KR20240029064A - Mgb2 와이어의 초전도성을 복원하는 방법 - Google Patents

Abstract

반응된 MgB₂의 코어를 갖는 와이어의 초전도성을 복원하는 방법은 상기 와이어를 2가지 페이즈로 열처리하는 단계를 포함하고, 제1 페이즈는 800℃ 내지 1000℃ 범위에서 20분 내지 40분 동안 가열하는 것을 포함하고, 제2 페이즈는 550℃ 내지 750℃ 범위에서 45분 내지 75분 동안 가열하는 것을 포함한다.

Description

MGB2 와이어의 초전도성을 복원하는 방법

본 발명은 와이어를 2가지 페이즈(phase)로 열처리하여 MgB₂ 와이어의 초전도성을 복원하는 방법에 관한 것이다.

이붕화 마그네슘은 화학식이 MgB₂인 무기 화합물이다. 이붕화 마그네슘의 초전도 특성은 2001년에 발견되었다. MgB₂는 종래의 초전도체 중에서 가장 높은 동작 온도인 39K(-234℃)에서 초전도성이 된다. 이는 액체 헬륨을 사용할 필요 없이 초전도체로서의 기능을 가능하게 한다.

그 초전도 특성을 유지하기 위해서는, 초전도 와이어의 두 단부를 연결하는 조인트에도 매우 낮은 전기 저항이 존재해야 한다. 초전도 물질의 매우 취약한 특성을 고려할 때, 이는 간단한 작업이 아니다.

종래 기술은 초전도 조인트를 실현하기 위한 다양한 대안을 개시했다.

US-A1-2009/0105079는 초전도 접촉 물질로서 MgB₂가 삽입된 외장 또는 부싱을 사용하여 초전도체의 두 단부 부분에 대한 초전도 연결을 개시한다. 초전도체는 다중 와이어 초전도체이다. 연결은 초전도 와이어가 중첩하는 외장 또는 부싱 내부의 구역을 보여주며, 즉, 단면은 초전도체의 두 단부 부분에서 나오는 초전도 와이어의 존재를 보여준다.

KR-A-10-2020-0103369는 단일 와이어 유형의 초전도체의 두 단부 부분에 대한 초전도 연결을 개시한다. 단일 와이어 유형의 초전도체는 MgB₂ 초전도 코어가 안정화 층 및 금속 외장으로 둘러싸인 원형 와이어이다. 연결을 실현하기 위해, 초전도 와이어의 단부 부분을 접합 면적을 증가시킬 정도로 매우 크게 평탄화한다. 폭 대 두께 비율의 범위는 3 내지 100이다. 평탄화된 단부의 한쪽에서 안정화 층과 금속 외장을 제거하여, 초전도 코어가 한쪽에서 개방되게 한다. 그 후, 초전도 코어의 개방된 쪽이 서로 접촉하게 된다. 접촉 단부는 Mg 및 B의 또는 MgB₂의 소결 분말이 도입되어 압력 하에 놓이는 접합 용기에 도입된다.

본 발명의 목적은 반응된 MgB₂의 코어를 갖는 와이어의 초전도성을 복원하는 방법을 제공하는 것이다. 방법은 다음 단계를 포함한다.

와이어를 다음 2가지 페이즈로 열처리하는 단계:

1) 800℃ 내지 1000℃ 범위에서 20분 내지 40분 동안 가열하는 제1 페이즈 및

2) 550℃ 내지 750℃ 범위에서 45분 내지 75분 동안 가열하는 제2 페이즈.

언급된 열처리는 손상 또는 기타 사고로 인해 초전도성이 손실된 MgB₂ 코어를 갖는 단일 와이어의 초전도성을 복원하는 데 적합하다.

언급된 열처리는 또한 복수의 단일 와이어(케이블형 구성) 또는 다수의 MgB₂ 코어를 갖는 단일 와이어(멀티필라멘트 와이어)에서 초전도성을 복원하는 데 적용 가능하다.

언급된 열처리는 다음과 같은 이유로 MgB₂ 페이즈에 발생한 일반적인 결함을 복원하는 데 유효하다:

- 연결 프로세스

- 취급 손상(와이어 가공 또는 권선 동안의 과도한 인장/압축)

- 우발적인/우연한 손상(와이어 또는 와이어 조립체에 대한 충격, 열, ...)

초전도성을 복원하는 방법은 반응된 MgB₂ 코어가 굽혀지거나, 평탄화되거나, 꼬여 있는 와이어에 적용될 수 있다.

초전도성을 복원하기 위한 언급된 열처리는 초전도 와이어의 형상과 무관하다. 상기 초전도 와이어는 원형의 또는 모양이 있는 단면을 가질 수 있다.

이 방법은 또한 손상 또는 기타 사고로 인해 하나 이상의 와이어에서 초전도성이 손실된 MgB₂ 코어를 갖는 복수의 와이어를 포함하는 케이블에서 초전도성을 복원하는 데에도 적용될 수 있다.

이 방법은 초전도 와이어의 조인트에서 초전도성을 복원하는 데에도 적용될 수 있다.

반응된 MgB₂의 코어를 갖는 와이어의 초전도성을 복원하는 방법의 적용에 대한 예시로서, 초전도 와이어의 조인트가 제공된다. 아래에 설명된 조인트 및 방법은 본 발명의 일부가 아니다.

조인트는 각각 외장을 가지며 외장 내부에 MgB₂ 초전도 코어를 갖는 적어도 2개의 초전도 와이어를 포함한다. 적어도 하나의 제1 초전도 와이어는 제1 평탄화된 단부를 갖고, 적어도 하나의 제2 초전도 와이어는 제2 평탄화된 단부를 갖는다. 조인트는 관형 금속 커넥터를 더 포함한다. 커넥터는 중심이 마그네슘 또는 붕소 또는 MgB₂ 물질로 채워져 있다. 제1 초전도 와이어의 제1 평탄화된 단부는 마그네슘 또는 붕소 또는 MgB₂ 물질과 접촉할 때까지 커넥터의 한쪽에 삽입된다. 제2 초전도 와이어의 제2 평탄화된 단부는 또한 마그네슘 또는 붕소 또는 MgB₂ 물질과 접촉할 때까지 커넥터의 다른 쪽에 삽입된다. 커넥터는 제1 초전도 와이어와 제2 초전도 와이어를 고정시키기 위해 양쪽에서 가압된다. 커넥터의 중심은 마그네슘 또는 붕소 또는 MgB₂ 물질을 압축하기 위해 가압된다.

이 조인트는 초전도 와이어가 중첩될 필요가 없다. 또한, 초전도 와이어의 외장을 제거할 필요도 없다.

제1 평탄화된 단부와 제2 평탄화된 단부는 공동을 제거하고 커넥터를 가압하는 동안 더 이상 변형되지 않는 안정적인 가압 와이어를 제공하기 위해 폭 대 두께 비율을 갖는다. 바람직하게는, 이러한 평탄화된 단부는 1.1 내지 10.0, 바람직하게는 1.1 내지 5.0, 예를 들어 1.25 내지 2.5, 바람직하게는 1.50 내지 2.0 범위의 폭 대 두께 비율을 갖는다.

제1 초전도 와이어와 제2 초전도 와이어는 반응된 초전도 MgB₂의 코어를 포함하기 때문에, 이들은 공극을 또한 포함한다. 그 이유는 반응된 MgB₂의 체적이 원래의 Mg 분말 및 B 분말보다 약 25% 더 적기 때문이다. 초전도 와이어의 단부는 공극의 수 및 체적이 감소할 정도로 가압된다. 이들 초전도 와이어의 이미 가압된 단부를 나중에 가압하면 전류를 방해하는 큰 균열이 더 이상 발생하지 않는다.

관형 금속 커넥터는 바람직하게는 저탄소강을 포함한다.

관형 금속 커넥터는 또한 티타늄을 포함할 수 있다.

관형 금속 커넥터는 반경방향 내부에 티타늄 배리어 및 반경방향 외부에 저탄소강을 가질 수 있다.

관형 금속 커넥터는 바람직하게는 저탄소강만으로 제조될 수 있다.

반응된 MgB₂의 초전도 코어를 갖는 적어도 2개의 초전도 와이어를 연결하는 방법이 제공된다. 이 방법은 다음 단계를 포함한다:

a) 적어도 하나의 제1 초전도 와이어 및 적어도 하나의 제2 초전도 와이어를 제공하는 단계로서, 제1 초전도 와이어는 제1 단부를 갖고 제2 초전도 와이어는 제2 단부를 갖는, 단계;

b) 제1 초전도 와이어의 제1 단부를 평탄화하고 제2 초전도 와이어의 제2 단부를 평탄화하는 단계;

c) 길이 L_tot를 가지며 중심을 갖는 관형 금속 커넥터를 제공하는 단계;

d) 상기 커넥터의 중심을 미반응 Mg 분말 및 B 분말로 채우는 단계;

e) 커넥터가 원래의 원형 단면을 갖는 경우 커넥터를 평탄화하는 단계;

f) 커넥터의 한쪽에서 제1 초전도체의 제1 단부를 Mg 분말 및 B 분말과 접촉할 때까지 길이 L₁에 걸쳐 삽입하는 단계;

g) 커넥터의 다른 쪽에서 제2 초전도체의 제2 단부를 Mg 분말 및 B 분말과 접촉할 때까지 길이 L₂에 걸쳐 삽입하는 단계;

h) 제1 초전도체 와이어와 제2 초전도체 와이어를 커넥터에 고정시키기 위해 커넥터를 양쪽에서 가압하는 단계;

i) Mg 분말 및 B 분말을 압축하기 위해 커넥터의 중심을 길이 L_center에 걸쳐 가압하는 단계로서, 여기서, 길이 L_tot, L₁, L₂ 및 L_center는 다음 식과 일치하고:

L_tot = L₁ + L₂ + 2×L_cr + L_center

여기서, L_cr은 한편으로는 제1 평탄화된 단부와 제2 평탄화된 단부 사이의 임계 거리이고, 다른 한편으로는 중심을 가압하는 것과 함께 초전도 와이어가 가압되는 것을 회피하는 데 필요한 커넥터의 중심의 가압된 길이 L_center인, 단계.

바람직하게는, 초전도 와이어의 단부의 평탄화는 이들 단부의 폭 대 두께 비율이 1.10 내지 10.0, 바람직하게는 1.10 내지 5.0, 가장 바람직하게는 1.50 내지 2.5, 예를 들어 1.50 내지 2.0 범위가 되는 정도로 수행된다.

임계 거리 L_cr의 바람직한 값은 0.6 mm 내지 5.0 mm, 바람직하게는 0.8 mm 내지 2.0 mm, 예를 들어 0.8 mm 내지 1.2 mm 범위이다.

관형 금속 커넥터 내에서 초전도성을 생성하고 평탄화된 단부에서 초전도성을 복원하기 위해, 관형 금속 커넥터와 평탄화된 단부가 열처리된다. 본 발명의 두 번째 목적은 초전도 와이어의 조인트에서 초전도성을 복원하기 위한 열처리를 제공하는 것이다.

이러한 열처리는 바람직하게는 2가지 페이즈를 포함한다:

1) 800℃ 내지 1000℃ 범위에서 20분 내지 40분 동안 가열하는 제1 페이즈; 직후에

2) 550℃ 내지 750℃ 범위에서 45분 내지 75분 동안 가열하는 제2 페이즈.

도 1은 본 발명에 따른 열처리를 받은 조인트 제조의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 열처리를 받은 조인트를 도시한다.

도 1을 참조하여, 제1 초전도 와이어(100)와 제2 초전도 와이어(102)를 연결하는 후속 단계를 설명한다. 수치 값은 비제한적인 예로서 제공된다.

제1 초전도 와이어(100)는 저탄소강의 외장(104) 및 반응된 MgB₂의 코어(106)를 갖는다.

제2 초전도 와이어(102)는 티타늄의 배리어층 및 저탄소강의 외부층을 갖는 외장(108) 및 반응된 MgB₂의 코어(110)를 갖는다.

미반응 붕소 분말 및 마그네슘 분말을 함유하는 관형 금속 커넥터(112)가 제공된다. 붕소 분말은 바람직하게는 나노 붕소 분말이고, 마그네슘 분말은 바람직하게는 구형 마그네슘 분말이다. 예를 들어, 관형 금속 커넥터(112)의 외경은 5.6 mm 내지 6.0 mm이고, 금속 관형 커넥터(112)는 길이가 약 22 mm이다.

금속 관형 커넥터(112)의 제1 단부(116) 및 제2 단부(118)가 먼저 디버링(deburr)된다.

이어서, 관형 금속 커넥터(112)의 제1 단부(116)와 관형 금속 커넥터의 제2 단부(118)를 희석된 HCl 용액에 몇 초 동안 담근 후 진공 하에서 건조시킨다.

제1 단부(116)와 제2 단부(118)를 모두 연마한 후 알콜 세정 및 진공 건조시킨다.

제1 및 제2 초전도 와이어(100 및 102)의 치수와 일치하도록 제1 단부(116)와 제2 단부(118) 모두에 1.25 mm의 구멍을 드릴링한다. 구멍의 길이는 제1 단부(116) 쪽에서 L₁이고 제2 단부(118) 쪽에서 L₂이다. L₁ 및 L₂ 모두 약 6.5 mm일 수 있다.

드릴링 후, 관형 금속 커넥터(112)는 그 전체 길이 L_tot에 걸쳐 평탄화된다.

제1 초전도 와이어(100)와 제2 초전도 와이어는 드릴링 길이 L₁ 및 L₂보다 긴 길이에 걸쳐 평탄화된다.

이렇게 평탄화된 제1 및 제2 초전도 와이어(100 및 102)의 단부는 표면적을 증가시키기 위해 각도를 가지고 연삭된다. 이 연삭 작업은 다시 알콜 세정 및 진공 건조로 이어진다. 이후, 제1 및 제2 초전도 와이어(100 및 102)의 평탄화된 단부를 희석된 HCl 용액에 담근 후, 알콜로 세정하고 진공에서 건조한다.

제1 및 제2 초전도 와이어(100 및 102)의 평탄화된 단부는 중심의 붕소 및 마그네슘 분말과 접촉하게 될 때까지 관형 금속 커넥터(112)에 삽입된다.

초전도 와이어(100 및 102)를 고정하고 단부(116 및 118)를 밀봉하기 위해 관형 금속 커넥터(112)의 양 단부(116 및 118)에 압력이 인가된다.

관형 금속 커넥터(112)의 중심부는 유압 프레스(120)에 의해 길이 L_center에 걸쳐 가압된다. 평탄화 전 길이 L_center는 예를 들어 6.35 mm이다.

관형 금속 커넥터(112)의 평탄화된 중심부와 드릴링된 구멍 사이의 양쪽에 1.0 mm의 임계 길이 L_cr이 남는다.

마지막으로, Mg 및 B 분말(114)을 갖는 관형 금속 커넥터(112)와 제1 및 제2 초전도 와이어(100, 102)의 조립체에 열처리를 실시한다.

언급한 바와 같이, 열처리는 2가지 페이즈를 포함한다.

제1 페이즈 동안에는 조립체가 900℃에서 30분 동안 가열된다. 이 제1 페이즈에서는, 다음과 같은 반응이 일어난다:

2MgB₂ → Mg + MgB₄

제1 페이즈 직후에 제2 페이즈 동안에는, 조립체가 650℃의 온도에서 60분 동안 유지된다. 이 제2 페이즈 동안에는, 다음과 같은 반응이 일어난다:

Mg + MgB₄ → 2MgB₂

이러한 이중 페이즈 열처리는 관형 금속 커넥터(112)의 중심에서 초전도성을 생성할 뿐만 아니라, 제1 및 제2 초전도 와이어(100 및 102)의 평탄화된 단부에서 초전도성을 복원한다.

도 2는 실현된 조인트의 개략도를 제공한다. 더 구체적으로, 도 2는 관형 금속 커넥터(112)의 가압된 단부(122 및 124)와 평탄화된 중심부(126)를 도시한다. 최종적인 조인트의 전형적인 치수, 즉, 평탄화 작업 이후의 치수는 총 길이 L_tot가 23.8 mm이고, 평탄화된 중심부의 길이 L_center가 7.25 mm이고, 제1 초전도 와이어의 삽입 길이가 7.9 mm이며, 제2 초전도 와이어의 삽입 길이가 8.7 mm이다.

이미 언급한 바와 같이, 그리고 2개의 초전도 와이어를 연결하는 맥락에서, 초전도성이 손실된 MgB₂ 와이어에서 초전도성을 복원하기 위해 열처리가 또한 사용될 수 있다. 아래의 2개의 예는 손상된 샘플에서 초전도성이 어떻게 복원되었는지를 보여준다.

예 1. 압축.

반응된 MgB₂의 초전도 코어를 갖고 직경이 0.75 mm인 초전도 와이어의 기준 샘플을 제공하였다. MgB₂의 코어는 700℃에서 30분 동안 소결되었다. 임계 전류 I_c는 다양한 온도에서 측정되었다. 다양한 온도의 다양한 샘플에서 측정된 임계 전류 값을 정규화하기 위해 선형 회귀를 사용하였다. 각각 25K, 20K 및 15K에서 획득한 결과는 표 1에 보고된다.

표 1. 다양한 샘플에서 획득한 초전도성 테스트 결과:

표 1의 REF 1은 기준 샘플을 지칭한다.

기준 샘플 REF 1을 10분 동안 4톤의 프레스로 압축하여 손상을 입혔다. REF 2는 손상된 샘플을 지칭하며 임계 전류 값의 감소를 보여, 초전도성의 손실을 나타낸다.

이어서 REF 2는 초전도성을 복원하기 위해 다양한 열처리를 거쳤다.

표 1의 COMP 1 및 COMP 2는 REF2와 같이 변형되고 나서, 본 발명의 범위를 벗어나는 기간 동안 2가지 페이즈로 열처리된 비교 샘플을 지칭한다.

예로서, 나머지 낮은 I_c 값에서 알 수 있는 바와 같이, 비교 샘플 COMP 1이 초전도성을 복원하기에는 제2 페이즈가 너무 짧았다.

제2 예로서, 증가된 I_c 값에서 알 수 있는 바와 같이, 복원 열처리의 제1 페이즈의 너무 짧은 기간으로 인해 비교 샘플 COMP 2에서는 초전도성이 단지 부분적으로만 복원되었으며, 아직도 기준 샘플 REF 1에 비교하여 너무 낮다.

샘플 INV 1 및 INV 2는 REF 2와 같이 변형되고 나서, 본 발명의 2가지 페이즈로 열처리, 즉, 900℃에서 30분 또는 40분 동안 제1 페이즈로 열처리되고, 이어서 650℃에서 60분 동안 제2 페이즈로 열처리된다.

샘플 INV 1과 INV 2는 모두 표 1에 도시된 바와 같이, 샘플 REF 1에서 측정된 원래 값에 가까운 I_c 값으로 초전도성을 복원했다.

예 2. 굽힘.

표 1에서 보고되지 않은 다른 샘플인, 샘플 INV 3은 REF 1에서 시작하여 직경 19 mm의 튜브를 굽히고 펴서 얻어졌다.

다른 샘플인, 샘플 INV 4는 REF 1에서 시작하여 직경 19 mm의 튜브를 굽히고 펴서 얻고 나서, 일축으로 가압하여 두께 대비 폭(w/t) 비율이 2인 평탄한 와이어를 얻었다.

샘플 INV 3 및 INV 4는 본 발명의 복원 열처리되었으며, 즉, 샘플이 2가지 페이즈, 즉, 900℃에서 30분 동안 가열하는 제1 페이즈 및 650℃에서 60분 동안 가열하는 제2 페이즈로 열처리되었다.

제1 페이즈 동안, 변형된 와이어를 900℃에서 30분 동안 가열했다. 이 제1 페이즈에서는, 다음과 같은 반응이 일어난다:

2MgB₂ → Mg + MgB₄

제1 페이즈 직후에 제2 페이즈 동안에는, 변형된 와이어가 650℃의 온도에서 60분 동안 유지되었다. 이 제2 페이즈 동안에는, 다음과 같은 반응이 일어난다:

Mg + MgB₄ → 2MgB₂

임계 전류 I_c는 열처리 후 INV 3 및 INV 4 샘플에서 측정되었으며, 임계 전류는 두 샘플 모두 25K에서 I_c = 152A로 측정되었다. 이 값은 변형 전 기준 샘플 REF 1에서 측정된 값과 가까운 것으로 나타났다.

추가적으로, 샘플 INV 3과 동일한 조건, 즉, 직경 19 mm의 튜브를 굽히고 펴서 얻은 샘플을 900℃에서 4시간 동안 가열하고, 이어서 850℃에서 41시간 동안 가열하였다. 이 열처리 후 측정된 임계 전류는 I_c = 0A였으며, 이는 초전도성이 복원되지 않았음을 의미한다.

실험을 통해 합리적인 온도와 시간 범위가 결정되었지만, 다른 화학 성분에 대해 다른 장비에서 실행되는 경우, 주장된 온도와 시간 범위는 더 넓어질 수 있다.

반응된 MgB₂의 코어를 갖는 복수의 와이어를 포함하는 케이블로서, 적어도 하나의 와이어가 손상된 경우, 본 발명의 2가지 페이즈로 열처리되었을 때 초전도성이 복원될 것이다.

[참조 번호 목록]
100 제1 초전도 와이어
102 제2 초전도 와이어
104 제1 초전도 와이어의 외장
106 제1 초전도 와이어 내부의 반응된 MgB₂
108 제2 초전도 와이어의 외장
110 제2 초전도 와이어 내부의 반응된 MgB₂
112 관형 금속 커넥터
114 미반응 Mg 분말 및 B 분말
116 관형 금속 커넥터의 제1 단부
118 관형 금속 커넥터의 제2 단부
120 가압 도구
122 관형 금속 커넥터의 제1 가압 단부
124 관형 금속 커넥터의 제2 가압 단부
126 관형 금속 커넥터의 가압된 중심부
[도면의 약어 목록]
L₁ 제1 초전도 와이어의 삽입 길이
L₂ 제2 초전도 와이어의 삽입 길이
L_tot 관형 금속 커넥터의 길이
L_cr 임계 길이
L_center 관형 금속 커넥터의 중심부의 압력 구역의 길이

Claims (8)

1. 반응된 MgB₂의 코어를 갖는 와이어의 초전도성을 복원하는 방법이며, 상기 방법은 다음 단계, 즉,
   상기 와이어를 2가지 페이즈, 즉, 800℃ 내지 1000℃ 범위에서 20분 내지 40분 동안 가열하는 제1 페이즈 및 550℃ 내지 750℃ 범위에서 45분 내지 75분 동안 가열하는 제2 페이즈로 열처리하는 단계를 포함하는, 방법.
2. 제1항에 있어서, 와이어는 다수의 MgB₂ 코어를 포함하는, 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 와이어는 원형 단면을 갖는, 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 와이어는 0.2 mm 내지 1.5 mm의 직경을 갖는, 방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 와이어는 모양이 있는 단면 또는 정사각형 단면 또는 직사각형 단면을 갖는, 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 와이어는 평탄화되고 1.1 내지 10, 바람직하게는 1.1 내지 5.0 범위의 폭 대 두께 비율을 갖는, 방법.
7. 반응된 MgB₂의 코어를 갖는 복수의 와이어를 포함하는 케이블의 초전도성을 복원하는 방법이며, 상기 방법은 다음 단계, 즉,
   상기 케이블을 2가지 페이즈, 즉, 800℃ 내지 1000℃ 범위에서 20분 내지 40분 동안 가열하는 제1 페이즈 및 550℃ 내지 750℃ 범위에서 45분 내지 75분 동안 가열하는 제2 페이즈로 열처리하는 단계를 포함하는, 방법.
8. 반응된 초전도성 MgB₂의 코어를 갖는 초전도 와이어의 조인트에서 초전도성을 복원하는 방법이며, 상기 방법은 다음 단계, 즉,
   상기 조인트를 2가지 페이즈, 즉, 800℃ 내지 1000℃ 범위에서 20분 내지 40분 동안 가열하는 제1 페이즈 및 550℃ 내지 750℃ 범위에서 45분 내지 75분 동안 가열하는 제2 페이즈로 열처리하는 단계를 포함하는, 방법.

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