DD289369A5 - HIGH TEMPERATURE SUPERCONDUCTOR - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hochtemperatur-Supraleiter, der beispielsweise fuer Magnete, elektrische Maschinen, Energieuebertragungskabel und bei mikroelektronischen Schaltkreisen anwendbar ist. Der Leiter besteht aus einem Traegermaterial, einer hochtemperatur-supraleitenden Schicht und einer dielektrischen Zwischenschicht aus ZrO2. Erfindungsgemaesz ist die hochtemperatur-supraleitende Schicht unter Vermeidung einer als Diffusionsbarriere dienenden Schicht unmittelbar auf einer amorphen oder teilkristallinen, mittels Plasmaspritzen auf das Traegermaterial aufgetragenen 5 bis 150 mm dicken ZrO2-Zwischenschicht aufgebracht. Diese Zwischenschicht bewirkt eine gute Haftung der Leiterteile untereinander und bildet eine sichere und inerte Diffusionsbarriere.{Hochtemperatur-Supraleiter; Magnete; Energieuebertragungskabel; Schaltkreis; Traegermaterial; supraleitende Schicht; Zwischenschicht; ZrO2; Diffusionsbarriere; Haftschicht}The invention relates to a high-temperature superconductor, which is applicable for example for magnets, electrical machines, energy transmission cables and microelectronic circuits. The conductor consists of a carrier material, a high temperature superconducting layer and a dielectric intermediate layer of ZrO2. According to the invention, the high-temperature superconducting layer, while avoiding a layer serving as a diffusion barrier, is applied directly to an amorphous or partially crystalline, 5 to 150 mm thick ZrO 2 intermediate layer applied to the carrier material by plasma spraying. This intermediate layer ensures good adhesion of the conductor parts to each other and forms a safe and inert diffusion barrier. {High-temperature superconductor; magnets; Energieuebertragungskabel; Circuit; Traegermaterial; superconducting layer; Intermediate layer; ZrO2; Diffusion barrier; Adhesive layer}

Description

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Elektrotechnik und betrifft einen Hochtemperatur-Supraleiter, der beispielsweise für Magnete, elektrische Maschinen, Energieübertragungskabel und bei mikroelektronischen Schaltkreisen anwendbar ist.The invention relates to the field of electrical engineering and relates to a high-temperature superconductor, which is applicable for example for magnets, electrical machines, power transmission cables and microelectronic circuits.

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

Es sind bereits in unterschiedlicher Weise aufgebaute Hochtemperatur-Supraleiter bekannt. Bei einem dieser bekannten Leiter sind auf einem Trägermaterial aus Saphir oder MgO eine mittels Sol-Gel-Technik aufgebrachte haftvermittelnde dielektrische Zwischenschicht aus ZrO₂ und darauf eine Ag-Schicht angeordnet. Auf der Ag-Schioht befindet sich die hochtemperatursupraleitende Schicht. Die Ag-Schicht dient als Diffusionsbarriere zur Vermeidung chemischer Wechselwirkungen zwischen Trägermaterial und supraleitender Schicht und wird mittels Sputtern aufgebracht.There are already known in different ways constructed high-temperature superconductor. In one of these known conductors, an adhesion-promoting dielectric intermediate layer of ZrO ₂ applied by means of sol-gel technology and an Ag layer thereon are arranged on a support material made of sapphire or MgO. On the Ag-Schioht is the high-temperature superconducting layer. The Ag layer serves as a diffusion barrier to avoid chemical interactions between the carrier material and the superconducting layer and is applied by means of sputtering.

Das Aufbringen der Ag-Schicht stellt einen zusätzlichen, aufwendigen technologischen Schritt dar, der sich - auch wegen des Ag-Preises - ungünstig auf die Kosten der Erzeugnisse auswirkt. Ein Mangel der mittels Sol-Gel-Technik aufgebrachten ZrO₂-SChIcIu besteht darin, daß diese auf dem Trägermaterial nur ungenügend haftet. Außerdem tritt in nachteiliger Weise bei der Wärmebehandlung eine Schwindung der Schicht ein.The application of the Ag layer represents an additional, complex technological step, which - also because of the Ag price - adversely affects the cost of the products. A shortcoming of the applied by sol-gel technique ZrO ₂ -SChIcIu is that it adheres to the substrate only insufficient. In addition, shrinkage of the layer occurs disadvantageously in the heat treatment.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung von Voraussetzungen für eine kostengünstige Herstellung von Hochtemperatur-Supraleitern mit hohem Gebrauchswert.The aim of the invention is to create conditions for cost-effective production of high-temperature superconductors with high utility value.

Darlegung des Wesen:« der ErfindungPresentation of the essence: «the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Hochtemperatur-Supraleiter mit einer von einem Trägermaterial getragenen hochtemperatur-supraleitenden Schicht und einer haftvermittelnden dielektrischen Zwischenschicht aus ZrO₂ so auszubilden, daß ein haftfester Verbund der supraleitenden Schicht mit beliebigem Trägermaterial gewährleistet ist und dabei Wechselwirkungen zwischen Trägermaterial und supraleitender Schicht weitgehend ausgeschlossen sind. Diese Aufgabe ist nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die hochtemperatur-supraleitende Schicht unter Vermeidung einer als Diffusionsbarriere dienenden Schicht unmittelbar auf einer amorphen oder teilkristallinen, mittels Plasmaspritzen auf das Trägermaterial aufgetragenen 5 bis 150pm dicken ZrOrZwischenschicht aufgebracht ist.The invention has for its object, high-temperature superconductor with a supported by a carrier material high-temperature superconducting layer and an adhesion-promoting dielectric intermediate layer of ZrO _{2 in} such a way that an adhesive bond of the superconducting layer is ensured with any support material and thereby interactions between the support material and superconducting Layer are largely excluded. This object is according to the invention solved in that the high-temperature superconducting layer is applied while avoiding serving as a diffusion barrier layer directly on an amorphous or semi-crystalline, applied by plasma spraying on the substrate 5 to 150pm thick ZrOr interlayer.

Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung enthält die mittels Plasmaspritzen aufgetragene ZrOrZwischenschicht zusätzlich bis 15 Massenanteile in % Y₂O₃ und/oder bis 30 Massenanteile in % MgO. Vorteilhaft ist es, wenn die Porosität der ZrO^Zwischenschicht <30% ist. Da? Trägermaterial besteht zweckmäßigerweise aus einem Metall, einer Metallegierung oder aus einem oxidkeramischen Werkstoff, vorzugsweise aus AI₂O₃, SiO₂ oder MgO.According to an expedient embodiment of the invention, the ZrOR intermediate layer applied by means of plasma spraying additionally contains up to 15 mass fractions in% Y ₂ O ₃ and / or up to 30 mass fractions in% MgO. It is advantageous if the porosity of the intermediate ZrO 2 layer is <30%. There? The carrier material is expediently composed of a metal, a metal alloy or an oxide-ceramic material, preferably of Al ₂ O ₃ , SiO ₂ or MgO.

Die erfindungsgemäß vorgesehene, mittels Plasmaspritzen aufgebrachte ZrO₂-Zwischenschicht zeichnet sich gegenüber einer in bekannter Weise mittels Sol-Gel-Technik aufgebrachten ZrO₂-Zwischenschicht dadurch aus, daß während der Wärmebehandlung keine Schwindung der Schicht auftritt, sondern bereits bei der Abscheidung ein haftfester, nahezu dichter Verbund mit dem Trägermaterial entsteht. Vorteilhaft ist auch, daß eine Zr-Diffusion aus der erfindungsgemäß vorgesehenen Zwischenschicht nicht stattfindet, wodurch die vom Stand der Technik her bekannte Ag-Diffusionsbarriere entfallen kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß als Trägermaterial auch solche Werkstoffe verwendbar sind, deren Anwendung bisher problematisch ist, wie beispielsweise Cu. Das ergibt sich aus der Tatsache, daß Wechselwirkungen von Trägermaterial und hochtemperatur-supraleitender Schicht mit der mittels Plasmaspritzen aufgebrachten ZrO₂-Zwischenschicht sicher vermieden werden.The inventively provided, applied by plasma spraying ZrO ₂ intermediate layer is distinguished from an applied in a known manner by means of sol-gel technique ZrO ₂ interlayer by the fact that no shrinkage of the film occurs during the heat treatment, but also during the deposition of an adherent, almost dense composite arises with the substrate. It is also advantageous that a Zr diffusion does not take place from the intermediate layer provided according to the invention, as a result of which the Ag diffusion barrier known from the prior art can be dispensed with. Another advantage is that the carrier material and those materials are used whose application has been problematic, such as Cu. This is due to the fact that interactions of carrier material and high-temperature superconducting layer with the applied by plasma spraying ZrO ₂ intermediate layer are reliably avoided.

-2- 289 369 Ausführungsbeispiel Die Erfindung ist nachstehend anhand von zwei Ausführungsbsispielen näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to two exemplary embodiments.

Beispiel 1example 1 Auf einem Trägermaterial aus AI₂O₃ mit annähernd 4 Massenanteilen in % Zusätzen aus SiO₂, TiO₂, Fe₂O₃ und MnO sowie derOn a carrier material of Al ₂ O ₃ with approximately 4 mass proportions in% additives of SiO ₂ , TiO ₂ , Fe ₂ O ₃ and MnO and the Abmessungen 3 χ 1G x 30 mm³ befindet sich eine'! OO μπι dicke (ZrO₂ + MgO) (75/25)-Schicht, die mittels PlasmaspritzenDimensions 3 χ 1G x 30 mm ³ is a '! OO μπι thick (ZrO ₂ + MgO) (75/25) layer, which by means of plasma spraying

aufgebracht ist. Auf dieser Schicht ist eine 150 μιη dicke hochtemperatur-supraleitende Schicht aus Y-Ba-CuO angeordnet. Dieseis applied. On this layer, a 150 μιη thick high-temperature superconducting layer of Y-Ba-CuO is arranged. These

Schicht weist ein T_c, von 92 K und ein T_c0 von 89K auf.Layer has a T _c , of 92 K and a T _c0 of 89K. Zur Herstellung dieses Bauelements werden beim Plasmaspritzen zum Erzeugen der Zwischenschicht auf dem TrägermaterialFor the production of this device are in plasma spraying for producing the intermediate layer on the carrier material

folgende Parameter angewandt: I = 50OA, U = 55V, Plasmagas = Ar + H₂,50l/min, Spritzabstand 130mm. Dasfollowing parameters applied: I = 50OA, U = 55V, plasma gas = Ar + H ₂ , 50l / min, spray distance 130mm. The

Ausgangsmaterial für die hochtemperatur-supraleitende Schicht wird ebenfalls mittels Plasmaspritzen aufgebracht. Das soStarting material for the high-temperature superconducting layer is also applied by means of plasma spraying. That so

beschichtete Trägermaterial wird abschließend einer Wärmebehandlung bei 890^cC/1 h/O₂ sowie nachfolgend bei 450°C/10 h/O₂unterzogen.coated support material is finally subjected to a heat treatment at 890 ^cC / 1 h / O ₂ and subsequently at 450 ° C / 10 h / O ₂ .

Beispiel 2Example 2

Bei diesem Beispiel ist als Trägermaterial Cu mit den Abmessungen 1 χ 40 χ 60mm verwendet. Auf diesem befindet sich eine 30 pm dicke (ZrO₂ + MgO) (75/25)-Srhicht, die mittels Plasmaspritzen aufgebracht ist. Eine darauf angeordnete hochtemperatursupraleitende Schicht gleicht der im Baispiel 1 beschriebenen, ist jedoch nur 100 μπι dick.In this example Cu is used as the carrier material with the dimensions 1 χ 40 χ 60mm. On top of this is a 30 μm thick (ZrO ₂ + MgO) (75/25) layer, which is applied by means of plasma spraying. A high-temperature superconducting layer arranged thereon is similar to that described in example 1, but is only 100 μπι thick.

Die Herstellung dieses Bauelements ist nach der im Beispiel 1 beschriebenen Technologie erfolgt, wobei abweichend davon beim Erzeugen der Zwischenschicht ein Spritzabstand von 150mm angewandt und die Wärmebehandlung bei 920°C/1 h/Luft sowie nachfolgend bei 350°C/20 h/O₂ durchgeführt wurde.The preparation of this component is performed according to the procedure described in Example 1 Technology, said deviating therefrom applied a spray distance of 150 mm in generating the intermediate layer and the heat treatment at 920 ° C / 1 h / air, and subsequently at 350 ° C / 20 h / O ₂ was carried out.

Claims (5)

1. Hochtemperatur-Supraleiter mit einer von einem Trägermaterial getragenen hochtemperatursupraleitenden Schicht und einer haftvermittelnden dielektrischen Zwischenschicht aus ZrO₂, dadurch gekennzeichnet, daß die hochtemperatur-supraleitende Schicht unter Vermeidung einer als Diffusionsbarriere dienenden Schicht unmittelbar auf einer amorphen oder teilkristallinen, mittels Plasmaspritzen auf das Trägermaterial aufgetragenen 5 bis 150Mm dicken ZrO₂-Zwischenschicht aufgebracht ist.1. High-temperature superconductor with a supported by a carrier material high-temperature superconducting layer and an adhesion-promoting dielectric intermediate layer of ZrO ₂ , characterized in that the high-temperature superconducting layer while avoiding serving as a diffusion barrier layer directly on an amorphous or semi-crystalline, by means of plasma spraying on the carrier material applied 5 to 150mm thick ZrO ₂ intermediate layer is applied. 2. Hochtemperatur-Supraleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittels Plasmaspritzen aufgetragene ZrOrZwischenschicht zusätzlich bis 15 Massenanteile in % Y₂O₃ und/oder bis 30 Massenanteile in % MgO enthält.2. High-temperature superconductor according to claim 1, characterized in that the applied by means of plasma spraying ZrOrzwischenschicht additionally contains up to 15 mass fractions in% Y ₂ O ₃ and / or up to 30 mass fractions in% MgO. 3. Hochtemperatur-Supraleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Porosität der ZrOrZwischenschicht <30% ist.3. High-temperature superconductor according to claim 1, characterized in that the porosity of the ZrOR intermediate layer is <30%. 4. Hochtemperatur-Supraleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittels Plasmaspritzen aufgetragene ZrOrZwischenschicht auf ein Trägermaterial aufgebracht ist, das aus einem Metall oder einer Metallegierung oder auseinem oxidkeramischen Werkstoff besteht.4. High-temperature superconductor according to claim 1, characterized in that the applied by means of plasma spraying ZrOrzwischenschicht is applied to a carrier material which consists of a metal or a metal alloy or auseinem an oxide ceramic material. 5. Hochtemperatur-Supraleiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial AI₂O₃, SiO₂ oder MgO ist.5. High-temperature superconductor according to claim 4, characterized in that the carrier material is Al ₂ O ₃ , SiO ₂ or MgO.