CN100514508C - 超导组合件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超导带材，具体涉及的是一种利用超导带材制备的超导组合件及其制备方法，该组合件至少包含一组垂直的超导带材堆垛，所述的堆垛中至少包含两根具有超导性能的单根超导带材，该堆垛中至少有两根单根超导带材之间有填充层，使上述带材之间沿着带材的长度方向保持宽度面互相平行，填充层或者与相邻的单根超导带材直接连接，或者不直接与相邻的单根超导带材连接，而是通过在单根超导带材与填充层的外面加一紧固件使单根超导带材与填充层紧密结合，利用该方法制备的高温超导导线组件具有较高的临界电流、机械强度、较好的安全性和稳定性。

Description

超导组合件及其制备方法

技术领域

本发明涉及超导带材，具体涉及的是一种利用超导带材制备的超导组合件及其制备方法。

背景技术

超导材料发展至今已取得了令人瞩目的成果，目前单根Bi-2223/Ag带材在77K的临界电流(I_c)可超过150A，但是上述带材仍难以满足一些大型超导器件的要求，如大型超导变压器、超导电机、超导电缆、超导储能装置和电流引线等，这些超导器件通常需要通过较大的电流，其电流值大于单根超导带材的临界电流，为了解决上述难题可以把多根超导带材并连在一起组成具有较大临界电流的超导组合件。然而，由于单根超导带材通过传输电流时将产生围绕该超导带材的磁场(即自场)，当把多根带材并连在一起形成超导组合件后，带材之间由于各自产生的自场相互影响，组合件的临界电流会大大小于各单根超导带材的临界电流之和。如图1所示，其中1为超导带材，2为其宽度面，3为其高度面。如取两根自场下临界电流为100A的超导带材，当把这样的两根超导带材沿着带材的宽度面2并在一起构成如图2所示的组合件后，对该组件通以电流，由于两根带材自场的相互作用，两根临界电流为100A的带材并在一起后其总的临界电流只有140A。根据电磁理论推导和实际的带材测试都表明，并在一起的单根超导带材的根数越多，自场使得整个组合件的临界电流的衰减现象越显著。总之，如果把多根超导带材并在一起组成超导组合件，其总的临界电流由于带材之间自场的影响会明显低于各单根超导带材之和。

因此，需要制备具有适宜结构的超导组合件，尽可能的降低自场影响，从而达到提高整个组合件的临界电流的目的。

发明内容

本发明的目的是提出一种超导组合件，通过对至少两根超导带材组合的构造的改变，降低该组合件在传输电流时自场对其临界电流的衰减作用，以有效地提高超导组合件的临界电流。

根据电磁理论推导和实际的超导带材测量结果，如果将4根超导带材中加入填充层，然后将它们并列在一起组成如图3所示的组合件，该组合件归一化的电流I_c/I_c0与带材之间的距离D的关系如图4所示，其中I_c为超导组合件的临界电流，I_c0为各单根超导带材在自场下的临界电流之和，随着D的增大，会降低该组合件在传输电流时自场对临界电流的衰减作用，从而使整个组合件的总的临界电流增大。根据上述结果，本发明提出一种超导组合件，其至少包含一组垂直的超导带材堆垛，上述的堆垛中至少包含两根具有超导性能的单根超导带材，上述的超导带材堆垛中至少有两根单根超导带材之间有填充层，使上述带材之间沿着带材的长度方向保持宽度面互相平行，填充层或者与相邻的单根超导带材直接连接，或者不与相邻的单根超导带材直接连接，而是通过在单根超导带材与填充层的外面加一紧固件使单根超导带材与填充层紧密结合，其中垂直的超导带材堆垛是指两根或两根以上的单根超导带材之间沿着带材的长度方向保持宽度面互相平行，堆垛之间排列的角度是指堆垛之间超导带材的宽度面的夹角。如图5所示为两组垂直的超导带材堆垛，每一组垂直的超导带材堆垛由2根超导带材组成，其中1为单根超导带材，4为填充层，这两组垂直的超导带材堆垛之间的夹角α为45°。超导组合件可以有以下两种结构：

1)超导组合件中任意两根单根超导带材之间沿着带材的长度方向保持宽度面互相平行。

2)超导组合件中至少包含两组垂直的超导带材堆垛，堆垛之间排列的角度为0-90°，堆垛之间可以有支撑架支撑，支撑架的横截面的形状可以是各种形状，如矩形、方形或多边形。

超导组合件中填充层的厚度可取大于0.005mm的值，最好取0.005-10mm，组合件中如包含两层以上的填充层，填充层的厚度可以完全相同，也可以不同。填充层的材料可为金属、半导体、有机物或复合材料，如Au、Ag、Cu、Fe、Ni、Al元素或者由以上两种或三种元素组成的合金材料，整个超导组合件中各填充层的材料可以完全相同，也可以不同。填充层的机械强度最好高于单根超导带材的机械强度。单根超导带材可以是铋系高温超导带材、稀土-123覆膜导体或是MgB₂超导带材，其形状和大小没有严格的限制，整个超导组合件中可以采用一种或一种以上的超导材料，如一个超导组合件中既有Bi-2223带材，又有YBCO带材。如果采用Bi-2223带材，其包套材料可以采用Ag、AgMgNi、AgMgV、AgAu等。根据所选取的超导材料不同，本发明所制备的超导组合件可以工作在以下不同的温度范围：(1)4.2K-77K，如利用Bi-2223带材和YBCO带材或者二者的混合带材制备的超导组合件；(2)4.2K-30K，如利用包含MgB₂带材制备的超导组合件。中间没有填充层的相邻的超导带材之间可以绝缘，也可以不绝缘，不绝缘的相邻的超导带材之间形成电接触的方式可以是固态扩散、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，也可以通过机械方法冷连接。另外，紧固件可为至少部分包围单根超导带材与填充层的覆盖层。超导组合件中覆盖层的材料可为金属、半导体、有机物或复合材料。而且，超导组合件的外表面上可至少再加一层保护层，保护层的材料可为金属、半导体、有机物或复合材料，超导带材与保护层之间的连接方式可为固态扩散、利用低熔点金属焊接、利用低熔点合金焊接、使用导电胶连接或涂敷。整个超导组合件的横截面可制备成矩形，尽量减小交流损耗。旁路合金材料既可以放置在超导组合件的最外层，也可以放置在超导带材之间，也可以不添加其他旁路合金，直接利用带材包套合金作为失效旁路保护电路。

本发明的另一目的是提供一种制备超导组合件的方法，其包括如下步骤：将至少两根具有超导性能的单根超导带材中间加入填充层，使上述带材之间沿着带材的长度方向保持宽度面互相平行，填充层可以与相邻的单根超导带材直接连接，连接的方式为焊接或胶接；也可以不与相邻的单根超导带材直接连接，而是通过在单根超导带材与填充层的外面加一紧固件使单根超导带材与填充层紧密结合，如在单根超导带材和填充层外加一层至少部分包围单根超导带材与填充层的覆盖层，覆盖层的材料可以是金属、半导体、有机物或复合材料，可以采用各种加覆盖层的方式，如涂敷、喷射、电泳、喷雾法、直接把覆盖带或薄膜包在单根超导带材与填充层的外面，覆盖层的厚度可以取不同的值，接着还可以对形成的组合件进行轧制、压制等机加工使单根超导带材之间结合更加紧密。由于机加工通常会使单根超导带材的性能显著降低，降低的幅度有的甚至高达60％，所以本发明提出在机加工后可对超导组合件进行一次热处理，热处理的温度为250-850℃，通过该热处理可使其中的带材的性能明显恢复，从而获得具有较高电学性能的超导组合件。超导组合件的外表面上还可加至少一层保护层，保护层的材料为金属、半导体、有机物或复合材料。超导带材与保护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、使用导电胶连接或利用机加工冷连接。

本发明具有以下优点：

(1)通过适当提高超导带材的间距，改变整个带材载流时的自场分布，从而起到提高整个超导组合件I_c的目的。

(2)超导组合件中由于加入填充材料和旁路合金可增强超导组合件抗失超能力和抗过流能力。

(3)在超导组合件中加入填充层，如填充层的机械强度大于单根超导带材的机械强度，则整个超导组合件的机械强度可以得到增强。

(4)通过在超导带材中加入填充层形成超导带材堆垛，通过调整各超导带材堆垛的相对位置可以降低超导带材的各相异性，从而提高整个超导组合件在外磁场下的性能。

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为一根超导带材的示意图；

图2为两根高温超导带材沿其宽度面并在一起的示意图；

图3为4根超导带材和填充层组成的超导组合件的示意图；

图4为图3所示的超导组合件的归一化的电流与填充层厚度的关系示意图；

图5为两组形成45°夹角的垂直的超导带材堆垛；

图6为本发明的一种超导组合件的截面示意图；

图7为本发明的一种超导组合件的截面示意图；

图8为本发明的一种超导组合件的截面示意图；

图9为本发明的一种超导组合件的截面示意图；

图10为本发明的一种超导组合件的截面示意图；

图11为本发明的一种超导组合件的截面示意图。

具体实施方式

实施例1

如图6所示，选用3根Bi-2223高温超导带材1，带材的宽度为4.2mm，带材的厚度为0.24mm，将这3根带材中间插入两层铜箔5，铜箔的宽度为4.2mm，铜箔的厚度为0.24mm，铜箔与超导带材之间加入锡箔6，锡箔的厚度为50μm，锡箔的宽度为4.2mm，然后在上下两根带材的外表面上加一层宽度为4.2mm、厚度为0.05mm的铜箔，各层之间通过焊接组成一个超导组合件。

实施例2

如图7所示，选用3根Bi-2223高温超导带材1和3根YBCO超导带材7，各带材的宽度为4.2mm、厚度为0.24mm，将这6根带材按如图7所示排列，中间插入4根AgMg带8，其宽度为4.2mm、厚度为0.34mm，然后在上下两根带材的外表面上包一层宽度为8.5mm、厚度为0.05mm的铜箔5。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3

如图8所示，选用16根MgB₂超导带材9，带材的宽度为4.2mm，带材的厚度为0.24mm，将这16根带材按如图8所示排列，中间插入一层AgMg块10，AgMg块的截面为方形，边长为3.24mm，超导带材之间以及超导带材和AgMg块之间通过环氧型胶粘剂胶接组成一个超导组合件。

实施例4

如图9所示，选用15根Bi-2223高温超导带材1，带材的宽度为4.2mm，带材的厚度为0.24mm，将这15根带材按如图9所示排列，中间插入5层碳薄膜11，碳薄膜的宽度为4.1mm，碳薄膜的厚度为0.40mm，然后在上下两根带材的外表面上加一层厚度为0.05mm的铜箔，铜箔、超导带材和碳薄膜之间通过环氧型胶粘剂胶接组成一个超导组合件。

实施例5

如图10所示，选用10根Bi-2223高温超导带材1，带材的宽度为4.2mm，带材的厚度为0.24mm，将这15根带材按如图10所示排列，中间插入1层环氧树脂12，环氧树脂的宽度为4.2mm，环氧树脂的厚度为0.005mm，支撑架13、超导带材和环氧树脂之间通过胶接组成一个超导组合件。

实施例6

如图11所示，选用15根Bi-2223高温超导带材1，带材的宽度为4.2mm，带材的厚度为0.24mm，将这15根带材按如图11所示排列，两根带材中间通过环氧型胶粘剂胶接一层碳纤维-环氧树脂复合材料，形成超导组合件，碳纤维-环氧树脂复合材料的宽度为4.2mm，其厚度为0.24mm，超导带材和碳纤维-环氧树脂复合材料之间通过环氧型胶粘剂胶接组成一个超导组合件。

Claims (20)

1、一种超导组合件，至少包含一组垂直的超导带材堆垛，所述的堆垛中至少包含两根具有超导性能的单根超导带材，其特征在于所述的超导带材堆垛中至少有两根单根超导带材之间有填充层，使上述带材之间沿着带材的长度方向保持宽度面互相平行，填充层或者与相邻的单根超导带材直接连接，或者不与相邻的单根超导带材直接连接，而是通过在单根超导带材与填充层的外面加一紧固件使单根超导带材与填充层紧密结合。

2、根据权利要求1所述的超导组合件，其特征在于所述的超导组合件中任意两根单根超导带材之间沿着带材的长度方向保持宽度面互相平行。

3、根据权利要求1所述的超导组合件，其特征在于所述的超导组合件中至少包含两组垂直的超导带材堆垛，每一堆垛中任意两根单根超导带材之间沿着带材的长度方向保持宽度面互相平行，堆垛之间排列的角度为0-90°。

4、根据权利要求1-3中任一权利要求所述的超导组合件，其特征在于填充层的厚度为0.005-10mm。

5、根据权利要求1-3中任一权利要求所述的超导组合件，其特征在于填充层的厚度相同。

6、根据权利要求1-3中任一权利要求所述的超导组合件，其特征在于填充层的材料为金属、半导体、有机物或复合材料。

7、根据权利要求1-3中任一权利要求所述的超导组合件，其特征在于所述填充层的机械强度高于单根超导带材的机械强度。

8、根据权利要求1所述的超导组合件，其特征在于填充层与相邻的单根超导带材直接连接的方式为焊接或胶接。

9、根据权利要求1所述的超导组合件，其特征在于单根超导带材为铋系高温超导带材、稀土-123覆膜导体或是MgB₂超导带材。

10、根据权利要求1所述的超导组合件，其特征在于紧固件为至少部分包围单根超导带材与填充层的覆盖层。

11、根据权利要求10所述的超导组合件，其特征在于覆盖层的材料为金属、半导体、有机物或复合材料。

12、根据权利要求1所述的超导组合件，其特征在于中间没有填充层的相邻的超导带材之间绝缘。

13、根据权利要求1所述的超导组合件，其特征在于中间没有填充层的相邻的超导带材之间形成电接触。

14、根据权利要求13所述的超导组合件，其特征在于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、使用导电胶连接或利用机加工冷连接。

15、根据权利要求1所述的超导组合件，其特征在于所述的超导组合件的横截面为矩形。

16、一种制备权利要求1所述的超导组合件的方法，其特征在于包括如下步骤：将至少两根具有超导性能的单根超导带材中间加入填充层，使上述带材之间沿着带材的长度方向保持宽度面互相平行。

17、根据权利要求16所述的制备超导组合件的方法，其特征在于填充层与相邻的单根超导带材直接连接，连接的方式为焊接或胶接。

18、根据权利要求16所述的制备超导组合件的方法，其特征在于通过在单根超导带材与填充层的外面加一紧固件使单根超导带材与填充层紧密结合。

19、根据权利要求18所述的制备超导组合件的方法，其特征在于紧固件为至少部分包围单根超导带材与填充层的覆盖层。

20、根据权利要求19所述的制备超导组合件的方法，其特征在于所述的覆盖层的材料为金属、半导体、有机物或复合材料。

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