CN107799917B - 一种rebco高温超导带材的低阻连接装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高温超导材料技术领域，尤其涉及一种REBCO高温超导带材的低阻连接装置。包括两个超导带材层，所述两个超导带材层的表面均覆盖有金属保护层；其特征在于，所述两个超导带材层之间具有一个通过过渡式焊接层连接的连接面；所述过渡式焊接层从上到下依次为高熔焊料层、低熔焊料层、高熔焊料层。本发明还提供一种所述连接装置的制备方法，包括以下步骤：S1：表层预处理、S2：预涂高熔焊料层、S3：预处理高熔焊料层、S4：焊接低熔焊料层、S5：冷却连接区域。本发明提供的REBCO高温超导带材的低阻连接装置及制造方法具有连接结构电阻小，连接处机械强度高等优点。

Description

一种REBCO高温超导带材的低阻连接装置及其制造方法
技术领域
本发明属于高温超导材料技术领域，尤其涉及一种REBCO高温超导带材的低阻连接装置及制造方法。
背景技术
稀土钡铜氧REBCO(RE为Y、Gd、Sm、Nd、Dy等稀土元素)是近十几年发展起来的极具应用前景的高温超导带材，由于其具有高临界温度、高临界电流以及在磁场中更好的超导性能，可广泛应用于制作超导电缆、超导限流器以及超导磁体等。然而，由于REBCO第二代高温超导带材制备工艺本身的限制，现有加工工艺能制备出几百米到千米量级的超导带材。一方面为了得到低成本的电流均匀分布的千米级带材，往往需要对带材制备过程中的缺陷进行修补；另一方面，由于带材长度的限制，在超导电缆、超导限流器以及超导磁体的工程实践中，所用的REBCO超导带材都不是单根带材，必须通过某种合理的工艺技术将多根超导带材连接起来。
目前REBCO超导带材的接头制备技术主要有三种：REBCO超导层连接、Ag扩散熔融焊接以及软钎焊接工艺。前两种方法在实验室中能得到较低的电阻或完全超导连接，但都不适用于封装好的成品超导带材，且工艺复杂。软钎焊接工艺实施方法最为简单，直接采用焊料将两根超导带材连接起来，可以适用于镀有银稳定层的半成品带材以及带有铜保护层的成品带材。本专利也是基于这种软钎焊接工艺提出的一种的REBCO高温超导带材的低阻连接方法。
由于REBCO高温超导带材自身材料的特性，在使用软钎焊接工艺进行超导带材连接的过程中存在如下的问题：
1)采用高熔焊料(熔点高于180℃)进行带材连接时，焊接温度较高，并且需要在较大的压力下维持一定的时间以形成优异的电接触。超导带材往往会产生诸多的问题，比如REBCO材料容易失氧、铜保护层容易被氧化、以及银稳定层和铜保护层容易与焊料过度合金化，从而使超导带材性能、超导连接工艺的可靠性和重复性下降。专利CN 104167487 A通过优化工艺方法降低高温焊接(大于220℃)时间，避免了以上提到的高温下带材及接头存在的问题；然而其缺点在于，接触电阻相对较大(8m长度时接头电阻为2.25×10-9Ω，IEEETRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY,VOL.25,NO.3,2015,6600705)，另外该工艺不适用于带有铜保护层的超导带材的连接。
2)采用低熔焊料(熔点低于160℃)进行带材连接时(专利CN 104710186B和CN105826789A)，可以使用较低的焊接温度，避免超导带材出现以上的问题，然而其最大问题是超导带材保护层银以及裸铜与低熔焊料做焊接得到的连接械性能较差，结合力非常小，难以满足实用化需求。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有存在的技术问题，本发明提供一种REBCO高温超导带材的低阻连接装置及其制造方法，解决了现有技术中的连接结构电阻大、连接机械强度低等问题。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种REBCO高温超导带材的低阻连接装置，包括两个超导带材层，所述两个超导带材层的表面均覆盖有金属保护层，所述两个超导带材层之间具有一个通过过渡式焊接层连接的连接面；
所述过渡式焊接层从上到下依次为高熔焊料层、低熔焊料层、高熔焊料层。
优选地，所述高熔焊料层包括高熔焊料本身以及高熔焊料与金属保护层之间所形成的金属间合金化合物层。
优选地，所述低熔焊料层包括低熔焊料本身以及低熔焊料与高熔焊料层之间所形成的金属间合金化合物层。
优选地，所述两个超导带材层为两条不同线路的超导带材。
优选地，所述两个超导带材层中至少一个为补丁超导带材和/或带有缺陷的超导带材；
所述连接面完全覆盖所述补丁超导带材的补丁区域和所述带有缺陷的超导带材的缺陷区域。
另外，本申请还提供一种用于制造上述任一种技术方案所述的REBCO高温超导带材的低阻连接装置的制备方法，包括以下步骤：
S1、表层预处理：对连接区域的超导带材的金属保护层表面抛光，并去除杂质；
S2、预涂高熔焊料层：将S1中处理后的连接区域预涂高熔焊料层；
S3、预处理高熔焊料层：将连接区域的高熔焊料层表面抛光，并去除杂质；
S4、焊接低熔焊料层：在两个预处理后的高熔焊料层之间焊接低熔焊料层；
S5、冷却连接区域：将焊接完成后的低熔焊料层冷却至室温，获得低阻连接装置。
优选地，所述S2中高熔焊料层采用熔点在180℃以上的Sn基合金焊料。
优选地，S4中低熔焊料层采用熔点低于160℃的低熔焊料。
优选地，所述低熔焊料包含In、Sn、Ag、Bi和Pb中的多种元素。
优选地，所述S2中预涂高熔焊料层用时介于0s-5s之间。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：本发明提供的一种REBCO高温超导带材的低阻连接装置及其制造方法具有以下有益效果：
1、本发明由于低温焊接过程温度、压力、时间均可大幅度调整，在过渡式焊接层各界面处都能形成厚度可控的焊料层和金属间化合物层，因此可以实现极低的接触电阻(在接头长度为1m时其电阻低至10-10Ω量级)以及较强的机械性能，满足实用化的需求。
2、本发明通过引入过渡式焊接层结构设计，解决了现有的高温软钎焊接工艺中存在的REBCO材料容易失氧、铜保护层容易被氧化、以及银稳定层和铜保护层容易与焊料过度合金化的问题。
3、本发明通过引入过渡式焊接层结构设计，解决了现有的低温软钎焊接工艺中存在的带材连接处机械性能差的问题。
4、本发明由于高温焊接过程时间极短，因此超导带材连接可重复性和成品率极高。
5、本发明制备工艺相对简单，可同时适用于市场上两种常规结构的超导带材(电镀覆铜封装以及锡焊铜带封装)。
附图说明
图1为实施例一中制备电镀覆铜封装REBCO高温超导带材连接装置结构示意图；
图2为实施例二中修复电镀覆铜封装REBCO高温超导带材缺陷连接装置结构示意图；
图3为实施例三中制备锡焊铜带封装REBCO高温超导带材连接装置结构示意图；
图4为实施例四中修复锡焊铜带封装REBCO高温超导带材缺陷连接装置结构示意图；
图5为实施例三中锡焊铜带封装REBCO高温超导带材连接装置在长度为1m时的I-V测试曲线图；
图6为实施例一所涉及的采用过渡式焊接层技术所制备的连接装置与常规低温合金焊接技术所制备的接头的剥离力测试对比曲线图。
【附图标记说明】
1：电镀铜下保护层；2：超导带材层；3：电镀铜上保护层；4：高熔焊料层；5：低熔焊料层；6：带材缺陷；7：锡焊铜带封装带材表面粗糙的高熔焊料层；8：锡焊铜带下保护层；9：锡焊铜带上保护层；10：补丁超导带材。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
实施例一
如图1所示，本实施例提供了一种电镀覆铜封装REBCO高温超导带材的低阻连接装置及其制备方法。
该低阻连接装置从上至下包括电镀铜下保护层1、超导带材层2、电镀铜上保护层3、高熔焊料层4、低熔焊料层5、高熔焊料层4、电镀铜上保护层3、超导带材层2、电镀铜下保护层1。
本实施例中所述的超导带材层2包括金属基带、多层结构的过渡层、REBCO超导层、银稳定层。
本实施例中所述高熔焊料层4包括高熔焊料本身以及与电镀铜之间所形成的金属间合金化合物层，高熔焊料采用熔点在180℃以上的Sn基合金焊料。
本实施例中所述的低熔焊料层5包括低熔焊料本身以及低熔焊料与高熔焊料层4之间所形成的金属间合金化合物层，低熔焊料层熔点低于160℃，可以是In、Sn、Ag、Bi、Pb中的多种元素的不同比例的组合。
其制备方法包括如下步骤：
S1、表层预处理：对电镀覆铜封装结构的超导带材待连接处最外层铜的进行机械抛光，然后采用酒精或丙酮擦拭干净。
S2、预涂高熔焊料层：带材待连接处表面涂抹助焊剂，在空气气氛中快速通过熔融的高熔焊料区，最后迅速加压将多余的高熔焊料挤出。
S3、预处理高熔焊料层：对高熔焊料层进行机械抛光然后用酒精或丙酮清洗。
S4、焊接低熔焊料层：带材待连接处表面涂抹助焊剂，在空气气氛中涂抹低熔焊料或低熔焊膏或加入低熔焊片。
带材待连接处以“超导面对超导面”的形式放置，并保持超导带材的待连接部分对齐搭接叠放，对待连接部分在空气气氛中加热施压，并保持一定的时间，将多余的低熔焊料挤出。
S5、冷却连接区域：完成S4后停止加热，待连接装置冷却至室温后卸压。
本实施例中S2中预涂高熔焊料层4用时介于0s-5s之间。
实施例二
如图2所示，本实施例提供了一种修复电镀覆铜封装REBCO高温超导带材缺陷的低阻连接装置及其制备方法。
该装置结构从上至下包括补丁超导带材10、高熔焊料层4、低熔焊料层5、高熔焊料层4、电镀铜上保护层3、超导带材层2、电镀铜下保护层1。
本实施例中所述补丁超导带材为合格的超导带材，包括电镀铜下保护层1、超导带材层2、电镀铜上保护层3。
本实施例中所述补丁超导带材10的长度远远大于带材缺陷的长度。
本实施例中所述超导带材层2包括金属基带、多层结构的过渡层、REBCO超导层、银稳定层。
本实施例中所述高熔焊料层4包括高熔焊料本身以及与电镀铜之间所形成的金属间合金化合物层，高熔焊料层4采用熔点在180℃以上的Sn基合金焊料。
本实施例中所述低熔焊料层5包括低熔焊料本身以及低熔焊料与高熔焊料层4之间所形成的金属间合金化合物层，低熔焊料层熔点低于160℃，可以是In、Sn、Ag、Bi、Pb中的多种元素的不同比例的组合。
其制备方法包括如下步骤：
S1、带材缺陷的准确定位：通过传输电流法以不同的步长反复连续测试超导带材临界电流，准确的定位出超导带材的缺陷位置以及确认好缺陷的长度，同时选定合适长度的合格带材作为补丁超导带材10。
S2、带材预处理：对电镀覆铜封装结构的超导带材缺陷处以及补丁超导带材10的超导面一侧最外层铜进行机械抛光然后采用酒精或丙酮擦拭干净。
S3、预涂覆高熔焊料层：带材待修补处表面涂抹助焊剂，在空气气氛中快速通过熔融的高熔焊料区，最后迅速加压将多余的高熔焊料挤出。
S4、再次预处理：对待修补处高熔焊料层4进行机械抛光，然后用酒精或丙酮清洗。
S5、形成低熔焊料层：超导带材待修补处表面涂抹助焊剂，在空气气氛中涂抹低熔焊料或低熔焊膏或加入低熔焊片。
S6、带材修补：缺陷超导带材和补丁超导带材10以“超导面对超导面”的形式放置，并保持补丁超导带材10位于缺陷超导带材待修补位置的正上方，且对齐叠放，对待连接部位在空气气氛中加热施压，并保持一定的时间，将多余的低熔焊料挤出。
S7、补丁冷却：完成步骤5后停止加热，待带材冷却至室温后卸压。
本实施例中S2中预涂高熔焊料层4用时介于0s-5s之间。
实施例三
如图3所示，本实施例提供了一种锡焊铜带封装REBCO高温超导带材的低阻连接装置及其制备方法。
该连接装置从上至下包括高熔焊料层7、锡焊铜带下保护层8、高熔焊料层7、超导带材层2、高熔焊料层7、锡焊铜带上保护层9、高熔焊料层7、低熔焊料层5、高熔焊料层7、锡焊铜带上保护层9、高熔焊料层7、超导带材层2、高熔焊料层7、锡焊铜带下保护层8、高熔焊料层7。
本实施例中所述高熔焊料层7是在锡焊铜带封装工艺中铜带表面浸锡形成的高熔焊料层7。
本实施例中所述超导带材层2包括金属基带、多层结构的过渡层、REBCO超导层、银稳定层。
本实施例中所述高熔焊料层7包括高熔焊料本身以及与铜带之间所形成的金属间合金化合物层，高熔焊料采用熔点在180℃以上的Sn基合金焊料。
本实施例中所述低熔焊料层5包括低熔焊料本身以及低熔焊料与高熔焊料层7之间所形成的金属间合金化合物层，低熔焊料熔点低于160℃，可以是In、Sn、Ag、Bi、Pb中的多种元素的不同比例的组合。
需要说明的是，所述锡焊铜带封装的REBCO高温超导带材的铜带保护层的表面本身就有一层高熔焊料层，因此本实施例中所述的制备方法不包括预涂高熔焊料层的工序。
其制备方法包括如下步骤：
S1、预处理高熔焊料层：对高熔焊料层7进行机械抛光然后用酒精或丙酮清洗。
S2，焊接低熔焊料层：超导带材待连接处表面涂抹助焊剂，在空气气氛中涂抹低熔焊料或低熔焊膏或加入低熔焊片。
超导带材待连接处以“超导面对超导面”的形式放置，并保持超导带材的待连接部分对齐搭接叠放，对待连接部分在空气气氛中加热施压，并保持一定的时间，将多余的低熔焊料挤出。
S3、冷却连接区域：完成S2后停止加热，待连接装置冷却至室温后卸压。
实施例四
如图4所示，本实施例提供了一种修复锡焊铜带封装REBCO高温超导带材缺陷的低阻连接装置及其制备方法。
该装置的结构从上至下包括补丁超导带材10、低熔焊料层5、高熔焊料层7、锡焊铜带上保护层9、高熔焊料层7、超导带材层2、高熔焊料层7、锡焊铜带下保护层8、高熔焊料层7。
本实施例中所述补丁超导带材10为合格的超导带材，包括高熔焊料层7、锡焊铜带下保护层8、高熔焊料层7、超导带材层2、高熔焊料层7、锡焊铜带上保护层9、高熔焊料层7。
本实施例中所述补丁超导带材10的长度远远大于带材缺陷的长度。
本实施例中所述高熔焊料层7是在锡焊铜带封装工艺中铜带表面浸锡所形成的高熔焊料层。
本实施例中所述超导带材层2包括金属基带、多层结构的过渡层、REBCO超导层、银稳定层。
本实施例中所述高熔焊料层7包括高熔焊料本身以及与铜带之间所形成的金属间合金化合物层，高熔焊料采用熔点在180℃以上的Sn基合金焊料。
本实施例中所述低熔焊料层5包括低熔焊料本身以及低熔焊料与高熔焊料层7之间所形成的金属间合金化合物层，低熔焊料熔点低于160℃，可以是In、Sn、Ag、Bi、Pb中的多种元素的不同比例的组合。
其制备方法包括如下步骤：
S1、超导带材缺陷的准确定位：通过传输电流法以不同的步长反复连续测试超导带材临界电流，准确的定位出带材缺陷6位置以及确认好缺陷的长度，同时选定合适长度的合格超导带材作为补丁超导带材10。
S2、带材预处理：对锡焊铜带封装结构的超导带材缺陷6处以及补丁超导带材10最外层的高熔焊料层7进行机械抛光，然后采用酒精或丙酮擦拭干净。
S3、形成低熔焊接层：超导带材待修补处表面涂抹助焊剂，在空气气氛中涂抹低熔焊料或低熔焊膏或加入低熔焊片。
S4、带材修补：缺陷带材以及补丁超导带材10以“超导面对超导面”的形式放置，并保持补丁超导带材10位于带材缺陷6待修补位置的正上方，且对齐叠放，对待连接部位在空气气氛中加热施压，并保持一定的时间，将多余的低熔焊料挤出。
S5、补丁冷却：完成S4后停止加热，待带材冷却至室温后卸压。
对本发明中实施例三中制备的连接装置在接头长度为1m时进行四探针传输电流法测试得到图5中所示的I-V测试曲线图。
对实施例三中的连接装置进行剥离力测试和现有技术中的剥离力测试数据得到图6所示的对比示意图。
从图中能看出本发明的连接装置相比现有技术中的接头连接机械强度大、电阻小。
最后需要说明的是：实施例一至实施例四中任一实施例中的高温是指温度介于85K-97K之间。
实施例一至实施例四中任一实施例中所述的低阻是指连接带的通电电阻低于1纳欧。
实施例一至实施例四中任一实施例中所述的高熔是指熔点大于180℃的焊料。
实施例一至实施例四中任一实施例中所述的低熔是指熔点低于160℃的焊料。
本发明专利的实施例一至实施例四均得到了ZXT2016002项目的支持。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种REBCO高温超导带材的低阻连接装置，包括两个超导带材层，所述两个超导带材层的表面均覆盖有金属保护层，其特征在于，所述两个超导带材层之间具有一个通过过渡式焊接层连接的连接面；
所述过渡式焊接层从上到下依次为高熔焊料层(4)、低熔焊料层(5)、高熔焊料层(4)；
所述高熔焊料层(4)包括高熔焊料本身以及高熔焊料与金属保护层之间所形成的金属间合金化合物层；
所述低熔焊料层(5)包括低熔焊料本身以及低熔焊料与高熔焊料层(4)之间所形成的金属间合金化合物层。
2.如权利要求1所述的连接装置，其特征在于，所述两个超导带材层为两条不同线路的超导带材。
3.如权利要求1-2任一项所述的连接装置，其特征在于，所述两个超导带材层(2)中至少一个为补丁超导带材(10)和/或带有缺陷的超导带材；
所述连接面完全覆盖所述补丁超导带材(10)的补丁区域和所述带有缺陷的超导带材的缺陷区域。
4.一种用于制造如权利要求1-3任一项所述的REBCO高温超导带材的低阻连接装置的制备方法，包括以下步骤：
S1、表层预处理：对连接区域的超导带材的金属保护层表面抛光，并去除杂质；
S2、预涂高熔焊料层：将S1中处理后的连接区域预涂高熔焊料层(4)；
S3、预处理高熔焊料层：将连接区域的高熔焊料层(4)表面抛光，并去除杂质；
S4、焊接低熔焊料层：在两个预处理后的高熔焊料层(4)之间焊接低熔焊料层；
S5、冷却连接区域：将焊接完成后的低熔焊料层(5)冷却至室温，获得低阻连接装置。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述S2中高熔焊料层(4)采用熔点在180℃以上的Sn基合金焊料。
6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，S4中低熔焊料层(5)采用熔点低于160℃的低熔焊料。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述低熔焊料包含In、Sn、Ag、Bi和Pb中的多种元素。
8.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述S2中预涂高熔焊料层(4)用时介于0s-5s之间。
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