| Dokumentenidentifikation |
DE4108445A1 17.09.1992 |
| Titel |
Verfahren zur Herstellung von Drähten |
| Anmelder |
ABB Patent GmbH, 6800 Mannheim, DE |
| Erfinder |
Knaak, Wolfgang, Dr., 6900 Heidelberg, DE; Jahnke, Bernd, Dr., 6903 Neckargemünd, DE |
| DE-Anmeldedatum |
15.03.1991 |
| DE-Aktenzeichen |
4108445 |
| Offenlegungstag |
17.09.1992 |
| Veröffentlichungstag im Patentblatt |
17.09.1992 |
| IPC-Hauptklasse |
H01B 12/04
|
| IPC-Nebenklasse |
C04B 35/00
C04B 35/50
|
| Zusammenfassung |
Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung eines hochtemperatursupraleitenden Drahtes aus Hülsen (2), die mit einem Werkstoff (10) mit supraleitenden Eigenschaften gefüllt sind. Erfindungsgemäß werden in den Drähten flächige und verdrillte Hülsen (2) ausgebildet, die mit einem supraleitenden Werkstoff (10) auf der Basis von Wismut gefüllt, im Inneren des Drahtes (1) in definierter räumlicher Anordnung angeordnet werden und in Richtung der Längsachse des Drahtes (1) verlaufen.
|
| Beschreibung[de] |
|
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur
Herstellung von Hochtemperatursupraleiterdrähten gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Solche Drähte kommen dort zum Einsatz, wo elektrische
Leiter erforderlich sind, die in der Lage sind, Ströme
mit mehreren 1000 A/cm2 zu tragen.
Aus dem Stand der Technik sind bereits
Hochtemperatursupraleiterdrähte bekannt, für deren Herstellung
Metallhülsen mit einem supraleitenden Material gefüllt werden.
Eine Vielzahl solcher Metallhülsen wird dann in einer
weiteren Metallhülle angeordnet, welche die Metallhülsen
vollständig umschließt. Anschließend wird die
Metallhülle so weit gezogen, daß ihr Querschnitt auf eine
definierte Größe verkleinert wird. Anschließend wird diese
Metallhülle gewalzt, so daß hierdurch ein Band gebildet
wird, und die in ihr angeordneten Hülsen zu flachen
Filamenten umgeformt werden. Diese bekannten Bänder sind
für die Wechselstromanwendung bzw. Gleichstromanwendung
mit schnellen Stromänderungen nicht geeignet, da diese
Geometrie zu großen Wechselstromverlusten führt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
aufzuzeigen, mit dem Hochtemperatursupraleiterdrähte mit
niedrigen Verlusten und hohen Stromdichten hergestellt
werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale
des Patentanspruches 1 gelöst.
Zur Herstellung dieser Hochtemperatursupraleiterdrähte
werden Bänder verwendet, die im Innern flache
supraleitende Filamente aufweisen. Diese Bänder werden zu einem
Stapel aufeinandergesetzt. Vorzugsweise wird zwischen
jeweils zwei aufeinanderfolgenden Bändern eine
hochohmige Zwischenschicht aus Nickelkupfer oder weichem
Stahl angeordnet. Anschließend wird der Stapel in einen
zylinderförmigen, aus Metall gefertigten Mantel
gesteckt, der die Bänder vollständig umschließt. Daraufhin
wird der Metallmantel umgeformt, so daß sich sein
Durchmesser auf einen definierten Wert verkleinert.
Anschließend wird der metallische Mantel verdrillt. Es schließt
sich eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen
800 umd 850°C an. Gleichzeitig wird ein isostatischer
Druck von 100 MPa auf den Draht ausgeübt. Hierdurch wird
das supraleitende Material verdichtet. Gleichzeitig
führt die bereits in den Bändern erzielte Ausbildung von
flachen Filamenten zu einer starken Textur des
Supraleiters, was eine hohe Stromdichte innerhalb des Drahtes
ermöglicht.
Weitere erfindungswesentliche Merkmale sind in den
Unteransprüchen gekennzeichnet.
Das Verfahren wird nachfolgend anhand von schematischen
Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 die einzelnen Verfahrensschritte zur Bildung
eines Hochtemperatursupraleiterdrahtes,
Fig. 2 den Aufbau eines für die Herstellung des
Drahtes verwendeten Stapels,
Fig. 3 eine Variante des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
Wie anhand von Fig. 1, Position A, zu sehen ist, werdem
zur Herstellung des erfindungsgemäßen
Hochtemperatursupraleiterdrahtes 1 runde Hülsen 2 aus Metall mit einem
Werkstoff 10 gefüllt, der bereits supraleitende
Eigenschaften aufweist oder diese bei einer anschließenden
Wärmebehandlung erhält. Die Hülsen 2 weisen einen
Durchmesser von 0,5 bis 13 cm auf. Sie sind ca. 20 bis -
100 cm lang und aus Silber und/oder einer
Nickelkupferverbindung hergestellt. Selbstverständlich können die
Hülsen 2 auch aus anderen, die erforderlichen
Eigenschaften aufweisenden Materialien gefertigt werden. Die
Hülsen 2 werden bei dem hier beschriebenen
Ausführungsbeispiel mit einem keramischen supraleitendem Werkstoff
in Form eines Pulvers oder einer Schmelze gefüllt.
Vorzugsweise wird ein keramischer supraleitender Werkstoff
verwendet, der als eine Komponente Wismut enthält.
Besonders geeignet ist Wismutkuprat mit oder ohne
Bleizusätzen, das die Struktur Bi2Sr2Ca2Cu3O10 oder Bi2Sr2Ca1-
Cu2O8 aufweist. Die mit dem supraleitenden Material voll
ausgefüllten Hülsen 2 werden anschließend so gezogen,
daß sich ihr ursprünglicher Durchmesser auf einen Wert
von 0,1 bis 1 cm reduziert, wie in Position B
dargestellt. Gleichzeitig wird der Querschnitt zu einem
Rechteck umgeformt, wie Position C zeigt. Anschließend
werden eine Vielzahl dieser rechteckigen Hülsen 3,
vorzugsweise 20 bis 150 Stück, in eine metallische Hülle 4 mit
rechteckigem Querschnitt gesteckt, dargestellt in
Position D. Diese Hülle 4 ist aus einer
Nickelkupferlegierung gefertigt. Für ihre Herstellung können auch andere
Metallegierungen verwendet werden, die den
Erfordernissen im Betrieb des hochtemperatursupraleitenden Drahtes
genügen. Die Länge der Hülle 4 ist so bemessen, daß die
Hülsen 3 vollständig umschlossen werden. Ihre Abmessung
wird so gewählt, daß die gewünschte Anzahl von Hülsen 3
problemlos in ihr untergebracht werden kann.
Anschließend wird die Hülle 4 so umgeformt, daß sich ihre
ursprüngliche Höhe auf 0,05 bis 0,5 cm und ihre Breite auf
0,5 bis 10 cm reduziert wird, so daß Bänder 5 gemäß
Position E gebildet werden. Aus diesen Bändern 5 wird nun,
wie Fig. 2 zeigt, ein Stapel 6 durch Aufeinandersetzen
der Bänder 5 gebildet. Zur Verringerung der
Wechselstromverluste kann zwischen jeweils zwei
aufeinanderfolgenden Bändern 5 eine Zwischenschicht 5A angeordnet
werden. Hierbei handelt es sich um ein Band aus einem
hochohmigen Metall, vorzugsweise aus Nickelkupfer oder
weichem Stahl mit einer Dicke von 0,1 bis 2 mm.
Ein so gebildeter Stapel 6 wird in einen zylindrischen
Mantel 8 aus Metall geschoben, der den Stapel 6
vollständig umgibt, gemäß Position F. Der Durchmesser des
Mantels 8 beträgt 1 bis 15 cm. Nach dem Einsetzen des
Stapels 6 in den zylindrischen Mantel 8 wird der Mantel
8 umgeformt, wobei sein Durchmesser auf einen Wert von 1
bis 2 mm reduziert wird, gemäß Position G. Der so
gebildete Draht 9 wird mit einer vorgegebenen Steigungshöhe
von etwa 5 bis 10 mm verdrillt. Anschließend wird der
Draht 9 einer Wärmebehandlung unterzogen. Die
Wärmebehandlung erfolgt in einem Temperaturbereich zwischen 800
und 850°C. Hierdurch kommt es zu einer Oxidation der
Oberflächen der Metallbänder 5A, so daß über diese keine
Wirbelströme mehr fließen können. Diese Wärmebehandlung
wird vorzugsweise bei einem hohen isostatischen Druck
von 100 MPa durchgeführt, um die Dichte des
supraleitenden Materials zu erhöhen. Hierdurch werden die Bänder 5
und die in ihnen befindlichen flächigen Filamente 2
dauerhaft in einer definierten räumlichen Ausrichtung
angeordnet. Die Textur des Supraleiters bewirkt eine hohe
Stromdichte, die bei dem fertiggestellten Draht 1
300 A/mm2 beträgt.
In Fig. 3 ist eine Variante des erfindungsgemäßen
Verfahrens dargestellt. Hierfür werden Hülsen 2, wie bei
dem in Fig. 1 erläuterten Verfahren mit einem der
obenerwähnten supraleitenden Materialien 10 gefüllt
(Position A). Die Hülsen 2 haben die gleichen Durchmesser und
Längen, wie die in Fig. 1 dargestellten und in der
zugehörigen Beschreibung erläuterten Hülsen 2. Anschließend
werden die Hülsen 2 soweit gezogen, daß ihr Durchmesser
jetzt nur noch 0,1 bis 1 cm beträgt (Position B). Nun
werden bis zu 100 dieser Hülsen 2 innerhalb einer
metallischen Hülle 11 angeordnet (Position C). Die Hülle 11
hat einen Durchmesser von 1 bis 15 cm. Ihre Länge ist so
bemessen, daß die Hülsen 2 von ihr vollständig
umschlossen werden. Die Hülle 11 wird dann soweit gezogen, daß
ihr Durchmesser nur noch 1 bis 4 mm beträgt (Position
D). Anschließend wird sie mit einer Steigungshöhe
verdrillt, die bis zum 5-fachen seines Durchmessers
betragen kann (Position E). Anschließend wird die Hülle 11 so
umgeformt, daß ein Band 1 entsteht, das eine Dicke von
etwa 0,5 bis 1 mm und eine Breite von 1 bis 4 mm
aufweist (Position F). Die in der Hülle 11 angeordneten
Hülsen 2 werden durch das Walzen zu flächigen Filamenten
2 umgeformt, und so angeordnet, daß sie innerhalb des
Bandes 1 eine definierte räumliche Ausrichtung erfahren.
Das Band 1 wird jetzt noch einer Wärmebehandlung
unterzogen, wie sie in der Beschreibung zu Fig. 1 erläutert
ist. Die Wärmebehandlung erfolgt vorzugsweise bei einem
isostatischen Druck mit den in der Beschreibung zu Fig.
1 angegebenen Werten.
|
| Anspruch[de] |
- 1. Verfahren zur Herstellung von
hochtemperatursupraleitenden Drähten (1), dadurch gekennzeichnet, daß
jeder hochtemperatursupraleitende Draht (1) mit
bandförmigen, verdrillten Filamenten (2) versehen wird, die in
seinem Inneren in einer definierten räumlichen
Ausrichtung um die Längsachse verlaufen und so dimensioniert
werden, daß sich durch eine Wärmebehandlung eine starke
Textur im supraleitenden Draht (1) einstellt.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Filamente (2) runde Hülsen
(2) mit supraleitendem Werkstoff (10) in Form eines
Pulvers oder einer Schmelze gefüllt und der Durchmesser der
Hülsen (2) auf 0,1 bis 2 mm reduziert und auf einen
rechteckigen Querschnitt umgeformt wird.
- 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß rechteckige Hülsen bzw.
Filamente (2) gebildet werden, die ein supraleitendes
Material (10) in Form von Wismutkuprat mit oder ohne
Bleizusatz enthalten, welches die folgende Struktur aufweist:
Bi2Sr2Ca2Cu3O10 oder Bi2Sr2Ca1Cu2O8.
- 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl dieser
rechteckigen Hülsen (2) in einer rechteckigen Hülle (4) aus
einer Nickelkupferlegierung angeordnet werden, und daß
die Hülle (4) zur Bildung von Bändern (5) so umgeformt
wird, daß die ursprüngliche Höhe der Hülle (4) auf 0,05
bis 0,5 cm und ihre ursprüngliche Breite auf 0,5 bis 10
cm reduziert wird.
- 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß jeder
hochtemperatursupraleitende Draht (1) aus wenigstens zwei metallischen
Bändern (5) gebildet wird, die zu einem Stapel (6)
aufgesetzt werden, daß zwischen jeweils zwei
aufeinderfolgenden Bändern (5) eine als Band ausgebildete
Zwischenschicht (5A) aus Nickelkupfer oder weichem Stahl
angeordnet wird, und daß jedes dieser Bänder (5) von
bandförmigen Filamenten (2) durchsetzt wird, die im
Inneren eines jeden Bandes (5) in einer definierten
räumlichen Ausrichtung parallel zur Längsachse des Bandes
(5) verlaufen.
- 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die zu einem Stapel (6)
aufgesetzten Bänder (5) in einem zylinderförmigen
metallischen Mantel (8) angeordnet werden, und daß der Mantel
(8) in seiner Längsrichtung um mehr als einen Faktor 10
gedehnt wird, und daß der so gebildete Draht (9)
anschließend mit einer Steigungshöhe bis zum 5-fachen
seines Durchmessers verdrillt wird.
- 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der Draht (9) einer
Wärmebehandlung unterzogen wird, wobei ein isostatischer Druck
zur Erhöhung der Dichte des Supraleiters auf den Draht
(9) ausgeübt wird.
- 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3
dadurch gekennzeichtet, daß bis zu 100 Hülsen (2) in
einer Hülle (11) aus einer Nickelkupferlegierung
angeordnet werden, deren Durchmesser anschließend auf einen
Wert zwischen 1 und 4 mm reduziert und mit einer
Steigungshöhe, die dem 5-fachen oder mehr ihres Durchmessers
entspricht, verdrillt, daraufhin zur Ausbildung eines
Bandes (5) und zur Ausbildung von flachen Filamenten (2)
innerhalb des Bandes (5) gewalzt und anschließend einer
Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 800 und
850°C unter der Einwirkung eines isostatischen Drucks
von 100 MPa unterzogen wird.
|
|
|