CN100498984C - 一种超导导线组件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超导导线组件，具体涉及的是一种利用高温超导材料制备的高温超导导线组件及其制备方法，其包含至少两根具有超导性能的单根超导导线，这些单根超导导线之间通过电接触形成超导导线组，并且在上述超导导线组的外表面上至少有一层覆盖层，利用该方法制备的高温超导导线组件具有较高的机械强度、较好的安全性和稳定性。

Description

一种超导导线组件及其制备方法

技术领域

本发明涉及超导导线组件，具体涉及的是一种利用高温超导材料制备的高温超导导线组件及其制备方法，利用该方法制备的高温超导导线组件具有较高的机械强度、较好的安全性和稳定性。

背景技术

高温超导材料发展至今已取得了令人瞩目的成果，如利用高温超导材料制造的输电电缆、变压器、电动机和超导磁悬浮列车等。Bi系2223相高温超导导线是利用Bi系2223相高温超导材料制备的导线，其临界温度高、电流密度高、成形好，且具有良好的加工性能，从而成为目前高温超导材料中具有广阔发展前景的一种产品。一般制备Bi系2223相高温超导导线是利用Ag套管填充Bi系氧化物粉末法，简称PIT法。利用该法制备的导线由超导体芯及包在芯周围的银或银合金基体组成。在高温超导导线的操作和使用过程中，导线的某处可能出现弯折甚至断裂的情况，导致导线的其余芯承担总的电流，这一总电流如超过这些芯的电流输运能力，超过的部分将由基体分流，使基体成为电流的旁路，一般基体的材料为银或银合金，这样的基体有可能经不住导线中大的分流电流，如100安的电流，致使外套烧毁，从而使导线断开，甚至使导线着火，危害整个超导器件，这种情形就给高温超导导线的实际电力应用带来了障碍。基于上述情况，需要一种特殊方法提高高温超导导线的机械强度和工作稳定性，从而保证超导器件的稳定运行。

目前已有的导线的结构主要有以下几种类型：

(1)单芯导线

如图1所示，在美国专利US5006671中涉及了这种结构，其中1为超导体，2为玻璃纤维管。单芯导线具有简单的结构，较高的填充因子(FF)，FF>0.4-0.5，其中FF＝[超导体]/([超导体]+[Ag])，与其他种类结构的导线相比具有较高的临界电流密度，从而也具有较高的工程电流密度。单芯导线的另一种形式是PKovac等人(P.Kov et al，Supercond.Sci.Technol.，13(2000)，378-384)提出的Bi-2223/Ag/阻挡层/Ag的复合结构，如图2所示，其中1为Bi-2223相超导体，2为Ag，3为阻挡层，4为Ag，这种结构有一些优点，如可减小导线的交流损耗。

尽管单芯导线具有一些独特的优点，但单芯导线只有一个超导区，当其中某点断开，通过该处的总电流将全部加在银或银合金基体上，基体可能经不住导线中大的分流电流，致使外套烧毁，从而使导线断开，导致整个电路的断路，影响超导器件的稳定性。

(2)多芯导线

在美国专利US5869430和参考文献(林玉宝等，低温物理学报，Vol.21(1999)，No.2，122-130)中涉及了这种结构。如图3所示的导线，其中1为超导体，2为贵金属或贵金属合金，3为管的缝隙，可在这些缝隙中加入超导体，4为银或银合金套管，这样的导线经过轧制成为如图4所示的高温超导导线，其中1为超导体芯，2为银或银合金。在多芯导线中贵金属或贵金属合金包围每一根超导芯，整根导线为带状，在它的横截面上超导芯较均匀地分布，贵金属或其合金在每根芯之间的厚度相近。这种导线具有较高的临界电流密度和很好的机械强度，临界弯曲应变ε_c>0.3％，但是由于绕在每根芯周围的银，使得填充因子较小(FF≤0.3)，因而降低了临界电流密度。N.V.Vo等人(Journal of Magnetic Materials，188(1998)，145-152)提出了另一结构的超导带，它是根据I_c与B的关系曲线，磁场从线圈中心由内向外降低，线圈所用的导线在向外的半径方向横截面面积可逐渐减小，较薄的导线能用来传输同样大小的临界电流，采用这种结构可减少材料的用量，降低成本。选择的绝缘材料可具有与超导材料相似的热性能，高的机械强度，能承受高的温度变化。这种结构从理论上来看比较合理，但难以大规模生产。P.Kov等人(P.Kov et al，Supercond.Sci.Technol.13(2000)378-384)还提出了多芯的Bi-2223/Ag/阻碍层/Ag复合结构，该结构与同样结构的单芯导线的性能类似，也存在着电流密度低的缺点，难以实用化。

(3)同心的导线

L.Martini等人(Luciano Martini，Supercond.Sci.Technol.11(1998)231-237)提出了这种结构，如图5、6所示，其中1为超导体，2为银或银合金外套，超导体被同轴的银或银合金层分开，图5中有一个超导体环，图6中有三个超导体环。同心导线的性能与多芯导线的性能相似，超导体具有较好的电学性能和弯曲性能，如J_ε>40kAcm^-2和ε_c>0.3％。导线中心的银或其合金增强了热稳定性，并且在超导体转变成正常态时能为电流提供另外的通道。这种结构的缺点是交流电损失比多芯导线大。

(4)多层导线

L.Martin等人(L.Martini et al，Supercond.Sci.Technol.7(1994)24-29)提出了这种摺状结构，如图7所示，其中1为银箔，2为超导层，把厚为80-100μm的纯银箔折成摺状结构，银的两面填上超导粉末，经过压制和煅烧，获得多层导线，这样制得的多层导线是用金属层把相邻的超导薄层隔开，该结构具有很高的FF(FF>0.7)和电流输运能力，在77K下I_c>600A，但目前多层导体只能做成短的导线，长度到1米，因而限制了其实际应用。

基于上述情况和高温超导材料的特性，为了保护超导导线的超导电性，可以采用几根导线并联的方式。当电流通过单根超导导线时，电流只通过超导体部分，当超导体的某处出现断裂缺陷或某些芯断开时，导线的其余芯将承担总的电流，这一总电流如超过这些芯的电流输运能力，超过的部分将由基体分流，使基体成为电流的旁路，基体可能经不住导线中大的分流电流，致使基体烧毁，从而使导线断开，甚至使导线着火，而当采用几根导线并联的方式时，如导线中有某根或某些芯断开或烧损时，与之相连的芯能成为旁路，对总电流进行分流，以免导线烧损。

发明内容

本发明的目的是提出一种超导导线组件结构，以有效地提高高温超导导线的机械强度、安全性和稳定性。该超导导线组件包含至少两根具有超导性能的单根超导导线，这些单根超导导线之间通过电接触形成超导导线组，并且在上述超导导线组的外表面上至少有一层机械强度高于单根超导导线的机械强度的金属覆盖层。单根超导导线可以是利用PIT方法制备的单芯或多芯超导导线，其包含至少一根具有超导性能的超导芯和包在超导芯周围的至少一种金属基体；也可以是覆膜导体，其依次包含至少一层衬底，至少一层阻挡层和至少一层具有超导性能的超导材料。单根超导导线可以是圆线或带材，带材的外表面是指带材的宽度面和高度面。超导导线组中的超导导线之间形成电接触的方式为固态扩散、利用低熔点金属及其合金焊接或使用导电胶连接。对于单芯或多芯带材来说，超导带材之间的电接触是通过带材宽度面之间的连接，对于覆膜导体来说，超导带材之间的电接触是通过其金属层之间的连接，该金属层可以是其衬底，也可以是该覆膜导体的金属覆盖层。导线的覆盖层可以是金属、半导体或有机树脂。金属覆盖层可以是包围在超导导线组外表面上的金属层；或者是至少一根金属带，金属带与超导导线组的宽度面连接，如果是两根金属带，这两根金属带的材料可以不同。金属覆盖层的机械强度一般高于单根超导导线的机械强度，金属覆盖层的的厚度最好为0.01-0.20mm。另外，覆盖层还可包含至少一层金属带和至少一层金属薄膜，该金属薄膜包围在超导导线组和金属带的外表面上，金属薄膜和金属带彼此连接，导线组的宽度面金属带之间彼此连接。或者，覆盖层包含至少一层金属带和至少一层半导体层，该半导体层包围在超导导线组和金属带的外表面上，金属带和导线组的宽度面彼此连接，金属带和半导体层之间彼此连接。超导导线组与覆盖层的连接方式为固态扩散、利用低熔点金属及其合金焊接、使用导电胶连接或涂敷。覆盖层上可以具有色彩、图形、文字或其组合，从而达到使导线组表面绝缘、增加导线的表面润滑性能和标注导线以对导线进行有效地分类的目的。

本发明的另一目的是提供一种制备超导导线组件的方法，其包括如下步骤：将至少两根具有超导性能的单根超导导线组合在一起形成超导导线组，组合的方式可以是这些单根超导导线之间电接触，然后在上述超导导线组的外表面上加上至少一层覆盖层，接着可以对导线进行轧制等机加工使单根超导导线之间紧密结合。由于机加工通常会使单根超导导线的性能显著降低，降低的幅度有的甚至高达60％，所以本发明提出在机加工后需对超导导线组进行一次热处理，热处理的温度为250-850℃，通过该热处理可使导线的性能明显恢复，从而获得具有较高电学性能的超导导线组件。

本发明可适用于任何超导材料，尤其适用于铋系高温超导材料，单根超导导线的形状和大小没有严格的限制。

附图说明

下面将结合附图对本发明的具体实例进行详细的描述，其中：

图1为单芯导线的示意图；

图2为单芯的Bi-2223/Ag/阻挡层/Ag复合材料的示意图；

图3为多芯导线的截面示意图；

图4为多芯导线的立体图；

图5为有一个超导体环的同心导线的截面示意图；

图6为有三个超导体环的同心导线的截面示意图；

图7为多层导线的截面示意图；

图8为两根单根导线在宽度面通过焊接形成电接触的超导导线组件的截面示意图；

图9为两根单根导线在宽度面通过固态扩散形成电接触的超导导线组件的截面示意图。

具体实施方式

实施例1

选用两根Bi-2223高温超导导线，把这两根导线的宽度面单面焊接，然后在这样的两根导线的外表面包上一层厚度为0.05mm的铜箔组成一个超导导线组件，如图8所示，其中5为单根超导导线，导线的宽为4mm，厚为0.25mm，6为铜箔，7为焊锡。再把该组件进行轧制，最后再进行一次热处理，热处理的温度为550℃，热处理的气氛为8.0％氧分压，热处理的时间为1小时。

实施例2

选用两根Bi-2223高温超导导线，将这两根导线的宽度面并列，然后在这样的两根导线的外表面包上一层厚度为0.05mm的不锈钢箔组成一个超导导线组件，如图9所示，其中5为单根超导导线，导线的宽为4mm，厚为0.25mm，8为不锈钢箔。再把该组件进行一次热处理，热处理的温度为780℃，热处理的气氛为7.9％氧分压，热处理的时间为1小时。

实施例3

选用两根Bi-2223高温超导导线，将这两根导线的宽度面并列，然后在这样的两根导线的外表面包上一层厚度为0.05mm的Cr₂₅Ni₂₀箔组成一个超导导线组件，如图9所示，其中5为单根超导导线，导线的宽为4mm，厚为0.25mm，8为Cr₂₅Ni₂₀箔。再把该组件进行一次热处理，热处理的温度为850℃，热处理的气氛为空气，热处理的时间为1小时。

实施例4

选用两根Bi-2223高温超导导线，把这两根导线的宽度面用焊锡单面焊接，然后在这样的两根导线的外表面包上一层厚度为0.05mm的铜箔组成一个超导导线组件，如图8所示，其中5为导线，导线的宽为4mm，厚为0.25mm，6为铜箔。再把该组件进行一次热处理，热处理的温度为250℃，热处理的气氛为7.6％氧分压，热处理的时间为1小时。

Claims (10)

1、一种超导导线组件，包含至少两根具有超导性能的单根超导导线，其特征在于这些单根超导导线之间通过电接触形成超导导线组，并且在所述超导导线组的外表面上至少有一层机械强度高于单根超导导线的机械强度的金属覆盖层。

2、根据权利要求1所述的超导导线组件，其特征在于单根超导导线包含至少一根具有超导性能的超导芯和包在所述超导芯周围的至少一种金属基体。

3、根据权利要求1所述的超导导线组件，其特征在于超导导线组中的超导导线之间形成电接触的方式为固态扩散、利用低熔点金属焊接、利用低熔点合金焊接或使用导电胶连接。

4、根据权利要求1所述的超导导线组件，其特征在于所述覆盖层包含至少一根金属带，所述的金属带与超导导线组的宽度面连接。

5、根据权利要求1所述的超导导线组件，其特征在于所述覆盖层的厚度为0.01-0.20mm。

6、根据权利要求1所述的超导导线组件，其特征在于所述覆盖层包含至少一层金属带和至少一层金属薄膜，所述的金属薄膜包围在所述的超导导线组和所述的金属带的外表面上，所述的金属薄膜和金属带彼此连接，所述金属带和导线组的宽度面之间彼此连接。

7、根据权利要求1所述的超导导线组件，其特征在于所述覆盖层包含至少一层金属带和至少一层半导体层，所述的半导体层包围在所述超导导线组和所述金属带的外表面上，所述的导线组的宽度面和金属带彼此连接，所述金属带和半导体层之间彼此连接。

8、根据权利要求1所述的超导导线组件，其特征在于超导导线组与覆盖层之间的连接方式为固态扩散、利用低熔点金属焊接、利用低熔点合金焊接、使用导电胶连接。

9、根据权利要求1所述的超导导线组件，其特征在于所述的覆盖层上具有色彩、图形、文字或其组合。

10、一种制备权利要求1所述的超导导线组件的方法，其包括如下步骤：将至少两根具有超导性能的单根超导导线通过电接触形成超导导线组，然后在所述超导导线组的外表面上加上至少一层机械强度高于单根超导导线的机械强度的金属覆盖层形成组件后再进行一次热处理，热处理的温度为250-850℃，并且热处理的时间为1小时。

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