CN105869782B - 高温超导线的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高温超导线的制备方法，采用热浸镀的方式将多根带材叠在一起焊接成一条即得高温超导线。所述制备方法具体包括以下步骤：将每根带材分别固定在放线装置上，定位带材的中心线；采用盘装放卷带材的方法，分别将每根带材输送入锡炉；所有带材在锡炉内通过滚轮定位并焊接合并成一根后，出炉，即得所述的高温超导线。本发明制备的高温超导线为圆形或正方形，临界电流高，且适合弯曲扭绕，具有更高的物理强度且不易损坏；制备的高温超导线可以减少超导体所感受的外界磁场，并且可以降低临界电流衰减和交流损耗，应用于大型超导电力设备中有着明显的优势。

Description

高温超导线的制备方法
技术领域
本发明属于超导线材领域，具体涉及一种高温超导线的制备方法。
背景技术
由于高温超导材料远远超过常规导体的大电流承载能力，使人们对其在强电领域中的应用报有极大的希望，BSCCO超导带材的粉末装管、轧制、高温退火的加工技术在二十世纪九十年代早期首先取得突破，并很快实现了商业化生产。尽管其价格昂贵，但世界各国都制定了大规模的研究计划，且在超导储能、超导电缆、超导限流器、超导变压器等领域取得显著成果。
然而在工业应用中，如高温超导变压器、高温超导电机和高温超导线缆中需要通数百安培的大电流且对带材的硬度需求高，为了满足这些要求,首先,必须能制备出各种形状(如线材或膜材)的高温超导体；另外,从应用的角度来看，超导体的载流能力还必须达到一定的强度。要得到规定形状和良好运载电流能力的高温超导体，就必须要找到适当的制备方法。
如今解决的方法大多是采用复丝复合超导体结构，然而现有的复丝复合超导体结构大多结构复杂，不适宜弯曲，难以绕制成跑道型或圆形超导线圈。
经过检索发现，当前尚没有制备方形或圆形窄丝化高温超导线的制备工艺和方法，亦无公开的专利和文献。如中国专利号：CN1510698A，专利名称：《超导电缆导体组合绕制方法》。公开了一种超导电缆导体组合绕制方法，其包括步骤：按超导电缆对超导带根数和间距的要求，将多根原料超导带平行排列成超导带材组；制作带状的薄柔性衬底；将超导带材组附在薄柔性衬底上，并与薄柔性衬底连成一体，保持张力一致，制成超导电缆组合超导带；将制作好的超导电缆组合超导带，以相对于电缆芯的绕制角度θ，以螺旋方式不重叠地绕制在电缆芯上，制成组合绕制的超导电缆导体，采用本方法使得超导电缆导体的绕制简单化，系统技术复杂性降低，同时在绕制过程中保护了超导带，对超导带的机械性能要求降低，降低了超导体绕制中的超导带的损伤率和断带率，提高了绕制的质量和效率。此专利描述了多根带材绕制在电缆芯上的制备方法。
中国专利申请号：CN204803386U，专利名称：《一种铜带涂锡机》。该专利公开了一种铜带涂锡机，包括沿铜带前进方向依次设置的放线装置、铜带清洗设备、铜带烘干设备、助焊剂铜带喷涂设备、铜带涂锡设备、吹干设备、收线装置和控制箱，放线装置的放线轴为加长型，并能够在放线轴上加载宽铜带原料，助焊剂铜带喷涂设备设有助焊剂添加装置，铜带涂锡设备设有铜带涂锡层厚度检测仪，并将检测数据反馈到铜带涂锡设备进行涂锡量的调节，控制箱设有调速单元和智能温控单元，调速单元对放线装置的放线速度可调，智能温控单元对铜带涂锡设备的锡炉温度可调。本铜带涂锡机能实现一次上料，可生产互连条30盘、汇流带12盘的涂锡成品，提高自动涂锡机的生产效率，涂锡成品厚薄均匀，品质稳定，大大减少设备调试时间。此专利是针对普通铜带进行涂锡的机器。
文献“Magnetization Loss in HTS Stacked Tapes by Various DirectionalExternal Magnetic Fields”(Jikwang Lee,Seungwook Lee,Myungjin Park,and GueesooCha,IEEE Trans.Appl.Superconduct.,vol.14,no.2,pp.630–633,2004.)研究了堆叠带材和单层带材由于屏蔽效应产生的特性差异，对比在不同角度外部磁场环境下单层带材和堆叠带材的磁损耗，以及不同绝缘厚度下堆叠带材的磁损耗。实验及仿真结果表示堆叠带材能降低磁损耗，绝缘厚度越小损耗越低。文中采用了堆叠结构，但材料为第一代高温超导带材，宽度为4.1mm未经分切。
文献“A Method to Reduce Magnetization Losses in Assembled ConductorsMade of YBCO Coated Conductors”(O.Tsukamoto,N.Sekine,M.Ciszek,and J.Ogawa,IEEE Trans.Appl.Superconduct.,vol.15,no.2,pp.2823–2826,2005.)利用倾斜的光条纹将带材超导层分割成细丝，将两个超导带倒扣形成两层的结构，条纹形成交叉结构大大降低了磁损耗，但带材临界电流略有降低。文中提到扭绕带材本身可以降低电磁耦合减小损耗，但有机械强度恶化的缺点，且文中采用的是拟扭绕即倾斜光条纹切割的办法。
文献“Conductor Characterization of YBCO Twisted Stacked-Tape Cables”(M.Takayasu,F.J.Mangiarotti,L.Chiesa,L.Bromberg,and J.V.Minervini,“ConductorCharacterization of YBCO Twisted Stacked-Tape Cables,”IEEETrans.Appl.Superconduct.,vol.23,no.3,2013.)公开了32根超导带材利用铜丝固定后整体扭绕，在弯曲直径为140mm时临界电流降低6％。但文中多根带材平行重叠扭绕，非多根交叉编织。
文献“Comparison of AC Losses of HTS Pancake Winding With Single Tapeand Multi-Stacked Tape”(Seungwook Lee,HeeJoon Lee,Gueesoo Cha,and JikwangLee,“Comparison of AC Losses of HTS Pancake Winding With Single Tape andMulti-Stacked Tape,”IEEE Trans.Appl.Superconduct.,vol.15,no.2,2005.)公开了在堆叠带材中由于相邻带材产生的屏蔽效应，临界电流和交流损耗特性并非单纯的各层带材特性值之和。文中对比了不同堆叠层数带材的临界电流，及分别研究了单层带材和堆叠带材的高温超导饼式线圈的交流损耗。文中认为在饼式线圈中堆叠带材的结构仍可有效的降低交流损耗，且文中采用的为第一代高温超导带材。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高温超导线的制备方法；本发明是在现有第二代高温超导带材的基础上，提出一种全新的方形或圆形高温超导线制备工艺，通过组合并涂锡焊接多根1mm～2mm宽窄丝化的高温超导带材，来提高临界电流，增强超导线的物理强度。解决现有复丝复合超导线物理强度低下不利于大规模应用的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种高温超导线的制备方法，所述制备方法采用热浸镀的方式将多根带材叠在一起焊接成一条即得高温超导线。
优选地，所述制备方法具体包括以下步骤：
步骤一、将每根带材分别固定在放线装置上，定位带材的中心线；
步骤二、采用盘装放卷带材的方法，分别将每根带材输送入锡炉；
步骤三、所有带材在锡炉内通过滚轮定位并焊接合并成一根后，出炉，即得所述的高温超导线。
优选地，所述的带材为窄丝化的第二代高温超导带材。
与第一代高温超导带材相比，多根堆叠的方式由物理上直接堆叠发展到了焊锡焊接方式，让它成为正方形或圆形截面的超导线单元。结构上的改变带来的优点是对后续的多股超导线的铠装及包套工艺带来极大的方便。
优选地，所述的带材宽度为1mm或2mm中的至少一种。
优选地，所述制备的高温超导线的横截面为圆形或正方形。
对于方形的高温超导线，组合前的所有带材有着相同的宽度，均为1mm或2mm的宽度；对于圆形的高温超导线，两端的带材宽度较小，中间的带材宽度较大，例如六根带材组成的圆形高温超导线中，可选取两端1mm宽，中间四根2mm宽的超导带材。同理也可以组合其他宽度及根数的超导带材构成圆形高温超导线。
优选地，步骤二中，所述每根带材输送入锡炉前需涂覆助焊剂。
优选地，所述助焊剂为昆山捷尔泰电子科技有限公司生产的NCF-1A、NCF-1B、NCF-1C中的一种或多种。
优选地，步骤二中，所述带材的输送速度为0.1-3m/s。
优选地，步骤三中，所述焊接具体采用在温度100-300℃下将带材涂锡。控制温度在不破坏带材超导特性的前提下进行涂锡。
优选地，所述焊接后的带材需经过锡炉中安装的夹刀刮掉带材表面多余的锡，使制备出的高温超导带材形状接近圆形或正方形。
优选地，所述锡炉采用钛金属制作。
临界电流是超导线在工程应用中最为核心和重要的参数指标，会直接影响到超导电气设备的性能、成本和效率。而物理强度决定了超导线能否广泛的进行实际应用。
在通流低于其临界电流的超导态下，超导带材会对交流表现出损耗，即“交流损耗”。交流损耗会对极大的影响超导设备的效率，是超导电气设备设计中着力优化减小的参量。普通结构的复丝复合超导体结构复杂，超导带材的排列稀疏，所占体积较大，物理强度有限。
本发明经过涂锡焊接后的1mm～2mm宽窄丝化高温超导带材排列紧密，整个超导线的横截面近似正方形或圆形，数根带材封装成一根后，宽度和厚度相近，所占体积小。和原来较大纵宽比的普通带材相比，此工艺制备成的高温超导线适合弯曲扭绕，有更高的物理强度且不易损坏。与其他结构的超导线相比，此超导线不仅可以减少超导体所感受的外界磁场，并且可以降低临界电流衰减和交流损耗。应用于大型超导电力设备中有着明显的优势。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明经过涂锡焊接后的1mm～2mm宽窄丝化高温超导带材排列紧密，整个超导线的横截面近似正方形或圆形，数根带材封装成一根后，宽度和厚度相近，所占体积小。
2、本发明制备的高温超导线适合弯曲扭绕，具有更高的物理强度且不易损坏。与其他结构的超导线相比，本发明的超导线不仅可以减少超导体所感受的外界磁场，并且可以降低临界电流衰减和交流损耗。应用于大型超导电力设备中有着明显的优势。
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为本发明制备高温超导线的工艺流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。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。
下述实施例所述的高温超导线的制备方法，其工艺流程如图1所示，采用热浸镀的方式将多根带材叠在一起焊接成一条即得高温超导线。
所述制备方法具体包括以下步骤：
步骤一、将每根带材分别固定在放线装置上，定位带材的中心线；
步骤二、采用盘装放卷带材的方法，分别将每根带材输送入锡炉；
步骤三、所有带材在锡炉内通过滚轮定位并焊接合并成一根后，出炉，即得所述的高温超导线。
所述的带材为窄丝化的第二代高温超导带材。
所述的带材宽度为1mm或2mm中的至少一种。
所述制备的高温超导线的横截面为圆形或正方形。
步骤二中，所述每根带材输送入锡炉前需涂覆助焊剂。
所述助焊剂为NCF-1A、NCF-1B、NCF-1C中的一种或多种。
步骤二中，所述带材的输送速度为0.1-3m/s。
步骤三中，所述焊接具体采用在300度温度下将带材涂锡。控制温度在不破坏带材超导特性的前提下进行涂锡。
所述焊接后的带材需经过锡炉中安装的夹刀刮掉带材表面多余的锡。
所述锡炉采用钛金属制作。
实施例1
本实施例提供了一种方形高温超导线的制备方法，具体步骤如下：
1)将6-8根宽度为1mm的窄丝化的高温超导带材分别固定在放线装置上，对带材的中心线进行定位，采用盘装放卷带材的方法，由多台减速电机加电位器分别变频控制每一个放卷轴。用PP耐腐蚀材料做浸助焊剂槽，每根带材独立；
2)带材涂锡部分，进锡炉前各带材分离，在锡炉内通过滚轮定位并涂锡合并成一根。锡炉采用钛金属制作。锡炉内由温控表控温，检测实际温度。控制温度在不破坏带材超导特性的前提下进行涂锡。炉具中安装夹刀，刮掉带材表面多余的焊锡，使带材表层光滑；
3)将合并后正方形的高温超导线绕制在转盘上，即可。
所述助焊剂为NCF-1A；带材的输送速度为0.5m/s；锡炉焊接温度为100度。
实施例2
本实施例提供了一种圆形高温超导线的制备方法，具体步骤如下：
1)将2根宽度为1mm和4根宽度为2mm的窄丝化的高温超导带材分别固定在放线装置上，对带材的中心线进行定位，采用盘装放卷带材的方法，由多台减速电机加电位器分别变频控制每一个放卷轴。用PP耐腐蚀材料做浸助焊剂槽，每根带材独立。
2)带材涂锡部分，进锡炉前各带材分离，在锡炉内通过滚轮定位并涂锡合并成一根。锡炉采用钛金属制作。锡炉内由温控表控温，检测实际温度。控制温度在不破坏带材超导特性的前提下进行涂锡。炉具中安装夹刀，刮掉带材表面多余的焊锡，使带材表层光滑。
3)将合并后圆形的高温超导线绕制在转盘上，即可。
所述助焊剂为NCF-1A；带材的输送速度为0.3m/s；锡炉焊接温度为300度。
实施例3
本实施例提供了一种方形高温超导线的制备方法，具体步骤如下：
1)将6根宽度为2mm的窄丝化的高温超导带材分别固定在放线装置上，对带材的中心线进行定位，采用盘装放卷带材的方法，由多台减速电机加电位器分别变频控制每一个放卷轴。用PP耐腐蚀材料做浸助焊剂槽，每根带材独立；
2)带材涂锡部分，进锡炉前各带材分离，在锡炉内通过滚轮定位并涂锡合并成一根。锡炉采用钛金属制作。锡炉内由温控表控温，检测实际温度。控制温度在不破坏带材超导特性的前提下进行涂锡。炉具中安装夹刀，刮掉带材表面多余的焊锡，使带材表层光滑；
3)将合并后正方形的高温超导线绕制在转盘上，即可。
所述助焊剂为NCF-1B；带材的输送速度为1.5m/s；锡炉焊接的温度为180度。
对比例1
与实施例1的制备方法相同，不同之处仅在于：所述助焊剂为恒松8803。
对比例2
与实施例1的制备方法相同，不同之处仅在于：带材的输送速度为3.5m/s。
对比例3
与实施例1的制备方法相同，不同之处仅在于：锡炉焊接的温度为320℃。
效果比较：
将实施例和对比例制备的高温超导线进行检测，包括临界电流、强度、临界电流衰减、交流损耗。
所述临界电流、临界电流衰减和交流损耗的测定方法为：传统的四引线电测法。
所述强度的测定方法为：对高温超导线施加张力及扭力，测量临界电流衰减5％时的张力及扭力作为临界张力及扭力。
结果如表1所示。
表1实施例和对比例制备的高温超导线检测结果
指标 实施例1 实施例2 实施例3 对比例1 对比例2 对比例3
临界电流 300A 300A 600A 200A 150A 50A
临界张力 800N 800N 800N 500N 500N 500N
临界扭力 300N 300N 300N 200N 200N 200N
临界电流衰减 20A 20A 10A 120A 170A 270A
交流损耗 100％ 100％ 100％ 200％ 200％ 200％
综上所述，本发明制备的高温超导线适合弯曲扭绕，具有更高的物理强度且不易损坏。与其他结构的超导线相比，本发明的超导线不仅可以减少超导体所感受的外界磁场，并且可以降低临界电流衰减和交流损耗。应用于大型超导电力设备中有着明显的优势。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，以上实施例仅用于说明本发明，而并不用于限制本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种高温超导线的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：采用热浸镀的方式将多根带材叠在一起焊接成一条即得高温超导线；
所述制备方法具体包括以下步骤：
步骤一、将每根带材分别固定在放线装置上，定位带材的中心线；
步骤二、采用盘装放卷带材的方法，分别将每根带材输送入锡炉；
步骤三、所有带材在锡炉内通过滚轮定位并焊接合并成一根后，出炉，即得所述的高温超导线；
所述的带材为窄丝化的第二代高温超导带材；
步骤二中，所述每根带材输送入锡炉前需涂覆助焊剂；
所述助焊剂为NCF-1A、NCF-1B、NCF-1C中的一种或多种；
步骤二中，所述带材的输送速度为0.1-3m/s。
2.根据权利要求1所述的高温超导线的制备方法，其特征在于，所述的带材宽度为1mm或2mm中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的高温超导线的制备方法，其特征在于，所述制备的高温超导线的横截面为圆形或正方形。
4.根据权利要求1所述的高温超导线的制备方法，其特征在于，步骤三中，所述焊接具体采用在温度100-300℃下将带材涂锡。
5.根据权利要求4所述的高温超导线的制备方法，其特征在于，所述焊接后的带材需经过锡炉中安装的夹刀刮掉带材表面多余的锡。
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