DE3877601T2 - Verfahren zum herstellen eines supraleitenden drahtes. - Google Patents
Verfahren zum herstellen eines supraleitenden drahtes.Info
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Drahts, insbesondere ein neues Verfahren zur Herstellung eines Drahts aus keramischem Material, das einen supraleitenden Draht aus keramischem Material bilden kann.
- Kürzlich trat ein Supraleiter aus keramischem Material als Supraleiter in das Rampenlicht. Keramische Supraleiter mit einer Struktur von Perovskit Typ (L&sub2;NlF&sub4;-Typ) sind bekannt gewesen. Z.B. zeigen keramische Supraleiter, wie z.B.(La, Sr)&sub2;CuO&sub4; oder (La, Ba)&sub2;CuO&sub4; eine kritische Temperatur von 30 K oder mehr. Zusätzlich wurden Supraleiter vom Typ Y - Ba - Cu - O mit einer kritischen Temperatur von 90 K oder mehr erhalten, wenn auch ihre Struktur nicht klar ist.
- Diese keramischen Supraleiter wurden erhalten durch Sintern von Rohmaterial-Bestandteilen, die metallische Pulver enthalten, aber die so erzielten keramischen Supraleiter waren merklich brüchig, ließen in der Verformbarkeit zu wünschen übrig und ihre Biegefestigkeit war minderwertig, so daß sie nicht in einen langen Draht überführt werden konnten.
- Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der oben beschriebenen Probleme ausgeführt und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines langen Drahts zu schaffen, der aus einem Supraleiter aus keramischem Material gebildet ist.
- Um die oben beschriebene Aufgabe zu lösen, wird gemäß dem erfindungsgeinäßen Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Drahts ein langes Substrat (dies wird gebraucht in einer allgemeinen Idee, die ein Drahtadermaterial umfaßt) kontinuierlich mit Rohmaterialpulvern, die einen Supraleiter aus keramischem Material einschließen, beschichtet und dann in einem Temperaturbereich gesintert, bei dem eine supraleitende Schicht gebildet werden kann.
- Jedoch werden die Rohmaterialpulver vorzugsweise aus Elementen aus den Gruppen IIa, IIIa, Ib und VIb des periodischen Systems ausgewählt.
- Ferner werden Metalle oder Legierungen mit einer die flüssige Phase erzeugenden Temperatur von 1000ºC oder mehr und einem thermischen Ausdehnungskoeffizient von 10 x 10&supmin;&sup6; oder weniger bevorzugt als das Substrat verwendet.
- Ferner können Metalle oder Legierungen mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 3 µX cm oder mehr als das Substrat verwendet werden und das Sintern in dem Temperaturbereich, bei dem die supraleitende Schicht gebildet werden kann, kann dadurch erfolgen, daß man das Substrat bis zur Hitze unter Strom setzt.
- Gemäß dem Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Drahts der oben beschriebenen Konstruktion wird ein langes Substrat kontinuierlich mit den Rohmaterialpulvern, die einen Supraleiter aus keramischem Material umfassen, beschichtet; man erhält ein langes Drahtelement, das aus den genannten Rohmaterialpulvern und dem Substrat besteht und die Rohmaterialpulver des sich ergebenden Drahtelements werden in dem Temperaturbereich gesintert, bei dem die supraleitende Schicht gebildet werden kann; man erhält so einen supraleitenden Draht, der aus einem, das Substrat und die supraleitenden Materialien umfassenden Schichtkörper gebildet ist.
- Im besonderen kann der supraleitende Draht mit einer hohen kritischen Temperatur erhalten werden, wenn die Rohmaterialpulver verwendet werden, die aus Elementen der Gruppen IIa, IIIa, Ib und VIb des periodischen Systems ausgewählt sind.
- Ferner kann in dem Falle, wo Metalle oder Legierungen mit einer die Flüssigphase erzeugenden Temperatur von 1000ºC oder mehr und einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 10 x 10&supmin;&sup6; oder weniger als das Substrat verwendet werden, die Bildung der flüssigen Phase und der Risse des Supraleiters während des Sinterprozesses verhindert werden. Mit anderen Worten, die für den Sinterprozeß benötigte Temperatur beträgt 900ºC oder mehr, so daß die Verwendung des Substrats mit einer die flüssigen Phase erzeugenden Temperatur von 1000ºC oder mehr zu der Möglichkeit führt, daß das Substrat am Schmelzen gehindert wird. Da sich der Supraleiter während des Sinterprozesses zusammenzieht, führten die Wärmeausdehnung des Substrats und eine übermäßige Zugbeanspruchung an dem Supraleiter zu der Möglichkeit, daß der Supraleiter bricht; jedoch führt die Verwendung des Substrats mit einem thermischen Ausdehungskoeffizienten von 10 x 10&supmin;&sup6; oder weniger zu der Möglichkeit, daß solcher Nachteil verhindert werden kann.
- Ferner kann im Falle, in dem Metalle oder Legierungen mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 3 µX cm oder mehr als das Substrat verwendet werden, das Substrat bis zur Hitze unter Strom gesetzt werden, so dar das Sintern in dem Temperaturbereich, bei dem die supraleitende Schicht gebildet werden kann, leicht und gleichförmig durchgeführt werden kann, indem man das Substrat bis zur Hitze unter Strom setzt.
- Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden im Einzelnen beschrieben. Zuerst wird eine lange Drahtseele als das Substrat, die von einer Seiltrommel abgezogen wird, kontinuierlich mit den Rohmaterialpulvern, die den Supraleiter aus keramischem Material enthalten, beschichtet; man erhält ein Drahtelement mit dem Rohmaterialpulver, das schichtförmig um die Drahtseele herum aufgetragen ist. Verschiedene Verfahrensarten, wie z.B. Extrudieren, Walzen, Elektrophorese, CVD, PVD und Zerstäuben, können als das Verfahren zum schichtförmigen Auftrag der Rohmaterialpulver angewendet werden. Zusätzlich werden biegsame Metalle oder Legierungen mit einer die flüssige Phase erzeugenden Temperatur von 1000ºC oder mehr, einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 10 x 10&supmin;&sup6; oder weniger und einem spezifischen elektrischen Widerstand von 3 µX cm oder mehr, bevorzugt für den Kerndraht verwendet. Der Kerndraht, der diese Bedingungen erfüllt, kann vorzugsweise aus Metallen wie W, Mo, Pt, Ir, Rh, Ta, Ti und Nb oder Legierungen hieraus gebildet sein.
- Ferner können beliebige Rohmaterialpulver umfassende Elemente, die den Supraleiter bilden, in irgendeiner Form der Elemente oder Verbindungen verwendet werden. Diese Elemente umfassen Elemente der Gruppen I, II und III des Periodensystems, Sauerstoff, Stickstoff, Fluor, Chlor, Kohlenstoff, Schwefel usw. Insbesondere umfassen die Rohmaterialpulver wenigstens eine Art von Elementen aus der Gruppe der Elemente der Gruppen Ia, IIa und IIIa des periodischen Systems, wenigstens eine Art von Elementen aus der Gruppe aus Elementen der Gruppen Ib, IIb und IIIb des periodischen Systems und wenigstens einer Art von Elementen aus der Gruppe der Elemente der Gruppe VIb des periodischen Systems, Stickstoff, Fluor und Kohlenstoff. Von den Elementen der Gruppe I des periodischen Systems umfassen die Elemente der Gruppe Ia Li, Na, K, Rb, Cs, Fr usw. und die Elemente der Gruppe Ib des periodischen Systems umfassen Cu, Ag und Au. Ferner umfassen von den Elementen der Gruppe II des periodischen Systems die Elemente der Gruppe IIa des periodischen Systems Be, Mg, Ca, Sr, Ba und Ra ein und die Elemente der Gruppe IIb des periodischen Systems umfassen Zn, Cd usw. Von den Elementen der Gruppe III des periodischen Systems umfassen die Elemente der Gruppe IIIa des periodischen Systems Sc, Y, Lanthaniden, wie z.B. La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Actiniden-Elemente, wie z.B. Ac, usw. Ferner umfassen die Elemente der Gruppe IIIb des periodischen Systems Al, Ga, In, Tl usw. Ferner umfassen die Elemente der Gruppe VIb des periodischen Systems O, S, Se usw.
- Von den oben beschriebenen Elementen werden die Elemente der Gruppen Ib, IIa, IIIa und VIb des periodischen Systems besonders in Kombination bevorzugt. Zusätzlich sind von den Elementen der Gruppe Ib im periodischen System Cu, Ag und Au besonders bevorzugt. Ferner werden von den oben beschriebenen Elementen der Gruppe IIa des periodischen Systems Sr und Ba besonders bevorzugt verwendet und von den Elementen der Gruppe IIIa des periodischen Systems werden Sc, Y und La besonders bevorzugt verwendet.
- Wenigstens eine Art von Elementen oder Verbindungen, die die oben beschriebenen Elemente enthalten, wird in Pulverzustand verwendet. Die Verbindungen können in der Form von Chlorid, Nitrid und Carbid, vorzugsweise Oxid, Carbonat, Sulfid oder Fluorid, besonders bevorzugt als Sauerstoff enthaltendes Oxid oder Carbonat verwendet werden.
- Die oben beschriebenen Rohmaterialpulver werden in der Form von Gemischen mit einem geeigneten Verhältnis, das von der Zusammensetzung des gewünschten Supraleiters abhängt, verwendet. Ferner werden die Rohmaterialpulver gleichmäßig schichtförmig aufgetragen, so daß sie vollständig den äußeren Umfang des Drahtkerns bedecken.
- Anschließend wird der Drahtkernanteil des erhaltenen Drahtelements bis zur Hitze unter Strom gesetzt und die um den Drahtkern herum gebildete auf getragene Schicht wird in dem Temperaturbereich, bei dem die supraleitende Schicht gebildet werden kann, gesindert; man erhält so den aus einem Schichtkörper gebildeten Supraleiter, der den Drahtkern und den auf dessen umfänglicher Außenseite liegenden Oberfläche gebildeten Supraleiter umfaßt. Hier kann die Verwendung des Drahtkerns mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 3 µX cm oder mehr zu der Wirkung als ein ausgezeichneter Heizkörper führen. Ferner führt die Verwendung des Kerndrahts mit einer die Flüssigphase erzeugenden Temperatur von 1000ºC oder mehr dazu, daß die Erzeugung der Flüssigphase während des Sinterverfahrens verhindert wird, und die Verwendung des Drahtkerns mit einem thermischen Expansionskoeffizienten von 10 x 10&supmin;&sup6; oder weniger führt zur Verhinderung von Rissen oder Sprüngen, die aufgrund der Wirkung von übermäßiger Zugbeanspruchung auf den Supraleiter erzeugt werden, wenn der Supraleiter während des Sinterverfahrens sich zusammenzieht. Ferner kann bei dem oben beschriebenen Sinterverfahren ein Heizofen an Stelle des Erhitzens durch Unterstromsetzen verwendet werden.
- Da der supraleitende Draht, der in der oben beschriebenen Weise erhalten wurde, aus dem Schichtkörper gebildet wird, der den Kerndraht und den Supraleiter umfaßt, können die Nachteile der Brüchigkeit, der unzureichenden Duktilität und einer reduzierten Biegefestigkeit, die bei einem einzelnen Supraleiter auftreten, durch den Drahtkern kompensiert werden. Mit anderen Worten, Eigenschaften, wie z.B. Festigkeit und Biegsamkeit, die von dem Draht verlangt werden, können durch den Drahtkern sichergestellt werden.
- Insbesondere führt die Verwendung von Rohmaterialpulvern aus den Elementen aus den Gruppen IIa, IIIa, Ib und VIb des periodischen Systems dazu, dar der supraleitende Draht mit einer kritischen Temperatur von 45 K oder mehr erhalten wird.
- Ferner ist das Verfahren zur Erzeugung eines supraleitenden Draht gemäß der vorliegenden Erfindung nicht auf die oben beschriebene bevorzugte Ausführungsform eingeschränkt. Verschiedene Arten der Modifizierung können angewandt werden, ohne den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Z.B. kann ein Bandmaterial an Stelle des oben genannten Drahtkerns als Substrat verwendet werden und die Oberfläche oder beide Oberflächen dieses Bandmaterials werden mit den Rohmaterialpulvern zur Erzielung eines bandförmigen supraleitenden Drahts beschichtet.
- Wie oben beschrieben, wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung eines supraleitenden Drahts das lange Substrat kontinuierlich mit den Rohmaterialpulvern, die den Supraleiter aus keramischem Material umfassen, beschichtet und dann gesintert, so daß ein besonderer Effekt dahingehend auftritt, daß der supraleitende Draht aus keramischem Material, dessen Herstellung angeblich unmöglich ist, leicht erhalten werden kann.
Claims (4)
1. Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Drahtes,
dadurch gekennzeichnet, daß ein langes Substrat
kontinuierlich mit Rohmaterialpulvern beschichtet wird, die
einen Supraleiter aus keramischem Material umfassen,
und dann in einem Temperaturbereich gesintert wird, bei
dem eine supraleitende Schicht gebildet werden kann.
2. Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Drahts
nach Anspruch 1, wobei die Rohmaterialpulver aus
Elementen aus den Gruppen: IIa, IIIa, Ib und VIb des
periodischen Systems gebildet werden.
3. Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Drahts
nach Anspruch 1, wobei das Substrat aus Metallen oder
Legierungen gebildet wird, die eine Temperatur zur
Erzeugung der flüssigen Phase von 1000ºC oder mehr und
einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von
10 x 10&supmin;&sup6; oder weniger besitzen.
4. Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Drahts
nach Anspruch 1, wobei Metalle oder Legierungen mit
einem spezifischen elektrischen Widerstand von 3 µX cm
oder mehr als das Substrat verwendet werden und das
Sintern in dem Temperaturbereich, bei dem die
supraleitende Schicht gebildet werden kann, durch
Unterstromsetzen des Substrats bis zur Hitze durchgeführt wird.
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