(57)【要約】本明細書では、金属超伝導ワイヤのための拡散障壁が記載される。種々の実施形態では、超伝導ワイヤは、内部拡散に抵抗し、優れた機械的強度をワイヤに提供する、Ｎｂ合金またはＮｂ−Ｔａ合金から成る拡散障壁を組み込む。拡散障壁は、典型的には、Ｃｕワイヤマトリクスの少なくとも一部と超伝導フィラメントとの間に、および／または超伝導フィラメントと、付加的機械的強度のために超伝導体ワイヤ内に、および／またはその周囲に組み込まれる安定化要素との間に、配置される。
2021516428.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
拡散抵抗および機械的強度を保有する超伝導ワイヤであって、前記超伝導ワイヤは、
Ｃｕを含む外側ワイヤマトリクスと、
拡散障壁であって、前記拡散障壁は、前記ワイヤマトリクス内に配置され、０．１％〜２０％のＷを含有するＮｂ合金または０．１％〜２０％のＷを含有するＮｂ−Ｔａ合金を含む、拡散障壁と、
複数の複合フィラメントであって、前記複数の複合フィラメントは、前記拡散障壁によって囲繞され、前記拡散障壁によって前記外側ワイヤマトリクスから分離される、複数の複合フィラメントと
を備え、
各複合フィラメントは、（ｉ）複数のモノフィラメントと、（ｉｉ）前記複数のモノフィラメントを囲繞するＣｕを含むクラッディングとを含み、
各モノフィラメントは、Ｎｂを含むコアと、前記コアを囲繞し、Ｃｕを含むクラッディングとを含み、
前記拡散障壁は、前記超伝導ワイヤの断面積の１％〜２０％を占有し、
前記拡散障壁は、前記超伝導ワイヤの軸方向寸法を通して延在する、超伝導ワイヤ。
【請求項２】
前記複合フィラメントと前記拡散障壁との間に配置されるＮｂベースの超伝導相を含む環状領域をさらに備える、請求項１に記載のワイヤ。
【請求項３】
前記環状領域は、Ｎｂ３Ｓｎを含む、請求項２に記載のワイヤ。
【請求項４】
前記環状領域は、前記拡散障壁に共形化し、それと接触する、請求項２に記載のワイヤ。
【請求項５】
前記拡散障壁は、前記超伝導ワイヤの断面積の１％〜１０％を占有する、請求項１に記載のワイヤ。
【請求項６】
前記拡散障壁は、前記超伝導ワイヤの断面積の２％〜１０％を占有する、請求項１に記載のワイヤ。
【請求項７】
前記拡散障壁は、前記超伝導ワイヤの断面積の３％〜１０％を占有する、請求項１に記載のワイヤ。
【請求項８】
各モノフィラメントの前記コアは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｙ、またはＬａのうちの少なくとも１つと合金化されるＮｂを含む、請求項１に記載のワイヤ。
【請求項９】
各モノフィラメントの前記コアは、Ｎｂ３Ｓｎを含む、請求項１に記載のワイヤ。
【請求項１０】
前記拡散障壁は、Ｎｂ−６ＷまたはＮｂ−Ｔａ−３Ｗを含む、請求項１に記載のワイヤ。
【請求項１１】
前記拡散障壁は、加えて、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｒｅ、またはＳｉから成る群から選択される１つ以上の合金化元素を含有する、請求項１に記載のワイヤ。
【請求項１２】
前記複合フィラメントはそれぞれ、六角形の断面形状を有する、請求項１に記載のワイヤ。
【請求項１３】
前記モノフィラメントはそれぞれ、六角形の断面形状を有する、請求項１に記載のワイヤ。
【請求項１４】
前記複数の複合フィラメント内に配置され、前記拡散障壁によって囲繞される安定化要素をさらに含み、前記安定化要素は、０．１％〜２０％のＷを含有するＴａ合金、０．１％〜２０％のＷを含有するＮｂ合金、または０．１％〜２０％のＷを含有するＮｂ−Ｔａ合金を含む、請求項１に記載のワイヤ。
【請求項１５】
前記超伝導ワイヤの降伏強度は、少なくとも１００ＭＰａである、請求項１に記載のワイヤ。
【請求項１６】
拡散抵抗および機械的強度を保有する超伝導ワイヤであって、前記超伝導ワイヤは、
Ｃｕを含むワイヤマトリクスと、
前記ワイヤマトリクス内に埋め込まれる複数の複合フィラメントと
を備え、
各複合フィラメントは、（ｉ）複数のモノフィラメントと、（ｉｉ）拡散障壁であって、前記拡散障壁は、０．１％〜２０％のＷを含有するＮｂ合金または０．１％〜２０％のＷを含有するＮｂ−Ｔａ合金を含み、前記複合フィラメントの軸方向寸法を通して延在し、前記複数のモノフィラメントを囲繞する、拡散障壁と、（ｉｉｉ）前記拡散障壁を囲繞するＣｕを含むクラッディングであって、前記拡散障壁は、前記複数のモノフィラメントから前記クラッディングを分離する、クラッディングとを含み、
前記拡散障壁は、集合的に、前記超伝導ワイヤの断面積の１％〜２０％を占有し、
各モノフィラメントは、Ｎｂを含むコアと、前記コアを囲繞し、Ｃｕを含むクラッディングとを含む、超伝導ワイヤ。
【請求項１７】
前記モノフィラメントと前記複合フィラメントのうちの少なくとも１つの拡散障壁との間に配置され、Ｎｂベースの超伝導相を含む環状領域をさらに備える、請求項１６に記載のワイヤ。
【請求項１８】
前記環状領域は、Ｎｂ３Ｓｎを含む、請求項１７に記載のワイヤ。
【請求項１９】
前記環状領域は、前記拡散障壁に共形化し、それと接触する、請求項１７に記載のワイヤ。
【請求項２０】
前記拡散障壁は、集合的に、前記超伝導ワイヤの断面積の１％〜１０％を占有する、請求項１６に記載のワイヤ。
【請求項２１】
前記拡散障壁は、集合的に、前記超伝導ワイヤの断面積の２％〜１０％を占有する、請求項１６に記載のワイヤ。
【請求項２２】
前記拡散障壁は、集合的に、前記超伝導ワイヤの断面積の３％〜１０％を占有する、請求項１６に記載のワイヤ。
【請求項２３】
各モノフィラメントの前記コアは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｙ、またはＬａのうちの少なくとも１つと合金化されるＮｂを含む、請求項１６に記載のワイヤ。
【請求項２４】
各モノフィラメントの前記コアは、Ｎｂ３Ｓｎを含む、請求項１６に記載のワイヤ。
【請求項２５】
前記拡散障壁は、Ｎｂ−６ＷまたはＮｂ−Ｔａ−３Ｗを含む、請求項１６に記載のワイヤ。
【請求項２６】
前記拡散障壁は、加えて、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｒｅ、またはＳｉから成る群から選択される１つ以上の合金化元素を含有する、請求項１６に記載のワイヤ。
【請求項２７】
前記超伝導ワイヤの降伏強度は、少なくとも１００ＭＰａである、請求項１６に記載のワイヤ。
【請求項２８】
前記複合フィラメントはそれぞれ、六角形の断面形状を有する、請求項１６に記載のワイヤ。
【請求項２９】
前記モノフィラメントはそれぞれ、六角形の断面形状を有する、請求項１６に記載のワイヤ。
【請求項３０】
前記複数の複合フィラメント内に配置される安定化要素をさらに含み、前記安定化要素は、０．１％〜２０％のＷを含有するＴａ合金、０．１％〜２０％のＷを含有するＮｂ合金、または０．１％〜２０％のＷを含有するＮｂ−Ｔａ合金を含む、請求項１６に記載のワイヤ。
【請求項３１】
拡散抵抗および機械的強度を保有する超伝導ワイヤであって、前記超伝導ワイヤは、
Ｃｕを含む内側ワイヤ安定化マトリクスと、
拡散障壁であって、前記拡散障壁は、前記ワイヤ安定化マトリクスの周囲に配置され、０．１％〜２０％のＷを含有するＮｂ合金または０．１％〜２０％のＷを含有するＮｂ−Ｔａ合金を含む、拡散障壁と、
複数の複合フィラメントであって、前記複数の複合フィラメントは、前記拡散障壁の周囲に配置され、前記拡散障壁によって、前記ワイヤ安定化マトリクスから分離される、複数の複合フィラメントと
を備え、
各複合フィラメントは、（ｉ）複数のモノフィラメントと、（ｉｉ）前記複数のモノフィラメントを囲繞するＣｕを含むクラッディングとを含み、
各モノフィラメントは、Ｎｂを含むコアと、前記コアを囲繞し、Ｃｕを含むクラッディングとを含み、
前記拡散障壁は、前記超伝導ワイヤの断面積の１％〜２０％を占有し、
前記拡散障壁は、前記ワイヤの軸方向寸法を通して延在する、超伝導ワイヤ。
【請求項３２】
前記複合フィラメントと前記拡散障壁との間に配置され、Ｎｂベースの超伝導相を含む環状領域をさらに備える、請求項３１に記載のワイヤ。
【請求項３３】
前記環状領域は、Ｎｂ３Ｓｎを含む、請求項３２に記載のワイヤ。
【請求項３４】
前記環状領域は、前記拡散障壁に共形化し、それと接触する、請求項３２に記載のワイヤ。
【請求項３５】
前記拡散障壁は、前記超伝導ワイヤの断面積の１％〜１０％を占有する、請求項３１に記載のワイヤ。
【請求項３６】
前記拡散障壁は、前記超伝導ワイヤの断面積の２％〜１０％を占有する、請求項３１に記載のワイヤ。
【請求項３７】
前記拡散障壁は、前記超伝導ワイヤの断面積の３％〜１０％を占有する、請求項３１に記載のワイヤ。
【請求項３８】
各モノフィラメントの前記コアは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｙ、またはＬａのうちの少なくとも１つと合金化されるＮｂを含む、請求項３１に記載のワイヤ。
【請求項３９】
各モノフィラメントの前記コアは、Ｎｂ３Ｓｎを含む、請求項３１に記載のワイヤ。
【請求項４０】
前記拡散障壁は、Ｎｂ−６ＷまたはＮｂ−Ｔａ−３Ｗを含む、請求項３１に記載のワイヤ。
【請求項４１】
前記拡散障壁は、加えて、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｒｅ、またはＳｉから成る群から選択される１つ以上の合金化元素を含有する、請求項３１に記載のワイヤ。
【請求項４２】
前記超伝導ワイヤの降伏強度は、少なくとも１００ＭＰａである、請求項３１に記載のワイヤ。
【請求項４３】
前記複合フィラメントはそれぞれ、六角形の断面形状を有する、請求項３１に記載のワイヤ。
【請求項４４】
前記モノフィラメントはそれぞれ、六角形の断面形状を有する、請求項３１に記載のワイヤ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本願は、その開示全体が、参照することによって本明細書に組み込まれる、２０１８年３月７日に出願された、米国仮特許出願第６２／６３９，５３０号の利益および優先権を主張する。
【０００２】
種々の実施形態では、本発明は、相互拡散の防止のために拡散障壁を組み込む、超伝導ワイヤの形成および処理に関する。
【背景技術】
【０００３】
超伝導材料は、その特徴的な臨界温度を下回って冷却されたとき、電気抵抗を呈さない。窒素の７７Ｋ沸点よりも高い臨界温度を有する、高温超伝導体材料が識別されているが、これらの材料は、多くの場合、エキゾチック（例えば、ペロブスカイトセラミック）であり、処理することが困難であり、高磁場用途のために不適切である。したがって、ワイヤおよびコイルおよびそれらの束を要求する、実践的な超伝導用途に関して、金属超伝導体Ｎｂ−ＴｉおよびＮｂ３Ｓｎが、最も多くの場合、利用される。これらの材料は、７７Ｋを下回る臨界温度を有するが、これらの材料を処理する（例えば、ワイヤに引き伸ばす）ことの相対的容易性、および高電流および高磁場において動作するそれらの能力が、それらの広範な使用をもたらしている。
【０００４】
典型的金属超伝導ワイヤは、銅（Ｃｕ）導電性マトリクス内に埋め込まれる、超伝導相の複数の撚線（または「フィラメント」）を特徴とする。Ｎｂ−Ｔｉは、細いワイヤになるように直接引き伸ばすために十分に延性であるが、その適用性は、典型的には、約８テスラを下回る強度を有する磁場を特徴とする用途に限定される。Ｎｂ３Ｓｎは、ワイヤ引伸変形に耐えることができない、脆性金属間相であり、したがって、典型的には、拡散熱処理を介したワイヤ引伸後に形成される。Ｎｂ３Ｓｎ超伝導材料は、典型的には、少なくとも２０テスラまでの強度を有する磁場を特徴とする用途で使用され得る。したがって、いくつかの異なる技法が、Ｎｂ３Ｓｎベースの超伝導ワイヤを加工するために利用されている。例えば、「ブロンズプロセス」では、大型複合物が、ＮｂロッドおよびＮｂロッドを囲繞するＣｕ−Ｓｎ合金ロッド（例えば、１３〜１５％のＳｎを含む）から加工される。これらの材料が延性であるため、複合物は、好適な直径まで引き伸ばされてもよく、次いで、引き伸ばされた複合物が、焼鈍される。熱処理が、相互拡散およびＮｂとＣｕ−Ｓｎとの間の界面におけるＮｂ３Ｓｎ相の形成をもたらす。Ｎｂ３Ｓｎベースの超伝導ワイヤを形成するための他のプロセスもまた、同様に、ワイヤ引伸後の脆性Ｎｂ３Ｓｎ相の形成を伴う。例えば、純粋なＳｎまたはＣｕまたはＭｇを伴うＳｎ合金が、初期複合物の内部に組み込まれ、引伸後に焼鈍されてもよい。代替として、Ｎｂフィラメントが、Ｃｕマトリクス内に埋め込まれ、ワイヤに引き伸ばされてもよい。結果として生じるワイヤが、続いて、Ｓｎでコーティングされてもよい。コーティングされたワイヤが、加熱され、最終的にＮｂフィラメントと反応してＮｂ３Ｓｎ相を形成する、Ｓｎ−Ｃｕ相を形成する。
【０００５】
上記で詳述される技法は、多数の異なる用途に利用される金属超伝導ワイヤの成功した加工をもたらしているが、結果として生じるワイヤは、多くの場合、不十分な電気性能を呈する。典型的超伝導ワイヤは、産業システム内での取扱および組込のために十分な延性を伴うワイヤを提供する、ＣｕまたはＣｕ含有安定剤内に埋め込まれる、その周囲に配置される、および／またはそれによって囲繞される、上記で説明されるＮｂ３ＳｎまたはＮｂ−Ｔｉフィラメントの多くを含有する。本安定剤は、それ自体が超伝導性ではないが、Ｃｕの高導電性は、ワイヤの満足の行く全体的電気性能を可能にすることができる。残念ながら、超伝導フィラメントからの種々の元素（例えば、Ｓｎ）が、Ｃｕベースの安定剤の部分と反応し、ワイヤ全体の全体的導電性に悪影響を及ぼす低導電性相を形成し得る。拡散障壁が、超伝導フィラメントから安定剤を遮蔽するために利用されているが、これらの障壁は、非一様な断面積を有する傾向があり、拡散障壁および安定剤の共処理中の非一様な変形に起因して、局所的に破裂さえし得る。そのような拡散障壁は、単純に、より厚く作製され得るが、そのような解決策は、拡散障壁材料自体のより低い伝導性に起因して、ワイヤの全体的導電性に影響を及ぼす。例えば、新しい粒子加速器および衝突器等の最先端および将来の用途に関して、磁石が、既存のワイヤ能力を超えて設計されており、そのようなワイヤは、１５テスラにおいて２，０００Ａ／ｍｍ２を上回る非銅臨界電流密度を要求するであろう。拡散障壁が非銅断片の一部であるため、いかなる障壁材料の体積も最小限にすることが、重要である一方で、いかなる強度利益も、有利である。
【０００６】
前述に照らして、ワイヤの全体的断面積の有意な量を占有しないように、一様に薄いままである一方で、安定剤または種々の元素（例えば、Ｃｕ）を伴う、有害な反応を実質的に防止する、金属超伝導ワイヤのための改良された拡散障壁の必要性がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の種々の実施形態によると、超伝導ワイヤおよび／またはその前駆体（例えば、ワイヤを形成するために利用される複合フィラメント）は、ニオブ（Ｎｂ）合金を含む、本質的にそれから成る、またはそれから成る、１つ以上の拡散障壁を特徴とする。拡散障壁は、典型的には、Ｃｕワイヤマトリクスの少なくとも一部と超伝導フィラメントとの間に、および／または超伝導フィラメントと、付加的機械的強度のために超伝導体ワイヤ内に、および／またはその周囲に組み込まれる安定化要素との間に、配置される。本発明の実施形態によると、モノフィラメントはそれぞれ、Ｃｕベースの（例えば、Ｃｕまたはブロンズ（Ｃｕ−Ｓｎ））マトリクス内のＮｂベースのコアを含み、本質的にそれから成り、またはそれから成ってもよく、モノフィラメントの積層アセンブリは、Ｃｕベースのマトリクス内に配置され、複合フィラメントを形成するように引き伸ばされてもよい。したがって、複合フィラメントはそれぞれ、Ｃｕベースのマトリクス内の複数のＮｂベースのモノフィラメントを含む、本質的にそれから成る、またはそれから成ってもよい。本発明の実施形態による拡散障壁は、複合フィラメントが最終的なワイヤを形成するように積み重ねられるときに、各複合フィラメントの周囲に配置されてもよく、および／または拡散障壁は、複合フィラメントのスタックの周囲に、かつ複合フィラメントのスタックと外側Ｃｕ安定剤またはマトリクスとの間に配置されてもよい。
【０００８】
種々の実施形態では、複合フィラメントは、Ｃｕベースのマトリクス（例えば、Ｃｕベースの管）内に配置され、超伝導ワイヤ（またはその前駆体）に引き伸ばされ、熱処理される。複合フィラメントのうちの１つ以上のものは、それら自体がその中に拡散障壁を組み込んでもよく、および／または拡散障壁は、超伝導ワイヤのＣｕベースのマトリクス内に、かつ複合フィラメントの周囲に配置されてもよい。種々の実施形態では、拡散障壁は、例えば、０．１％〜２０％のＷ、０．２％〜１５％のＷ、０．２％〜１２％のＷ、０．２％〜１０％のＷ、０．２％〜８％のＷ、または０．２％〜５％のＷを含む、Ｎｂ−Ｗ合金を含む、本質的にそれから成る、またはそれから成る。例えば、拡散障壁は、Ｎｂと、約１１％〜１２％のＷとの合金（すなわち、Ｎｂ−１２Ｗ）またはＮｂと、約５％〜６％のＷとの合金（すなわち、Ｎｂ−６Ｗ）、またはＮｂと、約２．５％〜３％のＷとの合金（すなわち、Ｎｂ−３Ｗ）を含む、本質的にそれから成る、またはそれから成ってもよい。種々の実施形態では、拡散障壁は、その中に１つ以上の付加的合金化元素、例えば、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｒｅ、および／またはＳｉ等の合金化元素を伴う、Ｎｂ−Ｗ合金（例えば、Ｎｂ−１２Ｗ、Ｎｂ−６Ｗ、またはＮｂ−３Ｗ）を含む、本質的にそれから成る、またはそれから成る。そのような合金化元素は、最大で重量比５％またはさらに最大で重量比１０％（例えば、０．０５％〜１０％、０．０５％〜５％、０．１％〜３％、０．２％〜２％、０．２％〜１％、または０．２％〜０．５％）の濃度で、個別に、または集合的に、拡散障壁の中に存在し得る。本発明の種々の実施形態では、これらの付加的合金化元素のうちの１つ以上のものを組み込む、Ｎｂ−Ｗ合金で形成された溶接は、そのような溶接の中心に向かって、より等軸である、粒状構造を有してもよく、したがって、拡散障壁として使用するためにこれらの材料で形成された溶接管は、ワイヤ加工中に小さいサイズまで引き伸ばされたときに、優れた機械的性質および処理可能性を呈し得る。
【０００９】
本発明の種々の実施形態によると、拡散障壁は、Ｗ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｒｅ、および／またはＳｉ等の１つ以上の合金化元素を含んでもよい。そのような合金化元素は、個別に、または集合的に、重量比最大５％またはさらに重量比最大１０％（例えば、０．０５％〜１０％、０．０５％〜５％、０．１％〜３％、０．２％〜２％、０．２％〜１％、または０．２％〜０．５％）の濃度で拡散障壁内に存在してもよい。種々の実施形態では、本発明の実施形態による、フィラメントおよび／または拡散障壁は、Ｍｇ、Ｂ、Ｆｅ、Ａｌ、および／またはＮｉが実質的になくてもよい。
【００１０】
本発明の種々の実施形態では、拡散障壁は、Ｎｂおよびタンタル（Ｔａ）の両方と、Ｗ等の１つ以上の合金化元素とを含有する、合金または混合物を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。例えば、拡散障壁は、上記に列挙された合金化元素のうちの１つ以上のものの有無にかかわらず、Ｎｂ、Ｔａ、および約２．５〜３原子％のＷの合金（すなわち、Ｎｂ−Ｔａ−３Ｗ）を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。種々の実施形態では、拡散障壁は、例えば、０．２〜１２原子％の濃度内のＷを含有する、Ｎｂ−Ｔａ−Ｗ合金を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。本発明の実施形態による拡散障壁は、少なくとも１％のＴａ、少なくとも５％のＴａ、少なくとも８％のＴａ、少なくとも１０％のＴａ、少なくとも１５％のＴａ、少なくとも２０％のＴａ、少なくとも２５％のＴａ、少なくとも３０％のＴａ、少なくとも３５％のＴａ、少なくとも４０％のＴａ、または少なくとも４５％のＴａを含んでもよい。本発明の実施形態による拡散障壁は、最大で５０％のＴａ、最大で４５％のＴａ、最大で４０％のＴａ、最大で３５％のＴａ、最大で３０％のＴａ、最大で２５％のＴａ、最大で２０％のＴａ、最大で１５％のＴａ、最大で１０％のＴａ、最大で５％のＴａ、または最大で２％のＴａを含んでもよい。
【００１１】
本発明の実施形態による拡散障壁は、Ｎｂ（またはＮｂおよびＴａ）と、Ｗの代わりに（またはそれに加え）、１つ以上の合金化元素とを含有する、合金または混合物を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。例えば、そのような合金化元素は、Ｃおよび／またはＮを含んでもよい。本明細書では、Ｗを含有する拡散障壁合金の言及は、Ｗの代わりに、またはそれに加え、Ｃおよび／またはＮ等の合金化元素を含有する、合金を包含するものと理解される。
【００１２】
本発明の実施形態によるＮｂ合金拡散障壁はまた、少なくとも部分的に、低酸素含有量および／または高レベルの純度に起因して、有利な延性を呈し得る。例えば、本発明の実施形態による拡散障壁は、５００ｐｐｍ未満、２００ｐｐｍ未満、１００ｐｐｍ未満、またはさらに５０ｐｐｍ未満の酸素含有量を有する。酸素含有量は、少なくとも０．５ｐｐｍ、少なくとも１ｐｐｍ、少なくとも２ｐｐｍ、または少なくとも５ｐｐｍであってもよい。加えて、または代替として、本発明の実施形態による拡散障壁は、９９．９％を超過する、またはさらに９９．９９％を超過する、純度を有し得る。
【００１３】
有利なこととして、本発明の実施形態によるＮｂ合金拡散障壁は、従来の拡散障壁材料と比較すると、微細化された粒状構造（例えば、小さい平均粒径）を有し、これは、超伝導ワイヤ内の拡散障壁の変形および処理が、拡散障壁を破裂させ、ワイヤの性質を損ない得る、局所的菲薄化を伴わずに、略一様であることを可能にする。拡散障壁の小さい粒径（例えば、２０μｍ未満、１０μｍ未満、５μｍ未満、１〜２０μｍ、または５〜１５μｍ）は、合金化元素の存在に起因し、したがって、本発明の実施形態による拡散障壁は、微細化された粒状構造を生産するための付加的処理（例えば、３軸鍛造等の鍛造、熱処理等）を必要としない。したがって、全体的製造費用および複雑性が、本発明による拡散障壁の使用を介して、低減され得る。
【００１４】
本発明の実施形態による拡散障壁の優れた粒状構造および／または機械的性質は、拡散障壁が、ワイヤの断面（すなわち、通電）面積の過剰な量を占有することなく、超伝導ワイヤ内の有害な拡散からの保護を提供することを可能にする。（対照的に、より劣った機械的性質および／またはあまり微細化されていない粒状構造を伴う種々の他の拡散障壁の使用は、最終的なワイヤの延性、導電性、および／または種々の他の性質に悪影響を及ぼすであろう、より大型の障壁の使用を要求するであろう。）本発明の実施形態によるワイヤは、それらの臨界温度を下回って、良好な高磁場高電流超伝導性質を留保しながら、Ｃｕマトリクスとの相互拡散を殆どまたは全く呈さない。
【００１５】
Ｎｂ合金拡散障壁の使用は、有利なこととして、より少ない超伝導ワイヤの断面しか、拡散障壁によって占有されないことを可能にし、したがって、より多くの断面が、通電超伝導フィラメントによって占有され得る。しかしながら、本発明の実施形態による拡散障壁材料はまた、有利なこととして、それらの臨界温度を下回って、良好な高磁場高電流超伝導性質を留保しながら、付加的機械的強度を超伝導ワイヤに提供する。種々の実施形態では、ワイヤの機械的強度が、ワイヤの電気性能を損なうことなく、および／またはワイヤおよび／またはそのフィラメント内に亀裂または破砕を引き起こすことなく、または別様にその機械的安定性を損なうことなく、ワイヤ（例えば、巻線、コイル巻等）の機械的変形を促進し得る。種々の実施形態では、拡散障壁は、集合的に、または個別に、最終的なワイヤの断面積の少なくとも０．５％、少なくとも１％、少なくとも２％、少なくとも３％、少なくとも４％、少なくとも５％、または少なくとも７％を占有してもよい。種々の実施形態では、拡散障壁は、集合的に、または個別に、最終的なワイヤの断面積の２０％未満、１５％未満、１２％未満、１０％未満、９％未満、または８％未満、７％未満、６％未満、５％未満、４％未満、３％未満、２％未満を占有してもよい。このようにして、超伝導ワイヤ内の拡散障壁は、種々の実施形態によると、（例えば、ワイヤおよび／またはフィラメントの任意の熱処理後に）少なくとも７５ＭＰａ、少なくとも１００ＭＰａ、またはさらに１５０Ｍｐａの最小降伏強度を伴うワイヤを提供する。代わりに、または加えて、種々の実施形態による、１つ以上の拡散障壁を含有するワイヤは、少なくとも２５０ＭＰａ、少なくとも３００ＭＰａ、またはさらに少なくとも３５０ＭＰａの最大引張強度を呈する。種々の実施形態では、拡散障壁は、集合的に、または個別に、最終的なワイヤの断面積の２５％を上回って、および／または最終的なワイヤの断面積の３５％未満または３０％未満を占有してもよい。本発明の実施形態によるワイヤの降伏強度および最大引張強度等の機械的性質は、ＡＳＴＭ  Ｅ８／Ｅ８Ｍ−１５ａ，Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｔｅｓｔ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  Ｔｅｎｓｉｏｎ  Ｔｅｓｔｉｎｇ  ｏｆ  Ｍｅｔａｌｌｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，  ＡＳＴＭ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，  Ｗｅｓｔ  Ｃｏｎｓｈｏｈｏｃｋｅｎ，  ＰＡ，  ２０１５（その開示全体は、参照することによって本明細書に組み込まれる）に従って測定され得る。
【００１６】
本発明の実施形態による超伝導ワイヤの増進された機械的強度は、有利なこととして、そのようなワイヤが、高磁場強度における動作中にワイヤに及ぼされるローレンツ力に耐えることを可能にする。当技術分野で公知であるように、磁石巻線内の「自己場」は、中心線磁場よりも高く、最内巻線において最高である。加えて、磁場を作成するために要求される電流は、磁石内の全てのワイヤの中で同一である。ローレンツ力は、Ｆ＝Ｂ×Ｉ（すなわち、電流に掛け合わせられた磁場）であり、生成された場は、電流Ｉに正比例し、したがって、力は、電流の二乗に比例する。例えば、ローレンツ力は、８テスラと比較して、１６テスラにおいて４倍より高いであろう。したがって、印加された磁場が、大きさが増加されると、（外積関係を介して、電流および場の両方に垂直な）力に耐えるためのワイヤの機械的強度もまた同様に、より高くなければならない。本発明の実施形態による超伝導ワイヤは、有利なこととして、少なくとも２テスラ、少なくとも５テスラ、少なくとも８テスラ、またはさらに少なくとも１０テスラの強度、すなわち、少なくとも２０，０００ガウス、少なくとも５０，０００ガウス、少なくとも８０，０００ガウス、またはさらに少なくとも１００，０００ガウスの磁束密度を有する、磁場を利用する用途のために展開され得る。
【００１７】
加えて、本発明の実施形態による拡散障壁は、Ｎｂを含むため、種々の実施形態では、拡散障壁の一部は、有利なこととして、ワイヤ加工プロセスの間（例えば、１つ以上の熱処理／焼鈍ステップの間）、（例えば、ＳｎまたはＴｉと）反応し、最終的なワイヤの超伝導的伝導性に寄与する、超伝導相（例えば、Ｎｂ３ＳｎまたはＮｂ−Ｔｉ）を形成し得る。そのような実施形態では、拡散障壁の厚さは、典型的には、拡散障壁（または少なくともその中のＮｂ）全体が反応することを防止するために十分に大きく、したがって、拡散障壁の残りの未反応部分は、相互拡散に対する抵抗だけではなく、また、増加された機械的強度（例えば、Ｗ等の合金化元素の存在に起因して）も提供する。種々の実施形態では、拡散障壁の反応部分は、したがって、環状（または拡散障壁の形状を模倣する他の形状）反応領域として、ワイヤ内に存在する。種々の実施形態では、非Ｎｂ合金化元素（例えば、Ｔａ、Ｗ等）は、反応して、反応領域内の超伝導相を形成し得ず、したがって、それらの元素は、反応の間、拡散障壁の反応部分から排出され得る。したがって、拡散障壁の反応部分と拡散障壁の未反応の残りの部分との間の界面には、そのような非Ｎｂ元素の１つ以上のもの（またはさらに全て）は、拡散障壁の反応部分と反対の部分内のものより高い濃度で存在してもよい。他の実施形態では、拡散障壁の未反応の残りの部分は、反応に先立って（例えば、拡散障壁がワイヤ加工プロセスの間に導入されたとき）存在した１つ以上のそのような非Ｎｂ元素より高い濃度を含有する。したがって、拡散障壁の一部が、反応し、超伝導相を形成し、残りの拡散障壁の厚さが、低減された後でも、その中の１つ以上の非Ｎｂ元素のより高い濃度は、その低減された厚さにもかかわらず、残りのより薄い拡散障壁の機械的強度および／または拡散抵抗を増加させ得る。
【００１８】
種々の実施形態では、拡散障壁は、その中の層のうちの１つ以上のものが、本明細書に詳述されるようなＮｂ合金を含む、それから本質的に成る、またはそれから成り、１つ以上の他の層が、Ｎｂ（またはより低い濃度の非Ｎｂ合金化元素のうちの１つ以上のものを含有するＮｂ合金；本明細書では、「Ｎｂ層」または「Ｎｂの層」の言及は、そのような層を含む）を含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、多層環状構造であってもよい。例えば、拡散障壁は、Ｎｂ合金の外側層によって囲繞されるＮｂの内側層、またはその逆のものを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。別の実施形態では、拡散障壁は、Ｎｂの内側層とＮｂの外側層との間に挟入される、Ｎｂ合金の層を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。本明細書に詳述されるように、熱処理の間、拡散障壁のＮｂ層の全部または一部は、超伝導相に変換されてもよい一方、Ｎｂ合金層は、未変換のままである。
【００１９】
本発明の実施形態はまた、ワイヤ自体内に、および／またはワイヤを形成するために利用される複合フィラメント内に、安定化要素を組み込んでもよい。例えば、本発明の実施形態は、その開示全体が参照することによって本明細書に組み込まれる、２０１６年７月８日に出願された米国特許出願第１５／２０５，８０４号（「第‘８０４号出願」）に説明されるように、Ｔａ、Ｔａ合金（例えば、Ｔａ−３Ｗ等のＴａおよびＷの合金）、またはＨｆ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｖ、Ｙ、Ｍｏ、またはＷのうちの１つ以上のものとのＮｂの合金を含む、本質的にそれから成る、またはそれから成る、安定化要素を組み込んでもよい。本発明による超伝導ワイヤでは、安定化要素は、典型的には、その間の１つ以上の拡散障壁を介して、モノフィラメントおよび／または複合フィラメントから分離される。
【００２０】
ある側面では、本発明の実施形態は、外側ワイヤマトリクスと、ワイヤマトリクス内に配置される拡散障壁と、拡散障壁によって囲繞され、拡散障壁によって外側ワイヤマトリクスから分離される、複数の複合フィラメントとを含む、本質的にそれらから成る、またはそれらから成る、超伝導ワイヤを特徴とする。外側ワイヤマトリクスは、Ｃｕを含む、本質的にそれから成る、またはそれから成る。拡散障壁は、Ｎｂ−Ｗ合金（例えば、０．１％〜２０％のＷまたは０．２％〜１２％のＷまたは０．２％〜１０％のＷを含有するＮｂ合金）またはＮｂ−Ｔａ−Ｗ合金を含む、本質的にそれから成る、またはそれから成る。複合フィラメントのうちの１つ以上のものまたはさらにそれぞれは、（ｉ）複数のモノフィラメントと、（ｉｉ）複数のモノフィラメントを囲繞するクラッディングとを含む、本質的にそれらから成る、またはそれらから成る。複合フィラメントクラッディングは、Ｃｕを含む、本質的にそれから成る、またはそれから成ってもよい。モノフィラメントのうちの１つ以上のものまたはさらにそれぞれは、コアと、コアを囲繞するクラッディングとを含む、本質的にそれらから成る、またはそれらから成る。モノフィラメントコアは、Ｎｂを含む、本質的にそれから成る、またはそれから成ってもよい。モノフィラメントクラッディングは、Ｃｕを含む、本質的にそれから成る、またはそれから成ってもよい。拡散障壁は、超伝導ワイヤの軸方向寸法を通して延在する。
【００２１】
本発明の実施形態は、種々の組み合わせのうちのいずれかで、以下のうちの１つ以上のものを含んでもよい。拡散障壁は、ワイヤの断面の約２０％未満、ワイヤの断面の約１５％未満、ワイヤの断面の約１０％未満、またはワイヤの断面の約５％未満を占有してもよい。拡散障壁は、ワイヤの断面の約１％を上回って、ワイヤの断面の約２％を上回って、ワイヤの断面の約５％を上回って、ワイヤの断面の約８％を上回って、またはワイヤの断面の約１０％を上回って占有してもよい。ワイヤは、拡散障壁に近接して配置される（例えば、その片側または両側に、例えば、複合フィラメントと拡散障壁との間に配置される）、環状領域または層を含んでもよく、環状領域の少なくとも一部は、Ｎｂベースの超伝導相（例えば、Ｎｂ−Ｔｉおよび／またはＮｂ３Ｓｎ）を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。環状領域の一部は、拡散障壁のものと異なる組成物を有する、Ｎｂ合金またはＮｂ−Ｔａ合金を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。環状領域は、拡散障壁に共形化し、および／またはそれと直接機械的に接触してもよい。
【００２２】
モノフィラメントのうちの１つ以上のものまたはさらにそれぞれのコアは、Ｎｂと、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｙ、またはＬａのうちの１つ以上のものとを含有する、合金、疑似合金、または混合物（例えば、Ｎｂ−Ｔｉ）を含む、本質的にそれから成る、またはそれから成ってもよい。モノフィラメントのうちの１つ以上のものまたはさらにそれぞれのコアは、Ｎｂ３Ｓｎを含む、本質的にそれから成る、またはそれから成ってもよい。拡散障壁は、Ｎｂ−３ＷまたはＮｂ−６ＷまたはＮｂ−１２Ｗを含む、本質的にそれから成る、またはそれから成ってもよい。拡散障壁は、加えて、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｒｅ、またはＳｉから成る群から選択される、１つ以上の合金化元素を含有してもよい。拡散障壁の断面厚さおよび／または断面積は、ワイヤの厚さに沿って略一定であり得る。複合フィラメントのうちの１つ以上のものまたはさらにそれぞれは、六角形の断面形状を有してもよい（すなわち、ワイヤの軸方向寸法と垂直な断面において）。モノフィラメントのうちの１つ以上のものまたはさらにそれぞれは、六角形の断面形状を有してもよい（すなわち、ワイヤの軸方向寸法と垂直な断面において）。
【００２３】
ワイヤは、複数の複合フィラメント内に配置され、拡散障壁によって囲繞される、安定化要素を含んでもよい。安定化要素は、０．１％〜２０％のＷまたは０．２％〜１２％のＷまたは０．２％〜１０％のＷを含有するＣｕおよび／またはＴａ合金を含む、本質的にそれから成る、またはそれから成ってもよい。安定化要素の少なくとも一部は、実質的に超伝導ワイヤの中心コアに位置してもよい。安定化要素は、ワイヤの断面の約２０％未満、ワイヤの断面の約１５％未満、ワイヤの断面の約１０％未満、またはワイヤの断面の約５％未満を占有してもよい。安定化要素は、ワイヤの断面の約１％を上回って、ワイヤの断面の約２％を上回って、ワイヤの断面の約５％を上回って、ワイヤの断面の約８％を上回って、またはワイヤの断面の約１０％を上回って占有してもよい。
【００２４】
別の側面では、本発明の実施形態は、ワイヤマトリクスと、ワイヤマトリクス内に埋め込まれる複数の複合フィラメントとを含む、本質的にそれらから成る、またはそれらから成る、超伝導ワイヤ  を特徴とする。ワイヤマトリクスは、Ｃｕを含む、本質的にそれから成る、またはそれから成る。複合フィラメントのうちの１つ以上のものまたはさらにそれぞれは、（ｉ）複数のモノフィラメントと、（ｉｉ）複合フィラメントの軸方向寸法を通して延在し、複数のモノフィラメントを囲繞する、拡散障壁と、（ｉｉｉ）拡散障壁を囲繞するクラッディングであって、拡散障壁は、複数のモノフィラメントからクラッディングを分離する、クラッディングとを含み、本質的にそれらから成り、またはそれらから成る。複合フィラメント拡散障壁は、Ｎｂ−Ｗ合金またはＮｂ−Ｔａ−Ｗ（例えば、０．１％〜２０％のＷまたは０．２％〜１２％のＷまたは０．２％〜１０％のＷを含有するＮｂ合金またはＮｂ−Ｔａ合金）を含む、本質的にそれから成る、またはそれから成る。複合フィラメントクラッディングは、Ｃｕを含む、本質的にそれから成る、またはそれから成る。モノフィラメントのうちの１つ以上のものまたはさらにそれぞれは、コアと、コアを囲繞するクラッディングとを含む、本質的にそれらから成る、またはそれらから成る。モノフィラメントコアは、Ｎｂを含む、本質的にそれから成る、またはそれから成ってもよい。モノフィラメントクラッディングは、Ｃｕを含む、本質的にそれから成る、またはそれから成ってもよい。
【００２５】
本発明の実施形態は、種々の組み合わせのうちのいずれかで、以下のうちの１つ以上のものを含んでもよい。拡散障壁は、集合的に、ワイヤの断面の約２０％未満、ワイヤの断面の約１５％未満、ワイヤの断面の約１０％未満、またはワイヤの断面の約５％未満を占有してもよい。拡散障壁は、集合的に、ワイヤの断面の約１％を上回って、ワイヤの断面の約２％を上回って、ワイヤの断面の約５％を上回って、ワイヤの断面の約８％を上回って、またはワイヤの断面の約１０％を上回って占有してもよい。ワイヤは、少なくとも１つの拡散障壁に近接して配置される（例えば、その片側または両側に、例えば、モノフィラメントと複合フィラメントのうちの少なくとも１つの拡散障壁との間に配置される）、環状領域または層を含んでもよく、環状領域の少なくとも一部は、Ｎｂベースの超伝導相（例えば、Ｎｂ−Ｔｉおよび／またはＮｂ３Ｓｎ）を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。環状領域の一部は、拡散障壁のものと異なる組成物を有する、Ｎｂ合金またはＮｂ−Ｔａ合金を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。環状領域は、拡散障壁に共形化し、および／またはそれと直接機械的に接触してもよい。
【００２６】
モノフィラメントのうちの１つ以上のものまたはさらにそれぞれのコアは、Ｎｂと、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｙ、またはＬａのうちの１つ以上のものとを含有する、合金、疑似合金、または混合物（例えば、Ｎｂ−Ｔｉ）を含む、本質的にそれから成る、またはそれから成ってもよい。モノフィラメントのうちの１つ以上のものまたはさらにそれぞれのコアは、Ｎｂ３Ｓｎを含む、本質的にそれから成る、またはそれから成ってもよい。拡散障壁は、Ｎｂ３Ｗ、Ｎｂ−６Ｗ、またはＮｂ−１２Ｗを含む、本質的にそれから成る、またはそれから成ってもよい。拡散障壁は、加えて、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｒｅ、またはＳｉから成る群から選択される、１つ以上の合金化元素を含有してもよい。拡散障壁の断面厚さおよび／または断面積は、ワイヤの厚さに沿って略一定であり得る。複合フィラメントのうちの１つ以上のものまたはさらにそれぞれは、六角形の断面形状を有してもよい（すなわち、ワイヤの軸方向寸法と垂直な断面において）。モノフィラメントのうちの１つ以上のものまたはさらにそれぞれは、六角形の断面形状を有してもよい（すなわち、ワイヤの軸方向寸法と垂直な断面において）。
【００２７】
ワイヤは、複数の複合フィラメント内に配置される、安定化要素を含んでもよい。安定化要素は、０．１％〜２０％のＷまたは０．２％〜１２％のＷまたは０．２％〜１０％のＷを含有するＣｕおよび／またはＴａ合金を含む、本質的にそれから成る、またはそれから成ってもよい。安定化要素の少なくとも一部は、実質的に超伝導ワイヤの中心コアに位置してもよい。安定化要素は、ワイヤの断面の約２０％未満、ワイヤの断面の約１５％未満、ワイヤの断面の約１０％未満、またはワイヤの断面の約５％未満を占有してもよい。安定化要素は、ワイヤの断面の約１％を上回って、ワイヤの断面の約２％を上回って、ワイヤの断面の約５％を上回って、ワイヤの断面の約８％を上回って、またはワイヤの断面の約１０％を上回って占有してもよい。
【００２８】
さらに別の側面では、本発明の実施形態は、内側ワイヤ安定化マトリクスと、ワイヤ安定化マトリクスの周囲に配置される拡散障壁と、拡散障壁の周囲に配置され、拡散障壁によってワイヤ安定化マトリクスから分離される、複数の複合フィラメントとを含む、本質的にそれらから成る、またはそれらから成る、超伝導ワイヤを特徴とする。ワイヤ安定化マトリクスは、Ｃｕを含む、本質的にそれから成る、またはそれから成る。拡散障壁は、Ｎｂ−Ｗ合金またはＮｂ−Ｔａ−Ｗ合金（例えば、０．１％〜２０％のＷまたは０．２％〜１２％のＷまたは０．２％〜１０％のＷを含有するＮｂ合金またはＮｂ−Ｔａ合金）を含む、本質的にそれから成る、またはそれから成る。複合フィラメントのうちの１つ以上のものまたはさらにそれぞれは、（ｉ）複数のモノフィラメントと、（ｉｉ）（ｉｉｉ）複数のモノフィラメントを囲繞するクラッディングとを含む、本質的にそれらから成る、またはそれらから成る。複合フィラメントクラッディングは、Ｃｕを含む、本質的にそれから成る、またはそれから成る。拡散障壁は、ワイヤの軸方向寸法を通して延在する。
【００２９】
本発明の実施形態は、種々の組み合わせのうちのいずれかで、以下のうちの１つ以上のものを含んでもよい。拡散障壁は、ワイヤの断面の約２０％未満、ワイヤの断面の約１５％未満、ワイヤの断面の約１０％未満、またはワイヤの断面の約５％未満を占有してもよい。拡散障壁は、ワイヤの断面の約１％を上回って、ワイヤの断面の約２％を上回って、ワイヤの断面の約５％を上回って、ワイヤの断面の約８％を上回って、またはワイヤの断面の約１０％を上回って占有してもよい。ワイヤは、拡散障壁に近接して配置される（例えば、その片側または両側に、例えば、複合フィラメントと拡散障壁との間に配置される）、環状領域または層を含んでもよく、環状領域の少なくとも一部は、Ｎｂベースの超伝導相（例えば、Ｎｂ−Ｔｉおよび／またはＮｂ３Ｓｎ）を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。環状領域の一部は、拡散障壁のものと異なる組成物を有する、Ｎｂ合金またはＮｂ−Ｔａ合金を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。環状領域は、拡散障壁に共形化し、および／またはそれと直接機械的に接触してもよい。
【００３０】
モノフィラメントのうちの１つ以上のものまたはさらにそれぞれのコアは、Ｎｂと、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｙ、またはＬａのうちの１つ以上のものとを含有する、合金、疑似合金、または混合物（例えば、Ｎｂ−Ｔｉ）を含む、本質的にそれから成る、またはそれから成ってもよい。モノフィラメントのうちの１つ以上のものまたはさらにそれぞれのコアは、Ｎｂ３Ｓｎを含む、本質的にそれから成る、またはそれから成ってもよい。拡散障壁は、Ｎｂ−３ＷまたはＮｂ−６ＷまたはＮｂ−１２Ｗを含む、本質的にそれから成る、またはそれから成ってもよい。拡散障壁は、加えて、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｒｅ、またはＳｉから成る群から選択される、１つ以上の合金化元素を含有してもよい。拡散障壁の断面厚さおよび／または断面積は、ワイヤの厚さに沿って略一定であり得る。複合フィラメントのうちの１つ以上のものまたはさらにそれぞれは、六角形の断面形状を有してもよい（すなわち、ワイヤの軸方向寸法と垂直な断面において）。モノフィラメントのうちの１つ以上のものまたはさらにそれぞれは、六角形の断面形状を有してもよい（すなわち、ワイヤの軸方向寸法と垂直な断面において）。
【００３１】
ワイヤは、複数の複合フィラメント内に、または内側ワイヤ安定化マトリクス内に、またはそれに近接して配置される、安定化要素を含んでもよい。安定化要素は、０．１％〜２０％のＷまたは０．２％〜１２％のＷまたは０．２％〜１０％のＷを含有するＣｕおよび／またはＴａ合金を含む、本質的にそれから成る、またはそれから成ってもよい。安定化要素の少なくとも一部は、実質的に超伝導ワイヤの中心コアに位置してもよい。安定化要素は、ワイヤの断面の約２０％未満、ワイヤの断面の約１５％未満、ワイヤの断面の約１０％未満、またはワイヤの断面の約５％未満を占有してもよい。安定化要素は、ワイヤの断面の約１％を上回って、ワイヤの断面の約２％を上回って、ワイヤの断面の約５％を上回って、ワイヤの断面の約８％を上回って、またはワイヤの断面の約１０％を上回って占有してもよい。
【００３２】
これらおよび他の目的は、本明細書に開示される本発明の利点および特徴とともに、以下の説明、付随する図面、および請求項の参照を通して、より明白となるであろう。さらに、本明細書に説明される種々の実施形態の特徴は、相互排他的ではなく、種々の組み合わせおよび順列で存在し得ることを理解されたい。本明細書で使用されるように、用語「約」および「実質的に」は、±１０％、いくつかの実施形態では、±５％を意味する。用語「本質的に〜から成る」は、本明細書で別様に定義されない限り、機能に寄与する他の材料を除外することを意味する。それでもなお、そのような他の材料は、集合的に、または個別に、微量で存在し得る。例えば、本質的に複数の金属から成る構造は、概して、これらの金属のみと、化学分析を介して検出可能であり得るが、機能に寄与しない（かつ、例えば、５ｐｐｍ、２ｐｐｍ、１ｐｐｍ、０．５ｐｐｍ、または０．１ｐｐｍ未満の濃度で存在し得る）、非意図的な不純物のみ（金属または非金属であり得る）とを含むであろう。本明細書で使用されるように、「本質的に少なくとも１つの金属から成る」は、１つの金属または２つ以上の金属の混合物を指すが、金属と、酸素、ケイ素、または窒素等の非金属元素または化学種との間の化合物（例えば、金属窒化物、金属ケイ化物、または金属酸化物）を指さない。そのような非金属元素または化学種は、例えば、不純物として、集合的に、または個別に、微量で存在し得る。
【００３３】
図面では、同様の参照記号は、概して、異なる図の全体を通して同一の部品を指す。また、図面は、必ずしも一定の縮尺ではなく、代わりに、概して、本発明の原理を例証することを重視している。以下の説明では、本発明の種々の実施形態は、以下の図面を参照して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の種々の実施形態による、モノフィラメントを形成するために利用される、管の概略断面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の種々の実施形態による、モノフィラメントを形成するために利用される、ロッドの概略断面図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、本発明の種々の実施形態による、複合フィラメントを形成するために利用される、モノフィラメントの概略断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の種々の実施形態による、複合フィラメントを形成するために利用される、管の概略断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の種々の実施形態による、複合フィラメント内に拡散障壁を形成するために利用される、管の概略断面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本発明の種々の実施形態による、複合フィラメントを形成するために利用される、モノフィラメントのスタックの概略断面図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、本発明の種々の実施形態による、加工の初期段階における、複合フィラメントの概略断面図である。
【図２Ｅ】図２Ｅは、本発明の種々の実施形態による、超伝導ワイヤを形成するために利用される、複合フィラメントの概略断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の種々の実施形態による、安定化要素を形成するために利用される、管の概略断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の種々の実施形態による、安定化要素を形成するために利用される、ロッドの概略断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、本発明の種々の実施形態による、安定化された複合フィラメントおよび／または超伝導ワイヤを形成するために利用される、安定化要素の概略断面図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは、本発明の種々の実施形態による、安定化要素を組み込む、複合フィラメントの概略断面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の種々の実施形態による、超伝導ワイヤを形成するために利用される、管の概略断面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の種々の実施形態による、超伝導ワイヤを形成するために利用される、複合フィラメントのスタックの概略断面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、本発明の種々の実施形態による、超伝導ワイヤ内に拡散障壁を形成するために利用される、管の概略断面図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、本発明の種々の実施形態による、加工の初期段階における、超伝導ワイヤの概略断面図である。
【図４Ｅ】図４Ｅは、本発明の種々の実施形態による、超伝導ワイヤの概略断面図である。
【図４Ｆ】図４Ｆは、本発明の種々の実施形態による、加工の初期段階における、安定化された超伝導ワイヤの概略断面図である。
【図４Ｇ】図４Ｇは、本発明の種々の実施形態による、安定化された超伝導ワイヤの概略断面図である。
【図５】図５は、本発明の種々の実施形態による、Ｃｕ内側安定剤および安定剤の周囲に配置される拡散障壁を特徴とする、超伝導ワイヤの断面顕微鏡写真である。
【図６】図６は、本発明の種々の実施形態による、Ｃｕ外側マトリクスおよび外側マトリクスとワイヤフィラメントとの間に配置される拡散障壁を特徴とする、超伝導ワイヤの断面顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
図１Ａ−１Ｃは、例示的モノフィラメント１００の構成要素およびそれらの構成成分を描写する。本発明の実施形態によると、ロッド１０５が、ＣｕまたはＣｕ合金（例えば、ブロンズ）を含む、本質的にそれから成る、またはそれから成る、管１１０内に配置される。ロッド１０５の組成は、最終的なワイヤにおいて所望される特定の金属超伝導体に基づいて選択され得る。例えば、ロッド１０５は、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｎｂ−Ｔｉ、またはその合金を含む、本質的にそれから成る、またはそれから成ってもよい。他の実施例では、ロッド１０５は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｙ、またはＬａのうちの１つ以上のものと合金化されるＮｂを含む、本質的にそれから成る、またはそれから成ってもよい。そのような合金化元素が、例えば、０．２％〜１０％（例えば、０．２％〜５％または０．５％〜１％）の濃度で、個別に、または集合的に、ロッド１０５内に（したがって、モノフィラメント１００のコア内に）存在し得る。種々の実施形態では、管１１０（および／または本明細書に説明される任意の他の管）は、金属シートをロッド１０５の周囲に巻着させることによって形成されてもよい。そのような実施形態では、シートの端部は、重複してもよい。管１１０で被覆されたロッド１０５は、続いて、例えば、０．５インチ〜１．５インチまでその直径を縮小するように引き伸ばされてもよい。被覆ロッドは、複数の段階で引き伸ばされてもよく、例えば、歪み緩和のために、引き伸ばすステップのうちのいずれかまたはそれぞれの間および／または後に熱処理されてもよい。いったん引き伸ばされると、被覆ロッドは、他のモノフィラメントとの効率的な積層のために成形されるモノフィラメント１００を加工するために、成形ダイを通して引き伸ばされてもよい。例えば、図１Ｃに示されるように、六角ダイが、六角形の断面を有するモノフィラメント１００を形成するために利用されてもよい。他の実施形態では、モノフィラメントが、例えば、正方形、長方形、三角形等の他の断面を有してもよい。図１Ｃに示されるように、モノフィラメント１００は、典型的には、実質的に均一な組成物を有する、単一円筒形コアの周囲に配置され、それを囲繞する、単一環状クラッディングを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。したがって、本発明の実施形態による超伝導ワイヤの領域は、複数のクラッディングを含有し、分離された円筒形コアは、複数の「モノフィラメント」または単一「複合フィラメント」に対応する。
【００３６】
いったんモノフィラメント１００が加工されると、他のモノフィラメント１００もまた、同一の様式で加工されてもよい、または１つ以上のモノフィラメント１００が、複数の断片に分割されてもよい。複数のモノフィラメントが、複合フィラメントの少なくとも一部を形成するように、ともに積み重ねられてもよい。図２Ａ−２Ｅは、複合フィラメント２００の種々の構成要素およびアセンブリを描写する。図２Ｃに示されるように、複数のモノフィラメント１００が、続いて、複合フィラメント２００のコアの少なくとも一部になるであろう配列にともに積み重ねられてもよい。図２Ｃは、１９本の異なるモノフィラメント１００の積層を描写するが、本発明の実施形態は、より多いまたは少ないモノフィラメント１００を含んでもよい。モノフィラメント１００の積層アセンブリは、ＣｕまたはＣｕ合金（例えば、ブロンズ）を含む、本質的にそれから成る、またはそれから成る、管２０５内に配置されてもよい。図２Ｂに示されるように、管２１０が、管２０５内に、かつモノフィラメント１００のスタックの周囲に配置されてもよい。本管２１０は、最終的な複合フィラメントの中で拡散障壁２１５になり、モノフィラメント１００と、結果として生じる複合フィラメントの外側マトリクス２２０になる管２０５の材料との間で、相互拡散を妨害する、または実質的に防止する。したがって、管２１０は、Ｎｂ−Ｗ（例えば、Ｎｂ−１２ＷまたはＮｂ−６ＷまたはＮｂ−３Ｗ）またはＮｂ−Ｔａ−Ｗ（例えば、Ｎｂ−Ｔａ−１２ＷまたはＮｂ−Ｔａ−６ＷまたはＮｂ−Ｔａ−３Ｗ）等のＮｂ合金またはＮｂ−Ｔａ合金を含む、本質的にそれから成る、またはそれから成ってもよい。モノフィラメント１００が、管２０５および管２１０内に配置される前および／または後に、モノフィラメント１００、管２０５、および／または管２１０は、例えば、表面酸化物および／または他の汚染物質を除去するように、（例えば、１つ以上の酸を含む、本質的にそれから成る、またはそれから成る洗浄剤を介して）洗浄および／またはエッチングされてもよい。
【００３７】
管２１０は、拡散障壁内に配置される１つ以上の他の合金化元素との純ＮｂまたはＮｂ−Ｔａ合金の合金化を介して加工されてもよい。例えば、ＮｂおよびＷの合金を含む、本質的にそれから成る、またはそれから成る拡散障壁（したがって、管２１０）に関して、ＮｂおよびＷが、電子ビーム溶解および／またはアーク溶解等のプロセスを介して、所望の量でともに合金化されてもよい。同様に、Ｎｂ、Ｔａ、およびＷの合金を含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、拡散障壁（したがって、管２１０）に関して、Ｎｂ、Ｔａ、およびＷは、電子ビーム溶解および／またはアーク溶解等のプロセスを介して、所望の量でともに合金化されてもよい。結果として生じる材料は、シートに加工されてもよく、シートは、例えば、圧延、深絞り、押出、ピルガ圧延等によって、管に形成されてもよい。
【００３８】
図２Ｄに示されるように、管２０５および管２１０が、例えば、スエージング、押出、および／または圧延によって、モノフィラメント１００上に圧密されてもよい。被覆積層モノフィラメント１００は、積層アセンブリの中の種々のモノフィラメント１００の間の接合を助長するように焼鈍されてもよい。例えば、被覆積層モノフィラメントは、約０．５時間〜約３時間（例えば、約１時間）の時間にわたって約３００℃〜約５００℃（例えば、約４００℃）の温度で焼鈍されてもよい。有利なこととして、モノフィラメント１００と外側マトリクス２２０との間の拡散障壁２１５の存在は、マトリクス２２０のＣｕとモノフィラメント１００との間の拡散を実質的に防止し、それによって、低い導電性（例えば、Ｃｕおよび／またはマトリクス２２０の材料よりも低い導電性）を有する金属相の形成を防止する。拡散障壁２１５はまた、特に、ワイヤにおける超伝導相の反応性形成のために利用される長時間高温熱処理後に、外側マトリクス２２０および／またはモノフィラメント１００のものと比較した、その優れた機械的性質（例えば、強度、降伏強度、引張強度、剛性、ヤング係数等）を考慮すると、付加的機械的強度を最終的なワイヤに提供する。
【００３９】
結果として生じるアセンブリは、その直径を縮小するように、１回以上引き伸ばされもよく、続いて、効率的な積層のために構成される断面形状を伴う複合フィラメント２００を提供するために、成形ダイを通して引き伸ばされてもよい。例えば、図２Ｅに示されるように、六角ダイが、六角形の断面を有する複合フィラメント２００を形成するために利用されてもよい。他の実施形態では、複合フィラメント２００は、例えば、正方形、長方形、三角形、円形、非真円形、楕円形等の他の断面を有してもよい。種々の実施形態では、処理および成形後の複合フィラメント２００の断面サイズおよび／または形状は、サイズが縮小される（すなわち、図２Ｃに示される）前に初期積層アセンブリで利用されるモノフィラメント１００の断面サイズおよび／または形状に等しい。（管２１０の組み込みに起因する拡散障壁２１５が、可変断面厚さを有するものとして図２Ｄおよび２Ｅで描写されているが、本発明の種々の実施形態では、拡散障壁２１５は、その円周の周囲に略一様な断面厚さを有し、拡散障壁２１５は、図５および６に示されるように、断面内で環状リング（例えば、その内側のフィラメント（または他の構造）の周囲に緊密に配置されるリング）の形態を有してもよく、本発明の実施形態による、環状断面を有する拡散障壁は、概して、ワイヤの軸方向寸法に沿って延在する円筒形の形態を有する。）
【００４０】
本発明の実施形態による超伝導ワイヤはまた、さらなる機械的強度を提供しながら、ワイヤの引伸可能性および／または電気性能を損なわない、安定化要素を組み込んでもよい。図３Ａ−３Ｃは、モノフィラメント１００に関して上記で詳述されるものに類似する方法を介した安定化要素３００の加工を描写する。本発明の実施形態によると、ロッド３０５が、ＣｕまたはＣｕ合金を含む、本質的にそれから成る、またはそれから成る、管３１０内に配置される。ロッド３０５は、モノフィラメント１００を加工するために利用されるロッド１０５のものを上回る機械的強度（例えば、引張強度、降伏強度等）を有する、１つ以上の金属を含む、本質的にそれから成る、またはそれから成ってもよい。例えば、ロッド３０５は、ＴａまたはＴａ合金（例えば、Ｔａ−３Ｗ等のＴａ−Ｗ合金）、ＮｂまたはＮｂ合金（例えばＮｂ−１２Ｗ、Ｎｂ−６Ｗ、またはＮｂ−３Ｗ等の、Ｎｂ−Ｗ合金）、Ｎｂ−Ｔａ合金、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｖ、Ｙ、Ｍｏ、またはＷ等の１つ以上の付加的合金化元素を含有する、Ｎｂ−Ｔａ合金、または拡散障壁に好適であるような本明細書に開示される任意の他の材料を含む、本質的にそれから成る、またはそれから成ってもよい。他の実施形態では、ロッド３０５は、実質的に純Ｎｂを上回る機械的強度を有する、Ｎｂ合金を含む、本質的にそれから成る、またはそれから成ってもよい。例えば、本発明の実施形態による、ロッド３０５（したがって、安定化要素）は、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｖ、Ｙ、Ｍｏ、またはＷのうちの１つ以上のものとのＮｂの合金を含む、本質的にそれから成る、またはそれから成ってもよい。例えば、本発明の実施形態による、安定化要素は、約１０％のＨｆと、約０．７％〜１．３％のＴｉと、約０．７％のＺｒと、約０．５％のＴａと、約０．５％のＷと、残りのＮｂとを含む、ＮｂＣ１０３合金を含む、本質的にそれから成る、またはそれから成ってもよい。他の実施形態では、安定化要素は、ＮｂＢ６６合金および／またはＮｂＢ７７合金を含む、本質的にそれから成る、またはそれから成ってもよい。
【００４１】
管３１０で被覆されたロッド３０５は、続いて、例えば、０．５インチ〜１．５インチまでその直径を縮小するように引き伸ばされてもよい。被覆ロッドは、複数の段階で引き伸ばされてもよく、例えば、歪み緩和のために、引き伸ばすステップのうちのいずれかまたはそれぞれの間および／または後に熱処理されてもよい。いったん引き伸ばされると、被覆ロッドは、モノフィラメント１００および／または複合フィラメント２００との効率的な積層のために成形される安定化要素３００を加工するために、成形ダイを通して引き伸ばされてもよい。例えば、図３Ｃに示されるように、六角ダイが、六角形の断面を有する安定化要素３００を形成するために利用されてもよい。他の実施形態では、安定化要素３００は、例えば、正方形、長方形、三角形等の他の断面を有してもよい。種々の実施形態では、安定化要素３００は、モノフィラメント１００および／または複合フィラメント２００の断面サイズおよび／または形状と略同一である断面サイズおよび／または形状を有してもよい。
【００４２】
いったん加工されると、１つ以上の安定化要素３００は、モノフィラメント１００のスタックの中に挿入されてもよく、結果として生じるアセンブリは、拡散障壁材料およびマトリクス材料で囲繞され、引き伸ばされ、随意に、図３Ｄに示されるように、モノフィラメント１００および安定化要素３００と外側マトリクス２２０との間に拡散障壁２１５を組み込む、安定化された複合フィラメント３１５（例えば、図２Ａ−２Ｅを参照して上記で説明されるような）を形成するように成形されてもよい。本発明の種々の実施形態では、複合フィラメントは、その間の相互拡散を妨害する、または実質的に防止するために、安定化要素３００と残りのモノフィラメント１００との間に拡散障壁を含んでもよい。種々の実施形態では、安定化要素３００は、例えば、ＣｕまたはＣｕ合金を含む、本質的にそれから成る、またはそれから成る、内部安定化マトリクスと置換され、またはそれを補完されてもよく、そのような領域は、１つ以上の拡散障壁を介してモノフィラメント１００から分離されてもよい。図３Ｄは、モノフィラメント１００のうちの１つのものと実質的に同一である断面積を有するように、安定化要素３００を描写するが、本発明の種々の実施形態では、安定化要素３００は、単一モノフィラメント１００のものより大きい断面積を有する。例えば、安定化要素３００の断面積は、モノフィラメント１００の断面積の少なくとも１．５倍、少なくとも２倍、少なくとも３倍、少なくとも４倍、少なくとも５倍、または少なくとも６倍であってもよい。
【００４３】
安定化要素および拡散障壁を組み込む本発明の実施形態では、付加的な機械的強度を付与するワイヤの断面積の量は、拡散障壁と安定化要素との間で有益に分割されてもよい。すなわち、１つ以上の安定化要素によって占有されるワイヤの断面積が多いほど、各拡散障壁が、ワイヤの種々の部分の間の拡散を妨害する、または実質的に排除するために十分な厚さを有する限り、ワイヤのより少ない断面積が拡散障壁によって占有される必要がある。逆に、本発明の実施形態による拡散障壁の使用は、依然として、所望の機械的強度（および／または他の機械的性質）をワイヤに付与しながら、それら自体が集合的にワイヤのより少ない断面積を占有する、１つ以上の安定化要素の使用を可能にする。種々の実施形態では、拡散障壁は、集合的に、ワイヤの断面積の少なくとも１％、少なくとも２％、少なくとも３％、少なくとも４％、または少なくとも５％を占有してもよい。種々の実施形態では、拡散障壁は、集合的に、ワイヤの断面積の１５％未満、１２％未満、１０％未満、９％未満、８％未満、７％未満、６％未満、または５％未満を占有してもよい。安定化要素を特徴とする本発明の実施形態では、安定化要素および拡散障壁は、集合的に、ワイヤの断面積の２５％未満、２０％未満、１５％未満、または１０％未満を占有してもよい。安定化要素自体は、ワイヤの断面積の１５％未満または１０％未満（例えば、約２％〜約８％または約５％〜約１５％）を占有してもよい。安定化要素は、ワイヤの断面積の少なくとも２％、少なくとも３％、少なくとも５％、または少なくとも８％を占有してもよい。
【００４４】
１つ以上の複合フィラメント２００、３１５内に組み込まれることに加えて、またはその代わりに、本発明の実施形態による拡散障壁は、有利なこととして、超伝導ワイヤ内の相互拡散を妨害する、または実質的に防止するように、外側安定化マトリクス（および／またはワイヤの中心に近接する内側安定化マトリクスおよび／または安定剤）と複合フィラメントとの間に配置されてもよい。すなわち、超伝導ワイヤおよび／またはワイヤプリフォームは、複合フィラメント２００、安定化された複合フィラメント３１５、および／またはそれら自体の拡散障壁を欠く複合フィラメントのアセンブリの周囲に配置される拡散障壁を利用して、加工されてもよい。図４Ａ−４Ｅは、例示的超伝導ワイヤ４００の加工の種々の段階を描写する。図４Ｂに示されるように、それら自体の内部拡散障壁をそれぞれ欠く、複数の複合フィラメント４０５は、続いて、超伝導ワイヤ４００のコアの少なくとも一部になるであろう配列にともに積み重ねられてもよい。各複合フィラメント４０５は、例えば、上記で詳述される複合フィラメント２００と同様であるが、加工中に管２１０の使用から生じる拡散障壁２１５の組み込みを伴わず、加工されてもよい。他の実施形態では、複合フィラメントのスタックは、複合フィラメント４０５の有無別に、複合フィラメント２００、複合フィラメント３１５、および／またはそれらの混合物を含む、またはそれから成ってもよい。図４Ｂは、１８本の異なる複合フィラメント４０５の積層を描写するが、本発明の実施形態は、より多いまたは少ない複合フィラメントを含んでもよい。
【００４５】
複合フィラメントの積層アセンブリは、ＣｕまたはＣｕ合金を含む、本質的にそれから成る、またはそれから成る、管４１０内に配置されてもよい。加えて、図４Ｃに示されるように、管２１０は、複合フィラメントの積層アセンブリの周囲に、かつ管４１０内に配置されてもよく、したがって、最終的なワイヤの中に拡散障壁を形成してもよい。複合フィラメントが、管５１０および管２１０内に配置される前および／または後に、複合フィラメント、管２１０、および／または管４１０は、例えば、表面酸化物および／または他の汚染物質を除去するように、（例えば、１つ以上の酸を含む、本質的にそれから成る、またはそれから成る洗浄剤を介して）洗浄および／またはエッチングされてもよい。図４Ｄに示されるように、管４１０および管２１０は、例えば、スエージング、押出、および／または圧延によって、複合フィラメント上に圧密されてもよく、管２１０は、拡散障壁４１５になってもよく、管４１０は、外側マトリクス４２０になってもよい。被覆積層複合フィラメントは、積層アセンブリの中の種々の複合フィラメントの間の接合を助長するように焼鈍されてもよい。例えば、被覆スタックは、約０．５時間〜約３時間（例えば、約１時間）の時間にわたって約３００℃〜約５００℃（例えば、約４００℃）の温度で焼鈍されてもよい。有利なこととして、複合フィラメント４０５と外側マトリクス４２０との間の拡散障壁４１５の存在は、マトリクス４２０のＣｕと複合フィラメント４０５との間の拡散を実質的に防止し、それによって、低い導電性（例えば、Ｃｕおよび／またはマトリクス４２０の材料よりも低い導電性）を有する金属相の形成を防止する。結果として生じるアセンブリは、図４Ｅに示されるように、その直径を縮小するように、１回以上引き伸ばされもよい。引き伸ばす前または後に、超伝導ワイヤ４００は、例えば、残留応力を緩和する、および／またはその中の再結晶を助長するように焼鈍されてもよい。
【００４６】
図４Ｆおよび４Ｇに示されるように、類似方法論が、１つ以上の拡散障壁４１５および１つ以上の安定化要素３００を組み込む、安定化された超伝導体ワイヤ４２５を加工するために、利用されてもよい。例えば、積層複合フィラメントのアセンブリが、それぞれ、１つ以上の安定化要素３００に適応するように定寸および成形される、１つ以上の空隙をその内側に画定してもよい。複合フィラメントが管４１０および管２１０内に配置される前または後に、１つ以上の安定化要素３００が、図４Ｆに示されるように、空隙のそれぞれの内側に配置されてもよい。結果として生じるアセンブリは、図４Ｇに示されるように、例えば、引伸および／または押出によって、その直径を縮小させてもよい。種々の実施形態では、拡散障壁は、特に、安定化要素がＣｕを含む、本質的にそれから成る、またはそれから成る、実施形態では、ワイヤまたはワイヤプリフォーム内で安定化要素３００とフィラメントとの間に配置されてもよい。例えば、所望の拡散障壁材料の管は、ワイヤプリフォームアセンブリが組み立てられるときに安定化要素の周囲に配置されてもよく、アセンブリ全体が、所望のワイヤ寸法まで引き伸ばされてもよい。図４Ｆおよび４Ｇは、実質的に複合フィラメントの積層アセンブリの中心に配置された単一の安定化要素３００を有する、超伝導ワイヤ４２５を描写するが、本発明の実施形態によると、１つ以上の安定化要素３００は、中心に配置された安定化要素３００に加えて、またはその代わりに、積層アセンブリ内の他の場所に配置されてもよい。図４Ｆおよび４Ｇは、複合フィラメント４０５のうちの１つのものと実質的に同一である断面積を有するように、安定化要素３００を描写するが、本発明の種々の実施形態では、安定化要素３００は、単一複合フィラメント４０５のものより大きい断面積を有する。例えば、安定化要素３００の断面積は、複合フィラメント４０５の断面積の少なくとも１．５倍、少なくとも２倍、少なくとも３倍、少なくとも４倍、少なくとも５倍、または少なくとも６倍であってもよい。
【００４７】
種々の実施形態では、超伝導ワイヤ４００、４２５は、その内側の拡散障壁４１５を欠いており、したがって、管２１０は、その形成に利用されず、個々の複合フィラメントのうちの１つ以上のものの中の拡散障壁２１５は、相互拡散を妨害する、または実質的に防止するために利用される。他の実施形態では、図４Ｄ−４Ｇに示されるように、個々の複合フィラメント４０５は、その内側の拡散障壁を欠き得、拡散障壁４１５は、超伝導ワイヤ４００、４２５内に存在する。そのような実施形態では、管１１０および／または２０５は、有利なこととして、後続の熱処理中にフィラメントのＮｂと反応し、超伝導相（例えば、Ｎｂ３Ｓｎ）を形成するＳｎを、その内側に組み込んでもよい。他の実施形態では、拡散障壁４１５が、拡散障壁２１５に加えて、個々の複合フィラメント内に存在する。
【００４８】
種々の実施形態では、超伝導ワイヤ４００、超伝導ワイヤ４２５、複合フィラメント４０１５、複合フィラメント２００、および／または安定化された複合フィラメント３１５は、直径縮小のために、および／またはそれらの構成要素の間の接合を助長するように、ワイヤ引伸ステップに先立って機械的に処理されてもよい。例えば、超伝導ワイヤ４００、超伝導ワイヤ４２５、複合フィラメント４０１５、複合フィラメント２００、および／または安定化された複合フィラメント３１５は、最終引伸ステップに先立って、押出、スエージング、および／または圧延されてもよい。種々の実施形態では、超伝導ワイヤ４００、超伝導ワイヤ４２５、複合フィラメント４０１５、複合フィラメント２００、および／または安定化された複合フィラメント３１５は、歪み緩和のために、複数の異なる引伸ステップのそれぞれの間および／または後に、熱処理されてもよい。例えば、引伸ステップのうちの１つ以上のものの間および／または後に、超伝導ワイヤ４００、超伝導ワイヤ４２５、複合フィラメント４０１５、複合フィラメント２００、および／または安定化された複合フィラメント３１５は、例えば、約２０時間〜約４０時間の期間にわたって約３６０℃〜約４２０℃の温度で焼鈍されてもよい。
【００４９】
本発明の種々の実施形態では、超伝導ワイヤ４００または超伝導ワイヤ４２５は、その内側のフィラメントの臨界温度を下回って冷却され、電流を伝導するために利用されてもよい。いくつかの実施形態では、複数の超伝導ワイヤ４００および／または超伝導ワイヤ４２５は、単一の超伝導ケーブルを形成するように、ともにコイル状に巻かれる。
【００５０】
いくつかの超伝導ワイヤ４００、４２５（例えば、Ｎｂ−Ｔｉ含有フィラメントを組み込むもの）が、超伝導用途で直接利用されてもよいが、種々の他の超伝導ワイヤ４００、４２５のための加工プロセスは、超伝導相の一部を組み込むための１つ以上のステップを組み込んでもよい。例えば、Ｎｂ３Ｓｎ超伝導相は、いったん形成されると、典型的には、脆性であり、さらに引き伸ばされない、または別様に損傷を伴わずに機械的に変形されない場合がある。したがって、本発明の実施形態は、相互から分離したＮｂおよびＳｎを組み込む、超伝導ワイヤ４００、４２５を加工するために利用されてもよく、いったんワイヤ４００、４２５が殆どまたは完全に加工されると、ワイヤ４００、４２５は、ＮｂおよびＳｎを相互拡散し、その内側で超伝導Ｎｂ３Ｓｎ相を形成するように焼鈍されてもよい。例えば、引き伸ばされたワイヤは、例えば、約３０時間〜約２００時間の期間にわたって約６００℃〜約７００℃の温度で焼鈍されてもよい。種々の実施形態では、Ｃｕベースの管１１０、２０５、または３１０のうちの１つ以上のものが、その内側にＳｎを組み込んでもよく、例えば、管のうちの１つ以上のものが、Ｃｕ−Ｓｎ合金（例えば、１３〜１５％のＳｎを含む）を含む、本質的にそれから成る、またはそれから成ってもよい。そのような材料は、延性であり、本明細書で詳述されるような種々のフィラメントおよびワイヤの加工を可能にする。その後、ワイヤ４００、４２５は、焼鈍されてもよく、相互拡散および少なくともＮｂとＣｕ−Ｓｎとの間の界面における超伝導Ｎｂ３Ｓｎ相の形成をもたらす。
【００５１】
他の実施形態では、純ＳｎまたはＳｎ合金（例えば、Ｃｕまたはマグネシウム（Ｍｇ）を伴うＳｎ合金）は、複合フィラメント２００、安定化された複合フィラメント３１５、および／またはワイヤ４００、４２５を形成するために利用されるスタックのうちの１つ以上のものの内側に（例えば、ロッドまたは管の形態で）組み込まれてもよく、本明細書で詳述されるような複合フィラメント２００、安定化された複合フィラメント３１５、および／またはワイヤ４００、４２５の形成後、焼鈍ステップが、超伝導Ｎｂ３Ｓｎ相を形成するように実施されてもよい。
【００５２】
種々の実施形態では、ワイヤ内の１つ以上の拡散障壁の一部内の少なくともＮｂは、上記に説明されるように反応し、超伝導相を形成し、拡散障壁の本反応部分は、したがって、動作の間、ワイヤの超伝導的伝導性に寄与し得る。例えば、拡散障壁の内側または外側部分は、例えば、ＳｎまたはＳｎ合金と反応し、ワイヤのフィラメントから形成されるものと実質的に同じまたは類似する超伝導相を形成してもよい。そのような実施形態では、拡散障壁の厚さは、典型的には、拡散障壁の全体が、反応し、超伝導相を形成しないように十分に大きい。したがって、拡散障壁の少なくとも一部は、未反応のままであって、本明細書に説明されるように、相互拡散への抵抗およびワイヤへの機械的強度に寄与する。種々の実施形態では、拡散障壁は、本明細書に詳述されるように、Ｎｂを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る１つ以上の環状層と、Ｎｂ合金またはＮｂ−Ｔａ合金を含む、それから本質的に成る、またはそれから成る１つ以上の環状層とを含有する、多層構造であってもよい。合金層は、拡散抵抗の大部分を提供し得る一方、Ｎｂ層の少なくとも一部は、熱処理の間、（例えば、Ｃｕマトリクス内の周囲Ｓｎと）反応し、超伝導相の一部と成り得る。例えば、拡散障壁は、２つの異なるＮｂ層間に挟入される合金層を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。別の実施例では、内側Ｎｂ層は、外側合金層によって囲繞される、またはその逆であってもよい。
【００５３】
図５は、本発明の実施形態による、拡散障壁を組み込む超伝導ワイヤ５００の断面図である。示されるように、拡散障壁５１０は、ワイヤ５００のＣｕ安定化コア５２０と、Ｎｂベースのフィラメント５４０を含有する外側ブロンズマトリクス５３０との間に配置される。図６は、本発明の実施形態による、拡散障壁を組み込む別の超伝導ワイヤ６００の断面図である。示されるように、拡散障壁６１０は、ワイヤ６００のコアにおける内側Ｓｂ−Ｃｕ−Ｎｂベースのフィラメント６２０と外側Ｃｕ安定剤６３０との間に配置される。
【００５４】
（実施例）
一連の実験が、著しく引き伸ばされた超伝導ワイヤにおける処理性、したがって、拡散障壁として使用するための好適性の観点から、Ｎｂ−Ｗ合金材料を評価するために実施された。材料の加工は、ボタン炉内における３つの異なるＮｂ−Ｗ合金の溶解から開始した。３つの異なるサンプルは、２．９重量パーセントのＷ、５．７重量パーセントのＷ、および１１．４重量パーセントのＷを有しており、３つ全てのボタンは、加工後、６８０．４グラムの重量であった。中心区分が、帯のこ上での切断およびやすりを用いたバリ取りを介して、ボタンのそれぞれから抽出された。各区分の厚さが、測定され、一連の圧延実験のための開始厚として利用された。サンプルは、公称５％通過スケジュールにおいて、圧延機上で圧延された。周期的に、圧延の間、サンプルの厚さが、測定され、各サンプルの一部が、硬度試験のために抽出された。中間焼鈍または他の処理は、サンプル上で実施されなかった。圧延実験の結果は、下記の表１に示され、これは、厚さおよび対応する面積の低減（ＲＯＡ）を報告する。
【００５５】
【表１】
2021516428.tif 000003
【００５６】
続いて、圧延されたサンプルの硬度が、Ｗｉｌｓｏｎ  Ｗｏｌｐｅｒｔ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ（Ａａｃｈｅｎ，  Ｇｅｒｍａｎｙ）から利用可能な４０１  ＭＶＤ  Ｋｎｏｏｐ／Ｖｉｃｋｅｒｓ  Ｍｉｃｒｏｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ  Ｔｅｓｔｅｒ上で０．５ｋｇのＶｉｃｋｅｒｓ試験力（ＨＶ）を使用する、Ｖｉｃｋｅｒｓ硬度試験を使用して評価された。各サンプルは、硬度試験に先立って、研磨および搭載された。３回の測定が、ＡＳＴＭ  Ｅ３８４規格（ＡＳＴＭ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ（Ｗｅｓｔ  Ｃｏｎｓｈｏｈｏｃｋｅｎ，  ＰＡ）（その開示全体は、参照することによって本明細書に組み込まれる））に準拠して、１３６°角錐形ダイヤモンド圧子を使用して、各サンプル上で実施され、平均および標準偏差が、計算された。硬度試験の結果は、下記の表２−４に報告される。
【００５７】
【表２−１】
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【表２−２】
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【００５８】
【表３−１】
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【表３−２】
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【００５９】
【表４−１】
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【表４−２】
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【００６０】
上記のデータ表上に示されるように、試験されたサンプルの３つ全てが、７０％を超えるＲＯＡ値まで冷間加工を介して処理されたとき、良好な延性を呈した。測定された挙動は、純ニオブサンプルによって呈されるものに類似し、最先端超伝導ワイヤにおける拡散障壁としての使用のためのこれらのサンプル合金の好適性を示す。各合金の硬度は、予期されるように、増加されたＷ含有量および増加されたＲＯＡの関数として、若干増加したが、サンプルは全て、試験された全ての条件において、良好な延性を呈した。サンプルのいずれも、試験手順において利用される冷間加工によって亀裂せず、または別用に損傷されず、全てのサンプルは、試験の間、非常に均一に変形した。
【００６１】
本明細書で採用される用語および表現は、限定ではなく、説明の用語および表現として使用され、そのような用語および表現の使用には、示され、説明される特徴、またはその部分のいかなる均等物も除外するという意図はない。加えて、本発明のある実施形態を説明してきたが、本明細書に開示される概念を組み込む他の実施形態も、本発明の精神および範囲から逸脱することなく使用され得ることが、当業者に明白であろう。故に、説明される実施形態は、あらゆる点で制限的ではなく、例証的にすぎないと見なされるものである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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【図４Ｇ】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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