CN101178952A - 一种超导导线组件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超导导线组件及其制备方法，其包含至少一根具有超导性能的单根超导导线组成超导导线组，上述超导导线组的顶角为圆顶角，在上述超导导线组的外表面上至少有一层绝缘层，上述绝缘层至少局部覆盖包含组件顶角在内的超导导线组的外表面，利用该方法制备的超导导线组件具有较高的耐压性能和绝缘性能。

Description

一种超导导线组件及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种超导导线，尤其涉及一种超导导线组件及其制备方法。
背景技术
高温超导导线目前已在高温超导电缆、高温超导电机等电力器件上得到了广泛应用，但在实际应用中仍存在一些问题。由于高温超导导线是带状，其横截面通常为矩形，包含四个面与面之间形成的约为90°的顶角，如图1所示，其中1为单根超导导线，2为顶角，3为绝缘层，上述顶角在实际应用中会产生很多不利影响。例如，对于导线漆包绝缘过程，由于顶角处的曲率半径很小，涂覆时上漆比较困难，不易涂厚，使得顶角处的绝缘层厚度很薄，由于超导导线的耐压性能与其漆膜厚度有着直接的关系，一般来说，随着漆膜厚度的减少，其击穿电压会相应降低，所以顶角处很薄的绝缘层会大大降低导线表面的耐压性能。另外，在高电压应用场合，由于顶角处比较尖锐，尖端处的电荷密度比较大，容易产生“尖端放电”，使得顶角处的绝缘层容易被击穿。基于上述情况，需要制备一种具有较高耐压性能的超导导线组件，以满足制备超导器件的要求。
发明内容
本发明提出一种超导导线组件，该组件包含至少一根具有超导性能的单根超导导线组成超导导线组，上述超导导线组的顶角为圆顶角，在上述超导导线组的外表面覆盖至少一层绝缘层，上述绝缘层至少局部覆盖包含组件顶角在内的超导导线组的外表面。超导导线组可以包括四个平面，这四个平面之间通过四个圆顶角光滑连接，四个顶角处绝缘层的厚度可以大于或等于其他平面部分绝缘层的厚度；超导导线组也可包括两个平面、两个圆顶角面和两个平滑的曲面，两个平面互相平行，平面和曲面之间通过圆顶角光滑连接，圆顶角面的曲率半径为超导导线组整体厚度的0.075～0.5倍，其原因在于如果曲率半径小于超导导线组整体厚度的0.075倍，根据理论和实践结果表明，容易在顶角附近形成过量的电荷密度，产生“尖端放电”，另一方面，如果曲率半径大于超导导线组整体厚度的0.5倍，则导线组的圆顶角不易与相邻平面和曲面之间形成光滑连接；超导导线组还可包括两个平面和两个平滑的曲面，两个平面互相平行，曲面与相邻平面之间光滑连接，如超导导线组的宽度为D，厚度为H，则曲面的曲率半径的范围为 0.5 D ~ D 2 + H 2 2 , 其原因在于曲率半径在该范围内容易实现曲面与相邻平面之间的光滑连接。单根超导导线可以是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，上述导线可利用金属套管法(powder-in-tube method，简称PIT法)制备；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，如YBCO覆膜导体。超导导线组的外表面与绝缘层之间可加入至少一层金属层，也可在单根超导导线之间夹有至少一层金属带材，超导导线组侧边部的金属层材料可为焊料，超导导线组的两个宽度面可以分别覆盖至少一条金属带。超导导线组的外表面与金属层之间可以电连接，如焊接或胶接，金属层材料可为铜或不锈钢。超导导线组中单根超导导线与金属带材之间可以电连接，电连接的方式可以是焊接或胶接，上述的金属带材可以是铜或不锈钢，并且金属带材的宽度可以大于超导导线组的宽度。如该超导导线组件包含两根以上具有超导性能的单根超导导线，这些单根超导导线之间可以通过电接触形成超导导线组。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。可以采用各种绝缘层材料，如聚酯树脂、聚酰亚胺树脂、有机硅树脂、聚四氟乙烯、环氧树脂、聚氨酯、尼龙、聚丙烯或丙烯酸树脂。绝缘的方式可以采用在超导组件外绕包绝缘带，或采用涂料进行涂覆，如采用紫外光固化涂料。绝缘层的厚度可根据需要选定，一般在0.005-0.20mm之间，最好为10-50μm。
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：将包含至少一根具有超导性能的单根超导导线组成的超导导线组的顶角采用如化学腐蚀、机械研磨、模具成型加工等化学或机械的方法进行修磨，使上述顶角形成圆顶角，然后在其外表面覆盖至少一层绝缘层，上述绝缘层至少局部覆盖包含组件顶角在内的超导导线的外表面。
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。
本发明的超导导线组件外表面比较圆滑、无尖锐棱角，具有以下优点：
顶角绝缘漆层的增厚有利于提高超导导线的耐压性能；并且由于表面无棱角，可以防止表面绝缘带或绝缘漆层在应用中被刮破或硌破，保证超导组件的绝缘性能。利用本发明制备的高温超导导线组件尤其适合在高电压场合应用。
附图说明
下面将结合附图对本发明的具体实例进行详细描述，其中：
图1为利用现有技术制备的高温超导导线的截面示意图；
图2为一超导导线组件截面示意图，该组件中超导导线组包含一单根超导导线，并且超导导线组外表面的四个平面间通过圆顶角连接；
图3为一超导导线组件截面示意图，该组件中超导导线组包含一单根超导导线，并且超导导线组的外表面的四个平面间通过圆顶角连接，且四个圆顶角处绝缘层的厚度大于其他平面部分绝缘层的厚度；
图4为一超导导线组件截面示意图，该组件中超导导线组包含两根单根超导导线且超导导线间涂有导电胶，超导导线组的外表面的四个平面间通过圆顶角相连；
图5为一超导导线组件截面示意图，该组件中超导导线组包含两根单根超导导线且超导导线间夹有一金属带材，超导导线组的外表面的四个平面间通过圆顶角相连；
图6为一超导导线组件截面示意图，该组件中超导导线组包含一单根超导导线，超导导线组的厚度面为圆弧形面；
图7为一超导导线组件截面示意图，该组件中超导导线组包含两根单根超导导线，超导导线组的厚度面为圆弧面；
图8为一超导导线组件截面示意图，该组件中超导导线组包含有两根单根超导导线且超导导线间夹有一金属带材，超导导线组的厚度面为圆弧面；
图9为一超导导线组件截面示意图，该组件中超导导线组包含一根单根超导导线，超导导线组的厚度面为圆弧面且与宽度面间通过圆顶角面相连；
图10为一超导导线组件截面示意图，该组件中超导导线组包含两根单根超导导线且超导导线间涂有导电胶，超导导线组的厚度面为圆弧面且与宽度面间通过圆顶角面相连；
图11为一超导导线组件截面示意图，该组件中超导导线组包含两根单根超导导线、超导导线间夹有一金属带材，超导导线组的厚度面为圆弧面且与宽度面间通过圆顶角面相连；
图12为一超导导线组件截面示意图，该组件中超导导线组包含一单根超导导线，超导导线组的外表面的四个平面间通过圆顶角连接，且绝缘层局部覆盖包含超导导线组顶角在内的超导导线组的外表面。
具体实施方式
实施例1
将两条铜带通过低熔点的Sn-Ag合金分别焊接在一单根61芯Bi-2223高温超导导线的两个宽度面上，同时厚度面间缝隙用熔融的Sn-Ag合金填满，然后将四个顶角通过机械研磨成圆角，此时超导导线组包括四个平面，并且上述的四个平面通过四个圆顶角光滑连接，在超导导线组的外面再绕包聚酰亚胺胶带，形成如图2所示的超导导线组件，其中1为一单根61芯Bi-2223高温超导导线，宽为4.2mm，厚度为0.24mm，4为铜带，宽为4.50mm，厚度为0.05mm，5为Sn-Ag合金层，3为聚酰亚胺胶带形成的绝缘层，厚为0.01mm。制得的超导导线组件的耐压性能达300V。
实施例2
将两条铜带通过低熔点的Sn-Ag合金分别焊接在一单根61芯Bi-2223高温超导导线的两个宽度面上，同时厚度面间缝隙用熔融的Sn-Ag合金填满，然后将四个顶角通过机械研磨成圆角，此时超导导线组包括四个平面，并且上述的四个平面通过四个圆顶角光滑连接，在超导导线组的外表面再涂覆光固化涂料，形成如图3所示的超导导线组件，其中1为一单根61芯Bi-2223高温超导导线，宽为4.2mm，厚度为0.24mm，4为铜带，宽为4.50mm，厚度为0.05mm，5为Sn-Ag合金层，3为绝缘层，超导导线组平面部分绝缘层的厚度为0.01mm，四个圆顶角处绝缘层的厚度大于其他平面部分绝缘层的厚度。
实施例3
将两根单根61芯Bi-2223高温超导导线间通过银导电胶连接后，将两根铜带利用低熔点的Sn-Ag-Cu合金分别焊接在两根超导导线的两个宽度面上，同时厚度面间缝隙用熔融的Sn-Ag-Cu合金填满，然后将四个顶角通过机械研磨成圆角，此时超导导线组包括四个平面，并且上述的四个平面通过四个圆顶角光滑连接，最后在超导导线组的外面绕包聚四氟乙烯胶带，形成如图4的超导导线组件，其中1为一单根61芯Bi-2223高温超导导线，宽为4.2mm，厚度为0.24mm，4为铜带，宽为4.50mm，厚度为0.05mm，5为Sn-Ag-Cu合金层，3为聚四氟乙烯胶带形成的绝缘层，厚为0.05mm。
实施例4
两根单根超导导线之间通过低熔点Sn-Ag焊接一根不锈钢带后，在其宽度面再分别焊接两根不锈钢带，同时厚度面间缝隙用熔融的Sn-Ag合金填满，然后将四个顶角通过机械研磨成圆顶角，此时超导导线组包括四个平面，并且上述的四个平面通过四个圆顶角光滑连接，最后在超导导线组的外面绕包聚四氟乙烯胶带，形成如附图5所示的超导导线组件，其中1为一单根超导导线，宽为4.2mm，厚度为0.24mm，4为不锈钢带，宽为4.50mm，厚度为0.05mm，5为Sn-Ag合金层，3为聚四氟乙烯胶带绝缘层，厚为0.005mm。
实施例5
将两根铜带利用低熔点的Sn-Ag-Cu合金在270℃下分别焊接在单根55芯Bi-2223高温超导导线的宽度面上，同时厚度面上的缝隙利用熔融的Sn-Ag-Cu合金填满后，利用孔型模具将厚度面修饰成圆弧状面，此时超导导线组包括两个平面和两个平滑的曲面，两个平面互相平行，曲面与相邻平面之间光滑连接，超导导线组中曲面的曲率半径为2.26mm，最后在超导导线组的外表面涂覆光固化涂料，形成如图6所示的超导导线组件，其中1为一单根55芯Bi-2223高温超导导线，宽为4.2mm，厚度为0.24mm，4为铜带，宽为4.50mm，厚度为0.05mm，5为Sn-Ag-Cu合金层，3为绝缘层，厚为0.2mm。
实施例6
两根单根YBCO覆膜导体间在300℃、5小时条件下热处理形成稳定连接后，将两根铜带利用低熔点的Sn-Ag-Cu合金分别焊接在两根YBCO覆膜导体的两个宽度面上，同时厚度面间缝隙用熔融的Sn-Ag-Cu合金填满，然后利用孔型模具将厚度面加工成圆弧状面，此时超导导线组包括两个平面和两个平滑的曲面，两个平面互相平行，曲面与相邻平面之间光滑连接，超导导线组中曲面的曲率半径为2.25mm，最后在超导导线组的外面绕包聚酰亚胺胶带，形成如附图7所示的超导导线组件，其中1为一单根YBCO覆膜导体，宽为4.2mm，厚度为0.24mm，4为铜带，宽为4.50mm，厚度为0.05mm，5为Sn-Ag-Cu合金层，3为聚酰亚胺胶带绝缘层，厚为0.02mm。
实施例7
两根单根超导导线中间通过低熔点Sn-Ag焊接一根铜带后，在其宽度面再分别焊接两根铜带，同时厚度面间缝隙用熔融的Sn-Ag合金填满后，利用孔型模具将厚度面加工成圆弧状面，此时超导导线组包括两个平面和两个平滑的曲面，两个平面互相平行，曲面与相邻平面之间光滑连接，超导导线组中曲面的曲率半径为2.255mm，最后在超导导线组的外表面涂覆光固化涂料，形成如附图8所示的超导导线组件，其中1为一单根超导导线，宽为4.2mm，厚度为0.24mm，4为铜带，宽为4.50mm，厚度为0.05mm，5为SnAg合金层，3为绝缘层，厚为0.03mm。
实施例8
将两条铜带通过低熔点的Sn-Pb合金分别焊接在在单根超导线的两个宽度面上，同时厚度面间缝隙用熔融的Sn-Pb合金填满后，利用孔型模具将厚度面修饰成圆弧状面，此时超导导线组包括两个平面、两个圆顶角面和两个平滑的曲面，两个平面互相平行，平面和曲面之间通过圆顶角光滑连接，超导导线组中圆顶角面的曲率半径为0.026mm，最后在超导导线组的外表面涂覆光固化涂料，形成如附图9所示的超导导线组件，其中其中1为一单根超导导线，宽为4.2mm，厚度为0.24mm，4为铜带，宽为4.50mm，厚度为0.05mm，5为Sn-Pb合金层，3为绝缘层，厚为0.1mm。
实施例9
两根超导导线间通过银导电胶连接后，将两根铜带利用低熔点的Sn-Pb合金分别焊接在两根超导导线的两个宽度面上，同时厚度面间缝隙用熔融的Sn-Pb合金填满后，利用孔型模具将厚度面加工成圆弧状面，此时超导导线组包括两个平面、两个圆顶角面和两个平滑的曲面，两个平面互相平行，平面和曲面之间通过圆顶角光滑连接，超导导线组中圆顶角面的曲率半径为0.17mm，最后在超导导线组的外面绕包聚四氟乙烯胶带，，形成如附图10所示的超导导线组件，其中1为一单根超导导线，宽为4.2mm，厚度为0.24mm，4为铜带，宽为4.50mm，厚度为0.05mm，5为Sn-Pb合金层，3为聚四氟乙烯胶带绝缘层，厚为0.01mm。
实施例10
两根单根超导导线中间通过低熔点Sn-Ag Cu合金焊接一根铜带后，在其宽度而再分别焊接两根铜带，同时厚度面间缝隙用熔融的Sn-Ag-Cu合金填满后，利用孔型模具将厚度面加工成圆弧状面，此时超导导线组包括两个平面、两个圆顶角面和两个平滑的曲面，两个平面互相平行，平面和曲面之间通过圆顶角光滑连接，超导导线组中圆顶角面的曲率半径为0.1mm，最后在超导导线组的外面绕包聚四氟乙烯胶带，形成如附图11所示的超导导线组件，其中1为一单根超导导线，宽为4.2mm，厚度为0.24mm，4为铜带，宽为4.50mm，厚度为0.05mm，5为Sn-Ag-Cu合金层，3为聚四氟乙烯胶带绝缘层，厚为0.01mm。
实施例11
将两条铜带通过低熔点的Sn-Ag合金分别焊接在一单根61芯Bi-2223高温超导导线的两个宽度面上，同时厚度面间缝隙用熔融的Sn-Ag合金填满后，将四个顶角通过机械研磨成圆角，此时超导导线组包括四个平面，并且所述的四个平面通过四个圆顶角光滑连接，最后在超导导线组的外面绕包聚酰亚胺胶带，形成如图12所示的超导导线组件，其中1为一单根61芯Bi-2223高温超导导线，宽为4.2mm，厚度为0.24mm，4为铜带，宽为4.50mm，厚度为0.05mm，5为Sn-Ag合金层，3为聚酰亚胺胶带形成的绝缘层，厚为0.01mm，绝缘层覆盖超导导线组的外表面，但超导导线组的局部上表面除外。将这样制得的两根超导导线组件的未有绝缘层的部分用低熔点的Sn-Ag合金焊接在一起绕制线圈。

Claims (31)

1.一种超导导线组件，该组件包含至少一根具有超导性能的单根超导导线组成超导导线组，在所述超导导线组的外表面覆盖至少一层绝缘层，其特征在于所述超导导线组的顶角为圆顶角，所述绝缘层至少局部覆盖包含超导导线组顶角在内的超导导线组的外表面。
2.根据权利要求1所述的超导导线组件，其特征在于所述的超导导线组包括四个平面，并且所述的四个平面通过四个圆顶角光滑连接。
3.根据权利要求2所述的超导导线组件，其特征在于所述的四个圆顶角处绝缘层的厚度大于或等于其他平面部分绝缘层的厚度。
4.根据权利要求1所述的超导导线组件，其特征在于所述的超导导线组包括两个平面、两个圆顶角面和两个平滑的曲面，两个平面互相平行，平面和曲面之间通过圆顶角光滑连接。
5.根据权利要求4所述的超导导线组件，其特征在于所述的圆顶角面的曲率半径为超导导线组整体厚度的0.075～0.5倍。
6.根据权利要求1所述的超导导线组件，其特征在于所述的超导导线组包括两个平面和两个平滑的曲面，两个平面互相平行，曲面与相邻平面之间光滑连接。
7.根据权利要求6所述的超导导线组件，其特征在于所述的超导导线组中曲面的曲率半径的范围为 0.5 D ~ D 2 + H 2 2 , 其中D为超导导线组的宽度，H为超导导线组的厚度。
8.根据权利要求1所述的超导导线组件，其特征在于所述的单根超导导线是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。
9.根据权利要求8所述的超导导线组件，其特征在于所述的单根超导导线为Bi系高温超导导线。
10.根据权利要求1所述的超导导线组件，其特征在于所述的单根超导导线是覆膜导体，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。
11.根据权利要求1所述的超导导线组件，其特征在于所述的超导导线组的外表面与绝缘层之间至少含有一层金属层和/或在单根超导导线之间夹有至少一层金属带材。
12.根据权利要求11所述的超导导线组件，其特征在于超导导线组的侧边部的金属层材料为焊料。
13.根据权利要求11所述的超导导线组件，其特征在于所述的超导导线组的两个宽度面分别覆盖至少一条金属带。
14.根据权利要求11所述的超导导线组件，其特征在于所述的超导导线组的外表面与金属层之间电连接。
15.根据权利要求14所述的超导导线组件，其特征在于电连接的方式为焊接。
16.根据权利要求14所述的超导导线组件，其特征在于电连接的方式为胶接。
17.根据权利要求11所述的超导导线组件，其特征在于所述的金属层材料为铜或不锈钢。
18.根据权利要求11所述的超导导线组件，其特征在于所述的超导导线组中单根超导导线与金属带材之间电连接。
19.根据权利要求18所述的超导导线组件，其特征在于电连接的方式为焊接。
20.根据权利要求18所述的超导导线组件，其特征在于电连接的方式为胶接。
21.根据权利要求11所述的超导导线组件，其特征在于所述的金属带材是铜带或不锈钢带。
22.根据权利要求11所述的超导导线组件，其特征在于所述的金属带材的宽度大于超导导线组的宽度。
23.根据权利要求1所述的超导导线组件，其特征在于所述的超导导线组包含两根以上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。
24.根据权利要求23所述的超导导线组件，其特征在于所述的超导导线组中的单根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。
25.根据权利要求1所述的超导导线组件，其特征在于所述的绝缘层材料为聚酯树脂、聚酰亚胺树脂、有机硅树脂、聚四氟乙烯、环氧树脂、聚氨酯、尼龙、聚丙烯或丙烯酸树脂。
26.根据权利要求1所述的超导导线组件，其特征在于所述的绝缘的方式为在组件外绕包绝缘带或涂覆涂料。
27.根据权利要求26所述的超导导线组件，其特征在于所述的涂覆的涂料为紫外光固化涂料。
28.根据权利要求1所述的超导导线组件，其特征在于所述的绝缘层厚度的范围为0.005-0.20mm。
29.根据权利要求28所述的超导导线组件，其特征在于所述的绝缘层厚度的范围为10-50μm。
30.一种制备权利要求1所述的超导导线组件的方法，包括如下步骤：将包含至少一根具有超导性能的单根超导导线组成的超导导线组的外表面覆盖至少一层绝缘层，其特征在于在加绝缘层之前先将超导导线组的顶角采用化学或机械的方法进行修磨，使上述顶角形成圆顶角，然后使所述绝缘层至少局部覆盖包含组件顶角在内的超导导线的外表面。
31.根据权利要求30所述的制备超导导线组件的方法，其特征在于采用化学腐蚀、机械研磨或模具成型加工的方法对超导导线组的顶角进行修磨。
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