Способ изготовления сверхпроводника Советский патент 1976 года по МПК H01L39/24 C22C1/00 

(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВЕРХПРОВОДНИКА Сплавы, содержащие более 16 вес. % олова или альфа-дельта-бронзы не могут подвергаться холодной обработке давлением в равновесном состоянии в связи с присутствием в их структуре твердой хрупкой дельта-фазы. Цель изобретения - упрощение изготовления сверхпроводника и обеспечение возможности увеличения отношения количества сверхпроводящего интерметаллида к количеству материала матрицы по сравнению с известными способами. В соответствии с изобретением способ изготовления сверхпроводника, содержащего сверхпроводящее интерметаллическое соединение по крайней мере из двух элементов, включает стадии производства сложной первичной заготовки, содержащей, по крайней мере, одну нить, которая содержит один пластичный из указанных элементов и заделана в материал матрицы. Остаток указанных элементов добавляют к материалу матрицы и диффундирует через него. Указанные элементы мо.гут быть добавлены пароосаждением на материал матрицы. Материал матрицы может совсем не содержать остаток элементов или может содержать небольшую часть остатка элементов. Материал матрицы может быть выбран из группы меди, серебра и никеля. Нить может быть образована из ниобия. Пароосажденный материал может быть оловом. Остаток элементов может быть диффундирован в материал матрицы при 400-1000°С до реакции при второй температуре. Первое покрытие остатка элементов может быть диффундировано в материал матрицы при первой температуре и, по крайней мере, второе покрытие остатка элементов может быть диффундировано в матрицу при первой темцературе до реакции при второй температуре. Может быть применено несколько покрытий, каждое из которых диффундирует в материал матрицы до реакции, а вторая температура может быть в диапазоне 700-900°С. Предлагаемый способ поясняется на примере изготовления интерметаллического сверхпроводящего соединения NbaSn. Это соединение выбирают из-за его хороших сверхпроводящих характеристик относительно критической температуры и допустимой токовой нагрузки в высокомагнитных по лях, но принципы изобретения также применимы к другим интерметаллическим сверхпроводящим соединениям. Соответственно изготовляют заготовку, содержащую множество нитей из ниобия, заделанных и поддерживаемых матрицей из соотнетствующего ковкого материала, обычно меди. Ее изготавливают, например, путем создания выдавливаемого сосуда из меди со стержнем из ниобия для образования комплекта, комплект закрывают, преимущественно после откачивания, и затем выдавливают при температуре до 900°С для образования стержня из ниобия, плакированного медью. Этот стержень затем протягивают через последовательность обжимных штампов для производства плакированного медью прутка. Плакированный медью пруток затем нарезают, например, на 61 отрезок; отрезки собирают вместе в следующем медном выдавливаемом сосуде, который впоследствии откачивают и герметически закупоривают. Образованный таким образом комплект выдавливают при той же температуре до 900°С через следующий ряд штампов для уменьшения диаметра каждой нити ниобия до величины около 5 мкм. Описанная последовательность обработки, нарезания, комплектования и дальнейшей обработки при необходимости может быть повторена много раз и степень обработки изменяется, чтобы получить требуемую заготовку, в которой в медной матрице создано требуемое число нитей из ниобия, каждая из которых имеет требуемый диаметр. Обычная сложная первичная частица состоит из проволоки диаметром 250 мкм по меди, содержащей 244 нити ниобия с диаметром 5 мкм. Заготовку затем покрывают оловом, как вторым элементом последующего сверхпроводящего интерметаллического соединения NbsSn (на внешнюю поверхность медной матрицы), и медная матрица гомогенизируется диффузией внутрь олова от покрытия. Позже происходит реакция между по крайней мере некоторой частью ниобия или нитей из ниобия и оловом от матрицы для образования NbaSn. Гомогенная матрица состоит из сплава медь - олово, который является бронзой. При образовании бронзы из меди и олова интерметаллические соединения из меди и олова могут быть образованы в диапазоне температур 230-760°С для состава бронзы 10- 39 ат. % олова, остальное медь. Однако желательно избежать образования интерметаллических меднооловянных соединений из-за того, что, во-первых, они делают хрупкой бронзу, когда беспорядочно распределяются в ней, и, во-вторых, нити из ниобия могут представлять собой поверхности, подходящие для гетерогенного образования центров кристаллизации соединений, после чего появляется возможность образования интерметаллических соединений из ниобия, меди и олова и этим самым -задерживается последующее образование NbaSn. Во избежание этих недостатков олово наносят из жидкой ванны при низкой температуре для обеспечения небольшой взаимной диффузии меди и олова и ограничения образования интерметаллических соединений до зоны в 1-2 мкм по толщине на поверхности раздела медь - ол.ово. Когда каждый слой олова наложен на медную матрицу, матрица гомогенизируется ермообработкой в диапазоне 400-1000°С, в ерхней части которого происходит наименьее интерметаллическое образование в систее медь--олово и быстрее достигается гомоенное состояние. Однако точка плавпения бронзы снижается, когда содержание олова уменьшается, чтобы образовать зону расплавленной поверхности на поверхности раздела олово - медь в начале термообработки. Величина расплавленной зоны определяется количеством олова, наложенного на поверхность матрицы до ее термообработки. Для поддержания геометрии расположения нитей ниобия в медной матрице по возможности постоянной, т. е. для сохранения геометрической фор- ю мы сверхпроводника, несколько тонких слоев олова наносят на поверхность матрицы и каждый слой гомогенизируется сплавом вместо того, чтобы наложиться одному толстому слою олова и пройти одной гомогенизации. 15 В начале каждой термообработки будет получена тонкая расплавленная зона, но когда олово диффундируется дальще в медную матрицу и его концентрация уменьшается, то точка плавления жидкой зоны увеличивается 20 до тех нор, пока не превысит температуру теплообработки. Матрица затем становится твердой и кроме того происходит гомогенизация благодаря диффузии твердого состояния. Чтобы свести до минимума трудности, ко- 25 торые могут встретиться с зоной раснлавленной бронзы, предпочтительнее выполнять первоначальную часть каждой гомогенизационной термообработки при низкой температуре, например 600°С, а когда концентрация олова зо уменьщится диффузией, поднять температуру термообработки, например, до 800°С. Продолжительность расплавленного состояния можно затем свести до минимума, и последующая диффузия твердого состояния должна проис- 35 ходить при максимальной температуре. Когда получена бронза матрицы с требуемым содержанием олова, сверхпроводник термообрабатывается при температуре, соответствующей взаимной диффузии олова из 40 бронзы к ниобию для получения Nbr,Sn. Температуоа, при которой эта термообработка будет выполнена, должна находиться в днапазоне, при котором возмол но получить данное интерметаллическое соединение . Тем- 45 пература реакции также имеет большое значение для чистоты и его результирующих сверхпроводящих характеристик. Было выяснено, что для NbnSn при загрязнении непрореагировавщим ниобием или непрореаги- 50 ровавщей медью имеет место ухудшение характеристик. Этот недостаток устраняется выполнением термообработки при возможно более низкой температуре образования NbsSn. Следующее требование по температу- 55 ре заключается в том, чтобы реакция выполнялась в твердой фазе. Это может помочь в предотвращ.ении загрязнения ниобия, а также .гарантирует, что геометрическая форма состава остается постоянной. Затем состав 60 термообрабатывается при 700-900°С в зависимости от структуры бронзы: челт выше содержание меди в матрице, тем ниже должна быть температура реакции для сведения до минимума загрязнения.65 5 В типовом конкретном примере изобретения была изготовлена сложная первичная частица, содержащая 61 нить из ниобия, заделанных в медную матрицу, образующую проволоку, имеющую диаметр 0,02 . Состав был погружен в расплавленное олово при 300°С на 10 с, после чего на его поверхности был образован слой олова, имеющий толщину 0,0001 дюйма. Покрытый состав был гомогенизирован термообработкой при 785°С в течение 5 мин. Покрытие оловом и гомогенизирующая обработка повторялись еще три раза. Состав был затем подвергнут реакционной термообработке при 840°С в течение 90 ч, которая произвела слой , имеющий толщину 3 мкм на каждой нити из ниобия диаметром 50 мкм. Оказалось, что сверхпроводник имеет критическую температуру между 14,2 и 17.б°К. Его допустимая токовая нагрузка была измерена при различных приложенных полях. Результаты представлены в таблице 1. Таблица 1 Параметр рещетки равен 5,889А, что очень близко к параметру, указанному в литературе для NbaSn, образованного из чистых Nb+Sn. Таким образом соединение аналогично по структуре AlSNbsSn. Хотя описанное относится к медным матрипам, в некоторых случаях могут быть получены преимущества для бронзы с малым содержанием олова, т. е. меньше, чем 7% от веса первоначального материала матрицы. Пооцентное содержание олова обычно равно 5%. что ниже уровня, нри котором медь образует интерметаллические соединения. Основные преимущества при использовании бронзы, а не меди, следующие: бронза имеет твердость и прочность, которые ближе к ниобию, чем у чистой меди, и таким образом механическая обработка проводится лучше в течение приготовлепия заготовки, особенно во время стадни выдавливания: в течение первой стадии нагрева после того, как первое покрытие олова было наложено, олово в бронзе сразу же соприкасается с ннобиевыми нитями и реагирует с ниобием с образованием ниобиевооловянного соединения, которое является относительно непроницаемым для меди и следовательно уменьщает скорость диффузии меди в ниобиевые нити.

В качестве следующего варианта серебро может быть использовано как матрица, хотя оно значительно дороже и увеличивает стоимость изделия. Основной смысл применения серебра заключается в том, что оно не меньше реагирует с оловом и не образует так много интерметаллических соединений, которые обнаруживаются в системе Си-Sn, и оно является намного менее растворимым в ниобии, чем медь.

Имеется только одно важное соединение, включающее Ag и Sn, и оно разлагается при температурах значительно ниже самой низкой температуры, при которой NbsSn является стабильным (приблизительно 600°С). Растворимость Ag в Nb важна потому, что загрязнения в Nb могут оказывать вредные действия на последующие сверхпроводящие характеристики, а так как Ag нерастворим в Nb при всех рабочих температурах, то отсутствуют эффекты, обнаруживаемые при использовании медной матрицы, т. е. ухудшение в сверхпроводящих характеристиках последующего соединения.

Однако это улучшение в характеристиках

должно быть сопоставлено с увеличенной стоимостью серебра и явлениями увеличенной надежности, получаемыми при применении серебра. Целесообразность применения очевидно будет зависеть от конкретного ряда экономических и технических требований, которые будут удовлетворены.

Медь может быть использована в качестве следующего варианта, но темцература, при которой способ первоначальной диффузии происходит, может быть уменьшена до 550°, при этой температуре скорость диффузии меди в ниобиевые нити является такой низкой, что имеет место очень малое загрязнение, в то время как скорость диффузии олова в медь еще значительна.

Изложенное может быть применено к другим интерметаллическим соединениям, примеры которых даны в таблице 2 вместе с критической температурой соединения, составом и температурой ванны покрытия, металлом матрицы, металлом нитей заготовки. Там также даны температура гомогенизации, состав гомогенизирующей матрицы и температура реакции.

Таблица 2

При необходимости бронза или другой материал может быть по крайней мере частично удален со сверхпроводящих нитей. Для меднооловянной бронзы это может быть осуществлено химической реакцией или электролитическим анодным растворением. Этот процесс может быть применен на непрерывной основе путем пропускания состава через соответствующую ванну. Затем сверхпроводник может быть обеспечен медной матрицей будучи высушенным и затем пропущенным через ванну расплавленной меди, поддерживаемой при температуре около 1100°С в инертной газовой среде. Поверхностное натяжение, созданное расплавленной медью будет достаточным для сохранения нитей отдельно друг от друга, но в довольно компактном состоянии.

Как пример может быть взята проволока с бронзовой матрицей диаметром 0,020 дюйыа из 61 нити, закрученных друг около друга (каждая из которых состоит из слоя NbsSn) и вокруг ниобиевого стержня. Эту проволоку пропускают через первую ванну из 75%

HNOs, 23% НС1 при 80°С со временем нахождения около одной минуты для удаления бронзы. Проволока проходит через водяную ванну при 80°С двумя проходами по одной

минуте каждый. После прохождения через ацетоновую ванну при окружающей температуре со временем нахождения 1 мин, проволока высушивается в печи при 150°С с тремя проходами, длительность каждого из которых

I мин. Проволоку затем пропускают через; ванну расплавленной меди при 1100°С с временем нахождения 30 с. Алюминий может быть использован как возможный материал для матрицы в вышеупомянутом процессе.

Формула изобретения

ного материала, осуществляя после нанесения каждого слоя термообработку при 400- 1000°С, после чего проводят окончательную термообработку при температуре образования интерметаллического соединения.

i2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве пластичного компонента интерметаллида используют ниобий в матрице из меди, а внешнюю поверхность сверхпроводника покрывают оловом для получения сверхпроводящего интерметаллического соединения NbsSn.

4.Способ по п. 1, отличающийся тем, что остальную часть компонентов интерметаллического соединения наносят на внешнюю поверхность сверхпроводника осаждением из паровой фазы.