CN110770925A - 提高工程电流密度的高温超导导线 - Google Patents

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Abstract

公开了一种超导体导线(100)，包括：高温超导体(HTS)层(78a)，具有两个盖层(72a、104a)，与其相对表面直接接触；第一层压层(96a)固定至第一盖层(104a)；稳定剂层(70)，固定至该第二盖层(72a)；第二层压层(96b)，固定到稳定剂的相对表面或第二类似HTS层(75b)的盖层(104)；以及第一和第二平缘(108a、108b)，沿着层压超导体的边缘设置。其制造方法涉及固定第一盖层到稳定剂，从HTS层去除基底，然后固定第二盖层和层压层。

Description

提高工程电流密度的高温超导导线
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年5月12日递交的美国实用新型申请No.15/593,835的优先权，其全部内容通过引用结合于此。
技术领域
本申请主要涉及长高温超导(“HTS”)导线，更具体地涉及提高工程电流密度的这种HTS导线。
背景技术
自从发现HTS材料(即可以在液氮温度77K以上保持其超导特性的材料)以来，人们一直在努力利用这种HTS材料开发各种工程应用。在薄膜超导体器件和导线中，利用包括钇、钡、铜和氧的氧化物超导体，众所周知的的基本组成(以下称为Y123或YBCO)的器件制造取得了最大的进展，其仍然是许多应用的首选材料，包括用于军事、高能物理、材料加工、运输和医疗用途的电缆、电动机、发电机、同步调相器、变压器、限流器和磁体系统。
基于这些YBCO材料的HTS导线(通常称为“涂层导体”或“第二代”(2G)线)以数百米或更长的连续长度制造，在77K时具有3MA/cm2或更高的临界电流密度Jc，并使用卷对卷生产线进行自场。考虑到基板和稳定剂材料的厚度，在长距离上实现了超过8MA/cm2的工程电流密度((Je)。
为了继续使HTS导线更适合各种电源应用，增加工程电流密度非常重要。由于2G导线的结构已经建立了很长时间，并且具有高性能的2G导线需要这种2G导线的结构，基板上具有一个或多个缓冲层，在缓冲层上设置有HTS层，因此，人们一直将重点放在增加Jc以提高Je上。结果，由于基底和稳定剂层的厚度，HTS 2G导线的整个横截面面积保持稳定，因此Je的增加幅度不大。
另外，HTS导线中使用的某些基底(例如镍钨(Ni5W))具有磁性，导致在AC应用中的电气性能达不到最佳状态。努力集中在通过使用较少的磁性材料(例如，Ni 9W)来降低这种基底中的磁性，但是在保持可比较的总体电性能特征方面仍然存在挑战。
因此，需要提高工程电流密度的HTS导线以及在AC应用中具有改善电性能的HTS导线。
发明内容
本发明的一个目的是生产一种提高工程电流密度的HTS导线。
本发明的另一个目的是生产一种在交流电的应用中具有改善电性能的HTS导线。
本发明的另一个目的是生产一种HTS导线，其中纹理基底在导线的制造过程中被去除，并且纹理基底可在另一去除纹理基底的HTS导线的生产中重复使用。
在一个方面，本发明包括一种层压超导体导线组件，其包括第一高温超导体层，该第一高温超导体层具有第一表面和与该第一表面相对的第二表面，以及第一导电盖层，其覆盖并与该第一高温超导体层的第一表面直接物理接触。还具有第二导电盖层，其覆盖并与该第一高温超导体层的第二表面直接物理接触，和第一层压层，其覆盖并固定在该第一导电盖层。还具有稳定剂层，该稳定剂层具有第一表面和与第一表面相对的第二表面，该稳定剂层的第一表面覆盖并固定至该第二导电盖层。还具有第二高温超导体层，其具有第一表面和与该第一表面相对的第二表面，以及第三导电盖层，其覆盖并与该第二高温超导体层的第一表面直接物理接触。还具有第四导电盖层，其覆盖并与该第二高温超导体层的第二表面直接物理接触，以及第二层压层，其覆盖并固定至该第四导电盖层。该稳定剂层的第二表面覆盖并固定到该第三导电盖层，并且包括第一平缘，其沿着该层压超导体导线组件的第一边缘设置，并且连接到该第一层压层和第二层压层。还具有第二平缘，其沿着该层压的超导体导线组件的第二边缘设置，并且连接到该第一层压层和第二层压层。
在本发明的其它方面，可以包括以下一个或多个特征。该第一和第二高温超导体层的每一个可包括稀土-碱土-铜氧化物。该第一、第二、第三和第四导电盖层的每一个可包括银或银合金或银层和铜层。该第一和第二层压层的每一个可包括选自铝、铜、银、镍、铁、不锈钢、铝合金、铜合金、银合金、镍合金和铁合金的金属。该第一和第二层压层的宽度可以大于该第一和第二高温超导体层的宽度。该第一和第二层压层的宽度可以比该第一和第二高温超导体层的宽度大0.01至2mm。该稳定剂层可以包括选自铝、铜、银、镍、铁、不锈钢、铝合金、铜合金、银合金、镍合金和铁合金的金属。第二导电盖层可通过环氧树脂或焊料固定至该稳定剂层的第一表面，第四导电盖层可通过环氧树脂或焊料固定至该稳定剂层的第二表面，第一层压层可通过环氧树脂或焊料固定至该第一导电盖层，第二层压层可通过环氧树脂或焊料固定至该第四导电盖层；并且其中该第一和第二平缘可由环氧树脂或焊料形成。环氧树脂可掺杂材料以使该环氧树脂导电、导热或同时导电和导热。
在另一方面，本发明的特征在于一种层压超导体导线组件，其包括高温超导体层，该高温超导体层具有第一表面和与该第一表面相对的第二表面。还具有第一导电盖层，其覆盖并与该高温超导体层的第一表面直接物理接触。还具有第二导电盖层，其覆盖并与该高温超导体层的第二表面直接物理接触，和第一层压层，其覆盖并固定至该第一导电盖层。还具有稳定剂层，该稳定剂层具有第一表面和与第一表面相对的第二表面，该稳定剂层的第一表面覆盖并固定至该第二导电盖层，第二层压层覆盖并固定至稳定剂层的第二表面上。还包括第一平缘，其沿着该层压超导体导线组件的第一边缘设置，并且连接到该第一层压层和第二层压层，还包括第二平缘，其沿着该层压的超导体导线组件的第二边缘设置，并且连接到该第一层压层和第二层压层。
在本发明的其它方面，可以包括以下一个或多个特征。该高温超导体层可包括稀土-碱土-铜氧化物。该第一和第二导电盖层的每一个可包括银或银合金或银层和铜层。该第一和第二层压层的每一个可包括选自铝、铜、银、镍、铁、不锈钢、铝合金、铜合金、银合金、镍合金和铁合金的金属。该第一和第二层压层的宽度可以大于该第一和第二高温超导体层的宽度。该第一和第二层压层的宽度可以比该第一高温超导体层的宽度大0.01至2mm。该稳定剂层可以包括选自铝、铜、银、镍、铁、不锈钢、铝合金、铜合金、银合金、镍合金和铁合金的金属。第二导电盖层可通过环氧树脂或焊料固定至该稳定剂层的第一表面，第一层压可通过环氧树脂或焊料固定至该第一导电盖层，第二层压可通过环氧树脂或焊料粘结至该稳定剂层的第二表面；该第一和第二平缘可由环氧树脂或焊料形成。环氧树脂可掺杂材料以使该环氧树脂导电、导热或同时导电和导热。
在一个方面，本发明包括一种制造层压超导体导线的方法。该方法包括提供第一超导体插入物，其具有第一高温超导体层，第一高温超导体层的第一表面覆盖并与第一双向纹理基底直接物理接触，第一导电盖层覆盖并与第一超导体层的第二表面直接物理接触。该方法还包括提供第二超导体插入物，其具有第二高温超导体层，该第二高温超导体层的第一表面覆盖并与第二双向纹理基底直接物理接触，第二导电盖层覆盖并与第二超导体层的第二表面直接物理接触。该方法还包括提供第二超导体插入物，其具有第二高温超导体层，该方法还包括将该第一超导体插入物的第一导电盖层固定至稳定剂层的第一表面，和将该第二超导体插入物的第二导电盖层固定至与该稳定剂层的第一表面相对的稳定剂层的第二表面。该方法另外包括从该第一超导体层去除该第一双向纹理基底以暴露出该第一超导体层的第一表面，和从该第二超导体层去除该第二双向纹理基底以暴露出该第二超导体层的第一表面。该方法还包括将第三导电盖层固定到该第一超导体层的第一表面上；将第四导电盖层固定到第二超导体层的第一表面上，将第一层压层固定到该第三导电盖层；将第二层压层固定到该第四导电盖层。固定该第一和第二层压层的步骤包括沿着该层压超导体导线组件的第一边缘设置第一平缘，并将该第一平缘连接到该第一层压层和该第二层压层，和沿着该层压超导体导线组件的第二边缘设置第二平缘，并将该第二平缘连接到该第一层压层和该第二层压层。
在本发明的其它方面，可包括以下一个或多个特征。该第一和第二高温超导体层可的每一个包括稀土-碱土-铜氧化物。该第一和第二双向纹理基底可的每一个包括哈氏合金或镍合金中的一个。该第一和第二双向纹理基底还可的每一个包括至少一个缓冲层。该第一、第二、第三和第四导电盖层可的每一个包括银或银合金或银层和铜层。该第一和第二层压层可的每一个包括选自铝、铜、银、镍、铁、不锈钢、铝合金、铜合金、银合金、镍合金和铁合金的金属。该第一和第二层压层的宽度可以大于该第一和第二高温超导体层的宽度。该第一和第二层压层的宽度可以比该第一和第二高温超导体层的宽度大0.01至2mm。该稳定剂层可以包括选自铝、铜、银、镍、铁、不锈钢、铝合金、铜合金、银合金、镍合金和铁合金的金属。第二导电盖层可通过环氧树脂或焊料固定至该稳定剂层的第一表面，第四导电盖层可通过环氧树脂或焊料固定至该稳定剂层的第二表面，第一层压层可通过环氧树脂或焊料固定至该第一导电盖层，第二层压层可通过环氧树脂或焊料固定至该第二导电盖层；并且其中该第一和第二平缘可由环氧树脂或焊料形成。该方法还可包括重复使用从该第一和第二超导体层去除的该第一和第二双向纹理基底，以产生两个超导体插入物，每个该超导体插入物具有高温超导体层，该高温超导体层的表面覆盖并与被去除的第一和第二双向纹理基底中的一个直接接触。
在另一方面，该发明包括一种制造层压超导体导线的方法，该方法包括提供一个超导体插入物，其具有高温超导体层，该高温超导体层具有第一表面和与该第一表面相对的第二表面。该第一表面覆盖并与双向纹理基底直接接触，第一导电盖层覆盖并与该超导体层的第二表面直接物理接触。该方法包括将该超导体插入物的第一导电盖层固定至稳定剂层的第一表面，并从该第一超导体层去除该双向纹理基底以暴露出该第一超导体层的第一表面。该方法还包括将第三导电盖层固定至该超导体层的第一表面，将第一层压层固定至该第二导电盖层，以及将第二层压层固定至该稳定剂层的第二表面。固定该第一和第二层压层的步骤包括沿着该层压超导体导线组件的第一边缘设置第一平缘，并将该第一平缘连接到该第一层压层和该第二层压层，和沿着该层压超导体导线组件的第二边缘设置第二平缘，并将该第二平缘连接到该第一层压层和该第二层压层。
在本发明的又一方面中，可以包括以下一个或多个特征。该高温超导体层可包括稀土-碱土-铜氧化物。该双向纹理基底可包括哈氏合金或镍合金中的一个。该双向纹理基底可进一步包括至少一个缓冲层。该第一和第二导电盖层可的每一个包括银或银合金或银层和铜层。该第一和第二层压层可的每一个包括选自铝、铜、银、镍、铁、不锈钢、铝合金、铜合金、银合金、镍合金和铁合金的金属。该第一和第二层压层的宽度可以大于该第一和第二高温超导体层的宽度。该第一和第二层压层的宽度可以比该高温超导体层的宽度大0.01至2mm。该稳定剂层可以包括选自铝、铜、银、镍、铁、不锈钢、铝合金、铜合金、银合金、镍合金和铁合金的金属。第二导电盖层可通过环氧树脂或焊料固定至该稳定剂层的第一表面，第一层压可通过环氧树脂或焊料固定至该第一导电盖层，第二层压可通过环氧树脂或焊料粘结至该稳定剂层的第二表面；该第一和第二平缘可由环氧树脂或焊料形成。该方法进一步可包括重复使用从该第一超导体层去除的该双向纹理基底，以产生一个超导体插入物，该超导体插入物具有高温超导体层，该高温超导体层的表面覆盖并与被去除的双向纹理基底直接接触。
本发明的附加特征、优点和实施例可通过以下详细描述、附图和权利要求来阐述。另外，应当理解，本公开的前述发明内容和以下的详细描述都是示例性的，并且旨在提供进一步的说明，而不进一步限制要求保护的本公开的范围。
附图说明
图1示出了现有技术的2G HTS导线的架构。
图2示出了现有技术的通过RABiTS/MOD方法制造图1的2G HTS导线的卷对卷方法(reel-to-reel process)
图3示出了根据本发明实施例的用于制造双面HTS导线的卷对卷方法。
图4是根据图3的卷对卷方法制造的双面HTS导线的截面图。
图5示出了根据本发明另一实施例的用于制造单面HTS导线的卷对卷方法。
图6是根据图5的卷对卷方法制造的单面HTS导线的截面图。
具体实施方式
图1描绘了现有技术的HTS导线10的示例性架构。在这种结构中，HTS导线10包括多晶超导体层12，该多晶超导体层12设置在基底16的上方并由该基底16支撑，二者之间是一个或多个缓冲层14。该基底16包括柔性金属箔，其可以由任何合适的含金属的材料形成。根据一个实施例，该柔性金属基底是含镍合金，例如镍钨合金。
该基底16可包括转移到该超导体层12的纹理。如本文所述，纹理指包括晶面取向(crystal plane alignment)的微结构。超导体层中的高度的晶面取向使得多晶超导体层12表现出类单晶的性能。该纹理基底16可以是具有上述其它层之一的柔性金属膜。可选地，该纹理基底16可以是涂覆导体中的单独层。
纹理基底16可以通过任何适当的方法来生产。根据一个实施例，纹理基底16可通过滚动辅助双向纹理基底(rolling-assisted biaxially textured substrate)(RABiTS)方法来制造。该RABiTS方法包括通过轧制辅助方法(rolling assisted process)生产双向纹理金属箔。之后在纹理金属基底16上提供至少一个氧化物缓冲层14，该氧化物缓冲层表现出与该金属基底相同的双向纹理微结构。之后将双向纹理高温超导体层12沉积在氧化物缓冲层14上。该氧化物缓冲层14防止金属从膜扩散到该超导体层。
根据另一实施例，纹理基底可通过利用离子束辅助沉积(IBAD)的方法来制造。IBAD方法包括在未纹理化的金属箔的表面上离子束辅助沉积带纹理的陶瓷缓冲层。然后将超导体层沉积到带纹理的陶瓷缓冲层上。在带纹理的陶瓷缓冲层和超导体层之间和/或金属膜和带纹理的陶瓷缓冲层之间可以提供附加的缓冲层。IBAD涂覆导体包括金属膜基底、带纹理的陶瓷缓冲层、氧化物缓冲层、超导体层、金属保护层和稳定剂层。
超导体层可以通过任何合适的方法沉积到涂覆导体结构的基底。根据一个实施例，超导体层可通过金属有机沉淀方法来沉积。根据另一实施例，可以通过脉冲激光沉积(PLD、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、电子束沉积、化学气相沉积(CVD)或溅射方法来沉积超导体层。超导体层可以具有任何适当的厚度。根据一个实施例，超导体层的厚度大于1μm。在另一个实施例中，超导体层的厚度在大约1μm至大约2μm的范围内。根据一些实施例，超导体可具有小于约5μm的厚度。
如本领域所公知的，HTS导线10还可包括设置在超导体层12上的金属保护层18a，例如Ag层，以及设置在金属层18a上的稳定剂层20a。HTS导线10还可包括金属保护层18b，例如Ag层，其设置在基底16的表面上，该表面与设置有缓冲层14的表面相对。并且，稳定剂层20b可设置在金属层18b上。保护层和稳定剂层在本文中可以组合称为盖层。
金属保护层(或盖层)18a/18b沉积在超导体层14和基底16，目的是保护超导体层/基底，并且可以是任何合适的含金属的材料。根据一个实施例，金属保护层是银层。保护层可以具有任何适当的厚度。根据一个实施例，保护层具有3μm的厚度。根据另一个实施例，保护层具有约1μm的厚度。根据另一个实施例，保护层具有约0.5μm的厚度。
根据一个实施例，稳定剂层20a/20b可以包括任何合适的含金属的材料，并且可以具有大于25μm的厚度。在另一个实施例中，稳定剂层可具有10至25μm的厚度。在另一个实施例中，稳定剂层可具有约0.5μm的厚度。在一个实施例中，稳定剂层是铜。在其它实施例中，稳定剂层是不锈钢、黄铜或任何其它合适的含金属的材料。在一个实施例中，稳定剂层的宽度与HTS层12的宽度相同。在另一个实施例中，稳定剂层的宽度大于HTS层12的宽度。在另一个实施例中，稳定剂层可以缠绕在HTS导线10的所有面上。
超导体层12可以由任何适当的超导体形成。根据一个实施例，超导体层可以是稀土金属-碱土金属-过渡金属-氧化物超导体。根据一个实施例，超导体层12可以包含具有以下通式的超导体：
(RE)Ba2Cu3O7-δ
其中RE包括至少一种稀土金属，且0≤δ≤0.65。根据另一个实施例，超导体层可以包含具有以下通式的超导体：
(RE)Ba2Cu3O7
其中RE包括至少一种稀土金属。在一个实施方案中，RE可包括钇，从而产生通式为YBa2Cu3O7(YBCO)的超导体层。尽管为方便起见，在本文中将超导体层称为YBCO超导体层，但本申请中讨论的方法同样适用于其它合适的超导体材料。在某些情况下，RE可能是两种或更多种稀土金属的混合物。除了主要的稀土金属之外，超导体层12还可以包括掺杂剂。掺杂剂可以是稀土金属。根据一个实施例，一种YBCO超导体层可以包括镝掺杂剂。相对于主要的稀土金属，掺杂剂可以以高达75％的量存在。根据一个实施例，掺杂剂以主要的稀土金属的至少约1％且至多约50％的量存在。根据另一个实施例，掺杂剂可以是过渡金属，例如Zr、Nb、Ta、Hf或Au。掺杂剂可以与超导体中的其它元素结合以形成单一或混合的金属氧化物。
在一个实施例中，HTS导线10可沿其长度切分为多个条带。该切分可通过任何适当的方式进行，包括激光切割，辊切或冲孔。此外，在将HTS导线10沿其长度切分为多个条带后，可以将这些条带夹在稳定剂层20a和20b的外表面上的层压之间，如下所述。
通过包括层压和稳定剂层20a和20b，HTS导线结构被适当地机械性地增强，并且已经为HTS导线结构提供了来自HTS层的电路径，从而使其电稳定。因此，它被配置为直接用于电力应用，例如HTS电力电缆。在某些情况下，只需要所谓的“插入”导线，其包括图1中的HTS导线结构而没有层压层。如下所述，根据本发明的HTS导线是由HTS插入物(较少的金属层18b和稳定剂20b)作为方法中的起点而构造的。
在图2中，示出了用于制造超导导线(例如图1的HTS导线10)的卷对卷制造方法30，其使用RABiTS基底作为模板并且对YBCO层进行MOD方法。该方法包括在方法步骤32中进行基板轧制和纹理退火，以生产基板，例如，图1所示的基板16，在步骤34和36中分别示出了缓冲层的缓冲层沉积和溅射缓冲沉积，其产生了缓冲层，例如，图1的缓冲层14。在步骤38、40和42中，通过用基于(RE)BCO为前驱体的溶液涂覆缓冲的基底来沉积HTS层(例如，图1中的HTS层12)，该前驱体被分解，(RE)BCO层增加。接下来，在步骤44中，将Ag保护层(例如，图1中的层18a/18b)沉积到HTS层和基底上，在步骤46中，执行氧化热处理。该方法中的可选步骤是离子辐照步骤48，其可以用于在HTS层中产生钉扎微结构的均匀分布，以改善电性能，特别是在所施加的磁场中。在公开的专利申请US2017/0062098中更充分地描述了该方法步骤，该专利申请通过引用并入本文。在该方法的步骤50中，沉积稳定剂层，例如如图1所示的稳定剂层20a/20b，随后在步骤52和54分别进行切割和层压。
可以理解的是，当其它方法步骤用于模板、YBCO沉积或稳定化时，图二中描绘的各个方法步骤可以被替代。
使用上述基本的HTS导线制造方法，根据本发明可以并入附加/不同的处理步骤，以生产提高工程电流密度的HTS导线以及在AC应用中具有改善电性能的HTS导线。下图关于3-7描述了附加的处理步骤和HTS导线结构。
在图3中，根据本发明的实施例的连续卷对卷方法60被描绘为包括分别承载HTS插入导线10a和10b的卷轴62和64，该插入导线10a和10b可以与以上关于图1描述的HTS插入导线相当(不包括金属层18b和稳定剂20b)。有一个附加的卷轴68，用于承载稳定剂材料70。在一个实施例中，稳定剂材料70可以包括任何合适的含金属的材料并且可以具有大于10μm的厚度。在另一个实施例中，稳定剂层可以具有1至2μm的厚度。在一个实施例中，该稳定剂层是铜。在其它实施例中，稳定剂层70包括选自铝、铜、银、镍、铁、不锈钢、铝合金、铜合金、银合金、镍合金和铁合金的金属。应当注意，虽然过程60被示出为连续过程，但是，可替代地，该过程可以使用两个或更多单独的步骤来执行。
HTS插入导线10a从卷轴62上放线，使其盖层72a面向稳定剂材料70的顶面。HTS插入导线10b从卷轴64上放线，使其盖层72b面向稳定剂材料70的底面。与盖层72a和72b相对的表面分别是HTS插入导线10a和10b的基底层74a和74b。基底层74a/74b还可包括一个或多个缓冲层。HTS插入导线10a和10b位于稳定剂70的两侧，这三种材料通过接合机76进料，该接合机76通过Sn基焊料材料的薄层将两条HTS插入导线10a/10b连接到稳定剂70的相对的表面，以产生双面HTS导线结构80。在另一个实施例中，使用薄环氧树脂将HTS插件10a/10b粘合到稳定剂70的相对表面，该薄环氧树脂可以掺杂有使其导电、导热或导电和导热的材料。
将双面HTS导线结构80引入剥离装置82，从而使基板层74a和74b(包括缓冲层)从暴露HTS层75a和75b的每根导线10a和10b释放或剥离。剥离过程依赖于以下事实：当两个HTS插入条10a和10b结合到稳定剂70时，复合条80中最脆弱的界面在HTS层和HTS插入条10a和10b中的氧化物缓冲层之间。该界面的剥离应力或解理应力非常低，小于1MPa。当复合条80进给到剥离装置82中时，通过相对于稳定剂90的表面以5-85度的角度剥离，使剥离的插入物74a和74b与稳定剂90的每一侧上的HTS层75a和75b分离。在一个替代实施例中，可以通过在插入物74a和74b之间引入附加应力来辅助剥离，这是因为它们与稳定剂90的每一侧上的HTS层75a和75b通过加热复合带80而分离。在另一个实施例中，可以通过冷却复合带80来辅助剥离。2016年9月13日，在美国科罗拉多州阿斯彭举行的2016年涂层导体应用会议(CCA2016)上，韩国SuNAM有限公司提供了一份题为“SuNAM涂层导体开发的最新进展；性能、价格和使用方法”的报告，描述了剥离过程。
作为连续过程60的一部分，剥离的基底74a和74b被收集在卷轴84和86上，留下复合导线结构90。复合导线结构90包括附接到稳定剂70的盖层72a和72b以及从稳定剂层70暴露并面向外的HTS层75a和75。应当注意，剥离的缓冲基底74a和74b可以重新用作模板以在其上生长新的HTS层，并且可以将具有先前使用过的和剥离的基底的HTS导线通过连续方法60进料，以再次剥离，从而可以生产根据本发明的HTS导线。在一个实施例中，在将顶部双轴纹理化氧化物缓冲层14用作模板以生长新的HTS层之前，可以将其再沉积在金属基底16上。在一个实施例中，顶部缓冲层14是CeO2。
盖层沉积在复合线结构90的HTS层75a和75b的外表面上。该盖层可的每一个包括银或银合金或银层和铜层。在银层与铜层结合的情况下，将使用两个沉积步骤。在一个实施例中，可通过真空沉积来沉积银层，并且可通过电化学沉积方法来沉积铜层。银层和铜层的示例如现有技术图1所示，银层18a与铜层20a结合。
该过程中的一个可选步骤是图2所示的离子辐照步骤48，该步骤可用于在HTS层中产生钉扎微结构的均匀分布，以改善电性能，特别是在施加的磁场中。在一个实施例中，可在沉积银或银合金层170之前引入离子辐照步骤48。在替代实施例中，可以在沉积银或银合金层170之后引入离子辐照步骤48。
将具有盖层的复合导线结构93进给到线切割机94，线切割机94使用例如激光切割机将导线结构93切割成多条单独的较细的HTS导线95，这些导线被送入层压设备99中。根据本发明的实施例，层压装置99将分别从卷轴97和98进给的层压体96a和96b设置在狭缝HTS导线95的上表面和下表面上，以形成多条复合双HTS层导线100。
在一个实施例中，层压装置99是焊料浴，其提供一层焊料以将层压粘附到复合导线结构95上。应当注意，层压层的每一个可以包括选自铝、铜、银、镍、铁、不锈钢、铝合金、铜合金、银合金、镍合金和铁合金的金属。并且，层压层的宽度可以比HTS层大0.01至2mm。
在替代实施例中，层压装置99通过环氧树脂将层压层96a/96b粘附至它们的每一个的盖层，该环氧树脂可以掺杂有材料以使其导电、导热、或导电和导热。
图4示出了双HTS层导线100的横截面示意图，其包括由银/铜盖层72a覆盖的HTS层75a的第一表面，该银/铜盖层72a通过焊料或环氧树脂层102a粘附到稳定剂70的上表面。还示出了由银/铜盖层72b覆盖的HTS层75b的第一表面，该银/铜盖层72b通过焊料或环氧树脂层102b粘附到稳定剂70的下表面。与HTS层75a的第一表面相对的第二表面由盖层104a覆盖，该盖层104a通过焊料或环氧树脂106a粘附至层压物96a。与HTS层75b的第一表面相对的第二表面由盖层104b覆盖，该盖层104b通过焊料或环氧树脂106b粘附至层压物96b。在通过图3的层压设备99进行的层压过程中，沿多条导线100中的每条导线的长度和边缘设置有焊料或环氧树脂平缘108a和108b，以机械连接和电连接层压96a和96b。
应当注意，层压装置99可配置为施加环氧树脂以将层压粘附至HTS导线的盖层，而不是使用焊料。此外，在这种情况下，沿着HTS线的长度和边缘设置的平缘108a/108B也由环氧树脂形成。环氧树脂可掺杂材料以使环氧树脂导电、导热或导电和导热。
从图4可以明显看出，由于图3所示的剥离过程，在双HTS层导线100上不存在基底/缓冲层74a和74b。结果，以与非剥离导线70相同的层尺寸和相同的HTS插入宽度构造的双HTS层线100的Ic被加倍。通过每个HTS层74a和74b的基底和缓冲层的厚度之差加上两个薄片层的厚度和稳定剂层70的厚度之差来减小双HTS层导线100的厚度。因此，相对于这种标准的单HTS层非剥离导线，这导致了双HTS层100的工程电流密度Je的增加。同样值得注意的是，通过从最终的导线产品中去除铁磁基板，消除了与利用铁磁磁性基板的导线相关的电气性能问题。
标准的HTS导线包括10mm宽的HTS插入物，该插入物包含1.2μm厚的HTS层，75μm的基底，150nm的缓冲层和尺寸为12x 0.05mm的层压，其在77K的自电场下具有约350A的最小临界电流(Ic)。这导致最小的Je约为155A/mm2。由相同的起始HTS插入物和薄层压以及25nm厚的稳定带制造的新型双层导线100(图4)在77K的自电场下的最小Ic约为700A。这导致最小Je增大到约400A/mm2。在图5中，示出了根据本发明的另一实施例的连续卷对卷方法150，其包括承载HTS插入导线154的单个卷轴152，其可以与以上关于图1描述的HTS插入导线相当。应当注意，虽然过程150被示出为连续过程，但是，可替代地，该过程可以使用两个或更多单独的步骤来执行。
有一个附加的卷轴156，用于承载稳定剂材料158。在一个实施例中，稳定剂材料158可以包括任何合适的含金属的材料并且可以具有大于25μm的厚度。在另一个实施例中，稳定剂层可以具有10至25μm的厚度。在一个实施例中，该稳定剂层是铜。在其它实施例中，稳定剂层158包括选自铝、铜、银、镍、铁、不锈钢、铝合金、铜合金、银合金、镍合金和铁合金的金属。
HTS插入导线154从卷轴152上放线，使其盖层160面向稳定剂材料158的顶面。与盖层160相对的表面是HTS插入导线154的基底162。基底162还可包括一个或多个缓冲层。HTS插入导线154位于稳定剂158 4的一侧，通过接合机164进料，该接合机164通过Sn基焊料材料的薄层将HTS插入导线154连接到稳定剂158，以产生单面HTS导线结构166。
在另一个实施例中，可以用材料掺杂以使其具有导电性、导热性或导电性和导热性的薄环氧树脂将HTS插入物154粘合到稳定剂158上，以生成单面HTS导线结构166。
将单面HTS导线结构166引入到剥离设备168，从而使包括缓冲层的基底层162从HTS导线152释放或剥离，从而暴露HTS层170。作为连续方法150的一部分，剥离的基底162收集在卷轴172上，留下复合导线结构174。复合导线结构174包括附接到稳定剂158的盖层160和从稳定剂层158暴露并面向外的HTS层170。应当注意，剥离的缓冲基底162可以重新用作模板以在其上生长新的HTS层，并且可以将具有先前使用且剥离的基底的HTS导线通过连续方法150进料，以再次剥离，从而可以制造根据本发明的HTS导线。在一个实施例中，在将顶部双轴纹理化氧化物缓冲层14用作模板以生长新的HTS层之前，可以将其再沉积在金属基底16上。在一个实施例中，顶部缓冲层14是CeO2。
将复合导线结构174送入金属浴176中，以在HTS层170的顶部上产生盖层。该盖层可的每一个包括银或银合金或银层和铜层。在银层与铜层结合的情况下，将使用两个单独的镀液。银层和铜层的示例如现有技术图1所示，银层18a与铜层20a结合。
该过程中的一个可选步骤是图2所示的离子辐照步骤48，该步骤可用于在HTS层中产生钉扎微结构的均匀分布，以改善电性能，特别是在施加的磁场中。在一个实施例中，可在沉积银或银合金层170之前引入离子辐照步骤48。在替代实施例中，可以在沉积银或银合金层170之后引入离子辐照步骤48。
将具有盖层的复合导线结构178进给到线切割机180，线切割机180使用，例如，激光切割机将导线结构178切割成多条单独的较细的HTS导线182，这些导线被送入层压设备184中。层压装置184将分别从卷轴187和189馈送的层压体186和188设置在狭缝HTS导线182的上表面和下表面上，以形成多条复合双HTS层导线190。
在一个实施例中，层压设备184是焊料浴，其提供一层焊料以将层压粘附到复合导线结构182上。应当注意，层压层的每一个可以包括选自铝、铜、银、镍、铁、不锈钢、铝合金、铜合金、银合金、镍合金和铁合金的金属。并且，层压层的宽度可以比HTS层大0.01至2mm。
在替代实施例中，层压设备184通过环氧树脂将层压层186/188粘附至它们各自的盖层，该环氧树脂可以掺杂有材料以使其导电、导热、或导电和导热。
图6示出了单面HTS导线190的横截面示意图，其包括由HTS层170的第一银/铜盖层160，该银/铜盖层160通过焊料或环氧树脂层192粘附到稳定剂158的上表面。还示出了HTS层170上的第二银/铜盖层194，该盖层194通过焊料或环氧树脂198粘附至层压186。在与稳定剂158的第一表面相对的第二表面上，通过焊料或环氧树脂层200将叠层188固定在其上，在通过图5的层压设备184进行的层压过程中，沿多条导线190中的每条导线的长度和边缘设置有焊料或环氧树脂平缘202和204，以机械连接和电连接层压186和188。
从图4可以明显看出，由于如图5所示的剥离方法，单HTS层导线190上不存在基底/缓冲层162。结果，单HTS层导线190的厚度由于基板、缓冲层的厚度和稳定剂层的厚度之差而减小。对于约75μm厚的基板和缓冲层和约25μm厚的稳定剂层，这相当于厚度减小50μm。因此，相对于使用具有相同薄片尺寸的非剥离线的单侧层结构，这种单HTS层190的工程电流密度Je的增加高达[[非剥离HTS导线厚度]/[非剥离HTS导线厚度–50μm]]x 100％。而且，如上所述，通过从最终的导线产品中去除基底，在通常利用磁性基板的导线中，克服了与磁性基底的导线相关的电气性能问题。
标准的HTS导线包括4mm宽的HTS插入物，该插入物包含1.2μm厚的HTS层，75μm的基底，150nm的缓冲层和尺寸为4.4x 0.15mm的层压，其在77K的自电场下具有150A的最小临界电流(Ic)。这导致最小的Je为85A/mm2。由相同的起始HTS插入物和薄层压以及25nm厚的稳定带制造的新型单层导线190(图6)在77K的自电场下的最小I2约为150A。这导致最小Je增大到约100A/mm2。
尽管已经在本文中示出和描述了本发明的优选实施例，但是在不脱离本发明的发明思想的情况下可以对其进行各种修改。因此，应当理解，已经通过说明而非限制的方式描述了本发明。其它实施例在所附的权利要求的范围内。

Claims (40)

1.一种层压超导体导线组件，包括:
第一高温超导体层，其具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；
第一导电盖层，其覆盖所述第一高温超导体层的第一表面，并与所述第一高温超导体层的第一表面直接物理接触；
第二导电盖层，其覆盖所述第一高温超导体层的第二表面，并与所述第一高温超导体层的第二表面直接物理接触；
第一层压层，其覆盖并固定至所述第一导电盖层；
稳定剂层，其具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述稳定剂层的所述第一表面覆盖并固定至所述第二导电盖层；
第二高温超导体层，其具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；
第三导电盖层，其覆盖所述第二高温超导体层的所述第一表面，并与所述第二高温超导体层的所述第一表面直接物理接触；
第四导电盖层，其覆盖所述第二高温超导体层的所述第二表面，并与所述第二高温超导体层的所述第二表面直接物理接触；
第二层压层，其覆盖并固定至所述第四导电盖层；
其中，所述稳定剂层的所述第二表面覆盖并固定至所述第三导电盖层；并且
其中，包括第一平缘和第二平缘，所述第一平缘沿着所述层压超导体导线组件的第一边缘设置，并且连接到所述第一层压层和第二层压层，所述第二平缘沿着所述层压超导体导线组件的第二边缘设置，并且连接到所述第一层压层和第二层压层。
2.如权利要求1所述的导线，其中，所述第一和第二高温超导体层的每一个包括稀土-碱土-铜氧化物。
3.如权利要求1所述的导线，其中，所述第一、第二、第三和第四导电盖层的每一个包括银或银合金或银层和铜层。
4.如权利要求1所述的导线，其中，所述第一和第二层压层的每一个包括选自铝、铜、银、镍、铁、不锈钢、铝合金、铜合金、银合金、镍合金和铁合金的金属。
5.如权利要求3所述的导线，其中，所述第一和第二层压层的宽度大于所述第一和第二高温超导体层的宽度。
6.如权利要求5所述的导线，其中，所述第一和第二层压层的宽度比所述第一和第二高温超导体层的宽度大0.01至2mm。
7.如权利要求1所述的导线，其中，所述稳定剂层包括选自铝、铜、银、镍、铁、不锈钢、铝合金、铜合金、银合金、镍合金和铁合金的金属。
8.如权利要求1所述的导线，其中，所述第二导电盖层通过环氧树脂或焊料固定至所述稳定剂层的所述第一表面，所述第四导电盖层通过环氧树脂或焊料固定至所述稳定剂层的所述第二表面，所述第一层压层通过环氧树脂或焊料固定至所述第一导电盖层，并且所述第二层压层通过环氧树脂或焊料固定至所述第四导电盖层；并且其中所述第一和第二平缘可由环氧树脂或焊料形成。
9.如权利要求8所述的导线，其中，所述环氧树脂掺杂材料以使所述环氧树脂导电、导热或同时导电和导热。
10.一种层压超导体导线组件，包括:
高温超导体层，其具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；
第一导电盖层，其覆盖所述高温超导体层的所述第一表面，并与所述高温超导体层的所述第一表面直接物理接触；
第二导电盖层，其覆盖所述高温超导体层的所述第二表面，并与所述高温超导体层的所述第二表面直接物理接触；
第一层压层，其覆盖并固定至所述第一导电盖层；
稳定剂层，其具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述稳定剂层的所述第一表面覆盖并固定在所述第二导电盖层；
第二层压层，其覆盖并固定至所述稳定剂层的所述第二表面；并且
其中，还包括第一平缘和第二平缘，所述第一平缘沿着所述层压超导体导线组件的第一边缘设置，并且连接到所述第一层压层和第二层压层，所述第二平缘沿着所述层压的超导体导线组件的第二边缘设置，并且连接到所述第一层压层和第二层压层。
11.如权利要求10所述的导线，其中，所述高温超导体层包括稀土-碱土-铜氧化物。
12.如权利要求10所述的导线，其中，所述第一和第二导电盖层的每一个包括银或银合金或银层和铜层。
13.如权利要求10所述的导线，其中，所述第一和第二层压层的每一个可包括选自铝、铜、银、镍、铁、不锈钢、铝合金、铜合金、银合金、镍合金和铁合金的金属。
14.如权利要求13所述的导线，其中，所述第一和第二层压层的宽度大于所述第一和第二高温超导体层的宽度。
15.如权利要求14所述的导线，其中，所述第一和第二层压层的宽度比所述第一高温超导体层的宽度大0.01至2mm。
16.如权利要求10所述的导线，其中，所述稳定剂层包括选自铝、铜、银、镍、铁、不锈钢、铝合金、铜合金、银合金、镍合金和铁合金的金属。
17.如权利要求10所述的导线，其中，所述第二导电盖层通过环氧树脂或焊料固定至所述稳定剂层的所述第一表面，所述第一层压通过环氧树脂或焊料固定至所述第一导电盖层，所述第二层压通过环氧树脂或焊料粘结至所述稳定剂层的所述第二表面；并且其中，所述第一和第二平缘由环氧树脂或焊料形成。
18.如权利要求17所述的导线，其中，所述环氧树脂掺杂材料以使所述环氧树脂导电、导热或同时导电和导热。
19.一种制造层压超导体导线的方法，所述方法包括：
提供第一超导体插入物，其具有第一高温超导体层和第一导电盖层，所述第一高温超导体层的第一表面覆盖第一双向纹理基底，并与所述第一双向纹理基底直接物理接触，所述第一导电盖层覆盖所述第一超导体层的第二表面，并与所述第一超导体层的所述第二表面直接物理接触；
提供第二超导体插入物，其具有第二高温超导体层和第二导电盖层，所述第二高温超导体层的第一表面覆盖第二双向纹理基底，并与所述第二双向纹理基底直接物理接触，所述第二导电盖层覆盖所述第二超导体层的第二表面，并与所述第二超导体层的所述第二表面直接物理接触；
将所述第一超导体插入物的所述第一导电盖层固定至稳定剂层的第一表面；和将所述第二超导体插入物的所述第二导电盖层固定至与所述稳定剂层的所述第一表面相对的所述稳定剂层的第二表面；
从所述第一超导体层去除所述第一双向纹理基底，以暴露出所述第一超导体层的所述第一表面；和从所述第二超导体层去除所述第二双向纹理基底，以暴露出所述第二超导体层的所述第一表面；
将第三导电盖层固定到所述第一超导体层的所述第一表面上；且将第四导电盖层固定到所述第二超导体层的所述第一表面上；和
将第一层压层固定到所述第三导电盖层；且将第二层压层固定到所述第四导电盖层；
其中，固定所述第一和第二层压层的步骤包括沿着所述层压超导体导线组件的第一边缘设置第一平缘，并将所述第一平缘连接到所述第一层压层和所述第二层压层，和沿着所述层压超导体导线组件的第二边缘设置第二平缘，并将所述第二平缘连接到所述第一层压层和所述第二层压层。
20.如权利要求19所述的方法，其中，所述第一和第二高温超导体层的每一个包括稀土-碱土-铜氧化物。
21.如权利要求19所述的方法，其中，所述第一和第二双向纹理基底的每一个包括哈氏合金或镍合金中的一个。
22.如权利要求19所述的方法，其中，所述第一和第二双向纹理基底的每一个包括至少一个缓冲层。
23.如权利要求19所述的方法，其中，所述第一、第二、第三和第四导电盖层的每一个包括银或银合金或银层和铜层。
24.如权利要求19所述的方法，其中，所述第一和第二层压层的每一个包括选自铝、铜、银、镍、铁、不锈钢、铝合金、铜合金、银合金、镍合金和铁合金的金属。
25.如权利要求19所述的方法，其中，所述第一和第二层压层的宽度大于所述第一和第二高温超导体层的宽度。
26.如权利要求25所述的方法，其中，所述第一和第二层压层的宽度可以比所述第一和第二高温超导体层的宽度大0.01至2mm。
27.如权利要求19所述的方法，其中，所述稳定剂层包括选自铝、铜、银、镍、铁、不锈钢、铝合金、铜合金、银合金、镍合金和铁合金的金属。
28.如权利要求19所述的方法，其中，所述第二导电盖层通过环氧树脂或焊料固定至所述稳定剂层的所述第一表面，所述第四导电盖层通过环氧树脂或焊料固定至所述稳定剂层的所述第二表面，所述第一层压层通过环氧树脂或焊料固定至所述第一导电盖层，所述第二层压层通过环氧树脂或焊料固定至所述第二导电盖层；并且其中，所述第一和第二平缘由环氧树脂或焊料形成。
29.如权利要求19所述的方法，还包括重复使用从所述第一和第二超导体层去除的所述第一和第二双向纹理基底，以产生两个超导体插入物，每个所述超导体插入物具有高温超导体层，所述高温超导体层的表面覆盖被去除的第一和第二双向纹理基底中的一个，并与被去除的所述第一和第二双向纹理基底中的一个直接接触。
30.一种制造层压超导体导线的方法，所述方法包括：
提供超导体插入物，其具有高温超导体层和第一导电盖层，所述高温超导体层具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面覆盖双向纹理基底，并与所述双向纹理基底直接接触，所述第一导电盖层覆盖所述超导体层的第二表面，并与所述超导体层的所述第二表面直接物理接触；
将所述超导体插入物的第一导电盖层固定至稳定剂层的第一表面；
从所述第一超导体层去除所述双向纹理基底，以暴露出所述第一超导体层的第一表面；
将第三导电盖层固定至所述超导体层的所述第一表面；和
将第一层压层固定至所述第二导电盖层；以及将第二层压层固定至所述稳定剂层的第二表面；
其中，固定所述第一和第二层压层的步骤包括沿着所述层压超导体导线组件的第一边缘设置第一平缘，并将所述第一平缘连接到所述第一层压层和所述第二层压层，和沿着所述层压超导体导线组件的第二边缘设置第二平缘，并将所述第二平缘连接到所述第一层压层和所述第二层压层。
31.如权利要求30所述的方法，其中，所述高温超导体层包括稀土-碱土-铜氧化物。
32.如权利要求30所述的方法，其中，所述双向纹理基底包括哈氏合金或镍合金中的一个。
33.如权利要求32所述的方法，其中，所述双向纹理基底还包括至少一个缓冲层。
34.如权利要求30所述的方法，其中，所述第一和第二导电盖层的每一个包括银或银合金或银层和铜层。
35.如权利要求30所述的方法，其中，所述第一和第二层压层的每一个包括选自铝、铜、银、镍、铁、不锈钢、铝合金、铜合金、银合金、镍合金和铁合金的金属。
36.如权利要求30所述的方法，其中，所述第一和第二层压层的宽度大于所述第一和第二高温超导体层的宽度。
37.如权利要求36所述的方法，其中，所述第一和第二层压层的宽度比所述高温超导体层的宽度大0.01至2mm。
38.如权利要求30所述的方法，其中，所述稳定剂层包括选自铝、铜、银、镍、铁、不锈钢、铝合金、铜合金、银合金、镍合金和铁合金的金属。
39.如权利要求30所述的方法，其中，所述第二导电盖层通过环氧树脂或焊料固定至所述稳定剂层的所述第一表面，所述第一层压通过环氧树脂或焊料固定至所述第一导电盖层，所述第二层压通过环氧树脂或焊料粘结至所述稳定剂层的所述第二表面；并且其中，所述第一和第二平缘由环氧树脂或焊料形成。
40.如权利要求30所述的方法，还包括重复使用从所述第一超导体层去除的所述双向纹理基底，以产生一个超导体插入物，所述超导体插入物具有高温超导体层，所述高温超导体层的表面覆盖被去除的双向纹理基底，并与被去除的双向纹理基底直接接触。
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