CN101471159A - 多芯超导导线的制备方法及其产品 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及多芯超导导线的制备方法及其产品，多芯超导导线的制备方法包括先制备单芯超导导线，其包含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，然后将上述制得的单芯超导导线截成多段，装入外套管中形成多芯结构，使每段单芯超导导线之间沿着长度方向互相平行，在横截面上分层排列，最内层的单芯超导导线的数量至少是3，最后再拔制、热处理上述制得的导线，利用该方法制备的超导导线具有较高的电学性能。

Description

多芯超导导线的制备方法及其产品
技术领域
本发明涉及多芯超导导线的制备方法及其产品。
背景技术
目前工业化的超导导线为高温超导带材，其已在高温超导电缆、高温超导电机等电力器件上得到了广泛应用，这些应用都需要超导带材具有较高的电学性能和机械性能。
制备高温超导带材的方法一般采用金属套管法，该法通常包括制备单芯超导导线、装多芯、拔制、轧制和热处理等过程。
1、制备单芯超导导线  该单芯超导导线包含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。目前大多数单芯线的截面形状为圆形或正六边形。
2、装多芯  将上述制得的单芯超导导线截成多段，然后将它们装入外套管中形成多芯结构，每段单芯超导导线之间沿着长度方向互相平行，在横截面上主要采用以一段单芯超导导线的中心为对称中心，其余各段分层排列的结构，如图1所示为典型的多芯结构，该多芯超导导线中共有61根单芯。这种多芯的方式增大了超导粉与金属基体的界面，同时也增强了导线的机械性能，如拉应变特性和弯曲应变特性。
3、拔制  把上述制得的多芯线拔制成所需尺寸和截面形状。
4、轧制  通过轧制可以把线材加工成扁平的带材，以减小弯曲应力、增大比表面积(表面积/体积)、增加致密度、优化晶粒取向、减小厚度和增加宽度，并且通过轧制使套管与超导芯更紧密地机械结合，从而使它们之间有更好的电、热接触。
5、热处理  一般指在800-900℃下进行热处理。这一过程的作用主要是改善反应引起的氧化超导体的织构，增强超导颗粒的异向生长，形成合适的超导相。
利用目前工艺制备的高温超导带材的结构仍存在一些有待改善的方面，例如，从图2所示的超导带材横截面显微形貌来看，根据超导芯的密度差异可大致分为3个区：1区为带材中超导芯的内层所在区域，该区超导芯的形状较细长，超导芯的平均横截面积最小，平均密度最大；2区位于带材的边缘并靠近带材的高度面，该区超导芯的形状较短粗，超导芯平均横截面积最大，平均密度最低；3区为带材中超导芯的外层所在区域且接近带材的宽度面，超导芯的平均横截面积和密度居于1区和2区之间。由于超导芯的密度在很大程度上影响超导带材的电学性能，密度较大的超导芯与较高的电学性能密切相关，因此，上述3区尤其是2区的较低的密度分布会严重降低整个超导带材的载流能力。
基于上述情况，需要提出一种制备超导导线的方法来优化超导带材的形状和密度分布，从而提高整个超导带材的电学性能。
发明内容
本发明提供一种制备多芯超导导线的方法，其包括如下步骤：
a1)制备单芯超导导线，其包含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。单芯的横截面可为正六边形或圆形。金属基体优选银或银合金材料。
b1)将上述制得的单芯超导导线至少截成3段，然后将它们装入外套管中形成多芯结构，使每段单芯超导导线之间沿着长度方向互相平行，最内层的单芯数至少是3，按单芯的横截面情况不同，单芯的排列可采用以下方式：
当单芯的横截面为正六边形时：
b11)以正六边形单芯的任一顶点为对称中心，120°旋转对称，向外分层密排；或
b12)以正六边形单芯的任一边的中点为对称中心，180°旋转对称，向外分层密排；
当单芯的横截面为圆形时：
b13)第一层三个圆的圆心连线组成等边三角形，以等边三角形的中心点为对称中心，120°旋转对称，向外分层排列，相邻圆心之间距离保持为等边三角形的边长不变；或
b14)第一层四个圆的圆心连线组成一菱形，以菱形的中心点为对称中心，180°旋转对称，向外分层排列，相邻圆心之间距离保持为菱形的边长不变；
外套管的材料优选银或银合金。
根据上述结构，由于只有最外层一圈出现空隙，所以在单芯尺寸一定的情况下，单芯排列的层数越多，即单芯数越多，填充率越高。但层数过多加大了多芯套管尺寸，会增加拉拔道次，所以单芯数可以通过平衡上述关系确定。如b11)步骤中多芯中所装单芯的数量可选用3、12、21、42、69、102、141，最好为42、69芯，b12)步骤多芯中所装单芯的数量可选用4、14、26、48、76、110、150，最好为48、76芯。对于单芯的尺寸，在装多芯外管内径一定的情况下，单芯尺寸越小，填充率越高；其极限情况就是单芯退化为理想点，则可100％填充。但单芯中间为超导粉，实际不可能像纯金属那样拉拔得很细，且太细时容易弯曲和扭转，不易装管并影响超导性能。因此，单芯的尺寸可以平衡上述关系确定。如A、B多芯结构中横截面为正六边形的单芯线的边长可为0.2-2.5mm；横截面为圆形的单芯线的直径可为0.2-2.5mm。将上述制得的多芯拔制至一定尺寸和截面形状。
c1)热处理。
根据需要，可以在b1)和c1)步骤之间对上述多芯进行轧制，和(或)在c1)步骤之后再轧制，并且这种轧制-热处理过程(即形变热处理过程)可以反复进行几次。
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。
本发明的另一目的是提出利用上述方法制备的多芯超导导线结构，该导线包含至少3根单芯超导导线和包在单芯超导导线周围的至少一种金属基体，其中单芯超导导线包含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，最内层的单芯数至少是3。
如下表所示举例说明本发明与现有技术的区别：
Figure A200710304310D00071
根据上表可以看出利用本发明制备的多芯超导导线与现有技术制备的导线相比单芯在中部更集中，利用本发明制备的超导带材1区单芯的数量明显增多，处于2、3区的单芯的数量相应减少，由于1区单芯的超导性能最好，所以将有利于显著提高整根超导带材的电学性能。
附图说明
下面将结合附图对本发明的具体实例进行详细描述，其中：
图1为利用现有技术制备的55芯高温超导导线的截面示意图；
图2为高温超导带材的截面示意图；
图3为单芯横截面为正六边形的69芯高温超导导线的截面示意图；
图4为单芯横截面为正六边形的76芯高温超导导线的截面示意图；
图5为单芯横截面为圆形的69芯高温超导导线的截面示意图；
图6为单芯横截面为圆形的76芯高温超导导线的截面示意图。
具体实施方式
实施例1：包含b11)步骤的69芯Bi-2223高温超导带材的制备
首先制备一根Bi-2212单芯高温超导导线，其横截面为正六边形，边长为1.47mm，将它截成69段装入一直径为24mm的银镁合金管中，如图3所示，以一根单芯的正六边形的任一顶点为对称中心，120°旋转对称排列，其中1为单芯，该多芯线包含5层单芯，由中心至外每层分别包含3、9、15、21、21根单芯，将上述多芯经过多次拔制，形成直径为1.5mm的多芯圆线，然后将制得的圆线轧制成带材，宽为4.2mm，厚度为0.24mm，最后进行形变热处理得到具有临界电流为130A的69芯Bi-2223高温超导带材。实施例2：包含b12)步骤的76芯Bi-2223高温超导带材的制备
首先制备一根Bi-2212单芯高温超导导线，其横截面为正六边形，边长为1.39mm，将它截成76段装入一直径为24mm的银镁合金管中，如图4所示，以一根单芯的正六边形的任一顶点为对称中心，180°旋转对称排列，其中1为单芯，该多芯线包含5层单芯，由中心至外每层分别包含4、10、16、22、24根单芯，将上述多芯经过多次拔制，形成直径为1.5mm的多芯圆线，然后将制得的圆线轧制成带材，宽为4.2mm，厚度为0.24mm，最后进行形变热处理得到具有临界电流为130A的76芯Bi-2223高温超导带材。
实施例3：包含b13)步骤的69芯Bi-2223高温超导带材的制备
首先制备一根Bi-2212单芯高温超导导线，其横截面为圆形，直径为2.54mm，将它截成69段装入一直径为24mm的银镁合金管中，如图5所示，以一根单芯的正六边形的任一顶点为对称中心，120°旋转对称排列，其中1为单芯，该多芯线包含5层单芯，由中心至外每层分别包含3、9、15、21、21根单芯，将上述多芯经过多次拔制，形成直径为1.5mm的多芯圆线，然后将制得的圆线轧制成带材，宽为4.2mm，厚度为0.24mm，最后进行形变热处理得到具有临界电流为130A的69芯Bi-2223高温超导带材。
实施例4：包含b14)步骤的76芯Bi-2223高温超导带材的制备
首先制备一根Bi-2212单芯高温超导导线，其横截面为圆形，直径为2.40mm，将它截成76段装入一直径为24mm的银镁合金管中，如图6所示，以一根单芯的正六边形的任一顶点为对称中心，180°旋转对称排列，其中1为单芯，该多芯线包含5层单芯，由中心至外每层分别包含4、10、16、22、24根单芯，将上述多芯经过多次拔制，形成直径为1.5mm的多芯圆线，然后将制得的圆线轧制成带材，宽为4.2mm，厚度为0.24mm，最后进行形变热处理得到具有临界电流为130A的76芯Bi-2223高温超导带材。
实施例5：包含b11)步骤的69芯Bi-2223高温超导带材的制备
首先制备一根Bi-2212单芯高温超导导线，其横截面为正六边形，边长为2.5mm，将它截成69段装入一直径为42mm的银镁合金管中，如图3所示，以一根单芯的正六边形的任一顶点为对称中心，120°旋转对称排列，其中1为单芯，该多芯线包含5层单芯，由中心至外每层分别包含3、9、15、21、21根单芯，将上述多芯经过多次拔制，形成直径为1.5mm的多芯圆线，然后将制得的圆线轧制成带材，宽为4.2mm，厚度为0.24mm，最后进行形变热处理得到具有临界电流为130A的69芯Bi-2223高温超导带材。
实施例6：包含b12)步骤的76芯Bi-2223高温超导带材的制备
首先制备一根Bi-2212单芯高温超导导线，其横截面为正六边形，边长为0.2mm，将它截成150段装入一直径为4.85mm的银镁合金管中，如图4所示，以一根单芯的正六边形的任一顶点为对称中心，180°旋转对称排列，其中1为单芯，该多芯线包含5层单芯，由中心至外每层分别包含4、10、16、22、24根单芯，将上述多芯经过多次拔制，形成直径为1.5mm的多芯圆线，然后将制得的圆线轧制成带材，宽为4.2mm，厚度为0.24mm，最后进行形变热处理得到具有临界电流为130A的150芯Bi-2223高温超导带材。
实施例7：包含b14)步骤的76芯Bi-2223高温超导带材的制备
首先制备一根Bi-2212单芯高温超导导线，其横截面为圆形，直径为0.2mm，将它截成150段装入一直径为2.8mm的银镁合金管中，如图6所示，以一根单芯的正六边形的任一顶点为对称中心，180°旋转对称排列，其中1为单芯，该多芯线包含5层单芯，由中心至外每层分别包含4、10、16、22、24根单芯，将上述多芯经过多次拔制，形成直径为1.5mm的多芯圆线，然后将制得的圆线轧制成带材，宽为4.2mm，厚度为0.24mm，最后进行形变热处理得到具有临界电流为130A的150芯Bi-2223高温超导带材。
实施例8：包含b11)步骤的42芯Bi-2223高温超导带材的制备
首先制备一根Bi-2212单芯高温超导导线，其横截面为正六边形，边长为1.88mm，将它截成42段装入一直径为24mm的银镁合金管中，以一根单芯的正六边形的任一顶点为对称中心，120°旋转对称排列，其中1为单芯，该多芯线包含5层单芯，由中心至外每层分别包含3、9、15、21、21根单芯，将上述多芯经过多次拔制，形成直径为1.5mm的多芯圆线，然后将制得的圆线轧制成带材，宽为4.2mm，厚度为0.24mm，最后进行形变热处理得到具有临界电流为130A的42芯Bi-2223高温超导带材。
实施例9：包含b12)步骤的48芯Bi-2223高温超导带材的制备
首先制备一根Bi-2212单芯高温超导导线，其横截面为正六边形，边长为1.75mm，将它截成48段装入一直径为24mm的银镁合金管中，以一根单芯的正六边形的任一顶点为对称中心，180°旋转对称排列，其中1为单芯，该多芯线包含5层单芯，由中心至外每层分别包含4、10、16、22、24根单芯，将上述多芯经过多次拔制，形成直径为1.5mm的多芯圆线，然后将制得的圆线轧制成带材，宽为4.2mm，厚度为0.24mm，最后进行形变热处理得到具有临界电流为130A的48芯Bi-2223高温超导带材。
实施例10：包含b13)步骤的42芯Bi-2223高温超导带材的制备
首先制备一根Bi-2212单芯高温超导导线，其横截面为圆形，直径为3.26mm，将它截成42段装入一直径为24mm的银镁合金管中，以一根单芯的正六边形的任一顶点为对称中心，120°旋转对称排列，其中1为单芯，该多芯线包含5层单芯，由中心至外每层分别包含3、9、15、21、21根单芯，将上述多芯经过多次拔制，形成直径为1.5mm的多芯圆线，然后将制得的圆线轧制成带材，宽为4.2mm，厚度为0.24mm，最后进行形变热处理得到具有临界电流为130A的42芯Bi-2223高温超导带材。
实施例11：包含b14)步骤的48芯Bi-2223高温超导带材的制备
首先制备一根Bi-2212单芯高温超导导线，其横截面为圆形，直径为3.02mm，将它截成48段装入一直径为24mm的银镁合金管中，以一根单芯的正六边形的任一顶点为对称中心，180°旋转对称排列，其中1为单芯，该多芯线包含5层单芯，由中心至外每层分别包含4、10、16、22、24根单芯，将上述多芯经过多次拔制，形成直径为1.5mm的多芯圆线，然后将制得的圆线轧制成带材，宽为4.2mm，厚度为0.24mm，最后进行形变热处理得到具有临界电流为130A的48芯Bi-2223高温超导带材。

Claims (12)

1、一种多芯超导导线的制备方法，包括如下步骤：
a1)制备单芯超导导线，其包含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；
b1)将上述制得的单芯超导导线截成多段，然后将它们装入外套管中形成多芯结构，使每段单芯超导导线之间沿着长度方向互相平行，在横截面上分层排列；
c1)拔制上述制得的导线；和
d1)热处理上述制得的导线；
其特征在于b1)中最内层的单芯超导导线的数量至少是3。
2、根据权利要求1所述的多芯超导导线的制备方法，其特征在于所述的每段单芯超导导线的横截面为正六边形，步骤b1)中包括步骤b11)：以正六边形单芯超导导线的任一顶点为对称中心，120°旋转对称，向外分层密排；
或包括步骤b12)：
以正六边形单芯的任一边的中点为对称中心，180°旋转对称，向外分层密排。
3、根据权利要求2所述的多芯超导导线的制备方法，其特征在于所述的b11)步骤的单芯超导导线的数量为3、12、21、42、69、102或141；或者b12)步骤的单芯超导导线的数量为4、14、26、48、76、110或150。
4、根据权利要求2所述的多芯超导导线的制备方法，其特征在于所述的横截面为正六边形的单芯超导导线的边长为0.2-2.5mm。
5、根据权利要求1所述的多芯超导导线的制备方法，其特征在于所述的每段单芯超导导线的横截面为圆形，步骤b1)中包括步骤b13)：第一层三个圆形超导导线的圆心连线组成等边三角形，以等边三角形的中心点为对称中心，120°旋转对称，向外分层排列，相邻圆形超导导线的圆心之间距离保持为等边三角形的边长不变；
或包括步骤b14)：
b14)第一层四个圆形超导导线的圆心连线组成一菱形，以菱形的中心点为对称中心，180°旋转对称，向外分层排列，相邻圆形超导导线的圆心之间距离保持为菱形的边长不变。
6、根据权利要求5所述的多芯超导导线的制备方法，其特征在于所述的b13)步骤的单芯超导导线的数量为3、12、21、42、69、102或141；或者b14)步骤的单芯超导导线的数量为4、14、26、48、76、110或150。
7、根据权利要求5所述的多芯超导导线的制备方法，其特征在于所述的横截面为圆形的单芯超导导线的直径为0.2-2.54mm。
8、根据权利要求1所述的多芯超导导线的制备方法，其特征在于所述的金属基体的材料为银或银合金。
9、根据权利要求1所述的多芯超导导线的制备方法，其特征在于所述的外套管的材料为银或银合金。
10、根据权利要求1所述的多芯超导导线的制备方法，其特征在于所述方法的c1)和d1)步骤之间还包括轧制。
11、根据权利要求10所述的多芯超导导线的制备方法，其特征在于所述方法的d1)步骤之后还包括轧制。
12、一种根据权利要求1-11任一项所述的制备方法制备的多芯超导导线，其特征在于所述的导线包含至少3段单芯超导导线和包在它们周围的外套管，每段单芯超导导线之间沿着长度方向互相平行，在横截面上分层排列，最内层的单芯数至少是3，每段单芯超导导线包含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。
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