專利名稱：由二硼化鎂制造的超導復合線的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種超導復合線或復合帶，其包括超導二硼化鎂材料。
背景技術：
在各種工業應用中使用超導材料需要很多防范和保護措施。最突出的問題之一涉及到在超導現象因故中斷(即使是僅僅一瞬間)的不測事件中對用超導線制作的線圈的保護。
舉例來說，如果將超導線恒定保持在其臨界超導轉變溫度之下的冷卻劑損耗了，即使這種損耗僅僅影響到一小部分線圈，也會發生這種不測事件。這是因為當超導材料被加熱到臨界溫度以上時通常具有相當大的電阻，根據材料的不同，這個溫度通常從幾開爾文到大約150°K變化。
如果發生這種情況，至關重要的是具有立即可用的替換電通路，該替換電通路盡可能近地平行于超導通路，目的是為了保護超導通路不受電流通過的影響，否則超導通路可能會嚴重受損。
這一目標通常是通過與超導線并聯的金屬材料的精密指定的一部分而實現的，該金屬材料具有低電阻，例如銅。在實踐中，在形成線圈時，共同纏繞兩種導線，即超導線和金屬線，能夠獲得這種效果。
然而，這種方法在針對任何器件的纏繞工藝中可能會導致困難和復雜性。非常優選的方案是向超導線自身中加入低電阻金屬材料。不過，為了能夠這樣做，在被選作穩定器的金屬材料、超導化合物自身以及構成導線的其他材料之間必須要有完全的化學和機械相容性。
在超導線由二硼化鎂MgB2制成的情況下，極難找到解決這些問題的方案。這是因為二硼化鎂對于幾乎所有可能被用作穩定器的更為導電的金屬元素都表現出相當大的化學不相容性，這些金屬例如是銅、銀或鋁。由于這些元素對鎂具有相當大的親和力(affinity)，它們容易使MgB2分解。
發明內容
為了解決上述問題，本發明提供了一種新穎的超導復合線結構，其具有在后面的權利要求中限定的特征。
根據本發明，在超導線的中心部分中引入高度導電金屬材料(例如銅或銀)的芯，該超導線包括多根設置在圍繞該芯的環中的二硼化鎂絲。
在導電芯周圍和/或超導絲周圍提供涂層，其充當著對化學擴散的屏障，能夠化學地而非電氣地隔離超導部件的芯的導電金屬材料。
將所得的復合物插入用于容納和機械加強的另一個金屬護套中，該護套具有使超導線緊湊并提供良好機械特性的功能。
于是復合線在內部得到穩定，并且無須與其他導電材料一起纏繞也能用于生產線圈和磁體。
通過以下詳細說明，本發明的其他優點和特征將變得清楚，該詳細說明參考了附圖，附圖以舉例方式給出，沒有限制的意圖，其中圖1為根據本發明的超導線的截面圖；圖2為以扁平線或帶的形式制造的超導線的截面圖，其具有與圖1的超導線相似的結構；圖3和圖4為根據圖1和圖2的結構制造的超導線截面的照片；以及圖5和圖6為可替代實施例中的超導線的截面圖。
具體實施例方式
在圖1和2中，數字1表示導電金屬材料的中央芯。該導電金屬材料優選為銅或銀，因為從電氣角度而言它們是最為導電的元素，而且還能夠忍受導體所遭受的熱處理而不會熔化，該熱處理是在600℃到大約1000℃范圍內的溫度下進行的。優選地，使用被稱為OFHC(無氧高電導率)銅的銅，因為其在低溫下具有可能有的最高電導率。
中央芯1配備有與二硼化鎂化學相容的金屬材料做的外涂層2，充當對導電金屬向所述超導相擴散的屏障或阻礙。該屏障可以由例如鈮、鉭、鐵、鎳、鎢、鉬、鉻或其合金制成，且可以具有足以阻擋或減慢內部金屬材料擴散的最小厚度。
可以引入該屏障作為安裝在高電導率芯周圍的薄管或軋制薄片。或者，可以在高電導率芯的周圍電化學地或通過蒸鍍來沉積形成該屏障的材料。
放置多個二硼化鎂絲3以圍繞屏障涂層2。這些絲優選由單絲線構成，每根都包括二硼化鎂超導芯5和與二硼化鎂化學相容的外部金屬護套6。
如下述圖5和6的實例中所更為詳細展示的，每根單絲線3都可以可選地包括護套6外側的屏障涂層2a或2b，或護套6內側的，換言之，與芯5直接接觸的屏障涂層2a或2b。
用于該護套的材料例如可以是鈮、鉭、鐵、鎳、鎢、鉬、鉻或其合金。
該單絲線優選通過管內粉末(powder-in-tube)法制作，即，通過金屬管的機械變形來制造，其中所述金屬管填充有由MgB2或其組分的混合物(基本上是硼和鎂粉末)構成的粉末。
外部護套4圍繞著單絲線3。外部護套的材料可以是具有容納所述線和形成所述線的機械支撐的功能的任何材料。優選地，可以從鈮、鉭、鐵、鎳、鎢、鉬、鉻或其合金中選擇形成該護套的材料。
通過機械變形對以這種方式組裝的復合物進行機械加工，以便生產具有圓形(圖1和圖3)或扁平(圖2和圖4)截面的長導體。用于機械加工該復合物的方法可以包括擠壓、軋制、鍛造和拉延。
生產出的線的量將唯一地取決于初始組件的尺寸和將要制造的導體的最終尺寸。
經內部穩定的超導線的典型尺寸在直徑0.2mm到2mm的范圍內。類似地，也能夠生產厚度從0.2mm到2mm、寬度從1mm到5mm的超導帶。
與現有技術相比，二硼化鎂超導線的這種結構使得能在高溫(700℃以上)下對導體進行熱處理，而不會因為存在金屬元素而沾污超導相。
在圖3和圖4所示的特定實施例中，制造了具有前述結構的超導線，這些線具有圓形線或超導帶的截面，具有純銅的中央芯、純鐵的擴散屏障、帶純鎳護套的二硼化鎂超導絲以及純鎳外部護套。
圖5和圖6示出了落入本發明范圍內的可替代實施例。
在這些圖中，用相同的附圖標記表示與圖1和圖2中要素對應的要素。
具體而言，本發明提供了這種可能性，即擴散屏障2不一定要設置在中央導電芯1周圍，而是還可以(或可替代地)設置在每根絲3周圍，或者作為容納護套6的涂層，或者直接與二硼化鎂絲的超導芯5接觸。
于是，如對所有三個方案的共同利用一樣，圖1、圖5和圖6所示方案的所有可能的兩兩組合都是被允許的。
在圖5的實例中，由2a表示的屏障涂層包覆著每根絲3的容納護套6。
在圖6所示的實例中，由2b表示的屏障涂層與護套6中的每根絲的超導芯5直接接觸。
前面的描述適用于形成屏障涂層2a和2b的材料，適用于形成外部金屬護套6的材料以及它們的涂覆。
在圖5和圖6的方案中，屏障涂層2a和2b優選為選自前述的組的金屬或金屬合金，但與形成護套6的材料不同。于是優選的是，屏障涂層2a、2b選自鈮、鉭、鐵及其合金，而形成護套6的材料由選自鈮、鉭、鐵、鎳、污、鉬、鉻或其合金的金屬構成或包括該金屬，這種材料與形成涂層2a、2b的材料不同。
本發明的范圍還包括這種情況在該超導線中，一些絲3是根據圖5的方案制造的，而其他絲是根據圖6的方案制造的，可選地，在導電芯1上存在涂層2。
在所有情況下，這樣制造的復合材料經歷了高達980℃的熱處理而沒有因為銅的存在而造成二硼化鎂的分解。
權利要求
1.具有二硼化鎂超導相的超導復合線，其特征在于，所述超導復合線包括導電金屬芯(1)；多根布置在所述導電金屬芯(1)周圍的包括二硼化鎂芯的絲(3)；圍繞所述多根絲(3)的外部金屬護套(4)，用于容納和機械加強；以及至少一個金屬層(2、2a、2b)，所述金屬層(2、2a、2b)與二硼化鎂化學相容且能夠充當對所述芯(1)的導電金屬向所述絲(3)擴散的屏障，其中所述層被涂覆為a)導電金屬芯的涂層(2)和/或b)所述絲(3)的涂層(2a、2b)。
2.根據權利要求1所述的超導復合線，其特征在于，所述與二硼化鎂化學相容的金屬層(2)被設置為所述導電金屬芯(1)的涂層。
3.根據權利要求1或2所述的超導復合線，其特征在于，所述與二硼化鎂化學相容的金屬層被涂覆為與所述絲(3)的二硼化鎂芯直接接觸的涂層(2b)。
4.根據權利要求1或2所述的超導復合線，其特征在于，每根所述二硼化鎂絲(3)都包括二硼化鎂芯(5)和圍繞所述二硼化鎂芯(5)的金屬護套(6)，且其中所述與二硼化鎂相容的金屬層被涂覆為所述護套(6)的外涂層(2a)。
5.根據權利要求1、2或3所述的超導復合線，其特征在于，每根所述二硼化鎂絲(3)都包括二硼化鎂芯(5)和圍繞所述二硼化鎂芯(5)的金屬護套(6)，且其中所述與二硼化鎂相容的金屬層被涂覆為所述護套(6)之內的所述二硼化鎂芯(5)的涂層。
6.根據權利要求1或2所述的超導復合線，其特征在于，所述超導復合線包括導電金屬芯(1)；金屬涂層(2)，所述金屬涂層(2)與二硼化鎂化學相容，圍繞所述芯(1)且能夠充當對該芯的所述導電金屬擴散的屏障；多根設置在所述帶涂層的芯(1，2)周圍的二硼化鎂絲(3)，每根絲配備有與二硼化鎂化學相容的金屬涂層或護套(6)；以及外部金屬護套(4)，用于容納和機械加強。
7.根據權利要求1到6中任一項所述的超導復合線，其特征在于，所述與二硼化鎂化學相容的金屬涂層(2，2a，2b)由選自鈮、鉭、鐵、鎳、鎢、鉬、鉻及其合金構成的組的金屬構成。
8.根據權利要求7所述的超導復合線，其特征在于，所述涂層(2，2a，2b)由管或軋制薄片構成，或者通過電化學沉積或通過蒸鍍生產。
9.根據前述權利要求中任一項所述的復合線，其特征在于，所述二硼化鎂絲(3)包括單絲線(3)，每根單絲線(3)包括超導二硼化鎂芯(5)和與二硼化鎂化學相容的金屬的外部護套(6)。
10.根據權利要求9所述的超導復合線，其特征在于，所述單絲線的所述護套(6)由選自鈮、鉭、鐵、鎳、鎢、鉬、鉻及其合金構成的組的金屬構成。
11.根據前述權利要求中任一項所述的復合線，其特征在于，所述外部的用于容納和加強的護套(4)由選自鈮、鉭、鐵、鎳、鎢、鉬、鉻及其合金構成的組的金屬構成。
12.根據權利要求4和5中任一項所述的超導復合線，其特征在于，所述與二硼化鎂化學相容的金屬層(2a，2b)選自鈮、鉭、鐵及其合金，而圍繞所述二硼化鎂芯(5)的所述金屬護套(6)由選自鎳、鎢、鉬、鉻及其合金的金屬構成。
13.根據前述權利要求中任一項所述的超導復合線，其特征在于，所述導電金屬芯(1)包括銅或銀。
14.根據前述權利要求中任一項所述的超導復合線，所述超導復合線具有圓形或扁平的橫截面。
全文摘要
一種具有二硼化鎂超導相的超導復合線，包括導電金屬芯(1)；多根設置在所述導電金屬芯(1)周圍的絲，其中每根絲(3)包括二硼化鎂芯(5)；圍繞所述多根絲的外部金屬護套(4)，用于容納和機械加強；以及至少一個由與二硼化鎂化學相容的金屬制成的層(2，2a，2b)，其能夠在高達980℃的溫度下充當對所述導電金屬芯(1)的導電金屬向所述絲(3)擴散的屏障，其中所述至少一個層被涂覆為a)所述導電金屬芯的涂層(2)和/或b)所述絲(3)的涂層(2a)，和/或c)所述絲(3)的所述二硼化鎂芯(5)的涂層(2b)。
文檔編號H01L39/16GK101019244SQ200480043721
公開日2007年8月15日 申請日期2004年7月30日 優先權日2004年7月30日
發明者G·格拉索, A·馬拉戈利, A·S·西里 申請人:哥倫布超導體有限責任公司