CN106340381B - 一种高温超导磁悬浮列车用超导磁体的制作方法 - Google Patents

一种高温超导磁悬浮列车用超导磁体的制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高温超导磁悬浮列车用超导磁体的制作方法，其做法是：A、在高温超导带材(1)的表面涂覆固化剂；涂覆的同时，将高温超导带材(1)从内至外缠绕形成一个空心的圆环或实心的圆饼，并将带材(1)的内端(1a)露出；B、将高温超导带材(1)的内端(1a)和高温超导带材(1)的外端(1b)连接成超导接头(2)，形成闭合成块的超导环或超导饼，即得。该方法制成的超导磁体临界电流密度高，且磁性轨道上方区域内集中的磁力线能密集、集中地进入超导磁体而被集中钉扎，产生的悬浮力和导向力强。

Description

一种高温超导磁悬浮列车用超导磁体的制作方法
技术领域
本发明涉及一种高温超导磁悬浮列车超导磁体的制作方法。
背景技术
高温超导材料如钇钡铜氧具有90K以上的高超导转变温度，实现了超导材料在液氮温区应用的重大突破，使得超导材料得到了广泛的应用。但超导材料中的单晶超导块材，在液氮温区零场下的临界电流密度仅能达到104A/cm2，无法满足超导材料实际应用的需求。
采用脉冲激光沉积、磁控溅射、化学溶液沉积等方法将钇钡铜氧制备成的超导薄膜(带材)，其超导性能明显提高。如钇钡铜氧高温超导带材的超导转变温度超过90K，且液氮温区自场下的临界电流密度达到106A/cm2以上。
在高温超导磁悬浮列车应用中，人们通常采用高温超导块材制成车载超导磁体(高温超导磁悬浮列车用超导磁体)。当高温超导块材在磁场冷却条件下进入超导态时，磁性轨道上方区域内集中的外部磁力线将集中穿透超导块材并以磁通量子的形式被钉扎在块状的超导体内部的结构缺陷区域。当永磁体靠近处于超导态的高温超导块材时，变化的磁通将会在块状的超导体内部产生感应电流以阻碍外部磁通进入超导体内部。感应电流与外磁场相互作用产生的电磁力提供了高温超导磁悬浮列车运行的悬浮力和导向力。但由于超导块材的临界电流密度低，导致其悬浮力和导向力有待提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种高温超导磁悬浮列车用超导磁体的制作方法，该方法制成的超导磁体临界电流密度高，且磁性轨道上方区域内集中的磁力线能密集、集中地进入超导磁体而被集中钉扎，产生的悬浮力和导向力强。
本发明实现其发明目的，所采用的技术方案是：一种高温超导磁悬浮列车用超导磁体的制作方法，其做法是：
A、在高温超导带材的表面涂覆固化剂；涂覆的同时，将高温超导带材从内至外缠绕形成一个空心的圆环或实心的圆饼，并将带材的内端露出；
B、将高温超导带材的内端和高温超导带材的外端连接成超导接头，形成闭合成块的超导环或超导饼，即得。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的超导磁体(超导环或超导饼)是由超导带材缠绕、固化、粘接形成的闭合通路，较之整体结构的超导块材、其临界电流密度能从104A/cm2提高到106A/cm2以上，临界电流密度大幅提高。
超导磁体(超导环或超导饼)是由超导带材从内至外逐圈缠绕、紧密粘接固化、并将端部连接闭合而成；这种紧密且闭合的、块状的超导环或超导饼，较之分散的超导带材能更集中的位于磁性轨道上方磁力线密集区域，从而增强钉扎效应，提高超导磁体的悬浮力和导向力。
总之，本发明的超导磁体既具备超导块材磁力线钉扎密度高的特性，又兼具超导带材临界电流密度高的特点，从而其产生的悬浮力和导向力大大提高。
进一步，本发明B步中，将高温超导带材的内端和高温超导带材的外端连接成超导接头的具体做法是：
B1、剥离保护层：将高温超导带材的内端和外端，同时垂直浸入氨水和双氧水质量比为1：0.3-3的混合腐蚀液中1min以上，且浸入深度1cm以上，以去除内端表面和外端表面的铜和银保护层，露出内部的超导层；
B2、熔融扩散：将B1步处理后的内端和外端搭接并用夹具夹紧，然后将整个高温超导带材置于热压炉中，并将夹紧的内端和外端置于热压炉的压力装置的正下方；再密封炉膛并对其抽真空，相对真空度为-400Pa到-10Pa之间；随后通过热压炉的压力装置对夹紧的内端和外端进行持续加压；同时将炉温升至800-1000℃，并保温1-10min，使内端和外端的超导层表面局部熔融；
B3、织构融合：将炉温降至700-800℃，并保温1-10h，即在内端和外端获得具有单晶织构且紧密衔接的超导层界面；
B4、超导电性再生：去掉内端和外端上的夹具，然后采用激光熔融技术在内端和外端形成渗氧通孔，其中，渗氧通孔的密度为每平方厘米200-600个孔，每个孔的直径为10-50微米；再将整个高温超导带材置于高压热处理设备，并充入氧气，升温至300-600℃，并保温100-400h，即将高温超导带材的内端和高温超导带材的外端连接成超导接头。
现有技术对超导带材的接头均采用低熔点的金属焊料进行焊接形成。由于焊料、铜保护层、银保护层，以及层与层之间的界面均具有电阻，导致接头处存在接触电阻、不具有超导特性。在工作时，接头处有热损耗，使得超导磁体中的电流和钉扎效应降低，产生的悬浮力和导向力也降低。
本发明的上述接头连接技术:由B1步的熔融扩散，通过真空条件下对接头部位进行高压、800-1000℃的高温熔融热处理，使接头部分的超导层表面局部熔融，两部分超导层界面之间的原子扩散。随后B2步在700-800℃的中温条件下，使接头处两部分超导层在局部熔融相和超导层外延生长的热动力学条件的联合驱动下，实现界面的织构融合即获得具有单晶织构且紧密衔接的超导层界面。最后在B3步的渗氧处理，将高温熔融热处理及中温织构融合中丢失的氧重新通过渗氧通孔渗入接头内部，最终获得具有高温超导特性的超导接头。
这样，采用上述方法得到的超导接头具有超导性能，在液氮温度下，接头处不存在电阻，避免了超导磁体接头处的热损耗，超导磁体中的电流不会随时间衰减，可提供强而稳定的悬浮力和导向力。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细的说明。
附图说明
图1是本发明实施例一的超导磁体(超导环)的立体结构示意图。
图2是本发明实施例二的超导磁体(超导饼)的立体结构示意。
具体实施方式：
实施例一
图1示出，本发明的第一种具体实施方式为，一种高温超导磁悬浮列车用超导磁体的制作方法，其做法是：
A、在高温超导带材1的表面涂覆固化剂；涂覆的同时，将高温超导带材1从内至外缠绕形成一个空心的圆环或实心的圆饼，并将带材1的内端1a露出；
B、将高温超导带材1的内端1a和高温超导带材1的外端1b连接成超导接头2，形成闭合成块的超导环，即得。
其中，将高温超导带材1的内端1a和高温超导带材1的外端1b连接成超导接头2的具体做法是：
B1、剥离保护层：将高温超导带材1的内端1a和外端1b，同时垂直浸入氨水和双氧水质量比为1：0.3的混合腐蚀液中1min，且浸入深度1cm，以去除内端1a表面和外端1b表面的铜和银保护层，露出内部的超导层；
B2、熔融扩散：将B1步处理后的内端1a和外端1b搭接并用夹具夹紧，然后将整个高温超导带材1置于热压炉中，并将夹紧的内端1a和外端1b置于热压炉的压力装置的正下方；再密封炉膛并对其抽真空，相对真空度为-400Pa；随后通过热压炉的压力装置对夹紧的内端1a和外端1b进行持续加压；同时将炉温升至800℃，并保温1min，使内端1a和外端1b的超导层表面局部熔融；
B3、织构融合：将炉温降至700，并保温1h，即在内端1a和外端1b获得具有单晶织构且紧密衔接的超导层界面；
B4、超导电性再生：去掉内端1a和外端1b上的夹具，然后采用激光熔融技术在内端1a和外端1b形成渗氧通孔，其中，渗氧通孔的密度为每平方厘米200个孔，每个孔的直径为10微米；再将整个高温超导带材1置于高压热处理设备，并充入氧气，升温至300℃，并保温100h，即将高温超导带材1的内端1a和高温超导带材1的外端1b连接成超导接头2。
实施例二
图1示出，一种高温超导磁悬浮列车用超导磁体的制作方法，其做法是：
A、在高温超导带材1的表面涂覆固化剂；涂覆的同时，将高温超导带材1从内至外缠绕形成一个空心的圆环或实心的圆饼，并将带材1的内端1a露出；
B、将高温超导带材1的内端1a和高温超导带材1的外端1b连接成超导接头2，形成闭合成块的超导饼，即得。
其中，将高温超导带材1的内端1a和高温超导带材1的外端1b连接成超导接头2的具体做法是：
B1、剥离保护层：将高温超导带材1的内端1a和外端1b，同时垂直浸入氨水和双氧水质量比为1：2混合腐蚀液中2min，且浸入深度2cm，以去除内端1a表面和外端1b表面的铜和银保护层，露出内部的超导层；
B2、熔融扩散：将B1步处理后的内端1a和外端1b搭接并用夹具夹紧，然后将整个高温超导带材1置于热压炉中，并将夹紧的内端1a和外端1b置于热压炉的压力装置的正下方；再密封炉膛并对其抽真空，相对真空度为-200Pa；随后通过热压炉的压力装置对夹紧的内端1a和外端1b进行持续加压；同时将炉温升至900℃，并保温5min，使内端1a和外端1b的超导层表面局部熔融；
B3、织构融合：将炉温降至750℃，并保温5h，即在内端1a和外端1b获得具有单晶织构且紧密衔接的超导层界面；
B4、超导电性再生：去掉内端1a和外端1b上的夹具，然后采用激光熔融技术在内端1a和外端1b形成渗氧通孔，其中，渗氧通孔的密度为每平方厘米400个孔，每个孔的直径为30微米；再将整个高温超导带材1置于高压热处理设备，并充入氧气，升温至500℃，并保温300h，即将高温超导带材1的内端1a和高温超导带材1的外端1b连接成超导接头2。
实施例三
一种高温超导磁悬浮列车用超导磁体的制作方法，其做法是：
A、在高温超导带材1的表面涂覆固化剂；涂覆的同时，将高温超导带材1从内至外缠绕形成一个空心的圆环或实心的圆饼，并将带材1的内端1a露出；
B、将高温超导带材1的内端1a和高温超导带材1的外端1b连接成超导接头2，形成闭合成块的超导环，即得。
其中，将高温超导带材1的内端1a和高温超导带材1的外端1b连接成超导接头2的具体做法是：
B1、剥离保护层：将高温超导带材1的内端1a和外端1b，同时垂直浸入氨水和双氧水质量比为1：3的混合腐蚀液中3min，且浸入深度3cm，以去除内端1a表面和外端1b表面的铜和银保护层，露出内部的超导层；
B2、熔融扩散：将B1步处理后的内端1a和外端1b搭接并用夹具夹紧，然后将整个高温超导带材1置于热压炉中，并将夹紧的内端1a和外端1b置于热压炉的压力装置的正下方；再密封炉膛并对其抽真空，相对真空度为-10Pa之间；随后通过热压炉的压力装置对夹紧的内端1a和外端1b进行持续加压；同时将炉温升至1000℃，并保温10min，使内端1a和外端1b的超导层表面局部熔融；
B3、织构融合：将炉温降至800℃，并保温10h，即在内端1a和外端1b获得具有单晶织构且紧密衔接的超导层界面；
B4、超导电性再生：去掉内端1a和外端1b上的夹具，然后采用激光熔融技术在内端1a和外端1b形成渗氧通孔，其中，渗氧通孔的密度为每平方厘米600个孔，每个孔的直径为50微米；再将整个高温超导带材1置于高压热处理设备，并充入氧气，升温至600℃，并保温400h，即将高温超导带材1的内端1a和高温超导带材1的外端1b连接成超导接头2。
本发明的固化剂，可以是各种能将高温超导带材粘接固化成一体的固化剂，如环氧树脂固化剂。

Claims (1)

1.一种高温超导磁悬浮列车用超导磁体的制作方法，其步骤是：
A、在高温超导带材(1)的表面涂覆固化剂；涂覆的同时，将高温超导带材(1)从内至外缠绕形成一个空心的圆环或实心的圆饼，并将带材(1)的内端(1a)露出；
B、将高温超导带材(1)的内端(1a)和高温超导带材(1)的外端(1b)连接成超导接头(2)，形成闭合成块的超导环或超导饼；其具体做法是：
B1、剥离保护层：将高温超导带材(1)的内端(1a)和外端(1b)，同时垂直浸入氨水和双氧水质量比为1：0.3-3的混合腐蚀液中1min以上，且浸入深度1cm以上，以去除内端(1a)表面和外端(1b)表面的铜和银保护层，露出内部的超导层；
B2、熔融扩散：将B1步处理后的内端(1a)和外端(1b)搭接并用夹具夹紧，然后将整个高温超导带材(1)置于热压炉中，并将夹紧的内端(1a)和外端(1b)置于热压炉的压力装置的正下方；再密封炉膛并对其抽真空，相对真空度为-400Pa到-10Pa之间；随后通过热压炉的压力装置对夹紧的内端(1a)和外端(1b)进行持续加压；同时将炉温升至800-1000℃，并保温1-10min，使内端(1a)和外端(1b)的超导层表面局部熔融；
B3、织构融合：将炉温降至700-800℃，并保温1-10h，即在内端(1a)和外端(1b)获得具有单晶织构且紧密衔接的超导层界面；
B4、超导电性再生：去掉内端(1a)和外端(1b)上的夹具，然后采用激光熔融技术在内端(1a)和外端(1b)形成渗氧通孔，其中，渗氧通孔的密度为每平方厘米200-600个孔，每个孔的直径为10-50微米；再将整个高温超导带材(1)置于高压热处理设备，并充入氧气，升温至300-600℃，并保温100-400h，即将高温超导带材(1)的内端(1a)和高温超导带材(1)的外端(1b)连接成超导接头(2)。
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