CN105632648A - 一种基于高温超导材料的各向同性cicc导体 - Google Patents

Abstract

本发明属于高温超导领域，特别涉及一种基于高温超导材料的各向同性CICC导体。所述CICC导体的横截面为正方形结构，由超导线芯、金属线芯和包覆层(4)构成，超导线芯是股线的主体，金属线芯和包覆层作为稳定基材，包覆层(4)卷制包覆在超导线芯外。所述超导线芯由四股截面积相等的二级线芯拼合而成。本发明所述的各向同性CICC导体，拓展了高温超导材料的应用范围，能够满足大工程电流密度、高机械强度、各向同性的工程要求，同时还具有损耗低、冷却良好、便于实现多级绞缆、常规绝缘容易处理等优点。

Description

一种基于高温超导材料的各向同性CICC导体

技术领域

本发明属于高温超导领域，特别涉及一种基于高温超导材料的各向同性CICC导体。

背景技术

随着超导技术的不断发展，高温超导材料成为研究热点，工作温区和制备长度得到了显著提高，尤其是第二代高温超导材料ReBCO(稀土系钡铜氧，Re为Y、Sm或Nd)涂层超导体，可以在液氮温区条件下体现高电流密度无阻载流特性，生产及应用成本快速下降，具有上临界磁场高、临界电流密度大、交流损耗低等优点，预示着高温超导技术在电力工程和强磁场技术方面有着广阔的应用前景。

目前基于超导材料的CICC导体(CableinConduitConductor，导管电缆导体，以下简称“CICC导体”)，在高场磁体、超导电力装置等领域的应用非常广泛，如超导磁体、超导限流器，都是以多级结构复合而成的CICC导体为基础。以超导材料在国际热核聚变试验堆(InternationalThermalnuclearExperimentalReactor，ITER)装置中的应用为例，超导磁体运行于大电流快速励磁以及等离子放电等瞬变电磁场中，会受到约12T的磁场作用，运行时将通过45kA的电流，中心螺线管线圈导体会产生巨大的电动力。因此，作为高场磁体、超导电力装置多级结构的基础元件，CICC导体能否承载大电流容量、大电动力、承受高电压，对整个系统优化设计、安全稳定运行都是至关重要的。

高温超导材料自身也有缺点，其中强烈的各向异性是影响其稳定性的一个重要因素。77K温度下，在直流磁场中，临界电流I_c随磁场大小B和方向变化θ的函数关系是

$I_c(B,\mathrm{\θ})=I_c\left(0\right){\[1+\frac{1}{B_0}\sqrt{{\mathrm{\γ}}^{-2}{B}_{//}^2+B_{\⊥}^2}\]}^{-\mathrm{\α}}---\left(1\right)$

其中，B_//和B_⊥分别是平行和垂直于超导带材表面的磁场分量的磁感应强度；θ为磁场与超导材料表面的夹角；I_c(0)为超导材料自场(零外磁场)下的临界电流；B₀、γ和α为拟合常数。图1为高温超导带材临界电流各向异性的典型曲线，其中小图是磁场相对超导带材的方向，由图可知，垂直场对临界电流的影响比平行场影响要大得多。因此，强磁或强电领域的CICC导体需要克服高温超导材料的强烈的各向异性，以降低垂直场对临界电流的影响。

发明内容

本发明提供了一种基于高温超导材料的各向同性CICC导体，具体技术方案为：

一种基于高温超导材料的各向同性CICC导体，所述CICC导体的横截面为正方形结构，由超导线芯、金属线芯和包覆层构成，超导线芯是股线的主体，金属线芯和包覆层作为稳定基材，包覆层卷制包覆在超导线芯外，焊料在包覆层卷制缝内将包覆层焊接并形成焊缝。

所述超导线芯由四股截面积相等的二级线芯拼合而成，所述的拼合方式为：

(a)超导线芯由二级线芯Ⅰ构成，右上和左下二级线芯Ⅰ的超导带材水平排列，左上和右下二级线芯Ⅰ的超导带材竖直排列；每股二级线芯Ⅰ由两种尺寸的带材堆叠而成，形成了正方形截取一个方角的截面形状；四股二级线芯Ⅰ拼合在一起后，中间留出一个正方形的孔隙，得到了关于中心对称的“回”字形截面；

(b)超导线芯由二级线芯Ⅱ构成，上部和下部二级线芯Ⅱ的超导带材水平排列，左侧和右侧二级线芯Ⅱ的超导带材竖直排列；每股二级线芯Ⅱ只由一种尺寸的带材堆叠而成，形成了长方形的截面形状；四股二级线芯Ⅱ拼合在一起后，中间留出一个正方形的孔隙，得到了关于中心对称的“回”字形截面；

(c)超导线芯由二级线芯Ⅲ构成，上部和下部二级线芯Ⅲ的超导带材竖直排列，左侧和右侧二级线芯Ⅲ的超导带材水平排列；每股二级线芯Ⅲ只由一种尺寸的带材堆叠而成，形成了长方形的截面形状；四股二级线芯Ⅲ拼合在一起后，中间留出一个正方形的孔隙，得到了关于中心对称的“回”字形截面。

优选地，所述二级线芯Ⅰ、二级线芯Ⅱ、二级线芯Ⅲ的制作材料均为高温超导涂层带材，带材的宽度和数量按照二级线芯的截面形状选取，然后堆叠；

二级线芯Ⅰ的超导带材宽度为1/2L和1/2(L-l)，数量分别为1/2(L-l)/m和1/2l/m；二级线芯Ⅱ的超导带材宽度为1/2(L+l)，数量为1/2(L-l)/m；二级线芯Ⅲ的超导带材宽度为1/2(L-l)，数量为1/2(L+l)/m；其中L为正方形截面的边长，l为金属线芯的正方形截面边长，m为超导带材的厚度。

所述金属线芯为空心的、截面为正方形的管材，或实心的、截面为正方形的棒材，嵌入超导线芯的中间空隙。

优选地，所述包覆层为金属带材或者高温超导带材，包覆层材料采用高温超导带材时，超导薄膜面向内侧。

本发明的原理为：将超导带材按照一定规律排列组合，水平排列和竖直排列的超导带材数量相等，对于整个股线来说在任何方向磁场作用下，磁场的水平分量和垂直分量均相等，消除了高温超导材料的各向异性，使CICC导体具有各向同性的特征；中间嵌入金属管材或者棒材线芯以增加机械强度，承载大的电动力，金属管材线芯的中空结构还可以作为冷却通道；外层以金属带材作为包覆层，采用焊接方式包覆保护内部线芯，最终采用激光焊接技术焊接。通过调整正方形截面的边长，采用不同的二级线芯，可以获得不同尺寸的CICC导体，满足实际几何参数需求以及电学参数需求。

本发明的有益效果为：本发明所述的各向同性CICC导体，拓展了高温超导材料的应用范围，可以作为高场磁体、超导电力装置的基础元件，能够满足大工程电流密度、高机械强度、各向同性的工程要求，同时还具有损耗低、冷却良好、便于实现多级绞缆、常规绝缘容易处理等优点。金属线芯和包覆层材料为铜、铝、铝合金或超导带材的CICC导体适合应用于超导电缆、超导变压器、超导电机、超导磁体；金属线芯和包覆层材料为不锈钢材料的股线适合应用于电流引线、超导限流器。

附图说明

图1为高温超导带材临界电流各向异性的典型曲线；

图2A为二级线芯Ⅰ+金属线芯Ⅰ构成的各向同性CICC导体截面图；

图2B为二级线芯Ⅰ+金属线芯Ⅱ构成的各向同性CICC导体截面图；

图3A为二级线芯Ⅱ+金属线芯Ⅰ构成的各向同性CICC导体截面图；

图3B为二级线芯Ⅱ+金属线芯Ⅱ构成的各向同性CICC导体截面图；

图4A为二级线芯Ⅲ+金属线芯Ⅰ构成的各向同性CICC导体截面图；

图4B为二级线芯Ⅲ+金属线芯Ⅱ构成的各向同性CICC导体截面图；

图中各编号的具体含义为：1-二级线芯Ⅰ、2-金属线芯Ⅰ、3-金属线芯Ⅱ、4-包覆层、5-二级线芯Ⅱ、6-二级线芯Ⅲ。

具体实施方式

图2A和图2B、图3A和图3B、图4A和图4B三组图给出了六种不同结构的各向同性CICC截面结构示意图，下面在每组示意图中选择一个作为实施例对本发明作进一步说明。实施例1二级线芯Ⅰ+金属线芯Ⅱ构成的各向同性CICC导体

二级线芯Ⅰ+金属线芯Ⅱ构成的各向同性CICC导体截面结构如图2B所示，横截面为正方形结构，由超导线芯、金属线芯和包覆层构成。超导线芯由四股截面积相等的二级线芯Ⅰ拼合而成，右上和左下二级线芯Ⅰ的超导带材水平排列，左上和右下二级线芯Ⅰ的超导带材竖直排列，每股二级线芯Ⅰ由两种尺寸的带材堆叠而成，形成了正方形截取一个方角的截面形状，四股二级线芯Ⅰ拼合在一起后，中间留出一个正方形的孔隙，得到了关于中心对称的“回”字形截面。金属线芯Ⅱ是实心的、截面为正方形的棒材，嵌入四股二级线芯中间的空隙。包覆层卷制包覆在正方形横截面的超导线芯外，焊料在包覆层卷制缝内将包覆层焊接并形成焊缝。

二级线芯Ⅰ由YBCO涂层超导带材堆叠制成。二级线芯Ⅰ的超导带材宽度为L/2＝2mm和(L-l)/2＝1mm，数量为L/(2m)＝10(两种宽度的带材数量分别为(L-l)/(2m)＝5和l/(2m)＝5)。其中L为正方形截面的边长，4mm；l为金属线芯的正方形截面边长，2mm；m为超导带材的厚度，0.2mm。

包覆层所用的包覆带材料为不锈钢带材，包覆层卷制缝的焊接方法为采用激光Ag焊接技术将包覆带对缝焊接。

实施例2二级线芯Ⅱ+金属线芯Ⅰ构成的各向同性CICC导体

二级线芯Ⅱ+金属线芯Ⅰ构成的各向同性CICC导体截面结构如图3A所示，横截面为正方形结构，由超导线芯、金属线芯和包覆层构成。超导线芯由二级线芯Ⅱ构成，上部和下部的二级线芯Ⅱ的超导带材水平排列，左侧和右侧的二级线芯的超导带材竖直排列，每股二级线芯只由一种尺寸的带材堆叠而成，形成了长方形的截面形状，四股二级线芯拼合在一起后，中间留出一个正方形的孔隙，得到了关于中心对称的“回”字形截面。金属线芯Ⅰ是空心的、截面为正方形的管材，嵌入四股二级线芯中间的空隙，管材的中空结构可以作为冷却通道。包覆层卷制包覆在圆形横截面的超导股线线芯上，包覆层卷制包覆在超导线芯外，焊料在包覆层卷制缝内将包覆层焊接并形成焊缝。

二级线芯Ⅱ由YBCO涂层超导带材堆叠制成。二级线芯Ⅱ的超导带材宽度为(L+l)/2＝7mm，数量为(L-l)/(2m)＝15。其中L为正方形截面的边长，10mm；l为金属线芯的正方形截面边长，4mm；m为超导带材的厚度，0.2mm。

包覆层所用的包覆带材料为铝合金带材，包覆层卷制缝的焊接方法为采用激光Ag焊接技术将包覆带对缝焊接。

实施例3二级线芯Ⅲ+金属线芯Ⅰ构成的各向同性CICC导体

二级线芯Ⅲ+金属线芯Ⅰ构成的各向同性CICC导体截面结构如图4A所示，横截面为正方形结构，由超导线芯、金属线芯和包覆层构成。超导线芯由二级线芯Ⅲ构成，上部和下部的二级线芯Ⅲ的超导带材竖直排列，左侧和右侧的二级线芯Ⅲ的超导带材竖直排列，每股二级线芯Ⅲ只由一种尺寸的带材堆叠而成，形成了长方形的截面形状，四股二级线芯Ⅲ拼合在一起后，中间留出一个正方形的孔隙，得到了关于中心对称的“回”字形截面。金属线芯Ⅰ是空心的、截面为正方形的管材，嵌入四股二级线芯中间的空隙，管材的中空结构可以作为冷却通道。包覆层卷制包覆在圆形横截面的超导股线线芯上，包覆层卷制包覆在超导线芯外，焊料在包覆层卷制缝内将包覆层焊接并形成焊缝。

二级线芯Ⅲ由YBCO涂层超导带材堆叠制成。二级线芯Ⅲ的超导带材宽度为(L-l)/2＝4mm，数量为(L+l)/(2m)＝40。其中L为正方形截面的边长，12mm；l为金属线芯的正方形截面边长，4mm；m为超导带材的厚度，0.2mm。

包覆层所用的包覆带材料为铜带材，包覆层卷制缝的焊接方法为采用激光Ag焊接技术将包覆带对缝焊接。

以上所述，仅为本发明具体实施方式的举例，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 (9)

1.一种基于高温超导材料的各向同性CICC导体，其特征在于，所述CICC导体的横截面为正方形结构，由超导线芯、金属线芯和包覆层(4)构成，超导线芯是股线的主体，金属线芯和包覆层作为稳定基材，包覆层(4)卷制包覆在超导线芯外。

2.根据权利要求1所述的各向同性CICC导体，其特征在于，所述超导线芯由四股截面积相等的二级线芯拼合而成。

3.根据权利要求2所述的各向同性CICC导体，其特征在于，所述的拼合方式为：

超导线芯由二级线芯Ⅰ(1)构成，右上和左下二级线芯Ⅰ(1)的超导带材水平排列，左上和右下二级线芯Ⅰ(1)的超导带材竖直排列；每股二级线芯Ⅰ(1)由两种尺寸的带材堆叠而成，形成了正方形截取一个方角的截面形状；四股二级线芯Ⅰ(1)拼合在一起后，中间留出一个正方形的孔隙，得到了关于中心对称的“回”字形截面。

4.根据权利要求2所述的各向同性CICC导体，其特征在于，所述的拼合方式为：

超导线芯由二级线芯Ⅱ(5)构成，上部和下部二级线芯Ⅱ(5)的超导带材水平排列，左侧和右侧二级线芯Ⅱ(5)的超导带材竖直排列；每股二级线芯Ⅱ(5)只由一种尺寸的带材堆叠而成，形成了长方形的截面形状；四股二级线芯Ⅱ(5)拼合在一起后，中间留出一个正方形的孔隙，得到了关于中心对称的“回”字形截面。

5.根据权利要求2所述的各向同性CICC导体，其特征在于，所述的拼合方式为：

超导线芯由二级线芯Ⅲ(6)构成，上部和下部二级线芯Ⅲ(6)的超导带材竖直排列，左侧和右侧二级线芯Ⅲ(6)的超导带材水平排列；每股二级线芯Ⅲ(6)只由一种尺寸的带材堆叠而成，形成了长方形的截面形状；四股二级线芯Ⅲ(6)拼合在一起后，中间留出一个正方形的孔隙，得到了关于中心对称的“回”字形截面。

6.根据权利要求3-5所述的各向同性CICC导体，其特征在于，所述二级线芯Ⅰ(1)、二级线芯Ⅱ(5)、二级线芯Ⅲ(6)的制作材料均为高温超导涂层带材，带材的宽度和数量按照二级线芯的截面形状选取，然后堆叠；

二级线芯Ⅰ(1)的超导带材宽度为1/2L和1/2(L-l)，数量分别为1/2(L-l)/m和1/2l/m；二级线芯Ⅱ(5)的超导带材宽度为1/2(L+l)，数量为1/2(L-l)/m；二级线芯Ⅲ(6)的超导带材宽度为1/2(L-l)，数量为1/2(L+l)/m；其中L为正方形截面的边长，l为金属线芯的正方形截面边长，m为超导带材的厚度。

7.根据权利要求1所述的各向同性CICC导体，其特征在于，所述金属线芯为空心的、截面为正方形的管材，嵌入超导线芯的中间空隙。

8.根据权利要求1所述的各向同性CICC导体，其特征在于，所述金属线芯为实心的、截面为正方形的棒材，嵌入超导线芯的中间空隙。

9.根据权利要求1所述的各向同性CICC导体，其特征在于，所述包覆层(4)为金属带材或者高温超导带材，包覆层(4)材料采用高温超导带材时，超导薄膜面向内侧。