CN109643593B - 金属超导线的扩散屏障 - Google Patents

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Abstract

在各种实施例中，超导线包含由Ta合金组成的扩散屏障，其抵抗内部扩散并为导线提供优越的机械强度。

Description

金属超导线的扩散屏障
相关申请
本申请要求2016年9月6日提交的美国临时专利申请No.62/383,676的权益和优先权，其全部公开内容通过引用包含于此。
技术领域
在各种实施例中，本发明涉及包含用于防止低导电相的扩散屏障的超导线的形成和加工。
背景技术
超导材料在冷却到低于其特征临界温度时显示为没有电阻。虽然已经识别了临界温度高于氮气的77K沸点的高温超导体材料，但这些材料通常是特异的(例如钙钛矿陶瓷)，难以加工，并且不适合强场应用。因此，对于需要导线和导线圈及其束的实际超导应用，最常使用金属超导体Nb-Ti和Nb3Sn。虽然这些材料的临界温度低于77K，但是加工这些材料(例如，拉成导线)的相对容易性以及它们在高电流和高磁场下工作的能力已经导致它们的广泛使用。
典型的金属超导线具有嵌入铜(Cu)导电基体内的超导相的多股(或“丝”)。尽管Nb-Ti具有足以直接拉伸成细导线的延展性，但其适用性通常限于以具有低于约8特斯拉的强度的磁场为特征的应用。Nb3Sn是脆性金属间相，不能承受拉丝变形，因此通常在拉丝后经由扩散热处理形成。Nb3Sn超导材料通常可用于以具有高达至少20特斯拉的强度的磁场为特征的应用中。因此，已经利用几种不同的技术来制造基于Nb3Sn的超导线。例如，在“青铜工艺”中，大型复合材料由Nb杆和围绕Nb杆的Cu-Sn合金杆(包括例如13-15％Sn)制成。由于这些材料是可延展的，因此可以将复合材料拉伸至合适的直径，然后将拉伸的复合材料退火。热处理导致在Nb和Cu-Sn之间的界面处相互扩散和Nb3Sn相的形成。用于形成基于Nb3Sn的超导线的其他工艺类似地涉及在拉丝之后脆性Nb3Sn相的形成。例如，纯Sn或具有Cu或Mg的Sn合金可以合并在初始复合材料的内部中并在拉伸后退火。可替换地，Nb丝可以嵌入Cu基体中并拉伸成导线。随后可以用Sn涂覆所得到的导线。加热涂覆的导线，形成Sn-Cu相，其最终与Nb丝反应形成Nb3Sn相。
虽然上面详述的技术已经导致成功制造用于许多不同应用的金属超导线，但是所得到的导线通常表现出不足的电性能。典型的超导线包含许多上述Nb3Sn或Nb-Ti丝，它们嵌入Cu稳定器中，设置在Cu稳定器周围和/或被Cu稳定器围绕，Cu稳定器为导线提供足够的延展性，以便在工业***中进行处理和结合。虽然这种Cu稳定器本身不是超导的，但是Cu的高导电性可以使导线具有令人满意的整体电性能。遗憾的是，来自超导丝的各种元素(例如，Sn)可能与Cu稳定器的部分反应，形成低导电性相，其负面地影响整个导线的整体导电性。虽然已经利用扩散屏障来保护Cu稳定器免受超导丝的影响，但是这些屏障往往具有不均匀的横截面积，并且甚至可能由于在扩散屏障和Cu稳定器的共处理期间的不均匀变形而局部破裂。尽管可以简单地使这种扩散屏障更厚，但是由于扩散屏障材料本身的导电性较低，这种解决方案会影响导线的整体导电性。例如，对于前沿和未来的应用，例如新的粒子加速器和对撞机，磁铁被设计为超出了现有的导线能力；这种导线在15特斯拉时需要的非铜临界电流密度大于2000A/mm2。由于扩散屏障是非铜部分的一部分，因此最小化任何屏障材料的体积是重要的，同时任何强度益处都是有利的。
鉴于上述情况，需要金属超导线的改进的扩散屏障，其基本上防止涉及Cu稳定器的有害反应，同时保持均匀地薄，以便不占据导线的总横截面积的显著部分。
发明内容
根据本发明的各种实施例，超导线和/或其前体(例如，用于形成导线的复合丝)以扩散屏障为特征，该扩散屏障包括钽(Ta)合金，基本上由其组成或由其组成。扩散屏障通常设置在Cu导线基体的至少一部分和超导丝之间，和/或超导丝和合并在超导线内和/或周围的稳定元件之间，该稳定元件用于获得额外的机械强度。根据本发明的实施例，单丝可各自包括Cu基(例如，Cu或青铜(Cu-Sn))基体内的Nb基芯，基本上由其组成或由其组成，并且单丝的堆叠组件可以被设置在Cu基基体内并拉伸以形成复合丝。因此，复合丝可各自包括Cu基基体内的多个Nb基单丝，基本上由其组成或由其组成。当复合丝被堆叠以形成最终导线时，根据本发明实施例的扩散屏障可以设置在每个复合丝周围，和/或扩散屏障可以设置在复合丝的堆叠周围和在复合丝的堆叠与外部Cu稳定器或基体之间。
在各种实施例中，复合丝设置在Cu基基体(例如，Cu基管)内并被拉伸成超导线(或其前体)并进行热处理。一个或多根复合丝本身可在其中包含扩散屏障，和/或扩散屏障可设置在超导线的Cu基基体内和复合丝周围。在各种实施例中，扩散屏障包括Ta-W合金，基本上由其组成或由其组成，该Ta-W合金包括例如0.2％至10％的W或0.2％至5％的W。例如，扩散屏障可包括Ta和约2.5％-3％的W的合金(即Ta-3W)，基本上由其组成或由其组成。在各种实施例中，扩散屏障包括其中具有一种或多种另外的合金元素的Ta-W合金(例如，Ta-3W)，基本上由其组成或由其组成，所述合金元素例如Ru、Pt、Pd、Rh、Os、Ir、Mo、Re和/或Si。这些合金元素可以单独或共同存在于扩散屏障中，浓度最高为按重量计5％(例如，在0.05％和5％之间，在0.1％和3％之间，在0.2％和2％之间，在0.2％和1％之间，或在0.2％至0.5％之间)。在本发明的各种实施例中，由包含一种或多种这些另外的合金元素的Ta-W合金形成的焊缝可具有朝向这种焊缝的中心更等轴的晶粒结构；因此，由这些材料形成的用作扩散屏障的焊接管当在导线制造期间被拉伸成小尺寸时可以表现出优越的机械性能和可加工性。
根据本发明实施例的Ta合金扩散屏障还可以表现出有利的延展性，这至少部分地由于低氧含量和/或高纯度水平。例如，根据本发明实施例的扩散屏障具有小于500ppm、小于200ppm、小于100ppm、或甚至小于50ppm的氧含量。另外或可替换地，根据本发明实施例的扩散屏障可具有超过99.9％，或甚至超过99.99％的纯度。
有利地，与常规扩散屏障材料相比，根据本发明实施例的Ta合金扩散屏障具有精细的晶粒结构(例如，小的平均晶粒尺寸)，并且这使得超导线内的扩散屏障的变形和加工在没有局部变薄的情况下基本上是均匀的，局部变薄会使扩散屏障破裂并损害导线的性能。扩散屏障的小晶粒尺寸(例如，小于20μm，小于10μm，小于5μm，在1和20μm之间，或在5和15μm之间)由合金元素的存在引起，并且因此，根据本发明实施例的扩散屏障不需要额外的加工(例如，如锻造，例如三轴锻造，热处理等)来产生精细的晶粒结构。因此，经由使用根据本发明的扩散屏障，可以降低整体制造成本和复杂性。
根据本发明的实施例的扩散屏障的优越的晶粒结构和/或机械特性使得扩散屏障能够提供保护以免受半导体导线内的有害扩散而不占用导线的过量的横截面(即，载流)面积。(相比之下，使用具有较小机械性能和/或较少细化的晶粒结构的各种其他扩散屏障将需要使用较大的屏障，其将有害地影响最终导线的延展性、导电性和/或各种其他性质。)根据本发明实施例的导线表现出很少或没有与Cu基体的相互扩散，同时在其临界温度以下保持良好的强场、高电流超导特性。
使用Ta合金扩散屏障有利地使得超导线的较小横截面被扩散屏障占据，因此更多的横截面可以被载流超导丝占据。然而，根据本发明实施例的扩散屏障材料还有利地为超导线提供额外的机械强度，同时在其临界温度以下保持良好的强场、高电流超导特性。在各种实施例中，导线的机械强度可以促进导线的机械变形(例如，缠绕、卷绕等)，而不会损害导线的电性能和/或不会导致裂缝或破裂，或者以其他方式损害导线和/或其丝的机械稳定性。在各种实施例中，扩散屏障可共同占据最终导线的横截面积的至少2％、至少3％、至少4％或至少5％。在各种实施例中，扩散屏障可共同占据最终导线的横截面积的小于15％、小于12％、小于10％、小于9％或小于8％。以这种方式，根据各种实施例，超导线内的扩散屏障提供具有至少75MPa、或甚至至少100MPa的最小屈服强度(例如，在导线和/或丝的任何热处理之后)的导线。
根据本发明实施例的超导线的增强的机械强度有利地使得这种导线能够承受在高磁场强度下操作期间施加在导线上的洛伦兹力。如本领域中已知的，磁体绕组中的“自场”高于中心线场并且在最里面的绕组处最高。此外，创建该场所需的电流在磁体的所有导线中都是相同的。洛伦兹力是F＝B×I(即，磁场与电流相乘)，并且所生成的场与电流I成正比；因此，力与电流的平方成比例。例如，与8特斯拉相比，在16特斯拉处，洛伦兹力将高出四倍。因此，随着施加的磁场的大小增加，导线承受力(垂直于电流和场，通过叉积关系)的机械强度也必须更高。根据本发明实施例的超导线可以有利地用于利用具有至少2特斯拉、至少5特斯拉、至少8特斯拉、或甚至至少10特斯拉的强度的磁场的应用，即，磁通密度为至少20,000高斯、至少50,000高斯、至少80,000高斯、甚至至少100,000高斯。
本发明的实施例还可以在导线本身内和/或在用于形成导线的复合丝内包含稳定元件。例如，本发明的实施例可以包括稳定元件，该稳定元件包括Ta，Ta合金(例如，Ta和W的合金，例如Ta-3W)，或者Nb与Hf、Ti、Zr、Ta、V、Y、Mo或W中的一种或多种的合金(如在2016年7月8日提交的美国专利申请序列No.15/205,804(“'804申请”)中所述，整个公开内容通过引用包含于此)，基本上由其组成或由其组成。
在一个方面，本发明的实施例的特征在于一种超导线，其包括外部导线基体、设置在导线基体内的扩散屏障、以及由扩散屏障围绕并通过扩散屏障与外部导线基体分离的多根复合丝，基本上由其组成或由其组成。外部导线基体包括Cu，基本上由其组成或由其组成。扩散屏障包括Ta-W合金(例如，包含0.2％-10％的W的Ta合金)，基本上由其组成或由其组成。复合丝中的一根或多根、或甚至每根包括(i)多根单丝和(ii)围绕多根单丝的包层，基本上由其组成或由组成。复合丝包层可包括Cu，基本上由其组成或由其组成。单丝中的一根或多根、或甚至每根单丝包括芯和围绕芯的包层，基本上由其组成，或由其组成。单丝芯可包括Nb，基本上由其组成或由其组成。单丝包层可包括Cu，基本上由其组成或由其组成。扩散屏障延伸穿过超导线的轴向尺寸。
本发明的实施例可以以各种组合中的任何一种包括以下中的一个或多个。一根或多根或甚至每根单丝的芯可包括合金，伪合金或含有Nb和Ti、Zr、Hf、Ta、Y或La中的一种或多种的混合物(例如，Nb-Ti)，基本上由其组成或由其组成。一根或多根或甚至每根单丝的芯可包括Nb3Sn，基本上由其组成或由其组成。扩散屏障可以包括Ta-3W，基本上由其组成或由其组成。扩散屏障可另外包含选自由Ru、Pt、Pd、Rh、Os、Ir、Mo、Re或Si组成的集合的一种或多种合金元素。扩散屏障的横截面厚度和/或横截面积可沿着导线的厚度基本恒定。复合丝中的一根或多根、或甚至每根可具有六边形横截面形状(即，在垂直于导线的轴向尺寸的横截面中)。单丝中的一根或多根或甚至每根单丝可具有六边形横截面形状(即，在垂直于导线的轴向尺寸的横截面中)。
导线可包括设置在多根复合丝内并被扩散屏障围绕的稳定元件。稳定元件可包括含有0.2％-10％的W的Ta合金，基本上由其组成或由其组成。稳定元件的至少一部分可基本上位于超导线的中心芯处。稳定元件可占据导线的横截面的小于约20％，导线的横截面的小于约10％，或导线的横截面的小于约5％。稳定元件可占据导线的横截面的大于约1％，导线的横截面的大于约2％，导线的横截面的大于约5％，导线的横截面的大于约8％，或导线的横截面的大于约10％。
在另一方面，本发明的实施例的特征在于一种超导线，其包括导线基体和嵌入导线基体内的多根复合丝，基本上由其组成或由其组成。导线基体包括Cu，基本上由其组成或由其组成。复合丝中的一根或多根、或甚至每根包括(i)多根单丝，(ii)延伸穿过复合丝的轴向尺寸并围绕多根单丝的扩散屏障，以及(iii)围绕扩散屏障的包层，基本上由其组成或由其组成，扩散屏障将包层与多根单丝分离。复合丝扩散屏障包括Ta-W合金(例如，含有0.2％-10％的W的Ta合金)，基本上由其组成或由其组成。复合丝包层包括Cu，基本上由其组成或由其组成。单丝中的一根或多根、或甚至每根单丝包括芯和围绕芯的包层，基本上由其组成，或由其组成。单丝芯可包括Nb，基本上由其组成或由其组成。单丝包层可包括Cu，基本上由其组成或由其组成。
本发明的实施例可以以各种组合中的任何一种包括以下中的一个或多个。一根或多根或甚至每根单丝的芯可包括合金，伪合金或含有Nb和Ti、Zr、Hf、Ta、Y或La中的一种或多种的混合物(例如，Nb-Ti)，基本上由其组成或由其组成。一根或多根或甚至每根单丝的芯可包括Nb3Sn，基本上由其组成或由其组成。扩散屏障可以包括Ta-3W，基本上由其组成或由其组成。扩散屏障可另外包含选自由Ru、Pt、Pd、Rh、Os、Ir、Mo、Re或Si组成的集合的一种或多种合金元素。扩散屏障的横截面厚度和/或横截面积可沿着导线的厚度基本恒定。复合丝中的一根或多根、或甚至每根可具有六边形横截面形状(即，在垂直于导线的轴向尺寸的横截面中)。单丝中的一根或多根、或甚至每根单丝可具有六边形横截面形状(即，在垂直于导线的轴向尺寸的横截面中)。
导线可包括设置在多根复合丝内的稳定元件。稳定元件可包括含有0.2％-10％的W的Ta合金，基本上由其组成或由其组成。稳定元件的至少一部分可基本上位于超导线的中心芯处。稳定元件可占据导线的横截面的小于约20％，导线的横截面的小于约10％，或导线的横截面的小于约5％。稳定元件可占据导线的横截面的大于约1％，导线的横截面的大于约2％，导线的横截面的大于约5％，导线的横截面的大于约8％，或导线的横截面的大于约10％。
在又一方面，本发明的实施例的特征在于一种超导线，其包括内部导线稳定基体、围绕导线稳定基体设置的扩散屏障、以及围绕扩散屏障设置并通过扩散屏障与导线稳定基体分离的多根复合丝，基本上由其组成或由其组成。导线稳定基体包括Cu，基本上由其组成或由其组成。扩散屏障包括Ta-W合金(例如，含有0.2％-10％的W的Ta合金)，基本上由其组成或由其组成。复合丝中的一根或多根、或甚至每根包括(i)多根单丝，和(ii)(iii)围绕多根单丝的包层，基本上由其组成或由其组成。复合丝包层包括Cu，基本上由其组成或由其组成。扩散屏障延伸穿过导线的轴向尺寸。
本发明的实施例可以以各种组合中的任何一种包括以下中的一个或多个。一根或多根或甚至每根单丝的芯可包括合金，伪合金或含有Nb和Ti、Zr、Hf、Ta、Y或La中的一种或多种的混合物(例如，Nb-Ti)，基本上由其组成或由其组成。一根或多根或甚至每根单丝的芯可包括Nb3Sn，基本上由其组成或由其组成。扩散屏障可以包括Ta-3W，基本上由其组成或由其组成。扩散屏障可另外包含选自由Ru、Pt、Pd、Rh、Os、Ir、Mo、Re或Si组成的集合的一种或多种合金元素。扩散屏障的横截面厚度和/或横截面积可沿着导线的厚度基本恒定。复合丝中的一根或多根、或甚至每根可具有六边形横截面形状(即，在垂直于导线的轴向尺寸的横截面中)。单丝中的一根或多根、或甚至每根单丝可具有六边形横截面形状(即，在垂直于导线的轴向尺寸的横截面中)。
导线可包括设置在多根复合丝内或在内部导线稳定基体内或附近的稳定元件。稳定元件可包括含有0.2％-10％的W的Ta合金，基本上由其组成或由其组成。稳定元件的至少一部分可基本上位于超导线的中心芯处。稳定元件可占据导线的横截面的小于约20％，导线的横截面的小于约10％，或导线的横截面的小于约5％。稳定元件可占据导线的横截面的大于约1％，导线的横截面的大于约2％，导线的横截面的大于约5％，导线的横截面的大于约8％，或导线的横截面的大于约10％。
在另一方面，本发明的实施例的特征在于具有扩散阻力和机械强度的超导线。超导线包括外部导线基体、设置在导线基体内的扩散屏障、以及由扩散屏障围绕并通过扩散屏障与外部导线基体分离的多根复合丝，基本上由其组成或由其组成。外部导线基体包括Cu，基本上由其组成或由其组成。扩散屏障包括Ta-W合金(例如，含有0.2％-10％的W的Ta合金)，基本上由其组成或由其组成。复合丝中的一根或多根、或甚至每根包括(i)多根单丝和(ii)围绕多根单丝的包层，基本上由其组成或由其组成。复合丝包层可以包括Cu，基本上由其组成或由其组成。单丝中的一根或多根、或甚至每根单丝包括芯和围绕芯的包层，基本上由其组成，或由其组成。单丝芯可包括Nb，基本上由其组成或其组成。单丝包层可包括Cu，基本上由其组成或由其组成。扩散屏障延伸穿过超导线的轴向尺寸。扩散屏障占超导线的横截面积的1％-20％、2％-15％或3％-10％。
本发明的实施例可以以各种组合中的任何一种包括以下中的一个或多个。单丝中的一根或多根或甚至每根单丝的芯可包括合金、伪合金或含有Nb和Ti、Zr、Hf、Ta、Y或La中的一种或多种的混合物(例如，Nb-Ti)，基本上由其组成或由其组成。单丝中的一根或多根或甚至每根单丝的芯可包括Nb3Sn，基本上由其组成或由其组成。扩散屏障可以包括Ta-3W，基本上由其组成或由其组成。扩散屏障可另外包含选自由Ru、Pt、Pd、Rh、Os、Ir、Mo、Re或Si组成的集合的一种或多种合金元素。扩散屏障的横截面厚度和/或横截面积可沿着导线的厚度基本恒定。复合丝中的一根或多根、或甚至每根可具有六边形横截面形状(即，在垂直于导线的轴向尺寸的横截面中)。单丝中的一根或多根、或甚至每根单丝可具有六边形横截面形状(即，在垂直于导线的轴向尺寸的横截面中)。超导线的屈服强度可以是至少75MPa，或甚至至少100MPa。
导线可包括设置在多根复合丝内并被扩散屏障围绕的稳定元件。稳定元件可包括含有0.2％-10％的W的Ta合金，基本上由其组成或由其组成。稳定元件的至少一部分可基本上位于超导线的中心芯处。稳定元件可占据导线的横截面的小于约20％，导线的横截面的小于约10％，或导线的横截面的小于约5％。稳定元件可占据导线的横截面的大于约1％，导线的横截面的大于约2％，导线的横截面的大于约5％，导线的横截面的大于约8％，或导线的横截面的大于约10％。
在另一方面，本发明的实施例的特征在于具有扩散阻力和机械强度的超导线。超导线包括导线基体和嵌入导线基体内的多根复合丝，基本上由其组成或由其组成。导线基体包括Cu，基本上由其组成或由其组成。复合丝中的一根或多根、或甚至每根包括(i)多根单丝，(ii)延伸穿过复合丝的轴向尺寸并围绕多根单丝的扩散屏障，和(iii)围绕扩散屏障的包层，基本上由其组成或由其组成，扩散屏障将包层与多根单丝分开。复合丝扩散屏障包括Ta-W合金(例如，含有0.2％-10％的W的Ta合金)，基本上由其组成或由其组成。复合丝包层包括Cu，基本上由其组成或由其组成。单丝中的一根或多根、或甚至每根单丝包括芯和围绕芯的包层，基本上由其组成或由其组成。单丝芯可包括Nb，基本上由其组成或由其组成。单丝包层可包括Cu，基本上由其组成或由其组成。扩散屏障共同占据超导线的横截面积的1％-20％、2％-15％或3％-10％。
本发明的实施例可以以各种组合中的任何一种包括以下中的一个或多个。单丝中的一根或多根或甚至每根单丝的芯可包括合金、伪合金或含有Nb和Ti、Zr、Hf、Ta、Y或La中的一种或多种的混合物(例如，Nb-Ti)，基本上由其组成或由其组成。单丝中的一根或多根或甚至每根单丝的芯可包括Nb3Sn，基本上由其组成或由其组成。扩散屏障可以包括Ta-3W，基本上由其组成或由其组成。扩散屏障可另外包含选自由Ru、Pt、Pd、Rh、Os、Ir、Mo、Re或Si组成的集合的一种或多种合金元素。扩散屏障的横截面厚度和/或横截面积可沿着导线的厚度基本恒定。复合丝中的一根或多根、或甚至每根可具有六边形横截面形状(即，在垂直于导线的轴向尺寸的横截面中)。单丝中的一根或多根、或甚至每根单丝可具有六边形横截面形状(即，在垂直于导线的轴向尺寸的横截面中)。超导线的屈服强度可以是至少75MPa，或甚至至少100MPa。
导线可包括设置在多根复合丝内的稳定元件。稳定元件可包括含有0.2％-10％的W的Ta合金，基本上由其组成或由其组成。稳定元件的至少一部分可基本上位于超导线的中心芯处。稳定元件可占据导线的横截面的小于约20％，导线的横截面的小于约10％，或导线的横截面的小于约5％。稳定元件可占据导线的横截面的大于约1％，导线的横截面的大于约2％，导线的横截面的大于约5％，导线的横截面的大于约8％，或导线的横截面的大于约10％。
在又一方面，本发明的实施例的特征在于具有扩散阻力和机械强度的超导线。超导线包括内部导线稳定基体、围绕导线稳定基体设置的扩散屏障、以及围绕扩散屏障设置并通过扩散屏障与导线稳定基体分离的多根复合丝，基本上由其组成或由其组成。导线稳定基体包括Cu，基本上由其组成或由其组成。扩散屏障包括Ta-W合金(例如，含有0.2％-10％的W的Ta合金)，基本上由其组成或由其组成。复合丝中的一根或多根、或甚至每根包括(i)多根单丝，和(ii)(iii)围绕多根单丝的包层，基本上由其组成或由其组成。复合丝包层包括Cu，基本上由其组成或由其组成。扩散屏障延伸穿过导线的轴向尺寸。扩散屏障占超导线的横截面积的1％-20％、2％-15％或3％-10％。
本发明的实施例可以以各种组合中的任何一种包括以下中的一个或多个。单丝中的一根或多根、或甚至每根单丝的芯可包括合金、伪合金或含有Nb和Ti、Zr、Hf、Ta、Y或La中的一种或多种的混合物(例如，Nb-Ti)，基本上由其组成或由其组成。单丝中的一根或多根或甚至每根单丝的芯可包括Nb3Sn，基本上由其组成或由其组成。扩散屏障可以包括Ta-3W，基本上由其组成或由其组成。扩散屏障可另外包含选自由Ru、Pt、Pd、Rh、Os、Ir、Mo、Re或Si组成的集合的一种或多种合金元素。扩散屏障的横截面厚度和/或横截面积可沿着导线的厚度基本恒定。复合丝中的一根或多根、或甚至每根可具有六边形横截面形状(即，在垂直于导线的轴向尺寸的横截面中)。单丝中的一根或多根、或甚至每根单丝可具有六边形横截面形状(即，在垂直于导线的轴向尺寸的横截面中)。超导线的屈服强度可以是至少75MPa，或甚至至少100MPa。
导线可包括设置在多根复合丝内或在内部导线稳定基体内或附近的稳定元件。稳定元件可包括含有0.2％-10％的W的Ta合金，基本上由其组成或由其组成。稳定元件的至少一部分可基本上位于超导线的中心芯处。稳定元件可占据导线的横截面的小于约20％，导线的横截面的小于约10％，或导线的横截面的小于约5％。稳定元件可占据导线的横截面的大于约1％，导线的横截面的大于约2％，导线的横截面的大于约5％，导线的横截面的大于约8％，或导线的横截面的大于约10％。
通过参考以下描述、附图和权利要求，本文公开的本发明的这些和其他目的以及优点和特征将变得更加明显。此外，应该理解的是，这里描述的各种实施例的特征不是相互排斥的，并且可以以各种组合和排列存在。如本文所使用的，术语“大约”和“基本上”是指±10％，并且在一些实施例中，是±5％。除非本文另有定义，否则术语“基本上由......组成”意味着排除有助于功能的其他材料。尽管如此，这些其他材料可以以微量共同或单独存在。例如，基本上由多种金属组成的结构通常仅包括那些金属和仅有无意的杂质(其可以是金属或非金属的)，这些杂质可以通过化学分析检测到但对功能没有贡献。如本文所使用的，“基本上由至少一种金属组成”是指一种金属或两种或更多种金属的混合物，但不是指金属和非金属元素或化学物质如氧、硅或氮之间的化合物(例如，金属氮化物、金属硅化物或金属氧化物)；这些非金属元素或化学物质可以以微量共同或单独存在，例如作为杂质。
附图说明
在附图中，相同的附图标记在不同视图中通常指代相同的部分。而且，附图不一定按比例绘制，而是通常将重点放在说明本发明的原理上。在以下描述中，参考以下附图描述本发明的各种实施例，其中：
图1A是根据本发明的各种实施例的用于形成单丝的管的示意性横截面图；
图1B是根据本发明的各种实施例的用于形成单丝的杆的示意性横截面图；
图1C是根据本发明的各种实施例的用于形成复合丝的单丝的示意性横截面图；
图2A是根据本发明的各种实施例的用于形成复合丝的管的示意性横截面图；
图2B是根据本发明的各种实施例的用于在复合丝内形成扩散屏障的管的示意性横截面图；
图2C是根据本发明的各种实施例的用于形成复合丝的单丝的堆叠的示意性横截面图；
图2D是根据本发明的各种实施例的在制造的初始阶段的复合丝的示意性横截面图；
图2E是根据本发明的各种实施例的用于形成超导线的复合丝的示意性横截面图；
图3A是根据本发明的各种实施例的用于形成稳定元件的管的示意性横截面图；
图3B是根据本发明的各种实施例的用于形成稳定元件的杆的示意性横截面图；
图3C是根据本发明的各种实施例的用于形成稳定的复合丝和/或超导线的稳定元件的示意性横截面图；
图3D是根据本发明的各种实施例的包含稳定元件的复合丝的示意性横截面图；
图4A是根据本发明的各种实施例的用于形成超导线的管的示意性横截面图；
图4B是根据本发明的各种实施例的用于形成超导线的复合丝的堆叠的示意性横截面图；
图4C是根据本发明的各种实施例的用于在超导线内形成扩散屏障的管的示意性横截面图；
图4D是根据本发明的各种实施例的在制造的初始阶段的超导线的示意性横截面图；
图4E是根据本发明的各种实施例的超导线的示意性横截面图；
图4F是根据本发明的各种实施例的在制造的初始阶段的稳定的超导线的示意性横截面图；
图4F是根据本发明的各种实施例的稳定的超导线的示意性横截面图；
图5是根据本发明的各种实施例的超导线的横截面显微照片，其特征在于Cu内部稳定器和设置在稳定器周围的扩散屏障；
图6是根据本发明的各种实施例的超导线的横截面显微照片，其特征在于Cu外部基体以及设置在外部基体和导线丝之间的扩散屏障；
图7A是根据本发明的各种实施例的超导线的横截面显微照片，其特征在于Cu外部基体以及设置在外部基体和导线复合丝之间的Ta-3W扩散屏障；
图7B是根据本发明的各种实施例的超导线的横截面显微照片，其特征在于Cu基体和围绕每个内部复合丝的Ta-3W扩散屏障；
图7C是超导线的横截面显微照片，其特征在于Cu基体和其中的复合丝；
图7D是根据本发明的各种实施例的超导线的横截面显微照片，其特征在于Cu基体、其中的复合丝和Ta-3W内部稳定芯；
图8A是图7C所示的导线在两种不同退火处理之后的屈服强度和极限拉伸强度的图表；
图8B是图7D中所示的导线在退火之后的屈服强度和极限拉伸强度的图表；
图8C是图7A和图7B中所示的导线在退火之后的屈服强度和极限拉伸强度的图表；
图9A是超导线的横截面显微照片，其特征在于含有内部包含Sn的丝、外部包含Nb的复合丝、以及围绕所述丝并将它们与外部Cu稳定基体分离的Ta-3W扩散屏障；
图9B是图9A中所示的导线在210°退火72小时后的横截面显微照片；
图9C是图9A中所示的导线在210°退火72小时、在400℃退火48小时和在640℃退火48小时后的横截面显微照片；以及
图9D是图9B和图9C中所示的导线的电阻随温度变化的图表。
具体实施方式
图1A-1C描绘了示例性单丝100的部件及其组成部件。根据本发明的实施例，杆105设置在管110内，管110包括Cu或Cu合金(例如青铜)，基本上由其组成或由其组成。可以基于最终导线中所需的特定金属超导体来选择杆105的成分。例如，杆105可包括Nb、Ti、Nb-Ti或其合金，基本上由其组成，或由其组成。在其他示例中，杆105可以包括与Ti、Zr、Hf、Ta、Y或La中的一种或多种合金化的Nb，基本上由其组成或由其组成。这种合金元素可以单独地或共同地存在于杆105内(因此在单丝100的芯内)，浓度为例如0.2％-10％(例如，0.2％-5％，或0.5％-1％)。随后可以将包覆有管110的杆105拉伸以将其直径减小到例如0.5英寸和1.5英寸之间。包覆杆可以被多级拉伸，并且可以在任何或每个拉伸步骤期间和/或之后进行热处理，以用于例如应变消除。一旦被拉伸，包覆杆可以被拉过成形模具，以制造成形为与其它单丝有效堆叠的单丝100。例如，如图1C所示，六边形模具可用于形成具有六边形横截面的单丝100。在其他实施例中，单丝可以具有其他横截面，例如正方形、矩形、三角形等。
一旦制造了单丝100，其他单丝100也可以以相同的方式制造，或者一根或多根单丝100可以分成多个段。多根单丝可堆叠在一起以形成复合丝的至少一部分。图2A-2E描绘了复合丝200的各种部件和组件。如图2C所示，多根单丝100可以以随后成为复合丝200的芯的至少一部分的布置堆叠在一起。虽然图2C描绘了19根不同单丝100的堆叠，但本发明的实施例可以包括更多或更少的单丝100。单丝100的堆叠组件可以设置在管205内，管205包括Cu或Cu合金(例如，青铜)，基本上由其组成或由其组成。如图2B所示，管210可设置在管205内并围绕单丝100的堆叠；该管210将成为最终复合丝中的扩散屏障215，并阻止或基本上防止单丝100与管205的材料之间的相互扩散，管205成为所得复合丝的外基体220。因此，管210可以包括Ta合金，例如Ta-W(例如Ta-3W)，基本上由其组成，或由其组成。在单丝100布置在管205和管210内之前和/或之后，可以(例如，通过包括一种或多种酸，基本上由其组成，或由其组成的清洁剂)清洁和/或蚀刻单丝100、管205和/或管210，以例如移除表面氧化物和/或其它污染物。
管210可以经由纯Ta与设置在扩散屏障内的一种或多种合金元素的合金化来制造。例如，对于包括Ta和W的合金，基本上由其组成或由其组成的扩散屏障(以及因此管210)，Ta和W可以通过诸如电子束熔化和/或电弧熔化的工艺以期望的量合金化在一起。所得到的材料可以制成片材，并且可以通过例如辊压、深拉、挤压、皮尔格式轧管法等形成片材。
如图2D所示，管205和管210可以通过例如型锻、挤压和/或辊压来压紧到单丝100上。包层堆叠的单丝100可以被退火以促进堆叠组件中的各种单丝100之间的粘合。例如，包层堆叠的单丝可以在约300℃至约500℃(例如，约400℃)的温度下被退火约0.5小时至约3小时(例如约1小时)的时间。有利地，在单丝100和外基体220之间存在扩散屏障215基本上防止了基体220的Cu和单丝100之间的扩散，从而防止形成具有低导电率(例如，比Cu和/或基体220的材料更低的导电率)的金属相。扩散屏障215还为最终导线提供额外的机械强度，因为其与外基体220和/或单丝100相比具有优越的机械性能(例如，强度、屈服强度、拉伸强度、刚度、杨氏模量等)，特别是在用于在导线中反应形成超导相的延长的高温热处理之后。
可以将所得到的组件拉伸一次或多次以减小其直径，并且随后可以将其拉过成形模具，以便为复合丝200提供被配置用于有效堆叠的横截面形状。例如，如图2E所示，六边形模具可用于形成具有六边形横截面的复合丝200。在其他实施例中，复合丝200可以具有其他横截面，例如正方形、矩形、三角形、圆形、近圆(off-round)、椭圆形等。在各种实施例中，复合丝200在加工和成形之后的横截面尺寸和/或形状等于在缩小尺寸之前在初始堆叠组件中使用的单丝100的横截面尺寸和/或形状(即，如图2C所示)。(尽管由于管210的合并而产生的扩散屏障215在图2D和2E中描绘为具有可变的横截面厚度，但在本发明的各种实施例中，扩散屏障215围绕其圆周具有基本均匀的横截面厚度，并且扩散屏障215的横截面形状可以是环形圈(例如，紧紧围绕其中的丝(或其他结构)设置的环)，如图5和6所示；根据本发明的实施例的具有环形横截面的扩散屏障通常具有沿着导线的轴向尺寸延伸的管的形式。)
根据本发明实施例的超导线还可以包括稳定元件，该稳定元件提供甚至更高的机械强度，同时不损害导线的可拉性和/或电性能。图3A-3C描绘了通过类似于上面对单丝100详述的方法制造稳定元件300。根据本发明的实施例，杆305设置在管310内，管310包括Cu或Cu合金，基本上由其组成或由其组成。杆305可包括一种或多种具有大于用于制造单丝100的杆105的机械强度(例如，拉伸强度、屈服强度等)的机械强度的金属，基本上由其组成或由其组成。例如，杆305可以包括Ta或Ta合金(例如，Ta-W合金，例如Ta-3W)或本文公开的适合于扩散屏障的任何其他材料，基本上由其组成或由其组成。在其他实施例中，杆305可包括Nb合金，基本上由其组成或由其组成，所述Nb合金具有比基本上纯的Nb更大的机械强度。例如，根据本发明的实施例的杆305(以及因此稳定元件)可以包括Nb与Hf、Ti、Zr、Ta、V、Y、Mo或W中的一种或多种的合金，基本上由其组成或由其组成。例如，根据本发明的实施例的稳定元件可以包括Nb C103合金，基本上由其组成，或由其组成，其包括约10％的Hf、约0.7％-1.3％的Ti、约0.7％的Zr、约0.5％的Ta、约0.5％的W和余量Nb。在其他实施例中，稳定元件可包括Nb B66合金和/或Nb B77合金，基本上由其组成或由其组成。
包覆有管310的杆305可以随后被拉伸以将其直径减小到例如0.5英寸和1.5英寸之间。包覆杆可以被多级拉伸，并且可以在任何或每个拉伸步骤期间和/或之后进行热处理，以用于例如应变消除。一旦被拉伸，包覆杆可以被拉过成形模具，以制造成形为与单丝100和/或复合丝200有效堆叠的稳定元件300。例如，如图3C所示，六边形模具可以用于形成具有六边形横截面的稳定元件300。在其他实施例中，稳定元件300可以具有其他横截面，例如正方形、矩形、三角形等。在各种实施例中，稳定元件300可以具有与单丝100和/或复合丝200的横截面尺寸和/或形状基本相同的横截面尺寸和/或形状。
一旦被制造，一个或多个稳定元件300可以***单丝100的堆叠中，并且所得到的组件可以用扩散屏障材料和基体材料围绕、拉伸并且可选地成形以形成稳定的复合丝315(例如，如上参照图2A-2E所述)，在单丝100和稳定元件300与外基体220之间包含扩散屏障215，如图3D所示。在本发明的各种实施例中，复合丝可以包括在稳定元件300和剩余的单丝100之间的扩散屏障，以便阻止或基本上防止它们之间的相互扩散。在各种实施例中，稳定元件300可以用内部稳定基体替换或补充，所述内部稳定基体包括例如Cu或Cu合金，基本上由其组成或由其组成，并且这些区域可以经由一个或多个扩散屏障与单丝100分离。
在包含稳定元件以及扩散屏障的本发明的实施例中，赋予额外机械强度的导线的横截面积的量可以有利地在扩散屏障和稳定元件之间划分。也就是说，由一个或多个稳定元件占据的导线的横截面积越大，需要被扩散屏障占据的导线的横截面积越小，只要每个扩散屏障具有足够的厚度以阻止或基本上消除导线各部分之间的扩散即可。相反，根据本发明实施例的扩散屏障的使用使得能够使用一个或多个稳定元件，这些稳定元件本身共同占据导线的横截面积较小，同时仍然赋予导线期望的机械强度(和/或其他机械性能)。在各种实施例中，扩散屏障可共同占据导线的横截面积的至少2％、至少3％、至少4％或至少5％。在各种实施例中，扩散屏障可共同占据导线的横截面积的小于15％、小于12％、小于10％、小于9％或小于8％。在以稳定元件为特征的本发明的实施例中，稳定元件和扩散屏障可共同占据导线的横截面积的小于25％、小于20％或小于15％。稳定元件本身可占据导线的横截面积的小于15％或小于10％(例如，约2％至约8％、或约5％至约15％)。稳定元件可占据导线的横截面积的至少2％、至少3％、至少5％或至少8％。
除了或代替合并在一根或多根复合丝200、315内，根据本发明实施例的扩散屏障可以设置在外部稳定基体(和/或内部稳定基体和/或靠近导线中心的稳定器)和复合丝之间以有利地阻止或基本上防止超导线内的相互扩散。也就是说，超导线和/或导线预制件可利用设置在复合丝200、稳定复合丝315和/或缺少其自身扩散屏障的复合丝的组件周围的扩散屏障来制造。图4A-4E描绘了示例性超导线400的制造的各个阶段。如图4B所示，每个缺少其自身内部扩散屏障的多根复合丝405可以以随后将成为超导线400的芯的至少一部分的布置堆叠在一起。例如，每根复合丝405可以与上面详述的复合丝200类似地制造，但是没有合并在制造期间使用管210引起的扩散屏障215。在其他实施例中，复合丝的堆叠可包括复合丝200、复合丝315和/或其具有或不具有复合丝405的混合物，或由其组成。虽然图4B描绘了18个不同复合丝405的堆叠，但本发明的实施例可包括更多或更少的复合丝。
复合丝的堆叠组件可设置在管410内，管410包括Cu或Cu合金，基本上由其组成或由其组成。另外，如图4C所示，管210可以围绕复合丝的堆叠组件设置在管410内，并且因此可以在最终的导线中形成扩散屏障。在将复合丝布置在管510和管210内之前和/或之后，复合丝、管210和/或管410可以(例如，通过包括一种或多种酸，基本上由其组成或由其组成的清洁剂)被清洁和/或蚀刻，以例如移除表面氧化物和/或其它污染物。如图4D所示，管410和管210可以通过例如型锻、挤压和/或辊压来压紧到复合丝上，并且管210可以变成扩散屏障415，并且管410可以变成外基体420。包层堆叠的复合丝可以被退火以促进堆叠组件中各种复合丝之间的粘合。例如，包层堆叠可以在约300℃和约500℃之间的温度(例如，约400℃)下被退火约0.5小时至约3小时(例如，约1小时)的时间。有利地，复合丝405和外基体420之间的扩散屏障415的存在基本上防止了基体420的Cu和复合丝405之间的扩散，从而防止形成具有低导电率(例如，比Cu和/或基体220的材料更低的导电率)的金属相。可以将所得到的组件拉伸一次或多次以减小其直径，如图4E所示。在拉制之前或之后，超导线400可以被退火以例如松弛残余应力和/或促进其中的再结晶。
如图4F和4G所示，可以使用类似的方法来制造稳定的半导体导线425，其包括一个或多个扩散屏障415以及一个或多个稳定元件300。例如，堆叠的复合丝的组件可以在其中限定一个或多个空隙，其各自被设计尺寸和成形为容纳一个或多个稳定元件300。在复合丝设置在管410和管210内之前或之后，一个或多个稳定元件300可以设置在每个空隙内，如在图4F所示。如图4G所示，所得组件的直径可通过例如拉伸和/或挤压而减小。在各种实施例中，扩散屏障可设置在稳定元件300和导线或导线预制件内的丝之间，特别是在稳定元件包括Cu，基本上由Cu组成或由Cu组成的实施例中。例如，当组装导线预制件组件时，可以在稳定元件周围设置期望扩散屏障材料的管，并且可以将整个组件拉伸至期望的导线尺寸。虽然图4F和4G描绘了具有单个稳定元件300的超导线425，该稳定元件300基本上设置在复合丝的堆叠组件的中心，但是根据本发明的实施例，一个或多个稳定元件300可以设置在堆叠组件中除了设置在中心的稳定元件300之外或代替设置在中心的稳定元件300的其他位置处。
在各种实施例中，超导线400、425在其中没有扩散屏障415，因此，管210不用于其形成，并且一个或多个单独的复合丝中的扩散屏障215用于阻止或基本上防止相互扩散。在其他实施例中，如图4D-4G所示，单独的复合丝405可以在其中没有扩散屏障，并且扩散屏障415存在于超导线400、425内。在这样的实施例中，管110和/或205可以在其内包含Sn，其有利地在随后的热处理期间与丝的Nb反应以形成超导相(例如，Nb3Sn)。在其他实施例中，除了各个复合丝内的扩散屏障215之外，还存在扩散屏障415。
在各种实施例中，超导线400、超导线425、复合丝4015、复合丝200和/或稳定复合丝315可以被机械加工以减小直径和/或在导线拉伸步骤之前促进它们的组成元件之间的结合。例如，超导线400、超导线425、复合丝4015、复合丝200和/或稳定复合丝315可以在最终拉伸步骤之前被挤压、型锻和/或辊压。在各种实施例中，超导线400、超导线425、复合丝4015、复合丝200和/或稳定复合丝315可在多个不同拉伸步骤中的每一个期间和/或之后进行热处理以用于应变消除。例如，在一个或多个拉伸步骤期间和/或之后，超导线400、超导线425、复合丝4015、复合丝200和/或稳定复合丝315可在约360℃至约420℃的温度下被退火一段时间，例如约20小时至约40小时。
在本发明的各种实施例中，超导线400或超导线425可以被冷却到其中的丝的临界温度以下并用于传导电流。在一些实施例中，多个超导线400和/或超导线425盘绕在一起以形成单个超导线缆。
虽然一些超导线400、425(例如，包含含Nb-Ti的丝的那些)可以直接用于超导应用，但是用于各种其他超导线400、425的制造工艺可以包括一个或多个步骤以合并超导相的一部分。例如，Nb3Sn超导相一旦形成，通常是脆性的，并且可能不会被进一步拉伸或以其他方式机械变形而不损坏。因此，本发明的实施例可用于制造超导线400、425，其包含彼此分开的Nb和Sn；一旦导线400、425被大部分或完全制造，导线400、425可以被退火以相互扩散Nb和Sn并在其中形成超导Nb3Sn相。例如，拉伸的导线可以在约600℃至约700℃的温度下被退火一段时间，例如约30小时至约200小时。在各种实施例中，一个或多个Cu基管110、205或310可以在其中包含Sn；例如，一个或多个管可包括Cu-Sn合金(包括例如13-15％的Sn)，基本上由其组成或由其组成。这种材料是可延展的，使得能够制造如本文详述的各种丝和导线。此后，导线400、425可以被退火，导致至少在Nb和Cu-Sn之间的界面处的相互扩散和超导Nb3Sn相的形成。
在其他实施例中，纯Sn或Sn合金(例如，具有Cu或镁(Mg)的Sn合金)可以(例如，以杆或管的形式)合并在用于形成复合丝200、稳定复合丝315和/或导线400、425的一个或多个堆叠内；在形成如本文详述的复合丝200、稳定复合丝315和/或导线400、425之后，可以执行退火步骤以形成超导Nb3Sn相。
图5是根据本发明实施例的包含扩散屏障的超导线500的横截面图。如图所示，扩散屏障510设置在导线500的Cu稳定芯520和包含Nb基丝540的外部青铜基体530之间。图6是根据本发明实施例的包含扩散屏障的另一个超导线600的横截面图。如图所示，扩散屏障610设置在导线600的芯处的内部的基于Sb-Cu-Nb的丝620和外部Cu稳定器630之间。
示例
进行一系列实验以评价Ta-3W扩散屏障的可加工性和性能(即，阻止在最终导线内的扩散)。初始Nb基丝的制造开始于通过下沉具有比杆的直径略大的内径的管来使用无氧电子(OFE)Cu管包覆退火的Nb杆。(如本领域所知，OFE Cu的纯度至少为99.99％，氧含量不大于0.0005％。)每根单丝中Cu与Nb的比例约为1：3。将包覆杆拉伸至3.66mm圆形，然后拉过3.05mm的扁平六边形模具。将得到的六边形单丝以19个为一组堆叠，放入另一个Cu管中，并且冷拉至3.66mm，以形成复合丝，随后将其拉过3.05mm的扁平六边形模具。
为了形成具有单个扩散屏障的第一实验样品，将复合丝中的19个堆叠在一起并放置在具有12.7mm直径和0.38mm壁厚的缝焊Ta-3W管内。将该组件放入具有16.5mm直径和1.5mm壁厚的Cu稳定器管内。将得到的组件冷拉至0.72mm直径，并且所得到的导线700的横截面显微照片在图7A中示出。导线700的部分被拉过3.05mm的扁平六边形模具，并堆叠在一起作为18-元件组件，其在具有18.3mm直径和1.5mm壁厚的Cu管内。将得到的组件冷拉至0.72mm直径，并且所得到的导线710的横截面显微照片如图7B所示，其中复合丝的每个“束”被其自身的扩散屏障围绕。制造导线700、710以评估Ta-3W扩散屏障与导线的Nb和Cu元素共处理的适合性，因此在导线内没有包含Sn元素。如图7A和7B所示，扩散屏障保持连续并且通常符合它们围绕的丝堆叠的形状，尽管其面积减小超过500：1。注意，导线700的厚度在对应于初始Ta-3W管的缝焊的位置处略微不均匀；可以通过在原始制造中使用无缝管或通过优化焊接来解决这种不均匀性。
为了比较的目的，制造两根类似于导线710但缺少扩散屏障的附加导线。图7C是具有Cu稳定器芯但在每个19-元件复合丝束周围缺少扩散屏障的导线720的横截面显微照片。图7D是与导线720相同但特征为由Ta-3W而不是Cu组成的内芯稳定器的导线730的横截面显微照片。导线730的内芯稳定器占据导线730的横截面积的约2.5％。
在退火之后测试在不同导线直径处所取的各种导线700、710、720，730的部分的机械性能，所述退火被设计成模拟超导线制造期间的示例性热处理。各种导线在700℃被退火3小时，并根据ASTM E8/E8M-15a,Standard Test Methods for Tension Testing ofMetallic Materials,ASTM International,West Conshohocken,PA,2015测量所得的导线的屈服强度和极限抗拉强度，其全部公开内容通过引用包含于此。为了比较目的，将导线720的附加部分在250℃下退火8小时。图8A是在250℃下退火8小时或在700℃下退火3小时的导线720的样品的屈服强度(“屈服”)和极限抗拉强度(“UTS”)的图。如图所示，导线720在较高温度的退火周期期间显著软化。图8B是在700℃下退火3小时的导线730的样品的屈服强度和UTS的类似图。如图所示，由于Ta-3W稳定芯的存在，与导线720相比，导线730在退火后保持较高水平的强度。图8C是在700℃下退火3小时的导线700和710的样品的屈服强度和UTS的类似图。如图所示，由于在其中存在Ta-3W扩散屏障，导线700和710都将其强度保持在甚至优于导线730的强度的水平。从这些结果可以清楚地看出，即使不优于导线700、710和730的机械性能，但包含Ta-3W扩散屏障和稳定器的导线将具有至少与导线700、710和730的机械性能相当的机械性能。此外，这种导线不仅具有优越的机械性能，而且也会以优于仅具有稳定器的导线的方式抵抗其内部的相互扩散。因此，其中用于扩散屏障和稳定元件材料的总横截面积在其间被划分的导线将具有扩散阻力和机械强度的有利组合，同时仍然不损害导线的电性能(由于例如，过大量的导线横截面积被非超导材料占据)。
进行另外的实验以评估Ta-3W扩散屏障在阻止超导线内的扩散的功效。导线900以由Ta-3W扩散屏障围绕的37-元件堆叠为特征，该扩散屏障又被外部Cu导线基体围绕。导线的内部的7个元件由Cu包覆的Sn-Ti杆形成，而导线的外部的30个元件由Cu包覆的Nb复合丝形成。最初的Ta-3W扩散屏障管是重叠(而不是焊接)的管，其具有12.7mm的直径和0.38mm的壁厚。图9A是导线900被拉伸到0.72mm的直径的光学显微照片。Ta-3W扩散屏障在内部元件周围是完整的，并且扩散屏障的厚度在管重叠的区域中略厚。扩散屏障厚度约为0.02mm，并且Nb丝具有约0.015mm的直径。该丝厚度比适于商用超导线的厚度大得多，但足以证明导线制造和扩散阻力。图9B是在210℃下退火72小时后的导线900的倒置对比扫描电子显微镜(SEM)显微照片。该退火周期意味着简单地退火外部Cu基体而不影响扩散屏障，因为在这些退火条件下仅产生短程固态扩散。
图9C是表示通过内部扩散和反应过程制造超导线的过程的退火周期之后的导线900的显微照片。首先将导线在210℃下退火72小时(如图9B所示)，然后在400℃下退火48小时，在640℃下退火48小时。如图所示，当Sn已经开始与外部Nb基丝的Nb反应时，内部Sn基丝失去了清晰度。此外，在更积极的退火之后，外部Cu基体的晶粒尺寸增加。尽管具有更积极的退火周期，但扩散屏障是完整的，并且未检测到扩散到外部Cu基体中。图9D是仅在第一退火周期之后(线910)和在更积极的退火序列之后(线920)的导线900的电阻随温度变化的图。如图所示，在更积极的退火序列之后，导线900已经开始在约17.2K处表现出超导转变。在(1)仅第一次退火之后和(2)在更积极的退火序列之后，比较300K和19K的电阻，使用四点探针和0.5安培的电流测量导线900的残余电阻率(RRR)。仅在第一次退火之后的导线900的RRR为113±3，并且在更积极的退火序列之后的导线900的RRR为247±7。三退火序列之后的优良RRR至少部分地由于扩散屏障的扩散阻力防止Cu基体的污染。
这里采用的术语和表达用作描述的术语和表达而不是限制，并且在使用这些术语和表达时，无意排除所示和所述特征的任何等同物或其部分。另外，已经描述了本发明的某些实施例，对于本领域普通技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以使用包含本文公开的概念的其他实施例。因此，所描述的实施例在所有方面都应被视为仅是说明性的而非限制性的。

Claims (26)

1.一种具有扩散阻力和机械强度的超导线，所述超导线包括：
包含Cu的外部导线基体；
设置在所述导线基体内的包括含有0.2％-10％的W的Ta合金的扩散屏障；以及
被所述扩散屏障围绕并通过所述扩散屏障与所述外部导线基体分离的多根复合丝，
其中：
每根复合丝包括(i)多根单丝和(ii)围绕所述多根单丝的包含Cu的包层，
每根单丝包括：包含Nb的芯和围绕所述芯的包含Cu的包层，
所述扩散屏障占据所述超导线的横截面积的3％-10％，
所述扩散屏障延伸穿过所述超导线的轴向尺寸，以及
其中所述复合丝的包层彼此接触。
2.根据权利要求1所述的导线，其中每根单丝的芯包含与Ti、Zr、Hf、Ta、Y或La中的至少一种合金化的Nb。
3.根据权利要求1所述的导线，其中每根单丝的芯包括Nb3Sn。
4.根据权利要求1所述的导线，其中所述扩散屏障包括Ta-3W。
5.根据权利要求1所述的导线，其中所述扩散屏障另外包含选自由Ru、Pt、Pd、Rh、Os、Ir、Mo、Re或Si组成的集合的一种或多种合金元素。
6.根据权利要求1所述的导线，其中每根复合丝具有六边形横截面形状。
7.根据权利要求1所述的导线，其中每根单丝具有六边形横截面形状。
8.根据权利要求1所述的导线，还包括稳定元件，所述稳定元件设置在所述多根复合丝内并被所述扩散屏障围绕，所述稳定元件包括含有0.2％-10％的W的Ta合金。
9.根据权利要求1所述的导线，其中所述超导线的屈服强度为至少100MPa。
10.一种具有扩散阻力和机械强度的超导线，所述超导线包括：
包含Cu的导线基体；以及
嵌入所述导线基体内的多根复合丝，
其中：
每根复合丝包括：(i)多根单丝，(ii)扩散屏障，其包含含有0.2％-10％的W的Ta合金并延伸穿过所述复合丝的轴向尺寸并围绕所述多根单丝，以及(iii)围绕所述扩散屏障的包含Cu的包层，所述扩散屏障将所述包层与所述多根单丝分离，
所述扩散屏障共同占据所述超导线的横截面积的3％-10％，
每根单丝包括包含Nb的芯和围绕所述芯的包含Cu的包层，以及
其中所述复合丝的包层彼此接触。
11.根据权利要求10所述的导线，其中每根单丝的芯包括与Ti、Zr、Hf、Ta、Y或La中的至少一种合金化的Nb。
12.根据权利要求10所述的导线，其中每根单丝的芯包括Nb3Sn。
13.根据权利要求10所述的导线，其中所述扩散屏障包括Ta-3W。
14.根据权利要求10所述的导线，其中所述扩散屏障另外包含选自由Ru、Pt、Pd、Rh、Os、Ir、Mo、Re或Si组成的集合的一种或多种合金元素。
15.根据权利要求10所述的导线，其中所述超导线的屈服强度为至少100MPa。
16.根据权利要求10所述的导线，其中每根复合丝具有六边形横截面形状。
17.根据权利要求10所述的导线，其中每根单丝具有六边形横截面形状。
18.根据权利要求10所述的导线，还包括设置在所述多根复合丝内的稳定元件，所述稳定元件包括含有0.2％-10％的W的Ta合金。
19.一种具有扩散阻力和机械强度的超导线，所述超导线包括：
包含Cu的内部导线稳定基体；
设置在所述导线稳定基体周围的包括含有0.2％-10％的W的Ta合金的扩散屏障；以及
多根复合丝，设置在所述扩散屏障周围并通过所述扩散屏障与所述导线稳定基体分离，
其中：
每根复合丝包括(i)多根单丝以及(ii)围绕所述多根单丝的包含Cu的包层，
每根单丝包括包含Nb的芯和围绕所述芯的包含Cu的包层，
所述扩散屏障占据所述超导线的横截面积的3％-10％，
所述扩散屏障延伸穿过所述导线的轴向尺寸，以及
其中所述复合丝的包层彼此接触。
20.根据权利要求19所述的导线，其中每根单丝的芯包括与Ti、Zr、Hf、Ta、Y或La中的至少一种合金化的Nb。
21.根据权利要求19所述的导线，其中每根单丝的芯包括Nb3Sn。
22.根据权利要求19所述的导线，其中所述扩散屏障包括Ta-3W。
23.根据权利要求19所述的导线，其中所述扩散屏障另外包含选自由Ru、Pt、Pd、Rh、Os、Ir、Mo、Re或Si组成的集合的一种或多种合金元素。
24.根据权利要求19所述的导线，其中所述超导线的屈服强度为至少100MPa。
25.根据权利要求19所述的导线，其中每根复合丝具有六边形横截面形状。
26.根据权利要求19所述的导线，其中每根单丝具有六边形横截面形状。
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