CN102097180B - 一种圆形截面NbTi/YBCO复合超导线 - Google Patents

Abstract

本发明公布一种圆形截面NbTi/YBCO复合超导线，属于超导材料领域。圆形截面的低温超导线由稳定层包覆，高温超导基体层卷制包覆在稳定层上，Ag焊料在高温超导基体层卷制缝内将高温超导基体层焊接并形成Ag焊缝，高温超导体涂层涂覆在高温超导基体层外表面。低温超导线和稳定层为NbTi/Cu低温复合超导线，高温超导基体层和高温超导体涂层的材料分别为Ni-W合金基带和高温超导材料YBCO。本发明将YBCO高温超导涂层导体与NbTi/Cu复合低温超导线复合，利用YBCO高温超导材料n值比低温超导材料NbTi小很多的特点以及超导临界温度高的特性，可以抑制低温/高温超导复合超导线整体电压上升，降低复合超导线温升，使超导磁体比传统的低温和高温超导磁体运行更稳定，效率更高、更安全，应用于高场MRI磁体和MRI磁体等。

Description

一种圆形截面NbTi/YBCO复合超导线

技术领域

本发明属于超导材料领域，特别涉及一种圆形截面NbTi/YBCO复合超导线。

背景技术

超导体最重要的一个属性就是当温度降到临界温度T_c和临界磁场B_c及其以下时，电阻会忽然消失。在临界温度T_c以下，存在一临界电流I_c；当超导体所通电流大于临界电流I_c时，超导体将转换为正常态，即表现为有电阻态。另外，临界电流I_c是温度T和磁场B的函数；随着温度T或磁场B的增加，临界电流I_c会变小，直到消失变为正常态。在某一温度T下，存在一临界磁场B_c，当磁场B大于B_c时，即使温度T低于临界温度T_c，超导特性也将消失。临界磁场B_c也是温度的函数，即随着温度的升高，临界磁场B_c变小。实际超导材料的电流电压超导特性(V-I特性)由两参数的幂指数经验公式(1)来近似描述：

$E=E_c{\left(\frac{I}{I_c}\right)}^n---\left(1\right)$

I和I_c分别为电流和临界电流，E_c为失超时的电场(一般以1V/cm作为标准判据)；n值为拟合指数。一般情况下，I_c和n值是温度T和磁场B的单调递减函数。临界电流I_c和n值是描述超导体超导特性的两个重要参量。

目前，超导体有高温超导体和低温超导体。由超导态向正常态的转变对于高温超导体和低温超导体存在很大的差异。尤其是对于低温超导材料，其从超导态过渡到正常态非常迅速，也即其n值较大；而高温超导材料由超导态向正常态的转变较低温超导材料慢得多，其n值相对较小。

目前绕制低温超导电缆、磁体常用的传统实用低温超导材料如NbTi临界温度9.5K，Nb₃Sn，Nb₃Al等，临界温度在25K以下，n值很高，一般在30以上。一般运行在液氦温区。因此根据磁场和温度的要求来选择不同的超导材料。而目前实用高温超导材料以Bi系和Y系为主，其临界温度在液氮温区以上，但n值较低温超导材料低很多。在低温高场下，高温超导材料临界电流随磁场的增加而减小的程度比传统的低温超导材料要小。所以在制造高于25T以上的高场超大磁体时，通常采用磁体结构为高温超导磁体置于最内层。

由于低温超导材料价格便宜，目前实用的超导磁体仍以低温超导磁体为主。但是由于低温超导体转变温度窄、n值高、工作温区小、热导高、失超传播速度快，最小失超能小，使得传统的低温超导磁体/电缆在很小的机械、温度等扰动下会迅速地从超导态转变为正常态。而高温超导体转变温度很宽、n值低、工作温区大、热导低、失超传播速度慢，最小失超能大，使得高温超导磁体/电缆抗机械、温度等干扰能力强。因此采用合适的稳定措施，以保证超导磁体安全、可靠地运行成为设计超导磁体/电缆的关键技术之一。目前主要通过超导体细丝和高热导率和电导率金属与超导体组合成复合导体来稳定超导体；传统的低温超导线(带)材采用铜或铜合金等作为基材，高温超导线(带)材以银、银合金以及合金加不锈钢作为基材。现有的实用低温超导材料有圆线、扁带等结构，如NbTi、Nb₃Sn、Nb₃Al、MgB₂等以铜或铜镍合金、铁等为基体的复合材料；现有的实用高温超导材料一般为扁带结构，如Bi2223，YBCO等以银或银合金、镍钨合金及双织构合金材料等作为基体材料的复合体。通过使用高热导率和高电导率的金属(如铜、银、及合金等)与超导体组成复合导体虽然提高了磁体的稳定性，但是这种金属的大量使用会使超导工程电流密度降低，同时当金属基材分流时，会产生焦耳热。如果不能及时传出，低温超导体温度会迅速升高，导致超导体的失超。因此，需要一种基于高温超导体和低温超导体n值差异特性的复合超导线，用该复合超导线绕制的超导磁体具有动态稳定性、分流温度、工程电流密度均提高的特性，适合于磁场高于10T的高场磁体和制冷机直接冷却超导磁体。

发明内容

本发明的目的是为了解决背景技术中所述的基于高温超导体和低温超导体n值差异特性的复合超导线，进一步提高现有的用于低温超导磁体的低温超导线或复合导线的稳定性，提高低温超导磁体的运行电流和效率，增加超导填充系数，提高工程电流密度，增加磁体的抗干扰能力，以提高磁体的长时间稳定运行能力。本发明提供一种圆形截面NbTi/YBCO复合超导线，其特征在于，圆形截面的低温超导线11由稳定层12包覆，高温超导基体层13卷制包覆在稳定层12上，Ag焊料在高温超导基体层卷制缝内将高温超导基体层13焊接并形成Ag焊缝15，高温超导体涂层14涂覆在高温超导基体层13外表面。

所述低温超导线11的材料为低温超导材料NbTi，稳定层12的材料为Cu或Al。

所述高温超导基体层13的材料为Ni-W合金基带。

所述高温超导体涂层14的材料为高温超导材料YBCO。

所述高温超导基体层卷制缝的焊接方法为激光Ag焊接技术将Ni-W合金对缝焊接。

所述在高温超导基体层13外表面涂覆高温超导体涂层14的方法为金属有机盐沉积法(MOD)工艺，在高温超导基体层13Ni-W合金基带上涂一层YBCO高温超导涂层导体薄膜。

本发明的原理：YBCO高温超导体在低温、高场下仍具备较的高临界电流，其上临界场达到100T，而低温超导材料NbTi的上临界场低于15T。但是，低温超导线NbTi的n值(大于30)比高温超导YBCO的n值(小于18)高得多；在绕制成磁体后，NbTi低温超导磁体的n值一般大于25，而YBCO高温超导磁体的n值小于12。所以利用YBCO高温超导带绕制成磁体以后的n值比NbTi低温超导磁体n值小得多的特点，来克服由于低温超导材料NbTi的n值大、容易发生突然由超导态向正常态的跃变从而导致NbTi低温超导磁体容易失超甚至烧毁的缺点。因为NbTi低温超导体由超导态转变到正常态的转变宽度比高温超导体YBCO的转变宽度小得多，从纯粹超导特性方面来衡量，NbTi低温超导材料优于高温超导材料YBCO。另外，由于高温超导材料YBCO是氧化物陶瓷，一般采用Ni-W等合金作为基底材料，它的拉伸和弯曲机械特性比NbTi低温超导线的机械特性差得多，给磁体绕制技术方面带来很大困难。尽管目前实用化YBCO高温超导带材采用合金作为基底材料，在一定程度上增加了YBCO高温超导带的机械强度，但是增加了基底材料的电阻率，同时带来了其它方面的问题如热传导系数降低、分流等能力下降的缺点，使YBCO高温超导材料的电磁及热稳定性降低；使YBCO高温超导磁体的稳定运行、失超检测和保护等变得非常困难。

但是从磁体运行稳定性、锻炼效应、抗(磁和热)等干扰能力方面，YBCO高温超导磁体优于NbTi低温超导磁体。一方面高温超导材料YBCO的临界温度(92K)远高于NbTi低温超导材料的临界温度(9.2K)，所以高温超导材料YBCO比低温超导材料NbTi具有很强的热稳定性；另一方面，低温超导材料NbTi的失超传播速度比高温超导材料YBCO快近两个数量级，所以NbTi低温超导磁体的失超检测比YBCO高温超导磁体容易。

本发明利用NbTi低温和YBCO高温超导材料的n值不同的特性，结合了两者的优势，使超导磁体(尤其磁场高于10T的超导磁体)能够比纯粹的低温NbTi和YBCO高温超导磁体运行更稳定，效率更高、更安全。具体表现是：当圆形截面NbTi/YBCO复合超导线绕制的磁体在正常运行时，由于NbTi低温超导材料的n值比YBCO高温超导材料的n值高得多，电流必优先流经低温超导体NbTi；当低温超导体NbTi电流达到一定值后，如接近它的临界电流，如果没有与YBCO高温超导体复合，磁体将很快失超，由于YBCO高温超导材料的n值低，电流将逐渐流过YBCO高温超导材料，抑制低/高温复合超导材料整体电压上升，降低超导体温度升高；因为即使有温升，只要低于92K，YBCO高温超导材料仍然处于超导态。所以从总体上可以增加超导磁体的稳定性，提高超导磁体运行电流即减小运行电流设计裕度，提高超导电性效率。

本发明所涉及的新型复合超导线正常工作时，大部分电流首先由NbTi低温超导线承载，YBCO高温超导涂层承载小部分电流，这时候因为NbTi低温超导线的n值远高于YBCO高温超导涂层导体的n值；一旦在局部存在一个小的扰动使NbTi低温超导线局部温度升高，甚至导致局部失超，则其电压迅速增大，电流迅速由NbTi超导体分流到YBCO高温超导体中，这样YBCO高温超导涂层承担大部分电流而使导体整体电压限制在一个很小的安全范围内；当扰动消失后，NbTi低温超导线又可恢复其固有的超导特性，YBCO高温超导涂层中的电流又返回到NbTi低温超导线中，重新达到稳定状态；因而极大地提高了超导磁体的动态稳定性。

本发明的有益效果为，本发明是一种新型几何结构的超导复合线材，比其它低温复合超导线稳定，超导填充率高，工程电流密度大，分流温度高，临界电流没有各向异性。用本发明的圆形截面NbTi/YBCO复合超导线制作的超导磁体，不仅可大大提高超导磁体的安全稳定性，提高了超导运行电流即减小电流裕度，提高了超导电性效率，对于高场超导磁体尤其是磁场高于10T的超导磁体和传导冷却超导磁体，尤其高场MRI磁体、MRI磁体等应用具有广阔应用前景。

附图说明

图1为圆形截面NbTi/YBCO复合超导线的截面示意图；

图2为本发明焊接实施流程示意图；

图3为本发明高温超导YBCO涂层实施流程示意图。

图中，11--低温超导线，12--稳定层，13--高温超导基体层，14--高温超导体涂层，15--Ag焊缝，21--NbTi/Cu低温复合超导线，22--Ni-W合金基带，23--激光焊接焊枪，24--清洁装置，25--NbTi/Cu/Ni-W复合导线，26--定滑轮，27--化学试剂容器，28--YBCO涂层溶液；29--热处理装置，30--圆形截面NbTi/YBCO复合超导线，31--收线轴。

具体实施方式

下面结合附图及具体实例对本发明作进一步说明。

图1为实施例圆形截面NbTi/YBCO复合超导线的截面示意图。圆形截面NbTi/YBCO复合超导线由低温超导线11、稳定层12、，高温超导基体层13、高温超导体涂层14和Ag焊缝15组成，圆形截面的低温超导线11由稳定层12包覆，高温超导基体层13卷制包覆在稳定层12上，Ag焊料在高温超导基体层卷制缝内将高温超导基体层13焊接并形成Ag焊缝15，高温超导体涂层14涂覆在高温超导基体层13外表面。其中低温超导线11和稳定层12为NbTi/Cu低温复合超导线。

如图2所示，首先用螺旋卷制方法将Ni-W合金基带22卷制在NbTi/Cu低温复合超导线21的外表面，再用激光Ag焊接技术由激光焊接焊枪23将Ni-W合金带对缝焊接在NbTi/Cu低温复合超导线21的外表面形成高温超导基体层13和Ag焊缝15，NbTi/Cu低温复合超导线21、Ni-W合金基带22和Ag焊缝15构成NbTi/Cu/Ni-W复合导线25，在经过清洁装置24对NbTi/Cu/Ni-W复合导线25清洗后进入高温超导体涂层14涂覆工艺过程。

图3为本发明高温超导YBCO涂层实施流程示意图，采用金属有机盐沉积法(MOD)工艺，在基体Ni-W合金带上涂一层YBCO高温超导涂层导体薄膜。NbTi/Cu/Ni-W复合导线25经定滑轮26的改变运动方向进入化学试剂容器27和热处理装置29。NbTi/Cu/Ni-W复合导线25在化学试剂容器27内浸泡在YBCO涂层溶液28中利用金属有机盐沉积法工艺，在基体Ni-W合金带上涂一层YBCO高温超导涂层。涂覆了YBCO高温超导涂层后在热处理装置29中经热处理后完成圆形截面NbTi/YBCO复合超导线30的制造，经收线轴31缠绕成圆形截面NbTi/YBCO复合超导线成品。本发明方法可以进行规模化生产。

本发明通过激光Ag焊接技术和MOD工艺使得NbTi低温超导线和YBCO高温超导涂层导体复合，可以在NbTi低温超导线局部失超后电压升高，利用YBCO高温超导材料n值小和NbTi低温超导材料n值大的特点，由YBCO高温超导涂层导体承担部分过电流，从而抑制复合超导线整体电压上升，抑制复合超导线温度升高。所以本发明从整体上看，比其它低温复合超导线稳定、超导填充率高、工程电流密度大、分流温度高，从而增加了超导磁体的稳定性，提高了超导运行电流即减小电流裕度，提高了超导电性效率。对于高场超导磁体尤其是磁场高于10T的超导磁体和传导冷却超导磁体具有重要应用前景。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种圆形截面NbTi/YBCO复合超导线，其特征在于，圆形截面的低温超导线(11)由稳定层(12)包覆，高温超导基体层(13)卷制包覆在稳定层(12)上，Ag焊料在高温超导基体层卷制缝内将高温超导基体层(13)焊接并形成Ag焊缝(15)，高温超导体涂层(14)涂覆在高温超导基体层(13)外表面；

所述低温超导线(11)的材料为低温超导材料NbTi，稳定层(12)的材料为Cu或Al；所述高温超导基体层(13)的材料为Ni-W合金基带；所述高温超导体涂层(14)的材料为高温超导材料YBCO。

2.根据权利要求1所述的一种圆形截面NbTi/YBCO复合超导线，其特征在于，所述高温超导基体层卷制缝的焊接方法为激光Ag焊接技术将Ni-W合金对缝焊接。

3.根据权利要求1所述的一种圆形截面NbTi/YBCO复合超导线，其特征在于，所述在高温超导基体层(13)外表面涂覆高温超导体涂层(14)的方法为金属有机盐沉积法工艺，在高温超导基体层(13)Ni-W合金基带上涂一层YBCO高温超导体涂层薄膜。

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