CN110257792A - 生长第二代高温超导带材阻挡层复合膜的镀膜机构及装置 - Google Patents

Abstract

本发明生长第二代高温超导带材阻挡层复合膜的镀膜机构及装置，包括：滚轮，两个所述滚轮间隔设置，基带包裹在两个所述滚轮外侧；支撑件，所述支撑件设置在两个所述滚轮之间，所述支撑件与基带接触；镀膜组件，所述镀膜组件的位置与所述支撑件的位置相对应。与现有技术相比，本发明生长第二代高温超导带材阻挡层复合膜的镀膜机构及装置具有以下优点：1)采用金属靶材反应溅射镀膜提高镀膜本身的效率；2)采用小滚筒支撑基带代替支撑板支撑基带，减少了系统摩擦力，从而可增加绕带次数增加镀膜面积，提高镀膜效率；3)系统可实现往复运动，只需在一个腔体增加阴极就可实现多种膜层的镀膜，相对连体机减少了空间，同时不牺牲各个隔离层的效率。

Description

生长第二代高温超导带材阻挡层复合膜的镀膜机构及装置

技术领域

本发明涉及超导镀膜领域，具体地，涉及一种生长第二代高温超导带材阻挡层复合膜的镀膜机构及装置。

背景技术

1911年荷兰莱顿大学的卡末林·昂纳斯教授在实验室首次发现超导现象以来，超导材料及其应用一直是当代科学技术最活跃的前沿研究领域之一。1986年1月在美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎世实验室中工作的科学家柏诺兹和缪勒，首先发现钡镧铜氧化物是高温超导体，很快在1-2年的时间里，超导体的临界转变温度被世界上各个研究组提高到了液氮温度以上，从而摆脱了超导体对昂贵液氦制冷的需求。在过去的十几年间，以超导为主的超导电力设备的研究飞速发展，在超导储能、超导电机、超导电缆、超导限流器、超导变压器、超导同步调相机等领域取得显著成果。

目前进入商业化的高温超导带材分为铋系和钇系。铋系超导体即第一代超导材料，也称BSCCO超导体；钇系超导体即第二代超导材料，也称YBCO或REBCO超导体。

以BSCCO为材料的第一代超导带材，采用银包套生产工艺，具有较高的超导转变温度(Tc～110K)。特别是其层状的晶体结构导致的片状晶体很容易在应力的作用下沿铜－氧面方向滑移。所以，利用把Bi2223先驱粉装入银管加工的方法(PIT法)，经过拉拔和轧制加工，就能得到很好的织构。另外，在Bi2223相成相热处理时，伴随产生的微量液相能够很好地弥合冷加工过程中产生的微裂纹，从而在很大程度上克服了弱连接的影响。正由于这两个基本特性，使人们通过控制先驱粉末、加工工艺及热处理技术，成功地制备出了高性能长带。

以REBCO(RE为稀土元素)为超导层材料的第二代高温超导带材，因其具有相比铋系带材更强的载流能力、更高的磁场性能和更低的材料成本，在医疗、军事、能源等众多领域具备更广更佳的应用前景。第二代高温超导带材，由于其作为超导载流核心的REBCO为陶瓷属性，所以一般是在柔性金属基底上采用多层覆膜的工艺生产，所以又被称为涂层导体。第二代超导带材一般由基带、缓冲层(过渡层)、超导层以及保护层组成。金属基底的作用是为带材提供优良的机械性能。过渡层的作用一方面是防止超导层与金属基底发生元素间的相互扩散，另一方面，过渡层需为超导层的外延生长提供好的模板。制备超导性能优良的涂层导体，需要超导层具有高度的双轴织构。双轴织构是指晶粒在a/b轴和c轴(c轴垂直于a/b面)两个方向均有着近乎一致的排列。由于YBCO薄膜在a/b轴方向的排列程度(面内织构)相对较难实现，而面内织构较差会严重降低超导性能。因此需要YBCO超导薄膜在已经具有双轴织构和匹配晶格的过渡层上外延生长。制备实现双轴织构有两种主流的技术路线，一种是轧制辅助双轴织构基带技术，另一种为离子束辅助沉积技术。REBCO超导层制备的常见技术分为多种，有脉冲激光沉积、金属有机物化学气相沉积、反应共蒸发等。保护层主要是用来保护超导膜层，一般在超导带材表面镀1-5um的银层。随后进行镀铜或后续的封装加强处理。

2001年日本科学家秋光纯(Akimitsu)发现二硼化镁超导体(MgB2)，临界温度Tc为39K。MgB2超导材料具有十分简单的化学组成和晶体结构，晶界能承载较高的电流，原材料成本低廉。同时，MgB2相干长度比钙钛矿型结构的铜氧化物超导体相干长度大，这就意味着MgB2中更容易引入有效磁通钉扎中心。目前采用粉末装管法(PIT法)、连续粉末装管成型工艺(CTFF)或中心镁扩散工艺(IMD)制备MgB2长带。

2008年，日本科学家细野秀雄(Yoichi Kamihara)团队发现含铁的新型超导体(LaOFeAs)，临界转变温度为26K，这种超导体被人们称为铁基超导体。之后的几个月之内，中国的科学家在就将铁基超导体的临界温度Tc提高到55K。2016年马衍伟团队在铁基超导材料的成相物理化学、元素掺杂、线带材成材、热处理工艺、微观结构等方面开展了大量研究，掌握了采用成本较低的粉末装管法制备高性能铁基超导线带材的一整套关键技术，同时开展了铁基超导线材规模化制备工艺的探索研究，通过对超导长线的结构设计和加工技术的试验优化，成功解决了铁基超导线规模化制备中的均匀性、稳定性和重复性等技术难点，最终制备出了长度达到115米的(Sr，K)Fe2As2铁基超导长线。

目前铋系高温超导带材已经实现了产业化生产，铋系超导带材的长度大于500米。近年来，欧美日等技术发达国家先后突破了第二代高温超导带材的长线带材制备技术，世界上已有多家公司可生产第二代高温超导长带。技术发达国家主要是美国，日本，欧洲和韩国。生产和研发水平的主要标志是单根长度、77K下的单位宽度临界电流值。如日本的Fujikura公司制备出长度为1040米、临界电流(Ic)为582A/cmGdBCO超导带材，韩国的SuNAM公司2016年底制备出长度为1000米、平均Ic接近1000A/cm以上GdBCO超导带材。国内近年来组织了二代高温超导产业化关键技术重大项目攻关，培育战略性新兴产业。在上海市政府、苏州市政府等地方政府的有力支持下，上海超导科技股份有限公司、上海上创超导科技有限公司、苏州新材料研究所有限公司等高新技术民营企业脱颖而出，有力的推动了二代高温超导技术的快速发展。上述三家产业化公司为代表的国内超导带材生产单位，能够年生产100公里以上高性能二代高温超导带材。

第二代高温超导带材的制备工艺可分为金属基带，复合隔离层和超导层三部分。复合隔离层主要防止基带在高温过程中扩散到超导层而破坏超导性能，同时复合隔离层对基带进行平整化，为种子层提供良好的表面形貌。目前复合隔离层主要为氧化铝和氧化钇两种材料，制备方法主要为磁控溅射为主。由于氧化铝和氧化钇为陶瓷材料，因此很多厂家采用陶瓷氧化铝或氧化钇靶材，而陶瓷靶材必须要用射频电源才能维持辉光放电。陶瓷靶材的射频溅射本身效率较低，国外部分厂家采用金属靶进行反应溅射，同时采用贯通腔体的结构-连体机。但贯通腔体的结构设计需考虑速度匹配问题，即生长快的膜层必须降速以保持和生长慢的膜层相同的速度，这样牺牲了部分效率。同时由于镀多层膜需要按照一定的顺序，采用贯通腔体的结构，一旦前序工艺出现故障，后序工艺无法正常运行。且连体机涉及多套真空腔体系统，不仅占地空间大，造价也高。

现有技术，中国发明专利《第二代高温超导带材中超导层的连续化快速激光镀膜方法》(申请号：201110367810.7)通过超导靶材沿x-y轴二维进动扫描的方法使靶材整个表面都得到利用，并可使激光蒸发镀膜过程能够稳定持续的进行下去。通过激光斑点沿带材运动方向扫描的办法增加了沿带材运动方向的镀膜区间。通过在加热器上方的带辊上多次缠绕带材的办法，增加了垂直于带材运动方向的镀膜区宽度。充分地将已蒸发物质最大限度地收集到了金属基带上，有效提高了带材制备速度、增加了靶材及已蒸发物质的利用率、大大提高了生产效率、降低了带材制造成本。从而解决了适合于大规模工业化生产的第二代高温超导带材超导层快速镀膜问题。

另外为了提高镀膜面积，现有技术一般需要将基带多次缠绕在辊轮上，这种螺旋结构以及基带的变形会导致基带相对靶面倾斜，为了防止倾斜，一般会在镀膜区基带背面安装水冷支撑板，支撑板按压基带使基带宽度方向平行靶面从而使基带表面膜层更加均匀，基带接收面积垂直粒子前进的方向，镀膜效率会更高。然而，支撑板的引入会极大增加系统的摩擦力，尤其是基带多次缠绕在滚轮和支撑板上后，系统摩擦力主要来源于基带和支撑板的摩擦。由于这种摩擦力的存在会导致基带容易卷边，特别是系统运行一段时间，支撑板的膜层增加后。目前大部分的解决的办法是减少缠绕的次数同时定期给支撑板做打磨。但减少缠绕会导致镀膜效率下降，而支撑板打磨也会间接降低镀膜效率。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明目的在于提供一种解决上述技术问题的生长第二代高温超导带材阻挡层复合膜的镀膜机构及装置。

为解决上述技术问题，本发明生长第二代高温超导带材阻挡层复合膜的镀膜机构，包括：滚轮，两个所述滚轮间隔设置，基带包裹在两个所述滚轮外侧；滚筒，所述滚筒设置在两个所述滚轮之间，所述滚筒与基带接触；镀膜组件，所述镀膜组件的位置与所述滚筒的位置相对应。

优选地，在两个所述滚轮的外侧分别设有镀膜过渡轮。

优选地，所述镀膜组件包括第一镀膜单元及第二镀膜单元，所述第一镀膜单元及所述第二镀膜单元与电源电连接；其中所述第一镀膜单元及所述第二镀膜单元的位置分别与所述滚筒的位置相对应。

优选地，所述第一镀膜单元包括至少一个第一隔离层阴极；所述第二镀膜单元包括至少一个第二隔离层阴极。

优选地，所述电源为射频电源、直流电源或中频电源。

优选地，所述第一隔离层阴极的靶材与所述第二隔离层阴极的靶材不同。

优选地，所述第一隔离层阴极的靶材与所述第二隔离层阴极的靶材为金属靶材。

一种生长第二代高温超导带材阻挡层复合膜的镀膜装置，包括：

镀膜机构，所述镀膜机构为生长第二代高温超导带材阻挡层复合膜的镀膜机构；

收放机构，两个所述收放机构分别设置在所述镀膜机构的两侧。

优选地，所述收放机构包括收放带轮及收放过渡轮。

优选地，还包括真空腔，所述镀膜机构及所述收放机构设置在所述真空腔内。

与现有技术相比，本发明生长第二代高温超导带材阻挡层复合膜的镀膜机构及装置具有以下优点：

1)采用金属靶材反应溅射镀膜提高镀膜本身的效率；

2)采用小滚筒支撑基带代替支撑板支撑基带，减少了系统摩擦力，从而可增加绕带次数增加镀膜面积，提高镀膜效率；

3)系统可实现往复运动，只需在一个腔体增加阴极就可实现多种膜层的镀膜，相对连体机减少了空间，同时不牺牲各个隔离层的效率。由于各个阴极分时工作，所有电源可共用；不同阴极在一个腔体机密排列，共用抽空系统减少了系统器件，从而降低了设备成本。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征目的和优点将会变得更明显。

图1为现有技术结构示意图；

图2为本发明生长第二代高温超导带材阻挡层复合膜的镀膜机构结构示意图；

图3为本发明生长第二代高温超导带材阻挡层复合膜的镀膜装置结构示意图。

图中：

1-滚轮 2-支撑板 3-镀膜过渡轮

4-第一镀膜单元 5-收放带轮 6-收放过渡轮

7-基带 8-滚筒 9-第二镀膜单元

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和修改。

传统镀膜系统中，如图1所示，一般将基带7分别经过一侧镀膜过渡轮3，并多次缠绕在滚轮1和支撑板2上，最后经过另一侧镀膜过渡轮3进入收带系统，第一镀膜单元4和第二镀膜单元9一般采用相同的靶材。镀膜过程中第一镀膜单元4和第二镀膜单元9同时工作，需要两个电源同时工作。而在连体镀膜设备中，氧化铝氧化钇需要两台这样的设备。为了保证速度匹配一般需要牺牲氧化钇的效率来匹配速度。

如图2、图3所示，本发明生长第二代高温超导带材阻挡层镀膜装置，靶材为金属靶材，可实现发应溅射制备第二代高温超导带材阻挡层；带辊为多个轮子的轮组，基带可实现在带辊和滚筒上多次缠绕，从而增加了垂直于带材运动方向的镀膜区宽度；带轴承的小滚筒可支撑基带，在保证基带尽可能平行靶面的同时极大减少系统摩擦力，从而可增加带辊上的绕带次数，进一步提高镀膜效率；采用可正反转的放卷结构和收卷结构，基带可往复运动，一次抽真空可实现多层阻挡层的制备。

收放过渡轮6可实现正反转动以实现正反走带。滚筒8内部通过轴承连接到轴承杆，基带7运动过程中，滚筒8随基带运动而轴承杆静止，滚筒8必须按压基7带，以保证基带7宽度方向尽可能平行靶面，基带7可多次缠绕在滚轮1和滚筒8上以增加镀膜面积，带可往复运动，每次运动一个第一镀膜单元4和第二镀膜单元9工作，以实现多层隔离层镀膜。

第一镀膜单元4和第二镀膜单元9中靶材为金属，成分为阻挡层所需的金属成分，本发明实施案例中分别为金属铝和金属钇；阴极电源(图中未示出)可以是射频电源、直流电源、或中频电源，第一镀膜单元4和第二镀膜单元9共用一个阴极电源(图中未示出)。

工作时，首先将支撑件2改为滚筒8以降低系统摩擦力，这样可以增加缠绕次数以增加镀膜面积；第一镀膜单元4和第二镀膜单元9分别采用金属铝靶和金属钇靶，采用单个电源(图中未示出)控制第一镀膜单元4和第二镀膜单元9；镀膜过程中，第一镀膜单元4往一侧走带镀氧化铝膜，结束后电源(图中未示出)控制第二镀膜单元9往另外一侧走镀氧化钇膜。

传统镀膜系统中，1km基带镀氧化铝需抽空4小时以上，镀膜30小时；氧化钇也需要抽空4小时以上，镀膜需要8小时，总共需要46小时，需要两台设备和相应空间；普通连体机+反应溅射需要12小时，但需要两套真空系统和接近两台镀膜机的空间。采用本发明中的系统，抽空需要4小时，氧化铝镀膜6小时，氧化钇镀膜2小时，一共需要12小时。并且占地面积和分体机一台的面积是接近的。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种生长第二代高温超导带材阻挡层复合膜的镀膜机构，其特征在于，包括：

滚轮，两个所述滚轮间隔设置，基带包裹在两个所述滚轮外侧；

滚筒，所述滚筒设置在两个所述滚轮之间，所述滚筒与基带接触；

镀膜组件，所述镀膜组件的位置与所述滚筒的位置相对应。

2.根据权利要求1所述的生长第二代高温超导带材阻挡层复合膜的镀膜机构，其特征在于，在两个所述滚轮的外侧分别设有镀膜过渡轮。

3.根据权利要求1所述的生长第二代高温超导带材阻挡层复合膜的镀膜机构，其特征在于，所述镀膜组件包括第一镀膜单元及第二镀膜单元，所述第一镀膜单元及所述第二镀膜单元与电源电连接；其中

所述第一镀膜单元及所述第二镀膜单元的位置分别与所述滚筒的位置相对应。

4.根据权利要求3所述的生长第二代高温超导带材阻挡层复合膜的镀膜机构，其特征在于，所述第一镀膜单元包括至少一个第一隔离层阴极；所述第二镀膜单元包括至少一个第二隔离层阴极。

5.根据权利要求3所述的生长第二代高温超导带材阻挡层复合膜的镀膜机构，其特征在于，所述电源为射频电源、直流电源或中频电源。

6.根据权利要求或4所述的生长第二代高温超导带材阻挡层复合膜的镀膜机构，其特征在于，所述第一隔离层阴极的靶材与所述第二隔离层阴极的靶材不同。

7.根据权利要求6所述的生长第二代高温超导带材阻挡层复合膜的镀膜机构，其特征在于，所述第一隔离层阴极的靶材与所述第二隔离层阴极的靶材为金属靶材。

8.一种生长第二代高温超导带材阻挡层复合膜的镀膜装置，其特征在于，包括：

镀膜机构，所述镀膜机构为权利要求1～权利要求7任意一项所述的生长第二代高温超导带材阻挡层复合膜的镀膜机构；

收放机构，两个所述收放机构分别设置在所述镀膜机构的两侧。

9.根据权利要求8所述的生长第二代高温超导带材阻挡层复合膜的镀膜装置，其特征在于，所述收放机构包括收放带轮及收放过渡轮。

10.根据权利要求7所述的生长第二代高温超导带材阻挡层复合膜的镀膜装置，其特征在于，还包括真空腔，所述镀膜机构及所述收放机构设置在所述真空腔内。