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Dokumentenidentifikation DE10035675A1 15.02.2001
Titel Bandförmiger Multifilamentsupraleiter mit reduzierten Wechselstromverlusten und Verfahren zu dessen Herstellung
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Leghissa, Martino, Dr., 91301 Forchheim, DE
DE-Anmeldedatum 21.07.2000
DE-Aktenzeichen 10035675
Offenlegungstag 15.02.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.02.2001
IPC-Hauptklasse H01B 12/10
IPC-Nebenklasse H01B 13/00   H01L 39/14   H01L 39/24   
Zusammenfassung Der bandförmige Multifilamentsupraleiter (12) ist in mehrere Leitersegmente (S j ) unterteilt, die gegenseitig durch AC-Barrieren (13) aus einem Barrierenmaterial getrennt sind und miteinander mit einer Segmenttwistlänge L2 verdrillt sind. Jedes Leitersegment enthält miteinander verdrillte, in normalleitendes Matrixmaterial (m) eingebettete Leiterfilamente (F n ) aus Hoch-T c -Supraleitermaterial mit einer Filamenttwistlänge L1. Dabei soll L C L2, vorzugsweise L1 < L2 gelten. Außerdem soll das Barrierenmaterial eine gegenüber dem Matrixmaterial (m) vergleichsweise geringere elektrische Leitfähigkeit besitzen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf einen bandförmigen Multifilamentsupraleiter von monolithischem Aufbau mit mehreren supraleitenden Leiterfilamenten, die jeweils

  • - ein metalloxidisches Supraleitermaterial mit wenigstens einer Hoch-Tc-Phase aufweisen und
  • - in normalleitendes Matrixmaterial eingebettet sind, das eine vorbestimmte elektrische Leitfähigkeit bei der Betriebstemperatur des Supraleiters besitzt.

Der Multifilamentsupraleiter ist in mehrere Leitersegmente unterteilt, die jeweils mehrere Leiterfilamente aus dem Supraleitermaterial aufweisen und gegenseitig durch Zwischenschichten getrennt sind, welche aus einem Zwischenschichtmaterial bestehen, das gegenüber dem Matrixmaterial eine vergleichsweise geringere elektrische Leitfähigkeit besitzt. Der Supraleiter weist außerdem eine Verdrillung auf. Ein solcher bandförmiger Multifilamentsupraleiter und ein Verfahren zu dessen Herstellung gehen aus der EP 0 509 436 A2 hervor. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Leiters.

Es sind supraleitende Metalloxidverbindungen mit hohen Sprungtemperaturen Tc von über 77 K bekannt, die deshalb auch als Hoch-Tc-Supraleitermaterialien oder HTS-Materialien bezeichnet werden und insbesondere eine LN2-Kühltechnik erlauben. Unter solche Metalloxidverbindungen fallen insbesondere Cuprate von Stoffsystemen der Basistypen Y-Ba-Cu-O oder Bi-Sr-Ca-Cu-O bzw. (Bi,Pb)-Sr-Ca-Cu-O. Innerhalb einzelner Stoffsysteme können auch mehrere supraleitende Hoch-Tc-Phasen mit verschiedenen Sprungtemperaturen Tc auftreten.

Unter Verwendung der bekannten HTS-Materialien wird versucht, langgestreckte Supraleiter in Draht- oder insbesondere in Bandform herzustellen. Hierbei wird gegebenenfalls auch eine Bündelungstechnik angewandt, um zu einem Endprodukt mit mehreren supraleitenden Leiterfilamenten bzw. Leiterkernen zu gelangen. Entsprechende Endprodukte werden als Mehrkern- oder Multifilamentleiter bezeichnet (vgl. z. B. "IEEE Transactions on Applied Superconductivity", Vol. 5, No. 2, Juni 1995, Seiten 1145 bis 1149 oder 1259 bis 1261). In einem solchen Multifilamentsupraleiter sind dann die einzelnen Leiterfilamente mit wenigstens einer Hoch-Tc-Phase in normalleitendes Matrixmaterial eingebettet, das eine vorbestimmte elektrische Leitfähigkeit bei der Betriebstemperatur des Supraleiters besitzt. Als Matrixmaterial ist häufig Ag oder eine Ag- Legierung vorgesehen.

Es zeigt sich jedoch, daß entsprechende Multifilamentsupraleiter bei Wechselstrom(AC)-Anwendungen über die Matrix aus dem elektrisch gut leitenden Material verhältnismäßig große AC-Verluste als Wirbelstrom-, Hysterese- und insbesondere Kopplungsverluste erzeugen, die zu einer Beeinträchtigung der supraleitenden Eigenschaften des Leiters führen können. Zur Reduzierung dieser Verluste ist gemäß der WO 98/13859 A um jedes einzelne supraleitende Leiterfilament eine Umhüllung bzw. Barriere aus einem elektrisch schlecht-leitenden Material vorgesehen. Als Materialien sollen dabei spezielle Oxide von metallischen Elementen wie z. B. Sn, Bi, Ni oder Zr oder von Legierungen mit diesen Elementen eingesetzt werden. Die entsprechenden Umhüllungen werden durch Verwendung der oxidischen Materialien von vornherein realisiert oder durch nachträgliche Oxidation der entsprechenden metallischen Elemente ausgebildet. Darüber hinaus ist zur Reduzierung der AC-Verluste vorgesehen, daß die einzelnen Leiterfilamente um die gemeinsame Leiterachse verdrillt (getwistet) werden. Auf eine Bandform eines solchen Wechselstrom-Multifilamentsupraleiters ist jedoch nicht näher eingegangen.

Aus der eingangs genannten EP-A-0 509 436 A2 ist von vornherein eine Bandform eines Multifilamentsupraleiters angestrebt. Hierzu wird zunächst ein Leitervorprodukt mit rechteckigem Querschnitt mit einem Leiterkern erstellt, der aus einem Vormaterial des Supraleitermaterials besteht und ein Aspektverhältnis (= Leiterkernbreite/maximale Leiterkerndicke) von etwa 2 aufweist. Mehrere solcher rechteckigen Leitervorprodukte werden dann in einer rechteckigen Umhüllung gebündelt, wobei sie nebeneinander und übereinander angeordnet werden. Der so gewonnene Aufbau wird anschließend zu einem Leiterzwischenprodukt flachgearbeitet, in dem das Vormaterial in Form von mehreren Leiterkernen in etwa das gleiche Aspektverhältnis aufweist. Mittels einer weiteren, entsprechenden Bündelungstechnik werden anschließend mehrere solcher Mehrkern- Leiterzwischenprodukte in ein normalleitendes Hüllrohr eingebracht. Zur Ausbildung des bandförmigen Endproduktes wird dann dieser Aufbau einer querschnittsvermindernden Behandlung sowie einer Glühbehandlung unterzogen. Die einzelnen Leiterkerne werden dabei in die supraleitenden Leiterfilamente unter Ausbildung der gewünschten supraleitenden Phase überführt, wobei davon auszugehen ist, daß das Aspektverhältnis etwa gleich bleibt.

Zum Aufbau dieses aus der genannten EP-A-Schrift zu entnehmenden Multifilamentsupraleiters können die einzelnen Leiterkerne eines Leitervorproduktes jeweils von einem elektrisch gut leitenden Matrixmaterial wie z. B. Ag umgeben sein. Das Hüllrohr zur Aufnahme aus entsprechenden Leitervorprodukten kann aus einem anderen Material wie z. B. einer Cu-Al- Legierung bestehen, das somit gegenüber dem Matrixmaterial eine vergleichsweise geringere elektrische Leitfähigkeit besitzt. Der aus einem Bündel entsprechender Leiterzwischenprodukte gewonnene Multifilamentleiter enthält somit interne Barrieren aus einem vergleichsweise hochohmigeren Material. Auf AC-Verluste ist jedoch nicht näher eingegangen, obwohl auch eine Verdrillung der Leiterzwischenprodukte angedeutet ist.

Aus der FR 2 761 192 A1 geht ein entsprechend aufgebauter Multifilamentsupraleiter hervor, der zum Zweck einer Reduzierung der AC-Verluste Barrierenteile aus elektrisch isolierendem Material zwischen den Leiterzwischenprodukten enthält. Diese Barrierenteile sind insbesondere als L-förmige, jeweils die Hälfte der Oberfläche eines Zwischenprodukts abdeckende Zwischenstücke ausgebildet. Solche Zwischenstücke setzen folglich eine Rechteckform der Zwischenprodukte zwingend voraus. Eine Bündelung einer großen Anzahl von Zwischenprodukten mit dazwischengelegten Zwischenstücken ist sehr aufwendig.

Typische Abmessungen von bandförmigen, verdrillten Multifilamentsupraleitern liegen bei 3 bis 4 mm Breite und 0,2 bis 0,4 mm Dicke. Für AC-Anwendungen wie z. B. Transformatoren werden jedoch Bänder mit größerem Querschnitt, insbesondere größerer Dicke, benötigt, da bekanntlich die Stromtragfähigkeit solcher Bänder mit dem Querschnitt zunimmt. Die Verwendung von Bändern mit großen Querschnitten, die z. B. etwa die 4-fachen Querschnitte bekannter Bänder haben, schränkt jedoch die Möglichkeit einer Filamentverdrillung ein. Aus herstellungstechnischen Gründen sind nämlich die minimal erreichbaren Twistlängen zum Drahtdurchmesser während des Twistvorganges proportional.

In bandförmigen, verdrillten Flachleitern mit vielen Leiteradern sind die AC-Verluste besonders groß im Fall hoher Wechselfeldkomponenten dB/dt. Sie sind dann proportional zu der sogenannten typischen Dicke des Leiters. Die typische Dicke ist dabei eine die AC-Verluste charakterisierende Dicke des supraleitenden Materials innerhalb eines bandförmigen Leiters und ergibt sich rechnerisch aus den AC-Verlusten. Erreicht man einen ausreichend hohen elektrischen Widerstand zwischen den einzelnen Filamenten, einen sogenannten Querwiderstand, und eine ausreichend kurze Twistlänge, so sind die Filamente zumindest weitgehend entkoppelt, wobei dann die typische Dicke in der Größenordnung der Dicke eines supraleitenden Filamentes von etwa 10 µm liegt. Läßt sich jedoch keine hinreichende Entkopplung der Filamente aufgrund eines zu geringen Querschnittes und einer zu großen Twistlänge erreichen, so ist die typische Dicke gleich der Dicke des gesamten Verbundleiters, d. h., sie liegt dann in der Größenordnung zwischen 0,2 und 0,4 mm bei den bekannten Bändern bzw. von 1 mm für die angestrebten dickeren Bänder. Dies bewirkt jedoch eine nicht mehr tolerierbare Erhöhung der AC-Verluste.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen Aufbau eines bandförmigen Multifilamentsupraleiters mit den eingangs genannten Merkmalen anzugeben, der eine für übliche Wechselstromanwendungen wie z. B. in Transformatoren hinreichende Reduzierung der Wechselstromverluste auf ein tolerierbares Maß auch bei verhältnismäßig großen Leiterdicken ermöglicht. Ferner soll ein Verfahren angegeben werden, mit dem ein entsprechender Aufbau auf einfache Weise zu erhalten ist.

Die sich auf den Leiter beziehende Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Leitersegmente

  • - jeweils miteinander verdrillte Leiterfilamenten aufweisen mit einer ersten Filamenttwistlänge L1,
  • - gegenseitig durch AC-Barrieren bildende Zwischenschichten aus ein Barrierenmaterial bildenden Zwischenschichtmaterial getrennt sind, und
  • - miteinander verdrillt sind mit einer Segmenttwistlänge L2, wobei L1 ≠ L2 gilt.

Unter einem Segment sei hierbei - bei Betrachtung der Querschnittsfläche des Multifilamentsupraleiters - jeder Flächenteil verstanden, der mehrere Leiterfilamente, vorzugsweise die gleiche Anzahl solcher Filamente und insbesondere auch in gleicher Anordnung zueinander, enthält und gegenüber mindestens einem benachbarten Segment durch eine Segmentbarriere getrennt ist. Die Anzahl der Segmentbarrieren in dem Multifilamentsupraleiter ist dabei kleiner als die Anzahl der Filamente.

Es wurde erkannt, daß in dem angegebenen Design (Kombination verschiedener Einzelkomponenten: Segmentierung, Barrieren zwischen den Segmenten, separate Verdrillung der Segmente und der Filamente) mit den unterschiedlichen Twistlängen von Segmenten und Filamenten bandförmige Multifilamentsupraleiter auszubilden sind, die einen verhältnismäßig großen Querschnitt von beispielsweise 3 bis 4 mm × 1 mm besitzen können. Da nicht alle Filamente einzeln, sondern nur Segmente von Barrieren umgeben sind, ist zudem ein besseres Verhalten bezüglich der mechanischen Umformung und Glühbehandlung bei der Herstellung des Leiters gegeben. Durch die Reduzierung der Anzahl an Barrieren gegenüber dem Stand der Technik, bei dem jedes Filament von einer eigenen Barriere umgeben ist, wird nämlich der Zugang des Sauerstoffs zu den einzelnen Filamenten bei einer Sauerstoff-Glühung entsprechend erleichtert.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Multifilamentsupraleiters gehen aus den jeweils abhängigen Ansprüchen hervor. Auf einzelne dieser Ausgestaltungen wird nachfolgend näher eingegangen:

Vorteilhaft wird eine Filamenttwistlänge L1 vorgesehen, die kleiner ist als die Segmenttwistlängen L2. Insbesondere kann eine Filamenttwistlänge eingeplant werden, die um mindestens einen Faktor 2, vorzugsweise um mindestens einen Faktor 10 kleiner ist als die Segmenttwistlänge L2. Dickere Bandleiter mit diesen Twistlängen lassen sich nämlich noch verhältnismäßig einfach herstellen.

Ferner wird vorteilhaft ein Barrierenmaterial gewählt, das eine um mindestens eine Größenordnung geringere elektrische Leitfähigkeit als das Matrixmaterial besitzt. Hierfür geeignete Barrierenmaterialien sind insbesondere Oxidmaterialien und an sich bekannt. Solche hochohmigen Barrierenmaterialien gewährleisten nämlich gerade mit der erfindungsgemäßen Verdrillung eine hinreichende AC-Verlustreduktion aufgrund einer entsprechenden Entkopplung der Segmente.

Bandförmige Multifilamentsupraleiter mit einem verhältnismäßig großen Aspektverhältnis von insbesondere über 3 sind vorteilhaft für viele Anwendungen und lassen sich mittels bekannter Verfahren mit hoher kritischer Stromdichte herstellen. Dieses Aspektverhältnis kann insbesondere auch bei größeren Leiterdicken (in der Größenordnung von 1 mm und darüber) des Multifilamentsupraleiters gewährleistet werden.

Weiterhin kann der erfindungsgemäße Multifilamentsupraleiter vorteilhaft einen filamentfreien, zentralen Kernbereich aus einem normalleitenden Material besitzen, wobei als normalleitendes Material das Matrixmaterial oder das Barrierenmaterial vorgesehen werden kann. Mit einem derartigen Kernbereich läßt sich eine Verbesserung der elektrischen Stabilität in einem Quench-/bzw. Überstromfall erreichen. Auch kann damit die mechanische Festigkeit des Leiters, insbesondere bei Verwendung von hochfesten Materialien, erhöht werden. Durch einen verhältnismäßig hochohmigen Kernbereich lassen sich außerdem die AC-Verluste noch weiter verringern (vgl. DE 196 21 068 C1).

Darüber hinaus können zusätzlich noch zumindest einige der Leiterfilamente untereinander durch Zwischenschichten aus einem normalleitenden Material umgeben sein, das eine gegenüber dem Matrixmaterial vergleichsweise geringere elektrische Leitfähigkeit besitzt. Dabei kann das Zwischenschichtmaterial das Barrierenmaterial oder ein davon verschiedenes Material sein. Entsprechende, gegenüber dem Matrixmaterial hochohmigere Zwischenschichten führen zu einer weiteren gegenseitigen Entkopplung der Leiterfilamente und damit zu einer entsprechenden Verringerung der AC-Verluste.

Aus diesem Grunde können auch noch zumindest einige der Leiterfilamente jeweils in sich verdrillt sein.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Multifilamentsupraleiters von monolithischem Aufbau mit mehreren supraleitenden Leiterfilamenten, die jeweils

  • - ein metalloxidisches Supraleitermaterial mit wenigstens einer Hoch-Tc-Phase aufweisen und
in normalleitendes Matrixmaterial eingebettet sind, das eine vorbestimmte elektrische Leitfähigkeit bei der Betriebstemperatur des Supraleiters besitzt, ist vorteilhaft dadurch gekennzeichnet, dass

  • - zunächst eine einer vorbestimmten Anzahl von Leitersegmenten entsprechende Zahl von Segmentleitern mit mehreren Leiterkernen aus einem Vormaterial des Supraleitermaterials hergestellt wird,
  • - bei der Herstellung jedes dieser Segmentleiter eine gegenseitige Verdrillung der Leiterkerne mit einer Filamenttwistlänge L1 sowie eine Umhüllung aus einem Barrierenmaterial vorgesehen werden, das gegenüber dem Matrixmaterial eine vergleichsweise geringere elektrische Leitfähigkeit besitzt,
  • - dann die Segmentleiter entsprechend einer angestrebten Segmentierung angeordnet und mit einer Segmenttwistlänge L2, die ungleich der Filamenttwistlänge L1 ist, gegenseitig verdrillt werden, wobei sie gegebenenfalls in einem Hüllrohr zusammengefasst werden können, und
  • - anschließend das so gewonnene Leiterzwischenprodukt mittels Verformung und Wärmebehandlung in das supraleitende Endprodukt des Multifilamentsupraleiters mit der Bandform überführt wird.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass von Segmentleitern mit kreisförmigem Querschnitt ausgegangen werden kann. Die Zusammensetzung des Leiterzwischenproduktes ist dann besonders einfach vornehmbar, um einen monolithischen Aufbau zu gewinnen.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen noch weiter erläutert. Dabei zeigen jeweils schematisch deren

Fig. 1 einen Segmentleiter in Schrägansicht zum Aufbau eines erfindungsgemäßen Multifilamentsupraleiters,

Fig. 2 und 3 ein Leiterzwischenprodukt aus mehreren miteinander verdrillten Segmentleitern nach Fig. 1 zur Herstellung des Multifilamentsupraleiters in Schräg- bzw. Querschnittsansicht

und jeweils als Querschnitt deren

Fig. 4 Verformungsschritte bezüglich des Leiterzwischenprodukts nach Fig. 3 zur Ausbildung eines dem Leiterendprodukt des Multifilamentsupraleiters entsprechenden Aufbaus,

Fig. 5 eine Wärmebehandlung zur Ausbildung der supraleitenden Phase in dem Aufbau nach Figur

sowie deren

Fig. 6 bis 9 verschiedene Ausführungsformen von Leiterendprodukten erfindungsgemäßer Multifilamentsupraleiter.

In den Figuren ist die gewählte Darstellung aus Gründen einer besseren Übersichtlichkeit nicht maßstabsgetreu. Sich entsprechende Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.

Ein erfindungsgemäßer Multifilamentsupraleiter stellt einen langgestreckten, monolithischen Verbundkörper in Bandform dar, der ein in wenigstens ein normalleitendes Matrixmaterial eingebettetes Hoch-Tc-Supraleitermaterial (HTS-Material) möglichst weitgehend phasenrein enthält. Gegebenenfalls können geringe Anteile weiterer, auch supraleitender Phasen vorhanden sein. Als HTS-Material soll vorzugsweise ein Bi-Cuprat vorgesehen sein, das einen hohen Anteil von insbesondere über 80 Gew.-% an der sogenannten 2223-Phase enthält. Ein entsprechendes HTS-Material ist dem Grundtyp (Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3O10+x zuzuordnen, wobei gegebenenfalls auf die Pb-Substitution der Bi-Komponente verzichtet werden kann. Die übrigen Komponenten des HTS-Materials können in bekannter Weise teilweise durch andere metallische Elemente substituiert sein. Zur Herstellung eines entsprechenden HTS-Leiters kann vorteilhaft die bekannte Pulver-im-Rohr-Technik zugrundegelegt werden (vgl. z. B. die DE 44 44 937 A1). Hierzu wird ein Vormaterial insbesondere in Form von Ausgangspulvern, die eine Ausbildung der gewünschten supraleitenden Phase ermöglichen in ein Hüllrohr eingebracht, das als das normalleitende Matrixmaterial für das fertige Endprodukt des Supraleiters dient. Als Hüllrohrmaterial wird vorzugsweise Ag oder eine Ag-Legierung gewählt, wobei das Hüllrohrmaterial gegebenenfalls dispersionsgehärtet sein kann. Der Aufbau aus dem mit dem Vormaterial gefüllten Hüllrohr wird dann im allgemeinen einer Verformungsbehandlung und gegebenenfalls gleichzeitig oder danach einer Wärmebehandlung unterzogen. Danach liegt ein Einkernleiter in Form eines Verbundkörpers aus einem in das Matrixmaterial eingebetteten Leiterkern aus dem Vormaterial des gewünschten Supraleitermaterials vor. Dieser Einkernleiter weist im allgemeinen eine Drahtform mit einem kreisförmigen Durchmesser von beispielsweise 1 bis 20 mm auf.

Aus mehreren solcher Einkernleiter wird dann in an sich bekannter Weise unter Anwendung einer Bündelungstechnik ein Segmentleiter mit im allgemeinen rundem Querschnitt erstellt. Dieser in Fig. 1 mit 2 bezeichnete Segmentleiter weist somit eine Matrix 3 aus dem Matrixmaterial m wie z. B. Ag auf, in die eine der Anzahl der Einzelleiter entsprechende Zahl von Leiterkernen 4j aus dem Vormaterial des Supraleitermaterials eingebettet sind. Der Segmentleiter soll eine besondere Umhüllung 5 z. B. in Form mindestens einer Beschichtung aus einem Barrierenmaterial aufweisen, das eine gegenüber dem Matrixmaterial m vergleichsweise geringere elektrische Leitfähigkeit besitzt. Vorzugsweise soll die Leitfähigkeit des Barrierenmaterials um mindestens eine Größenordnung geringer sein als die des Matrixmaterials. Als Barrierenmaterialien kommen insbesondere oxidische Materialien wie z. B. aus der Gruppe ZrO2, SiO2, CuO, MgO, AgO oder Al2O3 oder aus Mischoxiden mit wenigstens einem dieser Oxidmaterialien in Frage (vgl. auch die WO 98/13859 A oder die WO 96/28853 A). Diesen Materialien können noch weitere Komponenten hinzugeführt sein. Ein Beispiel wäre das mit Y-stabilisierte ZrO2. Darüber hinaus können auch mehrschichtige Umhüllungen 5 vorgesehen werden. So ist z. B. eine Doppelschicht aus AgO/Al2O3 denkbar. Außerdem sollten die Leiterkerne 4j des Segmentleiters im Hinblick auf eine Reduzierung von AC-Verlusten noch gemeinsam um die Längsachse A des Segmentleiters 2 verdrillt (getwistet) sein. Die entsprechende, nur für einen Leiterkern angedeutete Filamenttwistlänge L1 beträgt dabei im allgemeinen maximal einige Zentimeter, beispielsweise 5 mm. Bei fehlender Verdrillung wäre L1 = ∞.

Gemäß den Fig. 2 und 3 werden mehrere solcher runden Segmentleiter 2i entsprechend der für das Leiterendprodukt angestrebten Segmentierung zusammengefaßt und gegenseitig mit einer Segmenttwistlänge L2 verdrillt. Die Segmenttwistlänge soll dabei gegenüber der Filamenttwistlänge L1 verschieden sein. Aus Gründen einer Reduzierung der guten Verformbarkeit des gezeigten Aufbaus wird L2 > L1 gewählt und liegt im allgemeinen deutlich über der Filamenttwistlänge L1. Beispielsweise ist für L2 ein Bereich zwischen 5 und 20 cm vorgesehen. Typische Durchmesser der runden Segmentleiter liegen zwischen 1 und 2 mm. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind vier Segmentleiter 2i in zwei Reihen à 2 Leiter angeordnet. Selbstverständlich kann die Zahl der Reihen und der Leiter pro Reihe auch größer gewählt werden. Die Gesamtzahl der Segmentleiter ist prinzipiell in weiten Grenzen wählbar; sie kann jedoch aus Verformungsgründen begrenzt sein.

Die für die Herstellung eines erfindungsgemäßen Multifilamentsupraleiters einzuplanenden Twistlängen L1 und L2 müssen abhängig von den

  • 1. Betriebsparametern: Amplitude der magnetischen Induktion Ba, Frequenz f,

    und den
  • 2. Designparametern: Filamentdicke d, kritische Stromdichte in Supraleiterfilament jc, Querwiderstand ρ1 zwischen den Segmenten bzw. ρ2 zwischen den Leiterfilamenten
gewählt werden. Die Twistlängen genügen dabei dem folgenden Zusammenhang





mit i = 1 oder 2.

Dabei ist Ci eine geometrieabhängige Konstante. Aus der vorstehenden Beziehung ergibt sich, daß wegen der Segmentbarrieren mit hohem ρ2 trotz verhältnismäßig großer Twistlänge L2 eine Entkopplung der Leiterfilamente möglich ist, während für den Twist der Filamente aufgrund eines geringen Segmentdurchmessers eine kürzere Twistlänge L1 verwendet werden kann und damit trotz eines geringeren Querwiderstandes ρ1 eine zumindest teilweise Entkopplung der Filamente eintritt.

Wie in Fig. 3 ferner durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist, kann die Zusammenfassung der Segmentleiter 2i innerhalb eines Hüllrohres 6 aus dem Barrierenmaterial oder einem anderen Material wie z. B. dem Matrixmaterial vorgenommen sein. Die Zusammenfassung der miteinander und ineinander verdrillten Segmentleiter gemäß den Fig. 2 und 3 stellt ein Leiterzwischenprodukt 8 dar, das gemäß Fig. 4 in mehreren Schritten durch Walzen zu einem Leiterverbund 9 mit weitgehend rechteckigem Querschnitt durch schrittweises Flachwalzen verformt wird. Zwischen den einzelnen Verformungsschritten oder gleichzeitig mit diesen können Wärmebehandlungsschritte vorgesehen sein. Die kombinierte Walz- und Wärmebehandlung ist unter der Bezeichnung "thermomechanische Behandlung" bekannt und entspricht dem Verfahren, wie es bei der Herstellung von bandförmigen Multifilamentsupraleitern unter Anwendung der Pulver-im-Rohr-Technik typisch ist. (Die in der Figur ersichtlichen Zwischenräume zwischen den einzelnen verformten Segmentleitern sind nur aus Gründen der Übersichtlichkeit dargestellt. Sie sind am Ende der Verformungsbehandlung praktisch nicht mehr vorhanden).

Gemäß Fig. 5 wird der Verbund 9 mit rechteckigem Querschnitt, der zumindest annähernd die Form des angestrebten Endproduktes des Multifilamentleiters aufweist, einer Glühbehandlung in einem Ofen 10 unterzogen, um das Vormaterial der Leiterkerne in das Supraleitermaterial mit der gewünschten Phase zu überführen. Das so zu erhaltende Leiterendprodukt ist mit 11 bezeichnet.

Fig. 6 zeigt in stark schematisierter Ansicht einen Querschnitt durch ein bandförmiges Endprodukt eines Multifilamentsupraleiters 12 mit einer Dicke D von etwa 1 mm und einer Breite B von etwa 3,5 mm, so daß sein Aspektverhältnis über 3 liegt. Der Leiter 11 weist vier Leitersegmente Sj mit jeweils 12 in ein Matrixmaterial m eingebettete Leiterfilamenten Fn auf, wobei die Segmente gegenseitig durch hochohmigere Segmentbarrieren 13 getrennt sind. Auf eine Umhüllung des Leiters 12 an seiner Außenseite durch das Material der Segmentbarrieren 13 kann gegebenenfalls verzichtet werden. Die Segmentdicke ist mit d bezeichnet, wobei d ≈ S D ist. In der Figur sind ferner die Segmentverdrillung und die Filamentverdrillung durch geschlossene, gepfeilte Linien ts bzw. tf angedeutet.

Aus Fig. 7 geht in einer Fig. 6 entsprechenden Darstellung ein weiterer Multifilamentsupraleiter 15 hervor, der sich gegenüber dem Leiter 12 nach Fig. 6 lediglich dadurch unterscheidet, daß zumindest einige, vorzugsweise alle Filamente Fn untereinander durch eine Zwischenschicht 16 aus einem Material getrennt sind, das gegenüber dem Matrixmaterial eine vergleichsweise geringere elektrische Leitfähigkeit besitzt und beispielsweise das Barrierenmaterial der Barrieren 13 ist. Für die Zwischenschichten 16 kann jedoch auch ein davon abweichendes Material vorgesehen werden.

Bei der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform eines Multifilamentsupraleiters 18 wird von der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform 12 ausgegangen, wobei jedoch auf eine Umhüllung aus einem Barrierenmaterial verzichtet ist. Der in der Figur dargestellte Schnitt ist durch den Leiter 18 an eine Stelle gelegt, bei der das von Segmentbarrieren 19 gebildete Kreuz, welches sich entsprechend der Verdrillung in Leiterlängsrichtung gesehen dreht, gerade so liegt, daß die Segnentbarrieren schräg zu den Seiten quasi diagonal zwischen den entsprechenden Ecken verlaufen.

Der in Fig. 9 gezeigte Multifilamentsupraleiter 20 unterscheidet sich von der Ausführungsform des Multifilamentsupraleiters 12 nach Fig. 6 lediglich darin, daß er einen zentralen Kernbereich 21 aufweist, der keine supraleitenden Filamente enthält und aus einem normalleitenden Material beispielsweise zur Verbesserung der elektrischen Stabilität oder der mechanischen Festigkeit oder zur weiteren Reduzierung der Wechselstromverluste gemäß der DE 196 21 068 C1 besitzt.


Anspruch[de]
  1. 1. Bandförmiger Multifilamentsupraleiter von monolithischem Aufbau mit mehreren supraleitenden Leiterfilamenten, die jeweils
    1. - ein metalloxidisches Supraleitermaterial mit wenigstens einer Hoch-Tc-Phase aufweisen und
    2. - in normalleitendes Matrixmaterial eingebettet sind, das eine vorbestimmte elektrische Leitfähigkeit bei der Betriebstemperatur des Supraleiters besitzt,

      wobei der Supraleiter
    3. - in mehrere Leitersegmente unterteilt ist, die jeweils mehrere Leiterfilamente aus dem Supraleitermaterial aufweisen und gegenseitig durch Zwischenschichten getrennt sind, welche aus einem Zwischenschichtmaterial bestehen, das gegenüber dem Matrixmaterial eine vergleichsweise geringere elektrische Leitfähigkeit besitzt, und
    4. - eine Verdrillung aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Leitersegmente (Sj)
    1. - jeweils miteinander verdrillte Leiterfilamente aufweisen mit einer Filamenttwistlänge L1,
    2. - gegenseitig durch AC-Barrieren (13, 19) bildende Zwischenschichten aus ein Barrierenmaterial bildendem Zwischenschichtmaterial getrennt sind und
    3. - miteinander verdrillt sind mit einer Segmenttwistlänge L2, wobei L1 ≠ L2 gilt.
  2. 2. Leiter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Filamenttwistlänge L1 < L2.
  3. 3. Leiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Filamenttwistlänge L1 um mindestens einen Faktor 2, vorzugsweise um mindestens einen Faktor 10 kleiner ist als die Segmenttwistlänge L2.
  4. 4. Leiter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterial aus Ag oder einer Ag-Legierung besteht.
  5. 5. Leiter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Barrierenmaterial eine um mindestens eine Größenordnung geringere elektrische Leitfähigkeit als das Matrixmaterial besitzt.
  6. 6. Leiter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Barrierenmaterial mindestens ein Oxidmaterial ist.
  7. 7. Leiter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Barrierenmaterial aus der Gruppe der Oxidmaterialien ZrO2, SiO2, CuO, MgO, AgO, Al2O3 oder aus Mischoxiden mit mindestens einem dieser Oxidmaterialien ausgewählt ist.
  8. 8. Leiter nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Aspektverhältnis von größer 3.
  9. 9. Leiter nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen filamentfreien zentralen Kernbereich (21) aus einem normalleitenden Material.
  10. 10. Leiter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für den zentralen Kernbereich (21) das Matrixmaterial gewählt ist.
  11. 11. Leiter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Material des zentralen Kernbereichs das Barrierenmaterial gewählt ist.
  12. 12. Leiter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Leiterfilamente (Fn) untereinander durch Zwischenschichten (16) aus einem Material getrennt sind, das eine gegenüber dem Matrixmaterial vergleichsweise geringere elektrische Leitfähigkeit besitzt.
  13. 13. Leiter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenschichtmaterial das Barrierenmaterial oder ein davon verschiedenes Material ist.
  14. 14. Leiter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Leiterfilamente (Fn) um ihre jeweilige Filamentachse verdrillt sind.
  15. 15. Verfahren zur Herstellung eines bandförmigen Multifilamentsupraleiters von monolithischem Aufbau mit mehreren supraleitenden Leiterfilamenten, die jeweils
    1. - ein metalloxidisches Supraleitermaterial mit wenigstens einer Hoch-Tc-Phase aufweisen und

      in normalleitendes Matrixmaterial eingebettet sind, das eine vorbestimmte elektrische Leitfähigkeit bei der Betriebstemperatur des Supraleiters besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass
    2. - zunächst eine einer vorbestimmten Anzahl von Leitersegmenten (Sj) entsprechende Zahl von Segmentleitern (2) mit mehreren Leiterkernen (4j) aus einem Vormaterial des Supraleitermaterials hergestellt wird,
    3. - bei der Herstellung jedes dieser Segmentleiter (2) eine gegenseitige Verdrillung der Leiterkerne (4j) mit einer Filamenttwistlänge L1 sowie eine Umhüllung (5) aus einem Barrierenmaterial vorgesehen werden, das gegenüber dem Matrixmaterial eine vergleichsweise geringere elektrische Leitfähigkeit besitzt,
    4. - dann die Segmentleiter (2) entsprechend einer angestrebten Segmentierung angeordnet und mit einer Segmenttwistlänge L2, die ungleich der Filamenttwistlänge L1 ist, gegenseitig verdrillt werden, wobei sie gegebenenfalls in einem Hüllrohr (6) zusammengefaßt werden können, und
    5. - anschließend das so gewonnene Leiterzwischenprodukt (8) mittels Verformung und Wärmebehandlung in das supraleitende Endprodukt (11) des Multifilamentsupraleiters mit der Bandform überführt wird.
  16. 16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmentleiter (2) jeweils mit rundem Querschnitt ausgebildet werden.
  17. 17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Filamenttwistlänge L1 vorgesehen wird, die kleiner als die Segmenttwistlänge L2 ist.
  18. 18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Filamenttwistlänge L1 vorgesehen wird, die um mindestens einen Faktor 2, vorzugsweise um mindestens einen Faktor 10, kleiner ist als die Segmenttwistlänge L2.
  19. 19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Matrixmaterial aus Ag oder einer Ag-Legierung vorgesehen wird.
  20. 20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein Barrierenmaterial vorgesehen wird, das eine um mindestens eine Größenordnung geringere elektrische Leitfähigkeit als das Matrixmaterial besitzt.
  21. 21. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein Barrierenmaterial aus mindestens einem Oxidmaterial vorgesehen wird.
  22. 22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Barrierenmaterial aus der Gruppe der Oxidmaterialien ZrO2, SiO2, CuO, MgO, AgO, Al2O3 oder aus Mischoxiden mit mindestens einem dieser Oxidmaterialien ausgewählt wird.
  23. 23. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Verformung des Leiterzwischenprodukts (8) ein Aspektverhältnis des Leiterendprodukts (11) von größer 3, vorzugsweise größer 10, eingestellt wird.
  24. 24. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass ein filamentfreier zentraler Kernbereich (21) aus einem normalleitenden Material vorgesehen wird.
  25. 25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für den zentralen Kernbereich (21) das Matrixmaterial gewählt wird.
  26. 26. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass als Material des zentralen Kernbereichs das Barrierenmaterial gewählt wird.
  27. 27. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Leiterfilamente (Fn) untereinander durch Zwischenschichten (16) aus einem Material getrennt werden, das eine gegenüber dem Matrixmaterial vergleichsweise geringere elektrische Leitfähigkeit besitzt.
  28. 28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass als Zwischenschichtmaterial das Barrierenmaterial oder ein davon verschiedenes Material gewählt wird.
  29. 29. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Leiterfilamente (Fn) um ihre jeweilige Filamentachse verdrillt werden.






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