CN101171695B - 制造超导元件的方法和通过所述方法制造的超导元件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及制造用作磁共振成象(MRI)和核磁共振(NMR)应用中的槽嵌导线式超导体的超导元件的方法，该超导元件含有超导导线和具有纵向槽的铜构件，所述超导导线位于所述槽中。为了通过超导导线和铜构件中的槽壁之间的机械接触生产槽嵌导线式超导元件，在具有所述机械接触以前，至少一个接触面涂敷有无铅的钎料。为了提高导热性和导电性并在所述构件之间产生结合，在退火处理步骤中熔融所述焊接材料。
Description
技术领域
本发明涉及制造超导元件的方法，和通过所述方法制造的超导元件，其中超导体会被用作磁共振成象(MRI)和核磁共振(NMR)应用中的槽嵌导线式(wire-in-channel)超导体。
背景技术
已经开发了槽嵌导线式(WIC)超导体用于MRI和NMR应用，这是因为这些应用需要导体中的铜的长的单元长度、高的单元重量和相当高的体积分数。优选的方案是单独地加工昂贵的超导复合导线和铜构件，并在最后加工阶段将它们结合在一起，以制得槽嵌导线式导体。为了在铜构件和超导导线之间的该结合，要在所述铜构件中形成用于嵌入超导导线的纵向槽。
在所述槽嵌导线式导体结构中，已知使用含有60wt％铅和40wt％锡的钎料。生产这些导体的时候，将导线嵌入所述开槽的铜构件中，使得导线实质上位于所述槽中。导线和开槽铜构件的组合通过使其通过铅锡熔体并进一步通过拉模实现，拉模使超导体具有精确尺寸和适当的机械性能。在该熔融状态的拉拔步骤中，铅充当优良的润滑剂。
同时包括热镀锡和熔融状态拉拔步骤的方法具有内在的缺点，例如焊剂与熔体的反应，和铜溶解于熔体中致使必须频繁的清洗和除铜，因此降低生产力、降低单元长度并增加意外的废品率。另外，利用无铅钎料润滑模拉作用将面临新的挑战。
JP公开2000-294053涉及制造用于磁共振成象应用的槽嵌导线式超导体的方法。在该方法中，避免了铅的缺点，在槽嵌导线式超导体的制造中没有使用任何钎料。通过加工所述开槽铜构件在所述超导导线和开槽铜构件之间实现稳定的机械接触，从而使得导线基本上完全地由所述开槽铜构件包围。然而，这种机械接触不是足够的，这是因为尤其是磁共振成象应用需要在导线和槽壁之间具有优良的导热性和优良的导电性。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的一些缺点，并获得制造用于磁共振成象(MRI)和核磁共振(NMR)应用中的槽嵌导线式超导元件的改善的方法，在该方法中，在超导导线和开槽铜构件壁之间的机械接触中使用无铅钎料。本发明也涉及通过该改善的方法制造的槽嵌导线式超导元件。
根据本发明，待用于磁共振成象(MRI)和核磁共振(NMR)应用中的槽嵌导线式超导体含有超导导线和铜构件，使得超导导线位于形成在铜构件中的纵向槽中，并且用无铅钎料实现超导导线和铜构件中的槽壁之间的机械接触。在实现机械接触以制造槽嵌导线式超导元件以前，将所述钎料涂敷在超导导线和/或铜构件中的槽壁的至少一个表面上。
本发明提供以下技术方案：
(1)一种制造待用作磁共振成象(MRI)和核磁共振(NMR)应用中的槽嵌导线式超导体的超导元件的方法，该超导元件含有超导导线和具有纵向槽的铜构件，并且所述超导导线位于所述槽中，其中为了通过所述超导导线和所述铜构件中的槽壁之间的机械接触制造所述槽嵌导线式超导元件，在进行所述机械接触以前，用无铅钎料涂敷至少一个接触面，所述接触面为超导导线和所述铜构件中的槽壁的表面。
(2)根据上述(1)的方法，其中所述超导导线涂敷有无铅钎料。
(3)根据上述(1)的方法，其中所述铜构件中的槽壁涂敷有无铅钎料。
(4)根据上述(1)的方法，其中所述超导导线和铜构件中的槽壁涂敷有无铅钎料。
(5)根据上述述任一项的方法，其中使用电镀技术涂敷所述接触面。
(6)根据前述(1)～(4)中任一项的方法，其中使用热镀锡技术涂敷所述接触面。
(7)根据前述(1)～(4)中任一项的方法，其中使用化学气相沉积技术涂敷所述接触面。
(8)根据前述(1)～(4)中任一项的方法，其中使用物理气相沉积技术涂敷所述接触面。
(9)根据前述(1)～(4)中任一项的方法，其中所述方法还包括步骤：
a)变形以在所述接触面之间产生紧密接触；
b)在高于所述无铅钎料的固相线温度的温度退火所述超导导线和所述铜构件的组合体，以在所述导线和所述槽壁之间实现金属的或金属间的界面。
(10)根据上述(9)的方法，其中通过分批退火进行退火。
(11)根据上述(9)的方法，其中通过强制流动对流管退火进行退火。
(12)根据上述(9)的方法，其中通过分股退火进行退火。
(13)根据上述(9)的方法，其中通过感应退火进行退火。
(14)根据上述(9)的方法，其中通过电阻退火进行退火。
(15)一种待用作磁共振成象(MRI)和核磁共振(NMR)应用中的槽嵌导线式超导体的超导元件，该超导元件含有超导导线和具有纵向槽的铜构件，并且所述超导导线位于所述槽中，在所述超导导线与所述铜构件中的槽壁之间具有机械接触，用于形成槽嵌导线式超导元件，其中在所述超导导线和所述铜构件中的槽壁之间的至少一个接触面的涂层中使用无铅钎料。
(16)根据上述(15)的超导元件，其中所述无铅钎料是锡。
(17)根据上述(15)的超导元件，其中所述无铅钎料是锡基合金。
(18)根据上述(17)的超导元件，其中所述锡基合金是含有0.1～20wt％银的锡-银合金。
(19)根据上述(17)的超导元件，其中所述锡基合金是含有0.1～5wt％银的锡-银合金。
(20)根据上述(17)的超导元件，其中所述锡基合金是含有0.1～20wt％铜的锡-铜合金。
(21)根据上述(17)的超导元件，其中所述锡基合金是含有0.1～5wt％铜的锡-铜合金。
(22)根据上述(17)的超导元件，其中所述锡基合金是含有0.1～20wt％锌的锡-锌合金。
(23)根据上述(17的超导元件，其中所述锡基合金是含有0.1～5wt％锌的锡-锌合金。
(24)根据上述(17)的超导元件，其中所述锡基合金是含有0.1～20wt％锑的锡-锑合金。
(25)根据上述(17)的超导元件，其中所述锡基合金是含有0.1～5wt％锑的锡-锑合金。
(26)根据上述(17)的超导元件，其中所述锡基合金是含有0.1～20wt％铋的锡-铋合金。
(27)根据上述(17)的超导元件，其中所述锡基合金是含有0.1～5wt％铋的锡-铋合金。
(28)根据上述(17)的超导元件，其中所述锡基合金是含有0.1～20wt％铟的锡-铟合金。
(29)根据上述(17)的超导元件，其中所述锡基合金是含有0.1～5wt％铟的锡-铟合金。
(30)根据上述(17)的超导元件，其中所述锡基合金为含有选自铜、银、锌、锑、铋和铟中的合金化组分的三元锡合金，使得每种合金化组分的含量为0.1～20wt％，其余的为锡。
(31)根据上述(17)的超导元件，其中所述锡基合金为含有选自铜、银、锌、锑、铋和铟中的合金化组分的三元锡合金，使得每种合金化组分的含量为0.1～5wt％，其余的为锡。
(32)根据上述(17)的超导元件，其中所述锡基合金为含有选自铜、银、锌、锑、铋和铟中的合金化组分的四元锡合金，使得每种合金化组分的含量为0.1～20wt％，其余的为锡。
(33)根据上述(17)的超导元件，其中所述锡基合金为含有选自铜、银、锌、锑、铋和铟中的合金化组分的四元锡合金，使得每种合金化组分的含量为0.1～5wt％，其余的为锡。
(34)根据上述(17)的超导元件，其中所述锡基合金为含有甚至四种选自铜、银、锌、锑、铋和铟中的合金化组分的锡合金，使得每种合金化组分的含量为0.1～20wt％，其余的为锡。
(35)根据上述(17)的超导元件，其中所述锡基合金为含有甚至四种选自铜、银、锌、锑、铋和铟中的合金化组分的锡合金，使得每种合金化组分的含量为0.1～5wt％，其余的为锡。
(36)根据上述(17)的超导元件，其中所述锡基合金是铋含量为20～60wt％的锡-铋二元合金。
(37)根据上述(36)的超导元件，其中铋含量为20～60wt％的所述锡-铋二元合金与选自铜、银、锌、锑和铟组分的一种或两种合金化，使得每种合金化组分的含量为0.1～20wt％，其余的为锡。
(38)根据上述(36)的超导元件，其中铋含量为20～60wt％的所述锡-铋二元合金与选自铜、银、锌、锑和铟组分的一种或两种合金化，使得每种合金化组分的含量为0.1～5wt％，其余的为锡。
(39)根据上述(17)的超导元件，其中所述锡基合金是铟含量为20～60wt％的锡-铟二元合金。
(40)根据上述(39)的超导元件，其中铟含量为20～60wt％的所述锡-铟二元合金与选自铜、银、锌、锑和铋组分的一种或两种合金化，使得每种合金化组分的含量为0.1～20wt％，其余的为锡。
(41)根据上述(39)的超导元件，其中铟含量为20～60wt％的所述锡-铟二元合金与选自铜、银、锌、锑和铋组分的一种或两种合金化，使得每种合金化组分的含量为0.1～5wt％，其余的为锡。
具体实施方式
在本发明的一个优选实施方案中，在置于铜构件的槽中以前，用钎料比如锡和锡基无铅合金涂敷超导导线。纯锡在低温下具有相变并且变得易碎。因此，优选使用锡基无铅合金，比如含有0.1～20wt％银，优选0.1～5wt％银的锡-银二元合金。其他优选的锡基无铅合金例如为二元合金，比如锡-铜、锡-锌、锡-锑、锡-铋和锡-铟。优选的锡基无铅合金此外为三元和四元合金以及含有甚至四种合金化组分的合金，所述合金化组分选自铜、银、锌、锑、铋和铟，使得每种合金化组分的含量为0.1～20wt％，优选0.1～5wt％，其余的为锡和可能的杂质。
将合金中的铋含量是20～60wt％、其余是锡和可能的杂质的锡-铋二元合金用作优选的锡基无铅合金也是有利的。铋含量20～60wt％的锡-铋二元合金可另外与选自铜、银、锌、锑和铟的一种或两种组分合金化，使得每种合金化组分的含量为0.1～20wt％，优选0.1～5wt％，其余的为锡和可能的杂质。
根据本发明的一个优选实施方案，锡基无铅合金是合金中的铟含量是20～60wt％、其余是锡和可能的杂质的锡-铟二元合金。铟含量20～60wt％的锡-铟二元合金可另外与选自铜、银、锌、锑和铋的一种或两种组分合金化，使得每种合金化组分的含量为0.1～20wt％，优选0.1～5wt％，其余的为锡和可能的杂质。
在本发明的另一个实施方案中，铜构件的槽涂敷有锡或一种锡基无铅合金。这种情况下，超导导线没有任何涂层。
在本发明的仍另一个实施方案中，超导导线和铜构件的槽都涂敷有锡或一种锡基无铅合金。
在超导导线和铜构件之间的机械接触表面的涂层有利地是通过电镀、热镀锡、化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)技术产生。
在热镀锡情况下，以连续的热浸模式进行涂敷处理，包括使超导导线或铜构件的槽的表面与钎料熔体接触并被其湿润0.1～30秒、优选0.1～5秒的一段时间以确保从表面清洗去掉痕量的焊剂和金属氧化物。钎料熔体的温度应该高于液相线温度，取决于线速度和钎料合金，优选高出30～100℃。
涂敷之后，加工或形成槽外形，使得在超导导线和铜构件的槽壁之间产生紧密接触。通过通常已知的方法实现变形，比如使用四辊辊压技术或模具，由此通过拉拔超导导线和铜构件的组合体，变形度为1～38％，优选为2～15％。
为了完成超导导线和铜构件中的槽壁之间的接触，退火超导导线和铜构件的组合体以形成金属结合，这实质上提高了界面的导热性和导电性，并增加了构件的机械完整性。在高于焊接合金固相线温度的温度即在加热时钎料合金开始熔融的温度，优选大于钎料完全是液体的液相线的温度，进行退火处理，以在导线和槽壁之间获得金属的和/或金属间的界面，该处理确保并提供了各部件之间良好的导热性和导电性。取决于钎料合金和退火技术，优选地在150～400℃，优选200～350℃进行退火处理，退火时间为1秒～2h。退火技术可以为已知的退火技术之一，比如分批退火、强制流动对流退火、分股退火、红外辐射、感应退火或电阻退火技术。
退火的时候，为了保持在先前的成形操作中得到的超导导线和开槽铜构件的有利的机械性能，希望在低于超导导线和开槽铜构件的软化温度的温度范围内熔融和熔合所述钎料。
Claims (39)
1.一种制造待用作磁共振成象(MRI)和核磁共振(NMR)应用中的槽嵌导线式超导体的超导元件的方法，该超导元件含有超导导线和具有纵向槽的铜构件，并且所述超导导线位于所述槽中，其中为了通过所述超导导线和所述铜构件中的槽壁之间的机械接触制造所述槽嵌导线式超导元件，在进行所述机械接触以前，用锡或锡基无铅合金涂敷至少一个接触面，所述接触面为所述超导导线和/或所述铜构件中的槽壁的表面。
2.根据权利要求1的方法，其中所述超导导线涂敷有锡或锡基无铅合金。
3.根据权利要求1的方法，其中所述铜构件中的槽壁涂敷有锡或锡基无铅合金。
4.根据权利要求1的方法，其中所述超导导线和铜构件中的槽壁涂敷有锡或锡基无铅合金。
5.根据前述权利要求任一项的方法，其中使用电镀技术涂敷所述接触面。
6.根据前述权利要求1～4任一项的方法，其中使用热镀锡技术涂敷所述接触面。
7.根据前述权利要求1～4任一项的方法，其中使用化学气相沉积技术涂敷所述接触面。
8.根据前述权利要求1～4任一项的方法，其中使用物理气相沉积技术涂敷所述接触面。
9.根据前述权利要求1～4任一项的方法，其中所述方法还包括步骤：
a)使所述超导导线和所述铜构件变形以在所述接触面之间产生紧密接触；
b)在高于所述锡或锡基无铅合金的固相线温度的温度退火所述超导导线和所述铜构件的组合体，以在所述导线和所述槽壁之间实现金属的或金属间的界面。
10.根据权利要求9的方法，其中通过分批退火进行退火。
11.根据权利要求9的方法，其中通过强制流动对流管退火进行退火。
12.根据权利要求9的方法，其中通过分股退火进行退火。
13.根据权利要求9的方法，其中通过感应退火进行退火。
14.根据权利要求9的方法，其中通过电阻退火进行退火。
15.一种待用作磁共振成象(MRI)和核磁共振(NMR)应用中的槽嵌导线式超导体的超导元件，该超导元件含有超导导线和具有纵向槽的铜构件，并且所述超导导线位于所述槽中，在所述超导导线与所述铜构件中的槽壁之间具有机械接触，用于形成槽嵌导线式超导元件，其中在所述超导导线和所述铜构件中的槽壁之间的至少一个接触面的涂层中使用锡或锡基无铅合金。
16.权利要求15的超导元件，其中所述锡基无铅合金是含有0.1～20wt％银的锡-银合金。
17.权利要求15的超导元件，其中所述锡基无铅合金是含有0.1～5wt％银的锡-银合金。
18.权利要求15的超导元件，其中所述锡基无铅合金是含有0.1～20wt％铜的锡-铜合金。
19.权利要求15的超导元件，其中所述锡基无铅合金是含有0.1～5wt％铜的锡-铜合金。
20.权利要求15的超导元件，其中所述锡基无铅合金是含有0.1～20wt％锌的锡-锌合金。
21.权利要求15的超导元件，其中所述锡基无铅合金是含有0.1～5wt％锌的锡-锌合金。
22.权利要求15的超导元件，其中所述锡基无铅合金是含有0.1～20wt％锑的锡-锑合金。
23.权利要求15的超导元件，其中所述锡基无铅合金是含有0.1～5wt％锑的锡-锑合金。
24.权利要求15的超导元件，其中所述锡基无铅合金是含有0.1～20wt％铋的锡-铋合金。
25.权利要求15的超导元件，其中所述锡基无铅合金是含有0.1～5wt％铋的锡-铋合金。
26.权利要求15的超导元件，其中所述锡基无铅合金是含有0.1～20wt％铟的锡-铟合金。
27.权利要求15的超导元件，其中所述锡基无铅合金是含有0.1～5wt％铟的锡-铟合金。
28.权利要求15的超导元件，其中所述锡基无铅合金为含有选自铜、银、锌、锑、铋和铟中的合金化组分的三元锡合金，使得每种合金化组分的含量为0.1～20wt％，其余的为锡。
29.权利要求15的超导元件，其中所述锡基无铅合金为含有选自铜、银、锌、锑、铋和铟中的合金化组分的三元锡合金，使得每种合金化组分的含量为0.1～5wt％，其余的为锡。
30.权利要求15的超导元件，其中所述锡基无铅合金为含有选自铜、银、锌、锑、铋和铟中的合金化组分的四元锡合金，使得每种合金化组分的含量为0.1～20wt％，其余的为锡。
31.权利要求15的超导元件，其中所述锡基无铅合金为含有选自铜、银、锌、锑、铋和铟中的合金化组分的四元锡合金，使得每种合金化组分的含量为0.1～5wt％，其余的为锡。
32.权利要求15的超导元件，其中所述锡基无铅合金为含有四种选自铜、银、锌、锑、铋和铟中的合金化组分的锡合金，使得每种合金化组分的含量为0.1～20wt％，其余的为锡。
33.权利要求15的超导元件，其中所述锡基无铅合金为含有四种选自铜、银、锌、锑、铋和铟中的合金化组分的锡合金，使得每种合金化组分的含量为0.1～5wt％，其余的为锡。
34.权利要求15的超导元件，其中所述锡基无铅合金是铋含量为20～60wt％的锡-铋二元合金。
35.权利要求34的超导元件，其中铋含量为20～60wt％的所述锡-铋二元合金与选自铜、银、锌、锑和铟组分的一种或两种合金化，使得每种合金化组分的含量为0.1～20wt％，其余的为锡。
36.权利要求34的超导元件，其中铋含量为20～60wt％的所述锡-铋二元合金与选自铜、银、锌、锑和铟组分的一种或两种合金化，使得每种合金化组分的含量为0.1～5wt％，其余的为锡。
37.权利要求15的超导元件，其中所述锡基无铅合金是铟含量为20～60wt％的锡-铟二元合金。
38.权利要求37的超导元件，其中铟含量为20～60wt％的所述锡-铟二元合金与选自铜、银、锌、锑和铋组分的一种或两种合金化，使得每种合金化组分的含量为0.1～20wt％，其余的为锡。
39.权利要求37的超导元件，其中铟含量为20～60wt％的所述锡-铟二元合金与选自铜、银、锌、锑和铋组分的一种或两种合金化，使得每种合金化组分的含量为0.1～5wt％，其余的为锡。
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