CN105470769A

CN105470769A - 一种超导材料的接合方法

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Publication number: CN105470769A
Application number: CN201410409665.8A
Authority: CN
Inventors: 杨思剑
Original assignee: Shanghai Cenmin New Material Science & Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Cenmin New Material Science & Technology Co Ltd
Priority date: 2014-08-20
Filing date: 2014-08-20
Publication date: 2016-04-06

Abstract

本发明公开一种超导材料的接合方法，其包括提供微波腔室，其中所述微波腔室中具有第一吸热板以及相对于第一吸热板的第二吸热板。将第一超导材料以及第二超导材料置于微波腔室中的第一吸热板以及第二吸热板之问，其中第一超导材料与第二超导材料之问具有重叠区域，且对第一吸热板以及第二吸热板施于一压力。在微波腔室中施予微波能量，其中第一吸热板以及第二吸热板将微波能量转换成热能，以使第一超导材料与第二超导材料于重叠区域接合在一起。

Description

一种超导材料的接合方法

技术领域

本发明涉及一种接合方法，且特别是涉及一种超导材料的接合方法。

背景技术

超导材料，是指具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。

技术原理

零电阻

超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。如果用磁场在超导环中引发感生电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。这种“持续电流”已多次在实验中观察到。

抗磁性

超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零。

临界温度

外磁场为零时超导材料由正常态转变为超导态(或相反)的温度，以Tc表示。Tc值因材料不同而异。已测得超导材料的最低Tc是钨，为0.012K。到1987年，临界温度最高值已提高到100K左右。

临界磁场

使超导材料的超导态破坏而转变到正常态所需的磁场强度，以Hc表示。Hc与温度T的关系为Hc=H0[1-(T/Tc)2]，式中H0为0K时的临界磁场。

临界电流和临界电流密度

超导体的临界温度Tc与其同位素质量M有关。M越大，Tc越低，这称为同位素效应。例如，原子量为199.55的汞同位素，它的Tc是4.18开，而原子量为203.4的汞同位素，Tc为4.146开。

通过超导材料的电流达到一定数值时也会使超导态破坏而转变为正常态，以Ic表示。Ic一般随温度和外磁场的增加而减少。单位截面积所承载的Ic称为临界电流密度，以Jc表示。

超导材料的这些参量限定了应用材料的条件，因而寻找高参量的新型超导材料成了人们研究的重要课题。以Tc为例，从1911年荷兰物理学家H.开默林－昂内斯发现超导电性(Hg，Tc=4.2K)起，直到1986年以前，人们发现的最高的Tc才达到23.2K(Nb3Ge，1973)。1986年瑞士物理学家K.A.米勒和联邦德国物理学家J.G.贝德诺尔茨发现了氧化物陶瓷材料的超导电性，从而将Tc提高到35K。之后仅一年时间，新材料的Tc已提高到100K左右。这种突破为超导材料的应用开辟了广阔的前景，米勒和贝德诺尔茨也因此荣获1987年诺贝尔物理学奖金。

结合方式是指两个超导材料链接在一起的方式。

依照目前工业的技术，对于超导材料的接合是通过铜金属作为辅助接合材料。然而，此种接合方式最多仅能制作最长距离为五百公尺的忆钡铜氧(YBCO)高温超导导线。若再延伸超导导线的长度，将使得超导产品于长时间应用时的性能受到影响。这主要是因为，虽用来接合超导材料的铜金属电阻值不高，但终究还是有一定的电阻值。因此在长时间运作时难免会产生热，造成能量消耗，甚至导致超导线材失去超导性，因而影响整体超导传输线的品质。

另外，高温超导材料几乎是氧化物陶瓷材料的复杂结构。传统陶瓷材料之间的粘结可通过助铭剂来降低陶瓷粘着温度(比烧结温度低)。然而，陶瓷虽然能够粘结在一起，但因界面结构己被改变而无法与原材料相同。因此在粘结界面一定还是存在有较大的阻值。

申请号为：201210181157.X的发明公开了一种超导材料的接合方法，其包括提供微波腔室，其中所述微波腔室中具有第一吸热板以及相对于第一吸热板的第二吸热板。将第一超导材料以及第二超导材料置于微波腔室中的第一吸热板以及第二吸热板之间，其中第一超导材料与第二超导材料之间具有重叠区域，且对第一吸热板以及第二吸热板施于一压力。在微波腔室中施予微波能量，其中第一吸热板以及第二吸热板将微波能量转换成热能，以使第一超导材料与第二超导材料于重叠区域接合在一起。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超导材料的接合方法，其可以解决传统接合方法中利用其它融接材料所造成的接合电阻及其所衍生的问题。

为达上述目的，本发明提出一种超导材料的接合方法，其包括提供微波腔室，其中所述微波腔室中具有第一吸热板以及相对于第一吸热板的第二吸热板。将第一超导材料以及第二超导材料置于微波腔室中的第一吸热板以及第二吸热板之间，其中第一超导材料与第二超导材料之间具有重叠区域，且对第一吸热板以及第二吸热板施于一压力。在微波腔室中施予微波能量，其中第一吸热板以及第二吸热板将微波能量转换成热能，以使第一超导材料与第二超导材料于重叠区域接合在一起。

基于上述，本发明通过微波加热的方式将超导材料接合在一起。由于本发明的接合方法并未使用任何材料作为超导材料接合时之界面接合材料，因此不会有传统接合方法中利用其它融接材料所造成的界面或接合电阻及其所衍生的问题。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。

附图说明

图1是根据本发明一实施例的超导材料的接合方法的示意图。

图2是根据本发明另一实施例的超导材料的接合方法的示意图。

图3是图1中的第一超导材料以及第二超导材料的接合示意图。

图4是根据本发明一实施例的超导材料于接合之后的电阻与温度的关系图。

图5是根据本发明另一实施例的超导材料于接合之后的电阻与温度的关系图。

主要元件符号说明

100:微波产生器

102:导波管装置

200:微波腔室

200a:上部结构

200b:下部结构

202:石英板

204:0形环

206:螺丝

207:温度感测器

210:第一吸热板

212:第一基板

214:第一超导材料

220:第二吸热板

222:第二基板

224:第二超导材料

250:气体通入装置

252:氧气

R:重叠区域

1:长度。

具体实施方式

下面，对涉及本发明的实施方式中的新型地板材料进行详细说明。

图1是根据本发明一实施例的超导材料的接合方法的示意图。请参照图1，首先提供微波腔室200。

另外，微波腔室200通过导波管装置102而与微波产生器100连接。

微波产生器100可以产生不同程度的微波能量，且所产生的微波能量通过导波管装置102进入微波腔室200中可于微波腔室200中产生共振及聚焦效应。

在本实施例中，微波腔室200是由上部结构200a以及下部结构200b所构成的密闭空间。另外，微波腔室200中设置有第一吸热板210以及第二吸热板220。

第一吸热板210以及第二吸热板220为可吸收微波能量并且快速将微波能量转换成热能的板材。例如，第一吸热板210以及第二吸热板220可包括碳化硅(SiC)、石墨、活性炭或是其它对微波能量吸收良好的材料。另外，微波腔室200还可进一步包括。

形环204、石英板202,螺丝206,温度感测器207等等其他组件。本发明不限制微波腔室200的架构以及组成构件。

使用上述微波腔室200来进行超导材料的接合如下所述。首先，将第一超导材料214以及第二超导材料224夹于微波腔室200中的第一吸热板210以及第二吸热板220之间。根据本实施例，第一超导材料214以及第二超导材料224是相同的超导材料。

然而，本发明不以此为限，在其他的实施例中，第一超导材料214以及第二超导材料224也可以是不相同的超导材料。

在此，第一超导材料214以及第二超导材料224各自包括忆钡铜氧化合物(YBa2Cu307一s,YBCO)、经掺杂的忆钡铜氧化合物(YBa2Cu3}M}07。

或是Yl一}N}Ba2Cu307一s)其中b高0}1,M高Zn,Li,Ni或Zr,N高Ca,Zr,La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb或Lu、钡}e钙铜氧化合物(BizSrzCazCu301o,BSCCO),馆钡钙铜氧化合物

(T1zBazCazCu301o,TBCCO)、或是汞馆钡钙铜氧化合物((Hg1zT13Ba3oCa3oCu4501z7,HBCCO)等超导材料。此外，第一超导材料214以及第二超导材料224的厚度为0.1}5umo[0036]另外，在本实施例中，第一超导材料214是位于第一基材212上，且第二超导材料224是位于第二基材222上。换言之，第一超导材料214可藉由蒸镀、离子束辅助蒸镀

(工BAD)、金属有机化学气相沈积((MOCVD)或是脉冲雷射蒸镀(PLD)等等沈积方式而沈积至第一基材212。第二超导材料224可藉由蒸镀、离子束辅助蒸镀(工BAD)、金属有机化学气相沈积((MOCVD)或是脉冲雷射蒸镀(PLD)等等沈积方式而沈积至第二基材222上。一般来说，第一基材212的材质的选用与第一超导材料214的材料有关，第二基材214的材质的选用与第二超导材料224的材料有关。在此，第一基材212以及第二基材222各自为钦酸铭(SrTi0,3,STO)基材、铝酸铜(LaA10,3,LAO)。

承上所述，上述夹于第一吸热板210以及第二吸热板220之间的第一超导材料214与第二超导材料224之间具有重叠区域R，如图3所示。根据本实施例，所述第一超导材料214与第二超导材料224之间的重叠区域R的长度1大于或等于0.5cm，较佳的是0.5cmo[0038]接着，请参照图1，利用微波产生器100产生微波能量，并使所产生的微波能量传递至微波腔室200中。根据本实施例，所述微波能量约为500W，且于微波腔室100中施予微波能量的时间约为1分钟。另外，微波腔室100中的压力可为大气压力。在本实施例中，当施予微波能量至微波腔室200中时，可通过螺丝206进一步对于第一吸热板210以及第二吸热板220之间的第一超导材料214以及第二超导材料224施予>1000kg/m2(大于1000kg/mzm)的压力。换言之，若是将螺丝206往下锁固，将可使得施于第一吸热板210以及第二吸热板220的压力越大。反之，若将螺丝206往上移动，将可使得施于第一吸热板210以及第二吸热板220的压力越小。在此，所述压力小于使第一超导材料214以及第二超导材料224破裂或损坏的压力。

当微波能量传递至微波腔室200中之后，第一吸热板210以及第二吸热板220吸收微波能量并且迅速地将微波能量转换成热能。此时，第一吸热板210以及第二吸热板220可将热能分别传递至第一超导材料214以及第二超导材料224上，而使得第一超导材料214以及第二超导材料224被加热至约7900C至8300C之间。另外，在本实施例中，可通过温度感测器207量测微波腔室200内的温度或是量测石英板202的温度，以确保第一超导材料214以及第二超导材料224被加热至预定温度。换言之，通过上述微波加热的方式并选择性地搭配施予压力，便可使第一超导材料214与第二超导材料224于重叠区域R接合在一起。之后，当冷却至室温时，第一超导材料214与第二超导材料224便可完整接合在一起。

在本实施例中，第一超导材料214与第二超导材料224之间的接合完全未使用其他的融接材料，而是通过微波加热的方式使第一超导材料214与第二超导材料224直接相互粘着/接合在一起。因此，本实施例不会有其他融接材料所造成的接合/界面电阻值产生进而影响超导元件在零电阻下的操作及运作时之效能问题。另外，本实施例的微波加热程序不需要在真空条件下进行而且短时间即可完成接合，因此本实施例的接合方法成本低廉且快速。

图2是根据本友明另一买施例的超导材料的接合万法的T怠图。

图2的买施例与图1的实施例相似，因此相同的元件以相同的符号表示，且不再重复说明。

请参照图2，本实施例的微波腔室200还包括气体通入装置250。换言之，当于微波腔室200中施予微波能量以对第一超导材料214与第二超导材料224进行接合时，可以进一步通过气体通入装置250通入氧气252至微波腔室200中。在此，氧气的流量为0一10000sccm，较佳的是300sccm。

在微波腔室200通入氧气可以补充在微波加热过程之中所消耗的氧气。当微波腔室200中具有足够的氧气时，可以使得第一超导材料214与第二超导材料224于进行微波加热接合时不致缺氧以确保接合品质。

在上述的实施例中，是以第一超导材料214与第二超导材料224的接合为例来说明以使所属技术领域的技术人员能够清楚的了解本发明。

承上所述，因本实施例是可通过微波加热的方式同时使多个超导材料直接相互粘着/接合在一起而形成一条长导线。因此，本实施例不会有其他融接材料所造成的接合/界面电阻值产生进而影响超导导线在零电阻下的运作效能。此外，因本实施例的超导材料之间是直接相互粘着/接合在一起而没有其他的接合材料在其中，故仍可维持零电阻之超导特性。

请参照图4,图4是采用YBCO超导材料，且YBCO超导材料的微波加热条件包括微波能量为500W,时间为1分钟。

由图4可知，所述接合后的YBCO超导材料的临界温度(Tc)仍可维持在80K。一般来说，超导材料的临界温度(T})高于77K则具低成本应用之潜力与价值。

请参照图5,图5是采用YBCO超导材料，且微波加热的条件包括微波能量为500W，时间为1分钟。另外，在进行微波加热的过程中还通入氧气，所通入的氧气量为300sccm。在图5的实例中，所述接合后的YBCO超导材料的临界温度(T})可提高至85K。

综上所述，本发明通过微波加热的方式将超导材料接合在一起。由于本发明的接合方法并未使用任何额外材料作为界面接合材料，因此不会有传统接合方法中利用其他融接材料所造成的界面或接合电阻及其所衍生的问题。另外，本发明利用微波加热方式对超导材料进行接合所形成的结构仍具有高温超导的特性。

虽然结合以上实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应以附上的权利要求所界定的为准。

Claims

1.一种超导材料的接合方法，包括:

提供一微波腔室，其中该微波腔室中具有第一吸热板以及相对于该第一吸热板的第二吸热板;

将一第一超导材料以及一第二超导材料置于该微波腔室中的该第一吸热板以及该第二吸热板之间，其中该第一超导材料与该第二超导材料之间具有一重叠区域，且对该第一吸热板以及该第二吸热板施于一压力;

以及在该微波腔室中施予一微波能量，其中该第一吸热板以及该第二吸热板将该微波能量转换成热能，以使该第一超导材料与该第二超导材料于该重叠区域接合在一起。

2.如权利要求1所述的超导材料的接合方法，还包括通入氧气至该微波腔室中。

3.如权利要求2所述的超导材料的接合方法，其中氧气的流量范围为0一10000sccm。

4.如权利要求1所述的超导材料的接合方法，其中该第一超导材料以及该第二超导材料的厚度范围为0.1-5um。

5.如权利要求1所述的超导材料的接合方法，其中该第一超导材料与该第二超导材料之间的该重叠区域的长度为大于或等于0.5cm。

6..如权利要求1所述的超导材料的接合方法，其中该第一超导材料是位于一第一基材上，且该第二超导材料是位于一第二基材上。

7.如权利要求1所述的超导材料的接合方法，其中该第一吸热板以及该第二吸热板各自包括碳化硅(SiC)、石墨或是活性炭。

8.如权利要求1所述的超导材料的接合方法，其中所述压力>1000kg/m²。