CN107863613A - 一种超导接头及其制备方法 - Google Patents

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王栋樑
马衍伟
张现平
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R4/00—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation
    • H01R4/58—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation characterised by the form or material of the contacting members
    • H01R4/68—Connections to or between superconductive connectors

Abstract

一种超导接头，包括被连接的超导体、硼粉、镁粉和金属包套。所述被连接的超导体的末端埋入硼粉中，硼粉表面覆盖有镁粉，被连接的超导体、硼粉和镁粉均被金属包套所包裹。该超导接头的制备步骤为：(1)将被连接超导体的末端打磨，使超导芯露出；(2)将步骤(1)处理过的超导体的末端埋入硼粉中，硼粉表面覆盖镁粉，并用金属包套包裹被连接的超导体、硼粉和镁粉；(3)焊接步骤(2)处理过的金属包套；(4)对经上述步骤(3)制备的金属包套进行热处理。

Description

一种超导接头及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种超导接头及其制备方法。
背景技术
2001年发现超导转变温度高达39K的新型超导体二硼化镁MgB2具有超导相干长度较长、较高的上临界场、晶界不存在弱连接、结构简单、成本低廉等优点，在超导电力、电子器件、及医疗仪器，特别是核磁成像磁体等方面具有广泛的应用前景；此外，上述特性也使得二硼化镁还可以用作超导接头的接触材料。目前采用二硼化镁作为接触材料的超导接头制备方法有两类，一类是直接采用二硼化镁粉末作为接触材料，另一类是将混合后的硼粉和镁粉进行烧结生成的二硼化镁作为接触材料。这两类方法都有各自的缺点，使得超导接头的性能还有待于进一步提高。
专利(CN102449848A)公开了一种超导连接装置及其制造方法，其直接采用二硼化镁粉末作为接触材料。但是由于MgB2为陶瓷材料且较硬，这样不仅导致二硼化镁粉末之间的晶粒连接性比较差，更使得二硼化镁与被连接的超导体之间的连接性也差，最终必然在很大程度上降低了超导接头的性能，即导致接头区域的临界电流降低和超导电阻的增加。
专利(CN101291021B)公开了一种MgB2带材超导连接方法，其在两端待接续的MgB2带材之间放入镁粉和硼粉的混合物进行热处理，形成了MgB2超导芯连接。不过在合成MgB2的时候，由于镁扩散进入硼粉中，镁粉的位置便会空余出孔洞从而降低了连接区域的致密度，通常只有二硼化镁理论密度的50％左右，进而导致晶粒连接性变差，最终也必然在很大程度上降低了超导接头的性能，即导致接头区域的临界电流降低和超导电阻的增加。
发明内容
本发明的目的是克服目前超导接头采用二硼化镁作为接触材料时晶粒连接性差的问题，提出一种高致密度和晶粒连接性的超导接头的制备方法，并制备出连接效率较高的超导接头。且该方法工艺简单，制作方便。
本发明的技术方案如下：
一种超导接头，其特征在于：所述超导接头包括被连接的超导体、硼粉、镁粉和金属包套；所述的被连接的超导体的末端埋入硼粉中，硼粉表面覆盖有镁粉，被连接的超导体、硼粉和镁粉均被金属包套所包裹。所述的超导体包括超导块材、线材、带材或薄膜，所述的超导线材或带材的超导芯至少为单芯；硼粉密度为理论密度的25％-70％之间，所述的超导接头由镁粉和硼粉反应生成的二硼化镁实现超导连接。所述的被连接的超导体含有低温超导体或者高温超导体。
根据权利要求1所述的超导接头，其特征在于：所述的硼粉中不含或含有至少一种掺杂物，所述掺杂物含有La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、H、Li、B、C、N、O、F、Na、Mg、Al、Si、P、S、Cl、K、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、As、Se、Br、Rb、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pb、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Te、I、Cs、Ba、Hf、Ta、W、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi中的一种或多种元素。
所述的金属包套是金属箔、金属片或者金属管，种类为金属单质或合金；所述的金属包套为单层或者双层以上的复合包套。
所述的超导接头主要用于超导体连接或者超导磁体绕组。
一种超导接头的制备方法，其步骤如下：
(1)将需要连接超导体末端的超导芯露出；
(2)将步骤(1)处理过的超导体末端埋入硼粉中，压实硼粉使其密度达到理论密度的25％-70％之间；
(3)在硼粉表面覆盖镁粉，再将被连接的超导体、硼粉和镁粉用金属包套包裹；
(4)焊接经步骤(3)处理过的金属包套；
(5)对经上述步骤(4)制备的金属包套进行热处理，得到超导接头。
其中，硼粉与镁粉的原子比不高于2。
其中，优选的，热处理温度600-950℃，保温时间1分钟-100小时。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明所述超导接头的制备方法可以使硼粉表面的镁扩散进入硼粉中，硼在生成MgB2超导相时摩尔体积将提高4倍，硼粉之间的间隙几乎完全被MgB2超导相填满，因此可以生成了几乎达到理论密度的MgB2超导层；而且MgB2超导相之间在反应时有熔融相存在，晶粒连接性也很好。该方法提高了MgB2超导相的致密度和晶粒连接性，可以有效消减电阻及焦耳热的产生，避免了电流的衰减，因此有效提高了超导接头的超导性能。
本发明所述超导接头的制备方法在硼粉生成二硼化镁的时候，也可以使二硼化镁接触材料与被连接的超导体实现紧密接触，提高连接效率。
本发明所述超导接头制备方法将金属包套与被连接的超导体焊接后，被连接的超导体末端与接触材料处在一个密闭的金属包套环境中，因此该超导接头可以在普通空气环境下进行后续加工及热处理，这样也就大大简化了实验条件，非常适合在工程现场制作超导接头。
本发明所述的超导接头制备工艺简单，接头电阻小，接头连接效率高，且非常适合在工程现场制作超导接头。
附图说明
图1是本发明超导接头结构示意图；
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
实施例1
将需要连接的两个二硼化镁单芯线材末端进行打磨，裸露超导芯。按照图1所示的连接方式将上述处理过的两个二硼化镁线材的末端插入铌包套中，然后填充硼粉并使其密度达到理论密度的50％，在硼粉表面覆盖镁粉，镁粉与硼粉的原子比为1:2。焊接好铌包套后对其进行热处理，热处理温度为650℃且保温5小时。整个制备超导接头过程均在空气中完成。经测试本实施例制备的超导接头在4.2K和自场下接头电阻小于10-14Ω，接头连接效率达到了99.7％。
实施例2-9与上述实施例1的制备工艺相同，所不同的是被连接的超导体种类，详见下表：
实施例序号 被连接的超导体种类 接头电阻 连接效率
2 二硼化镁块材 10-14Ω 99.9％
3 二硼化镁带材 10-14Ω 99.5％
4 二硼化镁薄膜 10-14Ω 90％
5 铁基超导体 10-14Ω 99％
6 NbTi 未测 未测
7 Nb3Sn 未测 未测
8 Nb3Al 未测 未测
9 铜基超导体 未测 未测
实施例10-44与上述实施例1的制备工艺相同，所不同的是超导线材的芯数，详见下表：
实施例45-162与上述实施例1的制备工艺相同，所不同的是硼粉中的掺杂剂及其与硼粉的质量比，详见下表：
实施例163-172与上述实施例1的制备工艺相同，所不同的是硼粉的填充密度，详见下表：
实施例序号 硼粉的填充密度
163 25％
164 30％
165 35％
166 40％
167 45％
168 51％
169 55％
170 60％
171 65％
172 70％
实施例173-182与上述实施例1的制备工艺相同，所不同的是镁粉与硼粉的原子比，详见下表：
实施例序号 镁粉与硼粉的原子比
173 1:1.99
174 1:1.95
175 1:1.9
176 1:1.8
177 1:1.7
178 1:1.6
179 1:1.5
180 1:1.4
181 1:1.3
182 1:1
实施例183-222与上述实施例1的制备工艺相同，所不同的是热处理温度及保温时间，详见下表：
实施例223
将需要连接的两个铁基超导带材的末端进行打磨，使超导芯露出来。按照图1所示的连接方式将上述处理过的两个铁基超导带材末端插入到铁/铜复合包套中，然后填充硼粉并使其密度达到理论密度的50％，在硼粉表面覆盖镁粉，镁粉与硼粉的原子比为1:2。焊接好铁/铜复合包套后对其进行热处理，热处理温度为600℃且保温20小时。整个制备超导接头过程均在空气中完成。
实施例224-264与上述实施例223的制备工艺相同，所不同的是金属包套种类及其材质，详见下表：
实施例265
将需要连接的两个铁基超导3芯线材的末端进行打磨，使超导芯露出来。按照图1所示的连接方式将上述处理过的两个铁基超导3芯线材末端插入到铁/Monel复合包套中，然后填充硼粉并使其密度达到理论密度的60％，在硼粉表面覆盖镁粉，镁粉与硼粉的原子比为1:2。焊接好铁/Monel复合包套后对其进行热处理，热处理温度为850℃且保温30分钟。整个制备超导接头过程均在氩气气氛中完成。经测试本实施例制备的超导接头在4.2K和自场下接头电阻小于10-13Ω，接头连接效率达到了98％。
实施例266
将需要连接的两个铁基超导7芯带材的末端进行打磨，使超导芯露出来。按照图1所示的连接方式将上述处理过的两个铁基超导7芯带材末端插入到银/铁复合包套中，然后填充硼粉并使其密度达到理论密度的60％，在硼粉表面覆盖镁粉，镁粉与硼粉的原子比为1:2。焊接好银/铁复合包套后对其进行热处理，热处理温度为600℃且保温30小时。整个制备超导接头过程均在氩气气氛中完成。经测试本实施例制备的超导接头在4.2K和自场下接头电阻小于10-12Ω，接头连接效率达到了95％。

Claims (8)

1.一种超导接头，其特征在于：所述超导接头包括被连接的超导体、硼粉、镁粉和金属包套；所述的被连接的超导体的末端埋入硼粉中，硼粉表面覆盖有镁粉，被连接的超导体、硼粉和镁粉均被金属包套所包裹；所述的超导接头由镁粉和硼粉反应生成的二硼化镁实现超导连接。
2.根据权利要求1所述的超导接头，其特征在于：所述被连接的超导体含有低温超导体或者高温超导体，所述的超导体包括超导块材、线材、带材或薄膜，所述的超导线材或带材的超导芯至少为单芯。
3.根据权利要求1所述的超导接头，其特征在于：所述的硼粉不含或含有至少一种掺杂物；所述的掺杂物含有La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、H、Li、B、C、N、O、F、Na、Mg、Al、Si、P、S、Cl、K、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、As、Se、Br、Rb、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pb、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Te、I、Cs、Ba、Hf、Ta、W、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi中的一种或多种元素。
4.根据权利要求1所述的超导接头，其特征在于：所述的金属包套是金属箔、金属片或者金属管，种类为金属单质或合金；所述的金属包套为单层或者双层以上的复合包套。
5.根据权利要求1所述的超导接头，其特征在于：所述的超导接头用于超导体连接或者超导磁体绕组。
6.制备权利要求1-5的任一项所述超导接头的方法，其特征在于制备步骤如下：
(1)打磨被连接的超导体的末端，使其超导芯露出；
(2)将步骤(1)处理过的超导体末端埋入硼粉中，压实硼粉使其密度达到理论密度的25％-70％之间；
(3)在硼粉表面覆盖镁粉，再将被连接的超导体、硼粉和镁粉用金属包套包裹；
(4)焊接经步骤(3)处理过的金属包套；
(5)对经上述步骤(4)制备的金属包套进行热处理，得到超导接头。
7.根据权利要求6所述的制备超导接头的方法，其特征在于：硼与镁的原子比不高于2。
8.根据权利要求6所述的制备超导接头的方法，其特征在于：优选的热处理温度为600-950℃，保温时间1分钟-100小时。
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