를 들어, 스웨이징, 압출, 및/또는 압연에 의해 복합 필라멘트 상에 압착시킬 수 있고, 튜브(210)는 확산 배리어(415)가 될 수 있고, 튜브(410)는 외부 매트릭스(420)가 될 수 있다. 클래딩된 적층된 복합 필라멘트를 어닐링하여 적층된 어셈블리 내의 다양한 복합 필라멘트 사이의 접합을 촉진시킬 수 있다. 예를 들어, 클래딩된 적층물은 대략 300℃ 내지 대략 500℃(예를 들어, 대략 400℃)의 온도에서 대략 0.5시간 내지 대략 3시간(예를 들어, 대략 1시간)의 시간 동안 어닐링될 수 있다. 유리하게, 복합 필라멘트(405)와 외부 매트릭스(420) 사이의 확산 배리어(415)의 존재는 매트릭스(420)의 Cu와 복합 필라멘트(405) 사이의 확산을 실질적으로 방지함으로써, 낮은 전기 전도도(예를 들어, Cu보다 낮은 및/또는 매트릭스(420)의 물질보다 낮은 전기 전도도)를 갖는 금속성 상의 형성을 방지한다. 생성된 어셈블리를, 도 4e에 나타낸 바와 같이, 1회 이상 드로잉 다운하여 그의 직경을 감소시킬 수 있다. 드로잉 전 또는 후에, 초전도성 와이어(400)를 어닐링하여, 예를 들어 잔류 응력을 완화시키고 및/또는 그 안에서의 재결정화를 촉진시킬 수 있다.
도 4f 및 도 4g에 도시되는 바와 같이, 하나 이상의 확산 배리어(415)뿐만 아니라 하나 이상의 안정화 요소(300)를 포함하는 안정화된 초전도성 와이어(425)를 제조하기 위해 유사한 방법론이 이용될 수 있다. 예를 들어, 적층된 복합 필라멘트의 어셈블리는, 하나 이상의 안정화 요소(300)를 수용하도록 각각 크기조절되고 성형된 하나 이상의 공극을 그 안에 한정할 수 있다. 복합 필라멘트가 튜브(410) 및 튜브(210) 내에 배치되기 전 또는 후에, 도 4f에 나타낸 바와 같이, 하나 이상의 안정화 요소(300)를 각각의 공극 내에 배치할 수 있다. 생성된 어셈블리는, 도 4g에 나타낸 바와 같이, 예를 들어 드로잉 및/또는 압출에 의해 감소된 그의 직경을 가질 수 있다. 다양한 실시형태에서, 특히 안정화 요소가 Cu를 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성되는 실시형태에서, 확산 배리어가 안정화 요소(들)(300)와 와이어 또는 와이어 예비성형체 내의 필라멘트 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 와이어 예비성형체 어셈블리가 어셈블링되는 경우, 요망되는 확산 배리어 물질의 튜브를 안정화 요소 주위에 배치할 수 있고, 전체 어셈블리를 요망되는 와이어 치수로 드로잉 다운할 수 있다. 도 4f 및 도 4g는, 실질적으로 복합 필라멘트의 적층된 어셈블리의 중심에 배치된 단일 안정화 요소(300)를 갖는 초전도성 와이어(425)를 도시한 것이지만, 본 발명의 실시형태에 따르면, 중심에 배치된 안정화 요소(300)에 추가로 또는 그 대신에, 하나 이상의 안정화 요소(300)를 적층된 어셈블리 내의 다른 위치에 배치할 수 있다. 도 4f 및 도 4g는 안정화 요소(300)를 복합 필라멘트(405) 중 하나의 것과 실질적으로 동일한 단면적을 갖는 것으로 도시하지만, 본 발명의 다양한 실시형태에서, 안정화 요소(300)는 단일 복합 필라멘트(405)의 단면적보다 큰 단면적을 갖는다. 예를 들어, 안정화 요소(300)의 단면적은 복합 필라멘트(405)의 단면적의 적어도 1.5배, 적어도 2배, 적어도 3배, 적어도 4배, 적어도 5배, 또는 적어도 6배일 수 있다.
다양한 실시형태에서, 초전도성 와이어(400, 425)는 그 안에 확산 배리어(415)를 갖지 않고, 따라서 튜브(210)가 그의 형성에 활용되지 않고, 개개의 복합 필라멘트 중 하나 이상 내의 확산 배리어(215)가 상호확산을 지연시키거나 실질적으로 방지하기 위해 활용된다. 다른 실시형태에서는, 도 4d 내지 도 4g에 나타낸 바와 같이, 개개의 복합 필라멘트(405)가 그 안에 확산 배리어를 갖지 않고, 확산 배리어(415)가 초전도성 와이어(400, 425) 내에 존재한다. 이러한 실시형태에서, 튜브(110 및/또는 205)는 그 안에 Sn을 포함할 수 있고, 이는 유리하게 후속 열 가공 동안 필라멘트의 Nb와 반응하여 초전도성 상(예를 들어, Nb3Sn)을 형성한다. 다른 실시형태에서는, 확산 배리어(415)가 개개의 복합 필라멘트 내의 확산 배리어(215)에 추가로 존재한다.
다양한 실시형태에서, 초전도성 와이어(400), 초전도성 와이어(425), 복합 필라멘트(4015), 복합 필라멘트(200), 및/또는 안정화된 복합 필라멘트(315)는, 와이어 드로잉 단계 전에 직경 감소를 위해 및/또는 이들의 성분 요소 사이의 접합을 촉진시키기 위해 기계적으로 가공될 수 있다. 예를 들어, 초전도성 와이어(400), 초전도성 와이어(425), 복합 필라멘트(4015), 복합 필라멘트(200), 및/또는 안정화된 복합 필라멘트(315)는 최종 드로잉 단계(들) 전에 압출되고, 스웨이징되며, 및/또는 압연될 수 있다. 다양한 실시형태에서, 초전도성 와이어(400), 초전도성 와이어(425), 복합 필라멘트(4015), 복합 필라멘트(200), 및/또는 안정화된 복합 필라멘트(315)는, 변형 완화를 위한 다수의 상이한 드로잉 단계 각각 동안 및/또는 후에 열처리될 수 있다. 예를 들어, 드로잉 단계 중 하나 이상 동안 및/또는 후에, 초전도성 와이어(400), 초전도성 와이어(425), 복합 필라멘트(4015), 복합 필라멘트(200), 및/또는 안정화된 복합 필라멘트(315)는 대략 360℃ 내지 대략 420℃의 온도에서, 예를 들어 대략 20시간 내지 대략 40시간의 기간 동안 어닐링될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시형태에서는, 초전도성 와이어(400) 또는 초전도성 와이어(425)는 그 안의 필라멘트의 임계 온도 미만으로 냉각되고 전류의 전도에 활용될 수 있다. 일부 실시형태에서는, 다수의 초전도성 와이어(400) 및/또는 초전도성 와이어(425)는 함께 코일링되어 단일 초전도성 케이블을 형성한다.
일부 초전도성 와이어(400, 425)(예를 들어, Nb-Ti-함유 필라멘트를 포함하는 것들)는 초전도성 응용물에 직접 활용될 수 있지만, 다양한 다른 초전도성 와이어(400, 425)의 제작 공정은 초전도성 상의 일부를 포함하기 위해 하나 이상의 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, Nb3Sn 초전도성 상은, 이것이 형성되면, 전형적으로 취성이고, 손상 없이는 추가로 드로잉되거나 다른 방식으로 기계적으로 변형되지 않을 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시형태를 활용하여, Nb 및 Sn을 서로 별도로 포함하는 초전도성 와이어(400, 425)를 제작할 수 있고; 와이어(400, 425)가 거의 또는 완전히 제작되면, 와이어(400, 425)를 어닐링하여 Nb 및 Sn을 상호확산시키고, 그 안에 초전도성 Nb3Sn 상을 형성할 수 있다. 예를 들어, 드로잉된 와이어를 대략 600℃ 내지 대략 700℃의 온도에서, 예를 들어 대략 30시간 내지 대략 200시간의 기간 동안 어닐링할 수 있다. 다양한 실시형태에서, Cu계 튜브(110, 205, 또는 310) 중 하나 이상은 그 안에 Sn을 포함할 수 있고; 예를 들어, 튜브 중 하나 이상은 Cu-Sn 합금 (예를 들어, 13 내지 15% Sn을 포함)을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성될 수 있다. 이러한 물질은 연성이어서, 본원에 상술된 바와 같은 다양한 필라멘트 및 와이어의 제작을 가능하게 한다. 그 후, 와이어(400, 425)를 어닐링하여, 상호확산 및 적어도 Nb와 Cu-Sn 사이의 계면에서의 초전도성 Nb3Sn 상의 형성을 제공할 수 있다.
다른 실시형태에서는, 순수 Sn 또는 Sn 합금(예를 들어, Cu 또는 마그네슘 (Mg)과의 Sn 합금)이 복합 필라멘트(200), 안정화된 복합 필라멘트(315), 및/또는 와이어(400, 425)의 형성에 활용되는 적층물 중 하나 이상 내에 포함될 수 있고(예를 들어, 로드 또는 튜브의 형태로); 본원에 상술된 바와 같은 복합 필라멘트(200), 안정화된 복합 필라멘트(315), 및/또는 와이어(400, 425)의 형성 후에, 어닐링 단계를 수행하여 초전도성 Nb3Sn 상을 형성할 수 있다.
다양한 실시형태에서, 와이어 내의 하나 이상의 확산 배리어의 일부 내의 적어도 Nb는 전술한 바와 같이 반응하여 초전도성 상을 형성하고, 그에 따라 확산 배리어의 이 반응 부분은 작동 중에 와이어의 초전도성 전도도에 기여할 수 있다. 예를 들어, 확산 배리어의 내부 또는 외부 부분은, 예를 들어 Sn 또는 Sn 합금과 반응하여, 와이어의 필라멘트로부터 형성된 것과 실질적으로 동일하거나 유사한 초전도성 상을 형성할 수 있다. 이러한 실시형태에서, 확산 배리어의 두께는 전형적으로 충분히 커서 확산 배리어 전체가 반응하여 초전도성 상을 형성하지 않는다. 따라서, 확산 배리어의 적어도 일부는 미반응 상태로 유지되고, 본원에서 설명되는 바와 같이, 와이어에 대한 기계적 강도뿐만 아니라 상호확산에 대한 저항성에 기여한다. 다양한 실시형태에서, 확산 배리어는 본 명세서에 상세화된 바와 같이 Nb를 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성되는 하나 이상의 환형 층, 뿐만 아니라 Nb 합금 또는 Nb-Ta 합금을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성되는 하나 이상의 환형 층을 포함하는 다층 구조일 수 있다. 합금 층(들)은 확산 저항의 대부분을 제공할 수 있는 한편, Nb 층(들)의 적어도 일부는 열처리 중에 (예를 들어, Cu 매트릭스 내의 주변 Sn과) 반응하여 초전도성 상의 일부가 될 수 있다. 예를 들어, 확산 배리어는 2개의 상이한 Nb 층 사이에 끼워진 합금 층을 포함하거나, 본질적으로 그로 구성되거나, 또는 그로 구성될 수 있다. 다른 예에서, 내부 Nb 층은 외부 합금 층에 의해 둘러싸일 수 있거나 또는 그 반대일 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시형태에 따른 확산 배리어를 포함하는 초전도성 와이어(500)의 단면도이다. 나타낸 바와 같이, 확산 배리어(510)가 와이어(500)의 Cu 안정화 코어(520)와 Nb계 필라멘트(540)를 함유하는 외부 청동 매트릭스(530) 사이에 배치된다. 도 6은 본 발명의 실시형태에 따른 확산 배리어를 포함하는 다른 초전도성 와이어(600)의 단면도이다. 나타낸 바와 같이, 확산 배리어(610)는 와이어(600)의 코어에서의 내부 Sb-Cu-Nb계 필라멘트(620)와 외부 Cu 안정화제(630) 사이에 배치된다.
예
일련의 실험을 수행하여 가공성 및 그에 따른 가혹하게 드로잉된 초전도성 와이어에서 확산 배리어로서 사용하기 위한 적합성의 측면에서 Nb-W 합금 물질을 평가하였다. 물질의 제조는 버튼 노변(button hearth)에서 3개의 상이한 Nb-W 합금을 용융시키는 것으로 시작된다. 3개의 상이한 샘플은 2.9 중량% W, 5.7 중량% W 및 11.4 중량% W를 가졌고, 3개의 모든 버튼은 제조 후 680.4 그램으로 칭량되었다. 중심 섹션을 밴드쏘(bandsaw) 상의 절단을 통해 각각의 버튼으로부터 추출하고, 파일을 사용하여 디버링하였다. 각각의 섹션의 두께를 측정하고 일련의 압연 실험을 위한 시작 두께로서 이용하였다. 샘플을 공칭 5% 통과 스케쥴로 미니-밀 상에서 압연하였다. 압연 동안 주기적으로, 샘플의 두께를 측정하고, 각 샘플의 일부를 경도 시험을 위해 추출하였다. 샘플에는 중간 어닐링 또는 다른 처리가 수행되지 않았다. 압연 실험의 결과를 하기 표 1에 나타내었으며, 이는 두께 및 상응하는 면적 감소(ROA)를 보고한다.
이어서, 압연된 샘플의 경도를 독일 아헨 소재의 Wilson Wolpert Instruments로부터 입수가능한 401 MVD Knoop/Vickers Microindentation Tester 상에서 0.5 kg의 비커스 시험 힘(HV)을 사용하는 비커스 경도 시험을 사용하여 평가하였다. 각각의 샘플을 연마하고 경도 시험 전에 장착하였다. ASTM E384 표준(펜실베니아주 웨스트 컨쇼혹켄 소재의 ASTM International, 그 전체 개시내용은 본원에 참고로 포함됨)에 따라 136° 피라미드 다이아몬드 압자를 사용하여 각각의 샘플에 대해 3회 측정을 수행하고, 평균 및 표준 편차를 계산하였다. 경도 시험의 결과는 하기 표 2 내지 표 4에 보고되어 있다.
상기 데이터 표에 표시된 바와 같이, 3개의 시험된 샘플 모두는 냉간 가공을 통해 70% 초과의 ROA 값으로 가공될 때 양호한 연성을 나타내었다. 측정된 거동은 순수한 니오븀 샘플에 의해 나타난 것과 유사하고, 최신 초전도성 와이어에서 확산 배리어로서 사용하기 위한 이들 샘플 합금의 적합성을 나타낸다. 각 합금의 경도는 예상된 바와 같이 증가된 W 함량 및 증가된 ROA의 함수로서 약간 증가되었지만, 샘플 모두는 시험된 모든 조건에서 양호한 연성을 나타내었다. 시험 절차에서 사용되는 냉간 가공에 의해 어떠한 샘플도 균열되거나 달리 손상되지 않았고, 모든 샘플은 시험 동안 매우 균일하게 변형되었다.
본원에서 사용되는 용어 및 표현은 설명적이며 비제한적인 용어 및 표현으로서 사용되고, 이러한 용어 및 표현의 사용에서, 나타낸 및 기재된 특징 또는 그의 부분의 임의의 등가물을 배제하려는 의도는 없다. 추가로, 본 발명의 특정 실시형태를 기재한 경우, 본 발명의 취지 및 범위로부터 벗어나지 않으면서 본원에 개시된 개념을 포함하는 다른 실시형태가 사용될 수 있음이 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 따라서, 기재된 실시형태는 모든 면에서 단지 예시적이며 비제한적인 것으로 고려되어야 한다.
Claims (44)
- 확산 저항 및 기계적 강도를 갖는 초전도성 와이어이며, 초전도성 와이어는,
Cu를 포함하는 외부 와이어 매트릭스;
와이어 매트릭스 내에 배치되고, 0.1% 내지 20% W를 함유하는 Nb 합금 또는 0.1% 내지 20% W를 함유하는 Nb-Ta 합금을 포함하는 확산 배리어; 및
확산 배리어에 의해 둘러싸이며 확산 배리어에 의해 외부 와이어 매트릭스로부터 분리되는 복수의 복합 필라멘트를 포함하며,
각각의 복합 필라멘트는 (i) 복수의 모노필라멘트 및 (ii) 복수의 모노필라멘트를 둘러싸는 Cu를 포함하는 클래딩을 포함하고,
각각의 모노필라멘트는 Nb를 포함하는 코어 및 코어를 둘러싸는, Cu를 포함하는 클래딩을 포함하고,
확산 배리어는 초전도성 와이어의 단면적의 1% 내지 20%를 점유하며,
확산 배리어는 초전도성 와이어의 축방향 치수를 통해 연장되는
초전도성 와이어. - 제1항에 있어서,
복합 필라멘트와 확산 배리어 사이에 배치되고, Nb계 초전도성 상을 포함하는 환형 영역을 더 포함하는 초전도성 와이어. - 제2항에 있어서,
환형 영역은 Nb3Sn을 포함하는 초전도성 와이어. - 제2항에 있어서,
환형 영역은 확산 배리어와 일치하고 그와 접촉하는 초전도성 와이어. - 제1항에 있어서,
확산 배리어는 초전도성 와이어의 단면적의 1% 내지 10%를 점유하는 초전도성 와이어. - 제1항에 있어서,
확산 배리어는 초전도성 와이어의 단면적의 2% 내지 10%를 점유하는 초전도성 와이어. - 제1항에 있어서,
확산 배리어는 초전도성 와이어의 단면적의 3% 내지 10%를 점유하는 초전도성 와이어. - 제1항에 있어서,
각각의 모노필라멘트의 코어는 Ti, Zr, Hf, Ta, Y 또는 La 중 적어도 하나와 합금화된 Nb를 포함하는 초전도성 와이어. - 제1항에 있어서,
각각의 모노필라멘트의 코어는 Nb3Sn을 포함하는 초전도성 와이어. - 제1항에 있어서,
확산 배리어는 Nb-6W 또는 Nb-Ta-3W를 포함하는 초전도성 와이어. - 제1항에 있어서,
확산 배리어는 Ru, Pt, Pd, Rh, Os, Ir, Mo, Re, 또는 Si로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 합금화 원소를 추가로 함유하는 초전도성 와이어. - 제1항에 있어서,
각각의 복합 필라멘트는 육각형 단면 형상을 갖는 초전도성 와이어. - 제1항에 있어서,
각각의 모노필라멘트는 육각형 단면 형상을 갖는 초전도성 와이어. - 제1항에 있어서,
복수의 복합 필라멘트 내에 배치되고 확산 배리어에 의해 둘러싸인 안정화 요소를 더 포함하고, 안정화 요소는 0.1% 내지 20% W를 함유하는 Ta 합금, 0.1% 내지 20% W를 함유하는 Nb 합금, 또는 0.1% 내지 20% W를 함유하는 Nb-Ta 합금을 더 포함하는 초전도성 와이어. - 제1항에 있어서,
초전도성 와이어의 항복 강도가 적어도 100 MPa인 초전도성 와이어. - 확산 저항 및 기계적 강도를 갖는 초전도성 와이어이며, 초전도성 와이어는,
Cu를 포함하는 와이어 매트릭스; 및
와이어 매트릭스 내에 매립되는 복수의 복합 필라멘트를 포함하고,
각각의 복합 필라멘트는 (i) 복수의 모노필라멘트, (ii) 0.1% 내지 20% W를 함유하는 Nb 합금 또는 0.1% 내지 20% W를 함유하며 복합 필라멘트의 축방향 치수를 통해 연장되고 복수의 모노필라멘트를 둘러싸는 Nb-Ta 합금을 포함하는 확산 배리어, 및 (iii) 확산 배리어를 둘러싸는 Cu를 포함하는 클래딩으로서, 확산 배리어는 클래딩을 복수의 모노필라멘트로부터 분리하는, 클래딩을 포함하고,
확산 배리어는 집합적으로 초전도성 와이어의 단면적의 1% 내지 20%를 점유하며,
각각의 모노필라멘트는 Nb를 포함하는 코어, 및 코어를 둘러싸는, Cu를 포함하는 클래딩을 포함하는
초전도성 와이어. - 제16항에 있어서,
복합 필라멘트 중 적어도 하나의 모노필라멘트와 확산 배리어 사이에 배치되는, Nb계 초전도성 상을 포함하는 환형 영역을 더 포함하는 초전도성 와이어. - 제17항에 있어서,
환형 영역은 Nb3Sn을 포함하는 초전도성 와이어. - 제17항에 있어서,
환형 영역은 확산 배리어와 일치하고 그와 접촉하는 초전도성 와이어. - 제16항에 있어서,
확산 배리어는 집합적으로 초전도성 와이어의 단면적의 1% 내지 10%를 점유하는 초전도성 와이어. - 제16항에 있어서,
확산 배리어는 집합적으로 초전도성 와이어의 단면적의 2% 내지 10%를 점유하는 초전도성 와이어. - 제16항에 있어서,
확산 배리어는 집합적으로 초전도성 와이어의 단면적의 3% 내지 10%를 점유하는 초전도성 와이어. - 제16항에 있어서,
각각의 모노필라멘트의 코어는 Ti, Zr, Hf, Ta, Y 또는 La 중 적어도 하나와 합금화된 Nb를 포함하는 초전도성 와이어. - 제16항에 있어서,
각각의 모노필라멘트의 코어는 Nb3Sn을 포함하는 초전도성 와이어. - 제16항에 있어서,
확산 배리어는 Nb-6W 또는 Nb-Ta-3W를 포함하는 초전도성 와이어. - 제16항에 있어서,
확산 배리어는 Ru, Pt, Pd, Rh, Os, Ir, Mo, Re, 또는 Si로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 합금화 원소를 추가로 함유하는 초전도성 와이어. - 제16항에 있어서,
초전도성 와이어의 항복 강도가 적어도 100 MPa인 초전도성 와이어. - 제16항에 있어서,
각각의 복합 필라멘트는 육각형 단면 형상을 갖는 초전도성 와이어. - 제16항에 있어서,
각각의 모노필라멘트는 육각형 단면 형상을 갖는 초전도성 와이어. - 제16항에 있어서,
복수의 복합 필라멘트 내에 배치된 안정화 요소를 더 포함하고, 안정화 요소는 0.1% 내지 20% W를 함유하는 Ta 합금, 0.1% 내지 20% W를 함유하는 Nb 합금, 또는 0.1% 내지 20% W를 함유하는 Nb-Ta 합금을 포함하는 초전도성 와이어. - 확산 저항 및 기계적 강도를 갖는 초전도성 와이어이며, 초전도성 와이어는,
Cu를 포함하는 내부 와이어 안정화 매트릭스;
와이어 안정화 매트릭스 주위에 배치되고, 0.1% 내지 20%의 W를 함유하는 Nb 합금 또는 0.1% 내지 20% W를 함유하는 Nb-Ta 합금을 포함하는 확산 배리어; 및
확산 배리어 주위에 배치되고 확산 배리어에 의해 와이어 안정화 매트릭스로부터 분리된 복수의 복합 필라멘트를 포함하고,
각각의 복합 필라멘트는 (i) 복수의 모노필라멘트 및 (ii) 복수의 모노필라멘트를 둘러싸는 Cu를 포함하는 클래딩을 포함하고,
각각의 모노필라멘트는 Nb를 포함하는 코어 및 코어를 둘러싸는, Cu를 포함하는 클래딩을 포함하고,
확산 배리어는 초전도성 와이어의 단면적의 1% 내지 20%를 점유하며,
확산 배리어는 와이어의 축방향 치수를 통해 연장되는
초전도성 와이어. - 제31항에 있어서,
복합 필라멘트와 확산 배리어 사이에 배치되고, Nb계 초전도성 상을 포함하는 환형 영역을 더 포함하는 초전도성 와이어. - 제32항에 있어서,
환형 영역은 Nb3Sn을 포함하는 초전도성 와이어. - 제32항에 있어서,
환형 영역은 확산 배리어와 일치하고 그와 접촉하는 초전도성 와이어. - 제31항에 있어서,
확산 배리어는 초전도성 와이어의 단면적의 1% 내지 10%를 점유하는 초전도성 와이어. - 제31항에 있어서,
확산 배리어는 초전도성 와이어의 단면적의 2% 내지 10%를 점유하는 초전도성 와이어. - 제31항에 있어서,
확산 배리어는 초전도성 와이어의 단면적의 3% 내지 10%를 점유하는 초전도성 와이어. - 제31항에 있어서,
각각의 모노필라멘트의 코어는 Ti, Zr, Hf, Ta, Y 또는 La 중 적어도 하나와 합금화되는 Nb를 포함하는 초전도성 와이어. - 제31항에 있어서,
각각의 모노필라멘트의 코어는 Nb3Sn을 포함하는 초전도성 와이어. - 제31항에 있어서,
확산 배리어는 Nb-6W 또는 Nb-Ta-3W를 포함하는 초전도성 와이어. - 제31항에 있어서,
확산 배리어는 Ru, Pt, Pd, Rh, Os, Ir, Mo, Re, 또는 Si로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 합금화 원소를 추가로 함유하는 초전도성 와이어. - 제31항에 있어서,
초전도성 와이어의 항복 강도가 적어도 100 MPa인 초전도성 와이어. - 제31항에 있어서,
각각의 복합 필라멘트는 육각형 단면 형상을 갖는 초전도성 와이어. - 제31항에 있어서,
각각의 모노필라멘트는 육각형 단면 형상을 갖는 초전도성 와이어.
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