CN100557724C - 超导线材的制造方法 - Google Patents

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Abstract

超导线材的制造方法，包括：线材拉伸步骤(S3，S6)，用于拉伸处于用金属包覆超导体材料粉末形式的线材或多芯结构的线材；密封步骤(S4，S7)，其用于在线材拉伸步骤(S3，S6)后密封包层线材或者多芯线材的端部；以及初次轧制步骤(S8)，其用于在密封步骤(S4，S7)后轧制多芯线材。通过这种方法可以获得显示出一致的高性能的超导线材。

Description

超导线材的制造方法
技术领域
本发明涉及超导线材的制造方法，特别是涉及能够获得具有一致的高性能超导线材的超导线材的制造方法。
背景技术
传统上，希望将由复丝线材(multifilamentary wire)制成的超导线材应用于超导电缆和磁体中，其中所述复丝线材通过用金属包覆具有例如Bi2223相的氧化物超导体而形成，因为其可用于由液氮冷却的温度下并可以获得相对较高的临界电流密度，并且其相对地可易于延伸。
此类超导线材已经按照如下所述的方式进行制造。首先，制造具有以下形式的线材，包括诸如Bi2223相的用于超导体的原材料粉末包覆以金属。接下来，通过重复地进行热处理和轧制，超导相生成为对准于(align to)线材的超导纤维部分，从而获得带状超导线材。此类超导线材的制造方法公开于日本专利No.2636049(日本专利公开No.01-138820)(专利文件1)和日本专利No.2855869(日本专利公开No.04-292812)(专利文件2)中。
专利文件1：日本专利No.2636049(日本专利公开No.03-138820)
专利文件2：日本专利No.2855869(日本专利公开No.04-292812)
发明内容
本发明待解决的问题
传统上，已经寻求各个制造步骤的最优制造条件，以提高超导线材的性能(例如临界电流值)。然而，即使在相同的最优条件下制造超导线材时，所获得的超导线材在各性能上也存在变化。此外，所获得的一些超导线材具有差的性能，从而不能获得高性能超导线材。
从而，本发明的目的在于提供一种能够获得具有一致的高性能超导线材的超导线材的制造方法。
解决该问题的手段
本发明的一方面中的超导线材的制造方法包括以下步骤：拉伸通过用金属包覆用于超导体的原材料粉末形成的线材，在所述拉伸步骤后密封所述线材的端部，以及在所述密封步骤后轧制所述线材。
经认真检查后，本发明的发明人已经发现以下所述原因导致所获得的超导线材在各个性能上存在变化。在拉伸步骤和轧制步骤之间的间隔中，空气中的CO2(二氧化碳)、H2O(水)、O2(氧)等通过线材的未受金属包覆的端部侵入线材中。这导致在烧结过程中产生异相(hetero phase)，而不是超导相，或者产生不均匀的线材厚度。特别是对于厚度，出现线材的端部具有明显增加的厚度的现象。在烧结过程中异相的产生与超导相的产生相互干扰，并且降低了诸如临界电流值的超导特性。此外，如果线材具有不均匀厚度，在随后进行轧制时，压力就不均匀地施加于线材上，从而所获得的超导线材就具有不均匀厚度。从而，降低了超导线材的性能。传统上，在拉伸步骤和轧制步骤之间的间隔中不进行任何处理，从而根据用于在拉伸步骤和轧制步骤之间保持各段线材的条件的不同，所获得的超导线材在各个性能上存在变化。
从而，通过在拉伸步骤和轧制步骤之间的间隔中密封线材的端部，空气中的CO2、H2O和O2将更不可能通过线材的端部侵入原材料粉末。从而，在烧结过程中将更不可能产生异相，而线材具有均匀厚度，从而可以获得具有一致的高性能超导线材。
本发明另一方面中超导线材的制造方法包括以下步骤：n(n为满足n≥2的整数)次拉伸通过用金属包覆用于超导体的原材料粉末形成的线材，在所述n次拉伸该线材的步骤后轧制该线材。该方法还包括步骤：在所述n次拉伸所述线材的步骤中的第k(k为满足n-1≥k≥1的整数)次拉伸的步骤和所述n次拉伸所述线材的步骤中的第k+1次拉伸的步骤之间的间隔以及所述n次拉伸所述线材的步骤中的第n次拉伸的步骤和所述轧制步骤之间的间隔的至少一个间隔中密封所述线材的端部。
经认真检查后，本发明的发明人已经发现以下所述原因导致所获得的超导线材在各个性能上存在变化。当进行n次拉伸该线材的步骤以制造超导线材时，在从第一次拉伸步骤至第n次拉伸步骤的拉伸过程之间的各个间隔中以及第n次拉伸步骤和轧制步骤之间的间隔中，空气中的CO2(二氧化碳)、H2O(水)、O2(氧)等通过线材的未受金属包覆的端部侵入线材中。这导致在烧结过程中产生异相，而不是超导相，或者产生不均匀的线材厚度。特别是对于厚度，出现线材的端部具有明显增加的厚度的现象。在烧结过程中异相的产生与超导相的产生相互干扰，并且降低了诸如临界电流值的超导特性。此外，如果线材具有不均匀厚度，在随后进行轧制时，压力就不均匀地施加于线材上，从而所获得的超导线材就具有不均匀厚度。从而，降低了超导线材的性能。传统上，在从第一次拉伸步骤至第n次拉伸步骤的拉伸步骤之间的各个间隔中以及第n次拉伸步骤和轧制步骤之间的间隔中不进行任何处理。从而，根据用于在从第一次拉伸步骤至第n次拉伸步骤的拉伸步骤之间的各个间隔中以及第n次拉伸步骤和轧制步骤之间的间隔中保持各段线材的条件的不同，所获得的超导线材在各个性能上存在变化。
从而，通过在从第一次拉伸步骤至第n次拉伸步骤的拉伸步骤之间的各个间隔以及第n次拉伸步骤和轧制步骤之间的间隔的至少一个间隔中密封线材的端部，空气中的CO2、H2O和O2将更不可能通过线材的端部侵入原材料粉末。从而，在烧结过程中将更不可能产生异相，而线材具有均匀厚度，从而可以获得具有一致的高性能超导线材。
优选地，在本发明的超导线材的制造方法中，所述线材的端部在密封步骤中由金属密封。
从而，空气中的CO2、H2O和O2将更加不可能通过线材的端部侵入原材料粉末中。
优选地，在本发明的超导线材的制造方法中，用于密封的金属包括从银、铅、锡、铜和铝组成的一组中选择的至少一种元素。
因为这些材料具有高延展性和机械强度，当密封线材端部时，它们可易于处理，并且它们可稳定地密封线材端部。
应当注意，本说明书中的“密封”表示用于防止线材内的原材料粉末与外部空气之间接触的处理。
本发明的效果
根据本发明的超导线材的制造方法，通过在拉伸步骤和轧制步骤之间的间隔中密封线材端部，空气中的CO2、H2O和O2将更不可能通过线材的端部侵入原材料粉末。从而，在烧结过程中将更不可能产生异相，而线材具有均匀厚度，从而可以获得具有一致的高性能的超导线材。
附图说明
图1是示出基于概念的超导线材结构的局部截面透视图。
图2是示出本发明第一实施例中的超导线材的制造方法的流程图。
图3是示出图2中一步骤的第一视图。
图4是示出图2中一步骤的第二视图。
图5是示出图2中一步骤的第三视图。
图6是示出图2中一步骤的第四视图。
图7是示出图2中一步骤的第五视图。
图8是示出图2中一步骤的第六视图。
附图标记说明
1.超导线材(复丝线材)，1a.线材，1b.包层线材(clad wire)，1c.复丝线材，2.超导纤维，2a.原材料粉末，3.包套部(sheath part)，3a、3b.管件，20a、20b.密封部件。
具体实施方式
下文中，将参照附图说明本发明的实施例。
第一实施例
图1是示出基于概念的超导线材结构的局部截面透视图。参照图1，将对例如复丝超导线材进行说明。超导线材1具有在纵向上延伸的多个超导纤维2和包覆于其上的包套部3。该多个超导纤维2中的每一个由具有例如Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O系成分的材料制成，特别地，最优材料是包括Bi2223相的材料，在Bi2223相中，(铋和铅)∶锶∶钙∶铜的原子比大致表示为2∶2∶2∶3。包套部3由诸如银的材料制成。
应当注意，虽然已经对复丝线材进行了说明，但是可以使用具有单丝结构的氧化物超导线材，其中单一超导纤维2包覆有包套部3。
随后，将对上述氧化物超导线材的制造方法进行说明。
图2是示出本发明第一实施例中的超导线材的制造方法的流程图。图3至8示出图2中的各个步骤。
参照图2，使用粉末套管方法(Powder-In-Tube method)制造具有例如Bi2223相的超导线材。首先，混合例如五种原材料粉末(Bi2O3，PbO，SrCO3，CaCO3，CuO)，以产生处于中间状态的原材料粉末(前体粉末)，其通过由热处理(步骤1)造成的反应最终转变成具有Bi2223相的超导体。
接下来，如图2和3所示，将该原材料粉末2a填充至管件3a中(步骤S2)。管件3a由诸如银的金属制成，其具有Φ10至50mm的外径和大致为外径的3至15％的壁厚。从而，获得了线材1a，其中用于超导体的原材料粉末2a包覆有管件3a。随后，对管件3a的内容物进行除气，并密封管件3a的两端。
接下来，如图2和4中所示，拉伸线材1a，以形成单丝包层线材1b，其中作为纤维材料的前体包覆有诸如银的金属(步骤S3)。包层线材1b具有六角形状，其两相对侧之间的长度诸如为2至10mm。
接下来，如图2和5中所示，包层线材1b的两端部由密封部件20a和20b密封(步骤S4)。包层线材1b的密封可以通过例如将由Teflon(商标名)制成的盖子覆盖在包层线材1b的两端部，或者通过将诸如银的金属焊接在包层线材1b的两端部来进行。也就是说，仅需要用某种材料覆盖包层线材1b的两端部。用于密封包层线材1b的优选材料是金属，特别地，诸如银及具有与银大致类似的延展性和机械强度的银合金、铅、锡、铜和铝的金属是特别优选的。
接下来，如图2和6所示，集束多条包层线材1b，以装配至由诸如银的金属制成的管件3b中(复丝装配：步骤S5)。该管件3b由诸如银或者其合金的金属制成，具有Φ10至50mm的外径和大致为外径的3至15％的壁厚。从而，获得具有复丝结构的线材，所述复丝结构具有多条由原材料粉末2a制成的纤维。
接下来，如图2和7中所示，拉伸具有复丝结构的线材，以形成复丝线材1c(步骤S6)，在复丝结构的线材中多条由原材料粉末2a制成的纤丝包覆有包套部3b，在复丝线材中原材料粉末2a嵌入由诸如银制成的包套部3b中。
接下来，如图2和5所示，复丝线材1c的两端部由密封部件20a和20b密封(步骤S7)。复丝线材1c的密封可以通过例如将由Teflon(商标名)制成的盖子覆盖在复丝线材1c的两端部，或者通过将诸如银的金属焊接在复丝线材1c的两端部来进行。也就是说，仅需要用某种材料覆盖复丝线材1c的两端部。用于密封复丝线材1c的优选材料是金属，特别地，诸如银以及具有与银大致类似的延展性和机械强度的银合金、铅、锡、铜和铝的金属是特别优选的。
接下来，如图2和8中所示，在复丝线材1c上进行第一轧制，以获得带状复丝线材1(步骤S8)。第一轧制以例如70至90％的压下率(draft)来进行。
接下来，将带状复丝线材1加热至例如800至900℃的温度，并在此温度下保持10至200小时，并且从而对复丝线材1进行第一烧结(步骤S9)。从而，原材料粉末2a化学反应，变成超导纤维2。
接下来，如图2和8中所示，复丝线材1受到第二轧制(步骤S10)。第二轧制以例如0至20％的压下率来进行。
接下来，在加压气氛下将复丝线材1加热至800至900℃，并在此温度下保持10至200小时，并且从而对复丝线材1进行第二烧结(步骤S11)。虽然本实施例的超导线材是通过上述步骤获得的，但是在第二烧结后可以重复进行进一步轧制和烧结，并且上述第二轧制和第二烧结可以省略。
本实施例的超导线材的制造方法包括：拉伸通过用金属包覆用于超导体的原材料粉末2a而形成的线材1a或者具有复丝结构的线材的步骤(步骤S3、步骤S6)，在拉伸步骤(步骤S3、步骤S6)后密封包层线材1b或者复丝线材1c端部的步骤(步骤S4、步骤S7)，以及在密封步骤(步骤S4、步骤S7)后轧制复丝线材1c的第一轧制步骤(步骤S8)。
根据本实施例的超导线材的制造方法，通过在拉伸步骤(步骤S3、步骤S6)和第一轧制步骤(步骤S8)之间的间隔中密封包层线材1b或者复丝线材1c的端部，则空气中的CO2、H2O和O2将更不可能通过包层线材1b或者复丝线材1c的端部侵入原材料粉末2a。从而，在烧结过程中将更不可能产生异相(hetero phase)且线材具有均匀厚度，从而可以获得具有一致的高性能的超导线材。
在本实施例的超导线材的制造方法中，包层线材1b或复丝线材1c的端部在密封步骤中由金属密封(步骤S4、步骤S7)。
从而，空气中的CO2、H2O和O2将更不可能通过包层线材1b或者复丝线材1c的端部侵入原材料粉末2a。
在本实施例的超导线材的制造方法中，用于密封的金属包括从银、铅、锡和铝组成的一组中选择的至少一种元素。
因为这些材料具有高延展性和机械强度，从而，当密封包层线材1b或复丝线材1c的端部时它们可易于处理，并且它们可以稳定地密封包层线材1b或者复丝线材1c的端部。
虽然已经针对密封步骤(步骤S4、步骤S7)是在形成包层线材1b(步骤S3)之后并且也在形成复丝线材1c(步骤S6)之后进行的这一情况说明了本实施例，但是本发明并不限于此类情况，如果密封步骤在拉伸步骤和轧制步骤之间进行也是足够的。
第二实施例
参照附图2和5，针对在拉伸步骤(步骤S3)中拉伸线材1a一次的情况，已经对第一实施例进行了说明。然而，在拉伸处理中，线材1a通常被连续地拉伸n次(n为满足n≥2的整数)，而线材1a的直径逐步降低，以形成包层线材1b。在本实施例中，当线材1b被拉伸n次时，在n次拉伸的步骤之间的各个间隔或者在形成包层线材1b(步骤S4)之后，线材1a或者包层线材1b两端部由密封部件20a和20b密封。
此外，针对在拉伸步骤(步骤S3)中一次拉伸具有复丝结构的线材的情况，已经对第一实施例进行了说明。然而，在拉伸处理中，具有复丝结构的线材通常被连续地拉伸n次，而具有复丝结构的线材的直径逐步减小，以形成复丝线材1c。在本实施例中，当具有复丝结构的线材被拉伸n次时，在n次拉伸的步骤之间的各个间隔或者在形成复丝线材1c(步骤S7)之后，具有复丝结构的线材或者复丝线材1c的两端部由密封部件20a和20b密封。
应当注意，除了上述几点外，该超导线材的制造方法几乎类似于图1至8所示的第一实施例中的制造方法，从而将不再重复其说明。
本实施例的超导线材的制造方法包括：n次拉伸通过用金属包覆用于超导体的原材料粉末2a而形成的线材1a或者具有复丝结构的线材的步骤(步骤S3、步骤S6)，和在n次拉伸步骤(步骤S3、步骤S6)后轧制复丝线材1c的第一轧制步骤(步骤S8)。该方法还包括在n次拉伸步骤(步骤S3、步骤S6)之间的各个间隔以及第n次拉伸步骤和第一轧制步骤(步骤S8)之间的间隔的至少一个间隔中密封线材1a、包层线材1b、具有复丝结构的线材或者复丝线材1c端部的步骤(步骤S4、步骤S7)。
根据本实施例中超导线材的制造方法，通过在n次拉伸步骤(步骤S3、步骤S6)之间的各个间隔以及第n次拉伸步骤和第一轧制步骤(步骤S8)之间的间隔中密封线材1a、包层线材1b、具有复丝结构的线材或者复丝线材1c的端部，空气中的CO2、H2O和O2将更不可能通过线材1a、包层线材1b、具有复丝结构的线材或者复丝线材1c的端部侵入原材料粉末2a。从而，在烧结过程中将更不可能产生异相(hetero phase)且线材具有均匀厚度，从而可以获得具有一致的高性能的超导线材。
应当注意，虽然在第一和第二实施例中对具有Bi2223相的铋型复丝氧化物超导线材的制造方法进行了说明，但是本发明也可应用于具有不同于铋型(例如钇型)的成分的氧化物超导线材的制造方法。此外，本发明也可应用于单丝超导线材的制造方法。
此外，虽然针对在第一烧结(步骤S9)后进行第二轧制(步骤S10)和第二烧结(步骤S11)的情况，已经对第一和第二实施例进行了说明，但是这些步骤可以省略，并且可以在第一烧结(步骤S9)后完成超导线材。
示例
下文中，将说明本发明的示例。
在本示例中，检查了在拉伸步骤(步骤S6)和第一轧制步骤(步骤S8)之间的间隔中密封复丝线材1c的两端部的效果。具体而言，制造了具有Bi2223相的原材料粉末2a(步骤S1)，随后将原材料粉末2a填充至管件3a(步骤S2)中，以形成线材1a。接下来，拉伸线材1a，以形成包层线材1b(步骤S3)，并且在不密封两端部的情况下集束多条包层线材1b并装配至管件3b中(步骤S5)，以形成复丝线材1c。接下来，拉伸复丝线材1c(步骤S6)。在拉伸处理中，重复20次拉伸复丝线材1c，其直径逐步降低，以形成具有期望直径的复丝线材1c。在本示例中，当拉伸复丝线材1c时，试样1至3受到不同处理。具体而言，对于试样1，在20次拉伸中的第一次拉伸后，用银焊料密封复丝线材1c的两端部(步骤S7)。然后，在复丝线材1c的两端受到密封的情况下，重复拉伸复丝线材1c剩余的19次，随后保持一个月。对于试样2，重复20次拉伸复丝线材1c，并且随后用银焊料密封其两端部(步骤S7)，并使其保持一个月。另外，对于试样3，在不密封其两端部的情况下，重复20次拉伸复丝线材1c，随后使其保持一个月。接下来，在复丝线材1c上进行第一轧制(步骤S8)，以获得带状复丝线材1。接下来，在复丝线材1上进行第一烧结(步骤S9)，随后检查复丝线材1厚度是否增加。接下来，对复丝线材1进行第二轧制(步骤S10)，然后进行第二烧结(步骤S11)，以获得具有长度为400m和银比率(在超导线材的横截面上包套部的面积与超导体芯线部的面积之比)为2.2的超导线材1。接下来，将所获得的超导线材1分为五段，以检查各段超导线材1的临界电流值(A)中的变化。表1示出了其结果。
[表1]
  试样号   临界电流值的变化   第一烧结后的厚度
  1   8A   无变化
  2   10A   无变化
  3   30A   两端部的厚度增加
如图1中所示，对于在第一拉伸后进行密封的试样1，临界电流值中的变化为8A，对于在第20次拉伸后进行密封的试样2，临界电流值中的变化为10A。相比而言，对于两端部没有密封的试样3，临界电流值中的变化为30A。此外，虽然在第一烧结(步骤S9)后没有发现试样1和2的厚度变化，但是试样3两端部的厚度增加了。通过上面获得的结果，可以发现，在拉伸步骤(步骤S6)和第一轧制步骤(步骤S8)之间的间隔中密封复丝线材1c的两端部使得线材具有均匀厚度，从而可以获得具有一致的高性能的超导线材。特别地，已经发现，当进行多次拉伸时，通过在尽可能早的阶段(在线材很粗的阶段)密封线材可以获得具有进一步一致性能的超导线材。
应当理解，在此公开的实施例和示例在所有方面是以举例方式进行的，而不是通过限制方式进行的。本发明的范围不是由上述说明限定的，而是由所附权利要求限定的，并且将包括处于等同于权利要求的意义和范围内的所有改变。

Claims (6)

1.超导线材(1)的制造方法，包括以下步骤：
拉伸通过用由第一金属(3a)组成的护套部分包覆用于超导体的原材料粉末(2a)而形成的线材(1a)(S3，S6)，
在所述拉伸步骤(S3)后密封所述线材(1a)的端部(S4，S7)，以及
在所述密封步骤(S4，S7)后轧制所述线材(1a)(S8)。
2.如权利要求1所述的超导线材(1)的制造方法，其中所述线材(1a)的所述端部在所述密封步骤(S4，S7)中由采用第二金属构成的密封部件(20a、20b)密封。
3.如权利要求2所述的超导线材(1)的制造方法，其中所述第二金属包括从银、铅、锡、铜和铝组成的一组中选择的至少一种元素。
4.超导线材(1)的制造方法，包括以下步骤：
n次拉伸通过用由第一金属(3a)构成的护套部分包覆用于超导体的原材料粉末(2a)而形成的线材(1a)，其中，n为满足n≥2的整数(S3，S6)，
在所述n次拉伸所述线材(1a)的步骤(S3，S6)后轧制所述线材(1a)，以及
在所述n次拉伸所述线材(1a)的步骤(S3，S6)中的第k次拉伸的步骤和所述n次拉伸所述线材(1a)的步骤(S3，S6)中的第k+1次拉伸的步骤之间的间隔以及所述n次拉伸所述线材(1a)的步骤(S3，S6)中的第n次拉伸的步骤和所述轧制步骤(S8)之间的间隔的至少一个间隔中，密封所述线材(1a)的端部，其中，k为满足n-1≥k≥1的整数。
5.如权利要求4所述的超导线材(1)的制造方法，其中所述线材(1a)的所述端部在所述密封步骤(S4，S7)中由采用第二金属构成的密封部件(20a、20b)密封。
6.如权利要求5所述的超导线材(1)的制造方法，其中所述第二金属包括从银、铅、锡、铜和铝组成的一组中选择的至少一种元素。
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