CN108369842B - 超导线 - Google Patents

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Abstract

一种超导线(10)包括衬底(1)和超导材料层(5)。所述衬底(1)包括第一主表面(1a)和与所述第一主表面(1a)相对的第二主表面(1b)。所述超导材料层(5)设置在所述第一主表面(1a)上。在所述超导线(10)延伸的方向上沿所述超导线(10)的至少一部分，所述超导材料层(5)被设置为沿着所述衬底(1)的宽度方向覆盖所述衬底(1)的侧表面并覆盖所述第二主表面(1b)的至少一部分。位于所述第一主表面(1a)上的所述超导材料层(5)的厚度沿所述宽度方向变化。位于所述第二主表面(1b)上的所述超导材料层(5)的最大厚度小于位于所述第一主表面(1a)上的所述超导材料层(5)的最大厚度。

Description

超导线
技术领域
本发明涉及一种超导线，并且更具体地涉及一种超导材料层形成于衬底上的超导线。
背景技术
近年来，正在开发在金属衬底上形成超导材料层的超导线。特别是，氧化物超导线备受关注。氧化物超导线包括由氧化物超导体制成的超导材料层，氧化物超导体是具有等于或高于液氮温度的转变温度的高温超导体。
这种氧化物超导线通常通过在取向对准的金属衬底上形成中间层、在中间层上形成氧化物超导材料层、并进一步形成银(Ag)或铜(Cu)的稳定层来制造(参考例如日本专利特开2013-12406号公报(PTD 1))。
引用列表
专利文献
PTD 1：日本专利特开2013-12406号公报
发明内容
本发明解决的技术问题
以上述方式构造的超导线具有多层结构，其中在金属衬底上形成由中间层和超导材料层构成的陶瓷层。当这样的超导线被冷却到其临界温度时，金属衬底与陶瓷层之间的热膨胀系数差异导致应力从金属衬底施加到多层结构中的陶瓷层。但是，陶瓷层不能产生应力。因此，金属衬底与陶瓷层之间的界面处的结合强度降低，导致在陶瓷层的边缘发生局部剥离的问题。由此，在超导材料层的一部分中容易发生破损、变形等，从而导致超导特性的劣化。
本发明的目的是通过抑制超导材料层的局部剥离来提供具有稳定的超导特性的超导线。
问题的解决方案
根据本发明的一个方面的超导线包括：具有第一主表面和位于与第一主表面相反的第二主表面的衬底；以及设置在衬底的第一主表面上的超导材料层。在超导线延伸的方向上沿超导线的至少一部分，超导材料层被设置为覆盖在衬底的宽度方向上的衬底的侧表面并且覆盖第二主表面的至少一部分。位于第一主表面上的超导材料层的厚度沿宽度方向变化。位于第二主表面上的超导材料层的最大厚度小于位于第一主表面上的超导材料层的最大厚度。
发明的有益效果
根据以上所述，在衬底上形成超导材料层的超导线中，能够抑制超导材料层的局部剥离。以这种方式，能够实现具有稳定的超导特性的超导线。
附图说明
图1是示出第一实施例中的超导线的构造的示意性截面图。
图2是示出第一实施例中的多层堆叠的构造的示意性截面图。
图3是示出比较例中的超导线的多层堆叠的构造的示意性截面图。
图4是示出第一实施例中的超导线制造方法的流程图。
图5是示出第一实施例中的超导线制造方法的示意性截面图。
图6是示出第一实施例中的超导线制造方法的示意性截面图。
图7是示出第一实施例中的超导线制造方法的示意性截面图。
图8是示出第一实施例中的超导线制造方法的示意性截面图。
图9是示出根据第一实施例中的第一修改例的超导线的构造的示意性截面图。
图10是示出根据第一实施例中的第二修改例的超导线的构造的示意性截面图。
图11是示出第二实施例中的超导线的构造的示意性截面图。
图12是示出第三实施例中的超导线的构造的示意性截面图。
图13是示出第四实施例中的超导线的构造的示意性截面图。
图14是示出第四实施例中的超导线制造方法的流程图。
图15是示出第五实施例中的超导线的构造的示意性截面图。
图16是示出第五实施例中的超导线制造方法的流程图。
图17是示意性地示出用于线细化步骤的分切器的构造的图。
图18是示出第五实施例中的超导线制造方法的示意性截面图。
图19是示出根据第五实施例的修改例的超导线的构造的示意性截面图。
具体实施方式
[本发明的实施例的描述]
首先，将逐个描述本发明的各个方面。
(1)根据本发明的一个方面的超导线10(参考图1)包括衬底1和超导材料层5。衬底1包括第一主表面1a和位于与第一主表面1a相反的第二主表面1b。超导材料层5设置在衬底1的第一主表面1a上。在超导线10延伸的方向上沿着超导线10的至少一部分，超导材料层5被设置为覆盖在衬底1的宽度方向上的衬底1的侧表面(第一侧表面1c和第二侧表面1d中的至少一个)并且覆盖第二主表面1b的至少一部分。位于第一主表面1a上的超导材料层5的厚度沿宽度方向变化。位于衬底1的第二主表面1b上的超导材料层5的最大厚度T2小于位于第一主表面1a上的超导材料层5的最大厚度T1。
因此，超导材料层5形成为覆盖衬底1的第一主表面1a，并且还覆盖衬底1的侧表面和第二主表面1b的至少一部分。因此，在衬底1的宽度方向端部，能够提高衬底1与超导材料层5之间的结合强度。相应地，能够抑制超导材料层5发生局部剥离，且因此能够抑制超导线10的超导特性的劣化。
由于最大厚度T2小于最大厚度T1，因此位于第二主表面1b上的超导材料层5的强度小于位于第一主表面1a上的超导材料层5的强度。因此，由于施加到超导材料层5上的应力而使位于第二主表面1b上的超导材料层5在位于第一主表面1a上的超导材料层5破裂之前破裂的可能性增加。因此，相对于防止位于第二主表面1b上的超导材料层5的破裂或变形，可以优先考虑防止位于第一主表面1a上的超导材料层5的破裂或变形。位于第一主表面1a上的超导材料层5是超导电流流过的路径的主要部分。由于优先考虑保护这一部分，因此能够有效地抑制超导线10的超导特性的劣化。由此能够实现具有稳定的超导特性的超导线10。
(2)超导线10还包括设置在衬底1的第一主表面1a与超导材料层5之间的中间层3。在超导线10延伸的方向上沿着超导线10的至少一部分，中间层3被设置为覆盖衬底1的侧表面并覆盖第二主表面1b的至少一部分。位于第二主表面1b上的中间层3的最大厚度T4小于位于第一主表面1a上的中间层3的最大厚度T3(参考图8)。
因此，在衬底1的宽度方向端部，能够提高衬底1与中间层3之间的结合强度，因此能够抑制中间层3从衬底1的剥离。相应地，能够抑制由于中间层3的剥离而引起的超导材料层5的剥离。由于最大厚度T4小于最大厚度，因此位于第二主表面1b上的中间层3的强度小于位于第一主表面1a上的中间层3的强度。因此，由于施加到中间层3上的应力而使位于第二主表面1b上的中间层3在位于第一主表面1a上的中间层3破裂之前破裂的可能性增加。因此，相对于防止位于第二主表面1b上的中间层3和超导材料层5的破裂或变形等，可以优先考虑防止位于第一主表面1a上的中间层3和超导材料层5的破裂或变形等。
(3)超导线10还包括形成在超导材料层5上的保护层7。在超导线10延伸的方向上沿着超导线10的至少一部分，保护层7被设置为覆盖衬底1的侧表面并覆盖第二主表面1b的至少一部分。位于第二主表面1b上的保护层7的最大厚度T6小于位于第一主表面1a上的保护层7的最大厚度T5。
因此，可以形成保护层7以覆盖超导材料层5，超导材料层5覆盖衬底1的侧表面并覆盖第二主表面1b的至少一部分。因此可以保护超导材料层5并有助于防止超导材料层5的剥离。由于最大厚度T6小于最大厚度T5，因此位于第二主表面1b上的超导材料层5和保护层7的总厚度比位于第一主表面1a上的超导材料层5和保护层7更小并因此强度更小。因此，未抑制位于第二主表面1b上的超导材料层5在位于第一主表面1a上的超导材料层5破裂之前破裂的可能性。
(4)关于超导线10(参考图1)，位于第一主表面1a上的超导材料层5的厚度沿着宽度方向变化，其方式是使得超导材料层5的在宽度方向的中部的厚度大于超导材料层5的在宽度方向的至少一端的厚度。由于也能够抑制此类超导线10的超导材料层5的局部剥离的发生，因此能够抑制超导线10的超导特性的劣化。由此能够表现出稳定的超导特性。
(5)关于超导线10(参考图11)，位于第一主表面1a上的超导材料层5的厚度沿宽度方向变化，其方式是使得超导材料层5的在宽度方向的至少一端的厚度大于超导材料层5的在宽度方向的中部的厚度。由于也能够抑制此类超导线10的超导材料层5的局部剥离的发生，因此能够抑制超导线10的超导特性的劣化。由此能够表现出稳定的超导特性。
(6)关于超导线10，在超导线10延伸的方向上沿着超导线10的至少一部分，在宽度方向上位于第二主表面1b的一端的超导材料层5与在宽度方向上位于第二主表面1b的另一端的超导材料层分开。换句话说，超导材料层5的在宽度方向的一端形成为从第一侧表面1c上方延伸到第二主表面1b的一部分上方，并且超导材料层5的在宽度方向的另一端形成为从第二侧表面1d上方延伸到第二主表面1b的一部分上方。在第二主表面1b上，超导材料层5的两端彼此分开。由于也能够抑制此类超导线10的超导材料层5的局部剥离的发生，因此能够抑制超导线10的超导特性的劣化。由此能够表现出稳定的超导特性。
(7)关于超导线10，超导材料层5直接或间接地设置在衬底1的第一主表面1a上。超导材料层5间接地设置在第一主表面1a上的事实意味着中间层3或另一层/其它层位于第一主表面1a与超导材料层5之间。在超导材料层5直接地设置在第一主表面1a上的情况以及超导材料层5间接地设置在第一主表面1a上的情况下，能够提高衬底1与超导材料层5之间的结合强度，并且因此能够抑制超导材料层5发生局部剥离。
(8)关于超导线10(参考图15)，衬底1的第一主表面1a包括弯曲部。因此，第一主表面1a的表面积大于衬底1的平坦的第一主表面1a的表面积。因此能够进一步提高第一主表面1a与超导材料层5之间的结合强度。相应地，能够提高抑制发生超导材料层5剥离的效果。
(9)关于超导线10(参考图19)，弯曲部位于衬底1的第一主表面1a在衬底1的宽度方向上的端部。因此，在第一主表面1a的在宽度方向的端部，能够提高冷却时超导材料层5收缩与衬底1收缩的一致性。因此，能够抑制超导材料层5发生剥离。
(10)关于超导线10，超导材料层5由氧化物超导材料制成。由于能够抑制超导材料层的局部剥离，所以能够实现具有稳定的超导特性的氧化物超导线。
[具体实施方式]
以下将基于附图描述本发明的实施例。在以下附图中，相同或相应的部分用相同的附图标记表示，并且将不重复其描述。
<第一实施例>
超导线的构造
图1是示出第一实施例中的超导线的构造的示意性截面图。图1示出了第一实施例中的超导线10延伸方向的横向方向上的截面。因此，横向于图的平面的方向是超导线的纵向方向，并且超导材料层5中的超导电流在横向于图的平面的方向上流动。另外，在图1以及后续图中的示意截面图中，为便于容易识别附图，示出上下方向的尺寸(以下也称为“厚度方向”)与左右方向的尺寸(以下也称为“宽度方向”)之间的差别较小。但是，实际上截面的厚度方向上的尺寸比截面的宽度方向上的尺寸要小得多。
参考图1，第一实施例中的超导线10具有矩形截面的长的形状(带形)，并且在长的形状的纵向上延伸的线的相对较大的表面在此定义为主表面。超导线10包括衬底1、中间层3、超导材料层5、保护层7和稳定层9。
衬底1具有第一主表面1a和第二主表面1b。第二主表面1b位于与第一主表面1a相反。衬底1还具有第一侧表面1c和与第一侧表面1c相对的第二侧表面1d。优选地，衬底1例如由金属制成并且具有矩形截面的长的形状(带形)。为了将超导线缠绕成线圈形状，优选衬底1延伸约2km的长距离。
更优选地，将取向对准的金属衬底用作衬底1。取向对准的金属衬底是指晶体取向在衬底表面的平面内在两个轴方向对准的衬底。对于取向对准的金属衬底，优选使用例如选自镍(Ni)、铜(Cu)、铬(Cr)、锰(Mn)、钴(Co)、铁(Fe)、钯(Pd)、银(Ag)和金(Au)的至少两种金属的合金。这些金属和另一种金属或合金可以堆叠在一起。例如，也可以使用作为高强度材料的例如SUS的合金。衬底1的材料不限于上述材料，例如也可以使用金属以外的材料。
例如，超导线10在宽度方向上具有大约4mm至10mm的尺寸。为了增加在超导线10中流动的电流的密度，优选较小的衬底1的截面积。但是，衬底1的厚度过薄(图1中的上下方向)可能导致衬底1的强度降低，因此衬底1的厚度优选为0.1mm左右。
中间层3形成在衬底1的第一主表面1a上。超导材料层5形成在中间层3的与其面向衬底1的主表面相反的主表面(图1中的上主表面)上。即，超导材料层5设置在衬底1的第一主表面1a上，中间层3位于超导材料层5与衬底1之间。形成中间层3的材料优选为氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)、氧化铈(CeO2)、氧化镁(MgO)、氧化钇(Y2O3)或钛酸锶(SrTiO3)。这些材料对超导材料层5具有极低的反应性，即使在与超导材料层5相邻的边界处也不会损害超导材料层5的超导特性。特别是在使用金属作为形成衬底1的材料的情况下，中间层可以起到减轻超导材料层5与其表面中具有晶体取向对准的衬底1之间的取向对准差异的作用，从而防止在高温下形成超导材料层5期间金属原子从衬底1逃逸到超导材料层5中。形成中间层3的材料不特别限于上述材料。
中间层3可以由多层构成。在中间层3由多层构成的情况下，构成中间层3的各层可以由彼此不同的各种材料形成，或者构成中间层3的一些层可以由相同的材料制成。
超导材料层5是超导线10中的薄膜层，并且超导电流在此超导材料层5中流动。虽然超导材料没有特别限制，但超导材料优选为例如RE-123基氧化物超导体。RE-123基氧化物超导体是指以REBa2Cu3Oy(y为6至8，更优选为6.8至7，且RE表示钇或稀土元素，例如Gd、Sm、Ho等)表示的超导体。为了改善在超导材料层5中流动的超导电流的大小，超导材料层5优选具有0.5μm至10μm的厚度。
保护层7形成在超导材料层5的与其面向中间层3的主表面相反的主表面(图1中的上主表面)上。优选地，保护层7由例如银(Ag)或银合金制成，其厚度不小于0.1μm且不大于50μm。
上述衬底1、中间层3、超导材料层5和保护层7构成多层堆叠20。稳定层9设置为覆盖多层堆叠20的外围。在本实施例中，稳定层9设置为覆盖多层堆叠20的外部外围，即基本上覆盖多层堆叠20的整个最外表面。应该注意，本发明的“多层堆叠的外围”不限于整个外围，并且可以仅仅是主体多层堆叠的表面。
稳定层9由高导电金属箔或镀层等形成。当超导材料层5从超导状态转变为正常导电状态时，稳定层9与保护层7一起用作旁路以用于超导材料层5中的电流的换向。形成稳定层9的材料优选为例如铜(Cu)或铜合金等。尽管稳定层9的厚度没有特别限制，但为了对保护层7和超导材料层5进行物理保护，厚度优选为10μm至500μm。
图2是示出第一实施例中的多层堆叠20的构造的示意性截面图。图2示出了第一实施例中的超导线10延伸方向的横向方向上的截面。
在第一实施方式的多层堆叠20中，超导材料层5设置为在宽度方向(图2中的左右方向)上覆盖衬底1的侧表面并覆盖第二主表面1b的至少一部分。
具体地，在图2所示的多层堆叠20中，超导材料层5的在宽度方向的一端形成为从第一侧面1c的上方延伸到第二主表面1b的一部分的上方，并且超导材料层5的在宽度方向的另一端形成为从第二侧表面1d上方延伸到第二主表面1b的一部分上方。在第二主表面1b上，超导材料层5的两端彼此分开。换句话说，超导材料层5设置为完全覆盖衬底1的第一主表面1a和侧表面1c、1d并且部分地覆盖第二主表面1b。
与超导材料层5仅覆盖衬底1的第一主表面1a的常规超导线相比，此构造使得能够提高衬底1与超导材料层5之间的结合强度。
详情如下。当在金属衬底上形成作为陶瓷层的超导材料层的超导线被冷却至其临界温度时，由于金属与陶瓷材料之间的热膨胀系数的差异而在金属衬底与超导材料层之间产生应力。具体而言，当超导线被冷却时，线中的每一层都收缩。此时，因为超导材料层的热膨胀系数小于金属衬底，所以超导材料层不能收缩到与金属衬底相同的程度并因此受到应力。因此，在传统的超导线中，特别是在衬底的宽度方向的端部处，超导材料层可能被剥离。
在中间层也位于衬底与超导材料层之间的超导线中，作为陶瓷层的中间层可以从衬底的宽度方向的端部剥离，比如上文描述的超导材料层。超导材料层或中间层发生剥离使得例如超导材料层更可能破裂或变形，这可能导致超导特性的劣化。
在第一实施例的超导线10中，超导材料层5从衬底1的侧表面1c、1d延伸到第二主表面1b的至少一部分之上。因此，与常规超导线相比，能够提高衬底1与超导材料层5之间的结合面积，并且因此能够增强衬底1与超导材料层5之间的结合强度。因此，当超导线10被冷却时，超导材料层5的收缩与衬底1的收缩的一致性得到改善。因此能够抑制超导材料层5从衬底1剥离。结果，能够防止超导材料层5破裂或变形，并且因此能够抑制超导线10的超导特性的劣化。
在图2所示的多层堆叠20中，中间层3被设置为完全覆盖衬底1的第一主表面1a和侧表面1c、1d且部分地覆盖第二主表面1b。因此，类似于衬底1和超导材料层5之间的结合强度，能够提高衬底1与中间层3之间的结合强度。因此能够抑制中间层3从衬底1剥离。相应地，能够抑制由于中间层3的剥离而引起的超导材料层5的剥离。如图2所示，优选地，超导材料层5覆盖中间层3的在宽度方向的端部。因此，能够增强抑制中间层3的剥离的效果。
在图2所示的多层堆叠20中，保护层7被设置为完全覆盖衬底1的第一主表面1a和侧表面1c、1d并且部分地覆盖第二主表面1b。因此，可以形成保护层7以覆盖超导材料层5，超导材料层5覆盖衬底1的侧表面1c、1d和第二主表面1b。保护层7由此保护超导材料层5并且可以有助于防止超导材料层5的剥离。优选地，如图2所示，保护层7覆盖超导材料层5的在宽度方向的端部。因此，能够增强抑制超导材料层5的剥离的效果。
只要第一实施例中的超导线10中的超导材料层5、中间层3和保护层7在超导线10延伸的方向(纵向方向)上沿超导线10的至少一部分覆盖第二主表面1b的至少一部分，就能够提高衬底1与超导材料层5和中间层3之间的结合强度。
在图2所示的多层堆叠20中，位于第一主表面1a上的中间层3、超导材料层5和保护层7分别具有在其宽度方向上的中部突出的截面形状。具体而言，中间层3、超导材料层5和保护层7均具有向上弯曲的凸形状的上表面。因此，位于第一主表面1a上的中间层3、超导材料层5和保护层7分别具有沿宽度方向变化的厚度。在图2的实例中，此曲线的顶点大致位于上表面的在宽度方向的中央。因此，中间层3、超导材料层5和保护层7中的每一个在宽度方向的中部处的厚度大于其在宽度方向的端部处的厚度。
在多层堆叠20中，位于第二主表面1b上的超导材料层5的最大厚度T2小于位于第一主表面1a上的超导材料层5的最大厚度T1(T2<T1)。
由于T2小于T1，因此位于第二主表面1b上的超导材料层5的强度小于位于第一主表面1a上的超导材料层5的强度。因此，当超导材料层5承受从衬底1施加的应力时，位于第二主表面1b上的超导材料层5在位于第一主表面1a上的超导材料层5破裂之前破裂的可能性增加。由此，更优先考虑保护位于第一主表面1a上的超导材料层5免受施加至超导材料层5的应力的影响。由于位于第一主表面1a上的超导材料层5是超导电流流过的路径的主要部分，因此可以优先保护此部分，以有效地抑制超导特性的劣化。
如果T2比T1小得多，则有可能在第二主表面1b与超导材料层5之间不能维持充分的结合强度。因此，优选T2与T1的比率(T2/T1)为0.1％或以上且95％或以下。当此比率为95％或更小时，确保位于第二主表面1b上的超导材料层5的强度小于位于第一主表面1a上的超导材料层5的强度，因此，能够充分产生上述效果。相反，当此比率小于0.1％时，不能保持衬底1与位于第二主表面1b上的超导材料层5之间的足够的结合强度，并且可能无法充分地产生上述效果。
此外，与图3所示的比较例相比，第一实施例中的超导线10可以产生有利的效果。图3是示出比较例中的超导线的多层堆叠的构造的示意性截面图。图3示出了在超导线延伸方向的横向方向上的比较例中的超导线的截面。
参考图3，比较例中的多层堆叠200基本上与图2所示的多层堆叠20相似。然而，多层堆叠200与图2所示的多层堆叠20的不同之处在于前者包括中间层3、超导材料层5和保护层7，其设置为覆盖衬底1的第一主表面1a并且部分地覆盖衬底1的侧表面1c、1d。
换句话说，关于多层堆叠200，超导材料层5和中间层3不延伸到第二主表面1b之上。因此，与多层堆叠200相比，图2所示的多层堆叠20在衬底1与超导材料层5之间的结合区域以及衬底1与中间层3之间的结合区域两者都更大。
当冷却时，衬底1不仅在宽度方向而且在厚度方向上收缩。在图2所示的多层堆叠20中，超导材料层5和中间层3延伸到第二主表面1b之上，因此，不仅在宽度方向的收缩而且在厚度方向的收缩的一致性都将很高。相反，关于多层堆叠200，虽然可以通过位于侧表面1c、1d上的超导材料层5和中间层3来提供与衬底1的宽度方向上的收缩的一致性，但衬底的厚度方向上的收缩的一致性1会很低。
此外，在图2所示的多层堆叠20的截面中，超导材料层5的宽度方向的端部分别为U形。因此，超导材料层5的宽度方向的端部基本上处于捕捉第二主表面1b的状态。在此状态下，就结构而言，端部用作将超导材料层5固定到衬底1的钩。由此，与比较例相比，能够实现对来自衬底1的应力的抵抗性更高的结构。
由于上述原因，与比较例中的超导线相比，第一实施方式中的超导线10可以产生更高的抑制超导材料层5和/或中间层3从衬底1剥离的效果。
在第一实施例中，覆盖衬底1的侧表面并覆盖第二主表面1b的至少一部分的中间层3和超导材料层5可以分别形成为覆盖第一侧表面1c和第二侧表面1d，如图1和图2所示，或者形成为仅覆盖第一侧面1c和第二侧面1d中的一个。换句话说，中间层3和超导材料层5可以设置为覆盖第一侧表面1c和第二侧表面1d中的至少一个并覆盖第二主表面1b的至少一部分。与传统的超导线以及比较例(图3)相比，这两种构造都能够增加衬底1、中间层3和超导材料层5之间的结合强度。
制造超导线的方法
接下来，参考图4至8，描述第一实施例中的超导线的制造方法。
图4是示出第一实施例中的超导线制造方法的流程图。以下作为实例，结合使用已经经受线细化的宽度为4mm的衬底1制造超导线10的方法来描述本实施例。
参考图4，首先执行衬底准备步骤(S10)。具体而言，参考图5，准备由取向对准金属衬底形成的具有期望宽度(例如，宽度：4mm)的带状的衬底1。衬底1具有第一主表面1a和位于与第一主表面1a相反的第二主表面1b，以及第一侧表面1c和位于与第一侧表面1c相反的第二侧表面1d。衬底1的厚度可以适当调整以满足任何目的，并且通常可以在10μm至500μm的范围内。例如，衬底1的厚度约为100μm。
接下来，执行在衬底1上形成中间层3的中间层形成步骤(图4中的S20)。具体而言，参考图6，中间层3形成在衬底1的第一主表面1a上。作为形成中间层3的方法，可以使用任何方法。例如，可以使用例如脉冲激光沉积(PLD)方法等物理气相沉积方法。
接下来，执行在中间层3上形成超导材料层5的超导材料层形成步骤(图4中的S30)。具体地说，参考图7，由RE-123基氧化物超导体制成的超导材料层5形成在中间层3的与其面向衬底1的主表面相反的主表面(图7中的上主表面)上。作为形成超导材料层5的方法，可以使用任何方法。例如，可以使用气相法、液相法或它们的组合来形成该层。气相法的实例有激光气相沉积法、溅射法、电子束气相沉积法等。此步骤可以通过激光气相沉积法、溅射法、电子束法和有机金属沉积法中的至少一种进行，以形成其表面的晶体取向对准和表面平滑性优异的超导材料层5。
接下来，执行在超导材料层5上形成保护层7的保护层形成步骤(图4中的S40)。具体而言，参考图8，在超导材料层5的与其面向中间层3的主表面相反的主表面(图8中的上主表面)上通过例如溅射、电镀法等的物理气相沉积方法形成由银(Ag)或银合金制成的保护层7。可以形成保护层7以保护超导材料层5的表面。此后，执行氧气退火，即在氧气环境中加热(氧气引入步骤)以将氧气引入超导材料层5中。通过上述步骤，形成宽度方向的尺寸为约30mm的多层堆叠20。
接着，执行在多层堆叠20的外围上形成稳定层9的稳定层形成步骤(图4中的S50)。具体地说，通过已知的镀覆形成由铜(Cu)或铜合金制成的稳定层9以覆盖多层堆叠20的外围，即基本上覆盖多层堆叠20的整个最外表面。形成稳定层9的方法可能是除了电镀以外的铜箔的结合。通过上述步骤，制造了图1所示的第一实施例中的超导线10。
在图8所示的多层堆叠20中，位于第二主表面1b上的中间层3的最大厚度T4优选小于位于第一主表面1a上的中间层3的最大厚度T3(T4<T3)。
当T4小于T3时，位于第二主表面1b上的中间层3的强度小于位于第一主表面1a上的中间层3的强度。因此，当中间层3受到从衬底1施加的应力时，位于第二主表面1b上的中间层3在位于第一主表面1a上的中间层3破裂之前破裂的可能性增加。因此，优先保护位于第一主表面1a上的中间层3免受施加于中间层3的应力。因此，例如可以优先保护位于第一主表面1a上的超导材料层5免于破损或变形。
在多层堆叠20中，位于第二主表面1b上的保护层7的最大厚度T6优选小于位于第一主表面1a上的保护层7的最大厚度T5(T6<T5)。
当T6小于T5时，位于第二主表面1b上的中间层3、超导材料层5和保护层7的总厚度更小，因此强度比位于第一主表面1a上的中间层3、超导材料层5和保护层7更小。因此，不抑制在位于第一主表面1a上的超导材料层5破裂之前位于第二主表面1b上的超导材料层5破裂的可能性。
第一实施例的修改例
参考图9和10，描述了第一实施例中的超导线的修改。
图9是示出根据第一实施例中的第一修改例的超导线10A的构造的示意性截面图。图9示出了在超导线10A延伸方向的横向方向上的截面。
参考图9，除了超导线10A的稳定层9的形状不同于超导线10的形状之外，基本上超导线10A具有与图1所示的超导线10类似的结构。
在超导线10A中，位于衬底1的第一主表面1a的宽度方向端部的稳定层9的厚度大于位于第一主表面1a的宽度方向中部上方的稳定层9的厚度。位于衬底1的第二主表面1b的宽度方向端部的稳定层9的厚度也大于位于第二主表面1b的宽度方向中部上方的稳定层9的厚度。
在超导线10A中，中间层3和超导材料层5也形成为从衬底1的上侧表面1c、1d延伸到第二主表面1b的一部分上方。位于第二主表面1b上的超导材料层5的最大厚度T2小于位于第一主表面1a上的超导材料层5的最大厚度T1。此外，位于第二主表面1b上的中间层3和保护层7各自的最大厚度分别小于位于第一主表面1a上的中间层3和保护层7各自的最大厚度。因此，超导线10A可以产生与图1所示的超导线10相似的效果。
基本上制造超导线10A的方法具有与上文基于图4到8所述的第一实施例中的超导线的制造方法类似的特征，不同之处在于，在前面的方法的稳定层形成步骤(图4中的S50)中用于形成稳定层的条件不同于第一实施例的稳定层的条件。例如，当使用电镀方法形成稳定层9以利用稳定层9覆盖多层堆叠20的外围时，电流可能集中在多层堆叠20的角部。结果，覆盖角部的电镀层相对较厚。因此可以形成图9所示的稳定层9。以这种方式获得超导线10A。
图10是示出根据第一实施例中的第二修改例的超导线10B的构造的示意性截面图。图10示出了在超导线10B延伸方向的横向方向上的截面。
参考图10，除了多层堆叠20的结构不同于图2所示的多层堆叠20的结构之外，基本上第二修改例的超导线10B具有与图1所示的超导线10类似的结构。
在超导线10B中，位于第二主表面1b上的保护层7被设置为完全覆盖第二主表面1b。在超导线10B中，中间层3和超导材料层5也形成为从衬底1的上侧表面1c、1d上方延伸到第二主表面1b的一部分上方。位于第二主表面1b上的超导材料层5的最大厚度T2小于位于第一主表面1a上的超导材料层5的最大厚度T1。此外，位于第二主表面1b上的中间层3和保护层7各自的最大厚度分别小于位于第一主表面1a上的中间层3和保护层7各自的最大厚度。因此，超导线10B可以产生与图1所示的超导线10相似的效果。
基本上制造超导线10B的方法具有与上文基于图4到8所述的第一实施例中的超导线的制造方法类似的特征。不同之处在于，在前面的方法的保护层形成步骤(图4，图8中的S40)中用于形成保护层的条件不同于第一实施例的条件。例如，当使用电镀方法在超导材料层5的与其面向中间层3的主表面相反的主表面上形成保护层7时，可以完全镀覆第二主表面1b以形成如图10所示的保护层7。以此方式，获得超导线10B。
还在图9和10所示的修改例中，只要超导材料层5在纵向方向上沿着超导线的至少一部分覆盖第二主表面1b的一部分，将能够提高衬底1与超导材料层5之间的结合强度。中间层3可以覆盖第二主表面1b的一部分，并且保护层7可以在纵向方向上沿着超导线的至少一部分覆盖第二主表面1b的至少一部分。
<第二实施例>
图11是示出第二实施例中的超导线10C的构造的示意性截面图。图11示出了在超导线10C延伸方向的横向方向上的截面。
参考图11，除了多层堆叠20的结构不同于图2所示的多层堆叠20的结构之外，基本上第二实施例中的超导线10C具有与图1所示的超导线10类似的结构。
在超导线10C中，位于第一主表面1a上的中间层3、超导材料层5和保护层7分别在宽度方向上的相对端处突出，并且因此具有其宽度方向上的中部缩回的截面。换句话说，中间层3、超导材料层5和保护层7中的每一个的上表面具有朝向衬底1弯曲的凹形。因此，位于第一主表面1a上的中间层3、超导材料层5和保护层7各自的厚度沿宽度方向变化。在图11的实例中，中间层3、超导材料层5和保护层7各自的宽度方向端部的厚度大于宽度方向中部的厚度。
在超导线10C中，位于第二主表面1b上的超导材料层5的最大厚度T2也小于位于第一主表面1a上的超导材料层5的最大厚度T1。位于第二主表面1b上的中间层3和保护层7的最大厚度分别小于位于第一主表面1a上的中间层3和保护层7的最大厚度。因此，超导线10C可以产生与图1所示的超导线10相似的效果。
基本上制造超导线10C的方法具有与上文基于图4到8所述的第一实施例中的超导线的制造方法类似的特征，不同之处在于，在中间层形成步骤(图4中的S20，图6)、超导材料层形成步骤(图4中的S30，图7)以及保护层形成步骤(图4中的S40，图8)中用于形成这些层的条件与第一实施例中的不同。
<第三实施例>
图12是示出第三实施例中的超导线10D的构造的示意性截面图。图12示出了在超导线10D延伸方向的横向方向上的截面。
参考图12，除了多层堆叠20的结构不同于图2所示的多层堆叠20的结构之外，基本上第三实施例的超导线10D具有与图2所示的超导线10类似的结构。
在超导线10D中，位于第二主表面1b上的中间层3、超导材料层5和保护层7分别被设置为完全覆盖第二主表面1b。在超导线10D中，位于第二主表面1b上的超导材料层5的最大厚度T2也小于位于第一主表面1a上的超导材料层5的最大厚度T1。位于第二主表面1b上的中间层3和保护层7各自的最大厚度也分别小于位于第一主表面1a上的中间层3和保护层7各自的最大厚度。因此，超导线10D可以产生与图1所示的超导线10相似的效果。
只要超导材料层5在纵向方向上沿着超导线10D的至少一部分完全覆盖第二主表面1b，将能够提高衬底1与超导材料层5之间的结合强度。中间层3可以完全覆盖第二主表面1b，并且保护层7可以在纵向方向上沿着超导线10D的至少一部分完全覆盖第二主表面1b。
基本上制造超导线10D的方法具有与上文基于图4到8所述的第一实施例中的超导线的制造方法类似的特征，不同之处在于，在中间层形成步骤(图4中的S20，图6)、超导材料层形成步骤(图4中的S30，图7)以及保护层形成步骤(图4中的S40，图8)中用于形成这些层的条件与第一实施例中的不同。
<第四实施例>
图13是示出第四实施例中的超导线10E中的多层堆叠的构造的示意性截面图。图13示出了在超导线10E延伸方向的横向方向上的截面。
参考图13，除了多层堆叠20的结构不同于图2所示的多层堆叠20的结构之外，基本上第四实施例的超导线10E具有与图1所示的超导线10类似的结构。
在超导线10E中，中间层3、超导材料层5和保护层7设置为完全覆盖衬底1的第一主表面1a和第一侧表面1c，并且部分地覆盖第二主表面1b。相反，衬底1的第二侧表面1d未被中间层3、超导材料层5和保护层7覆盖。
在超导线10E中，位于第一主表面1a上的中间层3、超导材料层5和保护层7分别在宽度方向上的一端突出。换句话说，中间层3、超导材料层5和保护层7各自的上表面均具有向外弯曲的凸形。因此，位于第一主表面1a上的中间层3、超导材料层5和保护层7分别具有沿着宽度方向变化的厚度。在图13所示的实例中，中间层3、超导材料层5和保护层7各自沿宽度方向的一端的厚度大于其沿宽度方向的另一端的厚度。
在超导线10E中，位于第二主表面1b上的超导材料层5的最大厚度T2也小于位于第一主表面1a上的超导材料层5的最大厚度T1。位于第二主表面1b上的中间层3和保护层7各自的最大厚度也分别小于位于第一主表面1a上的中间层3和保护层7各自的最大厚度。因此，超导线10E可以产生与图1所示的超导线10相似的效果。
图14是示出第四实施例中的超导线制造方法的流程图。参考图14，基本上第四实施例中的超导线制造方法具有与上文基于图4到8所述的第一实施例中的超导线的制造方法类似的特征。然而，前一种方法与第一实施例的不同之处在于前一种方法包括线细化步骤。
参考图14，首先执行衬底准备步骤(S10)。具体而言，准备由取向对准金属衬底构成的宽带形状的衬底1。此时的衬底1的宽度例如可以是超导线10E中的衬底1的宽度(例如4mm)的大约两倍的宽度(例如8mm)。
接着，在此宽衬底1上依次进行中间层形成步骤(S20)、超导材料层形成步骤(S30)、保护层形成步骤(S40)。与第一实施例中的相应步骤类似地执行中间层形成步骤、超导材料层形成步骤和保护层形成步骤。这些步骤因此被执行以形成宽的多层堆叠20。
接下来，执行将宽的多层堆叠20切割成具有预定宽度(例如，4mm)的多层堆叠的线细化步骤(S60)。具体而言，使用旋转刀片进行机械分切，将8mm宽的多层堆叠机械分切成宽度为4mm的多层堆叠。
在线细化步骤(S60)中，将例如宽度方向的尺寸为8mm左右的多层堆叠20在宽度方向上切断成两半，制作两个宽度为4mm的多层堆叠20。图13所示的多层堆叠20是这些多层堆叠之一。通过此切割而暴露的两个多层堆叠20的相应的切割表面可以分别形成在宽度方向上的一个端面。在图13所示的多层堆叠20中，衬底1的第二侧表面1d暴露并且不被中间层3、超导材料层5和保护层7覆盖。面向图13所示的多层堆叠20的切割表面的另一多层堆叠20(未示出)露出衬底1的第一侧面1c。具体而言，在未图示的多层堆叠20中，中间层3、超导材料层5和保护层7完全覆盖衬底1的第一主表面1a、侧表面1d并且部分地覆盖第二主表面1b。相反，第一侧表面1c不被中间层3、超导材料层5和保护层7覆盖并因此暴露。
在线细化步骤(S60)中，可以执行激光加工以将多层堆叠切割成细线。图13所示的多层堆叠20也可以通过调整激光处理的条件来获得。
接着，执行在已经历了线细化的多层堆叠20的外围上形成稳定层9的稳定层形成步骤(S50)。类似于第一实施例执行稳定层形成步骤。执行上述步骤以由此制造图13所示的超导线10E。
<第五实施例>
图15是示出第五实施例中的超导线10F的多层堆叠的构造的示意性截面图。图15示出了在超导线10F延伸方向的横向方向上的截面。
参考图15，除了多层堆叠20的结构不同于图2所示的多层堆叠20的结构之外，基本上第五实施例中的超导线10F具有与图1所示的超导线10类似的结构。
在超导线10F中，衬底1的第一主表面1a具有向外弯曲的凸形。曲线的顶点大致位于第一主表面1a的在宽度方向的中央。曲线的端部位于第一主表面1a的在宽度方向的端部处。中间层3、超导材料层5和保护层7沿着第一主表面1a形成。因此，多层堆叠20的上表面(保护层7的上表面)也具有向外弯曲的凸形。中间层3、超导材料层5和保护层7分别具有沿宽度方向变化的厚度。在图15所示的多层堆叠20中，位于第二主表面1b上的超导材料层5的最大厚度T2也小于位于第一主表面1a上的超导材料层5的最大厚度T1。
关于超导线10F，第一主表面1a是弯曲的。因此，与具有平坦的第一主表面1a的衬底1相比，第一主表面1a的表面积会增加。中间层3和超导材料层5形成为完全覆盖具有弯曲部的第一主表面1a，因此会增加衬底1与中间层3之间的结合面积以及衬底1与超导材料层5之间的结合面积。相应地，能进一步提高衬底1与中间层3之间的结合强度以及衬底1与超导材料层5之间的结合强度。
曲面部分可以是如图15所示的整个第一主表面1a，或者是第一主表面1a的一部分。曲面部分可以呈向外弯曲的凸形，或者可以朝向第二主表面1b(凹形)弯曲。
图16是示出第五实施例中的超导线制造方法的流程图。参考图16，基本上第五实施例中的超导线制造方法具有与上文基于图4到8所述的第一实施例中的超导线的制造方法类似的特征。然而，前一种方法与第一实施例的不同之处在于前一种方法包括线细化步骤。
参考图16，首先执行衬底准备步骤(S10)。具体而言，准备由取向对准金属衬底形成的宽带形状(宽度约30mm)的衬底1。
接下来，执行将具有30mm宽度的衬底1切割成分别具有预定宽度(例如，4mm)的衬底1的线细化步骤(S70)。具体而言，如图17所示，使用旋转刀片进行机械分切，将宽度为30mm的衬底1机械分切成宽度为4mm的衬底1。
图17示意性地示出用于线细化步骤的分切器的构造。在图17的右侧示出了经过分切器30分切的衬底1的结构。
参考图17，分切器30包括多个旋转刀片31和多个间隔件32。例如，分切器30总共包括七个旋转刀片31。在分切器30的上旋转轴上布置三个宽度约为4mm的旋转刀片31。在旋转轴方向上彼此相邻的旋转刀片31之间布置有间隔件32。在分切器30的下旋转轴上也布置有四个宽度约为4mm的旋转刀片31。布置在上旋转轴和下旋转轴上的旋转刀片31的宽度可以设置为任何宽度。
如图17所示，由于诸如在相邻旋转刀片31之间的间隙以及旋转刀片31的竖直重叠之类的分切条件的调整，利用与第二主表面1b接触的旋转刀片31进行分切的衬底1具有第一主表面1a在宽度方向的中部突出的截面形状(第一主表面1a具有凸形)。以此方式，可以获得具有如图18所示的截面形状的衬底1。相对而言，由于诸如在相邻旋转刀片31之间的间隙和旋转刀片31的竖直重叠之类的分切条件的调整，利用与第一主表面1a接触的旋转刀片31进行分切的衬底1具有第二主表面1b在宽度方向的中部突出的截面形状(第二主表面1b具有凸形)。
如上所述，机械分切通过上旋转刀片31和相对的下旋转刀片31的剪切来切割衬底1。取决于旋转刀片31的施加方向(切割方向)，所得到的细线(衬底1)分别具有弯曲的边缘。具体而言，关于用上旋转刀片31从第一主表面1a侧面分切而制成的细线(衬底1e)，衬底1的边缘在朝向第一主表面1a的方向上弯曲。相对而言，关于用下旋转刀31从第二主表面1b侧面分切而制作的细线(衬底1f)，衬底1的边缘在朝向第二主表面1b的方向上弯曲，因此第一主表面1a成为凸形。
关于图17所示的机械分切，施加到第一主表面1a上的旋转刀片31的宽度与施加到第二主表面1b上的旋转刀片31的宽度相同。然而，施加到第二主表面1b的旋转刀片31可以具有预定的宽度(例如4mm)，并且施加到第一主表面1a的旋转刀片31可以具有更窄的宽度。由此，能够增加从第二主表面1b侧面分切而得到的细线(衬底1具有图18所示的凸形的第一主表面1a)的数量。
接着，在图18所示的衬底1上依次进行中间层形成步骤(S20)、超导材料层形成步骤(S30)和保护层形成步骤(S40)。与第一实施例类似地执行中间层形成步骤、超导材料层形成步骤和保护层形成步骤。执行这些步骤以由此形成图15中所示的多层堆叠20。
接着，执行在多层堆叠20的外围上形成稳定层9的稳定层形成步骤(S50)。类似于第一实施例执行稳定层形成步骤。执行这些步骤以由此制造图15所示的超导线10F。
第五实施例的修改
图19是示出根据第五实施例的修改例的超导线10G的构造的示意性截面图。图19示出了在超导线10G延伸方向的横向方向上的截面。
参考图19，除了多层堆叠20的结构不同于图2所示的多层堆叠20的结构之外，基本上根据修改例的超导线10G具有与图1所示的超导线10类似的结构。
关于超导线10G，衬底1的第一主表面1a在衬底1的在宽度方向的端部处具有弯曲部。因此，第一主表面1a具有向外弯曲的凸形。中间层3、超导材料层5和保护层7分别具有沿宽度方向变化的厚度。关于超导线10G，位于第二主表面1b上的超导材料层5的最大厚度T2也小于位于第一主表面1a上的超导材料层5的最大厚度T1。位于第二主表面1b上的中间层3和保护层7的最大厚度分别小于位于第一主表面1a上的中间层3和保护层7的最大厚度。
由于弯曲部位于衬底1的沿宽度方向的端部，因此中间层3和超导材料层5的收缩与衬底1的收缩的一致性可以在第一主表面1a的沿宽度方向的端部处得到改进。因此，能够防止中间层3和超导材料层5从衬底1剥离。
接着，说明图19所示的超导线10G的制造方法。基本上超导线10G可以通过执行图16所示的步骤(S10至S70)而获得。在上述线细化步骤(S70)中，可以通过激光处理将宽衬底1切割成分别具有预定宽度的部分，并且切割所得的衬底1的第一主表面1a可经历用于在衬底1的宽度方向上在第一主表面1a的端部处形成弯曲部的过程。
关于在第一至第五实施例中设置超导材料层以覆盖衬底的侧表面并覆盖第二主表面的至少一部分的构造，上文描述了中间层、超导材料层和保护层中的每一个覆盖衬底的侧表面和第二主表面的至少一部分的构造。然而，本发明不限于此构造，而是还包括中间层和超导材料层覆盖衬底的侧表面并覆盖第二主表面的至少一部分的构造；仅超导材料层覆盖衬底的侧表面并覆盖第二主表面的至少一部分的构造；以及超导材料层和保护层覆盖衬底的侧表面并覆盖第二主表面的至少一部分的构造。在这些构造中，中间层和超导材料层覆盖衬底的侧表面并覆盖第二主表面的至少一部分的构造是优选的，因为超导材料层的取向对准可以不仅在第一主表面上而且在衬底的侧表面和衬底的第二主表面上都可以得到改善，并且能够防止中间层的剥离。
尽管上面结合第一至第五实施例示出了形成稳定层以覆盖多层堆叠的外围的构造，但是稳定层可以设置在多层堆叠的至少上表面上。在这种情况下，在保护层上形成稳定层之后，为了保护超导线，可以形成绝缘涂层以覆盖超导线的外围。
应理解，本文中公开的实施例在所有方面都是以说明的方式给出的，而不是作为限制。希望本发明的范围由权利要求限定，而不是由上述说明限定，并且包括在意义和范围上等同于权利要求的所有修改和变化。
参考标号列表
1、1e、1f衬底；3中间层；5超导材料层；7保护层；9稳定层；10、10A-10G超导线；20多层堆叠；30分切器；31旋转刀片；32间隔件。

Claims (10)

1.一种超导线，包括：
衬底，所述衬底具有第一主表面和位于与所述第一主表面相反的第二主表面；以及
超导材料层，所述超导材料层被设置在所述衬底的所述第一主表面上，
在所述超导线延伸的方向上沿所述超导线的至少一部分，所述超导材料层被设置为覆盖在所述衬底的宽度方向上的所述衬底的侧表面并且覆盖所述第二主表面的至少一部分，
位于所述第一主表面上的所述超导材料层的厚度沿所述宽度方向变化，
位于所述第二主表面上的所述超导材料层的最大厚度小于位于所述第一主表面上的所述超导材料层的最大厚度。
2.根据权利要求1所述的超导线，还包括设置在所述衬底的所述第一主表面与所述超导材料层之间的中间层，其中
在所述超导线延伸的方向上沿所述超导线的至少一部分，所述中间层被设置为覆盖所述衬底的所述侧表面并且覆盖所述第二主表面的至少一部分，并且
位于所述第二主表面上的所述中间层的最大厚度小于位于所述第一主表面上的所述中间层的最大厚度。
3.根据权利要求1或2所述的超导线，还包括形成在所述超导材料层上的保护层，其中
在所述超导线延伸的方向上沿所述超导线的至少一部分，所述保护层被设置为覆盖所述衬底的所述侧表面并且覆盖所述第二主表面的至少一部分，并且
位于所述第二主表面上的所述保护层的最大厚度小于位于所述第一主表面上的所述保护层的最大厚度。
4.根据权利要求1所述的超导线，其中
位于所述第一主表面上的所述超导材料层的厚度沿所述宽度方向以下述方式变化，所述方式使得所述超导材料层的在所述宽度方向上的中部的厚度大于所述超导材料层的在所述宽度方向上的至少一端的厚度。
5.根据权利要求1所述的超导线，其中
位于所述第一主表面上的所述超导材料层的厚度沿所述宽度方向以下述方式变化，所述方式使得所述超导材料层的在所述宽度方向上的至少一端的厚度大于所述超导材料层的在所述宽度方向上的中部的厚度。
6.根据权利要求1所述的超导线，其中
在所述超导线延伸的方向上沿所述超导线的至少一部分，在所述宽度方向上位于所述第二主表面的一端的所述超导材料层与在所述宽度方向上位于所述第二主表面的另一端的所述超导材料层分开。
7.根据权利要求1所述的超导线，其中，
所述超导材料层直接或间接地被设置在所述衬底的所述第一主表面上。
8.根据权利要求1所述的超导线，其中
所述衬底的所述第一主表面包括弯曲部。
9.根据权利要求8所述的超导线，其中，
所述弯曲部位于所述第一主表面的在所述宽度方向上的一端。
10.根据权利要求1所述的超导线，其中
所述超导材料层由氧化物超导材料制成。
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