DE2734410A1

DE2734410A1 - Verfahren zur herstellung eines supraleiters

Info

Publication number: DE2734410A1
Application number: DE19772734410
Authority: DE
Inventors: Peter Lanig
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-07-29
Filing date: 1977-07-29
Publication date: 1979-02-01
Also published as: GB1594774A; DE2734410C3; DE2734410B2; FR2399131A1; US4236297A; FR2399131B1

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT J Unser Zeichen Berlin und München VPA 77 P 7 5 3 8 BRO

Verfahren zur Herstellung eines Supraleiters

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Supraleiters mit mindestens einer Ader aus einer supraleitenden Verbindung, die aus mindestens zwei Komponenten gebildet wird, bei dem ein Leitervorprodukt mit diesen Komponenten zunächst auf einen Wickelkörper aufgebracht und dabei zumindest zwischen aneinanderliegenden Oberflächenteilen dieses Leitervorproduktes ein kohlenstoffhaltiges Trennmittel vorgesehen wird, daran anschlleSend eine Wärmebehandlung zur Bildung der supraleitenden Verbindung vorgenonaen wird und schließlich der so entstandene supra leitende Körper zur Weiterverarbeitung von dem Wickelkörper wieder abgewickelt wird.

Supraleitende intermetallische Verbindungen vom Typ A,B mit A15-Kristallstruktur wie beispielsweise Nb,Sn oder V,Ga haben sehr gute Supraleitungseigenschaften und zeichnen sich insbesondere durch ein hohes kritisches Magnetfeld Β~, eine hohe Sprungtemperatur T. und eine hohe kritische Stromdichte J aus. Leiter mit diesen Materialien sind deshalb besonders fUr Supraleitungsmugnetspulen zum Erzeugen starker Magnetfelder geeignet. Neben diesen Binärverbindungen sind auch Ternärverbindungen wie beispielsweise Niob-Aluminium-Germanium Nb,Al_{Q Q}Öe_{0 2} ^für Leiter solcher Magnete besonders interessant.

SIm 2 Hag / 19. 7. 1977 - 2 -

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Diese intermetallischen Verbindungen sind jedoch im allgemeinen sehr spröde, so daß ihre Herstellung in einer beispielsweise fUr Nagnetspulen geeigneten Form mit Schwierigkeiten verbunden ist. Es sind deshalb besondere Verfahren entwickelt worden, mit denen Supraleiter mit diesen Verbindungen in Form langer Drähte oder Bänder hergestellt werden können. Diese Verfahren ermöglichen insbesondere eine Herstellung von sogenannten Vielkernleitern, die eine Matrix aus normalleitendem Material enthalten, in der Drähte aus den genannten Verbindungen, beispielsweise Nb,Sn- oder V,Ga-Drähte oder Niob- bzw. Vanadium-Drähte mit Oberflächenschichten aus diesen Verbindungen eingebettet sind. Dabei wird eine erste Komponente, die im allgemeinen ein drahtförmiges duktiles Element der herzustellenden intermetallischen Verbindung wie beispielsweise ein Niob- oder Vanadium-Draht ist, mit einer HUlIe aus einer weiteren Komponente umgeben. Diese Komponente besteht zum Beispiel aus einem duktilen Trägermetall und einer die übrigen Elemente der Verbindung enthaltenden Legierung, beispielsweise aus einer Kupfer-Zlnn-Legierung oder einer Kupfer-Gallium-Legierung. Man kann auch eine Vielzahl solcher Drähte in eine Matrix aus der Legierung einlagern. Der Aufbau aus diesen beiden Komponenten wird dann einer querschnittsverringernden Bearbeitung unterzogen. Dadurch erhält man einen langen Draht, wie er für Spulen benötigt wird.

Außerdem wird bei dieser Bearbeitung der Durchmesser der

beispielsweise aus Niob oder Vanadium bestehenden Drahtkerne auf einen niedrigen Wert in der Größenordnung von etwa 30 bis 50 /um oder weniger reduziert und damit die Supraleitungseigenschaften des schließlich hergestellten Leiters verbessert.

Ferner erhält man durch diesen Verfahrensschritt eine gute metallurgische Verbindung zwischen den Drahtkernen und dem sie umgebenden Matrixmaterial aus der Legierung, ohne daß jedoch Reaktionen auftreten, die den Leiter verspröden würden. Nach der Querschnittsverringerung wird dann das aus einem oder mehreren Drahtkernen und dem umgebenden Matrixmaterial bestehende Leitervorprodukt eines Supraleiters einer Wärmebehandlung derart unterzogen, daß die gewünschte

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supraleitende Verbindung durch eine Reaktion des Kernmaterials mit dem in der umgebenden Matrix enthaltenen weiteren Element der Verbindung gebildet wird. Das in der Matrix enthaltene Element diffundiert dabei Jn das aus dem anderen Element der Verbindung bestehende Kernmaterial ein und reagiert mit diesem unter Bildung einer aus der gewünschten intermetallischen Verbindung bestehenden Schicht (deutsche Offenlegungsschrift 20 44 660).

Supraleitende Magnetspulen aus solchen Supraleitern werden im allgemeinen nach zwei verschiedenen Verfahren hergestellt. Bei dem ersten Verfahren, das auch als "wind and react-Technik" bezeichnet wird, bewickelt man zunächst den Spulenkörper mit dem noch nicht durchreagierten Leitervorprodukt des Supraleiters und setzt dann die gesamte so bewickelte Spule einer DiffusionsglUhung aus. Damit hat man alle Schwierigkeiten bei der Verarbeitung eines spröden Leitermaterials vermieden. Auch Jst es so möglich. Spulen mit sehr kleinen Innendurchmessern mit noch verhältnismäßig dicken Leitern zu fertigen.

Bei diesem Verfahren müssen jedoch alle zum Bau der Spule verwendeten Materialien die fUr eine DiffusionsglUhung erforderlichen hohen Temperaturen, die im Falle von Niob-Zinn Über 700°C liegen, mehrere Stunden lang aushalten können.

Das zweite Verfahren zur Herstellung von supraleitenden Magnetspulen mit den genannten Supraleitern ist das sogenannte "react first-wind than-Verfahren". Bei diesem Verfahren wird auf einen provisorischen Wickelkörper das Leitervorprodukt des herzustellenden Supraleiters aufgewickelt und dann der erforderlichen Wärmebehandlung zur Bildung der supraleitenden Verbindung ausgesetzt. Daran anschließend wird der so hergestellte Supraleiter wieder von dem Wickelkörper abgewickelt und kann weiterverarbeitet werden. Bei diesem Verfahren besteht jedoch die Gefahr des Zusammenbackens der Windungen untereinander und mit der Wickelunterlage während der Wärmebehandlung. Um dieses Zusammenbacken der Windungen zu verhindern, sind besondere Trennmittel erforderlich, die zwischen den

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einzelnen Windungen des Leitervorproduktes angeordnet werden müssen. Als Trennmittel werden beispielsweise Kupfer-Beryllium- und Tantal-Folien verwendet. Diese Trennfolien sind jedoch verhältnismäßig kostspielig. Außerdem besteht bei ihnen die Gefahr von Beschädigungen des Supraleiters an Stoßkanten, an denen einzelne Teile dieser Folien aneinandergefügt sind, sowie an den Übergängen von einer Lage zur nächsten Lage des Leiters auf dem Wickelkörper bei einer mehrlagigen Anordnung. Diese Gefahr besteht zwar bei der Verwendung von Trenn mitteln wie Magnesium-Aufschlämmungen (deutsche Offenlegungs- schrift 22 05 308) oder eines Kohlenstoffüberzugs (deutsche Offenlegungsschrift 22 61 877) nicht. Jedoch können sich bei Verwendung dieser Trennmittel die Windungen an einzelnen Stellen berühren, falls sie sich bei der Glühung lockern.

An diesen Berührungsstellen können die Windungen dann zusammenbacken. Außerdem verbleiben störende Schichten auf dem so hergestellten Supraleiter, die in einem Nachbearbeitungsprozeß erst wieder entfernt werden müssen.

Darüber hinaus sind für den Bau großer Magnete oft Supraleiter von mehreren Kilometern Länge erforderlich. Da bekanntlich Lötstellen zwischen einzelnen Supraleiterstückeη Gefahrenquellen darstellen, bedingt die Forderung nach großen Leiterlängen im allgemeinen eine mehrlagige Abordnung auf dem Wickel- körper zur DiffusionsglUhung, bei der die einzelnen Lagen des Leitervorproduktes sicher voneinander getrennt sein müssen.

Außerdem sind nach diesem zweiten Verfahren hergestellte Mehrkernleiter auch sehr empfindlich gegen Biegungen und Zug.

Ihre spröden A15-Phasen sind nämlich im allgemeinen in ein weiches Matrixmaterial, beispielsweise in eine Bronze eingebettet, das nur eine geringe mechanische Belastung aufnehmen kann. Eine zu starke Dehnung des Leiters muß also vermieden werden.

Eine weitere Schwierigkeit ergibt sich aufgrund einer bleibenden Längenänderung von nach diesem Verfahren hergestellten Mehr-

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kernleitern nach der DiffusionsglUhung, d.h. die aufgebrachten Windungen liegen nach der Glühung nur locker auf der Jeweiligen Unterlage, so daß beim Abwickeln die oberen Lagen mit den darunterliegenden zusammenrutschen können und so nicht mehr 5 ohne Schäden zu trennen sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Herstellung eines Supraleiters nach der "react first-wind than-Technik" anzugeben, bei dem die genannten Schwierigkeiten nicht oder nur in unwesentlichem Umfange auftreten.

Diese Aufgabe wird für ein Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Trennmittel ein Graphitgewebe oder eine Graphitfolie verwendet wird.

Die Vorteile dieses Verfahrens bestehen insbesondere darin, daß eine dünne Schicht aus dem Graphitgewebe oder der Graphitfolie sehr gute Trenneigenschaften besitzt und außerdem etwas elastisch ist, so daß die Lockerung der Wicklung bei dem Wärmebehandlungsschritt zur Bildung der supraleitenden Verbindung gedämpft wird. Außerdem kann ein solches Gewebe oder eine solche Folie stoßfrei aneinandergefügt, beispielsweise geklebt werden. Da dieses Trennmittel auch bei hohen Diffusionstemperaturen keinerlei Reaktionen mit den Komponenten des Leitervorproduktes eingeht, hinterläßt es auch keine störenden Schichten auf dem nach diesem Verfahren hergestellten Supraleiter.

Vorteilhaft kann der Wickelkörper mit mehreren Lagen aus dem Leitervorprodukt bewickelt werden, wobei zwischen den benachbarten Windungen jeder Lage ein vorbestimmter Zwischenraum freigelassen wird, und können der Wickelkörper und jede Wicklungslage, bis auf die äußerste Wicklungslage, mit dem Graphitgewebe oder der Graphitfolie stoßfrei umhüllt werden. Bei einer solchen mehrlagigen Anordnung sind während der Wärmebehandlung zur Bildung der supraleitenden Verbindung sowohl die einzelnen Lagen mit Hilfe des Trennmittels als

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auch die einzelnen Windungen einer Lage aufgrund der zwischen ihnen vorhandenen Zwischenräume sicher voneinander getrennt, so daß ein Aneinanderbacken der einzelnen Windungen und die Gefahr einer Beeinträchtigung der supraleitenden Leitereigenschäften aufgrund von Stoßstellen ausgeschlossen ist.

Zur weiteren Erläuterung des Verfahrens nach der Erfindung und dessen in den UnteransprUchen gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein mit einem Leitervorprodukt bewickelter Wickelkörper schematisch im Querschnitt veranschaulicht ist.

Dem AusfUhrungsbelspiel ist die Herstellung eines Nb,Sn-Mehrkernleiters nach dem Verfahren gemäß der Erfindung zugrunde- gelegt. Dabei wird zunächst ein Leitervorprodukt gebildet, das in bekannter Weise als erste Komponente eine Vielzahl von Niob-Filamenten enthalten kann, die in einer Bronzematrix als zwelterKomponente eingelagert sind. Die Bronzematrix hat beispielsweise einen rechteckigen Querschnitt von 0,65 mm χ 0,25 mm und enthält 1615 Niob-Filamente. Da ein Wickelkörper 2, der beispielsweise aus einem Rohr aus rostfreiem Stahl (zum Beispiel V2A-Stahl) von etwa 155 mm Länge und 55 mm Durchmesser besteht, das an seinen Enden aufgebördelt 1st, mit mehreren hundert Metern dieses Leitervor- Produktes bewickelt werden soll, ist eine mehrlagige Bewicklung des Wickelkörpers erforderlich. Vor der Bewicklung des Wicklungskörpers mit der ersten Lage aus diesem Leitervorprodukt umhüllt man zunächst die zu bewickelnde Zylinderfläche dieses Wickelkörpers mit einer Lage aus einem Graphit- gewebe, das beispielsweise 0,15 mm stark ist. Das Graphitgewebe wird dabei zweckmäßig so an dem Wickelkörper befestigt, beispielsweise geklebt, daß keine Stoßstellen auftreten. Hierfür kann beispielsweise in axialer Richtung auf dem Wickelkörper 2 aufgeklebtes, beidseitig klebendes Kunst stoffband 3 dienen, an dessen Mitte eine vorbereitete Bahn des Graphitgewebes angesetzt, um die zylindrische Wickelfläche des Wickelkörpers herumgelegt und auf der anderen Hälfte des

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Klebebandes 3 festgeklebt wird. Überstehendes Graphitgewebe wird dann abgeschnitten, so daß an einem so entstandenen Stoß h keine Erhöhung entsteht. Es ergibt sich so eine geschlossene Umhüllung 5 um die zu bewickelnde Zylinderfläche des Wickelkörpers 2 mit einer Längsnaht. Um diese Umhüllung 5 aus dem Graphitgewebe wird nun die erste Lage aus dem Leitervorprodukt schraubenförmig mit einer solchen Steigung gewickelt, daß ein vorbestimmter, geringer Abstand 6 zwischen benachbarten Windungen ausgebildet wird. Aufgrund dieses Abstandes wird bei einer nachfolgenden DiffusionsglUhung ein Zusammenbacken der einzelnen Windungen vermieden. Im Schnitt der Figur sind die rechteckig· Gestalt der mit 7 bezeichneten Querschnittsfläche des Leitervorproduktes sowie einige der in der Matrix eingelagerten Filamente ersichtlich.

Die so aus den einzelnen Windungen des Leitervorproduktes ausgebildete erste Wicklungslage 8 wird nun mit einer weiteren Umhüllung 9 aus Graphjtgewebe umschlossen, die in gleicher Weise wie die Umhüllung 5 hergestellt wird. Um diese Umhüllung 9 kann eine weitere Lage 10 aus dem Leitervorprodukt gewickelt werden, wobei beachtet werden muß, daß beim übergang von der Lage 8 auf die Lage 10 eine unzulässige Deformation des Leitervorproduktes vermieden wird. Aus diesem Grunde darf auch das Graphitgewebe nicht zu dick sein, weil sonst eine Stufe beim übergang auf die nächste Lage entstehen kann.

In der Figur ist noch eine weitere Umhüllung 11 aus Graphitgewebe angedeutet, die diese Lage 10 aus dem Leitervorprodukt umschließt. Um diese Umhüllung 11 ist noch eine weitere Lage 12 aus dem Leitervorprodukt gewickelt. Die äußerste Lage aus dem Leitervorprodukt braucht nicht mit einem Graphitgewebe umschlossen zu werden.

In der Figur sind nur drei Lagen aus dem Leitervorprodukt dargestellt. Je nach Länge des herzustelenden Supraleiters können jedoch auch wesentlich mehr Lagen mit zwischen ihnen

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angeordneten Umhüllungen aus Graphitgewebe erforderlich werden.

Mit Hilfe der Klebestreifen 3 wird das Graphitgewebe während des Aufwickelvorganges auf der jeweiligen Wickelunterlage, d.h. entweder auf dem Wickelkörper 2 oder auf einer aus dem Leitervorprodukt gewickelten Lage, festgehalten. Geeignete Klebematerialien hierfür gehen keine Reaktion mit den Leitermaterialien ein und hinterlassen auch keine Deckschichten auf dem Leiterendprodukt. Als Kleber ist beispielsweise beidseitig klebender Tesa-Film von etwa 15 mm Breite geeignet.

Der mit dem Leitervorprodukt bewickelte Wickelkörper kann nun unter Vakuum bei einer Temperatur, die unterhalb der Diffusionstemperatur zur Bildung der supraleitenden Verbindung liegt, ausgeheizt werden, um Bindemittel aus dem Graphitgewebe und den Kleber an den Stoßstellen k in den Hüllen 5, 9, 11 aus Graphitgewebe auszutreiben. Dabei werden auch die den Kleber tragenden Kunststoffolien 3 vorteilhaft zu Kohlenstoff umgesetzt. Beispielsweise kann der fertig bewickelte Wi«
heizt werden.

bewickelte Wickelkörper bei 500⁰C eine Stunde lang ausge-

Nach diesem Ausheizen erfolgt die DiffusionsglUhung zur Bildung der intermetallischen supraleitenden Verbindung beispielsweise bei 700°C etwa 24 Stunden lang. Nach der DiffusionsglUhung kann der so hergestellte supraleitende Nb,Sn-Mehrkernleiter von dem Wickelkörper abgewickelt werden. Da auf der Oberfläche dieses Leiters praktisch keine Rückstände vorhanden sind, läßt er sich gut verzinnen und verlöten. Durch ein Verlöten mehrerer solcher Rechteckleiter nebeneinander erhält man einen Leiter mit großem Seitenverhältnis, der dann besser biegbar ist als beispielsweise ein Rundleiter mit gleicher Querschnittsfläche. Zugleich bleibt auch die sogenannte !(,-Degradation dieses Leiters infolge des sogenannten Anisotropieeffektes kleiner als bei einem monolithischen

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Rechteckleiter gleicher Abmessung. PUr den Spulenaufbau

ermöglicht das Veröten auch ein rationelles Graduieren der Wicklung mit einem einzigen Standardleiter.

Dem AusfUhrungsbeispiel ist zwar ein Herstellungsverfahren zur Bildung der supraleitenden Intermetallischen Verbindung Nb,Sn zugrundegelegt. Das Verfahren gemäß der Erfindung eignet sich jedoch ebensogut für alle bekannten supraleitenden Verbindungen,die in Diffusionstechnik aus zwei Komponenten mit jeweils mindestens einem Element durch Wärmebehandlung ausgebildet werden. Solche Verbindungen sind beispielsweise V₃Ga oder V₃Si.

6 Patentansprüche 1 Figur

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Leerseite

Claims

Patentansprüche 77P 7 538 BRD

1.) Verfahren zur Herstellung eines Supraleiters mit mindestens einer Ader aus einer supraleitenden Verbindung, die aus mindestens zwei Komponenten gebildet wird, bei dem ein Leitervorprodukt mit diesen Komponenten zunächst auf einen Wickelkörper aufgebracht und dabei zumindest zwischen aneinanderliegenden Oberflächenteilen dieses Leitervorproduktes ein kohlenstoffhaltiges Trennmittel vorgesehen wird, daran anschließend eine Wärmebehandlung zur Bildung der supraleitenden Verbindung vorgenommen wird und schließlich der so entstandene supraleitende Körper zur Weiterverarbeitung von dem Wickelkörper abgewickelt wird, dadurch gekennzeichnet , daß als Trennmittel ein Graphitgewebe oder eine Graphitfolie verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wickelkörper (2) mit mehreren Lagen (8, 10, 12) aus dem Leitervorprodukt bewickelt wird, wobei zwischen benachbarten Windungen jeder Lage ein vorbestimmter Zwischenraum (6) freigelassen wird, und daß der Wickelkörper (2) und jede Wicklungslage (8, 10), bis auf die äußerste Wicklungslage (12), mit dem Graphitgewebe bzw. der Graphitfolie stoßfrei umhUllt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Teile des Graphitgewebes bzw. der Graphitfolie stoßfrei aneinandergeklebt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Wärmebehandlung zur Bildung der supraleitenden Verbindung bei einer im Vergleich zu der Wärmebehandlungstemperatur niedrigeren Temperatur das für die Klebung erforderliche Klebemittel unter Vakuum ausgetrieben wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein dünner Klebefilm (3) verwendet wird, der bei der niedrigeren Temperatur zu Kohlenstoff umgesetzt wird.

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ORIGINAL INSPECTED

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer mehrlagigen Bewicklung des Wickelkörpers (2) ein Graphitgewebe oder eine Graphitfolie mit einer Stärke verwendet wird, die kleiner ist als die Dicke des Leitervorproduktes.

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