DE4114975A1

DE4114975A1 - Verfahren zur herstellung von strangfoermigen hochtemperatur-supraleitern

Info

Publication number: DE4114975A1
Application number: DE4114975A
Authority: DE
Inventors: Gunter Dipl Chem Risse; Matthias Dipl Phys Ueltzen; Dieter Dr Rer Nat Voeltzke
Original assignee: Individual
Current assignee: Institut fur Festkoerper- und Werkstofforschung D
Priority date: 1991-05-03
Filing date: 1991-05-03
Publication date: 1992-11-05

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von strangförmigen Hochtemperatur-Supraleitern mit schmelztexturiertem Gefüge, die in Form von supraleitenden Leiterbahnen auf metallischen Trägern oder Supraleiterwerkstoffen in einer metallischen Hülle ausgeführt sein können und die beispielsweise für Magnete, elektrische Maschinen und Energieübertragungskabel verwendbar sind.

Zur Herstellung strangförmiger Hochtemperatur-Supraleitern ist es bereits bekannt, in pulvermetallurgisch vorgefertigten Supraleiterkörpern aus YBaCuOx durch eine Temperaturbehandlung, die ein partielles Schmelzen bewirkt, plättchenförmige Körner auszubilden (EP 3 08 892 A2). Danach werden die schmelztexturierten Körper mechanisch zerkleinert und so ein Pulver mit plättchenförmigen Einzelkörnern erzeugt, aus dem in Analogie zum bekannten Kunzlerverfahren silberumhüllte Drähte hergestellt werden, die abschließend einer weiteren Temperaturbehandlung unterworfen werden.

Das bekannte Verfahren hat den Nachteil, daß es auf Grund einer großen Zahl von Einzelschritten und mehreren langwierigen Temperaturbehandlungen sehr aufwendig ist.

Außerdem liegt die in derart hergestellten Drähten erreichbare maximale Stromdichte deutlich unter entsprechenden Werten für schmelztexturierte YBaCuO₇-Körper.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Technologie zur Herstellung von strangförmigen Hochtemperatur-Supraleitern mit schmelztexturiertem Gefüge zu vereinfachen und so zu gestalten, daß Supraleiter mit höherer maximaler Stromdichte entstehen.

Diese Aufgabe ist nach der Erfindung dadurch gelöst, daß ein Leiterstrang aus YBa₂Cu₃Ox, der als Zusatz 1 bis 50 Masseanteile in % Ag enthalten kann, zur definierten Wärmebehandlung und zur Sauerstoffbeladung des Supraleiterwerkstoffs kontinuierlich durch einen beheizten Raum bewegt wird, der in Bewegungsrichtung des Leiterstrangs in mindestens drei getrennte Kammern unterteilt ist, in denen zueinander unterschiedliche O₂-Partialdrucke eingestellt und unterschiedliche Temperaturen im Leiterstrang erzeugt werden.

Im Falle der Verwendung von Ag-freiem YBa₂Cu₃O_x wird vorzugsweise der Leiterstrang in einer ersten Kammer in O₂-Atmosphäre auf eine Temperatur von 980 bis 1040°C erwärmt und anschließend in einer zweiten Kammer in Inertgas mit maximal 1 Volumenanteil in % O₂ bei einer Temperatur von 980 bis 1040°C wärmebehandelt. Danach wird der Leiterstrang in einer dritten Kammer, die ein Temperaturprofil und eine O₂-Atmosphäre aufweist, zunächst für eine Zeitdauer von 0 bis 20 h auf einer Temperatur von 1000 bis 1020°C gehalten und dann mit einer Abkühlrate von 0,5 bis 5 K/h auf eine Temperatur von 980 bis 960°C abgekühlt. Abschließend wird der Leiterstrang einer üblichen Wärmebehandlung zur O₂-Beladung unterworfen. Diese kann zweckmäßig in einer vierten Kammer durchgeführt werden. Nach zweckmäßigen Ausgestaltungen dieses Verfahrens wird die Wärmebehandlung in der zweiten Kammer bei einer Temperatur von 1010 bis 1030°C und in der dritten Kammer bei 1005 bis 1015°C durchgeführt. Im Falle der Verwendung von YBa₂Cu₃O_x mit Ag-Zusatz wird vorzugsweise der Leiterstrang in einer ersten Kammer in einem Inertgas mit maximal 0,05 Volumenanteilen in % O₂ oder in Sauerstoff auf eine Temperatur von 915 bis 960°C erwärmt. Anschließend wird in einer zweiten Kammer in einem Inertgas/O₂-Gemisch mit 0,05 bis 1 Volumenanteilen in % O₂ die Strangtemperatur mit einer Abkühlrate von 0,5 bis 5 K/h auf eine Temperatur von 910°C abgesenkt. Zum Schluß wird der Leiterstrang in einer dritten Kammer in O₂-Atmosphäre einer üblichen Wärmebehandlung zur O₂-Beladung unterworfen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine vereinfachte Herstellung von langen texturierten Leiterbahnen auf metallischen Trägern oder mit metallischer Umhüllung. Mit dem als kontinuierlicher Prozeß ablaufenden Verfahren zur Schmelztexturierung wird während der notwendigerweise langsamen Aufheizphase im Supraleitermaterial ein Gefüge entwickelt, das besonders geeignet für ein gerichtetes Wachstum der Supraleiterphase ist. Die erreichbare maximale Stromdichte ist bei den nach der Erfindung hergestellten Supraleitern höher als nach dem Stand der Technik. Die Erfindung ist nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert:

Beispiel 1

Ein strangförmiges YBa₂Cu₃O_x-Material wird mit einer Geschwindigkeit von 10 mm/h durch ein Quarzrohr bewegt, das durch Trennwände, die Öffnungen mit rechteckigem Querschnitt besitzen, in 3 Kammern unterteilt ist. Die erste Kammer besitzt eine O₂-Atmosphäre. Durch die zweite Kammer strömt ein N₂/O₂-Gemisch mit 0,1 Volumenanteil in % O₂. In der dritten Kammer befindet sich reiner Sauerstoff. Über die Länge des Quarzrohres besteht ein Temperaturprofil mit einer Maximaltemperatur von 1010°C in der zweiten Kammer. In der dritten Kammer wird die Temperatur über eine Länge von 100 cm auf 1008°C gehalten und dann im Temperaturgefälle von 20 K/cm auf Raumtemperatur abgekühlt. Der erhaltene Supraleiter unterteilt sich in wenige Bereiche, von denen sich jeder einzelne über die gesamte Länge des Leiters erstreckt und ein in sich einheitlich ausgerichtetes Kristallwachstum der YBa₂Cu₃O_x-Phase aufweist. In der YBa₂Cu₃O_x-Matrix befinden sich YBaCuO₅-Partikel in gleichmäßiger Verteilung. Die maximale Stromdichte des Supraleiters liegt in der Größenordnung von 10⁴ A/cm, die Sprungtemperatur bei 92 K.

Beispiel 2

Ein Ag-Band, das mittels Plasmaspritzen mit YBaCu₃O_x-Material mit 3% Ag beschichtet wurde (Schichtdicke 0,1 mm), wird mit einer Geschwindigkeit von 2 mm/h durch ein Quarzrohr gezogen, das durch Trennwände, die Öffnungen mit rechteckigem Querschnitt besitzen, in 3 Kammern analog Ausführungsbeispiel 1 unterteilt ist. Durch die erste Kammer strömt eine N₂-Atmosphäre mit einem O₂-Gehalt von 10 Volumenanteilen in ppm. Durch die zweite Kammer strömt ein N₂/O₂-Gemisch mit 0,1 Volumenanteil in % O₂. In der dritten Kammer befindet sich reiner Sauerstoff. Über die Länge des Quarzrohres besteht ein Temperaturprofil mit einer Maximaltemperatur von 940°C am Ende der ersten Kammer und daran anschließendem Temperaturgradienten von 20 K/cm in der zweiten Kammer. In dieser wird die Strangtemperatur mit einer Abkühlrate von 3 K/h auf eine Temperatur von 900°C abgesenkt. In der dritten Kammer wird die Temperatur des Supraleiterbandes auf Umgebungstemperatur gebracht.

Die Textur der Supraleiterschicht der so behandelten Bänder zeigt sich an Hand von dichtliegenden, wulstähnlichen Kristallbändern mit Schichtaufbau parallel zur Bewegungsrichtung des Bandes.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von strangförmigen Hochtemperatur-Supraleitern mit schmelztexturiertem Gefüge, dadurch gekennzeichnet, daß im Leiterstrang aus YBa₂Cu₃O_x, der als Zusatz 1 bis 50 Masseanteile in % Ag enthalten kann, zur definierten Wärmebehandlung und zur Sauerstoffbeladung des Supraleiterwerkstoffs kontinuierlich durch einen beheizten Raum bewegt wird, der in Bewegungsrichtung des Leiterstrangs in mindestens drei getrennte Kammern unterteilt ist, in denen zueinander unterschiedliche O₂-Partialdrucke eingestellt und unterschiedliche Temperaturen im Leiterstrang erzeugt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle der Verwendung von Ag-freiem YBa₂Cu₃O_x der Leiterstrang in einer ersten Kammer in O₂-Atmosphäre auf eine Temperatur von 980 bis 1040°C erwärmt, anschließend in einer zweiten Kammer in Inertgas mit maximal 1 Volumenanteil in % O₂ bei einer Temperatur von 980 bis 1040°C wärmebehandelt und schließlich in einer dritten Kammer, die ein Temperaturprofil und eine O₂-Atmosphäre aufweist, zunächst für eine Zeitdauer von 0 bis 20 h auf einer Temperatur von 1000 bis 1020°C gehalten, dann mit einer Abkühlrate von 0,5 bis 5 K/h auf eine Temperatur von 980 bis 960°C abgekühlt wird und abschließend einer üblichen Wärmebehandlung zur O₂-Beladung unterworfen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die abschließende Wärmebehandlung zur O₂-Beladung in einer vierten Kammer durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung in der zweiten Kammer bei einer Temperatur von 1010 bis 1030°C durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der dritten Kammer die Haltetemperatur 1005 bis 1015°C beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle der Verwendung von YBa₂Cu₃O_x mit Ag-Zusatz der Leiterstrang in einer ersten Kammer in einem Inertgas mit maximal 0,05 Volumenanteilen in % O₂ oder in Sauerstoff auf eine Temperatur von 915 bis 960°C erwärmt, anschließend in einer zweiten Kammer in einem Inertgas/O₂-Gemisch mit 0,05 bis 1 Volumenanteilen in % O₂ die Strangtemperatur mit einer Abkühlrate von 0,5 bis 5 K/h auf eine Temperatur von 910°C abgesenkt und schließlich in einer dritten Kammer in O₂-Atmosphäre einer üblichen Temperaturbehandlung zur O₂-Beladung unterworfen wird.