CN105308690A - 增强超导线材及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

用于高温超导带的增强材料。更具体的，本文描述了用于显著降低所需增强的量并且在实际的导体尺寸下获得高得多的应力耐性的增强材料。

Description

增强超导线材及其制造方法
技术领域
本申请大体涉及用于高温超导(HTS)带的增强材料，和包含这些材料的增强超导带物品。更具体地，本文中描述了用于显著减少所需增强的量并且在实际导体尺寸下达到高得多的应力耐性的增强材料。
背景技术
呈合适地开发的形态的超导材料在极低温下能传输由诸如横截面积相同的铜、铝和银的电阻材料能实际且经济地传输的电流许多倍(超过10倍，并且高达至100000倍)的电流而不过热。为了在本文件中的清楚性的目的，将具有小于约3的横截面形状长宽比(aspect)的电导体通常但不唯一地称为线材，同时将具有大于约3的横截面形状长宽比的导体(图1、2、4、6和9)称作带，并且将包含2个以上导体的束称作线缆。全部三种类型都可以用于制造在固定磁体应用如MRI(磁共振成像)、NMR(核磁共振)和加速器磁体中以及在移动磁体应用中如在例如风力发电机中能生成非常大的磁场的线圈。这些导体也可以用于在电流非常高的线缆中长距离传输非常大量的电力而能量损失非常小。在磁体的情况下，导体中的移动电荷和大磁场之间的相互作用能在高磁场下的导体中产生非常大的轴向力(洛伦兹力F＝IL×B，其中I是电流，L是导体长度且B是影响该导体的磁场，并且×表示交叉乘积)，从而需要具有非常高水平的轴向应力耐性而不劣化导体性质主要是其通电能力的增强导体。
已知存在通过添加增强构件来接收这种应力的增强的超导带(参考例如美国专利号5059582，美国专利号5801124，美国专利号5987342，美国专利号6230033，美国专利号6711421，A.Otto，E.J.Harley和R.Mason，超导科学与技术(Supercond.Sci.Technol.)18(2005)S308-S312和A.Otto，E.Podtburg，R.Mason和P.Antaya，IEEE应用超导汇刊(IEEETransactionsonAppliedSuperconductivity)，第17卷，第3071-3074页)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利号5059582
专利文献2：美国专利号5801124
专利文献3：美国专利号5987342
专利文献4：美国专利号6230033
专利文献5：美国专利号6711421
非专利文献
非专利文献1：A.Otto，E.J.Harley和R.Mason，超导科学与技术18(2005)S308-S312
非专利文献2：A.Otto，E.Podtburg，R.Mason和P.Antaya，IEEE应用超导汇刊，第17卷，第3071-3074页
发明内容
技术问题
虽然超导材料能超过某一临界电流(Ic)和相应的临界电流密度水平(Jc)传输比电阻材料大得多的电流密度，但是它们呈现出迅速增加的电阻，这限制了它们在Ic和Jc之下的领域的使用。增强材料和其它材料的添加增加了导体的横截面积，因此降低了在达到超导材料的固有Jc之前导体能运作的最大工程电流密度(Je)。因此，添加尽可能少的材料以获得所需水平的增强(和绝缘)具有大的价值和重要性。
技术方案
本发明鉴定了增强材料的3种属性的特定组合和几种制造HTS带的特定制作条件，所述HTS带具有与利用横截面尺寸相当的不锈钢增强获得的最好现有技术应力耐性相比显著提高的轴向拉伸应力耐性。
临界增强材料属性为弹性模量、在拉伸变形中如果超过其则发生不可逆塑性应变的比例限度应变、和热膨胀系数(CTE)，在本发明中认为全部这些必须以组合超过难以达到的阈值水平。
临界制作条件是当将增强条粘结至超导带时必须施加至增强条的高水平拉伸负荷(导致拉伸弹性应变)，和粘附完成时的最高实际温度。
临界结构特征和大大提高增强超导体的实用性的临界结构特征是提高应力耐性至所需水平所需的对导体横截面积的增强的比。本发明在低于35％的横截面积比下提供比利用现有技术不锈钢能且已达到的拉伸应力耐性大得多的拉伸应力耐性。
根据本发明的一个方面的增强超导带包括：超导带部；和连接至所述超导带部的增强构件。形成所述增强构件的材料包括镍、钴和铬。
有益效果
根据上述方面，可以获得具有提高的拉伸强度的增强超导带。
附图说明
[图1]图1是根据本发明的一个方面的增强超导带的横截面示意图。
[图2]图2是根据本发明的该方面的增强超导带的另一个实例的横截面示意图。
[图3]图3是示出拉伸应力耐性和条厚度之间的关系的图。
[图4]图4是根据本发明的一个方面的增强超导带的横截面示意图。
[图5]图5是用于描述形成示于图4中的增强超导带的超导带部的构造的横截面示意图。
[图6]图6是根据本发明的一方面的增强超导带的另一个实例的横截面示意图。
[图7]图7是用于描述制作根据本发明的该方面的增强超导带的方法的流程图。
[图8]图8是用于描述制作图7中示出的增强超导带的方法的示意图。
[图9]图9是根据本发明的该方面的增强超导带的横截面的照片。
[图10]图10是示出使用根据本发明的该方面的增强超导带的线圈的示意图。
[图11]图11是用于描述制作根据本发明的该方面的增强超导带的方法的示意图。
[图12]图12是用于描述根据本发明的该方面的增强超导带的效果的示意图。
[图13]图13是示出金属材料的CTE和模量之间的关系的图。
[图14]图14是超导带的一个实例的横截面的照片。
[图15]图15是利用不锈钢增强的超导带的一个实例的横截面的照片。
[图16]图16是利用铜合金增强的超导带的一个实例的横截面的照片。
[图17]图17是用于制作根据本发明的该方面的增强超导带的装置的照片。
[图18]图18是示出临界拉伸应力和增强构件的厚度之间的关系的图。
[图19]图19是示出最大工程电流密度(Je)和增强构件的厚度之间的关系的图。
[图20]图20是示出施加至增强超导带的拉伸应力和临界电流之间的关系的图。
[图21]图21是示出增强超导带的临界拉伸应力的图。
[图22]图22是示出对超导带的拉伸试验的照片。
[图23]图23是示出拉伸试验的结果的图。
具体实施方式
下文中将参照附图描述本发明的实施方式。
(本发明实施方式的描述)
根据本发明的一方面的增强超导带1包括超导带部120、1020和连接至所述超导带部的增强构件1030。形成增强构件1030的材料包括镍、钴和铬。因此，通过使用包含上述材料的合金作为增强构件，可以获得如下的增强超导带，所述增强超导带具有与利用由常规不锈钢制成的增强构件达到的拉伸强度相比增加的拉伸强度。
在上述增强超导带中，超导带部可以包括铋系超导导体。增强构件的横截面积对增强超导带的横截面积的比可以为35％以下。在此所述铋系超导导体是由Bi(铋)-Sr(锶)-Ca(钙)-Cu(铜)-O(氧)形成的氧化物超导体，并且指的是由化学式如(Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3OX表示的氧化物超导体。在这种情况下，增强构件的横截面积对增强超导带的总横截面积的比是足够低的。因此，可以减少如下问题的发生：当增强超导带被用于形成线圈等时，线圈的每单位横截面积的流通电流量由于增强构件的存在而变得过小。
在上述增强超导带1中，超导带部可以包括钇系超导导体。增强构件的横截面积对增强超导带的横截面积的比可以为80％以下。在此所述钇系超导导体指的是包括由化学式YBa2Cu3Ox表示的氧化物超导体和稀土系氧化物超导体如HoBCO(钬系超导材料：HoBa2Cu3OX)和GdBCO(钆系超导材料：GdBa2Cu3OX)两者的超导导体。在这种情况下，增强构件的横截面积对增强超导带的总横截面积的比是足够低的。因此，可以减少如下问题的发生：当增强超导带被用于形成线圈等时，增强超导带的每单位横截面积的流通电流量由于增强构件的存在而变得过小。增强构件的横截面积对增强超导带的横截面积的比可以为60％以下。
在上述增强超导带1中，可以沿着超导带部的延伸方向对超导带部施加压缩应力。在这种情况下，上述压缩应力用作对施加至增强超导带1的拉伸应力的抵抗成分。因此，与不施加上述压缩应力至超导带部的情况相比，在增强超导带中可以实现更高的临界拉伸应力。
在上述增强超导带1中，在形成增强构件的材料中，镍可以在从20重量％以上至42重量％以下的范围内，钴可以在从23重量％以上至44重量％以下的范围内，铬可以在从14重量％以上至26重量％以下的范围内。在这种情况下，增强构件的强度可以可靠地提高。
在上述增强超导带1中，镍可以在从25重量％以上至37重量％以下的范围内。在这种情况下，增强构件的强度可以进一步提高。
在上述增强超导带1中，钴可以在从28重量％以上至39重量％以下的范围内。在这种情况下，增强构件的强度可以进一步提高。
在上述增强超导带1中，铬可以在从19重量％以上至21重量％以下的范围内。在这种情况下，增强构件的强度可以进一步提高。
在上述增强超导带1中，形成增强构件的材料可还包括钛。在这种情况下，增强构件的强度可以进一步提高。
在上述增强超导带1中，增强构件可以使得根据以下方程定义的特性值FOM可以超过1050％GPa/K：FOM＝全部在273K～323K的温度范围内的CTE×比例限度应变×模量，其中CTE以PPMm/m/K计，弹性模量以GPa计并且比例限度应变以百分比计。通过使用满足该条件的增强构件，能可靠地提高增强超导带的拉伸强度。
在上述增强超导带1中，相对于当不施加拉伸应力时的临界电流值，当施加400MPa的拉伸应力时的临界电流值的降低率可以为5％以下。在这种情况下，即使在施加拉伸应力的状态中，也可以获得足够高的临界电流值。因此，当增强超导带被用于形成例如线圈的超导装置时，该超导装置可以以稳定方式运作。
在本文中提供的具体实施方式描述增强高温超导体，所述增强高温超导体包含a)BSCCO2223/银带芯，b)在所述带的宽表面的每侧上各一个的两个增强条，c)在所述增强条和所述BSCCO2223/银带芯之间的接合材料，其主要包含含有超过5％的Sn、Pb、In、Sb或Bi中的任一种的有机粘结剂或焊料，所述接合材料涂布组件的外侧和在组件的边缘处的增强条之间涂布，使得所述增强占据小于35％的总复合体横截面积，并且其中所述复合体的临界电流在300K以下的温度下在施加的拉伸应力超过400MPa的情况下劣化不大于5％。
利用这种构造，可以获得与利用由常规不锈钢制成的增强构件达到的拉伸强度相比具有增加的拉伸强度的增强超导带。
用于制作根据本发明的一个方面的增强超导带的方法包括如下步骤：准备超导带部和由包括镍、钴和铬的材料制成的增强构件；将增强构件接合至超导带部。
在这种情况下，可以获得上述增强超导带。
在上述的用于制作增强超导带的方法中，在接合步骤中，可以在有拉伸应力施加至增强构件的情况下，将增强构件接合至超导带部。在这种情况下，压缩应力可以由增强构件施加至超导带部。因此，上述压缩应力用作施加至增强超导带的拉伸应力的抵抗成分。因此，与未施加上述压缩应力至超导带部的情况相比，可以获得具有更高临界拉伸应力的增强超导带。
本文中提供的具体实施方式描述包含如下的增强超导带1：BSCCO2223或Y123系超导体、制造超导氧化物的高电流密度形态所需的银基体或金属基板、和增强导体的横截面积的小于35％且更优选25％的水平的追加增强，当通过传输4点试验法(transport4pointtestmethod)测定时，不可逆Ic劣化第一次超过5％的拉伸应力耐性超过400MPa，更优选500MPa。
在这个试验中，将电压测定电接触置于电流注入接触之间的区域的内侧的增强超导体上。在材料中的拉伸应力和应变逐步增大的同时，通过将电流扫描直至电压的开始，在各个应力增量处测定临界电流。通过这个方法，在300K～4K的范围的应力和应变条件下，确定了在超导材料中导致不可逆Ic劣化的开始的应力和应变。
为了本发明的目的的比例应变限度可以通过应用比通常使用的0.2％水平更严的0.01％～0.05％抵消应变判断标准从高品质应力-应变数据实际地评估。
在本文中提供的和在图1及图9中示出的具体实施方式描述了增强高温超导体，所述增强高温超导体包含a)BSCCO2223/银带芯(超导带部1020，120)，b)夹层结构中的在所述带的宽表面的每侧上各一个的两个增强条(增强构件124和1030)，c)在所述增强条和所述BSCCO2223/银带芯之间的接合材料1040，其主要包含含有超过5％的Sn、Pb、In、Sb、Bi或Zn中的任一种的焊料或有机粘结剂，所述接合材料涂布组件的外侧和在组件的边缘处的增强条之间涂布，使得所述增强占据横截面构造的小于35％的总横截面积，并且其中所述复合体的临界电流在323K以下的温度下在施加的拉伸应力超过400MPa的情况下劣化不大于5％。典型的BSCCO2223/银带芯具有在2mm～5mm宽度范围内的横截面尺寸和在0.15mm～0.3mm厚度范围内的厚度。
在第二个实施方式(在图2中的增强超导带1)中，将在上述尺寸范围中的2个以上的BSCCO2223/银带(超导带部1020)通过焊料或粘结剂(接合材料1040)堆叠在如上所述的增强条之间并且粘附在一起，来达到在低于323K的温度下超过400MPa的应力耐性，并约以所包含的BSCCO2223/银带的数量的比例增大导体的电流。
在本文中提供的更具体的实施方式将增强材料(形成增强构件124，1030的材料)描述为复合超导导体线材、带或线缆的一部分；所述复合超导导体具有高CTE、弹性模量和屈服应变的以下组合：从粘附温度至<110K的平均CTE>11×10-6m/m/K；在周围温度下超过205GPa，并且在<110K下为220GPa的模量；超过0.45％的比例限度应变。
在本文中提供的还更具体的实施方式描述具有性能指数值FOM>1050％GPa/K的增强，其中FOM＝CTE×比例限度应变×模量。其中CTE以PPMm/m/K计，弹性模量以GPa计并且比例限度以百分比计(与最大值约950％GPa/K的不锈钢相比)。注：比例应变限度可以通过应用比通常使用的0.2％水平更严的0.01％～0.1％抵消应变判断标准从高品质应力-应变数据实际地评估。
下文中将通过列出其特性特征描述根据本发明的该方面的增强超导带及其制造方法。
1)在本文中提供的具体实施方式描述了增强超导带，所述增强超导带包含嵌入在银基体中的BSCCO2223超导体丝，和横截面积的小于35％水平的追加增强面积，并且不可逆Ic劣化第一次超过5％的拉伸应力超过400MPa。
2)在本文中提供的具体实施方式描述了增强超导带，所述增强超导带包含基本上嵌入在金属基体中的YBCO123或类似单丝，和横截面积的小于60％水平的追加增强面积，并且不可逆Ic劣化第一次超过5％的拉伸应力超过400MPa。
3)在本文中提供的具体实施方式描述了增强高温超导体，所述增强高温超导带包含a)BSCCO2223/银带芯，b)在所述带的宽表面的每侧上各一个的两个增强条，c)在增强条和BSCCO2223/银带芯之间的接合材料，其主要包含含有超过5％的Sn、Pb、In、Sb或Bi中的任一种的有机粘结剂或焊料，所述接合材料涂布组件的外侧和在组件的边缘处的增强条之间涂布，使得所述增强占据小于35％的总复合体横截面积，并且其中所述复合体的临界电流在300K以下的温度下在施加的拉伸应力超过400MPa的情况下劣化不大于5％。
4)在本文中提供的具体实施方式描述了作为复合超导导电带的一部分的增强材料，所述复合超导导电带具有高CTE、弹性模量和比例限度屈服应变的以下组合。
-从大于273K的粘附温度至小于110K的极低操作温度的平均CTE>11×10-6m/m/K。
-在273K～373K的温度范围内的超过205GPa，并且在<110K下为220GPa的平均模量。
-超过0.45％的比例限度应变。
5)在本文中提供的具体实施方式描述了具有性能指数值FOM>1050％GPA/K的增强材料，其中FOM＝全部在273K～323K的温度范围内的CTE×比例限度应变*×模量，其中CTE以PPMm/m/K计，弹性模量以GPa计并且比例限度以百分比计。
6)在本文中提供的具体实施方式描述了满足以上要求2)、3)和4)，并且至少包含Co>30重量％、Cr>15重量％和Ni>14％的增强条。
7)在本文中提供的具体实施方式描述了具有2)、3)和4)的性质的非磁性增强条。
8)在本文中提供的具体实施方式描述了包含如下的增强材料：市售合金MP159、MP35N、Elgiloy，和满足上述2)、3)和4)中的判断标准的类似的市售配方。
9)在本文中提供的具体实施方式描述了包含如下的增强材料：市售合金MP159、MP35N、Elgiloy，和具有超过0.45％的比例限度、超过1GPa的屈服应力、超过1.6GPa的极限拉伸强度和超过205GPa的弹性模量的类似的市售配方。
10)在本文中提供的具体实施方式描述了利用市售合金MP159、MP35N、Elgiloy和类似的市售配方增强的BSCCO2223/银带，增强的复合体呈现小于5％的不可逆Ic劣化，同时在<300K下支持超过400MPa的轴向拉伸应力。
11)在本文中提供的具体实施方式描述了满足以上2)和3)、包含>20％Be的增强条。
12)在本文中提供的具体实施方式描述了在粘附或并入复合体期间向增强施加轴向拉伸应力来制造超过比例限度的50％的应变，并且增强材料满足2)～4)中的判断标准。
13)在本文中提供的具体实施方式描述了4)、5)、6)、7)、8)、9)和11)的上述增强材料，所述增强材料具有10微米以下厚度的提高焊料湿润的添加表面材料，其包括例如铜、锡、金、银、铂族金属、镓、铟和包含这些元素中的任一种的任何合金。
14)在本文中提供的具体实施方式描述了超导带，所述超导带包含：
超导体；
支持超导体的层压体；和
将超导体粘附至层压体的粘附剂，
其中层压体由至少包含Ni、Co和Cr的组合物制成。
15)在14)的超导带中，
所述镍在20重量％以上至42重量％以下的范围内，
所述钴在23重量％以上至44重量％以下的范围内，
所述铬在14重量％以上至26重量％以下的范围内。
16)在15)的超导带中，
所述镍在25重量％以上至37重量％以下的范围内。
17)在15)的超导带中，
所述钴在28重量％以上至39重量％以下的范围内。
18)在15)的超导带中，
所述铬在19重量％以上至21重量％以下的范围内。
19)在14)的超导带中，
组合物还包含在0.5重量％以上至3.6重量％以下的范围内的Ti。
20)在19)的超导带中，
组合物还包含在1重量％以上至2.9重量％以下的范围内的Ti。
21)在14)的超导带中，
层压体的组成的重量百分比为100重量％以下。
22)在14)的超导带中，
超导体包含至少具有Bi、Sr、Ca和Cu或至少具有Y、Ba和Cu的组合物。
现在将描述本公开内容的具体实施方式。然而，本发明可以以不同的方式实施并且不应被解释为限于本文中阐述的实施方式。倒不如说，提供了这些实施方式使得该公开内容将缜密和完整，并且将向本领域技术人员完整的传达本发明的范围。
除非另有定义，本文中使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的一般技术人员通常所理解的相同的含义。本文中使用的术语仅是为了描述特定实施方式，并且不旨在限制本发明。除非上下文明确地另有指示，否则如在说明书和所附权利要求书中使用的，单数形式“一种(a)”、“一个(an)”和“该(the)”旨在也包括复数形式。
除非另有指示，否则如在说明书和权利要求书中所使用的所有表示成分的量、性质如分子量、反应条件等的数字应理解为在所有情况下被术语“约”修饰，其旨在指示所示值的从90％以上至110％以下的范围。另外，在说明书和权利要求书中的任何范围的公开内容要被理解为包括该范围本身和归入其中的任何内容以及端点。除非另有指示，否则在本说明书和权利要求书中阐述的数值性质为可以依据在本发明的实施方式中试图获得的所需性质变化的近似。尽管阐述本发明的宽范围的数值范围和参数是近似，在具体实施例中阐述的数值被尽可能精确的报道。然而，任何数值，固有地包含从它们各自的测定中发现的误差必然产生的某些误差。
本文中描述的方法的一部分如数学判断、计算、为了方程或其一部分的计算或判断的数据输入可以在一个以上的计算机或计算机体系或其一部分上进行，所述计算机或计算机体系可以包括一个以上处理器，和进行或执行程序并且进行计算或运算的软件。
如在本文中使用的，术语“带”一般是指宽度W至少比其厚度T大3倍(参考图1、2、4、6、9、15和16)的高温超导复合体。从线材通常被理解为传输电流的事实来看，在本文的某些部分中，这种类型的超导带也可以称为线材。然而，本发明属于由具有如下带形的超导体的本定义所描述的高温超导体，所述带形有宽度比厚度大约3倍的矩形横截面。
如在本文中使用的，术语“条”一般指的是呈如下形态的增强材料(增强构件124、1030)，所述形态适于使其粘附至一般宽度至少比其厚度大5倍的超导带并且被制造使得其对超导带粘附。
如在本文中使用的，术语“芯”一般指的是被置于增强条之间并且粘附至增强条的高温超导氧化物复合带(超导带部120、1020)。
增强高温超导(HTS)带提出了困难的挑战。HTS材料是具有陶瓷的脆性质的氧化物。因此将它们通常作为金属陶瓷复合体制造。在目前最先进并且商业化的“BSCCO2223”超导体的情况下，BSCCO超导氧化物((Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3Ox化合物)被制造成有在0.2mm～0.25mm厚且4mm～4.5mm宽的范围内的标称截面的复丝带的形式，基体通常包含在40～200根丝120之间的银或银合金。一旦金属基体-氧化物丝带被变形加工，这些丝就在原位反应并且烧结。虽然能传输非常大的电流，但是这些BSCCO-银带在高场磁体、旋转机械和电力线缆的领域中对许多应用不展示足够的应力、应变、弯曲和局部化的表面压力耐性。因此，为了焊层压在BSCCO/银复合芯的每侧上各一个的合适地湿润的增强条以及通常使用铅锡或高锡焊料的其它种类的HTS带和浸焊技术(参考专利文献1～5及非专利文献1和2)，开发了层压方法(参考图8和9)。为了这个使该方法起作用，需要增强条被焊料充分湿润，并且可以以长度长、薄、几何精确、非磁性、环境稳定的条形态获得。通过将容易湿润用来粘附增强条至芯HTS带上的焊料的金属如铜或锡电镀至层压条上，试下了某些增强条如现有技术不锈钢的湿润。为了提供提高的湿润，也可以使用例如其它方法如化学蚀刻、热浸、蒸气沉积和溅射。
然而，增强条的添加增加了导体横截面积，从而降低了导体的最大工作电流密度，并且这继而非常迅速地减少了HTS在磁体应用中的实用性。在磁体的情况下，即使是导体Je的轻微增加也大大增加它的实用性，因为它允许更小、更轻质磁体的构成。结果，利用最少量的追加增强达到应力耐性的所需水平对于增加HTS导体的实用性是至关重要的。本发明的实施方式的增强材料为如下提供了手段：1)大大减少达到与现有技术相同的益处所需的增强的量，和2)在实际的导体尺寸下达到高得多的应力耐性。
利用铜、黄铜或不锈钢增强的市售的BSCCO2223HTS带是可获得的。其中，轴向应力耐性和弯曲性质的最大提高被在硬回火状态利用不锈钢条证实(参考非专利文献2)。也已经发表了描述高温超导带的增强的背景科学的某些关键方面(参考非专利文献1)并且讨论在增强性质和机械性质之间的某些关系的论文。但是，在实际的材料中达到比不锈钢增强带优异的机械性质所需的具体属性、材料和粘附条件未曾被描述，从现有技术中也不显见。特别地，未曾描述组合的四个因素的至关重要性，并且未曾定义超过这些因素的临界水平的实际材料。
临界增强材料属性为弹性模量、在拉伸变形中如果超过其则发生不可逆塑性应变的比例限度、和热膨胀系数(CTE)，全部这些必须以组合超过难以达到的阈值水平。
临界制作条件为高水平的拉伸负荷和所得的在增强条被粘结至超导带时必须被施加至增强条的最高的可能拉伸弹性应变、和粘附完成的最高实际温度。然后被施加了应变的条，在粘附和从发出(payoff)侧的后张力释放时，轴向收缩并且将超导体芯置于轴向压缩应变的状态中。轴向压缩应变越大，在达到其拉伸应力耐性限度前增强超导体可以支持的轴向拉伸应变越大。在从粘附温度至极低温工作温度冷却时，足够高的CTE提高该效果。通过允许如果超过其则CTE可以收缩并且将超导体置于更大的轴向压缩状态中的更高的温度范围，更高的粘附温度也提高该效果。
然而，应该注意，在层压条中的太大的CTE、张力或模量也可以在条粘附后即刻和冷却前将过多轴向压缩应变置于超导体中，并且导致电流密度劣化。因为这个原因，模量非常高的材料，CTE低的材料如钨(400GPa，5ppmm/m/K)将不提供本文中描述的提高。反过来，CTE非常高，模量低的材料如Zn将不提供本文中描述的提高。
在提高拉伸应力耐性中弹性模量的直接作用是二重的。第一，在粘附和释放时，增加增强带向内部平衡的收缩应变，第二，如在非专利文献1中所述，通过更大的条模量提高增强带模量，使得需要更大的拉伸负荷和应力来向带施加应变至其拉伸应变限度。
临界结构特征，和大大提高增强超导体实用性的临界结构特征，是达到应力耐性提高的所需水平所需的增强横截面积对导体横截面积的比。条的弹性模量越高，增强带支持相同的拉伸应力所需的模量越小。实施方式以小于35％的增强面积部分提供比利用现有技术的不锈钢能且已达到的拉伸应力耐性大得多的拉伸应力耐性。
本发明的具体实施方式由如下组成：增强的BSSCO2223复合带，或使用具有超过特定的最小水平的属性并且粘附至BSCCO2223/银带或YBCO-金属基板带的具有优异应力耐性的YBSCO系(YBa2Cu3Oy超导体)。
在本文中描述的实施方式鉴定为了达到比现有技术大大优异的应力耐性的结构、材料属性和加工条件的收敛，和充分满足这些条件来制造增强超导体的极少的实际增强材料的应用，所述增强超导体具有被证实的超过利用现有技术的不锈钢增强达到的最好轴向应力耐性至少10％且高达至60％的应力耐性。
在具体实施方式中，描述了如在本文中任意的实施方式中所描述的用于制造增强超导带的方法，其中所提供实施方式的应力耐性超过利用硬不锈钢增强的超导带至少约10％～60％；其中进行计算，如果水平在约10％～约60％的这些百分比之间，则材料被认为是可以接受的，并且如果未达到该百分比范围，则该材料是不可接受的。可以对采样的利用不锈钢增强的超导材料或在现有技术中已知的其它标准进行比较，或者可以对通过用户驱动的/或自动执行的计算机访问的已知标准(或从数据库)进行比较。
在本文中描述的具体实施方式中考虑的在纵向条轴方向上的具体且重要的因素包括：1)弹性模量，2)热膨胀系数(CTE)，3)在粘附期间在条中设定最大张力的屈服开始应变(在本文中定义为比例限度)，和4)当将条用焊料粘附至超导氧化物-金属系复合带时施加的层压张力。第5的增强厚度或更一般地增加的增强横截面积部分也提高应力耐性。然而，(在典型的增强条方法的情况下通过增加的厚度达到的)增加的面积部分负面地影响在临界电流密度和强化之间的权衡，本发明教导用于降低增强的所需量的方法，并从而增大导体的工作电流密度。在具体的实施方式中，通过分析，对于追加增强材料，计算对于以上应力耐性的属性1～5的效果，限定了阈值水平的组合集合，如果满足所述组合集合则产生被考虑为可接受的产品，如果不满足，则产品关于它的应力耐性和电流密度被考虑为不可接受的。
<超导氧化物和复合体的拉伸性质>
超导氧化物是几乎不或不支持可察觉的塑性变形的陶瓷。在张力下它们弹性延长直到在临界应变水平断裂。包含例如BSCCO2223相的微细自由立丝的机械性质是不公知的，因为它们不容易制造成那种形态。然而，当轴向张力施加至一般的复丝复合BSCCCO2223/银带形态的时候，带中的低模量银合金基体由于形成高电流密度2223所需的高反应和烧结温度(约800～约850℃)所赋予的高度的退火而在非常低的应变水平(约0.1％)下迁移至塑性变形模式。临界电流通常在约0.2～0.3％的拉伸应变和小于130MPa的应力水平下开始劣化，限制了这些带在许多机械要求更高的应用中的使用。增加临界电流由于BSCCO2223丝开始断裂而开始降低时所处的临界应变和应力是大有益处的。
为了提高这些性质的增强的应用在过去的约25年间是相当多的开发工作和投资的主题。通常的方法通过使压在一起的2个焊料湿润的条和BSCCO/银带通过焊料槽然后固化(参考图3和17)，将薄金属条施加至HTS的各侧。图3示出使用本发明的实施方式的材料(MP35N(注册商标)和MP159(注册商标))和方法的最好情况下的应力耐性，与利用现有技术的不锈钢能达到的最好情况相比，示出根据条厚度和条性质的组合将应力耐性提高了约25％～60％。在商业生产中，由于加工条件和材料性质的可变性，实现的应力耐性可以通常比这些值低10～20％。现有技术制造了不锈钢增强作为达到实际的应力耐性提高的最好方法，同时向横截面添加最少量的增强材料(参考专利文献1～5)。
在以下概念付诸实践中，用于增强BSCCO2223带的现有技术的不锈钢被用作比较的基准。
<为了超越现有技术的不锈钢的实际的增强材料>
具有高CTE的工程材料通常展示低模量，并且具有高模量的材料展示非常低的CTE508。与HTS增强材料的其它要求兼容的非常少的可用工程材料提供可以接受的高模量和CTE两者。所述CTE通常从焊料层压体的固化温度至极低温工作温度必须超过约11ppm(m/m/K)平均，且模量大于约205GPa，并且比例应变限度为约0.4％以上。在对于能满足这些判断标准的材料的初期寻找期间，在相当长的一段时间没有发现合适的实际的材料。
最终使用性能指数(FOM)方法帮助通过将模量、CTE和比例限度应变乘在一起来鉴定合适类别的实际材料。尽管不锈钢通常最高达到750～950％GPa/K的范围的FOM值，但是为了利用增强所需的小面积部分的添加来达到400MPa应力耐性水平的FOM应超过约950％/GPa/K。
据发现，利用非常特别的处理，包含分别超过30重量％、15重量％和14重量％的钴(Co)、铬(Cr)和镍(Ni)的一类合金能满足上述要求。其中最好的是来自SPSTechnologies,Inc.(SPS技术公司)的指定为MP159和MP35N(注册商标)合金配方的合金。
如图3所示，评估显示这些合金的最优应用形态提供比利用不锈钢在跨越0.01～0.05mm的条厚度范围内能达到的最好轴向应力耐性提高约20％～60％的轴向应力耐性。
在这两种合金中，MP35N(注册商标)已经可以更厚的片形态获得，同时MP159需要一些更多的开发来制造片形态。结果为了增强BSCCO2223/银带的试验制造而选择MP35N(注册商标)。上述其它合金被理解为是令人满意的。
本文中描述的及与本文中描述的本发明的任意其它方面使用的具体实施方式包括：提供至少包含Co>30重量％、Cr>15重量％且Ni>14％的增强条；提供非磁性增强条；提供包含市售的合金MP159(注册商标)、MP35N(注册商标)、Elgiloy(注册商标)和类似的市售配方的增强材料；比例限度超过0.4的，屈服应力超过1GPa的，UTS超过1.6GPa和弹性模量超过205GPa；提供利用市售的合金MP159、MP35N(注册商标)、Elgiloy和类似的市售配方增强的BSCCO2223/银带，所述增强复合体在支持超过400MPa的轴向拉伸应力时展示小于5％的Ic劣化；提供在粘附或并入复合体期间向增强施加轴向拉伸应力和应变至超过增强的比例限度应力和应变的50％的水平，且增强材料满足本文中描述的一个以上判断标准；提供在本文中描述的一种以上材料，其具有提高焊料湿润的厚度为10微米以下的添加表面材料，所述添加表面材料包括例如铜、锡和包含这些元素的合金。
基于金属铍的某些合金也满足上述阈值水平。然而Be是贵的，通常不能以长的薄条形态获得，并且它是有毒的。
现在，将参考图1描述根据本发明的一个实施方式的增强超导带的构造。参考图1，增强超导带1主要包括超导带部1020，增强构件1030和接合材料1040。增强构件1030通过接合材料1040固定在超导带部1020上。超导带部1020是带状超导线材，并且包括例如铋系超导导体。将增强构件1030与超导带部1020的主表面(具有相对大的面积的表面部分)重叠布置。增强构件1030和超导带部1020两者都具有带状形态。将接合材料1040形成为延伸至超导带部1020的主表面和连接至该主表面的端面。增强构件1030由包括镍、钴和铬的材料制成。例如，镍在20重量％以上至42重量％以下的范围内，钴在23重量％以上至44重量％以下的范围内，铬在14重量％以上至26重量％以下的范围内。通过使用这种增强构件1030，可以获得与常规超导带的拉伸强度相比具有增大的拉伸强度的增强超导带1。
可以使用包括主体部(由包括镍、钴和铬的上述材料制成的主体部)和在主体部表面上形成的表面处理层的复合构件作为增强构件1030。作为表面处理层，可以形成由具有比上述主体部更优异的对接合材料1040的湿润性的材料制成的层，以便例如增加与接合材料1040的接合强度。当焊料被用作接合材料1040时，例如，可以形成镀层(例如，举例来说，铜(Cu)镀层，或包括镍(Ni))底层和在Ni底层上形成的锡(Sn)镀层的堆叠膜)作为表面处理层。虽然可以形成表面处理层以覆盖主体部的整个表面，但是表面处理层可以至少在与接合材料1040接触的增强构件1030的表面部分上形成。例如，在图1中，表面处理层可以在面向接合材料1040的增强构件1030的表面部分上形成。上述表面处理层不限于上述电镀层，只要其能增加与接合材料1040的接合强度即可，并且表面处理层可以为通过其它处理形成的层(例如，通过利用等离子体蚀刻等去除氧化物膜等获得的主体部的表面层)。
将参考图2描述根据本发明的实施方式的增强超导带的另一个实施例的构造。参考图2，增强超导带1基本上包括与示于图1中增强超导带1类似的构造。然而，增强超导带1与示于图1中的增强超导带1的不同之处在于，两个超导带部1020是堆叠布置的。在这种情况下，也可以获得与由示于图1中的超导带产生的效果类似的效果。另外，因为堆叠了两个超导带部1020，所以能增加能流过一个增强超导带1的电流的量。
在上述增强超导带1中，MP35N(注册商标)和MP159(注册商标)可以例如用作增强构件1030的材料(当增强构件1030是如上述的复合构件时为主体部的材料)。如图3中所示，这些材料比常规用作增强构件1030的材料的不锈钢在轴向拉伸应力耐性方面更优异。在图3中，横轴指示增强构件的厚度(单位：mm)，并且纵轴指示轴向拉伸应力耐性(单位：MPa)。
将参考图4描述根据本发明的实施方式的增强超导带的另一个实施例的构造。参考图4，增强超导带1基本上包括与示于图1中的增强超导带1的构造类似的构造，同时超导带部包括钇系超导导体。如图5中所示，在图4中的超导带部1020主要包括取向基板2021，超导体层2022和稳定化层2023。在稳定化层2023上可以形成保护层。
具有在金属基板材料上设置的中间层的取向基板优选被用作取向基板2021。相对于c轴二轴取向的取向金属基板可以用作金属基板材料。例如，IBAD基板材料，Ni-W合金基板材料，使用SUS等作为基础金属的复合型金属基板材料可以用作金属基板材料。稳定化的氧化锆如CeO2或YSZ、Y2O3等一般可以用作中间层，并且因为能提高晶格匹配和临界电流密度(Jc)，所以将CeO2用作最上层(在超导体层2023侧上的表面层)。
可以将例如RE123系氧化物超导体用作超导体层2022。优选钇(Y)、钆(Gd)、钬(Ho)或钐(Sm)等作为RE。例如气相法如涂布热分解法(MOD法)和PLD法可以用作形成由氧化物超导体形成的超导体层2020的方法。
例如银(Ag)或银合金可以用作稳定化层2023。稳定化层2023的厚度可以例如为10nm以上且5mm以下。
例如包括铜(Cu)、镍(Ni)或它们的合金的金属层可以用作上述形成在稳定化层2023上的保护层。保护层优选具有对用作接合材料1040的焊料的足够的湿润性。即使当金属与焊料接触时，上述金属也不引起金属与焊料反应并且产生空隙的问题。因此，即使当在超导带部1020的厚度方向施加力时，也可以抑制如增强构件1030剥离的问题的发生。
在如图4所示的增强超导带1中，增强构件1030的横截面积对超导带1的总横截面积的比可以为80％以下。在这种情况下，可以抑制在增强超导带1中每单位横截面积的流通电流量变得过小的问题的发生。
将参考图6描述根据本发明的实施方式的增强超导带的另一个实施例的变体的构造。参考图6，增强超导带1基本上包括与示于图4和5中的增强超导带1的构造类似的构造。然而，增强超导带1与示于图4和5中的增强超导带1的不同之处在于，在面向增强构件1030的超导带部1020的前表面及后表面上形成保护层2024。包括Cu、Ni或它们的合金的上述金属层可以用作保护层2024。将一组增强构件1030以夹着超导带部1020的方式布置。通过由焊料制成的接合材料1040，将增强构件1030粘结至超导带部1020，且保护层2024置于其间。
如在图6中所示，接合材料1040设置在增强构件1030和超导带部1020之间。然而，可以将接合材料1040以覆盖增强构件1030的整个表面的方式形成(即，从增强构件1030的表面延伸并且覆盖保护层2024的侧面和超导带部1020的侧面)。在这种情况下，可以防止增强构件1030的剥离。
在示于图1、2和4～6中的增强超导带1中，优选在超导带部1020的延伸方向上对超导带部1020施加压缩应力。在这种情况下，上述压缩应力用作对施加至增强超导带1的拉伸应力的抵抗成分。因此，相对于不施加上述压缩应力至超导带部1020的情况，可以达到在增强超导带1中的更高的临界拉伸应力。通过当将增强构件1030连接至超导带部1020时对增强构件1030施加拉伸应力，可以实现压缩应力的施加。
另外，在示于图2和4～6中的增强超导带1中，包括主体部和表面处理层的上述复合构件可以用作增强构件1030。
实施例
通过参考以下以说明而非限制的方式提供的实施例将更好的理解本发明。在下面提供了实施例。
实施例1
<处理步骤和实验结果>
本实施例还提供关于处理步骤和根据各种实施方式获得的实验结果的细节。在提供的描述中，DI-BSCCO一般指的是由住友电工株式会社制造的包含BSCCO2223的所有超导带，同时H型、HT-SS型和HT-CA型分别是包含BSCCO2223/银，具有两个层压不锈钢条的BSCCO2223/银，和具有两个层压铜合金条的BSCCO2223/银的DI-BSCCO带。术语HT指的是层压增强实施方式。
图7和图8示出用于制造根据实施方式的增强HTS带的某些处理步骤。处理包括三个阶段：准备(S10)，制造(S20)，和评价(S30)。在准备阶段(S10)中，分别准备H型带和增强(金属)带条。在制造(S20)阶段中，生成三层结构108，其中H型HTS带114在张力和高温下被夹在两个增强带的薄膜(带)之间。在评价(S30)相时，对所得结构进行试验以确定其电的和机械性质。
如图8中所示，三层层压结构108包含上面的增强带的薄层110，下面的增强带的薄层112和形成三明治结构的H型HTS带的薄层114。带材料(H型HTS带的薄层114)可以包括超导材料如BCSCO或其它HTS材料。在实施方式中，BSCCO2223被银合金包围(如在别处描述的)。通过在张力和高温下牵引3个部件(上面的增强带的薄层110，下面的增强带的薄层112和H型HTS带的薄层114)通过焊料槽来生成结构108。当结构108冷却后，其收缩，从而留下在压缩残留应力下的复合材料。该残留应力是结构的使得其承受拉伸负荷的期望特征。
所得结构108的横截面的摄影图像也示于图9中。BSCCO2223或其它HTS材料121被银合金122的层包围并且被增强带(增强构件1030)增强和包含。选用于增强的材料在决定增强带的拉伸强度中发挥关键作用。使用常规材料(例如，不锈钢)达到的拉伸强度高达270MPa。然而，根据实施方式，使用NiCoCr合金(例如，以下描述的MP35N)作为增强材料导致所得结构108的拉伸强度急剧增加。根据实施方式，达到高达537MPa的拉伸强度。
图10示出具有提高的拉伸应力耐性的HTS带的实用性，和为了寻求提供增加的拉伸强度的增强材料的动机。由流经线材的电流生成磁场。在磁体应用中，形成其中许多线材围着线轴或类似的物体缠绕的结构202。产生的磁场强度取决于线材缠绕次数。在线材中流动的电流与磁场相互作用，并且由于洛伦兹力诱导了应力204、206、208和210。随着电流增加，应力增加。现在，根据实施方式，在长为1km的DI-BSCCO线材中，实现了200A大的超导临界电流。在高场磁体应用中，期望超导线材和带在高磁场的存在下维持临界电流。在这种应用中，可以发生大于400MPa的环向应力。因为这个原因，由于常规DI-BSCCO带不能承受高的电磁诱导的应力，所以DI-BSCCO带还没有在磁线圈市场被广泛中使用。根据公开的实施方式，对于达到更高的临界电流和更大的拉伸强度，获得了进步。
表1比较了根据常规方法的几个超导带的性能特性。
(表1)
*定义为在该处确认了95％的Ic保持率
在带中流通的电流响应施加应力的方式方面限定临界拉伸应力。当将增加的拉伸应力施加至带时，在施加应力的某些值处，在带中流动的电流开始降低。将临界应力定义为电流降至其最大(临界)值的95％时的应力值。在表1中总结了三种带类型：H型，HT-SS型和HT-CA型。这些中的第一个，即H型表示非增强超导带。第二个即HT-SS型具有由不锈钢制成的增强带，并且第三个即HT-CA型是利用铜合金增强的。所有三种展示相似的临界电流值。然而，具有最高临界应力270MPa的是利用不锈钢增强带增强的HT-SS型线材。然而，该值没有达到获得大于500MPa或甚至400MPa的拉伸应力的目标。再者，另一个缺点涉及工程电流密度的值。增强带的并入增加了整个线材横截面而没有增加总电流。净结果是相对于没有被增强的H类型降低了工程电流密度。因此，存在进一步改进拉伸应力和工程电流密度的需求。
图11和图12示出增强材料的厚度、模量和屈服应力之间的相互作用，这是因为它们与具有增大的拉伸强度的复合结构的生成相关。图11和图12示出为了在两个增强条中引入高水平预张力的处理细节，和增强带的内部应变和应力状态的热失配的效果。增强带402、404在其粘结至超导膜(超导带部406)之前被置于张力405下。通过在高温下牵引复合结构通过焊料槽进行粘结加工。当固化时，作为与焊料接触的结果结构变成粘结的。一旦粘结，就释放施加的张力。因此，当释放增强膜的预张力时，所得结构408获得压缩残留应力409。
厚度、模量和屈服应力确定在粘结前可以在增强带上施加多少预张力。选择增强带402、404使得具有模量和屈服应力的最大可能值。另外，更大的热膨胀系数的值是可期望的。这是因为随着结构408冷却，残留压缩热应力412变大。期望在所得膜中具有最大的可能压缩应力，这是因为超导(例如，BSCCO)材料一般是脆的，并且不支持拉伸应力。存在与增强材料的厚度相关的性能权衡。更大的厚度诱导更大的残留应力，但是具有增大结构的横截面积而导致降低的工程电流密度的缺点。因此，以组合形式具有模量、屈服应力、和热膨胀系数的最大值的材料提供最好的增强材料，是因为相对于具有这些参数的更低值的材料，它们能以更薄的增强层诱导给定的残留应力。
图13示出在CTE和弹性模量之间的反比关系，和各个相对高的值提供相对于不锈钢的适度改进的区域，其然后与比不锈钢更高的屈服应力和应变结合并且提供所需的大且有用的改进，所述改进利用非常精选的少数可获得的材料实现，在这种情况下，所述材料是称作MP35N和MP159的市售Co-Ni-Cr合金。图13示出了对在开发公开的实施方式的更高拉伸强度材料时考虑的各种材料进行的比较。在图13中，横轴指示CTE(单位：ppmm/m/k)并且纵轴指示模量(单位：GPa)。将性能指数定义为模量、热膨胀系数和屈服应力的乘积。两种有前途的材料为合金MP35N和MP159(以下给出组成)。如在表2中所见，这两种材料在它们的模量504和屈服应力506方面比不锈钢304和铜合金表现更好，但是具有更低的热膨胀系数507。
(表2)
材料 CTE 模量 屈服应力
MP35N 12.8 232GPa 1800MPa
MP159 14.3 222GPa 1800MPa
不锈钢304 16.0 180GPa 1200MPa
铜合金 17.3 136GPa 500MPa
CTE：热膨胀系数
以前描述的性能指数方法是有用的，原因在于，它是在一种材料中为了获得能赋予所得复合体最大残留应力的薄增强材料的期望结果应该被最大化的三个因素的乘积。图13在概念上示出在高模量和高热膨胀系数之间倾向于存在权衡，并且最适材料不是具有模量或热膨胀系数中的任一个的最大值的材料。
表3展示所选的材料MP35N和MP159的合金组成。表4展示常规使用的不锈钢的组成。
(表3)
Ni-Co合金的组成
元素 MP35N MP159
Ni 35 余量
Co 余量 36
Cr 20 19
Mo 10 7
Ti 1 2.9
Al - 0.2
Nb - 0.5
Fe 最多1 9
C 最多0.025 最多0.04
B 最多0.01 最多0.03
(表4)
不锈钢304的组成
元素 不锈钢304
Ni 8-10.5
Co -
Cr 18-20
Mo -
Ti -
Al -
Nb -
Fe 余量
C 最多0.08
B -
Si 最多1
Mn 最多2
P 最多0.05
S 最多0.03
来自JISG0321
(JIS：日本工业标准)
与不锈钢不同，具有Ni/Co/Cr作为主要元素的合金MP35N和MP159包含可察觉部分的钴。别的候补增强材料的组成在图A-7中展示。该合金是以商业名“Elgiloy”流通的Ni/Co/Cr“超级合金”。Elgiloy(Co-Cr-Ni合金)是由39～41％的钴、9～21％的铬、14～16％的镍、11.3～20.5％的铁、6～8％的钼和1.5～2.5％的锰组成的“超级合金”。其用于制作具有抗腐蚀性并且展现高强度、延展性和良好疲劳寿命的弹簧。Elgiloy的规格：AMS5876，AMS5833，UNS30003。
图14～16示出被制作和试验的多个候补HTS。每个都是根据关于图7和图8描述的加工步骤制造的。体系包括：图14中的裸H型HTS带802，图15中的HT-SS型不锈钢增强带804，图16中的HT-CA型铜合金增强带806，和图9中利用优异的合金MP35N增强的称为XX型的新增强HTS带1。这些用示于图17中的住友电工(SumitomoElectric)的设备制造。图17示出用于制造层压增强HTS带的层压机。如示出的，三层层压机包括三部分：拉出部分902，焊接部分904和卷取部分906。拉出部分902将张力施加至带406和增强带402、404(参见图11)。在公开的实验中，对每个层压条带施加施加最大200N的张力。通过跳动辊和重量控制张力。在焊接部分904中在焊料槽中在张力和高温下将三层结构融合，并且在卷取部分906中冷却和接受所得复合结构。焊接部分使用利用无铅焊料的流动焊接技术。
图18示出关于增强带的预张力和厚度的HT-SS型体系的电和机械试验的结果。在图18的图中，横轴指示不锈钢带的厚度(单位：mm)，并且纵轴指示在77K下的临界拉伸强度(单位：MPa)。每个体系包括夹在各种厚度的不锈钢带之间的H型带。目的是制造具有大于或等于500MPa的临界拉伸强度的复合结构，但是实用性的最小可接受阈值是400MPa。通过选择足够厚的不锈钢增强带实现了该目的。然而，如以下所描述的，发现所得工程电流密度低得不可接受。
考虑了三个厚度：0.02mm、0.05mm和0.1mm，并且对于这些厚度中的每个，使用预张力的两个值80N和20N制造带，以给出6种不同的增强带类型。对于这些带中的每个，测定临界张力强度。在图18中将结果表示为拉伸强度对带厚度的图。这些结果显示给定体系的拉伸强度是厚度和预张力值两者的增加函数。利用80N的预张力生成的那些体系具有比使用20N的预张力值生成的那些更高的临界拉伸强度。
在图19中将更厚的增强对工程电流密度的不利影响显示为电流密度对带厚的图。在图19中，横轴指示不锈钢带的厚度(单位：mm)，并且纵轴指示工程电流密度Je(单位：A/mm2)。更厚的增强带具有更低的工程电流密度的值，这是因为，在线材的整体厚度随着增加增强带的厚度而增加的同时，载流超导截面的面积保持恒定。如从图19中可以看出，0.1mm线材的工程电流密度比裸H型带(即，不具有增强的超导BSCCO2223银带)能负载的电流密度低50％。因此，虽然利用不锈钢可以获得展示大于500MPa的临界拉伸强度的带，但是这种带具有低得不可接受的工程电流密度。这个事实强调了对于具有高模量、热膨胀系数和屈服应力的增强材料的需求，从而可以利用足够薄的增强条达到高临界拉伸应力，使得工程电流密度足够高。
图20示出使用MP35N作为增强条获得的结果。在图20中，横轴指示拉伸强度(单位：MPa)并且纵轴指示Ic保持率(单位：％)。制造了三种不同的类型。每个体系都包括H型超导芯和具有0.035mm厚度(其给出对于工程电流密度的可接受的值)的MP35N合金的增强条。在生成三种XX型样品时，使用了三个预张力值：100N，140N和170N。如在图20中在临界电流保持率(即，临界电流对拉伸强度)的图中所示，增大的预张力产生增大的临界拉伸强度。使用170N的预张力制造的XX型展示537MPa的临界拉伸强度。该结果显示，通过使用MP35N，生成了展示超过500MPa的临界拉伸应力同时保持可接受的工程电流密度值的期望性质的BSCCO2223系复合带。图20示出利用0.035mm厚的MP35N获得的拉伸应力耐性数据，所述MP35N是满足本发明的模量、CTE和屈服应变规格并且在粘附期间在条中增大张力时展示450～537的应力耐性的材料种类。
图21总结了利用公开的实施方式达到的成功。在图21中，横轴指示在图14中示出的带、在图15中示出的带和在图9中的示出的根据本实施方式的带，并且纵轴指示各个带的临界拉伸强度(单位：MPa)。以上关于图19描述的新的实施方式展示在维持工程电流密度的相当的值的同时，与具有270MPa的基于不锈钢的常规结构相比，显著提高的537MPa的临界拉伸强度的值。根据公开的实施方式，临界拉伸强度相对于未增强的BSCCO-2223/银带的临界拉伸强度提高了超过四倍。
<利用MP35N(注册商标)的实施例的总结>
制造了具有0.035mm×4.5mm的横截面的时效合金MP35N(注册商标)的条。在最好的模式中，铸造合金，然后在高于700℃的温度下进行第一热压延，然后利用退火冷压延至在最终期望厚度的约50～70％内的应变。然后将片在受控制的气氛中在高于1000℃下退火，并且冷压延至在50％～70％范围内的应变。然后将片在非氧化气氛中在约1000F～1050F下进行约2～6小时时效处理，来形成材料的期望高模量、高屈服应变形态。通过从时效片切割(slitting)制造适于层压的窄带，并且它们展示了约0.80％的比例限度拉伸应变，以及对应的约1.80GPa的应力和约220GPa的弹性模量。在清洗后，通过电镀方法利用约0.0015mm厚的铜涂布条以提高焊料湿润。然后利用高锡焊料将条层压至标称尺寸为0.23mm×4.3mm的超导BSCCO2223/银带。在条中的张力为约170N下完成层压。测得Ic劣化开始时的拉伸应力耐性为537MPa。
在表5中示出不锈钢对MP35N和MP159的比较，以及对上述原型增强BSCCO2223/银带的测定值，其示出包含本发明的材料和方法能制造具有比类似面积部分的不锈钢高标称25～60％的增强HTS带。
说明模量、CTE、比例限度和张力的效果的实施例增加增强BSCCO2223/银复合带导体的拉伸应变耐性。非常少的实际的合金充分满足产生比利用不锈钢获得的现有技术高的应力耐性的显著(>15％)提高的要求组合。
(表5)
对于在表5中的实施例的集合，增强复合部件的几何形状为：
a)增强条：横截面为0.035mm×4.5mm
b)BSCCO/银带：横截面为0.226mm×4.3mm
c)焊料：每个增强条约0.012mm厚
d)部分增强：约20～25％
e)部件：1×BSSCO银带，2×增强条
f)湿润处理：通过例如电镀利用0.1～2微米厚的焊料湿润材料如铜或锡涂布增强条。
MP35N(注册商标)和MP159N(注册商标)是包含Co>30重量％、Cr>15重量％和Ni>14重量％的市售合金。在进行合适的变形和时效后，它们展示在上表中示出的性质。它们是非常罕见的，原因在于，它们展示非常高的弹性模量和比例限度应变而没有相应的大的CTE降低。它们在最终时效步骤前也是相当可延展的，并且可以以具有非常好地控制的厚度和宽度尺寸的薄条的形态实际地制造。
由于其高的CTE和模量的组合，铍(Be)也是不普通的。然而，以薄条形态制造其是非常贵而且难的。包含超过约20原子百分比的Be的合金可以满足高模量-高屈服应变高CTE要求，同时也是可商购的。
更大的比例限度允许在粘附时在增强条中施加更大的拉伸负荷和应变，允许在释放和冷却时在BSCCO2223/银带中更大的轴向压缩，并且因此允许在达到BSCCO2223的拉伸应变限度前对增强复合体施加更大的拉伸负荷和应变。
表5示出通过与在粘附期间超过其比例限度应变的一半的增强条的拉伸应变结合分别增加CTE、模量和比例限度达到的改良的具体水平。可以施加的最大粘附张力对增强条施加应变至其比例限度。然而，为了避免局部超过比例限度的可能性，最好以对应于超过比例限度的50％但不超过其90％的应变的最大应力应用增强。表5也示出了与Co-Cr-Ni合金特别是例如以商品名MP35N和MP159已知的合金及类似的合金和铍及其一些合金相比，利用现有技术的不锈钢能达到的应力耐性。
实施例2
对于根据本实施方式的增强超导带，进行了以下试验以确认在制造时预张力的影响。
<样品>
准备了具有0.035mm的厚度并且由MP35N制成的增强构件作为增强构件。准备了示于图14中的超导带作为超导带部。根据参考图7和8描述的制造方法从这些增强构件和超导带制造了增强超导带。然而，在将增强构件粘结至超导带的步骤中，在施加至增强构件的应力(预张力)为25N和120N的两个条件中的每个下，制作了增强超导带的样品
<实验>
在室温下对制作的样品进行了拉伸试验。试验方法符合国际标准IEC61788-18。如在图22中所示，在试验中将Nyilas计3010用作应变计。将Nyilas计3010粘附至用作样品的增强超导带1，并且在由图22中的箭头示出的方向(增强超导带1的延伸方向)上施加应力，并且测定应力和应变之间的关系。
<结果>
将结果示于图23中。图23是示出实验结果的图，其中横轴指示应变(单位：％)并且纵轴指示应力(单位：MPa)。在图23中，用实线指示在制造时预张力为120N的样品的数据，用虚线指示在制造时预张力为25N的样品的数据。
在图23中在实线图的部分3020处，图的倾斜发生改变。可以想象倾斜改变的这一部分是由于在超导带中的超导体丝断裂而发生的。类似地，在图23中在虚线图中，图的倾斜在部分3030处也发生改变。类似地可以想象这一倾斜的改变是由于超导体丝的断裂而发生的。
如从图23可以看到的，在施加了更大预张力的样品中，图的倾斜的改变在更大的应力下发生。换句话说，可以看出，施加了更大预张力的样品能承受应力而不引起超导体丝的断裂，直到达到更高的施加应力水平为止。
工业应用性
上述增强超导带有利地适用于通过使用由MRI、NMR或其它超导带形成的线圈生成磁场的装置。
附图标记说明
1增强超导带，108三层结构，110上面的增强带的薄层，112下面的增强带的薄层，114H型HTS带的薄层，120、1020超导带部，122Ag合金的层，202结构，204、206、208、210应力，402、404增强带，405张力，408所得结构，409压缩残留应力，412热应力，802裸HTS带，804不锈钢增强带，806铜合金增强带，902拉出部分，904焊接部分，906卷取部分，1030增强构件，1040接合材料，2021取向基板，2022超导体层，2023稳定化层，2024保护层。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.(删除)
2.(删除)
3.(删除)
4.(删除)
5.(修改)一种增强超导线材，其包含：
超导带部；和
连接至所述超导带部的增强构件，其中
形成所述增强构件的材料包括镍、钴和铬，并且
在形成所述增强构件的所述材料中，
所述镍在20重量％以上至42重量％以下的范围内，
所述钴在23重量％以上至44重量％以下的范围内，
所述铬在14重量％以上至26重量％以下的范围内。
6.根据权利要求5所述的增强超导线材，其中
所述镍在25重量％以上至37重量％以下的范围内。
7.根据权利要求5或6所述的增强超导线材，其中
所述钴在28重量％以上至39重量％以下的范围内。
8.根据权利要求5～7中的任一项所述的增强超导线材，其中
所述铬在19重量％以上至21重量％以下的范围内。
9.(修改)根据权利要求5～8中的任一项所述的增强超导线材，其中
形成所述增强构件的所述材料还包括钛。
10.(修改)根据权利要求5～9中的任一项所述的增强超导线材，其中
所述增强构件使得根据以下方程定义的特性值FOM超过1050％GPa/K：
FOM＝全部在273K～323K的温度范围内的CTE×比例限度应变×模量，其中CTE以PPMm/m/K计，弹性模量以GPa计并且比例限度应变以百分比计。
11.(修改)根据权利要求5～10中的任一项所述的增强超导线材，其中
施加400MPa的拉伸应力时的临界电流值对不施加拉伸应力时的临界电流值的下降率为5％以下。
12.一种增强高温超导体，其包含：
a)BSCCO2223/银带芯，
b)在所述带的宽表面的每侧上各一个的两个增强条，
c)在所述增强条和所述BSCCO2223/银带芯之间的接合材料，其主要包含含有超过5％的Sn、Pb、In、Sb或Bi中的任一种的有机粘结剂或焊料，所述接合材料涂布组件的外侧和在组件的边缘处的增强条之间涂布，使得所述增强占据小于35％的总复合体横截面积，并且其中所述复合体的临界电流在300K以下的温度下在施加的拉伸应力超过400MPa的情况下劣化不大于5％。
13.(删除)
14.(删除)

Claims (14)

1.一种增强超导线材，其包含：
超导带部；和
连接至所述超导带部的增强构件，其中
形成所述增强构件的材料包括镍、钴和铬。
2.根据权利要求1所述的增强超导线材，其中
所述超导带部包括铋系超导导体，并且
所述增强构件的横截面积对所述增强超导线材的横截面积的比是35％以下。
3.根据权利要求1所述的增强超导线材，其中
所述超导带部包括钇系超导导体，并且
所述增强构件的横截面积对所述增强超导线材的横截面积的比是80％以下。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的增强超导线材，其中
沿着所述超导带部的延伸方向将压缩应力施加至所述超导带部。
5.根据权利要求1～4中的任一项所述的增强超导线材，其中
在形成所述增强构件的所述材料中，
所述镍在20重量％以上至42重量％以下的范围内，
所述钴在23重量％以上至44重量％以下的范围内，
所述铬在14重量％以上至26重量％以下的范围内。
6.根据权利要求5所述的增强超导线材，其中
所述镍在25重量％以上至37重量％以下的范围内。
7.根据权利要求5或6所述的增强超导线材，其中
所述钴在28重量％以上至39重量％以下的范围内。
8.根据权利要求5～7中的任一项所述的增强超导线材，其中
所述铬在19重量％以上至21重量％以下的范围内。
9.根据权利要求1～8中的任一项所述的增强超导线材，其中
形成所述增强构件的所述材料还包括钛。
10.根据权利要求1～9中的任一项所述的增强超导线材，其中
所述增强构件使得根据以下方程定义的特性值FOM超过1050％GPa/K：
FOM＝全部在273K～323K的温度范围内的CTE×比例限度应变×模量，其中CTE以PPMm/m/K计，弹性模量以GPa计并且比例限度应变以百分比计。
11.根据权利要求1～10中的任一项所述的增强超导线材，其中
施加400MPa的拉伸应力时的临界电流值对不施加拉伸应力时的临界电流值的下降率为5％以下。
12.一种增强高温超导体，其包含：
a)BSCCO2223/银带芯，
b)在所述带的宽表面的每侧上各一个的两个增强条，
c)在所述增强条和所述BSCCO2223/银带芯之间的接合材料，其主要包含含有超过5％的Sn、Pb、In、Sb或Bi中的任一种的有机粘结剂或焊料，所述接合材料涂布组件的外侧和在组件的边缘处的增强条之间涂布，使得所述增强占据小于35％的总复合体横截面积，并且其中所述复合体的临界电流在300K以下的温度下在施加的拉伸应力超过400MPa的情况下劣化不大于5％。
13.一种制造增强超导线材的方法，其包括如下步骤：
准备超导带部和由包括镍、钴和铬的材料制成的增强构件；和
将所述增强构件接合至所述超导带部。
14.根据权利要求13所述的制造增强超导线材的方法，其中
在所述接合步骤中，在将拉伸应力施加至所述增强构件的情况下，将所述增强构件接合至所述超导带部。
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