PROCESS FOR THE MANUFACTURE OF A FIBRE-CONTAINING COMPOSITE ARTICLE

Abstract: 1. A method of manufacturing a wire-shaped or rod-shaped compound body with a plurality of filaments which essentially run parallel to the longitudinal axis of the compound body, are embedded in the compound body with spaces between one another and are securely fixed to the remainder of the material of the compound body by deformation which reduces the cross-section, the filaments first being in the form of a mat (4) before deformation and the mat (4) being wound up into a roll, characterized in that the mat (4) is woven or braided from parallel longitudinal wires (A, B) having a circular cross-section, together with connecting wires (C) running substantially perpendicular thereto in such a way that the spaces between the longitudinal wires (A, B) are smaller than the spaces between the connecting wires (C).

Description: Verfahren zur Herstellung eines Filamente enthaltenden Verbundkörpers Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines draht- bzw. stabförmigen Verbundkörpers mit einer Vielzahl von Filamenten, die im wesentlichen parallel zur Längsachse des Verbundkörpers verlaufen und mit Abstand voneinander in den Verbundkörper eingebettet und durch #uerschnittsvermin- dernde Verformung mit dem übrigen Material des Verbundkörpers fest verbunden sind, wobei die Filamente vor der Verformung zunächst in Form einer Matte vorliegen und die Matte zu einer Rolle aufgewickelt wird. In der Zeitschrift. IEEE TRANSACTIONS ON MAGRETICS, Vol. NAG-19, No. 3, Mai 1983, Seiten 1124 bis 1127, ist ein Verbundkörper beschrieben, der eine Vielzahl von Filamenten aus Niob enthält und als Supraleiter Verwendung findet. Um sehr viele Filamente in einem einzigen Arbeitsgang in den Leiter einzuschliessen, werden netzförmig ausgestanzte Bleche, sogenannte Streckmetalle, jeweils zu einer Rolle aufgewickelt und dann in ein Hüllrohr eingeführt. Der so gebildete Bolzen wird gepresst und gezogen, so dass sich sein Querschnitt erheblich vermindert. Hierdurch reissen die Querbrücken in dem Streckmetall weitgehend ab, so dass sich in dem gebildeten Verbundkörper einzelne Filamente aus Niob befinden. Das übrige Material des Verbundkörpers besteht für den Einsatz als Supraleiter meistens aus Kupfer und Zinn, so dass durch eine Wärmebehandlung die Niobfilamente eine supraleitende Nb 3Sn-Schicht erhalten. Ein weiteres, schon wesentlich länger bekanntes Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers mit einer Vielzahl von Filamenten ist beispielsweise in der DEOS 32 07 159 beschrieben. Der dort dargestellte Verbundleiter wird aus Stäben zusammengesetzt, von denen jeder bereits aus mehreren in Bronze eingebetteten Niobstäben besteht. Um also einen Verbundkörper mit sehr vielen Filamenten herzustellen, hat man zwei BEndelungsschritte hintereinander durch fuhren müssen. Das in der Zeitschrift Jg7 vRAµECGIONS ON NAGNETICS beschriebene Fertigungsverfahren kommt demgegenüber auch bei relativ vielen einzuschliessenden Filamenten mit nur einem Bundelungsschritt aus. Gegenüber dem in der genannten DE OS 32 07 159 dargestellten leiter müssen jedoch auch Nachteile in Xauf genommen werden. Ausserdem haben die die Filamente bildenden Stege des Streckmetallbleches zwangsläufig einen gestreckten, rechteckigen bzw. ovalen Querschnitt, Dies verursacht bei der tuerschnittsverminderung durch Pressen oder Ziehen eine unsymmetrische Qiierschnittsver- minderung und gerbwirkung, vor allem bedingt durch die auftretenden grossen Kraftkomponenten in radialer Richtung. Hierdurch wird das Ausmass der zulässigen QQerschnittsver- minderung begrenzt. Dies hat zur Folge, dass nur relativ geringe Durchmesser des ursprünglichen, die Rolle enthaltenden Bolzens Verwendung finden können, so dass die herzustellenden Längen des Verbundkörpers gegenüber der Me- thode mit Nehrfachbündelung begrenzt sind. Da bei der Verwendung der Filamente als Träger für eine supraleitende Schicht jeweils die grösste Abmessung eines Filamentes für die bei Wechselstrom auftretenden Wirbelund Hystereseverluste entscheidend ist, besitzt das Ver fahren der Mehrfachbündelung wesentliche Vorteile dadurch, dass dort runde Querschnitte für die Filamente verwendet werden können. So kann es vorkommen, dass die zwischen den in Längsrichtung verlaufenden Filamenten bestehenden Verbindungen in dem Streckmetall bei der Querschnittsverminderung nicht vollständig abreissen und so Brücken zwischen den Filamenten erhalten bleiben, die im Falle der Verwendung als Supraleiter bei Wechselstrom Wirbel- und Hystereseverluste verursachen. Weiterhin ist es einfach, durch Mehrfachbündelung den für die Verwendung als Supraleiter optimalen Durchmesser der Filamente von etwa 3 p bei grossen Längen des Verbundkörpers einzustellen. Ein Filamentdurchmesser von 3 p wird bei Nb3Sn-Supraleitern deswegen als optimal angesehen, da sich dann durch Feststoffdiffusion eine Nb 3Sn-Schicht von etwa 1 p bilden kann. Diese Schichtdicke bestimmt die für den Strom zur Verfügung stehende Querschnittsfläche. Durch das Vergrössern dieser Schicht bei der Diffusion von Zinn in das Niob vergrössern sich jedoch auch die Kristalle in der Nb 3Sn-Schicht und damit verringert sich die Zahl der Korngrenzen, an denen sich bei einwirkendem Wechselfeld die magnetischen Flusslinien festhalten können. Die maximal erreichbare Stromdichte hängt aber von der Anzahl dieser Korngrenzen ab, so dass man sagen kann, dass eine zunehmende Schichtdicke einerseits die Querschnittsfläche für den Strom vergrössert, jedoch andererseits die maximal erreichbare Stromdichte verringert. Da die Stromtragfähigkeit das Produkt aus diesen zwei Grössen ist, gibt es einen optimalen Bereich für die einzustellende Schichtdicke, der bei Nb3Sn-Supraleitern etwa bei 1 IL liegt. Aber auch für andere Anwendungen derartiger Verbundkörper können Gründe vorhanden sein, die einen sehr kleinen Bila- mentdurchmesser wünschenswert machen. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren anzugeben, das die Vorteile der beiden erläuterten, bekannten Verfahren in sich vereinigt. Bei dem eingangs genannten Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 besteht die Erfindung darin, dass die Matte aus zueinander parallelen Längsirähten (A,B) mit kreisrundem Querschnitt zusammen mit im wesentlichen senkrecht dazu verlaufenden Verbindungsirähten (C) so gewebt oder geflochten wird, dass der Abstand der Längsirähte (AB) voneinander kleiner ist als der Abstand der Verbin dungsirähte (C). Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemässen Verfahrens sind in den Unteransprüchen beschrieben. Die Figuren 1 und 2 zeigen in zwei Ansichten das Entstehen einer gewebten Matte, wie sie zur Durchführung des erfin dungsgeznässen Verfahrens verwendet wird. Figur 3 zeigt den Aufrollvorgang und Figur 4 einen Querschnitt durch einen die aufgerollte Matte haltenden Bolzen vor der querschnittsvermindernden Verformung. Figur 5 zeigt den Querschnitt von Einkernirähten, die als Längsdrähte Verwendung finden können. In den Figuren 1 und 2 wird angenommen, dass allgemein ein Verbundkörper aus zwei verschiedenen Materialien hergestellt werden soll. Es werden jeweils mit A die Längsdrähte bezeichnet, die später die Filamente bilden sollen, während B Längsirähte sind, die aus sonstigen Material des Verbundkörpers bestehen und die hier die Aufgabe haben, die Längsirähte A voneinander zu separieren. Senkrecht dazu verlaufen Verbindungsdrähte C, die die Funktion der beim Weben zu verwendenden Kette erfüllen und teilweise als Lochfäden und als Schlitzfäden fungieren. Die Verbindungsdrähte C bestehen wie die Längsdrähte B aus einem sonstigen Material des Verbundkörpers, so dass benachbarte Längsdrähte A nicht durch Brücken aus gleichem Material verbunden sind. Die Verbindungsdrähte C bilden zusammen eine Kette 1, die von einem Kettbaum 2 abgewickelt wird. Die fertige Matte mit den eng aneinander liegenden Längsirähten A und B wird dann, wie beim Webvorgang üblich, auf einen Warenbaum 3 aufgewickelt. Selbstverständlich können auch andere der bekannten Weboder Flechtverfahren Verwendung finden. Es wäre auch denkbar, die Richtung der Verbindungs- und Längsirähte zu vertauschen, allerdings würde sich dadurch der Nachteil erge- ben, dass die auf den Warenbaum gewickelte Matte 4 senkrecht zu der in Figur 1 dargestellten Richtung aufgewickelt werden muss und wegen der begrenzten Breite des Webstuhles nicht beliebig lang gemacht werden kann. In Figur 3 sei angenommen, dass die Längsdrähte A aus Niob und die Längsirähte B aus Kupfer bestehen und dass ein Supraleiter hergestellt werden soll. Von der Matte 4 sind in Figur 3 nur die Längsdrähte dargestellt. Figur 3 stellt also einen Schnitt durch die Matte 4 in Figur 1 parallel und zwischen zwei Verbindungsirähten C dar. In dem angenommenen Fall eines Supraleiters besteht der Warenbaum 3 aus einem Eupferstab, der von einer dif fusionshemmenden Schicht 8 aus Tantal umgeben ist, auf den zuerst die Matte 4, dann eine Folie 5 aus Kupfer, dann eine Folie 6 aus Zinn und wiederum eine Folie 7 aus Kupfer aiifgewickelt wird. Wenn die Matte 4 (entsprechend Figur 3) voll aufgewickelt ist, erhält man so einen Bolzen, bei dem jeder Längsdraht A von Kupfer (I¯angsdraht X, Folie 5 und 7) umgeben ist und bei dem sich zwischen je zwei Kupferfolien eine Zinnfolie befindet. Wird dieser Bolzen durch Pressen und Ziehen auf seinen Endquerschnitt gebracht, so kann bei der bei Supraleitern üblichen Wärme- behandlung das Zinn durch das Kupfer in die Niobstäbe eindiffundieren und dort die Niob-reiche supraleitende Schicht Nb3Sn bilden. Der aus Kupfer mit einer diffusionshemmenden Schicht 8 bestehende Warenbaum dient bei diesem Beispiel zur Stabilisierung des Leiters. In Figur 4 ist nun der Querschnitt eines Verbundkörpers dargestellt, bei dem zwischen zwei Lagen der Matte 4 jeweils eine Folie 5 aus Kupfer zwischengelegt ist. Der Kern 9 in Figur 4 besteht hierbei ebenfalls aus Kupfer und das Ganze ist in einem Kupferrohr 10 eingeschlossen. Der so aufgebaute Bolzen kann nun in einer Presse bei hohen Tem- peraturen verformt werden. Bei diesem AusS¯uhrungsbeispiel lässt sich aus dem in Figur 4 im rreQuerschnitt dargestellten Bolzen ein Rohr pressen oder durch Ausbohren eines Teiles des Kerns 9 ein Rohr erhalten. Dieses Rohr wird dann anschliessend mit Zinn oder einer zinnreichen Kupferlegierung gefüllt, verschlossen und auf den Endquerschnitt des Verbundkörpers gezogen. Dieses Verfahren besitzt den Vorteil, dass bezogen auf den gesamten Querschnitt sehr viele Filamente in dem Verbundkörper untergebracht werden können und trotzdem eine ausreichende Menge Zinn zur Bildung der supraleitenden Schichten vorhanden ist. Hierdurch ergeben sich im Falle eines Nb 3Sn-Supraleiters sehr hohe Stromdichten, gemessen über den gesamten Querschnitt des Leiters. Bei der sonst verwendeten Kupfer-Zinn-Bronze als sonstiges Material des Verbundkörpers lassen sich wegen der notwendigen Verformbarkeit lediglich Bronzen mit bis zu 13,5 Gew.-% Zinn verwenden. Hierdurch und durch die bei der Mehrfachbündelung notwendigen Zwischenlagen zwischen einzelnen Bündeln von Filamenten war man bisher gezwungen, eine ungleichmässige Verteilung der Bronze vorzunehmen, so dass die in dem zuerst gefertigten Bündel enthaltenen Filamente von einer dünnen Bronzehülle, die Bündel dagegen von einer dicken Bronzehülle umgeben sind. Um jedoch bei der Querschnittsreduktion eine Berührung der Filamente und damit erhöhte Wechselstromverluste zu vermeiden, muss eine gleichmässige Verteilung der Filamente angestrebt werden. Ausserdem wird durch den niedrigen Zinngehalt die Dicke der Bronze schicht vorgegeben, welche im allgemeinen grösser ist als diejenige, die eine Separation der Filamente sicherstellt. Da bei dem anhand von Figur 4 beschriebenen Verfahren reines Zinn nach dem Warmpressen in den Kern hereingebracht wird, ist es in Verbindung mit der Webtechnik jetzt möglich, eine ausreichende Zinnmenge bei wesentlich geringerem Querschnitt unterzubringen. Damit wächst der Anteil der Filamente bezogen auf das Substratmaterial (z.B. Kupfer im Falle von Nb 3Sn-Supraleitern) und es lässt sich eine grössere Stromtragfähigkeit bezogen auf den Leiterquerschnitt erzielen. Ähnliches kann Für Festigkeitseigenschaften von sonstigen Verbundkörpern gelten, da es dieses Verfahren gestattet, sehr viele Filamente bei wenig sonstigem Naterial (Substratmaterial) im Querschnitt unterzubringen. Eine weitere Nbglichkeit zur Herstellung des erfindungs geniassen Verbundkörpers wird anhand von Figur 5 erläutert. Hier sind zwei QRerschnitte von Längsirähten 11 dargestellt, die im Gegensatz zu den Längsirähten A und B in den Figuren 1 bis 3 je aus einem Einkernverbundmaterial bestehen. Der Eiern 12 besteht bei jedem der Einkernver bunddrrhte 11 aus dem Material, aus dem die Filamente des herzustellenden Verbundkörpers bestehen sollen, während der mantel 13 aus dem sonstigen Material besteht, in das die Filamente einzubetten sind. Verwendet man derartige Einkernverbunddrähte 11 als Längsdrähte entsprechend den anhand der Figuren 1 bis 3 geschilderten Ausführungsbei- spielen, so müssen nicht mehr Längsdrähte aus verschiedenen Materialien nebeneinander in die Matte 4 gewebt werden, sondern es genügt, nur Einkernverbunddrähte 11 vorzusehen. Auch beim Aufwickeln der Matte 4 auf den Warenbaum 3 ist es nicht mehr nötig, zwischen die einzelnen Lagen der Matte 4 eine Folie zu legen. Den Mantel 13 eines derartigen Einkernverbunddrahtes 11 kann man auch aus einer Gallium oder Zinn enthaltenden Bronze herstellen und die daraus hergestellte Matte auf einen mit einer diffusionshemmenden Schicht versehenen Kupferkern wickeln. In diesem Fall ist das zur Bildung der supraleitenden Schicht verwendete Material in der Bronze des Mantels 13 enthalten und der Xupferkern wirkt als Stabilisierung für den Leiter. Der Verbundkörper kann im Prinzip aus allen verformbaren Materialien aufgebaut werden. Bei der Verwendung des Verbundkörpers als Supraleiter lassen sich anstelle der geschilderten, aus Niob und Zinn gebildeten Supraleiter auch andere Supraleitermaterialien, wie z.B. Gallium und Vanadium einsetzen.

Claims: Patentansprüche 1. Verfahren zur Herstellung eines draht- bzw. stabSörmi- gen Verbundkörpers mit einer Vielzahl von Filamenten, die im wesentlichen parallel zur Längsachse des Verbundkörpers verlaufen und mit Abstand voneinander in den Verbundkörper eingebettet und durch querschnittsvermindernde Verformung mit dem übrigen Naterial des Verbundkörpers fest verbunden sind, wobei die Filamente vor der Verformung zunächst in Form einer Matte (4) vorliegen und die Matte (4) zu einer Rolle aufgewickelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Matte (4) aus zueinander parallelen Längsirähten (A,B) mit kreisrundem Querschnitt zusammen mit im wesentlichen senkrecht dazu verlaufenden Verbindungsdrähten (C) so gewebt oder geflochten wird, dass der Abstand der Längsdrähte (A,B) voneinander kleiner ist als der Abstand der Verbindungsirähte (C). 2. Verfahren zur Herstellung eines draht- bzw. stabförmigen Verbundkörpers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Matte (4) gewebt ist und dass beim Weben die von einem Kettbaum (2) abgewickelte Kette (1) aus den Verbin dungsdrähten (0) besteht, während die Längsirähte (A,B) als Schussfäden verwendet werden. 3. Verfahren zur Herstellung eines draht- bzw. stabförmigen Verbundkörpers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsdrähte (A) aus dem für die Filamente vorgesehenen Material bestehen und dass zwischen zwei derartigen Längsirähten (A) jeweils mindestens ein weiterer Längsdraht (B), der aus einem sonstigen Material des Verbundkörpers besteht, angeordnet ist. 4. Verfahren zur Herstellung eines draht- bzw. stabförmigen Verbundkörpers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen je zwei Lagen der Matte (4) mindestens eine Folie (5,6,?) aus sonstigem Material des Verbundkörpers zwischengewickelt ist. 5. Verfahren zur Herstellung eines draht- bzw. stabförmigen Verbundkörpers nach Anspruch 1 zur Herstellung eines Supraleiters dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei Lagen einer mit aus Niob und Kupfer bestehenden Längsdrähten hergestellten und aufgewickelten Matte (4) je eine Kupfer-Folie (5), eine Zinn-Folie (6) und eine weitere Kupfer-Folie (7) gewickelt sind. 6. Verfahren zur Herstellung eines draht- bzw. stabförmigen Verbundkörpers nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle von Niob Vanadium und anstelle von Zinn Gallium eingesetzt wird. 7. Verfahren zur Herstellung eines draht- bzw. stabförmigen Verbundkörpers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Längsirähte (A und B) aus Einkeruverbundirähten (11) mit je einem Kern (12) aus dem für die Filamente vorgesehenen Material und einem Mantel (13) aus dem sonstigen Material des Verbundkörpers bestehen. 8. Verfahren zur Herstellung eines draht- bzw. stabförmigen Verbundkörpers nach Anspruch 1 zur Verwendung des Verbundkörpers als Supraleiter dadurch gekennzeichnet, dass der Warenbaum (3) aus einem Kupferstab besteht, dass die Matte (4) Längsirähte (A) aus Niob bzw. Vanadium und Längsdrähte (B) aus Kupfer enthält und dass diese Matte (4) zusammen mit einer Folie aus Kupfer oder Bronze mit Zinn bzw. Gallium-Gehalt aufgewickelt wird, durch Heisspressen auf einen kleineren Querschnitt zu einem Rohr verformt wird und dass in das Innere des Rohres das zur Bildung der supraleitenden Schicht notwendige weitere Zinn bzw. Gallium eingebracht wird. 9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (13) des Einkernverbunddrahtes (11) aus Bronze besteht und dass die aus Einkernverbunddrähten (11) gewebte oder geflochtene Matte auf einen Kupferkern unter Zwischenschaltung eines Diffusionshemmers gewickelt ist, so dass der Kupferkern als Stabilisierungsmaterial wirkt.

Inventors: HILLMANN, HANS, DR.
Applicants: VACUUMSCHMELZE GMBH
Application year: 1984
Main classification: H01L39
IPC codes: D07B5, H01B12, H01B13, H01L39, C22C47