DE4444938B4 - Process for the preparation of an elongated bismuth cuprate superconductor - Google Patents

Process for the preparation of an elongated bismuth cuprate superconductor Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines langgestreckten Supraleiters mit mindestens einer in einem normalleitenden Träger aus Ag-Material eingebetteten supraleitenden Leiterader, die zumindest zu einem Teil Supraleitermaterial mit einer Hoch-Tc-Phase vom Typ Bi2Sr2Ca2Cu3O10+x enthält, bei welchem Verfahren
a) ein Ausgangsprodukt des Leiters aus dem Trägermaterial mit einem Kern aus einem Vorprodukt des Supraleitermaterials erstellt wird, das einen gegenüber der Stöchiometrie der Hoch-Tc-Phase erhöhten Sauerstoffanteil aufweist,
b) das Ausgangsprodukt mittels mindestens einer insbesondere querschnittsvermindernden Verformungsbehandlung in ein Zwischenprodukt überführt wird, und
c) das Zwischenprodukt mindestens einer Glühbehandlung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre zur Ausbildung der Hoch-Tc-Phase unterzogen wird,
dadurch gekennzeichnet, dass vor der Erstellung des Ausgangsprodukts das Vorproduktmaterial einer sauerstoffentziehenden Behandlung unter einem Vakuum von unter 10–2 mbar vorgenommen wird.
Method for producing an elongate superconductor having at least one superconducting conductor core embedded in a normal-conducting carrier made of Ag material, which contains, at least in part, superconducting material with a high-Tc phase of the type Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 + x , in which method
a) a starting product of the conductor is produced from the carrier material with a core of a precursor of the superconducting material, which has a relation to the stoichiometry of the high-Tc phase increased oxygen content,
b) the starting product is converted by means of at least one particular cross-section reducing deformation treatment in an intermediate, and
c) subjecting the intermediate to at least one annealing treatment in an oxygen-containing atmosphere to form the high-T c phase,
characterized in that before the preparation of the starting product, the precursor material of an oxygen-depriving treatment under a vacuum of less than 10 -2 mbar is made.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines langgestreckten Supraleiters mit mindestens einer in einem normalleitenden Träger aus Ag-Material eingebetteten supraleitenden Leiterader, die zumindest zu einem Teil ein Supraleitermaterial mit einer Hoch-Tc-Phase vom Typ Bi2Sr2Ca2Cu3O10+X enthält. Bei diesem Verfahren werden folgende Verfahrensschritte durchgeführt:

  • a) Es wird ein Ausgangsprodukt des Leiters aus dem Trägermaterial mit einem Kern aus einem Vorprodukt des Supraleitermaterials erstellt, das einen gegenüber der Stöchiometrie der Hoch-Tc-Phase erhöhten Sauerstoffanteil aufweist,
  • b) das Ausgangsprodukt wird mittels einer insbesondere querschnittsvermindernden Verformungsbehandlung in ein Zwischenprodukt überführt,
  • c) das Zwischenprodukt wird mindestens einer Glühbehandlung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre zur Ausbildung der Hoch-Tc-Phase unterzogen,
  • d) wobei das Vorproduktmaterial einer gasentziehenden Behandlung unterzogen wird.
The invention relates to a method for producing an elongate superconductor having at least one superconducting conductor core embedded in a normal-conducting carrier made of Ag material, which at least in part comprises a superconducting material having a high-T c phase of the type Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 + X contains. In this process, the following process steps are carried out:
  • a) A starting product of the conductor is produced from the carrier material with a core of a precursor of the superconducting material, which has an oxygen content which is increased in relation to the stoichiometry of the high-T c phase,
  • b) the starting material is converted into an intermediate product by means of a deformation treatment which reduces cross-section in particular,
  • c) the intermediate product is subjected to at least one annealing treatment in an oxygen-containing atmosphere to form the high-T c phase,
  • d) wherein the precursor material is subjected to a gas-extractive treatment.

Ein entsprechendes Verfahren ist aus der EP 0 496 281 A1 bekannnt. Ein vergleichbares Verfahren ohne Gasentzug ist dem Beitrag von M. Wilhem et al. mit dem Titel "Fabrication and Properties of Multifilamentary BiPbSrCaCuO-2223 Tapes" des "International Symposium on Superconductivity" (ISS'93), Hiroshima (JP), Oct. 26-29, 1993, zu entnehmen. Aus der DE 42 28 067 A1 sind einschlägige Glühbehandlungen und Walzverfahren bekannt.A corresponding method is from the EP 0 496 281 A1 bekannnt. A similar procedure without gas withdrawal is the contribution of M. Wilhem et al. entitled "Fabrication and Properties of Multifilamentary BiPbSrCaCuO-2223 Tapes" of the International Symposium on Superconductivity (ISS'93), Hiroshima (JP), Oct. 26-29, 1993. From the DE 42 28 067 A1 For example, relevant annealing and rolling processes are known.

Unter bekannte supraleitende Metalloxidverbindungen mit hohen Sprungtemperaturen Tc von über 77K, die deshalb auch als Hoch-Tc-Supraleitermaterialien (Abkürzung: HTSL-Materialien) bezeichnet werden, fallen insbesondere Cuprate auf Basis des Bismut-Stoffsystems Bi-Sr-Ca-Cu-O (Abkürzung: BSCCO) oder Bi(Pb)-Sr-Ca-Cu-O (Abkürzung: B(P)SCCO). Innerhalb dieses Stoffsystems treten zwei supraleitende Phasen auf, die sich durch die Anzahl der Kupfer-Sauerstoff-Netzebenen (-Schichten) innerhalb der kristallinen Einheitszelle unterscheiden. Eine supraleitende Phase mit der ungefähren Zusammensetzung Bi2Sr2CaCu2O8+y hat eine Sprungtemperatur Tc von etwa 85 K (sogenannter 2-Schichter/sogenannte 85 K- bzw. 2212-Phase), während die Sprungtemperatur einer supraleitenden Phase mit der ungefähren Zusammensetzung Bi2Sr2Ca2Cu3O10+x bei etwa 110 K liegt (sogenannter 3-Schichter oder sogenannte 110 K- bzw. 2223-Phase).Among known superconducting metal oxide compounds with high transition temperatures T c of more than 77K, which are therefore also referred to as high-T c superconducting materials (abbreviation: HTSC materials), in particular cuprates based on the bismuth system Bi-Sr-Ca-Cu O (abbreviation: BSCCO) or Bi (Pb) -Sr-Ca-Cu-O (abbreviation: B (P) SCCO). Within this material system, two superconducting phases occur, which differ in the number of copper-oxygen lattice planes (layers) within the crystalline unit cell. A superconducting phase having the approximate composition Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 + y has a transition temperature T c of about 85 K (so-called 2-layer / so-called 85 K or 2212 phase), while the transition temperature of a superconducting phase with of the approximate composition Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 + x is about 110 K (so-called 3-layer or so-called 110 K or 2223 phase).

Mit diesen HTSL-Materialien wird versucht, langgestreckte Supraleiter in Draht- oder Bandform herzustellen. Ein hierfür als geeignet angesehenes Verfahren ist die sogenannte "Pulver-im-Rohr-Technik", die prinzipiell von der Herstellung von Supraleitern mit dem klassischen metallischen Supraleitermaterial Nb3Sn her bekannt ist (vgl. z.B. die DE-AS 1 257 436). Entsprechend dieser Technik wird auch zur Herstellung von Leitern mit HTSL-Material in einen rohrförmigen Träger bzw. in eine Matrix aus einem normalleitenden Material, insbesondere aus Ag oder einer Ag-Legierung, Pulver aus einem Vorprodukt des HTSL-Materials eingebracht, das im allgemeinen noch nicht oder nur zu einem geringen Teil die gewünschte supraleitende Hoch-Tc-Phase enthält. Der so zu erhaltende Aufbau wird anschließend mittels Verformungsbehandlungen, die gegebenenfalls durch mindestens eine Wärmebehandlung unterbrochen sein können, auf die gewünschte Enddimension gebracht. Danach wird der so erhaltene draht- oder bandförmige Verbundkörper zur Einstellung oder Optimierung seiner supraleitenden Eigenschaften bzw. zur Ausbildung der gewünschten Hoch-Tc-Phase mindestens einer Wärmebehandlung unterzogen , die wenigstens teilweise in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, z.B. an Luft, durchgeführt wird (vgl. den eingangs genannten Beitrag des ISS'93 oder "Supercon. Sci. Technol.", Vol. 4, 1991, Seiten 165 bis 171).With these HTSC materials it is attempted to produce elongated superconductors in wire or ribbon form. A method considered suitable for this purpose is the so-called "powder-in-tube technique", which is known in principle from the production of superconductors with the classical metallic superconducting material Nb 3 Sn (cf., for example, DE-AS 1 257 436). According to this technique, for the production of conductors with HTSC material in a tubular support or in a matrix of a normal conductive material, in particular of Ag or an Ag alloy, introduced powder of a precursor of the HTSC material, the generally still not or only to a small extent contains the desired superconducting high-T c phase. The structure to be obtained in this way is then brought to the desired final dimension by means of deformation treatments, which may optionally be interrupted by at least one heat treatment. Thereafter, the thus obtained wire or tape-shaped composite body for adjusting or optimizing its superconducting properties or to form the desired high-T c phase at least subjected to a heat treatment, which is at least partially in an oxygen-containing atmosphere, for example in air, carried out (see the contribution by ISS'93 or "Supercon Sci. Technol.", Vol. 4, 1991, pages 165 to 171).

Bündelt man in an sich bekannter Weise mehrere entsprechende band- oder drahtförmige Hoch-Tc-Supraleiter oder deren Leitervorprodukte, so kann man auch Leiter mit mehreren supraleitenden Leiteradern, sogenannte Multifilamentleiter, erhalten, die für technische Anwendungen eine Reihe von Vorteilen bieten (vgl. den eingangs genannten Beitrag des ISS'93).If you bundle in a conventional manner several corresponding ribbon or wire-shaped high-T c superconductors or their conductor precursors, so you can also head with multiple superconducting conductor wires, so-called multi-filament, get a number of advantages for technical applications (see. the contribution of ISS'93 mentioned at the beginning).

Um die Ausbildung der gewünschten supraleitenden Hoch-Tc-Phase des genannten Bi-Cuprates zu gewährleisten, muß bei erhöhten Temperaturen zwischen im allgemeinen 600 und 900°C dem Vorprodukt hinreichend viel Sauerstoff zur Verfügung gestellt werden. Im allgemeinen wird deshalb die entsprechende Glühbehandlung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre mit einem verhältnismäßig hohen Sauerstoff-Partialdruck oder in Luft durchgeführt (vgl. z.B. den eingangs genannten Beitrag des ISS' 93).In order to ensure the formation of the desired superconducting high-T c phase of said bi-cuprates, sufficient oxygen must be provided at elevated temperatures between generally 600 and 900 ° C the precursor. In general, therefore, the corresponding annealing treatment in an oxygen-containing atmosphere with a relatively high oxygen partial pressure or carried out in the air (see, for example, the above-mentioned article by ISS '93).

Bisher konnten mit der Glühbehandlung derartiger, in einen normalleitenden Ag-Körper eingebrachter Vorprodukte zur Ausbildung der gewünschten Hoch-Tc-Phase des Bi-Cuprates nur Supraleiter erhalten werden, die insbesondere augrund von Blasenbildung und Aufblähen im Vergleich zu textuierten supraleitenden Hoch-Tc-Dünnfilmen eine verhältnismäßig geringe kritische Stromdichte von z.B. einigen 104 A/cm2 (bei 77 K) im Nullfeld (0T) haben.So far, only superconductors could be obtained with the annealing of such, introduced into a normal-conducting Ag body precursors to form the desired high-T c phase of the Bi Cuprates, in particular augrund of blistering and puffing compared to textured superconducting high-T c -Thin films have a relatively low critical current density of, for example, some 10 4 A / cm 2 (at 77 K) in the zero field (0T).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Verfahren mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, daß Blasenbildung und Aufblähen supraleitender Bänder mit dünnwandigen Silberträgerkörpern vermieden wird.task The present invention is the method with the above to design such features that blistering and puffing up superconducting bands with thin-walled Silver carrier bodies avoided becomes.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Verfahren nach Anspruch 1 gelöst, wobei vor der Erstellung des Ausgangsproduktes das Vorproduktmaterial einer sauerstoffentziehenden Behandlung unter einem Vakuum von unter 10–2mbar unterzogen wird.This object is achieved by the method according to claim 1, wherein prior to the preparation of the starting material, the precursor material is subjected to an oxygen-depriving treatment under a vacuum of less than 10 -2 mbar.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß es bei der Glühbehandlung des in einen normalleitenden Ag-Trägerkörper eingeschlossenen Vorproduktes zur Ausbildung der gewünschten supraleitenden Hoch-Tc-Phase vom 3-Schichter-Typ des Bi-Cuprates neben einer eventuellen Wasserdampf- und/oder CO2-Entwicklung vor allem zu einem Freisetzen von überschüssigem Sauerstoff kommt. Diese Gasentwicklung bzw. die damit verbundene -ausdehnung kann zu einem unerwünschten Aufblähen eines verhältnismäßig dünnwandigen Ag-Trägerkörpers führen, wobei sich das Trägermaterial von der Keramik des Hoch-Tc-Materials abhebt und damit dessen Filamentstruktur zerstört wird. Diese Gefahr eines Aufblähens ist besonders groß bei einer dünnwandigen Bandform des Verbundes aus dem Vorproduktmaterial und dem Ag-Trägermaterial. Zur Verhinderung eines derartigen Aufblähens können zwar vor der eigentlichen Reaktionsglühung sogenannte Aufblähglühungen durchgeführt und die entstandenen Blasen durch Pressen oder Walzen zusammengedrückt werden. Dieser Vorgang könnte solange wiederholt werden, bis keine Blasen mehr zu beobachten sind. Es zeigt sich jedoch, daß einmal zerrissene Filamente durch ein derartiges Zusammenpressen nicht vollständig wiederhergestellt werden können. Außerdem läßt sich mit diesen Verfahrensschritten die Blasenbildung an sich nicht verhindern; d.h., es kann immer noch zu Aufblähungen kommen, die nicht erkannt werden und so z.B. zu Hohlräumen mit einer Ausdehnung von einigen Mikrometern führen. Derartige Hohlräume sind jedoch die Ursache für ein verändertes Reaktionsgeschehen bei der Reaktionsglühung und führen z.B. zu einem Wachstum unerwünschter nicht-texturierter Plattenkristalle, die der Grund für eine verminderte kritische Stromdichte sind.The invention is based on the finding that it is in the annealing of the enclosed in a normal-conducting Ag support body precursor to form the desired superconducting high-T c phase of the 3-layer type of Bi-Cuprates in addition to a possible water vapor and or CO 2 evolution mainly comes to a release of excess oxygen. This evolution of gas or the expansion associated therewith can lead to an undesirable puffing of a relatively thin-walled Ag support body, whereby the support material stands out from the ceramic of the high-T c material and thus its filament structure is destroyed. This risk of inflation is particularly great in a thin-walled band form of the composite of the precursor material and the Ag support material. To prevent such inflation, so-called inflation annealing can be carried out before the actual reaction annealing and the resulting bubbles are compressed by pressing or rolling. This process could be repeated until no more bubbles are observed. It turns out, however, that once torn filaments can not be completely restored by such compression. In addition, these processes can not prevent bubble formation per se; that is, it can still lead to bloating, which are not recognized and thus lead eg to voids with an extent of a few micrometers. However, such voids are the cause of a changed reaction process in the reaction annealing and lead to, for example, growth of unwanted non-textured plate crystals, which are the reason for a reduced critical current density.

Mit der erfindungsgemäßen Vorglühung des Vorproduktes vor dessen Einbringung in das Ag-Trägermaterial wird nun vorteilhaft dem Vorprodukt überflüssiger Sauerstoff entzogen, womit die Gefahr unerwünschter Blasenbildungen bei der späteren Glühung zur Ausbildung der Bi-2223-Phase entsprechend vermindert wird. Erfindungsgemäß hergestellte Hoch-Tc-Supraleiter zeigen deshalb eine vergleichsweise höhere kritische Stromdichte.With the pre-annealing of the precursor according to the invention prior to its incorporation into the Ag support material, it is advantageous to remove excess oxygen from the precursor, thus correspondingly reducing the risk of undesired bubble formation in the subsequent annealing to form the Bi-2223 phase. High-T c superconductors produced according to the invention therefore exhibit a comparatively higher critical current density.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.advantageous Embodiments of the method according to the invention go from the dependent claims out.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert, in deren einziger Figur schematisch ein Querschnitt durch einen erfindungsgemäß hergestellten Mehrkernleiter veranschaulicht ist.The Invention will be described below with reference to the drawings explained further, in the single figure schematically shows a cross section through a produced according to the invention Multi-core conductor is illustrated.

Dem Verfahren nach der Erfindung zur Herstellung eines langgestreckten Supraleiters mit Bismut(Bi)-Hoch-Tc-Supraleitermaterial läßt sich die an sich bekannte Pulver-im-Rohr-Technik zugrundelegen. Mit dem Verfahren sind langgestreckte Verbundkörper wie z.B. Drähte oder Bänder zu erhalten, die HTSL-Material auf Basis des Stoffsystems Bi-Sr-Ca-Cu-O aufweisen. In dem HTSL-Material soll dabei die sogenannte 2223-Phase zu mehr als 50 Gew.-% vorhanden sein. Zur Herstellung des entsprechenden HTSL-Materials ist es möglich, daß lediglich von den fünf genannten Elementen des Stoffsystems ausgegangen wird. Da das für das erfindungsgemäße Verfahren ausgewählte Stoffsystem aber nur die Basis für das HTSL-Material zu bilden braucht bzw. den Grundtyp darstellt, soll das erfindungsgemäße Verfahren folglich auch mit einschließen, daß einzelne der genannten Elemente teilweise oder auch ganz durch andere Elemente aus der jeweiligen Elementengruppe des Periodensystems in an sich bekannter Weise ersetzt sind. So kann z.B. das Bi auch teilweise durch Sb oder insbesondere durch das die Ausbildung der 2223-Phase fördernde Pb substituiert wer den; für die Erdalkalimetalle Sr und Ca kommt beispielsweise auch Ba in Frage. Ferner kann eine teilweise Substitution des Cu auch durch kleinere Mengen anderer Metalle wie z.B. Fe, Co, Ni oder Al erfolgen. Darüber hinaus soll mit eingeschlossen sein, daß dem Stoffsystem noch Zusatzmaterialien (Additive) zugegeben werden können, die zur Verbesserung des Reaktionsmechanismus dienen. So ist es z.B. bekannt, daß Ag- oder Ag2O-Beigaben aktiv an dem Reakionsgeschehen bei der Ausbildung der gewünschten Hoch-Tc-Phase teilnehmen, jedoch nicht in die kristalline Struktur dieser Phase selbst eingebaut sind. Für das Ausführungsbeispiel sei nachfolgend jedoch ein HTSL-Material mit den sechs Komponenten Bi, Pb, Sr, Ca, Cu und O zugrundegelegt, wobei unvermeidbare Verunreinigungen der einzelnen Komponenten mit eingeschlossen sein sollen.The process according to the invention for producing an elongated superconductor with bismuth (Bi) -High-T c superconductor material can be based on the known per se powder-in-tube technique. The process can be used to obtain elongated composite bodies, such as wires or tapes, which comprise HTSC material based on the Bi-Sr-Ca-Cu-O material system. In the HTSC material, the so-called 2223 phase should be present at more than 50% by weight. For the preparation of the corresponding HTSC material, it is possible that only the five elements of the material system are used. Since the substance system selected for the method according to the invention, however, only needs to form the basis for the HTSC material or represents the basic type, the method according to the invention should therefore also include that some of the said elements are partially or completely replaced by other elements from the respective element group of the periodic table in a conventional manner. For example, the Bi may also be partially substituted by Sb or, in particular, by the Pb promoting the formation of the 2223 phase; for the alkaline earth metals Sr and Ca, for example, Ba is also suitable. Further, partial substitution of the Cu may also be by smaller amounts of other metals such as Fe, Co, Ni or Al. In addition, it should be included that the material system still additives (additives) can be added, which serve to improve the reaction mechanism. For example, it is known that Ag or Ag 2 O additions actively participate in the reaction event in the formation of the desired high-T c phase but are not incorporated into the crystalline structure of this phase itself. For the exemplary embodiment, however, a HTSC material with the six components Bi, Pb, Sr, Ca, Cu and O is used as the basis, with unavoidable impurities of the individual components being included.

Zur Herstellung eines entsprechenden pulverförmigen Vorproduktes des HTSL-Materials wird von einer bekannten Einwaage ausgegangen, die eine Ausbildung der 110 K- bzw. 2223-Phase ermöglicht. Um die Stöchiometrie dieser Hoch-Tc-Phase zu gewährleisten, werden Oxid- oder Carbonatpulver der einzelnen Komponenten des Stoffsystems Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O, beispielsweise Pulver aus Bi2O3, PbO, SrCO3, CaO und CuO, in einem Verhältnis 1,8:0,4:2,0:(1,8 bis 2,2):3,0:10,3 der einzelnen Komponenten zusammengestellt. Diese Pulvermischung wird dann in bekannter Weise beispielsweise in zwei Stufen calciniert, wobei während 3 bis 4 Stunden lang bei etwa 800°C und anschließend z.B. 16 Stunden lang bei etwa 820°C geglüht wird. Das so entstandene Calcinat wird anschließend z.B. in einer Planetenkugelmühle noch vermahlen. Es stellt dann das pulverförmige, auch als "Precursor" bezeichnete Vorprodukt des HTSL-Materials dar und weist eine Vielzahl von ganz verschiedenen Verbindungen der Komponenten des HTSL-Materials, beispielsweise auch Anteile aus einer 2201- und aus einer 2212-Phase, auf. Außerdem ist sein Sauerstoffanteil gegenüber der Stöchiometrie der 2223-Hoch-Tc-Phase noch deutlich erhöht.To produce a corresponding powdery precursor of the HTSC material is based on a known weight, which allows training of the 110 K or 2223 phase. In order to ensure the stoichiometry of this high-T c phase, oxide or carbonate powder of the individual components of the material system Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O, for example, powders of Bi 2 O 3 , PbO, SrCO 3 , CaO and CuO, in a ratio of 1.8: 0.4: 2.0: (1.8 to 2.2): 3.0: 10.3 of the individual components. This powder mixture is then calcined in a known manner, for example, in two stages, wherein for about 3 to 4 hours at about 800 ° C and then for 16 hours at about 820 ° C is annealed. The resulting calcinate is then ground, for example, in a planetary ball mill. It then constitutes the pulverulent precursor of the HTSC material, also referred to as "precursor", and has a multiplicity of very different compounds of the components of the HTSC material, for example also fractions from a 2201 phase and from a 2212 phase. In addition, its oxygen content is still significantly higher than the stoichiometry of the 2223 high T c phase.

Um eine unerwünschte Sauerstoff-Gasentwicklung bei einer späteren Ausbildung der 2223-Hoch-Tc-Phase zu unterbinden, wird dem so gewonnenen pulverförmigen Vorprodukt erfindungsgemäß Sauerstoff entzogen. Hierzu wird das Vorprodukt einer Vorglühung in einer Atmosphäre unterzogen, deren Sauerstoff-Partialdruck unter 10 mbar liegen soll. Beispielsweise kann eine Vakuumbehandlung bei einem Druck unter 10–2 mbar, vorzugsweise unter 10–3 mbar, vorgesehen werden. Die Glühtemperatur wird dabei aus einem Temperaturbereich zwischen 300°C und 800°C, vorzugsweise zwischen 400°C und 700°C, gewählt. Im allgemeinen liegt die Glühdauer zwischen 30 Minuten und 20 Stunden. Um beim sich der Glühung anschließenden Abkühlen des so behandelten Vorproduktes eine erneute Sauerstoff-Beladung zu vermeiden, wird die Abkühlung vorteilhaft ebenfalls unter geringem Sauerstoff-Partialdruck von vorzugsweise unter 10 mbar vorgenommen. Der überschüssige Sauerstoffanteil des Vorproduktes nach einer solchen Sauerstoffentzugsbehandlung soll, bezogen auf den Sauerstoffindex der Einwaage, unter 2 Gew.-% betragen. Dann ist die unerwünschte Gasentwicklung zu vermeiden.In order to prevent unwanted oxygen gas evolution in a later formation of the 2223 high-T c phase, the thus obtained powdery precursor according to the invention deoxygenated. For this purpose, the precursor is subjected to a preheating in an atmosphere whose oxygen partial pressure is to be below 10 mbar. For example, a vacuum treatment at a pressure below 10 -2 mbar, preferably below 10 -3 mbar, are provided. The annealing temperature is selected from a temperature range between 300 ° C and 800 ° C, preferably between 400 ° C and 700 ° C. In general, the annealing time is between 30 minutes and 20 hours. In order to avoid re-oxygen loading during the subsequent annealing cooling of the thus treated precursor, the cooling is advantageously also carried out under low oxygen partial pressure of preferably below 10 mbar. The excess oxygen content of the precursor after such an oxygen removal treatment should be less than 2% by weight, based on the oxygen index of the initial weight. Then the unwanted gas evolution is to be avoided.

Die erfindungsgemäße Sauerstoffentzugsbehandlung bezüglich des Vorproduktes braucht sich nicht erst, wie vorstehend angenommen, an die Herstellung des Vorproduktmaterials anzuschließen. Eine derartige Nachbehandlung ist zwar zweckmäßig, aber nicht unbedingt erforderlich. So ist es auch möglich, diese Behandlung in den Herstellungsprozeß des Vorproduktmaterials, insbesondere in die Calcinierungsglühungen, zu integrieren.The Oxygen withdrawal treatment according to the invention in terms of of the precursor does not first need, as assumed above, to connect to the production of the precursor material. A Such aftertreatment is convenient, but not essential. So it is also possible this treatment in the manufacturing process of the precursor material, especially in the calcination anneals.

Das so erfindungsgemäß behandelte Vorprodukt des HTSL-Materials wird anschließend in einen rohrförmigen Trägerkörper aus einem besonderen Trägermaterial eingebracht und dort vorverdichtet. Als Trägermaterialien sind vorteilhaft Ag und Ag-Legierungen geeignet, da durch diese Materialien hindurch insbesondere bei erhöhter Temperatur ein Sauerstofftransport aufgrund von Diffusionsmechanismen möglich ist.The so treated according to the invention Pre-product of HTSC material is then in a tubular carrier body a special carrier material introduced and pre-compacted there. As support materials are advantageous Ag and Ag alloys suitable because through these materials, especially at elevated temperature an oxygen transport is possible due to diffusion mechanisms.

Der so als ein Ausgangsprodukt anzusehende Verbund aus dem rohrförmigen Trägerkörper und dem von ihm umschlossenen Kern aus dem erfindungsgemäß behandelten Vorproduktmaterial wird anschließend mindestens einer insbesondere querschnittsvermindernden Verformungsbehandlung und mindestens einer Glühbehandlung zur Ausbildung der gewünschten 2223-Phase unterzogen. Im allgemeinen ist eine Abfolge von mehreren Verformungsbehandlungen und Glühbehandlungen erforderlich. Für die mindestens eine Verformungsbehandlung kommen alle bekannten Verfahren wie z.B. Strangpressen, Rollen, Walzen, Hämmern und Ziehen in Frage, die auch miteinander kombiniert sein können. Diese Behandlung kann sowohl bei Raumtemperatur als auch bei erhöhter Temperatur durchgeführt werden. Der auf den Kern aus dem behandelten Vorproduktmaterial dabei ausgeübte Druck wird vorteilhaft so eingestellt, daß er zwischen 3 und 20 kbar, vorzugsweise zwischen 5 und 10 kbar, liegt. Auf diese Weise läßt sich ein hochdichter Leiterkern in einer Ag-Matrix erhalten.The composite of the tubular carrier body and the core enclosed by it from the inventively treated precursor material, which is to be regarded as a starting product, is subsequently subjected to at least one, in particular, cross-section reducing deformation treatment and at least one annealing treatment to form the desired 2223 phase. In general, a sequence of multiple deformation treatments and annealing treatments is required. For the at least one deformation treatment all known methods such as extrusion, rolling, rolling, hammering and drawing in question, which may also be combined with each other. This treatment can be carried out both at room temperature and at elevated temperature. The pressure exerted on the core of the treated precursor material pressure is advantageously adjusted so that it is between 3 and 20 kbar, preferably between 5 and 10 kbar. In this way, can be a high-density core in an Ag-Ma received trix.

Nach der mindestens einen Verformungsbehandlung liegt dann ein Leiterzwischenprodukt in Form eines Verbundkörpers mit einer dem angestrebten Endprodukt entsprechenden Gestalt, vorzugsweise in Bandform, vor. Dieser Verbundkörper weist jedoch noch nicht die gewünschten supraleitenden Eigenschaften auf. Deshalb erfolgt noch die mindestens eine Wärme- oder Glühbehandlung, welche vorzugsweise in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre wie z.B. Luft durchgeführt wird, um so dem erfindungsgemäß behandelten Vorproduktmaterial den für die Ausbildung der gewünschten 2223-Phase erforderlichen Sauerstoff zur Verfügung zu stellen. Für diese Reaktionsglühung werden vorteilhaft Glühtemperaturen zwischen 810°C und 860°C, vorzugsweise zwischen 830°C und 840°C, vorgesehen. Die konkret zu wählende Glühtemperatur hängt dabei von dem konkreten Sauerstoff-Partialdruck ab. Der zu wählende Sauerstoff-Partialdruck liegt im allgemeinen zwischen 1 und 200 mbar.To the at least one deformation treatment is then a conductor intermediate in the form of a composite body with a shape corresponding to the desired final product, preferably in band form, before. However, this composite does not yet the desired superconducting properties. Therefore, the least still takes place a heat or annealing treatment, which are preferably in an oxygen-containing atmosphere, e.g. Air performed is so as to be treated according to the invention Precursor material for the training of the desired 2223 phase required to provide oxygen. For this reaction heat are advantageously annealing temperatures between 810 ° C and 860 ° C, preferably between 830 ° C and 840 ° C, intended. The concrete to be chosen annealing temperature depends on it from the specific oxygen partial pressure. The partial pressure of oxygen to be chosen is generally between 1 and 200 mbar.

Die Unterdrückung einer unerwünschten Gasentwicklung bzw. – ausdehnung bei der Glühbehandlung des verformten Verbundkörpers des Leiterzwischenproduktes mit seinem mindestens einen Kern aus dem erfindungsgemäß behandelten Vorproduktmaterial kann zusätzlich noch dadurch unterstützt werden, daß man den Verbundkörper dieses Zwischenproduktes hinreichend langsam, insbesondere mit einer Rate von höchstens 2 K/min, aufheizt. Denn dann läßt sich insbesondere in dem kritischen Temperaturbereich oberhalb von 500°C, vorzugsweise zwischen 550°C und 850°C, gewährleisten, daß noch eventuell entstehender überschüssiger Sauerstoff durch das Ag-Material der Trägermatrix nach außen diffundieren kann, bevor es zu einem Aufblähen kommt.The suppression an undesirable Gas evolution or expansion in the annealing of the deformed composite body of the conductor intermediate with its at least one core the treated according to the invention Precursor material may additionally still supported by it become that one the composite body this intermediate sufficiently slowly, in particular with a Rate of at most 2 K / min, heats up. Because then you can especially in the critical temperature range above 500 ° C, preferably between 550 ° C and 850 ° C, guarantee, that still possibly resulting excess oxygen through the Ag material of the carrier matrix outward can diffuse before it comes to a puffing.

Stattdessen oder außerdem ist es insbesondere bei einer Bandform des Verbundkörpers des Leiterzwischenproduktes möglich, das Aufheizen und das Glühen dieses Verbundkörpers unter einem auf seine Außenflächen gleichmäßig, vorzugsweise isostatisch, einwirkenden, hinreichend hohen Druck vorzunehmen. Der Druck sollte dabei so hoch eingestellt werden, daß aufgrund dieser Druckeinwirkung ein Aufblähen der Außenflächen des Verbundkörpers nicht zu befürchten ist. Im allgemeinen ist ein Druck zwischen 1 und 20 bar z.B. einer Ar- oder N2-Atmosphäre hinreichend, wobei der für die Ausbildung der gewünschten 2223-Phase erforderliche Sauerstoff in dieser Atmosphäre einen Partialdruck zwischen 1 mbar und 200 mbar besitzen kann.Instead or in addition, it is possible, in particular in a band shape of the composite of the conductor intermediate, to carry out the heating and the annealing of this composite body under a uniform, preferably isostatic, acting, sufficiently high pressure on its outer surfaces. The pressure should be set so high that due to this pressure swelling of the outer surfaces of the composite is not to be feared. In general, a pressure between 1 and 20 bar, for example, an Ar or N 2 atmosphere sufficient, wherein the required for the formation of the desired 2223 phase oxygen in this atmosphere may have a partial pressure between 1 mbar and 200 mbar.

Das vorstehend beschriebene Verfahren kann nicht nur zur Herstellung von Einkernleitern dienen, sondern ist auch zur Herstellung von Mehrkernleitern geeignet. Solche Mehrkern- bzw. Multifilamentleiter werden im allgemeinen mittels einer an sich bekannten Bündelungstechnik ausgebildet. Demgemäß ist z.B. eine Bündelung von mehreren Ausgangsprodukten in einem Hüllrohr aus dem Trägermaterial möglich. Selbstverständlich können auch vorverformte oder gegebenenfalls vorgeglühte Zwischenprodukte in ein solches Hüllrohr eingebracht werden.The The method described above can not only for the production from single core conductors, but is also used to manufacture Multi-core conductors suitable. Such multi-core or multifilament ladder are generally by means of a known bundling technique educated. Accordingly, e.g. a bundling of several starting products in a cladding tube from the carrier material possible. Of course can also preformed or optionally pre-annealed intermediates in a such a cladding tube be introduced.

Ein nach einer Abfolge von Preß- bzw. Walzvorgängen und Glühbehandlungen zu erhaltendes Endprodukt eines erfindungsgemäß hergestellten, bandförmigen Mehrkernleiters geht aus der Figur der Zeichung als Querschnitt hervor. Der Mehrkernleiter ist allgemein mit 2 bezeichnet. Seine sechs Leiterkerne 3a bis 3f aus dem HTSL-Material mit einer Bi-2223-Phase sind in einem Träger (Matrix) 4 aus Ag eingebettet. Der Leiter 2 hat z.B. eine Dicke D von etwa 150 μm und eine Breite B von etwa 1,5 mm. Jeder der Leiterkerne 3a bis 3f hat eine Dicke d von beispielsweise ca. 30 μm und eine Breite b von ca. 200 μm.A to be obtained after a sequence of pressing or rolling operations and annealing end product of a strip-shaped multi-core conductor produced according to the invention is apparent from the figure of the drawing as a cross section. The multi-core conductor is generally designated 2. Its six conductor cores 3a to 3f of the HTSC material with a Bi-2223 phase are in a carrier (matrix) 4 embedded from Ag. The leader 2 For example, has a thickness D of about 150 microns and a width B of about 1.5 mm. Each of the ladder cores 3a to 3f has a thickness d of, for example, about 30 microns and a width b of about 200 microns.

Typische Abmessungen eines entsprechenden, fertigpräparierten bandförmigen Mehrkernleiters mit 19 Leiterkernen sind: Banddicke D: 100 μm bis 500 μm, vorzugsweise 200 μm bis 350 μm Bandbreite B: 2 mm bis 6 mm, vorzugsweise 3,5 mm bis 4,5 mm; Leiterkerndicke d: 10 μm bis 50 μm, vorzugsweise 20 μm bis 35 μm; Leiterkernbreite b: 30 μm bis 200 μm, vorzugsweise 150 μm bis 180 μm. Typical dimensions of a corresponding, ready-made band-shaped multi-core conductor with 19 conductor cores are: Strip thickness D: 100 μm to 500 μm, preferably 200 μm to 350 μm Bandwidth B: 2 mm to 6 mm, preferably 3.5 mm to 4.5 mm; Conductor core thickness d: 10 μm to 50 μm, preferably 20 μm to 35 μm; Core width b: 30 μm to 200 μm, preferably 150 μm to 180 μm.

Die entsprechenden Abmessungen eines bandförmigen Einkernleiters sind:
50 μm 5 D ≤ 400 μm, vorzugsweise 100 μm ≤ D ≤ 200 μm;
1,5 mm ≤ B ≤ 5 mm, vorzugsweise 2 mm ≤ B ≤ 3 mm;
10 μm ≤ d ≤ 40 μm, vorzugsweise 20 μm ≤ d ≤ 30 μm;
500 μm ≤ b ≤ 4,5 mm, vorzugsweise 1,5 mm ≤ b ≤ 2,5 mm.
The corresponding dimensions of a band-shaped single-core conductor are:
50 μm 5 D ≤ 400 μm, preferably 100 μm ≤ D ≤ 200 μm;
1.5 mm ≦ B ≦ 5 mm, preferably 2 mm ≦ B ≦ 3 mm;
10 μm ≤ d ≤ 40 μm, preferably 20 μm ≤ d ≤ 30 μm;
500 μm ≤ b ≤ 4.5 mm, preferably 1.5 mm ≤ b ≤ 2.5 mm.

Ein dem in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiel entsprechender, erfindungsgemäß hergestellter Bandleiter mit einer Leiterlänge von über 100 m wies eine Stromdichte von über 5 × 104 A/cm2 im Nullfeld auf. Die erfindungsgemäße Glühung des Vorproduktes des HTSL-Materials erfolgte dabei 17 Stunden lang im Vakuum von 10–4 mbar bei 600°C. Diese Sauerstoffentzugsbehandlung führte zu einem Sauerstoffverlust von absolut 3 Gew.-%, was einer Verminderung des Sauerstoffanteils bezüglich der Einwaage der 2223-Phase von 16,0 Gew.-% auf 15,5 Gew.-% entspricht.An embodiment of the invention corresponding to the strip conductor shown in the figure, produced according to the invention with a conductor length of about 100 m had a current density of about 5 × 10 4 A / cm 2 in the zero field. The annealing of the precursor of the HTSC material according to the invention was carried out for 17 hours in a vacuum of 10 -4 mbar at 600 ° C. This oxygen deprivation treatment resulted in a loss of oxygen of absolutely 3% by weight, which corresponds to a reduction in the oxygen content with respect to the weight of the 2223 phase from 16.0% by weight to 15.5% by weight.

Gemäß dem vorstehenden Ausführungsbeispiel wurde davon ausgegangen, daß ein Supraleiter mittels einer Pulver-im-Rohr-Technik erfindungsgemäß zu erstellen ist. Die Erfindung, ist jedoch nicht auf eine derartige Technik beschränkt. Sie ist ebensogut für die Herstellung von Supraleitern mit der Bi-2223-Phase geeignet, die auch nachträglich zusammengesetzte Umhüllungen um ein Vorprodukt mit Sauerstoff-Überschuß aufweisen und bei denen somit ebenfalls die Gefahr einer unerwünschten Aufblähung der Umhüllung aufgrund von Gasentwicklung bzw. -ausdehnung besteht. Eine derartige zusammengesetzte Umhüllung geht z.B. aus der DE-OS 43 08 681 hervor. Gemäß dieser Veröffentlichung ist das Vorprodukt über eine Siebdrucktechnik auf einem bandförmigen Träger in Pastenform aufzubringen. Dieses Vorprodukt müßte dann erfindungsgemäß nachbehandelt werden, bevor seine noch freien Oberflächenteile nachträglich mit Hilfe eines beispielsweise folienartigen Abdeckelementes abgedichtet werden.According to the above embodiment, it has been assumed that a superconductor is to be constructed according to the invention by means of a powder-in-tube technique. The invention, however, is not limited to such a technique. It is just as suitable for the production of superconductors with the Bi-2223 phase, which also have subsequently composed sheaths to an excess oxygen precursor and thus also there is the risk of undesirable bloating of the sheath due to gas evolution or expansion , Such a composite envelope is for example from the DE-OS 43 08 681 out. According to this publication, the precursor is applied via a screen printing technique on a tape-shaped carrier in paste form. This precursor would then have to be aftertreated according to the invention before its still free surface parts are subsequently sealed with the aid of a foil-like cover element, for example.

Claims (16)

Verfahren zur Herstellung eines langgestreckten Supraleiters mit mindestens einer in einem normalleitenden Träger aus Ag-Material eingebetteten supraleitenden Leiterader, die zumindest zu einem Teil Supraleitermaterial mit einer Hoch-Tc-Phase vom Typ Bi2Sr2Ca2Cu3O10+x enthält, bei welchem Verfahren a) ein Ausgangsprodukt des Leiters aus dem Trägermaterial mit einem Kern aus einem Vorprodukt des Supraleitermaterials erstellt wird, das einen gegenüber der Stöchiometrie der Hoch-Tc-Phase erhöhten Sauerstoffanteil aufweist, b) das Ausgangsprodukt mittels mindestens einer insbesondere querschnittsvermindernden Verformungsbehandlung in ein Zwischenprodukt überführt wird, und c) das Zwischenprodukt mindestens einer Glühbehandlung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre zur Ausbildung der Hoch-Tc-Phase unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Erstellung des Ausgangsprodukts das Vorproduktmaterial einer sauerstoffentziehenden Behandlung unter einem Vakuum von unter 10–2 mbar vorgenommen wird.Method for producing an elongate superconductor having at least one superconducting conductor core embedded in a normal-conducting carrier made of Ag material, which contains, at least in part, superconducting material with a high-Tc phase of the type Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 + x , in which method a) a starting product of the conductor is prepared from the carrier material with a core of a precursor of the superconducting material, which has a relative to the stoichiometry of the high-Tc phase increased oxygen content, b) the starting product by means of at least one particular cross-section reducing deformation treatment in a Intermediate product is transferred, and c) subjecting the intermediate product to at least one annealing treatment in an oxygen-containing atmosphere to form the high-Tc phase, characterized in that, prior to the preparation of the starting product, the precursor material is deoxidized under a vacuum of below he is made 10 -2 mbar. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffentzug bei einer Temperatur zwischen 300°C und 800°C vorgenommen wird.Method according to claim 1, characterized in that that the oxygen removal is carried out at a temperature between 300 ° C and 800 ° C. becomes. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffentzug bei einer Temperatur zwischen 400°C und 700°C vorgenommen wird.Method according to claim 2, characterized in that that the oxygen removal is carried out at a temperature between 400 ° C and 700 ° C. becomes. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Wärmebehandlung bei der erhöhten Temperatur zum Sauerstoffentzug das Vorprodukt bei einem Sauerstoff-Partialdruck von unter 10 mbar auf Raumtemperatur abgekühlt wird.Method according to claim 3, characterized that after the heat treatment at the elevated Temperature to deoxygenate the precursor at an oxygen partial pressure of is cooled to room temperature below 10 mbar. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffentzug in einem Vakuum von unter 10–3 mbar vorgenommen wird.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the oxygen removal is carried out in a vacuum of less than 10 -3 mbar. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenprodukt beim Aufheizen auf die Glühtemperatur der Glühbehandlung zur Ausbildung der Hoch-Tc-Phase zumindest ab einer Temperatur oberhalb von 500°C mit einer Aufheizrate von höchstens 2K/min aufgeheizt wird.Method according to one of claims 1 to 5, characterized that the intermediate product during heating to the annealing temperature the annealing treatment for the formation of the high-Tc phase at least above a temperature above 500 ° C with a heating rate of at the most 2K / min is heated. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufheizen für die Glühbehandlung des Zwischenproduktes und die Glühbehandlung selbst zur Ausbildung der Hoch-Tc-Phase unter einem zumindest weitgehend gleichmäßig auf die Außenflächen des Zwischenproduktes einwirkenden Druckes zwischen 1 und 20 bar vorgenommen werden.Method according to one of claims 1 to 6, characterized that heating up for the annealing treatment of the intermediate and the annealing treatment even for the formation of the high-Tc phase under one at least largely evenly the outer surfaces of the Intermediate acting pressure between 1 and 20 bar made become. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Glühbehandlung des Zwischenproduktes zur Ausbildung der Hoch-Tc-Phase bei einem Sauerstoff-Partialdruck zwischen 1 mbar und 200 mbar vorgenommen wird.Method according to one of claims 1 to 7, characterized that the annealing treatment the intermediate to form the high-Tc phase at a Oxygen partial pressure between 1 mbar and 200 mbar. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des Vorproduktmaterials wenigstens eine der metallischen Komponenten der Hoch-Tc-Phase wenigstens teilweise durch eine weitere metallische Komponente ersetzt wird und/oder eine von der Basis der Zu sammensetzung der Hoch-Tc-Phase abweichende Stöchiometrie vorgesehen wird, sofern eine zumindest teilweise Ausbildung der supraleitenden 2223-Phase gewährleistet ist.Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that at least one of the metallic components of the high-Tc phase at least partially by a another metallic component is replaced and / or one of the Based on the composition of the high-Tc phase deviating stoichiometry provided that an at least partial training of the ensured superconducting 2223 phase is. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bi der Bi-Komponente teilweise durch Pb ersetzt wird.Method according to claim 9, characterized in that that the Bi of the Bi component is partially replaced by Pb. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsprodukt nach einer Pulver-im-Rohr-Technik ausgebildet wird.Method according to one of claims 1 to 10, characterized that the starting product is formed by a powder-in-tube technique. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei der mindestens einen insbesondere querschnittsvermindernden Verformungsbehandlung das Vorproduktmaterial einem Druck zwischen 3 und 20 kbar, vorzugsweise zwischen 5 und 10 kbar, ausgesetzt wird.Method according to one of claims 1 to 11, characterized that in the at least one particular cross-section reducing Deformation treatment the precursor material between a pressure 3 and 20 kbar, preferably between 5 and 10 kbar, is exposed. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformungsbehandlung querschnittsvermindernd ist.Method according to claim 12, characterized in that that the deformation treatment reduces cross-section. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei der mindestens einen Glühbehandlung zur Ausbildung der Hoch-Tc-Phase eine Temperatur zwischen 810°C und 860°C eingestellt wird.Method according to one of claims 1 to 13, characterized that at least one annealing treatment set a temperature between 810 ° C and 860 ° C to form the high-Tc phase becomes. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur zwischen 830°C und 840°C, eingestellt wird.Method according to claim 14, characterized in that that the temperature is between 830 ° C and 840 ° C, is set. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bündelungstechnik zur Ausbildung eines Mehrkernleiters vorgenommen wird.Method according to one of claims 1 to 15, characterized that a bundling technique for Training a multi-core conductor is made.
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