CN110291597A - 超导线材和超导线圈 - Google Patents

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Abstract

根据本公开的超导线圈设置有：基板，所述基板具有第一表面和第二表面；超导层，所述超导层具有第三表面和第四表面；稳定化层；以及保护层。所述第二表面与所述第一表面相反。所述第四表面与所述第三表面相反。所述超导层设置在所述基板上，使得所述第三表面面向所述第二表面。所述稳定化层设置在所述第一表面上和所述第四表面上。所述保护层设置在所述稳定化层上。所述稳定化层与所述保护层之间的粘合强度低于所述超导层的强度。根据本公开实施例的超导线材能够在不增加生产工艺的复杂性的情况下抑制超导性质由于绝缘体的热膨胀系数与所述超导线材的热膨胀系数之间的差异所导致的热应力而劣化。

Description

超导线材和超导线圈
技术领域
本发明涉及一种超导线材和一种超导线圈。
背景技术
通常，已知日本专利特开2008-244249(专利文献1)中描述的超导线材。专利文献1中描述的超导线材包括：基板；超导层，所述超导层设置在所述基板上；以及稳定化层，所述稳定化层覆盖所述基板和所述超导层。专利文献1中描述的超导线材被缠绕并用诸如环氧树脂这样的浸渍材料浸渍，从而获得超导线圈。在专利文献1中描述的超导线圈中，已知由于超导层由于浸渍材料的热膨胀系数与超导线材的热膨胀系数之间的差异所产生的热应力而破损，超导性质可能劣化。
作为用于防止超导层的由于由热膨胀系数方面的差异所产生的热应力而导致的上述破损的构造，通常已知以下构造：日本专利特开2011-198469(专利文献2)中描述的绝缘覆盖氧化物超导线材的构造；日本专利特开2014-22693(专利文献3)中描述的复合带的构造；以及日本专利特开2016-134418(专利文献4)中描述的超导线材的构造。
专利文献2中描述的绝缘涂覆氧化物超导线材包括：氧化物超导线材材料；绝缘材料层，所述绝缘材料层覆盖所述氧化物超导线材的整个表面；以及释放材料层，所述释放材料层设置在所述绝缘材料层上。专利文献2中描述的绝缘涂覆氧化物超导线材被缠绕并用热固性树脂浸渍，从而获得线圈。同样在专利文献2中描述的线圈中，在冷却期间引起由热固性树脂的热膨胀系数与绝缘涂覆氧化物超导线材的热膨胀系数之间的差异所导致的热应力。在专利文献2中描述的线圈中，热固性树脂和释放材料层在其之间的界面处易于彼此分离，由此热应力不太可能作用在超导层上，并且超导性质不太可能由于超导层的破损而劣化。
专利文献3中描述的复合带包括超导带线材、绝缘带线材和释放层。释放层设置在超导带线材和绝缘带线材中的至少一个上。专利文献3中描述的复合带被缠绕并用环氧树脂浸渍，从而获得线圈。同样在专利文献3中描述的线圈中，在冷却期间引起热应力。在专利文献3中描述的线圈中，环氧树脂和释放层在其之间的界面处彼此分离，由此超导性质不太可能由于超导层被热应力破损而劣化。
专利文献4中描述的超导线材包括金属基板、超导层和碳层。超导层设置在金属基板上。碳层设置在超导层和金属基板中的至少一个上。碳层的破损强度低于超导层的破损强度。专利文献4中描述的超导线材被缠绕并用环氧树脂合成物浸渍，从而获得线圈。同样在专利文献4中描述的线圈中，在冷却期间引起由环氧树脂合成物的热膨胀系数与超导线材的热膨胀系数之间的差异所导致的热应力。由于这种热应力，碳层易于断裂。因此，超导性质不太可能由于超导层被这种热应力破损而劣化。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2008-244249
专利文献2：日本专利特开2011-198469
专利文献3：日本专利特开2014-22693
专利文献4：日本专利特开2016-134418
发明内容
根据本公开的一个实施例的超导线材包括：基板，所述基板具有第一表面和第二表面；超导层，所述超导层具有第三表面和第四表面；稳定化层；以及保护层。所述第二表面与所述第一表面相反。所述第四表面与所述第三表面相反。所述超导层设置在所述基板上，使得所述第三表面面向所述第二表面。所述稳定化层分别设置在所述第一表面和所述第四表面上。所述保护层分别设置在所述稳定化层上。所述稳定化层中的每一个与所述保护层中的每一个之间的粘合强度低于所述超导层的强度。
根据本公开的超导线圈包括：根据本公开所述的超导线材；以及绝缘体。所述超导线材被缠绕成螺旋形状，并且所述超导线材的绕组之间设置有空间。所述空间被所述绝缘体填充。所述绝缘体的热膨胀系数大于所述超导层的热膨胀系数。
附图说明
图1是根据实施例的超导线材100在平行于其纵向方向的截面中的截面图。
图2是根据实施例的超导线圈200在垂直于其线圈轴线的截面中的截面图。
图3是图2的区域III的放大截面图。
图4是用于制造根据实施例的超导线材100的方法的流程图。
图5A是在结束制备步骤S1之后且在执行稳定化层形成步骤S21之前超导线材100在平行于纵向方向的截面中的截面图。
图5B是在结束稳定化层形成步骤S21之后且在执行保护层形成步骤S22之前超导线材100在平行于纵向方向的截面中的截面图。
图5C是在结束保护层形成步骤S22之后超导线材100在平行于纵向方向的截面中的截面图。
图6是用于制造根据实施例的超导线圈200的方法的流程图。
图7是根据比较例的超导线材110在平行于其纵向方向的截面中的截面图。
图8是根据比较例的超导线圈210的局部截面图。
图9是根据实施例的超导线圈200在冷却期间的局部截面图。
具体实施方式
[本公开要解决的问题]
对于专利文献2中的绝缘涂覆超导线材和采用该绝缘涂覆超导线材的线圈，必需添加形成释放材料层的新步骤。同样对于专利文献3中的复合带和采用该复合带的线圈，必需添加形成释放层的新步骤。同样对于专利文献4中的超导线材和采用该超导线材的线圈，必需添加形成碳层的新步骤。因此，对于专利文献2至专利文献4中的各超导线材和采用这些超导线材的各线圈，制造工艺不利地变复杂了。
已鉴于常规技术的上述问题做出了根据本公开的超导线材和超导线圈。更具体地，本公开是为了提供一种超导线材和一种超导线圈，在所述超导线材和所述超导线圈中的每一个中，能够在不使制造工艺变复杂的情况下抑制超导性质由于绝缘体的热膨胀系数与所述超导线材的热膨胀系数之间的差异所导致的热应力而劣化。
[本公开的有利效果]
根据本公开所述的超导线材和超导线圈，能够在不使制造工艺变复杂的情况下抑制超导性质由于绝缘体的热膨胀系数与所述超导线材的热膨胀系数之间的差异所导致的热应力而劣化。
[实施例的描述]
首先，列举并描述本公开的实施例。
(1)根据本公开的一个实施例的超导线材包括：基板，所述基板具有第一表面和第二表面；超导层，所述超导层具有第三表面和第四表面；稳定化层；以及保护层。所述第二表面与所述第一表面相反。所述第四表面与所述第三表面相反。所述超导层设置在所述基板上，使得所述第三表面面向所述第二表面。所述稳定化层分别设置在所述第一表面和所述第四表面上。所述保护层分别设置在所述稳定化层上。所述稳定化层中的每一个与所述保护层中的每一个之间的粘合强度低于所述超导层的强度。
在制造根据(1)所述的超导线材时，不需要形成碳层等的新步骤。因此，根据根据(1)所述的超导线材，制造工艺不复杂。此外，当形成超导线圈时，根据(1)所述的超导线材被成形为螺旋形状并且所述超导线材的绕组之间的空间被绝缘体填充。根据根据(1)所述的超导线材，在所述超导层由于由所述超导线材的热膨胀系数与所述绝缘材料的热膨胀系数之间的差异所导致的热应力而破损之前，所述稳定化层和所述保护层在其之间的界面处彼此分离。因此，根据根据(1)所述的超导线材，能够抑制超导性质劣化。
(2)在根据(1)所述的超导线材中，设置在所述第一表面上的所述稳定化层的厚度可以小于设置在所述第四表面上的所述稳定化层的厚度。
根据(2)所述的超导线材，由于在远离所述超导层的所述第一表面侧的所述稳定化层或所述保护层很可能首先分离，所以能够更安全地保护所述超导层。
(3)在根据(2)所述的超导线材中，设置在所述第一表面上的所述稳定化层可以由单个层构成，并且设置在所述第四表面上的所述稳定化层可以由多个层构成。
根据(3)所述的超导线材，由于在远离所述超导层的所述第一表面侧的所述稳定化层或所述保护层很可能首先分离，所以能够更安全地保护所述超导层。
(4)在根据(3)所述的超导线材中，设置在所述第一表面上的所述稳定化层可以由溅射层构成，并且设置在所述第四表面上的所述稳定化层可以由设置在所述第四表面上的溅射层和设置在所述溅射层上的电镀层构成。
根据(4)所述的超导线材，由于在远离所述超导层的所述第一表面侧的所述稳定化层或所述保护层很可能首先分离，所以能够更安全地保护所述超导层。
(5)根据本公开的一个实施方式的超导线圈包括：根据(1)至(4)中的任一项所述的超导线材；以及绝缘体，所述绝缘体的热膨胀系数大于所述超导层的热膨胀系数。所述超导线材被缠绕成螺旋形状，并且所述超导线材的绕组之间设置有空间。所述空间被所述绝缘体填充。
根据(5)所述的超导线圈，能够在不使制造工艺变复杂的情况下抑制超导性质由于绝缘体的热膨胀系数与所述超导线材的热膨胀系数之间的差异所导致的热应力而劣化。
[本公开的实施例的细节]
接下来，将描述实施例的细节。
(根据实施例的超导线材的构造)
下文参考图描述了根据实施例的超导线材的构造。应该注意的是，图中相同或对应的部分被赋予了相同的附图标记。此外，在下面描述的实施例的至少部分可以适当地组合。
图1是根据实施例的超导线材100在平行于其纵向方向的截面中的截面图。如图1中所示，根据实施例的超导线材100具有基板1、超导层2、稳定化层3和保护层4。
基板1优选地具有带状形状，所述带状形状在纵向方向上具有比其长度小的厚度。基板1具有第一表面1a和第二表面1b。第二表面1b是与第一表面1a相反的表面。基板1可以由多个层构成。更具体地，基板1可以包括基板层11和中间层12。基板层11位于第一表面1a侧，而中间层12位于第二表面1b侧。
基板层11可以由多个层构成。例如，基板层11由第一层11a、第二层11b和第三层11c构成。第一层11a、第二层11b和第三层11c由不同的材料组成。例如，不锈钢被用于第一层11a。例如，铜(Cu)被用于第二层11b。例如，镍(Ni)被用于第三层11c。
中间层12是用作缓冲器的层，所述缓冲器用于在基板1上形成超导层2。中间层12优选地具有均匀晶体取向。此外，对于中间层12，使用相对于超导层2的材料具有小晶格常数失配的材料。更具体地，对于中间层12，使用氧化铈(CeO2)或氧化钇稳定氧化锆(YSZ)。
超导层2是包含超导体的层。例如，用于超导层2的材料是稀土基氧化物超导体。例如，用于超导层2的稀土基氧化物超导体是REBCO(REBa2Cu3Oy，其中RE表示诸如钇(Y)、镨(Pr)、钕(Nd)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、钬(Ho)或镱(Yb)这样的稀土)。
超导层2具有第三表面2a和第四表面2b。第四表面2b是与第三表面2a相反的表面。超导层2设置在基板1上。更具体地，超导层2设置在基板1上，使得第三表面2a面向第二表面1b。关于此，从另一观点来看，可以说超导层2设置在中间层12上。
稳定化层3是这样的层：用于保护超导层2、使超导层2中的局部产生的热量消散、并且在超导层2中发生失超(从超导状态转变为正常导电状态的现象)时将电流旁通。稳定化层3设置在第一表面1a和第四表面2b上。例如，用于每个稳定化层3的材料是银(Ag)。
设置在第一表面1a上的稳定化层3优选地由单个层构成。更优选地，设置在第一表面1a上的稳定化层3是溅射层31。溅射层31是通过溅射而形成的层。
设置在第四表面2b上的稳定化层3可以由单个层构成或者可以由多个层构成。例如，当设置在第四表面2b上的稳定化层3由单个层构成时，设置在第四表面2b上的稳定化层3由溅射层31构成。
例如，当设置在第四表面2b上的稳定化层3由多个层构成时，设置在第四表面2b上的稳定化层3由溅射层31和电镀层32构成。溅射层31设置在第四表面2b上。电镀层32设置在溅射层31上。电镀层32是通过电镀而形成的层。
关于上文，从另一角度来看，可以说设置在第一表面1a和第四表面2b上的稳定化层3的相应的最外层不是用于保证与保护层4的粘合的层。用于保证稳定化层3与保护层4之间的粘合的示例性层是触击电镀层。触击电镀层是通过触击电镀而形成的层。
设置在第一表面1a上的稳定化层3具有第一厚度T1。设置在第四表面2b上的稳定化层3具有第二厚度T2。第一厚度T1优选地小于第二厚度T2。第一厚度T1例如大于或等于1μm且小于或等于10μm，并且第二厚度例如大于或等于2μm且小于或等于40μm。
保护层4是用于保护稳定化层3的层。保护层4设置在稳定化层3上。例如，用于每个保护层4的材料是Cu。
稳定化层3与保护层4之间的粘合强度低于超导层2的强度。“稳定化层3与保护层4之间的粘合强度低于超导层2的强度”的事实表明在超导层2破损之前稳定化层3和保护层4彼此分离。
应该注意的是，尽管在图1中未示出，但是稳定化层3和保护层4可以在垂直于纵向方向的方向上涂覆根据实施例的超导线材100的端面。
(根据实施例的超导线圈的构造)
下文参考图描述根据实施例的超导线圈200的构造。图2是根据实施例的超导线圈200在垂直于其线圈轴线的截面中的截面视图。如图2中所示，根据实施例的超导线圈200具有超导线材100和绝缘体150。
超导线材100具有以线圈轴线为中心的螺旋形状。也就是说，超导线材100围绕线圈轴线缠绕。超导线材100被缠绕，并且超导线材100的绕组之间设置有空间。
超导线材100的绕组之间的空间被绝缘体150填充。因此，超导线材100的绕组彼此绝缘并相对于彼此固定。图3是图2的区域III的放大截面图。如图3中所示，超导线材100被绝缘体150夹在中间。
例如，热固性树脂被用于绝缘体150。用于绝缘体150的热固性树脂优选地具有这样的低粘度，使得能够将处于被固化之前的状态下的热固性树脂引入到超导线材100的绕组之间的空间中。例如，用于绝缘体150的热固性树脂是环氧树脂。
绝缘体150的热膨胀系数大于超导线材100的热膨胀系数。具体地，绝缘体150的热膨胀系数大于超导层2的热膨胀系数。绝缘体150的热膨胀系数可以大于基板1的热膨胀系数。例如，当环氧树脂被用于绝缘体150时，绝缘体150的尺寸在从室温冷却到77K时收缩了大约1％。另一方面，当以类似的方式使基板1冷却时，基板1的尺寸收缩了大约0.3％。当以类似的方式使超导层2冷却时，超导层2的尺寸收缩率小于0.3％。
(用于制造根据实施例的超导线材的方法)
下文描述了用于制造根据实施例的超导线材100的方法。图4是用于制造根据实施例的超导线材100的方法的流程图。如图4中所示，用于制造根据实施例的超导线材100的方法具有制备步骤S1和涂层形成步骤S2。涂层形成步骤S2包括稳定化层形成步骤S21和保护层形成步骤S22。
图5A是在结束制备步骤S1之后且在执行稳定化层形成步骤S21之前超导线材100在平行于纵向方向的截面中的截面图。在制备步骤S1中，如图5A中所示，超导层2在基板1上形成。更具体地，中间层12在基板层11上形成，并且超导层2在中间层12上形成。通过通常已知的方法来在基板层11上形成中间层12并且在中间层12上形成超导层2。
图5B是在结束稳定化层形成步骤S21之后且在执行保护层形成步骤S22之前超导线材100在平行于纵向方向的截面中的截面图。如图5B中所示，在稳定化层形成步骤S21中，稳定化层3形成在第一表面1a和第四表面2b上。
在稳定化层形成步骤S21中，首先，执行溅射。对第一表面1a侧和第四表面2b侧执行溅射。因此，用作稳定化层3的溅射层31在第一表面1a上形成，并且形成构成设置在第四表面2b上的稳定化层3的一部分的溅射层31。
在稳定化层形成步骤S21中，其次，执行电镀。仅对第四表面2b侧执行电镀。因此，电镀层32在第四表面2b上形成，所述电镀层32是设置在第四表面2b上的稳定化层3的一部分。
图5C是在结束保护层形成步骤S22之后超导线材100在平行于纵向方向的截面中的截面图。如图5C中所示，保护层4在稳定化层3上形成。保护层4是通过诸如电镀这样的通常已知的方法而形成的。
(用于制造根据实施例的超导线圈的方法)
下文描述了用于制造根据实施例的超导线圈200的方法。图6是用于制造根据实施例的超导线圈200的方法的流程图。如图6中所示，用于制造根据实施例的超导线圈200的方法包括线材缠绕步骤S3和绝缘体填充步骤S4。
在线材缠绕步骤S3中，例如，超导线材100缠绕线轴。因此，超导线材100被成形为螺旋形状。在绝缘体填充步骤S4中，环氧树脂等被引入到超导线材100的绕组之间的空间中并被热固化，由此被形成为螺旋形状的超导线材100的绕组之间的空间被绝缘体150填充。
(根据实施例的超导线材和超导线圈的效果)
下文描述了根据实施例的超导线材100和超导线圈200中的每一个与比较例相比较的效果。图7是根据比较例的超导线材110在平行于其纵向方向的截面中的截面视图。如图7中所示，与根据实施例的超导线材100一样，根据比较例的超导线材110包括基板1、超导层2、稳定化层3和保护层4。
然而，根据比较例的超导线材110与根据实施例的超导线材100不同之处在于，设置在第一表面1a和第四表面2b上的稳定化层3的最外层中的每一个均是触击电镀层33。也就是说，在根据比较例的超导线材110中，设置在第一表面1a和第四表面2b上的稳定化层3中的每一个均由溅射层31、电镀层32和触击电镀层33构成。结果。在根据比较例的超导线材110中，稳定化层3与保护层4之间的粘合强度不低于超导层2的强度。
图8是根据比较例的超导线圈210的局部截面图。如图8中所示，除了使用了根据比较例的超导线材110之外，根据比较例的超导线圈210的构造与根据实施例的超导线圈200的构造相同。
根据比较例的超导线圈210在操作期间通过液氮被冷却到非常低的温度。如上所述，绝缘体150的热膨胀系数小于基板1和超导层2中的每一个的热膨胀系数。也就是说，绝缘体150通过冷却的收缩小于超导层2通过冷却的收缩。结果，由冷却导致的张应力TS作用在超导层2上。由于这种张应力TS，在超导层2中引起破损B，其结果是超导线材110和超导线圈210中的每一个的超导性质劣化了。
图9是根据实施例的超导线圈200在冷却期间的局部截面图。如图9中所示，同样在根据实施例的超导线圈200中，在冷却期间产生了张应力TS。
然而，在根据实施例的超导线圈中，由于稳定化层3中的每一个的最外层不是用于保证与保护层4(诸如触击电镀层33)的粘合的层，所以稳定化层3与保护层4之间的粘合强度低于超导层2的强度。因此，在过度的张应力TS作用在超导层2上之前，稳定化层3和保护层4在其之间的界面处易于彼此分离。
因此，根据实施例的超导线材100和超导线圈200，能够在超导层2中抑制由于热膨胀系数方面的差异而导致的破损的发生，由此能够抑制超导性质劣化。
本文公开的实施例在任何方面是说明性的而非限制性的。本发明的范围通过权利要求书的条款来限定，而不是通过上述的实施例来限定，并且旨在包括相当于权利要求书的条款的范围和含义内的任何改型。
附图标记列表
1：基板；1a：第一表面；1b：第二表面；11：基板层；11a：第一层；11b：第二层；11c：第三层；12：中间层；2：超导层；2a：第三表面；2b：第四表面；3：稳定化层；31：溅射层；32：电镀层；33：触击电镀层；4：保护层；100、110：超导线材；150：绝缘体；200、210：超导线圈；B：破损；S1：制备步骤；S2：涂层形成步骤；S3：线材缠绕步骤；S4：绝缘体填充步骤；S21：稳定化层形成步骤；S22：保护层形成步骤；T1：第一厚度；T2：第二厚度；T3：第三厚度；T4：第四厚度；TS：张应力。

Claims (5)

1.一种超导线材，所述超导线材包括：
基板，所述基板具有第一表面和与所述第一表面相反的第二表面；
超导层，所述超导层具有第三表面和与所述第三表面相反的第四表面，所述超导层设置在所述基板上，使得所述第三表面面向所述第二表面；
稳定化层，所述稳定化层分别设置在所述第一表面和所述第四表面上；以及
保护层，所述保护层分别设置在所述稳定化层上，其中
所述稳定化层中的每一个与所述保护层中的每一个之间的粘合强度低于所述超导层的强度。
2.根据权利要求1所述的超导线材，其中，设置在所述第一表面上的所述稳定化层的厚度小于设置在所述第四表面上的所述稳定化层的厚度。
3.根据权利要求2所述的超导线材，其中，设置在所述第一表面上的所述稳定化层由单个层构成，并且
设置在所述第四表面上的所述稳定化层由多个层构成。
4.根据权利要求3所述的超导线材，其中，设置在所述第一表面上的所述稳定化层由溅射层构成，并且
设置在所述第四表面上的所述稳定化层由设置在所述第四表面上的溅射层和设置在所述溅射层上的电镀层构成。
5.一种超导线圈，所述超导线圈包括：
根据权利要求1至4中的任一项中所述的超导线材；以及
绝缘体，所述绝缘体的热膨胀系数大于所述超导线材的热膨胀系数，其中，所述超导线材被缠绕成螺旋形状，并且所述超导线材的绕组之间设置有空间，并且
所述空间被所述绝缘体填充。
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