[發明專利]金屬超導線的擴散屏障

有效

• 申請號: 201780053800.1
• 申請日: 2017-09-06
• 公開（公告）號: CN109643593B
• 公開（公告）日: 2021-06-18
• 發明（設計）人: 大衛·B·斯馬瑟斯;P·艾蒙
• 申請（專利權）人: H.C.施塔克公司
• 主分類號: H01B12/00
• 分類號: H01B12/00;H01B1/02;H01L39/12;H01B13/00
• 代理公司: 北京泛華偉業知識產權代理有限公司 11280
• 代理人: 王勇;李科

在各種實施例中，超導線包含由Ta合金組成的擴散屏障，其抵抗內部擴散并為導線提供優越的機械強度。

相關申請

本申請要求2016年9月6日提交的美國臨時專利申請No.62/383,676的權益和優先權，其全部公開內容通過引用包含于此。

技術領域

在各種實施例中，本發明涉及包含用于防止低導電相的擴散屏障的超導線的形成和加工。

背景技術

超導材料在冷卻到低于其特征臨界溫度時顯示為沒有電阻。雖然已經識別了臨界溫度高于氮氣的77K沸點的高溫超導體材料，但這些材料通常是特異的(例如鈣鈦礦陶瓷)，難以加工，并且不適合強場應用。因此，對于需要導線和導線圈及其束的實際超導應用，最常使用金屬超導體Nb-Ti和Nb₃Sn。雖然這些材料的臨界溫度低于77K，但是加工這些材料(例如，拉成導線)的相對容易性以及它們在高電流和高磁場下工作的能力已經導致它們的廣泛使用。

典型的金屬超導線具有嵌入銅(Cu)導電基體內的超導相的多股(或“絲”)。盡管Nb-Ti具有足以直接拉伸成細導線的延展性，但其適用性通常限于以具有低于約8特斯拉的強度的磁場為特征的應用。Nb₃Sn是脆性金屬間相，不能承受拉絲變形，因此通常在拉絲后經由擴散熱處理形成。Nb₃Sn超導材料通常可用于以具有高達至少20特斯拉的強度的磁場為特征的應用中。因此，已經利用幾種不同的技術來制造基于Nb₃Sn的超導線。例如，在“青銅工藝”中，大型復合材料由Nb桿和圍繞Nb桿的Cu-Sn合金桿(包括例如13-15％Sn)制成。由于這些材料是可延展的，因此可以將復合材料拉伸至合適的直徑，然后將拉伸的復合材料退火。熱處理導致在Nb和Cu-Sn之間的界面處相互擴散和Nb₃Sn相的形成。用于形成基于Nb₃Sn的超導線的其他工藝類似地涉及在拉絲之后脆性Nb₃Sn相的形成。例如，純Sn或具有Cu或Mg的Sn合金可以合并在初始復合材料的內部中并在拉伸后退火。可替換地，Nb絲可以嵌入Cu基體中并拉伸成導線。隨后可以用Sn涂覆所得到的導線。加熱涂覆的導線，形成Sn-Cu相，其最終與Nb絲反應形成Nb₃Sn相。

雖然上面詳述的技術已經導致成功制造用于許多不同應用的金屬超導線，但是所得到的導線通常表現出不足的電性能。典型的超導線包含許多上述Nb₃Sn或Nb-Ti絲，它們嵌入Cu穩定器中，設置在Cu穩定器周圍和/或被Cu穩定器圍繞，Cu穩定器為導線提供足夠的延展性，以便在工業系統中進行處理和結合。雖然這種Cu穩定器本身不是超導的，但是Cu的高導電性可以使導線具有令人滿意的整體電性能。遺憾的是，來自超導絲的各種元素(例如，Sn)可能與Cu穩定器的部分反應，形成低導電性相，其負面地影響整個導線的整體導電性。雖然已經利用擴散屏障來保護Cu穩定器免受超導絲的影響，但是這些屏障往往具有不均勻的橫截面積，并且甚至可能由于在擴散屏障和Cu穩定器的共處理期間的不均勻變形而局部破裂。盡管可以簡單地使這種擴散屏障更厚，但是由于擴散屏障材料本身的導電性較低，這種解決方案會影響導線的整體導電性。例如，對于前沿和未來的應用，例如新的粒子加速器和對撞機，磁鐵被設計為超出了現有的導線能力；這種導線在15特斯拉時需要的非銅臨界電流密度大于2000A/mm²。由于擴散屏障是非銅部分的一部分，因此最小化任何屏障材料的體積是重要的，同時任何強度益處都是有利的。

鑒于上述情況，需要金屬超導線的改進的擴散屏障，其基本上防止涉及Cu穩定器的有害反應，同時保持均勻地薄，以便不占據導線的總橫截面積的顯著部分。

發明內容