Wissenschaftliche Berichte - FZKA 5847

Zusammenfassung

In dieser Arbeit werden Untersuchungen an einer Probenserie von Leiterbändern aus Bi-2223 Hochtemperatursupraleitern vorgestellt. Bei der Herstellung nach dem Powder-In-Tube-Verfahren (PIT) wurden einzelne Parameter systematisch variiert, um den Zusammenhang zwischen Herstellungsprozedur, Mikrostruktur und kritischer Transportstromdichte j_c^Tr zu erforschen. j_c^Tr hängt von der mikrostrukturellen Eigenschaften des Filamentes ab, die einen perkolativen Pfad für den Suprastrom verursachen. Die Mikrostruktur wiederum wird von den Präparationsparametern während der Herstellung beeinflußt. Die mikrostrukturellen Eigenschaften, wie die Phasenzusammensetzung und die Kornanordnung, wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie und energiedispersiver Röntgenspektroskopie untersucht. Der Verlauf von Härte und Dichte des Leiterkerns wurde im Verlauf der Herstellungsprozedur beobachtet sowie Transportstrommessungen am fertigen Leiter vorgenommen.

Wegen der wichtigen Rolle der Grenzfläche zwische Filament und Matrixmaterial wurde ein neues Verfahren zu deren quantitativen Charakterisierung entwickelt. Es beruht auf einer Kombination der Zehnpunkt-Rauhtiefe R₁₀ als globales Maß der mittleren Rauheits-Amplitude, und der fraktalen Dimension D_f als ein eher lokales Maß für die Zerklüftung der Grenzfläche. Diese Fraktale Rauheits-Analyse Kombination (FRAK) wurde auf die oben erwähnten Proben angewendet. Sie erlaubt einen quantitativen Vergleich von unterschiedlich präparierten PIT-Proben und die Beobachtung der Grenzflächenrauheit einzelner Rohre im Verlauf von Kaltverformung und Glühbehandlung.

Durch FRAK-Analysen können sowohl unterschiedliche Rohrmaterialien als auch Deformationsmethoden unterschieden werden, was eine weitere Parameteroptimierung ermöglicht. In den fertig behandelten Leitern wurden inhomogene kritische Stromdichten entlang der Bandachse gefunden. Dabei waren niedrige j_c^Tr -Werte mit hohen Werten der fraktalen Dimension D_f korreliert (und umgekehrt). Dies wird erklärt durch einen höheren Anteil fehlorientierter Körner im supraleitenden Filament, was auf der einen Seite zu einer starken Zerklüftung der Grenzfläche führt. Andererseits wird damit durch gestörtes Kristallwachstum und größere Korngrenzenwinkel die Anzahl schwacher Kornverbindungen im perkolativen Suprastrompfad erhöht. Dies zeig den begrenzenden Einfluß der Kornverbindungen auf j_c^Tr.

Beim Vergleich der unterschiedlichen Hüllmaterialien wird gezeigt, daß AgMg-Legierungen im direkten Kontakt mit dem Filament Nachteile aufweisen. Die überlegenen mechanischen Eigenschaften der dispersionsgehärteten Hüllen können dennoch genutzt werden, wenn eine Pufferschicht aus reinem Silber zwischen Filament und legierter Außenhülle verwendet wird.

Influence of Preparation Parameters on Microstructure and Current Carrying Capability of Bi-2223 Tape Conductors

Abstract

This work presents investigations on a set of tape conductor samples of Bi-2223 high temperature superconductors fabricated by the Powder-In-Tube (PIT) method. During fabrication, individual preparation parameters were varied to investigate the interrelation between fabrication, microstructure and critical current density, j_c^Tr. The latter is strongly depending on the microstructural properties of the filament causing a percolative supercurrent path. The microstructure, in turn, is influenced by the fabrication process. The microstructural features such as phase composition and grain arrangement were examined by Scanning Electron Microscopy and Energy Dispersive X-Ray spectroscopy. During the PIT procedure, hardness and density of the oxide core have been monitored. After completion of the PIT treatment, transport current measurements were also carried out on the final tapes.

Due to the important role of the interface between filament and matrix material, a new method for a quantitative characterization of this interface was developed using a combination of the ten point roughness, R₁₀ , as a global measure of the mean interface roughness, and the fractal dimension, D_f , as a more local measure for the ruggedness of the interface. This Fractal Roughness Analysis Combination (FRAC) was applied on the samples mentioned above. It allows a quantitative comparison of differently prepared PIT tubes and a monitoring of the interface roughness of the individual tubes during deformation and heat treatment.

Different tube materials as well as different deformation methods can be distinguished by FRAC, allowing the optimization of material and procedure parameters. Inhomogeneous critical current densities along the axes of the final tapes were observed. Low values of j_c^Tr were found to be correlated with high values of the fractal dimension, D_f , and vice versa. This is explained by a higher fraction of misoriented grains in the superconducting filament. On the one hand, this leads to a rugged interface by grain penetration into the sheath, and on the other hand increases the number of weak links in the supercurrent percolation path due to distrubed grain growth and higher grain boundary angles. This shows the limiting influence of the grain connections on j_c^Tr .

Comparing different sheath materials, it is shown that the usage of AgMg alloys in direct contact with the filament has severe disadvantages. In order to use the superior mechanical properties of this material, an outer alloyed sheath should be used along with an inner buffer layer of pure silver.