CN102779580A - 基于ReBCO涂层超导体和NbTi低温超导体的圆截面复合超导线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于ReBCO涂层超导体和NbTi低温超导体的圆截面复合超导线，属于超导材料领域。圆形截面的NbTi低温超导线由ReBCO涂层超导体包覆，Ag焊料在高温超导涂层导体卷制缝内将高温超导涂层导体焊接并形成焊缝。本发明将ReBCO涂层超导体与圆形截面的NbTi低温超导线复合，利用ReBCO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，提高工程电流密度、分流温度、最小失超能，抑制低/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NMR磁体。
Description
技术领域
本发明属于实用超导材料领域，特别涉及基于ReBCO涂层超导体和NbTi低温超导体的圆截面复合超导线。
背景技术
超导体包括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。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：
I和Ic分别为电流和临界电流，Ec为失超时的电场（一般以1μV/cm作为标准判据）；n值为拟合指数。一般情况下，Ic和n值是温度T和磁场B的单调递减函数。临界电流Ic和n值是描述超导体超导特性的两个重要参量。图1为典型的高温和低温超导材料V-I特性曲线。
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，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，高温超导线材或高温超导带材以银、银合金、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ReBCO（稀土系钡铜氧，Re为Y、Sm或 Nd）以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。
第一种方案为，一种基于ReBCO涂层超导体和NbTi低温超导体的圆截面复合超导线，由低温超导线11、高温超导涂层导体12和焊缝13组成，圆形截面的低温超导线11由高温超导涂层导体12包覆，Ag焊料在高温超导涂层导体12卷制缝内将高温超导涂层导体12焊接并形成焊缝13；
所述低温超导线11的材料为低温超导材料NbTi；
所述高温超导涂层导体12为ReBCO涂层超导体，高温超导涂层导体12的高温超导涂层导体超导薄膜层121涂覆在高温超导涂层导体基体层122的一个面上，高温超导涂层导体12作为包覆带卷制包覆在低温超导线11上，高温超导涂层导体超导薄膜层121面向内侧与低温超导线11接触；
所述高温超导涂层导体12卷制缝的焊接方法为激光Ag焊接技术对缝焊接。
第二种方案为，另一种基于ReBCO涂层超导体和NbTi低温超导体的圆截面复合超导线，由圆形横截面的复合超导线线芯和包覆层14组成，圆形截面的复合超导线线芯由低温超导线11和高温超导涂层导体12组成，高温超导涂层导体12包覆在低温超导线11的外面，形成高温超导涂层导体搭接缝15，复合超导线线芯由包覆层14包覆，Ag焊料在包覆层卷制缝内将包覆层14焊接并形成焊缝13；
所述低温超导线11的材料为低温超导材料NbTi；
所述高温超导涂层导体12为ReBCO涂层超导体，高温超导涂层导体12的高温超导涂层导体超导薄膜层121涂覆在高温超导涂层导体基体层122的一个面上，高温超导涂层导体12卷制包覆在低温超导线11上，高温超导涂层导体超导薄膜层121面向内侧与低温超导线11接触；
所述包覆层14所用的包覆带材料为铜带、铝带、铝合金带或不锈钢带；
所述包覆层14卷制缝的焊接方法为激光Ag焊接技术对缝焊接。
本发明的原理：ReBCO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ReBCO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ReBCO高温超导磁体的n值小于12。所以利用ReBCO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ReBCO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ReBCO。另外，由于高温超导材料ReBCO是氧化物陶瓷，一般采用Ni-W等合金作为基底材料，它的机械特性（拉伸和弯曲）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ReBCO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ReBCO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ReBCO高温超导材料的电磁及热稳定性降低；使ReBCO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，ReBCO高温超导磁体优于NbTi低温超导磁体。一方面高温超导材料REBCO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ReBCO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ReBCO快近两个数量级，所以NbTi低温超导磁体的失超检测比ReBCO高温超导磁体容易。
本发明利用NbTi低温和ReBCO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NbTi低温超导磁体和ReBCO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/ReBCO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ReBCO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ReBCO高温超导体复合，磁体将很快失超），由于ReBCO高温超导材料的n值低，电流将逐渐流过ReBCO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，ReBCO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，ReBCO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ReBCO涂层超导体的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ReBCO高温超导体中，这样ReBCO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，ReBCO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。用本发明的基于高温超导涂层导体和低温超导体的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，尤其对于高场MRI磁体等具有广阔应用前景。
附图说明
图1为典型的高温和低温超导材料V-I特性曲线；
图2为一种ReBCO涂层超导体和NbTi低温超导体的复合超导线的截面示意图；
图2A为图2中A处放大示意图；
图3为另一种ReBCO涂层超导体和NbTi低温超导体的复合超导线的截面示意图；
图3A为图3中B处放大示意图；
图4为本发明焊接实施流程示意图。
图中，11--低温超导线，12--高温超导涂层导体，121--高温超导涂层导体超导薄膜层，122--高温超导涂层导体基体层，13--焊缝，14--包覆层，15--高温超导涂层导体搭接缝，21--线芯， 22--包覆带，23--激光焊接焊枪，24--清洁装置，25--高温超导涂层导体和低温超导体的复合超导线。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
图2和图3分别给出了基于ReBCO涂层超导体和NbTi低温超导体的圆截面复合超导线的2种实施例结构示意图。
实施例1，一种基于ReBCO涂层超导体和NbTi低温超导体的圆截面复合超导线。
图2为一种ReBCO涂层超导体和NbTi低温超导体的复合超导线的截面示意图，基于ReBCO涂层超导体和NbTi低温超导体的圆截面复合超导线由低温超导线11、高温超导涂层导体12和焊缝13组成，圆形截面的低温超导线11由高温超导涂层导体12包覆，Ag焊料在高温超导涂层导体12卷制缝内将高温超导涂层导体12焊接并形成焊缝13。低温超导线11的材料为低温超导材料NbTi。如图2A所示，高温超导涂层导体12为ReBCO涂层超导体，高温超导涂层导体12的高温超导涂层导体超导薄膜层121涂覆在高温超导涂层导体基体层122的一个面上，高温超导涂层导体12作为包覆带卷制包覆在低温超导线11上，高温超导涂层导体超导薄膜层121面向内侧与低温超导线11接触。
高温超导涂层导体12卷制缝的焊接方法为激光Ag焊接技术对缝焊接。如图4所示，以低温超导线11作为线芯21，高温超导涂层导体12作为包覆带22，包覆带22卷制在复合超导线线芯21的外表面，再用激光Ag焊接技术由激光焊接焊枪23将高温超导涂层导体卷制缝焊接，在线芯21的外表面形成高温超导涂层导体层和焊缝，构成高温超导涂层导体和低温超导体的复合超导线25，最后经过清洁装置24对高温超导涂层导体和低温超导体的复合超导线25进行清洗。
图2中，低温超导线11为NbTi，直径为0.60mm；高温超导涂层导体12的材料为ReBCO系（稀土钡铜氧系）中的YBCO涂层超导带材，厚度为0.20mm，圆截面复合超导线直径为1.00mm，自场下临界电流约为1160A。
实施例2，另一种基于ReBCO涂层超导体和NbTi低温超导体的圆截面复合超导线。
图3为另一种ReBCO涂层超导体和NbTi低温超导体的复合超导线的截面示意图。ReBCO涂层超导体和NbTi低温超导体的复合超导线由圆形横截面的复合超导线线芯和包覆层14组成，圆形截面的复合超导线线芯由低温超导线11和高温超导涂层导体12组成，高温超导涂层导体12包覆在低温超导线11的外面，形成高温超导涂层导体搭接缝15，复合超导线线芯由包覆层14包覆，包覆层14所用的包覆带材料为铜带，Ag焊料在包覆层卷制缝内将包覆层14焊接并形成焊缝13。低温超导线11的材料为低温超导材料NbTi。如图3A所示，高温超导涂层导体12为ReBCO涂层超导体，高温超导涂层导体12的高温超导涂层导体超导薄膜层121涂覆在高温超导涂层导体基体层122的一个面上，高温超导涂层导体12卷制包覆在低温超导线11上，高温超导涂层导体超导薄膜层121面向内侧与低温超导线11接触。
包覆层14卷制缝的焊接方法为激光Ag焊接技术对缝焊接。如图4所示，以低温超导线11包覆了高温超导涂层导体12组成的圆形截面的复合超导线作为线芯21，包覆层14的包覆带材料铜带作为包覆带22，用螺旋卷制方法将包覆带22卷制在复合超导线线芯21的外表面，再用激光Ag焊接技术由激光焊接焊枪23将包覆带22的卷制缝焊接在复合超导线线芯的外表面形成包覆层和焊缝，构成高温超导涂层导体和低温超导体的复合超导线25，最后经过清洁装置24对高温超导涂层导体和低温超导体的复合超导线25进行清洗。
图3中，低温超导线11为NbTi，直径为0.60mm；高温超导涂层导体12的材料为ReBCO系（稀土钡铜氧系）中的YBCO涂层超导带材，厚度为0.20mm，包覆层14厚度为0.10mm，圆截面复合超导线直径为1.20mm，自场下临界电流约为1160A。
本发明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，以及高场MRI磁体等具有广阔应用前景。
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 (4)
1.基于ReBCO涂层超导体和NbTi低温超导体的圆截面复合超导线，其特征在于，基于ReBCO涂层超导体和NbTi低温超导体的圆截面复合超导线由低温超导线（11）、高温超导涂层导体（12）和焊缝（13）组成，圆形截面的低温超导线（11）由高温超导涂层导体（12）包覆，Ag焊料在高温超导涂层导体（12）卷制缝内将高温超导涂层导体（12）焊接并形成焊缝（13）；
所述低温超导线（11）的材料为低温超导材料NbTi；
所述高温超导涂层导体（12）为ReBCO涂层超导体，高温超导涂层导体（12）的高温超导涂层导体超导薄膜层（121）涂覆在高温超导涂层导体基体层（122）的一个面上，高温超导涂层导体（12）作为包覆带卷制包覆在低温超导线（11）上，高温超导涂层导体超导薄膜层（121）面向内侧与低温超导线（11）接触。
2.根据权利要求1所述的基于ReBCO涂层超导体和NbTi低温超导体的圆截面复合超导线，其特征在于，所述高温超导涂层导体（12）卷制缝的焊接方法为激光Ag焊接技术对缝焊接。
3.基于ReBCO涂层超导体和NbTi低温超导体的圆截面复合超导线，其特征在于，由圆形横截面的复合超导线线芯和包覆层（14）组成，圆形截面的复合超导线线芯由低温超导线（11）和高温超导涂层导体（12）组成，高温超导涂层导体（12）包覆在低温超导线（11）的外面，形成高温超导涂层导体搭接缝（15），复合超导线线芯由包覆层（14）包覆，Ag焊料在包覆层卷制缝内将包覆层（14）焊接并形成焊缝（13）。
所述低温超导线（11）的材料为低温超导材料NbTi；
所述高温超导涂层导体（12）为ReBCO涂层超导体，高温超导涂层导体（12）的高温超导涂层导体超导薄膜层（121）涂覆在高温超导涂层导体基体层（122）的一个面上，高温超导涂层导体（12）卷制包覆在低温超导线（11）上，高温超导涂层导体超导薄膜层（121）面向内侧与低温超导线（11）接触；
所述包覆层（14）所用的包覆带材料为铜带、铝带、铝合金带或不锈钢带。
4.根据权利要求3所述的基于ReBCO涂层超导体和NbTi低温超导体的复合超导线，其特征在于，所述包覆层（14）卷制缝的焊接方法为激光Ag焊接技术对缝焊接。
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