CN104167487B - 接触电阻均分布的钇系超导带材及其制备方法、装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种接触电阻均分布的钇系超导带材，包括金属上包覆层、超导带材中心层、金属下包覆层以及电连通焊接金属层，所述超导带材中心层设置于金属上包覆层和金属下包覆层之间，所述金属上包覆层与超导带材中心层之间以及超导带材中心层与金属下包覆层之间均填充有电连通焊接金属层。同时还提供了制备方法和制备装置。本发明接触电阻低；制作工艺简单；接头电阻平均分布在几米的范围内，散热均匀，运行稳定可靠；可重复性和成品率极高，性能稳定均一；接头的均匀程度较好，表面光洁几乎从外表看不出是接头；由于接头上下有封装加强，接头的机械强度更高、延展性更好；可制作无限长的超导带材且里面包含无数多个接头。

Description

接触电阻均分布的钇系超导带材及其制备方法、装置

技术领域

本发明涉及超导材料技术领域，具体地，涉及一种接触电阻均分布的钇系超导带材及其制备方法、装置。

背景技术

超导由临界温度可分为低温和高温超导。在高温超导带材里按材料不同可分为铋系和钇系高温超导体。铋系高温超导体俗称第一代高温超导，也称BSCCO超导体。钇系高温超导体俗称第二代高温超导，也称YBCO超导体。

随着高温超导材料性能不断提高、价格逐渐降低、超导应用技术日益成熟。高温超导限流器、高温超导电缆、高温超导变压器和高温超导电机等超导应用设备已进入示范试验运行阶段，YBCO超导带材成为了电力装备中重要的材料。超导装置对YBCO带材的长度要求越来越高，但是现有带材制备工艺提供的公里级高温超导带材，显然不能满足超导装置对长度的要求，所以在超导限流器的实际应用中必须要使用大量的接头。接头技术对于制造高临界电流的长超导带材来说十分重要，而且这对于长带材的应用也是必要的。一般要求接头电阻尽可能小，这样可以提高超导设备运行的稳定性，使带材在液氮中运行时发热较少，从而可降低液氮的挥发，提高设备的整体性能。

目前接头的制作方法主要分为压接和焊接。焊接里又分为钎焊和热扩散焊。由于超导带材的种类不同，焊接方法也各有不同。焊接的目的是将两根超导带连接在一起或者将原本一根超导带中间的断点即非超导点或性能较差的点补掉。要求经过焊接的超导带仍然保持超导的特性，不影响原来的临界电流参数。接头电阻要尽可能小，不影响到超导带的应用。电阻的分布要均匀，这样在带材的使用中就不会导致局部过热。另外制作出接头的机械强度要高、延展性要好。

点焊是电阻焊的一种，其原理是在焊件组合后通过电极施加压力，利用电流通过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热进行焊接的工艺方法。采用点焊技术制得的超导接头具有很高的机械强度，但因在通电时使焊接处形成熔核，破坏了YBCO薄膜晶粒的排布，损害了超导性能，也使接头的抗拉强度和疲劳强度均较低。所以一般公认点焊不适合超导接头的焊接。

在目前已知的技术当中没有任何采用点焊的方式制作超导接头。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种接触电阻均分布的钇系超导带材及其制备方法、装置，针对钇系高温超导带材，利用点焊和钎焊相结合的焊接方式，克服了超导界对点焊的偏见认识，有效的制作出了高性能的超导接头。

本发明是通过以下技术方案实现的。

根据本发明的第一个方面，提供了一种接触电阻均分布的钇系超导带材，包括金属上包覆层、超导带材中心层、金属下包覆层以及电连通焊接金属层，所述超导带材中心层设置于金属上包覆层和金属下包覆层之间，所述金属上包覆层的外表面和金属下包覆层的外表面镀有电连通焊接金属层，所述金属上包覆层与超导带材中心层之间以及超导带材中心层与金属下包覆层之间均填充有电连通焊接金属层。

优选地，所述超导带材中心层包括多段超导带材，其中，相邻的超导带材之间通过点焊连接，形成点焊接头。

优选地，所述超导带材采用YBCO超导带材。

优选地，所述金属上包覆层包括多段上包覆层，相邻两段上包覆层之间通过超导补丁带点焊连接；所述超导补丁带覆盖超导带材中心层上的点焊接头。

优选地，所述上包覆层和金属下包覆层均采用铜、黄铜、不锈钢或含有锌、铅、银、锡、镍、铁、铝中任一种或任多种的合金材料。

优选地，所述电连通焊接金属层采用熔融温度在280℃以下、电阻率在50μΩ·cm以下的Pb、Sn、Ag、Cu、In中的任意一种或任多种组合。

根据本发明的第二个方面，提供了一种接触电阻均分布的钇系超导带材的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，制备超导带材中心层：将相邻的YBCO(氧化钇钡铜)超导带材通过点焊方式连接在一起，形成点焊接头；

步骤2，制备金属上包覆层：采用YBCO超导补丁带通过点焊方式将相邻两段上包覆层连接在一起，形成焊点接头，此时，超导补丁带能够覆盖超导带材中心层上的点焊接头；

步骤3，将金属上包覆层、超导带材中心层、金属下包覆层依照位置关系送入装有液体电连通焊接金属材料的制备装置中，通过挤压成型，形成具有金属上包覆层、超导带材中心层、金属下包覆层以及电连通焊接金属层的接触电阻均分布的钇系超导带材。

优选地，所述步骤3中，首先将电连通焊接金属材料放置于制备装置中，对制备装置加热至150度到280度，得到液体电连通焊接金属材料。

优选地，所述步骤3还包括如下步骤：

所述金属上包覆层、超导带材中心层、金属下包覆层进入制备装置前，金属上包覆层、超导带材中心层、金属下包覆层、超导补丁带与上包覆层之间的焊点接头和/或超导带材中心层上的点焊接头上预先涂覆液体或胶体助焊剂。

根据本发明的第三个方面，提供了一种接触电阻均分布的钇系超导带材的制备装置，包括炉体以及设置于炉体进口端的第一导轮组和炉体出口端的第二导轮组；所述炉体用于盛放电连通焊接金属；所述第一导轮组包括三组并行设置的送入导轮，分别用于将金属上包覆层、超导带材中心层和金属下包覆层依照位置关系送入炉体中；所述第二导轮组包括三组与第一导轮组的送入导轮对应设置的送出导轮，所述三组送出导轮形成的送出端呈隙缝结构，用于将金属上包覆层、超导带材中心层、金属下包覆层以及在炉体中镀上的电连通焊接金属层挤压成型后送出。

与现有技术相比，本发明具有如下技术特点：

1、本发明通过采用创新的结构设计和特殊的制备方法，形成的接触电阻均分布的钇系超导带材，解决了现有技术中认为点焊不适合超导接头焊接的技术难题，并且，本发明制作出来的超导接头是目前工业界制作出来接触电阻最低的接头，现有技术中，美国超导公司的YBCO带材接头在20-30nΩ，韩国Sunam超导公司的YBCO带材接头在20-30nΩ，而本发明制作出的YBCO带材接头在1-8nΩ。

2、现有科研使用的热扩散接头与本发明的接头相比，具有两点无法克服的缺陷：一方面是其制作工艺需要在纯氧环境中加热到500度，并且要保持一定压力，工艺过程复杂不利于成批量生产；另外一方面是其接头不可能做长，其接触电阻分布在很短的范围内，在带材实际使用过程中，会造成局部过热；而本发明中的接头制作工艺简单，接头电阻平均分布在几米的范围内，在带材实际的使用过程中，散热均匀，运行稳定可靠。

3、本发明的接头由于使用固定设备利用一定方法制作出来，可重复性和成品率极高，性能稳定均一；接头的均匀程度较好，表面光洁几乎从外表看不出是接头；由于接头上下有封装加强，接头的机械强度更高、延展性更好。

4、利用本发明，可制作无限长的超导带材，且超导带材里面可包含无数多个接头。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明接触电阻均分布的钇系超导带材结构示意图；

图2为本发明接触电阻均分布的钇系超导带材制备方法过程示意图及制备装置结构示意图；

图中：

1为第一段上包覆层；

2为第二段上包覆层；

3为第三段上包覆层；

4为第一焊点接头；

5为YBCO超导补丁带；

6为第二焊点接头；

7为电连通焊接金属层；

8为第一根YBCO超导带材；

9为点焊接头；

10为第二根YBCO超导带材；

11为金属下包覆层；

12为炉体；

13为导轮组；

14为带接头的成型钇系超导带材。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例提供了一种接触电阻均分布的钇系超导带材，包括金属上包覆层、超导带材中心层、金属下包覆层以及电连通焊接金属层，所述超导带材中心层设置于金属上包覆层和金属下包覆层之间，所述金属上包覆层与超导带材中心层之间以及超导带材中心层与金属下包覆层之间均填充有电连通焊接金属层。

进一步地，所述超导带材中心层包括多段超导带材，其中，相邻的超导带材之间通过点焊连接，形成点焊接头。

进一步地，所述超导带材采用YBCO超导带材。

进一步地，所述金属上包覆层包括多段上包覆层，相邻两段上包覆层之间通过超导补丁带点焊连接；所述超导补丁带覆盖超导带材中心层上的点焊接头。

进一步地，所述上包覆层和金属下包覆层均采用铜、黄铜、不锈钢或含有锌、铅、银、锡、镍、铁、铝中任一种或任多种的合金材料。

进一步地，所述电连通焊接金属层采用熔融温度在280℃以下、电阻率在50_μΩ·cm以下的Pb、Sn、Ag、Cu、工n中的任意一种或任多种组合。

如图2所示，本实施例提供的接触电阻均分布的钇系超导带材，其制备方法，包括如下步骤：

步骤1，制备超导带材中心层：将相邻的YBCO(氧化钇钡铜)超导带材通过点焊方式连接在一起，形成点焊接头；

步骤2，制备金属上包覆层：采用YBCO超导补丁带通过点焊方式将相邻两段上包覆层连接在一起，形成焊点接头，此时，超导补丁带能够覆盖超导带材中心层上的点焊接头；

步骤3，将金属上包覆层、超导带材中心层、金属下包覆层依照位置关系送入装有液体电连通焊接金属材料的制备装置中，通过挤压成型，形成具有金属上包覆层、超导带材中心层、金属下包覆层以及电连通焊接金属层的接触电阻均分布的钇系超导带材。

进一步地，所述步骤3中，首先将电连通焊接金属材料放置于制备装置中，对制备装置加热至150度到280度，得到液体电连通焊接金属材料。

进一步地，所述步骤3还包括如下步骤：

所述金属上包覆层、超导带材中心层、金属下包覆层进入制备装置前，金属上包覆层、超导带材中心层、金属下包覆层、超导补丁带与上包覆层之间的焊点接头和/或超导带材中心层上的点焊接头上预先涂覆液体或胶体助焊剂。

如图2所示，本实施例提供的接触电阻均分布的钇系超导带材的制备方法，其制备装置包括炉体以及设置于炉体进口端的第一导轮组和炉体出口端的第二导轮组；所述炉体用于盛放电连通焊接金属；所述第一导轮组包括三组并行设置的送入导轮，分别用于将金属上包覆层、超导带材中心层和金属下包覆层依照位置关系送入炉体中；所述第二导轮组包括三组与第一导轮组的送入导轮对应设置的送出导轮，所述三组送出导轮形成的送出端呈隙缝结构，用于将金属上包覆层、超导带材中心层、金属下包覆层以及在炉体中镀上的电连通焊接金属层挤压成型后送出。

下面以一个单元长度的钇系超导带材为例进行具体说明，但是并不局限于下述特定实施方式，当制作多个单元长度的钇系超导带材时，通过以下方法对多个单元长度的钇系超导带材进行叠加即可实现：

1、第一根YBCO超导带材8和第二根YBCO超导带材10通过点焊的方式连接在一起，形成点焊接头9；

2、将一段YBCO超导补丁带5通过点焊的方式和第一段上包覆层1以及第三段上包覆层3连接在一起，形成第一焊点接头4和第二焊点接头6。超导补丁带5位置正好覆盖点焊接头9；在此步骤中，第二段上包覆层2可以省去，也可以存在，第二段上包覆层2存在时，第一焊点接头4可以省去；

3、将第一段上包覆层1、YBCO超导补丁带5、第三段上包覆层3、第一根YBCO超导带材8、第二根YBCO超导带材10和金属下包覆层11如图2方式置于导轮组13之间；如果第二段上包覆层2存在，将第一段上包覆层1、第二段上包覆层2、YBCO超导补丁带5、第三段上包覆层3、第一根YBCO超导带材8、第二根YBCO超导带材10和金属下包覆层11如图2方式置于导轮组13之间；

4、将炉体12加热到电连通焊接金属融化温度，电连通焊接金属融化成液体；

5、将金属上包覆层1、金属上包覆层2、金属上包覆层3、第一根YBCO超导带材8、第二根YBCO超导带材10和金属下包覆层11从左上侧经过入口端导轮组拖入炉体12，再经过出口端导轮组从右上侧拉出，形成带接头的成型钇系超导带材(超导封装带)14，而成型钇系超导带材14表面以及成型钇系超导带材14内部也随之镀上了电连通焊接金属层7；

6、按照上述方法进行制作，可制作无限长的超导带材，且超导带材里面可以包含无数多个接头。

在本实施例中：

1、第一根YBCO超导带材8、第二根YBCO超导带材10和YBCO超导补丁带5都有正反面，其中超导带材YBCO涂层面为正面。本实施例中，第一根YBCO超导带材8、第二根YBCO超导带材10和YBCO超导补丁带5正面的方向可以向上也可以向下，也可以随意组合；

2、第二段上包覆层2在本实施例中可以省去；

3、第二段上包覆层2在存在的时候，第一点焊4可以省去；

4、第一根YBCO超导带材8、第二根YBCO超导带材10的长度可以是1米-5000米；

5、YBCO超导补丁带5的长度可以是2厘米到30米；

6、第一根YBCO超导带材8、第二根YBCO超导带材10和YBCO超导补丁带5的宽度可以是1毫米-3厘米；

7、第一根YBCO超导带材8、第二根YBCO超导带材10和YBCO超导补丁带5的厚度可以是30微米-300微米；

8、第一根YBCO超导带材8、第二根YBCO超导带材10和YBCO超导补丁带5的拉伸应力可以是0.1N到10N；

9、电连通焊接金属层7采用熔融温度在280℃以下、电阻率在50μΩ·cm以下的金属，可以是Pb、Sn、Ag、Cu或In中任意一种的金属；

10、电连通焊接金属层7采用熔融温度在280℃以下、电阻率在50μΩ·cm以下的合金，可以是Pb、Sn、Ag、Cu或工n中任意一种的合金；

11、炉体12加热到的温度可以是150度到280度；

12、第一段上包覆层1、第二段上包覆层2、第三段上包覆层3和金属下包覆层11的材料可以选自铜、黄铜、不锈钢或含有锌、铅、银、锡、镍、铁和铝的合金的材料；

13、第一段上包覆层1、第二段上包覆层2、第三段上包覆层3、第一根YBCO超导带材8、第二根YBCO超导带材10、金属下包覆层11、第一焊点接头4、第二焊点接头6和点焊接头9在进炉体12之前可以先涂上相应的液体或胶体助焊剂；

14、带接头的钇系超导带材14弯曲至3cm以上的直径不会在所述接头中产生物理上的范性形变，也不会使带接头的钇系超导带材14临界电流下降超过15％，不会使带接头的钇系超导带材14的接头电阻增加超过5％。

本实施例解决了以下技术问题：

1、经过焊接的钇系超导带材仍然保持超导的特性，不影响原来的临界电流参数；

2、接头电阻较小；

3、接头电阻分布均匀；

4、接头机械强度高、延展性好；

5、接头表面保持光洁良好。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种接触电阻均分布的钇系超导带材，其特征在于，包括金属上包覆层、超导带材中心层、金属下包覆层以及电连通焊接金属层，所述超导带材中心层设置于金属上包覆层和金属下包覆层之间，所述金属上包覆层与超导带材中心层之间以及超导带材中心层与金属下包覆层之间均填充有电连通焊接金属层；

所述超导带材中心层包括多段超导带材，其中，相邻的超导带材之间通过点焊连接，形成点焊接头；

所述金属上包覆层包括多段上包覆层，相邻两段上包覆层之间通过超导补丁带点焊连接；所述超导补丁带覆盖超导带材中心层上的点焊接头。

2.根据权利要求1所述的接触电阻均分布的钇系超导带材，其特征在于，所述超导带材采用YBCO超导带材。

3.根据权利要求1所述的接触电阻均分布的钇系超导带材，其特征在于，所述上包覆层和金属下包覆层均采用铜、黄铜、不锈钢。

4.根据权利要求1所述的接触电阻均分布的钇系超导带材，其特征在于，所述上包覆层和金属下包覆层均采用含有锌、铅、银、锡、镍、铁、铝中任一种或任多种的合金材料。

5.根据权利要求1所述的接触电阻均分布的钇系超导带材，其特征在于，所述电连通焊接金属层采用熔融温度在280℃以下、电阻率在50μΩ·cm以下的Pb、Sn、Ag、Cu、In中的任意一种或任多种组合。

6.一种接触电阻均分布的钇系超导带材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，制备超导带材中心层：将相邻的YBCO超导带材通过点焊方式连接在一起，形成点焊接头；

步骤2，制备金属上包覆层：采用YBCO超导补丁带通过点焊方式将相邻两段上包覆层连接在一起，形成焊点接头，此时，超导补丁带能够覆盖超导带材中心层上的点焊接头；

步骤3，将金属上包覆层、超导带材中心层、金属下包覆层依照位置关系送入装有液体电连通焊接金属材料的制备装置中，通过挤压成型，形成具有金属上包覆层、超导带材中心层、金属下包覆层以及电连通焊接金属层的接触电阻均分布的钇系超导带材。

7.根据权利要求6所述的接触电阻均分布的钇系超导带材的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，首先将电连通焊接金属材料放置于制备装置中，对制备装置加热至150摄氏度到280摄氏度，得到液体电连通焊接金属材料。

8.根据权利要求6或7所述的接触电阻均分布的钇系超导带材的制备方法，其特征在于，所述步骤3还包括如下步骤：

所述金属上包覆层、超导带材中心层、金属下包覆层进入制备装置前，金属上包覆层、超导带材中心层、金属下包覆层、超导补丁带与上包覆层之间的焊点接头和/或超导带材中心层上的点焊接头上预先涂覆液体或胶体助焊剂。