CN101124684A - 具有密度特性的超导制品 - Google Patents
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Abstract
揭示一种超导制品，该制品具有基片，覆盖在该基片上面的缓冲层和覆盖在缓冲层上面的超导层。根据实施方式，该制品具有低密度特性，与作为整体的制品和/或制品的各层相关。该制品可包括长导体，卷绕的长导体形式，例如，结合了这种线圈的设备。
Description
技术领域
本发明一般涉及超导制品。本发明具体涉及为涂布的导体形式的超导制品以及结合了这种制品的器件。
背景技术
超导体材料长期以来已经为该技术团体了解和理解。在要求使用液态氦的温度(4.2K)下具有超导性质的低温(低Tc)超导体自1911年来已被人们了解。然而，直到最近，才发现氧化物基的高温(高Tc)超导体。约在1986年，发现了在高于液氮的温度(77K)下具有超导性质的第一种高温超导体(HTS)，即YBa2Cu307-x(YBCO)，随后，在过去的15年内开发了其它材料，包括Bi2Sr2Ca2Cu3O10+y(BSCCO)和其它的材料。高Tc超导体的研制带来对结合这种材料的半导体元件的潜在的经济可行性的研究，部分原因是用液态氮操作这种超导体的成本低，而基于液态氦的低温内部结构的费用昂贵。
在许多可能的应用中，工业上一直在寻求将这种材料用于电力工业，包括在发电、传输、分配和储存方面的应用。在这方面，评价了铜基商业电力部件的自身电阻是造成电流显著损失的原因，因此，电力工业坚持基于将高温超导体用于电力部件如传输和分配电力的电缆、发电机、变压器和漏电断续器(fault current interrupter)来获得明显的效率。此外，高温超导体在电力工业中的其它益处包括将电力处理能力提高一个至两个数量级，明显减小发电设备的尺寸(即占地面积)，减小对环境的影响，更高的安全性，并比常规技术提高了容量。虽然高温超导体的这些潜在的益处非常引人注目，但是高温超导体的大规模生产和商业化还一直面临巨多的技术挑战。
在与高温超导体商业化相关的挑战中，许多与制造可用于形成各种电力部件的超导带有关。第一代超导带包括使用上述的BSCCO高温超导体。这种材料一般以不连续的丝形式提供，将它们嵌埋在贵金属通常是银的基质中。虽然这种导体可以制成用于电力工业时所需的延长的长度(如千米的数量级)，但是因为材料和制造成本，这种带并不能代表商业可行的产品。
因此，所谓的第二代HTS带已引起诸多关注，这种带具有出众的商业生机。这些带通常基于层状结构，一般包括提供机械支承的柔性基片，覆盖在该基片上面的至少一个缓冲层，该缓冲层任选包含多层膜，覆盖在缓冲膜上面的HTS，和覆盖在超导层上面的电稳定(stabilizer)层，该层通常由至少一种贵金属形成。然而，目前，在第二代的带完全商业化之前仍有大量的工程和制造方面的挑战。
因此，鉴于前述的情况，在超导体领域仍存在各种要求，特别是，提供商业可行的超导带，其形成方法，以及使用这种超导带的电力部件。
发明内容
根据揭示的超导制品的第一方面，提供了包含钛的基片。缓冲层覆盖在该基片的上面，超导体层覆盖在该缓冲层的上面。
另一方面，提供一种超导制品，该制品具有基片、覆盖在该基片上面的缓冲层、覆盖在该缓冲层上面的超导层和覆盖在该超导层上面的稳定层。所述稳定层包含铝。
另一方面，提供一种超导制品，该超导制品包括尺寸比值不小于10的基片和覆盖在该基片上面的超导层，其中，超导制品的密度不大于约7.00g/cc。
另一方面，提供一种超导制品，该超导制品包括密度不大于8.00g/cc的基片，覆盖在该基片上面的缓冲层和覆盖在该基片上面的超导层。一般而言，该制品的尺寸比值不小于约10。
器件的另一个实施方式提供了基片、覆盖在该基片上面的缓冲层、覆盖在该基片上面的超导层，覆盖在该密度不大于约8.00g/cc的超导层上面的稳定层。
附图简述
图1所示是一个实施方式的超导制品各层的透视图。
图2所示是变压器的示意图。
图3所示是发电机(power generator)的示意图。
具体实施方式
图1示出了一个实施方式中的超导制品100的层状结构。超导制品包括基片10、缓冲层12和超导层14。可以在超导层上面提供封盖层16，然后是覆盖在该封盖层16上面的稳定层18。
基片一般由能承受机械应力和卷轴至卷轴加工的应变的材料形成，基片还提供了最终超导制品在各种应用中的机械整体性。此外，基片能有利地承受在制造超导制品时采用的高加工温度和侵蚀性的加工环境(如，高氧化性)。鉴于上述情况，基片10一般是金属基的，通常是至少两种金属元素的合金。合适的基片材料包括镍基金属合金，如，已知的Inconel类合金。可利用的材料中，镍基金属合金如Inconel类合金容易具有所需的蠕变、化学和机械性质，包括膨胀系数，抗张强度，屈服强度和伸长。然而，在一个特定的实施方式中，基片10由相对低质量密度的材料构成。这方面，基片10的质量密度可以不大于约8.00g/cc，如不大于约7.00g/cc或6.00g/cc。在某些情况，基片的质量密度不大于约5.00g/cc。
在有关低质量密度材料基片内容方面，可以使用钛金属或钛金属合金。有用的形成合金的金属元素包括铝、钒、铁、锡、钌、钯、锆、钼、镍、铌、铬和硅，以及它们的组合。其中，特别有用的合金元素包括铝和钒。在一个实施方式中，存在铝和钒，其量分别不大于10重量％和8重量％，如分别不大于6重量％和4重量％。特定的一类是Grade 9钛合金，含有3重量％铝和2.5重量％钒，余量是钛。对合金元素的具体选择取决于各种因素，包括抗氧化特性。
有关钛合金的具体内容中，基片10的形成合金的金属元素的总重量百分数一般不大于约20重量％，更常见的是不大于约10重量％，钛的重量百分数不小于约80重量％，在其它实施方式中，钛不小于约85重量％或90重量％。钛和钛合金有利地使基片的质量密度不大于约5.0g/cc，如在约4.0-5.0g/cc范围之内。
此外，根据在此的实施方式，基片10可以是阻抗性的，能降低超导层中的涡电流损失。在制品是旋转电机如发电机或马达(下面进一步描述)形式时，这种涡电流损失的降低是特别有益的。使用阻抗性基片能使以旋转电机形式使用时的ac损失最小。基片典型的电阻系数一般大于约50微欧姆厘米，如大于约100微欧姆厘米。
此外，根据实施方式，在仍能提供足以承受卷轴至卷轴的处理，加工和该范围内的整体性情况下可以减小基片的厚度。通常，基片10的厚度不大于约50微米，甚至不大于40微米。在其它实施方式中，基片10的厚度还可以不大于约30微米，甚至小于或等于约20微米。
基片10一般是一种带，具有高尺寸比值。本文所用术语“尺寸比值”用来指基片10或带的长度与第二长尺寸(基片10或带的宽度)的比值。例如，基片的宽度约为0.4-10厘米，而基片10的长度通常大于约100米，更多时大于约500米。确实，一个实施方式中，所提供超导基片的长度在大于或等于1千米的数量级，这可以包括多个带片段。因此，基片的尺寸比值很大，为不小于10的数量级，不小于约102的数量级，甚至不小于约103的数量级。有些实施方式中更长，尺寸比值为大于或等于104。
一个实施方式中，对基片10进行处理，使其具有进行随后沉积超导制品的各组成层所需的表面性质。例如，表面可以轻度抛光至所需的平直度和表面粗糙度。此外，基片10可以如本领域的理解进行双轴织构化处理，如采用已知的RABiTS(辊辅助的预双轴织构化基片)技术，不过在此的实施方式利用了非织构化基片的优点，具体来说包括金属合金多晶基片。
再参见图1，所示的实施方式提供了缓冲层12。缓冲层可以是单层，更常见的是由几层膜构成。最典型的，缓冲层12包括双轴织构化膜，具有晶体结构，一般沿膜的平面内和平面外的晶轴排列。缓冲层12的双轴织构化可以通过IBAD进行。如本领域理解的，IBAD是只取首字母的缩写词，表示离子束辅助的沉积，是一种优选用来形成合适的织构化缓冲层的技术，用于随后形成具有超导性质所要求的结晶取向的超导层。氧化镁是选择用于IBAD膜的典型材料，可以在50-500埃的数量级，如50-200埃。一般而言，IBAD膜具有岩盐类的晶体结构，如美国专利6,190,752中定义的，该专利参考结合于本文。
缓冲层12可以包括其它的膜，如在IBAD膜和基片10之间的隔离膜。在这方面，隔离膜12优选由氧化物如氧化钇形成，其作用是将基片与IBAD膜隔开。隔离膜12也可以由非氧化物如氮化硅形成。沉积隔离膜的合适技术包括化学气相沉积和物理气相沉积，包括溅射。隔离膜的典型厚度在约100-200埃范围。缓冲层还可以包括外延生长膜，形成在IBAD膜上。这方面的内容中，外延生长膜能有效增加IBAD膜的厚度，并能主要由用于IBAD层的相同物质如MgO构成。
在使用MgO基的IBAD膜和/或外延膜的实施方式中，可能存在MgO材料与超导层材料之间的晶格不匹配。因此，缓冲层12还可以包括另一个缓冲膜，这一缓冲膜特别用来降低超导层与下层IBAD膜和/或外延膜之间在晶格常数方面的不匹配。这种缓冲膜可以由如YSZ(氧化钇-稳定的氧化锆)、钌酸锶(strontium ruthenate)、锰酸镧的材料形成，一般由钙钛矿结构的陶瓷材料形成。缓冲膜可以通过物理气相沉积技术进行沉积，通常保留了在其上形成了缓冲膜的下层的双轴向织构。
超导层14一般是高温超导体(HTS)层形式。HTS材料通常选自在高于液态氮(77K)的温度显示超导性质的任何高温超导材料。这类材料包括，例如，YBa2Cu3O7-x，Bi2Sr2Ca2Cu3O10+y，Ti2Ba2Ca2Cu3O10+y和HgBa2Ca2Cu3O8+y。一类材料包括REBa2Cu3O7-x其中RE是稀土元素。前面的材料中，优选使用YBa2Cu3O7-x(也称作YBCO)。超导层14可以采用各种技术形成，包括厚膜形成技术和薄膜形成技术。优选使用薄膜物理气相沉积技术如脉冲式激光沉积(PLD)，原因是沉积速率高，或者使用化学气相沉积技术，原因是成本低并且处理的表面积大。通常，超导层的厚度在约1-30微米数量级，最典型的约为2-20微米，如约2-10微米，以获得与超导层14相关的要求的电流强度等级。
一般用稳定层18和封盖层16(任选)来提供低电阻界面，用于电稳定化，有助于防止超导体在实际使用中燃尽。更具体地，在冷却失败或者超过临界电流密度而且超导体层成为非超导的情况下，稳定层18有助于电流沿超导体连续流动。可以将封盖层16结合入该结构，特别是在不这样做的话，超导层14和稳定层16之间发生不希望的相互作用的实施方式中。这种情况下，封盖层可以由贵金属，如金、银、铂和钯形成。通常使用银，原因是银的成本和易得性。通常使封盖层16的厚度能足以防止组分发生从稳定层18到超导层14的不希望的扩散，但因为成本(原材料和加工的成本)一般制成薄层。封盖层16通常的厚度在约0.1-10.0微米范围，如约0.5-5.0微米。可以采用各种技术来沉积封盖层16，包括物理气相沉积，如DC磁控管溅射。
一般结合入稳定层18来覆盖超导层14，特别是覆盖并直接接触封盖层16，如图1所示的特定实施方式中，虽然按照另一个实施方式取消封盖层16会导致与超导层14的直接接触。稳定层18的作用是作为保护层/分流层(shuntlayer)提高对苛刻的环境条件和超导性卒灭的稳定性。该层一般是导热和导电的，作用是在超导层失效的情况下使电流旁路。该层可以采用各种厚膜形成技术和薄膜形成技术来制备，如使用中间结合材料如焊剂或熔剂，将预成形的铜带层叠在超导带上。其它技术集中在物理气相沉积，通常是蒸发或溅射，以及湿法化学处理如无电镀敷和电镀。
通常，稳定层18使用金属如铜。然而，根据其它实施方式，稳定层使用低密度材料，如质量密度小于约8.00g/cc，小于7.00g/cc，甚至6.00g/cc的材料。确实，某些实施方式所具有的稳定层的密度不大于约4.00g/cc，或者不大于约3.00g/cc。根据一个特定的实施方式，相对低密度的导电金属如铝形成了稳定层18的主要组分(大于50重量％)。例如，稳定层18可以是铝或者铝金属合金，其中铝含量至少约为80重量％。使用铝不仅减小了稳定层18的密度，而且明显减小了超导制品100的总体密度。使用铝基材料使稳定层具有要求的低质量密度，如不大于约3.00g/cc，如在约2.00-3.00g/cc范围。
稳定层的厚度通常不小于约50微米，更常见的不小于约100微米。值得注意的是，在具有相同载流能力条件下，铝基稳定层厚度大于铜基稳定层，因为铝的电阻率大于铜。尽管铝基稳定层的相关厚度增加，但是超导制品的质量仍然减小，原因是质量密度明显减小。
虽然上面已经描述了构成具体层的材料的密度，但是按照在此的实施方式，要求减小整个超导制品的总体密度。低致密性的超导制品有利于旋转电机应用，它在例如超导带线圈上施加了明显的作用力。因此，在一些实施方式中，超导制品的总体密度小于约7.00g/cc，而其它实施方式采用的总体密度小于约6.50g/cc、6.00g/cc甚至5.00g/cc。通过减小每个组分层的密度，特别是前面详细说明的基片和稳定层的密度，可以得到较小的总体密度。
虽然结合图1描述了超导制品的通用化的结构，但在图2和图3中示出了其它的实施方式，图2和图3示出了具有高尺寸比值的超导带或超导制品的典型应用。在具体构造之外，并结合参照图1所述的超导制品或超导带，一些实施方式还涉及部件，如结合入了这类导体的工业或商业电力部件。一些类型的这种部件结合了大尺寸比值的超导体的线圈或绕组，并且是特别重要的。在有关线圈或绕组结构的内容方面，提出的一些实施方式涉及称作“旋转电机”的一类电力部件，它广义地包括发电机和马达。这种结构使卷绕的大尺寸比值的超导体以高速旋转。在此具有低密度基片，低密度稳定层和/或低总体密度的实施方式特别适合用于这种旋转电机中。
例如，图2示出一种电力变压器，具有中心芯体76，在其周围有初级绕组72和次级绕组74。注意到，图2是一个示意图，该变压器的实际几何构形可以改变，正如本领域所理解的。但是，变压器至少包括基本的初级绕组和次级绕组。在这方面，在图2所示的实施方式中，初级绕组的线圈数大于次级绕组74，代表一种降压(step-down)变压器，能降低输入动力信号的电压。相反，初级绕组的线圈数相对小于次级绕组的变压器提供升高的电压。在这方面，典型的升压变压器用于电力传输的变电站，将电压升高至高电压，降低长距离输送的电力损失，而降压变压器结合到配电变电站，用于至终端用户的后阶段配电。初级绕组和次级绕组中至少一个或者优选两者包括按前面所述的超导带。
再参见图3，图3是发电机的示意图。该发电机包括转子86，如本领域已知的，转子由涡轮驱动。转子86包括高强度电磁体，由转子线圈87形成，该线圈形成用于发电的所需电磁场。电磁场的产生在定子88中产生电力，它包括至少一个导体定子绕组89。根据特定的特征，转子线圈87和/或定子线圈89包括按照上面所述的实施方式的超导制品。
提供按照上述的各实施方式具有要求的质量密度特性的超导制品。这些超导制品提供改进的机械整体性和牢固性，特别是用于高动态环境如旋转电机时，其原因至少部分是减小了制品的质量密度。
虽然在此已具体描述了本发明的各特定方面，但是应理解，本领域的技术人员可以对本发明进行变化，但是这些变化仍在权利要求书的范围之内。前面所述的实施方式和例子对权利要求书不构成限制。
Claims (61)
1.一种超导制品，该制品包括：
包含钛的基片；
覆盖在该基片上面的缓冲层；
覆盖在缓冲层上面的超导层。
2.如权利要求1所述的超导制品，其特征在于，所述基片的密度小于约8.00g/cc。
3.如权利要求2所述的超导制品，其特征在于，所述基片的密度小于约7.00g/cc。
4.如权利要求1所述的超导制品，其特征在于，钛是基片的主要组分。
5.如权利要求4所述的超导制品，其特征在于，基片包含不小于约80重量％的钛。
6.如权利要求1所述的超导制品，其特征在于，基片包含钛合金，还包含选自以下组的元素：铝、钒、铁、锡、钌、钯、锆、钼、镍、铌、铬和硅，以及它们的组合。
7.如权利要求6所述的超导制品，其特征在于，所述元素选自下组：铝、钒，以及它们的组合。
8.如权利要求7所述的超导制品，其特征在于，基片的铝含量不大于约10重量％，钒含量不大于约8重量％。
9.如权利要求1所述的超导制品，其特征在于，基片的电阻系数不小于约100微欧姆厘米。
10.如权利要求1所述的超导制品，其特征在于，基片的厚度不大于约50微米。
11.如权利要求1所述的超导制品，其特征在于，所述制品还包括覆盖在超导层上面的稳定层。
12.如权利要求11所述的超导制品，其特征在于，稳定层的密度不大于约8.00g/cc。
13.如权利要求12所述的超导制品，其特征在于，稳定层的密度不大于约6.00g/cc。
14.如权利要求11所述的超导制品，其特征在于，稳定层包含铝。
15.如权利要求11所述的超导制品，其特征在于，稳定层的厚度不小于约50微米。
16.如权利要求15所述的超导制品，其特征在于，稳定层的厚度不小于约100微米。
17.如权利要求1所述的超导制品，其特征在于，超导层包含高温超导体材料，其临界温度T0不低于约77°K。
18.如权利要求17所述的超导制品，其特征在于，超导体材料包括REBa2Cu3O7-x，其中RE是稀土元素。
19.如权利要求1所述的超导制品，其特征在于，所述制品的尺寸比值不小于约10。
20.如权利要求19所述的超导制品，其特征在于，所述制品的尺寸比值不小于约100。
21.如权利要求1所述的超导制品，其特征在于，缓冲层包括至少一层膜，该膜包含在膜的平面内和平面外的双轴向排列的晶体。
22.一种超导制品，该制品包括：
基片；
覆盖在该基片上面的缓冲层；
覆盖在缓冲层上的超导层；
覆盖在超导层上面的包含铝的稳定层。
23.如权利要求22所述的超导制品，其特征在于，稳定层的密度不大于约8.00g/cc。
24.如权利要求23所述的超导制品，其特征在于，稳定层的密度不大于约6.00g/cc。
25.如权利要求22所述的超导制品，其特征在于，铝是稳定层的主要组分。
26.如权利要求25所述的超导制品，其特征在于，稳定层包含不小于约80重量％的铝。
27.如权利要求22所述的超导制品，其特征在于，稳定层的厚度不小于约50微米。
28.如权利要求22所述的超导制品，其特征在于，所述制品还包括在稳定层和超导层之间的封盖层。
29.如权利要求22所述的超导制品，其特征在于，超导层包含高温超导体材料，其临界温度T0不低于约77°K。
30.如权利要求22所述的超导制品，其特征在于，超导体材料包括REBa2Cu3O7-x，其中RE是稀土元素。
31.如权利要求22所述的超导制品，其特征在于，所述制品的尺寸比值不小于约10。
32.如权利要求22所述的超导制品，其特征在于，缓冲层包括至少一层膜，该膜包含在膜的平面内和平面外的双轴向排列的晶体。
33.一种超导制品，该制品包括：
尺寸比值不小于10的基片；
覆盖在该基片上面的超导层，其中，超导制品的密度不大于约7.00g/cc。
34.如权利要求33所述的超导制品，其特征在于，超导制品的密度不大于约6.50g/cc。
35.如权利要求34所述的超导制品，其特征在于，超导制品的密度不大于约6.00g/cc。
36.如权利要求35所述的超导制品，其特征在于，超导制品的密度不大于约5.00g/cc。
37.如权利要求35所述的超导制品，其特征在于，超导制品的密度不大于约4.50g/cc。
38.如权利要求33所述的超导制品，其特征在于，基片的密度不大于约6.00g/cc。
39.如权利要求38所述的超导制品，其特征在于，基片的密度不大于约5.00g/cc。
40.如权利要求33所述的超导制品，其特征在于，该制品还包括覆盖在该超导层上面的稳定层。
41.如权利要求40所述的超导制品，其特征在于，稳定层的密度不大于约6.00g/cc。
42.如权利要求41所述的超导制品，其特征在于，稳定层的密度不大于约5.00g/cc。
43.如权利要求42所述的超导制品，其特征在于，稳定层的密度不大于约3.00g/cc。
44.如权利要求40所述的超导制品，其特征在于，稳定层包含铝，且铝是主要组分。
45.如权利要求33所述的超导制品，其特征在于，基片包含钛，且钛是主要组分。
46.如权利要求33所述的超导制品，其特征在于，超导层包含高温超导体材料，其临界温度T0不低于约77°K。
47.如权利要求33所述的超导制品，其特征在于，超导体材料包括REBa2Cu3O7-x，其中RE是稀土元素。
48.如权利要求33所述的超导制品，其特征在于，所述制品的尺寸比值不小于约100。
49.如权利要求33所述的超导制品，其特征在于，所述制品还包括在基片和超导层之间的缓冲层。
50.如权利要求49所述的超导制品，其特征在于，缓冲层包括至少一层膜，该膜包含在膜的平面内和平面外的双轴向排列的晶体。
51.如权利要求33所述的超导制品，其特征在于，超导制品是超导带的线圈，该超导带的线圈包括基片和超导层。
52.如权利要求33所述的超导制品，其特征在于，所述制品是电力变压器，该电力变压器至少包括初级绕组和次级绕组，其中，初级绕组和次级绕组中的至少一个包括超导带的缠绕线圈，超导带包括所述的基片和所述的超导层。
53.如权利要求33所述的超导制品，其特征在于，所述制品是旋转电机，该旋转电机包括至少一个绕组，其中，所述至少一个绕组包括由所述基片和所述超导层形成的超导带。
54.一种超导制品，该制品包括：
密度不大于约8.00g/cc的基片；
覆盖在该基片上面的缓冲层；
覆盖在该基片上面的超导层。
55.如权利要求54所述的超导制品，其特征在于，基片的密度不大于约7.00g/cc。
56.如权利要求55所述的超导制品，其特征在于，基片的密度不大于约5.00g/cc。
57.如权利要求54所述的超导制品，其特征在于，基片包含钛，钛是所述基片的主要组分。
58.一种超导制品，该制品包括：
基片；
覆盖在该基片上面的缓冲层；
覆盖在该基片上面的超导层；
覆盖在该超导层上面的稳定层，该稳定层的密度不大于约8.00g/cc。
59.如权利要求58所述的超导制品，其特征在于，稳定层的密度不大于约7.00g/cc。
60.如权利要求59所述的超导制品，其特征在于，稳定层的密度不大于约5.00g/cc。
61.如权利要求58所述的超导制品，其特征在于，稳定层包含铝。
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