CN109923624A - 超导线材和超导线圈 - Google Patents

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Abstract

该超导线材包括主体部、基板和覆盖部。所述主体部包括超导材料部，所述超导材料部包括第一主面以及第二主面，所述第二主面被定位为与第一主面相反。所述基板支撑所述主体部的第二主面。所述覆盖部至少形成在所述主体部的第一主面上。在所述覆盖部中，所述超导线材的宽度方向上的中央部分中的表面粗糙度小于所述超导线材的宽度方向上的边缘的表面粗糙度。

Description

超导线材和超导线圈
技术领域
本公开涉及超导线材和超导线圈。
背景技术
近来，如下氧化物超导线材已经为人所关注：所述氧化物超导线材设置有由氧化物超导体组成的超导材料层，所述氧化物超导体代表转变温度不高于液氮的温度的高温超导体。
这样的氧化物超导线材通常通过以下方式来制造：形成包括氧化物超导材料层的主体部，并且利用由银(Ag)或铜(Cu)组成的覆盖部来覆盖所述主体部的外周(例如，参见日本专利申请公开2013-12321(专利文献1)以及日本专利申请公开2013-134856(专利文献2))。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利申请公开2013-12321
专利文献2：日本专利申请公开2013-134856
发明内容
根据本公开的超导线材包括主体部、基板和覆盖部。所述主体部包括第一主面以及第二主面，所述第二主面被定位为与第一主面相反，并且所述主体部包括超导材料部。所述基板支撑主体部的第二主面。所述覆盖部至少形成在所述主体部的第一主面上。在所述覆盖部中，所述超导线材的宽度方向上的中央部分的表面粗糙度小于宽度方向上的端部的表面粗糙度。
附图说明
图1是根据本实施例的超导线材的截面图。
图2是包括示出根据本实施例的超导线材的线圈体的立体图。
图3是包括根据本实施例的超导线材的超导线圈的立体图。
图4是沿着图3中的A-A线的截面图。
图5是作为根据本实施例的超导线材的一部分的覆盖部的放大图。
具体实施方式
【本公开将解决的问题】
常规超导线材例如通过以下方式构成超导线圈：将超导线材如线圈般缠绕，并且被浸渍在树脂中，接着固化。对超导线材进行浸渍的树脂的热收缩通常高于超导线材。因此，当超导线材在被冷却到不高于临界温度的温度使用时，应力由于这样的热收缩差异而可能被施加到超导线材。在这种状况下，超导线材的超导材料层可能被应力损坏，因此超导特性劣化。
本发明的目的是提供一种能够抑制超导特性的劣化的超导线材和超导线圈。
【本公开的效果】
根据本公开，能够提供能够抑制超导特性的劣化的超导线材和超导线圈。
【本发明的实施例的描述】
首先，将列出并且描述本发明的实施例。
(1)根据本发明的一种方式的超导线材10(参见图1)包括主体部7、基板2和覆盖部8。主体部7包括第一主面7a以及第二主面7b，第二主面7b被定位为与第一主面7a相反，并且主体部7包括超导材料部4。基板2支撑主体部7的第二主面7b。覆盖部8至少形成在主体部7的第一主面7a上。在覆盖部8中，超导线材10的宽度方向上的中央部分的表面粗糙度小于宽度方向上的端部的表面粗糙度。
在通过缠绕超导线材10并且利用树脂16浸渍超导线材、然后进行固化而获得的超导线圈20(参见图3)中，覆盖部8与树脂16之间的粘合性取决于覆盖部8的表面粗糙度。如上所述，通过将覆盖部8的宽度方向上的中央部分的表面粗糙度设定为小于宽度方向上的端部的表面粗糙度，从而中央部分中的覆盖部8与树脂16之间的粘合性低于端部的覆盖部8与树脂16之间的粘合性。
由此，当由于在冷却超导线圈20的过程中、超导线材10与树脂16之间的热收缩差异而使得应力被施加在超导线材10的厚度方向上时，由于中央部分中的覆盖部8与树脂16之间的界面处的剥离，应力得以释放。因此，能够减小被施加到超导线材10的应力。因此，能够防止对超导线材10的超导材料层4的损坏，因而能够抑制超导特性的劣化。
在超导线圈20由制冷器冷却的一些超导设备中，所述超导设备被构造成通过如下方式来冷却超导线圈：在所述线圈的轴向方向上的相反两端中的每个端部处布置冷却板，并且冷却所述一对冷却板。在超导设备中，限定有热传递路径，其中，热量通过该热传递路径从超导线材10的宽度方向上的端部通过树脂16传递到冷却板。根据超导线材10，尽管由于树脂16的热收缩而使得应力被施加到超导线材10，但是抑制了在宽度方向上的端部的覆盖部8与树脂16之间的界面处的剥离。因此，能够防止超导线材10与树脂16之间的热传导性的降低。因此，能够有效地冷却超导线圈20。
(2)在超导线材10中，覆盖部8的中央部分的表面粗糙度可以等于或小于0.8μm。覆盖部8的端部的表面粗糙度可以大于0.8μm，并且等于或小于1.2μm。
在这种状况下，当由于树脂16与冷却有关的收缩而使得应力被施加在超导线材10的厚度方向上时，在覆盖部8的中央部分中，覆盖部8与树脂16之间的界面处更可能发生剥离，并且在界面处的剥离可能引起被施加到超导线材10的应力的释放。由于在覆盖部8的端部处抑制了覆盖部8与树脂16之间的界面处的剥离，因此能够抑制超导线材10与树脂16之间的热传导性的降低。
(3)在超导线材10中，覆盖部8可以被形成为覆盖主体部7和基板2的周边的金属层。
因此，位于主体部7的第一主面7a上的金属层的表面粗糙度在宽度方向上的中央部分比在宽度方向上的端部的表面粗糙度小。因此，在使用超导线圈20时被施加到超导线材10的中央部分的应力得以释放，并且能够防止对超导材料层4的损坏。因此，能够有效地冷却超导线圈20。
(4)根据本发明的一种方式的超导线圈20(参见图3)包括通过缠绕上述超导线材10而形成的线圈体12以及用于浸渍线圈体12的树脂16。
由此，能够实现高冷却效率的超导线圈20，其中，当在被冷却到不高于超导线材10的临界温度的温度下使用超导线圈时，不太可能由于热收缩所引起的应力而导致超导特性劣化。
【本发明的实施例的细节】
下文将参考附图来描述本发明的实施例。下文中，附图中的相同或相对应的元件具有相同的被指定的附图标记，并且其描述将不再进行重复。
首先，将参考图1来描述根据本发明的实施例的超导线材10。
图1示出了沿着与超导线材10的延伸方向(纵向方向)交叉的方向的根据本实施例的超导线材10的截面图。在超导线材10中，超导电流沿着超导线材10的纵向方向流动。如图1所示，超导线材10的宽度方向、纵向方向，和厚度方向被分别定义为x轴方向、y轴方向和z轴方向。
根据本实施例的超导线材10可以是条带的形状，使得纵向方向上的长度比厚度和宽度长，并且宽度比厚度大。在超导线材10的宽度方向和纵向方向上延伸的表面(xy平面)在本文中被称为主面。
如图1所示，超导线材10主要包括主体部7、基板2和覆盖部8。主体部7包括第一主面7a以及第二主面7b，第二主面7b与第一主面7a相反。基板2支撑主体部7的第二主面7b。覆盖部8至少形成在主体部7的第一主面7a上。
基板2可以例如由金属制成，并且可以是具有矩形截面的条带的形状。为了缠绕为线圈的形状，基板2优选被伸长到例如约1km的长度。基板2的厚度应该仅根据用途进行适当调整，并且厚度能够通常被设定在50μm到200μm的范围内。
优选采用配向金属基板作为基板2。配向金属基板指的是这样的金属板：晶体取向在基板表面的平面中的两个轴向(x轴方向和y轴方向)上一致。对于配向金属基板，例如，适合采用选自以下金属中的至少两种金属的合金：镍(Ni)、铜(Cu)、铬(Cr)、锰(Mn)、钴(Co)、铁(Fe)、钯(Pd)、银(Ag)，和金(Au)。配向金属基板可以例如通过将配向金属膜结合到另一金属或合金的表面而形成。例如，作为高强度材料的SUS能够用作合金。用于取向对齐的金属膜的材料的示例包括镍钨(NiW)和铜(Cu)，然而，基板2的材料不被特别限制于此。当将SUS基板或哈氏(Hastelloy)基板这样的、表面未被结晶化配向的非配向基板用作基板2时，可以将例如通过离子束辅助沉积(IBAD)而形成的结晶配向层用作中间层3。
主体部7可以包括中间层3、超导材料层4和保护层5。主体部7应该仅包括至少超导材料层4。
中间层3可以形成在基板2的主面上。如下材料可以被用于中间层3：所述材料与超导材料层4的反应性极低，并且不会降低超导材料层4的超导特性。在通过高温工艺形成超导材料层4期间，防止金属原子从基板2流动到超导材料层4的材料能够被采用以用于中间层3。优选地，中间层3由例如以下材料中的至少一种组成：氧化钇稳定氧化锆(YSZ)、氧化铈(CeO2)、氧化镁(MgO)、氧化钇(Y2O3)、氧化铝(Al2O3)、氧化镧锰(LaMnO3)和钛酸锶(SrTiO3)。
中间层3可以由多个层构成。当中间层3由多个层构成时，构成中间层3的层可以由相互不同的材料组成，或者一些层可以由相同的材料组成。
超导材料层4可以形成在中间层3的如下主面(图1中的上主面)上：该主面与中间层3的、与基板2相对的主面相反。超导材料层4表示超导线材10的、超导电流流动的部分。在本实施例中，超导材料层4对应于“超导材料部”。在本实施例中，代表超导材料部的超导材料层4被制造为基本上由超导材料组成的薄层。
能够被用于超导材料层4的超导材料不被特定限制。RE-123系氧化物超导体可以被采用为超导材料。RE-123系氧化物超导体表示被表达为REBa2Cu3Oy的超导体(其中，y是6到8，并且优选是6.8到7，并且RE表示钇或稀土元素，例如，Gd、Sm，或Ho)。
为了提高临界电流Ic，超导材料层4优选具有不小于0.5μm的厚度。虽然超导材料层4的厚度不被特定限制，但考虑到生产率，期望设定为10μm或更小。
保护层5可以形成在超导材料层4的如下主面(图1中的上主面)上：该主面与超导材料层4的、与中间层3相对的主面相反。保护层5具有保护超导材料层4的功能。保护层5例如由银(Ag)或银合金组成。保护层5的厚度优选不大于2μm，且并更优选不小于0.05μm且不大于2μm。
覆盖部8应该仅覆盖至少主体部7的第一主面7a。在本实施例中，覆盖部8被设置成覆盖主体部7和基板2的整个周边。
覆盖部8由金属层形成，例如，由高导电金属材料组成的箔片或电镀层。覆盖部8与保护层5一起用作旁路，在超导材料层4从超导状态转变到正常导电状态时，该旁路用于在超导材料层4中的电流的换向。覆盖部8进一步用于保护主体部7免受外力或水分的影响。为了使覆盖部8在物理上保护保护层5和超导材料层4，覆盖部8具有优选不小于10μm且不大于500μm的厚度。
能够形成为薄箔片的材料或能够提供镀层的材料应该仅被采用为覆盖部8的材料，并且不被特定限制。铜(Cu)、Ni-Cr合金(NiCr)、不锈钢，或例如Cu-Ni合金等铜合金是优选的。当超导线材10用于超导故障电流限制器时，覆盖部8优选由高电阻的金属材料组成，并且优选例如由诸如NiCr等Ni基合金组成。
现将描述根据本实施例的制造超导线材10的方法。
首先执行制备基板2的步骤。具体来说，优选制备由配向金属基板形成的基板2。
接着，执行在基板2上形成中间层3的步骤。具体来说，在基板2的主面上形成中间层3。例如，诸如溅镀等物理气相沉积能够用作形成中间层3的方法。当基板2的表面并未结晶化配向时，配向中间层3可以由IBAD形成。
接着，执行在中间层3上形成超导材料层4的步骤。在本实施例中，含有RE-123系氧化物超导体的超导材料层4形成在中间层3的如下表面(图1中的中间层3的上主面)上：该表面与中间层3的、与基板2相对的主面相反。例如，作为薄层的超导材料层4可以例如通过气相沉积和液相沉积或它们的组合而形成。气相沉积的示例包括脉冲激光沉积(PLD)、溅镀、电子束气相沉积、金属有机化学气相沉积(MOCVD)和分子束磊晶(MBE)。通过以这些沉积方法中的任一种形成超导材料层4，能够形成具有优良的晶体配向性和表面粗糙度的表面的超导材料层4。
接着，执行在超导材料层4上形成保护层5的步骤。具体来说，由银(Ag)或银合金组成的保护层5形成在超导材料层4的如下主面(图1中的超导材料层4的上主面)上：该主面与超导材料层4的、与中间层3相对的主面相反。保护层5可以例如通过诸如溅镀等物理气相沉积而形成。
接着，执行在氧气气氛中使主体部7退火的步骤。在此退火步骤中，氧元素被引入到超导材料层4中。通过执行上述步骤，在基板2上形成包括中间层3、超导材料层4和保护层5的主体部7。
最后，执行形成覆盖部8以覆盖主体部7和基板2的步骤。覆盖部8应该仅至少覆盖主体部7的第一主面7a。在本实施例中，覆盖部8被设置成覆盖主体部7和基板2的整个周边。覆盖部8可以例如通过电弧或箔片结合方法形成在主体部7和基板2上。
为了调整线材的宽度，可以在形成保护层5的步骤与形成覆盖部8的步骤之间执行将主体部7和基板2切割为小宽度区段的步骤。在将主体部7和基板2切割为小宽度区段的步骤中，对一组主体部7和基板2进行例如机器切分或激光切分，从而将该组主体部7和基板2切割为分别具有指定宽度的小宽度区段。例如，通过将具有30mm的宽度的一组主体部7和基板2切割为分别具有4mm的宽度的小宽度区段，从而能够从一组主体部7和基板2获得七组小宽度主体部7和基板2。
或者，在制备基板2的步骤中，可以执行将基板2切割为小宽度区段的步骤。例如，将具有30mm的宽度的基板2切割为分别具有4mm的宽度的小宽度区段。从而能够通过在被切割为小宽度区段的基板2上连续形成中间层3、超导材料层4和保护层5而获得作为小宽度区段的主体部7。
通过执行上述步骤而制造图1中所示的超导线材10。
现在将参照图2和图3来描述根据本实施例的包括超导线材10的超导线圈20的示例。
图2是示出根据实施例的包括有超导线材10的线圈体12的立体图。一般而言，通过以单饼或双饼状围绕框架14来缠绕超导线材10，从而将超导线材10成形为线圈状。图2通过示例的方式示出了双饼线圈18。双饼线圈18包括相互堆叠的两个线圈体12。
在双饼线圈18中，超导线材10在一个线圈体12中的缠绕方向和在另一个线圈体12中的缠绕方向相反。在两个线圈体12中，位于超导线材10的内周侧上的端部通过未示出的连接部而相互电连接。因此，两个线圈体12在位于一个线圈体12的外周侧上的端部与位于另一个线圈体12的外周侧上的端部之间相互串联连接。
在本实施例中，线圈主体12以这样的方式缠绕：其中，线圈主体12的、形成超导线材10的主体部7的一侧被定义为内侧，并且线圈主体12的、位于基板2的一侧上的一侧被定义为外侧。
超导线圈20通过利用树脂16覆盖图2所示的整个双饼线圈18而形成。图3是通过用树脂16覆盖图2中所示的双饼线圈18而构造的超导线圈20的立体图。
如图3所示，通过将双饼线圈18浸渍在树脂16中然后使得树脂固化，从而整个双饼线圈18被树脂16整体覆盖。因此也能够抵抗电磁力来维持超导线材10之间的相对位置关系，并且能够形成稳定磁场。
例如，诸如环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂和三聚氰胺树脂等热塑性树脂能够被用作树脂16。树脂16能够通过使用例如真空浸渍方法渗透到双饼线圈18的每一部分中。因此能够提高双饼线圈18的机械强度。
图4是沿着图3中的A-A线的截面图。如图4所示，超导线圈18之间的空间也通过被浸渍在树脂16中从而填充有树脂16，以覆盖超导线材10。
其中超导线圈20由制冷器冷却的超导设备被构造成：通过将冷却板(未示出)布置在超导线圈20的轴向上的每个相反端部，并且冷却所述冷却板，从而冷却超导线圈20。在这样的超导设备中，超导线材10与冷却板之间限定了热传递路径，通过该热传递路径，热量主要从超导线材10的宽度方向上的端部通过树脂16传递到冷却板。
将在下文描述本实施例的功能和效果。
在根据本实施例的超导线材10中，在位于主体部7的第一主面7a上的覆盖部8中，宽度方向(x轴方向)上的中央部分的表面粗糙度小于宽度方向上的端部的表面粗糙度。
图5是作为根据本实施例的超导线材10的一部分的覆盖部8的放大图。图5示出了位于主体部7的第一主面7a上的覆盖部8的一部分。
如图5所示，在覆盖部8中，端部10a位于宽度方向(x轴方向)上的一端处，并且端部10b位于宽度方向上的另一端处。在覆盖部8中，中央部分10c被定位成包括宽度方向上的中心线。
宽度W1与宽度W的比率(W1/W)优选不低于10％并且不高于30％，其中W代表超导线材10的宽度，W1代表每个端部10a和10b的宽度，并且W2代表中央部分10c的宽度。宽度W2与宽度W的比率优选不低于40％并且不高于80％。
能够通过确定覆盖部8的主面的表面轮廓来获得每个端部10a和10b以及中央部分10c处的表面粗糙度。在本实施例中，通过使用针式表面轮廓仪(装置名称：由布鲁克纳米公司制造的DEKTAK 3030)来确定表面轮廓。
在确定表面轮廓时，通过针式轮廓仪将覆盖部8的、对应于每个端部10a和10b以及中央部分10c的表面在500μm的范围内扫描。在此确定中获得的曲线代表覆盖部8的表面的轮廓曲线。仅从获得的轮廓曲线提取参考长度(例如，50μm)，并且计算在此提取的部分中的谷底的最大深度以及尖峰的最大高度的总和(最大高度)。
表1示出了根据示例1到4的超导线材10中的每一个的表面粗糙度的测量值的结果。根据示例1到4中每一个的超导线材10通过上述制造方法制造，并且包括图1中所示的超导线材结构。通过将端部10a的表面粗糙度的测量值以及端部10b的表面粗糙度的测量值取平均值而计算的值用作端部的表面粗糙度。
表1
中央部分 端部
示例1 0.6μm 0.8μm
示例2 0.6μm 0.9μm
示例3 0.8μm 0.8μm
示例4 0.8μm 1.2μm
如表1中所示，在示例1、2和4中的每一个中，中央部分的表面粗糙度小于端部的表面粗糙度。在示例3中，中央部分和端部的表面粗糙度相等。
在根据本实施例的超导线材10中，覆盖部8的中央部分10c的表面粗糙度能够优选不大于0.8μm并且更优选不大于0.6μm。覆盖部8的端部10a和10b的表面粗糙度能够优选大于0.8μm并且更优选不大于1.2μm。
在覆盖部8由电镀层形成的示例中，通过在形成覆盖部8的步骤中使用电镀液中所含有的添加剂来控制覆盖部8的主面的表面轮廓，从而能够实现在覆盖部8中的中央部分10c的表面粗糙度小于端部10a和10b的表面粗糙度。在覆盖部8由金属箔片形成的示例中，这样的特征能够通过在由金属箔片形成覆盖部8的步骤中处理金属箔片的表面来实现。
根据本实施例，能够抑制由超导线材10制成的超导线圈20(参见图3)的超导特性的劣化。下文将描述其原因。
一般来说，用于浸渍的树脂的热收缩高于超导线材。因此，当超导线材在被冷却到不高于临界温度的温度下使用时，由于这样的热收缩差异，应力可能被施加到超导线材。该应力总体上被施加在超导线材的厚度方向上。即，应力被施加到超导线材的主面。当超导线材接收应力时，超导线材的超导材料层中可能发生局部损坏或变形。因此，超导线圈的超导特性劣化。
在根据本实施例的超导线圈20中，由于超导线材10与树脂16之间的热收缩差异所致的应力主要被施加到位于超导线材10中的最外部的覆盖部8。
在超导线圈20中，覆盖部8与树脂16之间的粘合性取决于覆盖部8的表面粗糙度。具体来说，覆盖部8的表面越粗糙，越可能将树脂16引入到被设置在覆盖部8的表面中的小突出和凹陷中，因此提高粘合性。
如上文所述，在位于主体部7的第一主面7a上的覆盖部8中，宽度方向上的中央部分10c的表面粗糙度小于宽度方向上的端部10a和10b的表面粗糙度。因此，中央部分10c中的覆盖部8与树脂16之间的粘合性低于端部10a和10b的覆盖部8与树脂16之间的粘合性。
因此，当由于树脂16的与冷却有关的收缩而使得应力被施加在超导线材10的厚度方向上时，在中央部分10c中可能发生覆盖部8与树脂16之间的界面处的剥离。被施加到超导线材10的应力通过界面处的剥离而释放，因此能够减小被施加到超导线材10的应力。因此，由于能够抑制超导材料层4的损坏和变形，所以能够抑制超导特性的劣化。
当覆盖部8与树脂16之间的界面处发生剥离时，界面处产生了间隙。因此，可能降低超导线材10与树脂16之间的热传导性。因此，在被构造成用制冷器冷却超导线圈20的超导设备中，可以降低从超导线材10通过树脂16到冷却板的热传递性，因此可能降低冷却超导线圈20的效率。
在根据本实施例的超导线材10中，覆盖部8与树脂16之间的粘合性在端部10a和10b较高。因此，即使应力可能由于树脂16的热收缩而被施加，也能够抑制在端部10a和10b的覆盖部8与树脂16之间的界面处的剥离。由于保持了超导线材10与树脂16之间的粘合，进而能够抑制热传导性的降低。因此，能够有效地冷却超导线圈20。
因为端部10a与10b的表面粗糙度较大，所以覆盖部8与树脂16之间的粘合性倾向于较高。然而，当端部10a和10b的表面粗糙度较大时，当使用超导线圈20时，电场倾向于在端部10a和10b附近集中。当由此在超导线圈20中产生过电压时，可能在线圈体12的绕组的匝之间发生介电击穿。为了确保超导线圈20的介电强度，端部10a和10b的表面粗糙度优选不大于1.2μm。
应理解，本文所公开的实施例在每一方面都是说明性和非限制性的。本发明的范围由权利要求书的范围限制，而不是由上文的描述限制，并且旨在包括等同于权利要求书的条款的范围与含义内的任何改型。
附图标记列表
2基板；3中间层；4超导材料层；5保护层；7主体部；7a第一主面；7b第二主面；8覆盖部；10超导线材；10a、10b端部；10c中央部分；12线圈体；16树脂；18双饼线圈；20超导线圈。

Claims (4)

1.一种超导线材，包括：
主体部，所述主体部包括第一主面以及第二主面，所述第二主面被定位为与所述第一主面相反，所述主体部包括超导材料部；
基板，所述基板支撑所述主体部的所述第二主面；以及
覆盖部，所述覆盖部至少形成在所述主体部的所述第一主面上，
在所述覆盖部中，所述超导线材的宽度方向上的中央部分的表面粗糙度小于所述宽度方向上的端部的表面粗糙度。
2.根据权利要求1所述的超导线材，其中，
所述覆盖部的所述中央部分的所述表面粗糙度等于或小于0.8μm，并且
所述覆盖部的所述端部的所述表面粗糙度大于0.8μm，并且等于或小于1.2μm。
3.根据权利要求1或2所述的超导线材，其中，
所述覆盖部被形成为覆盖所述主体部和所述基板的周边的金属层。
4.一种超导线圈，包括：
线圈体，所述线圈体通过缠绕根据权利要求1到3中任一项所述的超导线材而形成；以及
树脂，所述线圈体被浸渍在树脂中。
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