DE69000928T4

DE69000928T4 - Mehradriger supraleitender Nb3 Al-Draht.

Info

Publication number: DE69000928T4
Application number: DE69000928T
Authority: DE
Inventors: C/O Osaka Works Of Sumitomo Masayuki Konohana-Ku Osaka Nagata; C/O Osaka Works Of Sumitomo Kazuya Konohana-Ku Osaka Ohmatsu
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1989-06-26
Filing date: 1990-06-25
Publication date: 1995-08-31
Anticipated expiration: 2010-06-26
Also published as: EP0405405B1; EP0405405A3; JPH0329215A; US5001020A; DE69000928T2; EP0405405A2; DE69000928D1

Description

Hintergrund der Erfindung

Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mehradrigen supraleitenden Draht aus Nb&sub3;Al, der beispielsweise als supraleitender Draht für einen Kernfusionsreaktor oder SXES verwendet werden kann.

Beschreibung des Stands der Technik

Es wird erwartet, dar ein supraleitendes Material aus Nb&sub3;Al, das ein hohes kritisches Magnetfeld von über 30 T aufweisen und eine Verformungseigenschaft besitzen soll, die besser ist als die von Nb&sub3;Sn, das dritte praktisch verwendbare supraleitende Material nach NbTi und Nb&sub3;Sn wird, insbesondere als Drahtmaterial für einen supraleitenden Magneten für einen Kernfusionsreaktor.
Kürzlich wurde berichtet, dar die kritische Stromdichte eines supraleitenden Nb&sub3;Al-Drahtes auf ein Niveau angehoben wird, das gleich oder höher liegt als das von Nb&sub3;Sn, wenn dessen Nb- und Al-Teile auf eine Dicke von etwa 0,1 um verringert sind.
Es ist bisher jedoch unmöglich gewesen, einen langen supraleitenden Draht aus Nb&sub3;Al zu erhalten, da die Dehnung des supraleitenden Nb&sub3;Al-Materials wegen der geringen Verformbarkeit von Nb und Al technisch schwierig ist. Obwohl Versuche unternommen wurden, Nb&sub3;Al-Materialien durch ein Rouladen-Verfahren (jelly roll method), ein Nb-Rohrverfahren und dergleichen zu einem langen Draht zu dehnen, konnten keine zufriedenstellenden Ergebnisse erzielt werden. Zuzn Beispiel wird eine Länge von wenigstens 600 m für einen Draht benötigt, der für einen supraleitenden Magneten für einen Kernfusionsreaktor verwendet wird, und eine Dehnung auf eine Länge von wenigstens 1000 m wird gegenwärtig erstrebt. Zwar sind einige Versuche unternommen worden, um einen Draht mit einer Hülle aus Cu-10%Ni herzustellen, jedoch ist es dabei nötig, Cu als Stabilisierungsmaterial zu verwenden
Mehradrige Drähte mit der A 15-Verbindung Nb&sub3;Al in Kombination mit Kupfer sind aus EP-A-0 124 708, Appl. Phys. Lett. 53 (24), 12.12.1988, Seiten 2444-2446, T. Takenchi et al. und IEEE Transactions on Magnetics. Band MAG-11, Nr. 2, 1975, Seiten 263-265, M.V.Ricci et al. bekannt.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben erwähnten Probleme des Stands der Technik zu lösen und einen mehradrigen supraleitenden Draht aus Nb&sub3;Al zur Verfügung zu stellen, der in seiner Verformbarkeit so verbessert ist, dar es sowohl möglich ist, zur Verbesserung der kritischen Stromdichte die Dicke der Nb- und Al-Teile zu verringern, als auch Dehnung zu ermöglichen.
Ein erfindungsgemäßer, mehradriger, supraleitender Draht aus Nb&sub3;Al enthält eine Seele aus Kupfer oder Kupferlegierung, die in einem Zentralbereich als Stabilisierungsmaterial vorgesehen ist und einen umfänglichen Teil, der um die Seele herum vorgesehen ist, und der aus einer Nb&sub3;Al-Ader gebildet ist, die in einer Matrix aus Kupfer oder Kupferlegierung eingebettet ist. Das Verhältnis von dem Kupfer oder der Kupferlegierung, das die Seele und die Matrix des umfänglichen Teils bildet, zu der Nb&sub3;Al-Ader beträgt wenigstens 1 und nicht mehr als 5 im Schnittflächenverhältnis, und der Durchmesser der Seele beträgt wenigstens 1/5 des Drahtdurchmessers.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Nb&sub3;Al-Ader aus Al-Seelen gebildet, die in einer Nb-Matrix angeordnet sind. In dieser Ausführungsform wird vorzugsweise hochreines Kupfer als Matrixmaterial verwendet.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Nb&sub3;Al-Ader dadurch gebildet, dar man ein Al-Folienteil über ein Nb-Folienteil legt und die übereinander gelegten Folienteile spiralig aufrollt. In dieser Ausführungsform wird vorzugsweise eine Kupferlegierung als Matrixmaterial verwendet, das Mn, Ni, Cr, Si oder dergleichen enthält.
Gemäß der vorliegenden Erfindung beträgt das Schnittflächenverhältnis (nachfolgend als "Kupferverhältnis" bezeichnet) von dem Kupf er oder der Kupferlegierung, das die Seele und die Matrix bildet, zu der Nb&sub3;Al-Ader wenigsten 1 und nicht mehr als 5. Wenn das Kupf erverhältnis 5 übersteigt, brennt die Ader wegen des Unterschieds in der Verarbeitungsfestig keit (work strenght) zwischen dem Kupfer oder der Kupferlegierung und der Nb&sub3;Al-Ader durch, so dar die kritische Stromdichte verschlechtert wird, obwohl die Verformbarkeit des Drahtes unverändert bleibt. Wenn das Kupferverhältnis andererseits kleiner 1 ist, ist es schwierig die Bedingung zu erfüllen, daß der Durchmesser der Seele wenigstens 1/5 des Drahtdurchmessers beträgt, und die Verformbarkeit ist verschlechtert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Seele angepaßt, um die Verformbarkeit des gesamten Drahtes zu verbessern. Der Durchmesser der Seele beträgt erfindungsgemäß wenigstens 1/5 des Drahtdurchlnessers, um durch die zur Verfügung gestellte Verf ormbarkeit eine Dehnung des Walzdrahtes auf eine Länge von wenigstens 1000 in zu ermöglichen.
Der erfinderische, mehradrige, supraleitende Draht aus Nb&sub3;Al besitzt eine exzellente Verformbarkeit, da er eine Seele aus Kupfer oder Kupferlegierung aufweist, dessen Durchmesser wenigstens 1/5 des Drahtdurchmessers beträgt. Ferner kann der erfinderische Draht ohne Durchbrennen der Ader gedehnt werden, da das Kupferverhältnis wenigstens 1 und nicht mehr als 5 beträgt. Somit kann ein langer supraleitender Draht von wenigstens 1000 m Länge erhalten werden, der beispielsweise als Draht für einen supraleitenden Magneten für einen Kernfusionsreaktor verwendet werden kann.
Ferner können die Nb- und Al-Teile wegen der exzellenten Verformbarkeit in der Dicke verringert werden. Somit ist es möglich, die kritische Stromdichte stark zu verbessern.
Diese und andere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung offensichtlicher, wenn diese in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung genommen wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 ist eine Schnittansicht, die ein Beispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 ist eine Schnittansicht, die einen mehradrigen supraleitenden Draht aus Nb&sub3;Al gemäß einem Referenzbeispiel zeigt;
Fig. 3 ist eine Schnittansicht, die eine beispielshafte Nb&sub3;Al-Ader zeigt;
Fig. 4 ist eine Schnittansicht, die eine andere beispielshafte Nb&sub3;Al-Ader zeigt; und
Fig. 5 zeigt das Ader-Durchbrennen in Relation zu verschiedenen Kupferverhältnissen.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Beispiel 1 und Referenzbeispiel 1

Beispiel 1

Fig. 1 ist eine Schnittansicht, die einen mehradrigen supraleitenden Nb&sub3;Al-Draht 1 zeigt, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde. In Fig. 1 bezeichnet das Symbol r&sub1; den Radius der Seele 2. Der Radius r&sub1; beträgt 0,15 mm und folglich hat die Seele 2 einen Durchmesser R&sub1; von 0,3 mm.
Das Symbol r&sub2; bezeichnet den Radius des mehradrigen supraleitenden Nb&sub3;Al-Drahtes 1. Dieser Radius r&sub2; beträgt 0,5 mm und folglich hat der mehradrige supraleitende Nb&sub3;Al-Draht 1 einen Durchmesser R&sub2; von 1,0 mm. Die Seele 2 ist aus Kupfer und die Nb&sub3;Al-Adern 3 sind in eine Kupfermatrix 4 um die Seele 2 herum eingebettet Der Durchmesser jeder Nb&sub3;Al-Ader 3 beträgt 25 um. Das Kupferverhältnis beträgt 2,5.

Referenzbeispiel 1

Fig. 2 zeigt einen mehradrigen supraleitenden Nb&sub3;Al-Draht 11, der als Referenzbeispiel 1 hergestellt wurde. In Fig. 2 beträgt der Radius r&sub1; der Seele 2 0,05 mm und folglich hat die Seele 2 einen Durchmesser R&sub1; von 0,1 mm. Der Radius r2 des mehradrigen supraleitenden Nb&sub3;Al-Drahtes 11 beträgt 0,5 mm und folglich beträgt dessen Durchmesser 1,0 mm.
Der Durchmesser jeder Nb&sub3;Al-Ader 3 beträgt wie in Beispiel 1 25 um. Ebenso wie in Beispiel 1 beträgt das Kupferverhältnis 2,5.
Der Durchmesser der Seele 2 von Beispiel 1 liegt mit 3/10 des Drahtdurchmessers innerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung, während der Durchmesser der Seele 2 des Referenzbeispiels 1 1/10 des Drahtdurchmessers beträgt. Dieser Wert liegt außerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung.
Die Drahtproben wurden so hergestellt, daß sie dem oben erwähnten Beispiel 1 und dem Referenzbeispiel 1 nach dem Ziehen auf Drahtdurchmesser von 1,0 mm entsprachen. Diese Proben wurden zuerst auf eine Länge von 300 in mit einem Drahtdurchmesser von 2,0 min gezogen. Danach wurden Versuche unternommen, die Drahtdurchmesser auf 0,5 min zu verringern. Die Proben wurden stufenweise auf Durchmesser von 2,0 auf 1,5 mm, 1,5 auf 1,2 mm, 1,2 auf 1,0 mm, 1,0 auf 0,8 mm und 0,8 auf 0,5 mm drahtgezogen. Tabelle 1 zeigt die Anzahl der in den Proben verursachten Durchbrennungen. Tabelle 1 Drahtdurchmesser Anzahl an Durchbrennungen Beispiel Referenzbeispiel
Wie aus Tabelle 1 klar entnommen werden kann, brennt der erfindungsgemäße Draht von Beispiel 1 im Vergleich zu dem Draht des Referenzbeispiels 1 kaum durch. Beim Beispiel 1 war es möglich, einen Draht von etwa 1500 m Länge mit einem Enddrahtdurchmesser von 0,5 mm zu erhalten. Bei dem Referenzbeispiel 1 betrug dagegen die maximale Länge nur 150 m, und die meisten Proben waren kürzer als 100 m.

Beispiele 2 und 3 und Referenzbeispiele 2 und 3

Beispiele 2 und 3 und die Referenzbeispiele 2 und 3 wurden so hergestellt, dar die Drahtdurchmesser R&sub2; 1,0 mm, die Durchmesser der Nb&sub3;Al-Adern 25 um, die Durchmesser D&sub1; der Seelen 0,3 mm und die Kupferverhältnisse wie folgt betrugen:
Referenzbeispiel 2: 5,5
Beispiel 2: 4,5
Beispiel 3: 1,5
Referenzbeispiel 3: 0,9
Diese vier Drahtarten wurden auf Drahtdurchmesser von 0,25 mm gezogen. Die Drähte des Referenzbeispiels 2 und der Beispiele 2 und 3 wiesen eine exzellente Verformbarkeit auf und konnten auf Längen von wenigstens 1000 m gezogen werden. Der Draht des Referenzbeispiels 3, dessen Kupferverhältnis kleiner war als der Bereich der vorliegenden Erfindung, war schwierig zu dehnen und wies eine große Anzahl an Durchbrennungen auf, wenn er auf einen Drahtdurchmesser von nicht mehr als 1 mm gezogen wurde.
Fig. 5 zeigt das Mab an Durchbrennungen der Adern, wie sie bei Referenzbeispiel 2 und den Beispielen 2 und 3 gemessen wurden.
Wie aus den in Fig. 5 gezeigten Ergebnissen klar entnommen werden kann, war das Maß der Ader-Durchbrennungen bei einem Drahtdurchmesser von etwa 0,5 mm im Referenzbeispiel 2 abrupt vergrößert, dessen Kupferverhältnis größer war als der Bereich der vorliegenden Erfindung.
In jedem der Beispiele 2 und 3, die zu Drahtdurchmessern von 0,25 mm gezogen wurden, überstieg die kritische Stromdichte 500 A/mm² pro Flächeneinheit bei 10 T, während die kritische Stromdichte des Referenzbeispiels 2 nur etwa 300 A/mm² betrug.
Um den Einflud zu studieren, der durch den Drahtdurchmesser, d.h. durch die Dicke der Nb- und Al-Teile in den Nb&sub3;Al-Adern auf die kritische Stromdichte ausgeübt wird, wurden Drahtproben gemäß Beispiel 3 auf Drahtdurchmesser von 1,0 mm und 0,5 mm gezogen. Die kritische Stromdichte jeder Probe wurde nach einer vorgeschriebenen Wärmebehandlung gemessen.
In der Probe mit dem Drahtdurchmesser von 1,0 mm betrug die Dicke der Nb- und Al-Teile die geplanten Werte von 0,35 um und 0,10 um. In der Probe mit dem Drahtdurchmesser von 0,5 mm betrug die Dicke der Nb- und Al-Teile die geplanten Werte von 0,175 um und 0,05 um.
Die Wärmebehandlung wurde unter fünf verschiedenen Bedingungen durchgeführt: 850ºC über 0,5 h, 825ºC über 015 h, 800ºC über 0,5 h, 800ºC über 1,0 h und bei 800ºC über 2,0 h. Tabelle 2 zeigt die kritische Stromdichte jeder Probe bei 10 T. Tabelle 2 Drahtdurchmesser Kritische Stromdichte Wärmebehandlung
Wie aus den in Tabelle 2 gezeigten Ergebnissen gesehen wird, kann die kritische Stromdichte durch die Verringerung der Dicke der Nb- und Al-Teile verbessert werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung und wie oben beschrieben wurde, ist es möglich, den supraleitenden Draht durch das Verbessern seiner Verformbarkeit zu dehnen, während die kritische Stromdichte durch das Verringern der Dicke der Nb- und Al-Teile verbessert werden kann.
Obwohl die Strukturen der Nb&sub3;Al-Adern bei den obigen Beispielen nicht genauer beschrieben wurden, ist die Struktur der Nb&sub3;Al-Ader in der vorliegenden Erfindung in keiner Weise beschränkt. Beispielsweise kann eine Nb&sub3;Al-Ader 5 durch Al-Seelen 6 gebildet sein, die in einer Nb-Matrix 7 angeordnet sind, wie in Fig. 3 gezeigt wird, oder eine Nb&sub3;Al-Ader 8 kann durch das Verbinden (adhering) eines Nb-Folienteils 9 mit einem Al-Folienteil 10 und das spiralige Aufrollen der verbundenen (adhered) Teile gebildet werden, wie in Fig. 4 gezeigt wird.

Beispiele 4 bis 7 und Referenzbeispiele 4 bis 7

Drahtbeispiele wurden entsprechend Beispiel 1 oder Referenzbeispiel 1 hergestellt, außer dar eine Kupferlegierungmit 5 Gew.% Mn, Ni, Cr oder Si als Matrixmaterial an Stelle von reinem Kupfer verwendet wurde. Diese Proben wurden stufenweise auf Durchmesser von 2,0 auf 1,5 mm, 1,5 auf 1,2 mm, 1,2 auf 1,0 mm, 1,0 auf 0,8 mm und 0,8 auf 0,5 min drahtgezogen. Tabelle 3 zeigt die Anzahl der Durchbrennungen, die in den Proben verursacht wurden. Tabelle 3 Anzahl an Durchbrennungen Drahtdurchmesser Beispiel Referenzbeispiel
Wie aus Tabelle 3 klar entnommen werden kann, brennen die erfindungsgemäßen Drähte der Beispiele 4 bis 7 im Vergleich zu den Drähten der Referenzbeispiele 4 bis 7 kaum durch.

Claims

1. Ein mehradriger supraleitender Draht aus Nb&sub3;Al, enthaltend:

eine Seele aus Kupfer oder Kupferlegierung, vorgesehen in einem Zentralbereich als Stabilisierungsinaterial; und einen umfänglichen Teil, der um die Seele herum vorgesehen ist, wobei der umfängliche Teil aus einer Nb&sub3;Al-Ader gebildet ist, die in einer Matrix aus Kupfer oder Kupferlegierung gebildet ist,

wobei das Verhältnis von dem Kupfer oder der Kupferlegierung, das die Seele und die Matrix des umfä.nglichen Teils bildet, zu der Nb&sub3;Al-Ader wenigstens 1 und nicht mehr als 5 im Querschnittsverhältnis ist,

der Durchmesser der Seele wenigstens 1/5 des Drahtdurchmessers beträgt.

2. Ein mehradriger supraleitender Draht aus Nb&sub3;Al nach Anspruch 1, wobei die Nb&sub3;Al-Ader aus liuminiumseelen gebildet wird, die in einer Nb-Xatrix angeordnet sind.

3. Mehradriger supraleitender Draht aus Nb&sub3;Al nach Anspruch 1, wobei die Nb&sub3;Al-Ader dadurch gebildet ist, daß man ein Al-Folienteil über ein Nb-Folienteil legt und die übereinander gelegten Folienteile spiralig aufrollt.