CN102779581A - 一种基于ReBCO高温超导带材的超导股线 - Google Patents

Abstract

本发明属于超导材料领域，涉及一种基于ReBCO高温超导带材的超导股线，由超导股线线芯和包覆层组成。ReBCO高温超导带材切割成带材，排列堆叠成横截面为圆形、正方形或长方形的超导股线线芯，包覆层的材料为铜带、铝带、铝合金带、不锈钢带或ReBCO涂层超导带，包覆层卷制包覆在超导股线线芯上，采用激光Ag焊接技术将包覆带对缝焊接。本发明拓展了涂层超导体的应用范围，提高了超导线的工程电流密度、柔韧性和机械强度，适合应用于超导电缆、电流引线等。

Description

一种基于ReBCO高温超导带材的超导股线

技术领域

本发明属于超导材料领域，特别涉及一种基于ReBCO高温超导带材的超导股线。

背景技术

近年来，由于稀土钡铜氧系（ReBCO，Re为Y、Sm或 Nd）超导材料具有更高的临界电流值及在磁场中具有更好的超导性能，人们正在积极开发这类超导材料，特别是ReBCO涂层高温超导材料。从经济和工程应用角度看，涂层超导体更具发展潜力，所以高性能涂层超导体的制备及其应用是各先进国家竞相开发的技术。涂层超导体可以用于制造超导电缆、超导变压器、超导发电机等重要电力电子器件。

高温超导材料具有很强的各向异性，归一化临界电流与磁场大小和方向关系的经验公式为

$I_{\text{c}}/I_{\text{c}}(0)=\exp [?f(\mathrm{\θ})B]---\left(1\right)$

其中I_c(0)为超导材料自场（零外磁场）下的临界电流；θ为磁场与超导材料表面的夹角；与角度变化相关的函数为

$\begin{array}{c}f(\mathrm{\θ})=2.02\×{10}^{?8}{\mathrm{\θ}}^5?2.95\×{10}^{?6}{\mathrm{\θ}}^4+1.04\×{10}^{?4}{\mathrm{\θ}}^3\\ +1.09\×{10}^{?3}{\mathrm{\θ}}^2+3.0\×{10}^{?2}\mathrm{\θ}+1.7\end{array}---\left(2\right)$

图1为高温超导材料归一化临界电流随磁场方向变化的典型曲线，由图可知，在0°～90°范围内，临界电流随着角度的增大而减小。但是当磁场强度较低（小于0.2T）时，磁场角度对临界电流的影响较小，因此在低磁场小角度情况下可以不考虑高温超导材料的各向异性。

另外，对于高场磁体，如在粒子加速器和聚变装置中，要求大电流、低电感和低交流损耗。高场磁体中的超导线应该满足以下条件：大工程电流密度；低交流损耗；较好的柔韧性以及较大的机械强度。而目前的涂层超导体均为带材或板状，在某些特定应用中其柔韧性及机械强度不够。由于其形状均为带状或板状，应用也不大方便。而目前还没有ReBCO高温超导材料的线材或股线，因此，需要一种基于ReBCO高温超导带材的超导股线，用该超导股线绕制的电缆及磁体具有更大的工程电流密度、较好的柔韧性以及较大的机械强度，适用于超导电缆、电流引线等。

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ReBCO高温超导带材的超导股线，进一步提高现有的超导线的工程电流密度、柔韧性和机械强度。本发明提供一种基于ReBCO高温超导带材的超导股线，技术方案为：

第一种方案为，一种基于ReBCO高温超导带材的超导股线的横截面为圆形结构，由圆形横截面的超导股线线芯和包覆层Ⅰ12组成，圆形横截面的超导股线线芯由不同宽度的涂层超导带材Ⅰ11排列堆叠而成，包覆层Ⅰ12卷制包覆在圆形横截面的超导股线线芯上，Ag焊料在包覆层Ⅰ12卷制缝内将包覆层Ⅰ12焊接并形成焊缝15；

所述涂层超导带材Ⅰ11的材料为ReBCO涂层超导板；

所述涂层超导带材Ⅰ11的宽度按照排列堆叠成圆形横截面的超导股线线芯的要求切割；

所述包覆层Ⅰ12所用的包覆带材料为铜带、铝带、铝合金带、不锈钢带或ReBCO涂层超导带；包覆带材料采用ReBCO涂层超导带，ReBCO涂层超导带的超导薄膜面向内侧；

所述包覆层Ⅰ12卷制缝的焊接方法为激光Ag焊接技术将包覆带对缝焊接。

第二种方案为，另一种基于ReBCO高温超导带材的超导股线的横截面为方形结构，由方形横截面的超导股线线芯和包覆层Ⅱ14组成，方形横截面的超导股线线芯由切割成等宽度的涂层超导带材Ⅱ13排列堆叠而成，包覆层Ⅱ14卷制包覆在方形横截面的超导股线线芯上，Ag焊料在包覆层Ⅱ13卷制缝内将包覆层Ⅱ14焊接并形成焊缝15；

所述涂层超导带材Ⅰ11的材料为ReBCO涂层超导板；

所述涂层超导带材Ⅱ13的宽度大于、等于或者小于堆叠后超导股线线芯的厚度；

所述包覆层Ⅱ14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Ⅱ14卷制缝的焊接方法为激光Ag焊接技术将包覆带对缝焊接。

本发明的有益效果为，本发明是一种基于ReBCO高温超导带材的超导股线，拓展了涂层超导体的应用范围，提高了超导线的工程电流密度、柔韧性和机械强度。本发明为包覆材料为铜、铝、铝合金、不锈钢或超导涂层导体的股线，适合应用于超导电缆、电流引线等。

附图说明

图1为高温超导材料归一化临界电流随磁场方向变化的典型曲线；

图2为圆形横截面的超导股线结构示意图；

图3A为涂层超导带材的宽度大于超导股线线芯的厚度的方形横截面的超导股线结构示意图；

图3B为涂层超导带材的宽度等于超导股线线芯的厚度的方形横截面的超导股线结构示意图；

图3C为涂层超导带材的宽度小于超导股线线芯的厚度的方形横截面的超导股线结构示意图；

图4为超导股线包覆层卷制和焊接实施流程示意图。

图中，11--涂层超导带材Ⅰ，12--包覆层Ⅰ，13--涂层超导带材Ⅱ，14--包覆层Ⅱ，15--焊缝，21--排列堆叠后的超导股线线芯，22--包覆带，23--激光焊接焊枪，24--清洁装置，25--高温超导带材的超导股线。

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、图3A、图3B、图3C分别给出了不同横截面的4种超导股线实施例结构示意图。

实施例1，一种基于ReBCO高温超导带材的圆形横截面的超导股线。

一种基于ReBCO高温超导带材的圆形横截面超导股线的横截面结构如图2所示，超导股线由圆形横截面的超导股线线芯和包覆层Ⅰ12组成，圆形横截面的超导股线线芯由不同宽度的涂层超导带材Ⅰ11排列堆叠而成，包覆层Ⅰ12卷制包覆在圆形横截面的超导股线线芯上，Ag焊料在包覆层Ⅰ12卷制缝内将包覆层Ⅰ12焊接并形成焊缝15。

涂层超导带材Ⅰ11的材料为ReBCO（稀土钡铜氧系）中的YBCO涂层超导板。涂层超导带材Ⅰ11的宽度按照排列堆叠成圆形横截面的超导股线线芯的要求切割。

包覆层Ⅰ12所用的包覆带材料为ReBCO（稀土钡铜氧系）中的YBCO涂层超导带，YBCO涂层超导带的超导薄膜面向内侧。

包覆层Ⅰ12卷制包覆在圆形横截面的超导股线线芯上和采用激光Ag焊接技术将包覆带对缝焊接实施流程如图4所示。首先用螺旋卷制方法将包覆带22卷制在排列堆叠后的超导股线线芯21的外表面，再用激光Ag焊接技术由激光焊接焊枪23将卷制后的包覆带对缝焊接在排列堆叠后的超导股线线芯21的外表面形成焊缝，排列堆叠后的超导股线线芯21、卷制和焊接后的包覆带22和焊缝构成高温超导带材的超导股线25，再经过清洁装置24对高温超导带材的超导股线25进行清洗。

图2中，材料为YBCO涂层超导板的涂层超导带材Ⅰ11厚度均为0.20mm，带材堆叠层数为12层（每层宽度分别为1.00mm、1.50mm、1.90mm、2.20mm、2.40mm、2.50mm、2.50mm、2.40mm、2.20mm、1.90mm、1.50mm、1.00mm），包覆层Ⅰ12厚度为0.10mm，圆形截面超导股线的直径为2.70mm，自场下临界电流约为460A。

实施例2，一种基于ReBCO高温超导带材的长方形横截面的超导股线。

一种基于ReBCO高温超导带材的长方形横截面超导股线的横截面结构如图2A所示，超导股线由方形横截面的超导股线线芯和包覆层Ⅱ14组成，长方形横截面的超导股线线芯由切割成等宽度的涂层超导带材Ⅱ13排列堆叠而成，涂层超导带材Ⅱ13的宽度大于堆叠后超导股线线芯的厚度，包覆层Ⅱ14所用的包覆带材料为铜带。包覆层Ⅱ14卷制包覆在长方形横截面的超导股线线芯上，Ag焊料在包覆层Ⅱ14卷制缝内将包覆层Ⅱ14焊接并形成焊缝15。

涂层超导带材Ⅱ13的材料为ReBCO（稀土钡铜氧系）中的YBCO涂层超导板。涂层超导带材Ⅱ13的宽度按照排列堆叠成长方形横截面的超导股线线芯的要求切割。

包覆层Ⅱ14卷制包覆在长方形横截面的超导股线线芯上和采用激光Ag焊接技术将包覆带对缝焊接实施流程与实施例1相同。

图3A中，材料为YBCO涂层超导板的涂层超导带材Ⅱ13中，厚度均为0.20mm，宽度均为3.40mm，堆叠层数为8，包覆层Ⅱ14厚度为0.10mm，长方形截面超导股线截面尺寸为3.60mm×1.80mm，自场下临界电流约为256A。

实施例3，一种基于ReBCO高温超导带材的正方形横截面的超导股线。

基于ReBCO高温超导带材的正方形横截面超导股线的横截面结构如图2B所示，超导股线由正方形横截面的超导股线线芯和包覆层Ⅱ14组成，正方形横截面的超导股线线芯由切割成等宽度的涂层超导带材Ⅱ13排列堆叠而成，涂层超导带材Ⅱ13的宽度等于堆叠后超导股线线芯的厚度，包覆层Ⅱ14所用的包覆带材料为铝合金带。包覆层Ⅱ14卷制包覆在长方形横截面的超导股线线芯上，Ag焊料在包覆层Ⅱ14卷制缝内将包覆层Ⅱ14焊接并形成焊缝15。

涂层超导带材Ⅱ13的材料为ReBCO（稀土钡铜氧系）中的YBCO涂层超导板。涂层超导带材Ⅱ13的宽度按照排列堆叠成正方形横截面的超导股线线芯的要求切割。

包覆层Ⅱ14卷制包覆在正方形横截面的超导股线线芯上和采用激光Ag焊接技术将包覆带对缝焊接实施流程与实施例1相同。

图3B中，材料为YBCO涂层超导板的涂层超导带材Ⅱ13中，厚度均为0.20mm，宽度均为3.60mm，堆叠层数为18，包覆层Ⅱ14厚度为0.10mm，正方形截面超导股线截面边长为3.80mm，自场下临界电流约为1296A。

实施例4，另一种基于ReBCO高温超导带材的长方形横截面的超导股线。

另一种基于ReBCO高温超导带材的长方形横截面超导股线的横截面结构如图2C所示，超导股线由方形横截面的超导股线线芯和包覆层Ⅱ14组成，长方形横截面的超导股线线芯由切割成等宽度的涂层超导带材Ⅱ13排列堆叠而成，涂层超导带材Ⅱ13的宽度小于堆叠后超导股线线芯的厚度，包覆层Ⅱ14所用的包覆带材料为不锈钢带。包覆层Ⅱ14卷制包覆在长方形横截面的超导股线线芯上，Ag焊料在包覆层Ⅱ14卷制缝内将包覆层Ⅱ14焊接并形成焊缝15。

涂层超导带材Ⅱ13的材料为ReBCO（稀土钡铜氧系）中的YBCO涂层超导板。涂层超导带材Ⅱ13的宽度按照排列堆叠成长方形横截面的超导股线线芯的要求切割。

包覆层Ⅱ14卷制包覆在长方形横截面的超导股线线芯上和采用激光Ag焊接技术将包覆带对缝焊接实施流程与实施例1相同。

图3C中，材料为YBCO涂层超导板的涂层超导带材Ⅱ13中，宽度均为1.60mm，堆叠层数为18，包覆层Ⅱ14厚度为0.10mm，长方形截面超导股线截面尺寸为3.80mm×1.80mm，自场下临界电流约为576A。

本发明通过切割及激光焊接技术将涂层超导带制成基于ReBCO高温超导带材的超导体股线。该超导体股线能够大大拓展涂层超导体的应用范围，提高了超导线的工程电流密度、柔韧度和机械强度。包覆材料为铜、铝、铝合金、超导涂层导体的超导体股线适合应用于超导电缆、电流引线等。

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)

1.一种基于ReBCO高温超导带材的超导股线，其特征在于，基于ReBCO高温超导带材的超导股线的横截面为圆形结构，由圆形横截面的超导股线线芯和包覆层Ⅰ（12）组成，圆形横截面的超导股线线芯由不同宽度的涂层超导带材Ⅰ（11）排列堆叠而成，包覆层Ⅰ（12）卷制包覆在圆形横截面的超导股线线芯上，Ag焊料在包覆层Ⅰ（12）卷制缝内将包覆层Ⅰ（12）焊接并形成焊缝（15）；

所述涂层超导带材Ⅰ（11）的材料为ReBCO涂层超导板；

所述涂层超导带材Ⅰ（11）的宽度按照排列堆叠成圆形横截面的超导股线线芯的要求切割；

所述包覆层Ⅰ（12）所用的包覆带材料为铜带、铝带、铝合金带、不锈钢带或ReBCO涂层超导带；包覆带材料采用ReBCO涂层超导带，ReBCO涂层超导带的超导薄膜面向内侧。

2.根据权利要求1所述的基于ReBCO高温超导带材的超导股线，其特征在于，所述包覆层Ⅰ（12）卷制缝的焊接方法为激光Ag焊接技术将包覆带对缝焊接。

3.一种基于ReBCO高温超导带材的超导股线，其特征在于，基于ReBCO高温超导带材的超导股线的横截面为方形结构，由方形横截面的超导股线线芯和包覆层Ⅱ（14）组成，方形横截面的超导股线线芯由切割成等宽度的涂层超导带材Ⅱ（13）排列堆叠而成，包覆层Ⅱ（14）卷制包覆在方形横截面的超导股线线芯上，Ag焊料在包覆层Ⅱ13卷制缝内将包覆层Ⅱ（14）焊接并形成焊缝（15）；

所述涂层超导带材Ⅱ（13）的材料为ReBCO涂层超导板；

所述涂层超导带材Ⅱ（13）的宽度大于、等于或者小于堆叠后超导股线线芯的厚度；

所述包覆层Ⅱ（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高温超导带材的超导股线，其特征在于，所述包覆层Ⅱ（14）卷制缝的焊接方法为激光Ag焊接技术将包覆带对缝焊接。

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