CN110534253A - 超导电线及其形成方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种超导电线及其形成方法。公开了一种具有增强导电率的超导电线。使用冷拉和退火来增强超导电线的导电率。还公开了制造超导电线的方法。

Description

超导电线及其形成方法

技术领域

本发明一般涉及超导电线。

背景技术

超导电金属是指相比于形成超导电金属的纯金属而言展现出更大导电率的合金或复合物。通过将某些高导电性添加物掺入纯金属中以形成具有改进的导电率的合金或复合物来生产超导电金属。例如，可以通过将诸如碳纳米管和/或石墨烯等的高导电性纳米碳颗粒掺入高纯度铜中来形成超导电铜。已知的超导电金属需要包含大量这种高导电性添加物以显著地提高纯金属的导电率。

PCT专利申请公开WO 2018/064137描述了一种形成金属-石墨烯复合物的方法，包括：利用石墨烯(14)来涂覆金属组件(10)以形成石墨烯涂覆金属组件，组合多个石墨烯涂覆金属组件以形成前体工件(26)，以及将前体工件(26)加工成块状(30)以形成金属-石墨烯复合物。金属-石墨烯复合物包括金属基质中的石墨烯(14)，其中石墨烯(14)是分布在整个金属基质中并且主要(但不排他地)以水平于金属-石墨烯复合物的轴向方向的平面定向的单原子层或多层石墨烯(14)。

美国专利申请公开US 2016/0168693 A1描述了一种定制导电结构中的石墨烯的量的方法，包括将基板材料布置在多个股线中并且将周向涂覆的至少一个石墨烯层布置在多个股线中的一个或多个股线上，石墨烯层是以六边形图案布置的单个原子厚的碳原子层，基板材料和至少一个石墨烯层具有轴向方向。沿着基板和至少一个石墨烯层的轴向方向截取的第一横截面包括多个基板材料层以及被交替设置在多个基板材料层之间的至少一个内部石墨烯层。

发明内容

根据一个实施例，制造具有增强导电率的超导电线的方法包括：对由超导电金属形成的预制线产品进行冷拉(cold wire drawing)以形成拉线；以及对所述拉线进行退火以形成超导电线。所述超导电金属由纯金属和纳米碳添加物形成。所述纯金属是铜。所述超导电线展现出100％或更大的国际退火铜标准(“IACS”)导电率。

具体实施方式

与传统金属合金(其展现出随着金属纯度下降而降低的导电率)相比，诸如超导电铜等的超导电金属通过掺入纳米碳添加物而展现出比纯金属更大的导电率。例如，尽管铜的纯度降低(通常将使导电率下降)，但超导电铜可以展现出大于100％的国际退火铜标准(“IACS”)导电率。可以理解，传统铜具有约100％IACS的导电率，超纯铜上升至约101％的IACS，而铜合金具有小于100％IACS的IACS。

然而，在实践中难以生产商业量的超导电金属以用于某些应用，诸如电线的导电元件。作为替代，大多数已知的超导电线已展现出较低的导电率以及/或者仅可以以有限的量生产。目前已经发现，通过适当地处理超导电金属，可以改进超导电线的导电率。有利地，这里所述的对超导电线的改进可以仅需要在超导电金属中有痕量的纳米碳，这限制了生产超导电线所需的时间和难度。

具体地，已经意外发现，可以通过连续的冷拉步骤和退火步骤来处理超导电金属以增强导电率。总的来说，这些步骤可以在形成超导电线时改进超导电金属的导电率，而无需特殊处理并且无需超导电金属掺入商业上难以维持的量的纳米碳添加物。

据信，冷拉可以改进超导电金属中的纳米碳添加物的排列，并且退火可以改进金属的晶体结构。可以理解，纳米碳添加物是高度各向异性导体，这意味着它们在平面内排列时比在平面外排列时具有更高的载流量。冷拉可以将超导电金属拉长，并且可以使纳米碳添加物沿着预制线产品的长度纵向排列。然后，预制线产品的退火可以通过使纯金属再结晶并修复由冷拉工艺引起的任何损害来增强所得到的超导电线的导电率。

根据这里所述的方法进行了冷拉和退火的超导电线的导电率可以展现出IACS导电率的约0.5％或更大的提高、IACS导电率的约0.75％或更大的提高、IACS导电率的约1.00％或更大的提高、IACS导电率的约1.25％或更大的提高、或者IACS导电率的约1.5％或更大的提高。这种超导电线的IACS导电率的改进可以大于仅进行冷拉或退火其中之一的其它线的IACS导电率的添加物改进。

一般地，可以如本领域中已知的那样进行冷拉和退火的步骤。例如，可以在室温下通过牵引由超导电金属形成的预制线产品通过模具或一系列顺序模具来进行冷拉，以减小预制线产品的周向面积。在特定实施例中，合适的冷拉步骤可以将预制线产品的总面积减小约30％或更大、约35％或更大、约40％或更大、约45％或更大、或者约50％或更大。可以理解，更大的面积减小可以导致金属相中的高导电性添加物的更大排列。

同样，可以通过将拉线加热到高于超导电金属中的纯金属的再结晶温度的温度、保持该温度一段时间、然后冷却纯金属来进行退火。例如，在超导电金属是超导电铜的情况下，退火可以在约300℃～约700℃的温度下进行，并且可以在这样的温度下保持约1小时～约5小时。可以通过使经热处理的纯金属能够随时间或通过淬火冷却来进行冷却。

有益地，这里所述的冷拉工艺和退火工艺可适用于由掺入纳米碳添加物的超导电金属形成的任何材料。在特定实施例中，超导电金属可以是超导电铜。可以理解，超导电铜可以容易地取代已经需要高导电率并且将受益于甚至更大导电率的传统铜应用。例如，超导电铜可用于形成线/线缆的导电元件、电气互连件、以及由其形成的任何组件(诸如线缆传输线配件和集成电路等)。取代这些应用中的铜可以允许立即改进，而无需重新设计系统。例如，由这里所述的改进超导电铜形成的电力传输线与由传统铜形成的类似电力传输线相比可以传输更大的电量(载流量)。

一般地，可以通过用于将纳米碳添加物掺入纯金属中的任何已知工艺来制造合适的超导电金属。如这里所使用的，纯金属意味着具有诸如约99％或更大纯度、约99.5％或更大纯度、约99.9％或更大纯度、或者约99.99％或更大纯度等的高纯度的金属。可以理解，纯度可以替代地使用替代记号系统来测量。例如，在特定实施例中，合适的金属可以是4N或5N纯，其分别指具有99.99％和99.999％纯度的金属。如这里所使用的，纯度可以指特定实施例中的绝对纯度或金属基础纯度。在评估纯度时，金属基础纯度忽略了非金属元素。可以理解，除了所需的纳米碳添加物之外的任何杂质都将使超导电金属的导电率下降。

形成对于这里所述的方法和改进合适的超导电金属的已知方法可以包括变形工艺、气相工艺、凝固工艺以及来自粉末冶金工艺的复合组装。在特定实施例中，沉积方法可以有利地用于形成超导电金属，因为这种工艺形成大量的超导电金属并且可以用合适量的纳米碳添加物形成这种超导电金属。一般地，这里所述的沉积方法可以将纳米碳沉积到金属片上，然后一起加工这些金属片以形成更大质量的超导电金属。

可以理解，可以以各种方式修改这里所述的沉积方法。例如，初始金属件可以是金属板、薄片、或者棒和条等的横截面切片。一般地，这种金属片可以由高纯度金属制备，然后清洗以除去污染物以及任何氧化。例如，浸入乙酸可以去除对铜的氧化损害，这种氧化损害否则将会使所得到的超导电铜的导电率下降。

在所公开的沉积方法的特定实施例中，可以使用化学气相沉积(“CVD”)工艺将石墨烯直接沉积在金属片的表面上。在这样的实施例中，金属片可以放置在加热的真空室中，然后可以泵入诸如甲烷等的合适石墨烯前体气体。甲烷的分解可以形成石墨烯。然而，可以理解，可以替代地使用其它沉积工艺。例如，可以使用其它已知的化学气相沉积工艺来沉积石墨烯或诸如碳纳米管等的其它纳米碳添加物。作为替代，可以使用其它沉积工艺。例如，纳米碳颗粒可以替代地从纳米碳添加物的悬浮液沉积在溶剂中。

与形成可通过这里所述的方法改进的超导电金属的示例性方法有关的其它详情在PCT专利公开WO 2018/064137中公开，上述文献通过引用而并入于此。可以理解，超导电金属可以替代地以制造的形式获得。在这样的实施例中，这里所述的冷拉和退火工艺可以改进导电率。

在特定实施例中，超导电金属可包括任何已知的纳米碳添加物。例如，在特定实施例中，纳米碳添加物可以是碳纳米管或石墨烯。高导电性添加物可以以任何合适的量(包括按重量计约0.0005％或更大、按重量计约0.0010％或更大、按重量计约0.0015％或更大、或者按重量计约0.0020％或更大)包含在金属中。可以理解，这里所述的工艺可以改进超导电金属的导电率，从而减少掺入高荷载水平(例如，10％或更大)的纳米碳添加物的需要。

示例

生产超导电铜线以评估这里所述的冷拉和退火工艺的导电率改进。使用沉积工艺然后挤制(extrusion)来形成超导电铜线。具体地，通过将石墨烯沉积在由99.99％纯度的铜(UNS 10100铜)形成的0.625英寸直径的铜棒的横截面切片上来形成超导电铜线。横截面切片或圆盘的厚度为0.00070英寸。将横截面切片在乙酸浴中清洗1分钟。

使用化学气相沉积(“CVD”)工艺将石墨烯沉积在横截面切片上。对于CVD工艺，横截面切片被放置在具有50mTorr或更小的真空压力的真空室中，然后用氢气以100cm³/min吹扫15分钟，以吹扫任何剩余的氧气。然后在16～25分钟的时间内将真空室加热至900℃～1100℃的温度。然后将该温度进一步保持15分钟以确保横截面切片达到平衡温度。然后以0.1L/min的速率引入甲烷和惰性载气并且持续5～10分钟，以将石墨烯沉积在横截面切片的表面上。

通过堆叠石墨烯覆盖的横截面切片并将它们包裹在铜箔中，将多个石墨烯覆盖的横截面切片形成为线。然后使用29000psi的压力在约30分钟内将包裹的堆叠体在惰性氮气氛下以700℃～800℃进行挤制。挤制线的直径为0.808英寸，并且是按重量计为0.000715％的石墨烯。

表1描绘了使用这里所述的方法进行加工的超导电铜线的电气性质。示例1是由超导电金属挤制形成的线。示例2是通过将示例1中线冷拉至0.0670英寸的直径而形成的。示例3是在430℃下退火2小时后的示例2中的线。示例4是在430℃下退火2小时后的示例1中的线。示例4不进行冷拉。在20℃下测量IACS导电率。

表1

如表1中所描绘的，示例3中的线展现出100.5％的IACS导电率，而示例1、2和4中的各条线各自展现出小于100％的IACS导电率。与示例3中的极大地增强线的导电率的双重加工不同，仅冷拉或退火步骤不会显著地增加挤制线的导电率。

应当理解，本说明书中给出的每个最大数值限制包括每个较低的数值限制，如同这些较低的数值限制在这里明确写出一样。在整个说明书中给出的每个最小数值限制将包括每个较高的数值限制，如同这些较高的数值限制在这里明确写出一样。本说明书中给出的每个数值范围将包括落入这种较宽的数值范围内的每个较窄数值范围，如同这些较窄数值范围都在这里明确写出一样。

除非明确排除或以其它方式限制，否则这里引用的每篇文献(包括任何交叉引用或相关的专利或申请)均通过引用整体并入于此。任何文献的引用并不是承认：它是关于这里所公开或要求保护的任何发明的现有技术，或者单独地或以与任何其它参考文献的任何组合的形式教导、暗示或公开任何此类发明。此外，就本文献中的术语的任何含义或定义与通过引用并入的文献中的相同术语的任何含义或定义相冲突来说，以被赋予本文献中的该术语的含义或定义为准。

为了描述目的，已经呈现了实施例和示例的前述描述。其并非旨在穷举或限制所描述的形式。鉴于上述教导，可以进行许多修改。已经讨论了这些修改中的一些修改，并且本领域技术人员将理解其它修改。本领域普通技术人员为了说明而选择并描述这些实施例。相反，因此意图由附有各个实施例的权利要求来限定范围。当然，范围不限于这里阐述的示例或实施例，而是可以据此用于任何数量的应用和等效物中。

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年5月25日提交的、标题为“ULTRA-CONDUCTIVE WIRES ANDMETHODS OF FORMING THEREOF”的美国临时专利申请序列62/676,610的优先权，并且通过引用将该申请全文并入于此。

Claims (12)

1.一种制造具有增强导电率的超导电线的方法，该方法包括：

对由超导电金属形成的预制线产品进行冷拉以形成拉线，其中所述超导电金属由纯金属和纳米碳添加物形成，所述纯金属是铜；以及

对所述拉线进行退火以形成超导电线；以及

其中所述超导电线展现出100％或更大的国际退火铜标准导电率即IACS导电率。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，冷拉步骤使所述预制线产品的横截面积减小约25％或更多。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述纳米碳添加物包括碳纳米管、石墨烯或其组合。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，退火步骤包括将所述拉线加热至约300℃～约700℃的温度并且持续约2小时或更多。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述铜包含约99.99％或更大的绝对纯度。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述超导电线包含按重量计约0.0005％～按重量计约0.1％的纳米碳添加物。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述超导电线展现出约100.5％或更大的国际退火铜标准导电率即IACS导电率。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述超导电线具有约0.01英寸～约0.2英寸的直径。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述超导电金属由沉积工艺、变形工艺、气相工艺、凝固工艺或粉末冶金工艺形成。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述超导电金属由化学气相沉积工艺形成。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，通过堆叠由所述化学气相沉积工艺形成的多个超导电金属片来形成所述预制线产品。

12.一种线缆，包括：

一个或多个导电元件，其各自包括根据权利要求1的方法所获得的超导电线；以及

包围所述一个或多个导电元件的一个或多个线缆覆盖层。