CN110581015B - 一种利用脱层超导带材堆叠超导磁体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用脱层超导带材堆叠超导磁体的方法，属于超导磁体应用技术领域。首先利用物理或化学方法对超导带材进行脱层处理，使得超导带材中的超导层和过渡层脱离，得到脱层超导带材；采用机械裁剪、线切割或激光切割方法，对脱层超导带材进行裁剪，得到尺寸形状一致的脱层超导带材；将脱层超导带材，沿带材表面的法线方向，按照超导面以相背、相向或同向的方式依次堆叠，然后置于容器中压制，得到超导磁体初品；将压制好的超导磁体初品进行浸渍固化处理；对超导磁体初品进行磁化处理，得到超导磁体。采用本发明方法制得的超导磁体，能够很好的克服磁化过程中高温超导体内部产生的强烈应力冲击和较高的热量，因此具有较高的热稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用脱层超导带材堆叠超导磁体的方法，属于超导磁体应用技术领域。
背景技术
高温超导涂层导体具有较高的临界电流和良好的机械性能，在高能量密度的电力能源装备中具有广阔的应用前景，因此受到国内外的广泛关注。第二代高温超导涂层导体是一种多层覆膜结构，主要由以下几个部分组成：银保护层、超导层、过渡层(也称缓冲层)、金属基底。其中金属基底为超导层的制备提供了双轴织构的生长模板，同时提高超导导线的机械强度和耐腐蚀性能；过渡层主要作用是阻隔元素的扩散，并且防止超导层与基底发生反应；同时还有银保护层涂敷在超导层表面。除这四个部分外，为了增加机械性能，还可以分别在上下方镀铜作为加强层。超导层作为涂层导体的核心，其各方面的性能和特质决定了其他基底和过渡层的材料选择。超导层的材料一般为YBCO或GdBCO，属于第二类高温超导导体。
当外磁场作用于高温超导体时，尽管磁场可以穿入超导体，但是由于有钉扎中心的存在，受到了阻碍，当外磁场作用降低时，超导体内被钉扎住的磁通会继续保持在钉扎中心处，即使外磁场减少为零，超导体的钉扎中心俘获住了一部分磁通，这类磁通称之为俘获磁通，其产生的磁场称为俘获磁场。利用外磁场使超导体具有俘获磁场的过程称之为超导体的磁化过程。超导体在经过磁化后所获得的俘获磁场将远高于常规永磁体的磁场。俘获磁场的能力是高温超导体一项重要性能，这一性能在电力能源、高能物理、航天军事等方面都有广泛的应用。
然而目前堆叠超导磁体使用的是具有完整多层复合结构的超导带材裁剪后的短样。磁体总厚度中的超导层占比较低，为了达到较高的磁场，使得线圈的质量和体积较大，需要更多的空间，功率密度较低；同时另一方面，由于超导带材内部的过渡层一般为氧化物，因此导热能力较差，线圈的冷却降温时间较长，线圈在运行中的热稳定性也较差。复杂的多层结构使得在热应力和电磁应力下，机械稳定性较差。
发明内容
本发明的目的是提出一种利用脱层超导带材堆叠超导磁体的方法，利用脱层超导带材堆叠超导磁体，使超导磁体具有较小的体积和较好的力热稳定性。
本发明提出的利用脱层超导带材堆叠超导磁体的方法，包括以下步骤：
(1)利用物理或化学方法对超导带材进行脱层处理，使得超导带材中的超导层和过渡层脱离，得到由超导层和保护层组成的脱层超导带材；
(2)采用机械裁剪、线切割或激光切割方法，对步骤(1)的脱层超导带材进行裁剪，得到尺寸形状一致的脱层超导带材；
(3)将步骤(2)裁剪后的脱层超导带材，沿脱层超导带材表面的法线方向，按照脱层超导带材的超导面以相背、相向或同向的方式依次堆叠，并紧固成一体，得到超导磁体初品；
(4)将步骤(3)的超导磁体初品进行浸渍处理，使浸渍物填满超导磁体初品的空隙中；
(5)对步骤(4)的超导磁体初品进行磁化处理，得到超导磁体。
本发明提出的利用脱层超导带材堆叠超导磁体的方法，其优点是：
本发明的利用脱层超导带材堆叠超导磁体的方法，堆叠得到的超导磁体，一方面超导带材的厚度可降低一半左右，从而降低堆叠磁体的质量，因此本发明方法堆叠得到的超导磁体可以用于电机、磁轴承和NMR等应用装备时，能够有效提升功率密度、减轻重量。另一方面，相对于传统超导磁体，本发明方法的超导磁体层间没有氧化物过渡层间隔，层间只有铜银保护层，因此相比常规超导磁体，本发明方法堆叠得到的超导磁体的层间结构更为简单，在热应力或电磁应力下，变形协调条件简单，机械稳定性好。同时因为铜银的热导率较高且非常接近，本发明方法堆叠得到的超导磁体的降温稳定性和运行热稳定性更优。采用本发明的堆叠方法制得的超导磁体，能够很好的克服磁化过程中高温超导体内部产生的强烈应力冲击和较高的热量，因此具有较高的力热稳定性。
附图说明
图1是根据本发明实施例中所使用的超导带材样品结构图。
图2根据本发明实施例的组装完成后的堆叠超导带材压制超导磁体。
图1和图2中，101为超导带材，102为保护层，103为超导层，104为金属基底，105为过渡层，201为垫片，202为承载物外壳，203为顶盖，204为紧定螺钉。
具体实施方式
本发明提出的利用脱层超导带材堆叠超导磁体的方法，包括以下步骤：
(1)利用物理或化学方法对超导带材进行脱层处理，使得超导带材中的超导层和过渡层脱离，得到由超导层和保护层组成的脱层超导带材；
目前商用的超导带材一般为第二代高温超导涂层导体，是一种多层覆膜结构，如图1所示，超导带材101主要由以下几个部分组成：保护层102、超导层103、过渡层105和金属基底104。其中金属基底为超导层的制备提供了双轴织构的生长模板，并且提高超导导线的机械强度和耐腐蚀性能；过渡层主要作用是阻隔元素的扩散，并且防止超导层与基底发生反应；同时还有银保护层涂敷在超导层表面。除这四个部分外，为了增加机械性能，还可以分别在上下方镀铜作为加强层。而本发明的方法是对已有的超导材料进行处理，处理方法可以采用液氮低温浸泡、电磁感应加热、机械劈裂等方式，使得超导带材的超导层和过渡层分离。经过脱层处理后，脱层超导带材在液氮温度与自场条件下具有临界电流，其临界电流为原始带材的50-100％。
(2)采用机械裁剪、线切割或激光切割方法，对步骤(1)的脱层超导带材进行裁剪，得到尺寸形状一致的脱层超导带材；
裁剪后的脱层超导带材的尺寸长可以为毫米至分米级，本发明的一个实施例中，将脱层超导带材裁剪成10mm*10mm的方形结构。裁剪后脱层超导带材的形状根据最后超导磁体的形状需要确定，可以为矩形、圆形或跑道形。
(3)将步骤(2)裁剪后的脱层超导带材，沿脱层超导带材表面的法线方向，按照脱层超导带材的超导面以相背、相向或同向的方式依次堆叠，并紧固成一体，得到超导磁体初品；
一片片的脱层超导带材堆叠起来，必须要有固定措施使它紧致，成为一个整体不松散。紧固的过程可以是，将脱层超导带材置于例如不锈钢、耐低温塑料、泡沫等能够在低温下承载固定堆叠之后脱层超导带材的承载物中，再施加适当压力，利用机械方法加以固定。本发明方法的一个实施例中，如图2所示，将裁剪后的脱层超导带材101沿带材表面的法线方向按照超导面以同向的方式面面堆叠，然后将其压制于比裁剪后带材稍大的承载物202中。在堆叠带材的上方放入垫片201，再利用紧定螺钉204压紧堆叠带材，其中202为承载物外壳，203为顶盖。
(4)将步骤(3)的超导磁体初品进行浸渍处理，使浸渍物填满超导磁体初品的空隙中；
本发明的一个实施例中，将超导磁体初品浸润至融化的石蜡中，再取出，等待一段时间，固化后，整个超导磁体初品成为一个包覆的整体结构。浸渍包裹处理是可选的，石蜡包裹是目前常见的磁体固化方式，也可以用环氧树脂包裹。
(5)对步骤(4)的超导磁体初品进行磁化处理，得到超导磁体。
对超导磁体初品进行磁化处理的方法为永久磁体充磁、电磁铁充磁、超导磁体充磁或脉冲充磁，充磁过程即是在超导磁体初品冷却至工作温度时，施加一个外部磁场，然后再撤去外部磁场，此时超导磁体会存在一个磁场，这就是超导磁体的充磁过程。
以下结合附图，详细介绍本发明的内容：
在本方法的步骤(1)中的脱层处理可以采用液氮低温浸泡、电磁感应加热、机械劈裂等方式，使得带材的超导层和过渡层分离。具体而言，对于机械劈裂方法，首先利用镊子等工具在超导带材101的端部进行短距离剥离，使得超导层103和过渡层105出现脱离，如图1的右端所示。然后将剥离的两层样品分别粘贴在两个圆柱滚轴上，同时要保证圆柱滚轴的直径要大于超导带材101的临界半径，防止超导带材101内部超导层103受损。利用双面胶将保护层103贴在上圆柱滚轴上，将金属基底104贴在下圆柱滚轴上，然后将两个圆柱滚轴进行反方向的旋转，从而使得后续带材能够脱层，在进行旋转滚轴时要保持上下两个圆柱滚轴的旋转速度相同，以免对超导层造成损坏。可选的，对于液氮低温浸泡方法，首先利用剪刀等工具，将超导带材101两侧0.01mm～0.1mm宽的部分剪去，然后超导带材101放置于液氮低温环境中，由于带材降温过程中的热应力集中现象，使得超导层103和过渡层105能够顺利脱离。此外，也可以选用电磁感应加热方法，该方法也首先利用剪刀等工具，将超导带材101两侧0.01mm～0.1mm宽的部分剪去，然后对超导带材进行感应加热处理，由于带材升温过程中也存在热应力集中现象，使得超导层103和过渡层105能够顺利脱离。经过上述脱层处理后，带有超导层的带材在液氮温度与自场条件下具有临界电流，且其临界电流为原始带材的50-100％。利用辊到辊系统进行连续脱层处理，可以获得脱层超导带材长度为1米～1000米。
在本方法的步骤(2)中，裁剪方法可以采用机械裁剪、线切割和激光切割等方式。具体而言，在本实施例中，利用斜嘴钳将脱层后的超导带材进行剪切处理，得到形状尺寸一致的超导脱层带材。也可采用其他方式例如激光切割将带材切割成圆形或者跑道形。
在本方法步骤(3)中，将裁剪后的超导带材沿带材表面的法方向按照超导面以通向的方式面面堆叠，然后将其压制于比裁剪后带材稍大的承载物中。在堆叠带材的上方放入垫片，再利用紧定螺钉压紧堆叠带材，垫片的作用是防止超导带材在加压过程中损坏。
在本方法步骤(4)中，将压制好的堆叠磁体进行浸渍、固化等后处理。浸渍处理可以使用环氧树脂等有机材料，超导线圈在应用过程中的工作温度为4K～80K。
在本方法步骤(5)中进行超导磁体的充磁，本发明的一个实施例中，采用脉冲磁化的方式充磁，具体磁化过程为：首先将堆叠超导磁体放在励磁线圈槽中并固定，然后倒入液氮，使其浸没在液氮中约二十分钟，充分冷却，进入超导态；待磁体进入超导态时，对励磁线圈通电，然后利用大于2Hp外磁场下进行励磁，然后断电撤去外场，从而超导磁体带有俘获场。
Claims (1)
1.一种利用脱层超导带材堆叠超导磁体的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)利用物理或化学方法对超导带材进行脱层处理，使得超导带材中的超导层和过渡层脱离，得到由超导层和保护层组成的脱层超导带材，其中所述的脱层处理为液氮低温浸泡，液氮低温浸泡过程为：将超导带材两侧0.01mm～0.1mm宽的部分剪去，然后将超导带材放置于液氮低温环境中，浸没在液氮中约二十分钟，充分冷却，使超导层和过渡层脱离；
(2)采用机械裁剪、线切割或激光切割方法，对步骤(1)的脱层超导带材进行裁剪，得到尺寸形状一致的脱层超导带材，并将脱层超导带材裁剪成方形、圆形或跑道形；
(3)将步骤(2)裁剪后的脱层超导带材，沿脱层超导带材表面的法线方向，按照脱层超导带材的超导面以相背、相向或同向的方式依次堆叠，并紧固成一体，得到超导磁体初品；
(4)将步骤(3)的超导磁体初品进行浸渍处理，使浸渍物填满超导磁体初品的空隙中；
(5)对步骤(4)的超导磁体初品进行磁化处理，得到超导磁体。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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