CN110767376B - 一种适用于提高高温超导复合化导体力学性能的热成型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于提高高温超导复合化导体力学性能的热成型方法。细铜丝填充在堆栈式超导带材的上方，基体上缠绕一层有铅焊锡后放入不锈钢套管中。在真空环境下对整个导体进行热成型，使焊锡在适宜的温度和时间范围内熔化，在毛细作用下充分浸润、溶解、扩散、成型。本发明能够通过热成型方法，实现基体与不锈钢套管的连接。超导带材在高场、大载流工况下会产生很强的电磁力，用细铜丝填充可以提高导体的抗应变能力。在真空中进行热成型，由于焊锡的流动性较好，热成型连接处处材质均匀，能够在复合化导体运行产生极强的电磁力时避免产生应力集中，从而避免导体性能的剧烈衰减；连接处的力学性能较好，也对整个导体的机械性能有一定帮助。

Description

一种适用于提高高温超导复合化导体力学性能的热成型方法
技术领域
本发明属于高温超导导体领域，具体涉及一种适用于提高高温超导复合化导体力学性能的热成型方法。
背景技术
高温超导材料具有广泛的应用前景，由于它是一种陶瓷材料，所以通常会与金属组合起来以制备应用材料。第一代高温超导带材为采用银包套管制作的铋系超导体线材料。由于一代超导带材在导线被拉长时，内部超导体容易发生断裂，致使导线质量很难被控制，另外由于成本较高，它很难被广泛地应用。后来人们考虑使用带材，即在具有很好延展性质地的金属带上镀上一层超导材料，从而制备高质量的超导带材，称之为第二代高温超导带材，它具有可以携带和一代超导线材同样高的电流。高温超导带材自诞生之初就受到了各研究单位的关注，但由于其使用要求较为苛刻，同时超导材料本身也比较脆弱，当应用于电工领域时需要与其他的组件相配，以此来抵抗运行过程中电磁力以及其他作用对于超导材料性能的破环。作为超导复合化导体在强电领域应用的典型代表，CICC(Cable inConduit Conductor)铠装导体是目前国际上公认的受控热核聚变装置中的大型超导磁体线圈的首选导体，已广泛应用在加速器、聚变堆等大科学装置中，如正在建造中的国际合作ITER装置等。由于大型超导磁体线圈产生的磁场较强，而其自身所承载的电流也极大，产生的电磁力对导体的力学性能提出了很高的要求。目前，用于制备CICC的高温超导材料主要有Bi2212(Bi2Sr2CaCu2O8)以及YBCO(YBa2Cu3Oy)带材，它们拥有比低温超导材料更高的载流能力以及热磁稳定性。同时由于高温超导体在液氮温区便可实现超导转变，与低温超导相比其使用过程中的冷却费会降低90％左右。使用成本的降低进一步推动了高温超导的大规模应用。未来聚变堆中需要更高的磁场来约束高能量密度等离子体，这不仅要求超导材料具有高场载流能力，也需要更好的机械性能来抵抗更大电磁力造成的应变。
传统的CICC导体成型工艺需要预先将不锈钢套管焊合，再将超导电缆穿入不锈钢管。然而由于电缆与铠甲间存在摩擦，在电缆穿管的过程中电缆的穿管牵引力高达数吨，例如中国负责研制的TF导体，其穿管时的牵引力为40kN，穿缆会在导体内部产生极强的应力应变。而目前有大规模工业应用的高温超导体对于应力和应变都比较敏感，当达到临界值时，高温超导导体的载流性能就会迅速衰减。同时，穿管的牵引力可能会使超导芯发生断裂，直接影响载流。鉴于传统的复合化导体成型工艺会使高温超导导体的机械性能与电性能严重下降，本发明提出了一种适用于提高高温超导复合化导体力学性能的热成型方法。
发明内容
本发明的目的是提出一种适用于提高高温超导复合化导体力学性能的热成型方法，其特征在于：
堆栈式超导带材嵌入到铜基体时，在顶部会留有空隙，用细铜丝填充空隙；用有铅焊锡缠绕基体，装入不锈钢套管中，整个导体在真空环境下进行热处理，熔化的焊锡能够在毛细作用下充分润湿基体与不锈钢套管，使两者紧密的结合；其也可以避免传统焊接过后由于出现孔洞以及材料不连续所引起的应力集中，提高高温超导复合化导体的抗应变能力。
本发明的技术方案如下：
一种适用于提高高温超导复合化导体力学性能的热成型方法，包括如下步骤：
步骤1：高温超导导体的铜基体上具有矩形槽，堆栈式超导带材通过嵌入矩形槽而嵌入铜基体时，在顶部留有空隙，其在高温超导复合化导体运行时用铜丝填充；
步骤2：用有铅焊锡缠绕在铜基体上，装入不锈钢套管中，用于在高温加热时连接铜基体与不锈钢套管；
步骤3：整个导体在真空环境下加热到焊锡熔点进行热成型，加热到焊锡熔点使焊锡层流动润湿超导带材、铜基体、不锈钢套管，成型固定。
进一步的，所述堆栈式超导带材嵌入铜基体的矩形槽中时，在矩形槽中的堆栈式超导带材顶部会留有空隙，用铜丝来填充空隙，所述铜丝为细铜丝，所述细铜丝多根平行排列，每根所述细铜丝的直径小于铜基体上的槽的宽度的八分之一。
进一步的，用有铅焊锡缠绕铜基体，装入不锈钢套管中，整个导体在真空环境下进行热成型，热处理温度为有铅焊锡熔点，有铅焊锡加热到熔点后，流动润湿各个部件，成型固定。
进一步的，所述的热成型为基体表面缠绕有铅焊锡后，在真空环境下加热，避免无氧铜基体、高温超导带材与氧气的反应。
本发明的一种适用于高温超导复合化导体的热成型工艺，堆栈式超导带材嵌入到铜基体时，在顶部会留有空隙，用细铜丝填充空隙；有铅焊锡缠绕在铜基体上，共同装入不锈钢套管中。在真空中对整个导体进行热成型，使焊锡层在适宜的温度和时间范围内熔化，在毛细作用下与固态金属充分浸润、溶解、扩散、结合，达到连接基体和不锈钢套管的目的。
进一步的，所述的空隙，是由于堆栈式超导带材嵌入到铜基体时，由于铜基体截面成拱形，高温超导带材无法完全填充，在顶部会留有空隙。用细铜丝填充空隙，一方面细铜丝与铜基体为同种材质，在热处理时不会相互作用，另一方面细铜丝也会提高高温超导导体在高载流运行时的抗应变能力，避免高温超导带材在大应变下性能的剧烈衰减。
进一步的，所述的热成型为基体表面缠绕有铅焊锡后，在真空环境下加热，避免了无氧铜基体、高温超导带材与氧气的反应，热成型温度为有铅焊锡熔点，与其他焊锡相比，相对较低的加热温度可以最大程度保护高温超导带材，有铅焊锡加热到熔点后，流动润湿，成型固定。
本发明的有益效果在于：
本发明主要实现了适用于提高高温超导复合化导体力学性能的热成型方法，实现了填充堆栈式超导带材嵌入到铜基体时在顶部留有的空隙的目的。在真空环境下中加热，避免了铜基体、高温超导带材与氧气的反应。所用的有铅焊锡拥有较低的熔点，在熔化时能够最大程度的保护高温超导材料，同时其较好的流动性也能实现对高温超导复合化导体的无缝结合。由于超导带材大多采用金属基带沉积超导材料的方法进行大规模工业生产，对层间的应力较为敏感，本发明避免了传统焊接过后由于出现孔洞以及材料不连续所引起的应力集中，提高高温超导复合化导体的抗应变能力。
附图说明
图1为本发明提高高温超导复合化导体力学性能的热成型方法流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
参见图1所示，一种适用于提高高温超导复合化导体力学性能的热处理成型方法，所谓的高温超导为在液氮温区(77K)便可实现超导转变的超导体，具体流程为：
步骤1：高温超导导体的铜基体上具有矩形槽，堆栈式超导带材通过嵌入矩形槽而嵌入铜基体时，在顶部留有空隙，其在高温超导复合化导体运行时用铜丝填充，一方面铜丝与铜基体为同种材质，在热成型时不会相互作用，另一方面铜丝也会提高高温超导导体在高载流运行时的抗应变能力，避免高温超导带材在大应变下性能的剧烈衰减。
步骤2：焊锡缠绕在铜基体上，由于加工精度的限制，基体与带材无法直接装入不锈钢套管与其无缝贴合。铜基体上缠绕焊锡可以在高温加热时连接基体与不锈钢套管。
步骤3：在真空环境下加热到焊锡熔点进行热成型，避免了各组件与空气的不良反应；由于焊锡与各组件的润湿性能很好，焊锡受热到熔点后流动润湿基体与不锈钢合金管，成型固定。同时，与其他焊锡相比，相对较低的加热温度可以最大程度保护高温超导带材。
参见图1，根据本发明的一个实施例，所述堆栈式超导带材嵌入铜基体的矩形槽中时，在矩形槽中的堆栈式超导带材顶部会留有空隙，用铜丝来填充空隙，所述铜丝为细铜丝，所述细铜丝多根平行排列，每根所述细铜丝的直径小于铜基体上的槽的宽度的八分之一；或者小于槽的宽度的十分之一。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种适用于提高高温超导复合化导体力学性能的热成型方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：高温超导导体的铜基体上具有矩形槽，堆栈式超导带材通过嵌入矩形槽而嵌入铜基体时，在堆栈式超导带材顶部留有空隙，用铜丝填充空隙；
步骤2：用有铅焊锡缠绕在铜基体上，装入不锈钢套管中，用于在高温成型时连接铜基体与不锈钢套管；
步骤3：整个导体在真空环境下加热到焊锡熔点进行热成型，加热到焊锡熔点使焊锡层流动润湿超导带材、铜基体、不锈钢套管，成型固定。
2.根据权利要求1所述的适用于提高高温超导复合化导体力学性能的热成型方法，其特征在于：
所述堆栈式超导带材嵌入铜基体的矩形槽中时，在矩形槽中的堆栈式超导带材顶部会留有空隙，用铜丝来填充空隙，所述铜丝为细铜丝，所述细铜丝多根平行排列，每根所述细铜丝的直径小于铜基体上的槽的宽度的八分之一。
3.根据权利要求1所述的适用于提高高温超导复合化导体力学性能的热成型方法，其特征在于：
用有铅焊锡缠绕铜基体，装入不锈钢套管中，整个导体在真空环境下进行热成型，热成型温度为有铅焊锡熔点，有铅焊锡加热到熔点后，流动润湿各个部件，成型固定。
4.根据权利要求1所述的适用于提高高温超导复合化导体力学性能的热成型方法，其特征在于：
所述的热成型为基体表面缠绕有铅焊锡后，在真空环境下加热，避免无氧铜基体、高温超导带材与氧气的反应。
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