CN111009798B - 一种多芯铁基超导接头及其制备方法 - Google Patents

一种多芯铁基超导接头及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及超导接头技术领域，提供了一种多芯铁基超导接头及其制备方法。本发明将银或银合金包套多芯铁基超导线材的一端浸没于熔化的助熔剂中，直到多芯铁基超导线材端头处的银或银合金包套完全熔化后取出；然后将若干根经过上述处理得到的多芯铁基超导线材的端头处搭接并焊接在一起，焊接时采用金属箔包裹住多芯铁基超导线材的搭接部位，得到多芯铁基超导接头。本发明提供的方法能够避免多芯铁基超导接头产生裂纹或断裂，而且本发明提供的方法能够有效提高超导芯接头处的超导电流。实施例结果表明，本发明所述方法制备得到的铁基超导线材超导接头的连接效率可以达到100％，接头电流可达350A，接头电阻小于1nΩ。

Description

一种多芯铁基超导接头及其制备方法
技术领域
本发明涉及超导接头技术领域，尤其涉及一种多芯铁基超导接头及其制备方法。
背景技术
铁基化合物超导材料是一种新近发现的化合物超导体[Iron-based layeredsuperconductor LaO1-xFxFeAs(x＝0.05-0.12)with Tc＝26K.J.Am.Chem.Sco.130,3296-3297(2008)]。目前其最高超导转变温度已达55K，并很有可能继续提高。与传统低温超导材料相比，铁基超导体有转变温度高、上临界场大、临界电流的强磁场依赖性小等优点，是一种在20～50K范围内具有极大应用前景的新型超导材料。与氧化物高温超导材料相比，铁基超导体的晶体结构更为简单、相干长度大、各向异性小、制备工艺简单，因此铁基超导材料的制备受到国际上的广泛关注。当前铁基超导体在国际上的临界传输电流密度已经超过了105A/cm2[Hot pressing to enhance the transport Jc of Sr0.6K0.4Fe2As2superconducting tapes,Scientific Reports,4,6944(2014)]，标志着铁基超导体性能已经达到了实用化水平。
铁基化合物超导材料有望在医疗、能源、交通及国防等领域得到广泛应用，尤其是用来制备核磁共振成像系统用的超导磁体线圈；与其它超导体相比，铁基超导体的综合性价比最高。成熟的多芯超导连接技术是新型铁基超导线带材能广泛应用的重要前提之一。高质量的多芯铁基超导接头需要增大超导芯接触面积来降低接头电阻、提高传输电流，而如何去除多芯铁基超导体的包套是关键技术所在。目前去除多芯铁基超导体包套的方法有两种：一种是机械法，即采用机械的办法将多芯铁基超导体包套去除掉，但是该方法只能去除超导线的外包套，而超导芯之间的银或者银合金无法去除，导致超导芯接触面积较小；同时，由于银或者银合金多芯铁基超导线的强度较低，机械法剥离或者研磨掉外包套的时候往往造成超导芯受应力集中而出现裂纹，导致接头电阻增加且传输电流降低。另一种是化学法，通过配置一定浓度的酸溶液将多芯铁基超导体包套去除掉，这种方法可以将超导芯之间的银或者银合金也去除掉；不过，由于酸溶液中有水，容易导致与超导芯发生反应，进而降低超导相比例，且生成的杂相阻碍超导电流通过，同时由于超导芯之间起支撑作用的银或者银合金包套也被去除掉了，在搭接时脆性的超导芯往往产生宏观裂纹甚至断裂，导致接头电阻增加且传输电流降低。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多芯铁基超导接头及其制备方法，本发明提供的方法不仅能够增加超导芯接触面积，而且能够避免超导芯产生裂纹。
本发明提供了一种多芯铁基超导接头的制备方法，包括以下步骤：
(1)将银或银合金包套多芯铁基超导线材的一端浸没于熔化的助熔剂中，直到多芯铁基超导线材端头处的银或银合金包套完全熔化后取出；
(2)将若干根步骤(1)处理得到的多芯铁基超导线材的端头搭接并焊接在一起，焊接时采用金属箔包裹住多芯铁基超导线材的搭接部位，得到多芯铁基超导接头。
优选的，所述步骤(1)中多芯铁基超导线材的成分包括(Ba/Sr)1-xKxFe2As2、SmFeAsO1-xFx、FeSe1-xTex和Ca0.5K0.5Fe2As2中的一种或多种，x范围为0～0.9，不包括0。
优选的，所述步骤(1)中银合金的成分包括银，还包括锰、镁、镍、锡、铜、金、锌、镉、钼、钨、铁、铅、铟、汞、锑、锗、镓、铝、钒、铋中的至少一种。
优选的，所述步骤(1)中助熔剂包括锡、铅、锡合金或铅合金；所述锡合金的成分包括锡，还包括银、铋、锌、镉、铟和镓中的至少一种；所述铅合金的成分包括铅，还包括银、铋、锌、镉、铟和镓中的至少一种。
优选的，所述步骤(1)中熔化的助熔剂的温度为47～400℃。
优选的，所述步骤(1)中浸没的时间为0.5～60min。
优选的，所述步骤(2)中金属箔的成分包括银、铜、铁、铌、镍、钛和钽中的至少一种。
优选的，所述金属箔包括银箔、蒙乃尔合金、低碳钢或不锈钢。
本发明还提供了上述技术方案所述方法制备得到的多芯铁基超导接头。
本发明提供了一种多芯铁基超导接头及其制备方法，本发明将银或银合金包套多芯铁基超导线材的一端浸没于熔化的助熔剂中，直到多芯铁基超导线材端头处的银或银合金包套完全熔化后取出；然后将若干根经过上述处理得到的多芯铁基超导线材的端头处搭接并焊接在一起，焊接时采用金属箔包裹住多芯铁基超导线材的搭接部位，得到多芯铁基超导接头。本发明提供的方法能够完全除去芯材之间和表面的银或银合金，有利于增大接头处的接触面积，而且能够避免多芯铁基超导芯产生裂纹或断裂，有利于提高超导芯接头处的超导电流。实施例结果表明，本发明所述方法制备得到的铁基超导线材超导接头的连接效率可以达到100％，接头电流可达350A，接头电阻小于1nΩ。
附图说明
图1为本发明所述方法制备多芯铁基超导接头的示意图，
其中，1-铁基超导芯；2-银或银合金包套；3-助熔剂；4-金属箔。
图2为本发明所述方法制备得到的多芯铁基超导接头的X光透射图，
其中，1-被连接的铁基超导体；2-铁基超导芯。
具体实施方式
本发明提供了一种多芯铁基超导接头的制备方法，包括以下步骤：
(1)将银或银合金包套多芯铁基超导线材的一端浸没于熔化的助熔剂中，直到多芯铁基超导线材端头处的银或银合金包套完全熔化后取出；
(2)将若干根步骤(1)处理得到的多芯铁基超导线材的端头搭接并焊接在一起，焊接时采用金属箔包裹住多芯铁基超导线材的搭接部位，得到多芯铁基超导接头。
本发明将银或银合金包套多芯铁基超导线材的一端浸没于熔化的助熔剂中，直到多芯铁基超导线材端头处的银或银合金包套完全熔化后取出。
在本发明中，所述银或银合金包套多芯铁基超导线材中多芯铁基超导线材的成分优选包括(Ba/Sr)1-xKxFe2As2、SmFeAsO1-xFx、FeSe1-xTex和Ca0.5K0.5Fe2As2中的一种或多种；所述银合金的成分优选包括银，还包括锰、镁、镍、锡、铜、金、锌、镉、钼、钨、铁、铅、铟、汞、锑、锗、镓、铝、钒、铋中的至少一种，本发明对银合金的成分配比没有要求。
在本发明中，所述助熔剂优选包括锡、铅、锡合金或铅合金；所述锡合金的成分优选包括锡，还包括银、铋、锌、镉、铟和镓中的至少一种；所述铅合金的成分优选包括铅，还包括银、铋、锌、镉、铟和镓中的至少一种。在本发明中，所述熔化的助熔剂的温度优选为47～400℃，更优选为50～380℃，更进一步优选为100～370℃。在本发明中，所述浸没的时间通常优选为0.5～60min，更优选为10～60min，更进一步优选为15～55min，即可将多芯铁基超导线材端头处的银或银合金包套完全熔化。在本发明中，所述银或银合金包套多芯铁基超导线材在助熔剂中的浸没深度优选不低于8mm。
本发明将多芯铁基超导线材的一端浸没于熔化的助熔剂中，端头处的银或者银合金发生熔化，而铁基超导芯材不发生熔化，达到除去端头处银或银合金的目的。本发明所述方法能够完全除去芯材之间以及表面上的银或银合金包套，有利于增大超导接头处的接触面积；而且本发明提供的方法在完全去除起支撑作用的银或银合金包套时，不会产生机械应力集中，避免产生裂纹；而且超导线材的端头处浸没在助熔剂中，助熔剂会包裹在端头的多芯线材之间和表面，当把超导线材端头从助熔剂中取出时，助熔剂液体固化，起到强度支撑作用，在后续的搭接和焊接过程中，能够避免脆性的超导芯产生裂纹甚至发生断裂，进而避免了多芯接头区域超导电流的衰退，提高了多芯超导线材的连接成功率。本发明提供的方法不仅避免了超导芯产生裂纹或断裂，而且还可以增加超导芯之间的接触面积，避免接头传输电流的衰退。
本发明将多芯铁基超导线材的一端从助熔剂中取出时，优选将多芯铁基超导线材向助熔剂中多浸润一部分，如图1所示，以便于后续焊接时，完全保护芯材，不致于使芯材产生裂纹或断裂。本发明对所述多浸润一部分多芯铁基超导线材的长度没有特别要求，按照本领域技术人员的常规认知进行试验即可。
其次，包裹在多芯线材之间和表面的助熔剂(锡、铅、锡合金或铅合金)在液氦温度下也是超导相，与原始的银或者银合金相比，增加了铁基超导芯之间的超导电流通道，即超导芯之间从原来的有阻通道变成了超导通道，有效增加了超导芯接触面积，同时也降低了接头电阻。而且本发明所述方法中的助熔剂(锡、铅、锡合金或铅合金)在熔化状态下不与超导芯反应，不会造成超导芯电流的衰减；熔化的助熔剂(锡、铅、锡合金或铅合金)会填充进入铁基超导芯中的空隙或者微裂纹中，这样不但不会降低铁基超导芯的超导电流，反而由于锡、铅、锡合金或铅合金也是超导相将增加超导芯的超导电流。
在本发明中，多芯铁基超导线材端头处的银或银合金包套是否完全熔化的判断方法优选包括如下步骤：
将包套端取出后，快速将粘附在包套端上的液体用吸锡器吸走，如果吸走液体后的包套端上还有金属光泽说明还有银，如果吸走液体后的包套端完全变成黑色说明银或银合金完全熔化，包套端中的银或银合金被完全去除。
多芯铁基超导线材端头处的银或银合金完全熔化后，本发明将两根或多根经过上述处理的多芯铁基超导线材的端头搭接并焊接在一起；所述端头为上述步骤处理过的多芯铁基超导线材的一端，得到多芯铁基超导接头。
在本发明中，所述若干根优选包括两根或者多根，本发明可根据实际需要选择两根或多根多芯铁基超导线材进行搭接。在本发明中，所述搭接优选在空气中进行，本发明对搭接的具体实施方式没有特别要求，只要将不同多芯铁基超导线材经过上述方法处理过的一端层叠放置在一起即可。在本发明中，焊接时采用金属箔包裹住不同多芯铁基超导线材的搭接部位，所述金属箔的成分优选包括银、铜、铁、铌、镍、钛和钽中的至少一种；更优选包括银箔、蒙乃尔合金、低碳钢或不锈钢。本发明采用金属箔包裹住搭接部位，有利于提高超导接头的机械强度。在本发明中，所述焊接的方法优选为常规方法，如采用电烙铁进行焊接；所述焊接优选在空气中进行。
本发明在焊接时，所述金属箔除了包裹住搭接部位，优选将金属箔多包裹一部分多芯铁基超导线材，如图1所示，以便于在焊接时，完全保护芯材，不致于使芯材产生裂纹或断裂。本发明对所述多包裹一部分多芯铁基超导线材的长度没有特别要求，按照本领域技术人员的常规认知进行试验即可。
本发明还提供了上述技术方案所述方法制备得到的多芯铁基超导接头。在本发明中，所述多芯铁基超导接头的结构示意图如图1所示，图1中1为铁基超导芯；2为银或银合金包套；3为助熔剂；4为金属箔。由图1可以看出，将多芯铁基超导芯线材的一端浸没于助熔剂中后，多芯铁基超导芯线材端头处的银或银合金包套熔化，然后将不同多芯铁基超导芯线材经过上述处理后的端头搭接，再用金属箔包裹焊接，得到多芯铁基超导接头。本发明所述方法得到的多芯铁基超导接头实物图如图2所示，图2中1代表被连接的铁基超导体；2代表铁基超导芯。图2中铁基超导芯区域颜色基本一致，说明本发明提供的超导接头没有明显的裂纹或断裂。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
将两根银包套的7芯Ba0.6K0.4Fe2As2铁基超导线材末端浸入在230℃时熔化的锡液中，静置20分钟后线材末端的包套完全熔化；将两根在上一步中处理过的线材的末端搭接并焊接在一起，焊接时用银箔包裹住连接部位。在4.2K和0T下，本实施例制备的铁基超导线材超导接头的临界电流为350A，连接效率可以达到100％，接头电阻小于1nΩ。
在本发明的所有实施例以及对比例中，超导接头连接效率的计算方法为：连接效率＝接头临界电流/母材临界电流的比值*100％。
对比例1
将两根银包套的7芯Ba0.6K0.4Fe2As2铁基超导线材末端通过化学法腐蚀掉银包套露出超导芯；将两根在上一步中处理过的线材的末端搭接并焊接在一起，焊接时用银箔包裹住连接部位。在4.2K和0T下，该铁基超导线材超导接头的临界电流为116A，连接效率仅为33％，接头电阻为91nΩ。
由实施例1和对比例1可知，通过本发明所述方法制备的7芯铁基超导接头的连接效率和接头电阻都得到有效改善。
实施例2
将两根银锰合金包套的7芯Ba0.6K0.4Fe2As2铁基超导线材末端浸入在320℃时熔化的锡铅合金液中，静置5分钟后线材末端的包套完全熔化；将两根在上一步中处理过的线材的末端搭接并焊接在一起，焊接时用铜箔包裹住连接部位。在4.2K和0T下，该铁基超导线材超导接头的临界电流为320A，连接效率达到100％，接头电阻小于1nΩ。
对比例2
将两根银锰合金包套的7芯Ba0.6K0.4Fe2As2铁基超导线材末端通过机械剥离外包套露出超导芯；将两根在上一步中处理过的线材的末端搭接并焊接在一起，焊接时用铜箔包裹住连接部位。在4.2K和0T下，该铁基超导线材超导接头的临界电流为150A，连接效率达到47％，接头电阻为75nΩ。
由实施例2和对比例2可知，通过本发明所述方法制备的7芯铁基超导接头的连接效率和接头电阻都得到有效改善。
实施例3
将两根银锰合金包套的7芯Ba0.6K0.4Fe2As2铁基超导线材末端浸入在400℃时熔化的锡银铅合金液中，静置0.5分钟后线材末端的包套完全熔化；将两根在上一步中处理过的线材的末端搭接并焊接在一起，焊接时用铜箔包裹住连接部位。在4.2K和0T下，该铁基超导线材超导接头的连接效率达到100％。
对比例3
将两根银锰合金包套的7芯Ba0.6K0.4Fe2As2铁基超导线材末端通过化学法腐蚀掉银包套露出超导芯；将两根在上一步中处理过的线材的末端搭接并焊接在一起，焊接时用铜箔包裹住连接部位。在4.2K和0T下，该铁基超导线材超导接头的连接效率达到58％。
由实施例3和对比例3可知，通过本发明所述方法制备的7芯铁基超导接头的连接效率得到有效改善。
实施例4
将两根银锰合金包套的7芯Ba0.6K0.4Fe2As2铁基超导线材末端浸入在250℃时熔化的锡锑合金液中，静置10分钟后线材末端的包套完全熔化；将两根在上一步中处理过的线材的末端搭接并焊接在一起，焊接时用铜箔包裹住连接部位。在4.2K和0T下，该铁基超导线材超导接头的连接效率达到100％。
实施例5
将两根银锰合金包套的7芯Ba0.6K0.4Fe2As2铁基超导线材末端浸入在47℃时熔化的锡铋铅镉铟合金液中，静置1小时后线材末端的包套完全熔化；将两根在上一步中处理过的线材的末端搭接并焊接在一起，焊接时用铜箔包裹住连接部位。在4.2K和0T下，该铁基超导线材超导接头的连接效率达到100％。
实施例6
将两根银锰合金包套的7芯Sr0.5K0.5Fe2As2铁基超导线材末端浸入在200℃时熔化的锡铋合金液中，静置30分钟后线材末端的包套完全熔化；将两根在上一步中处理过的线材的末端搭接并焊接在一起，焊接时用钛箔包裹住连接部位。在4.2K和0T下，该铁基超导线材超导接头的连接效率达到100％。
实施例7
将两根银锡合金包套的37芯Sr0.5K0.5Fe2As2铁基超导线材末端浸入在250℃时熔化的锡锑合金液中，静置8分钟后线材末端的包套完全熔化；将两根在上一步中处理过的线材的末端搭接并焊接在一起，焊接时用铜箔包裹住连接部位。在4.2K和0T下，该铁基超导线材超导接头的连接效率达到100％。
实施例8
将两根银锡合金包套的42芯Sr0.5K0.5Fe2As2铁基超导线材末端浸入在250℃时熔化的锡锑合金液中，静置8分钟后线材末端的包套完全熔化；将两根在上一步中处理过的线材的末端搭接并焊接在一起，焊接时用铜箔包裹住连接部位。在4.2K和0T下，该铁基超导线材超导接头的连接效率达到100％。
实施例9
将两根银锡合金包套的144芯Sr0.5K0.5Fe2As2铁基超导线材末端浸入在250℃时熔化的锡锑合金液中，静置8分钟后线材末端的包套完全熔化；将两根在上一步中处理过的线材的末端搭接并焊接在一起，焊接时用铜箔包裹住连接部位。在4.2K和0T下，该铁基超导线材超导接头的连接效率达到100％。
实施例10
将两根银锡合金包套的222芯Ba0.6K0.4Fe2As2铁基超导线材末端浸入在250℃时熔化的锡锑合金液中，静置8分钟后线材末端的包套完全熔化；将两根在上一步中处理过的线材的末端搭接并焊接在一起，焊接时用铜箔包裹住连接部位。在4.2K和0T下，该铁基超导线材超导接头的连接效率达到100％。
实施例11
将两根银镁镍合金包套的666芯Ba0.6K0.4Fe2As2铁基超导线材末端浸入在250℃时熔化的锡锑合金液中，静置8分钟后线材末端的包套完全熔化；将两根在上一步中处理过的线材的末端搭接并焊接在一起，焊接时用铜箔包裹住连接部位。在4.2K和0T下，该铁基超导线材超导接头的连接效率达到100％。
由上述实施例以及对比例可知，本发明提供的方法得到的超导接头的连接效率较高，说明超导接头的电流较高，电阻较小。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种多芯铁基超导接头的制备方法，步骤如下：
将两根银锰合金包套的7芯Ba0.6K0.4Fe2As2铁基超导线材末端浸入在47℃时熔化的锡铋铅镉铟合金液中，静置1小时后线材末端的包套完全熔化；将两根处理过的线材的末端搭接并焊接在一起，焊接时用铜箔包裹住连接部位。
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