CN111696721B - 适用于大规模生产的钉扎中心引入结构、方法及超导带材 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种适用于大规模生产的钉扎中心引入结构、方法及超导带材，包括：弯转轴和加热区；所述弯转轴设置于所述加热区内，超导带材绕设在所述弯转轴的圆周上；所述加热区将进入所述加热区内的超导带材以及所述弯转轴保持在预设温度；其中，超导带材在所述弯转轴上弯曲获得应变，在应变和预设温度的作用下使超导带材的超导层微结构重构。本发明可以快速地在二代高温超导带材中引入钉扎中心，显著提高地二代高温超导带材的在场载流能力，且适用于各种制备方法、各种成分的超导带材。

Description

适用于大规模生产的钉扎中心引入结构、方法及超导带材
技术领域
本发明涉及超导材料领域，具体地，涉及一种适用于大规模工业化生产的钉扎中心引入结构、方法及超导带材。
背景技术
第二代高温超导带材以其具有的高临界转变温度、高载流能力以及高不可逆场为优势，被广泛应用于广泛温区和磁场范围的各种应用场合，如超导电缆、超导电机、超导磁体等。其中超导磁体是非常重要的一个应用方向，随着超导磁体技术的不断发展，其对超导带材的各种性能也所提出新的需求，尤其是进一步提高带材在场载流能力和降低带材超导电性的各向异性度，这是推动第二代高温超导带材磁体实用化需要解决的重要问题。
为提高超导带材的在场载流能力，目前主要通过引入磁通钉扎中心的方法。如专利文献CN104054143B公开的超导线及其形成方法，在该方法中，缓冲层形成在基板上。然后，超导前驱膜形成在形成有钉扎籽层的基板上。之后，形成有超导前驱膜的基板被热处理以在基板上形成包括磁通量钉扎中心的超导膜。磁通量钉扎中心包括钉扎籽层中包含的至少一种元素和超导前驱膜中包含的至少一种元素。
所谓的钉扎中心，指的是可以钉扎住磁通的为各种形貌和尺度(纳米-亚微米级)的缺陷，其种类包括：原子取代、空穴、位错、第二相、晶界、孪晶等。而引入钉扎中心的方法一般有两种，即由下而上(bottom-up)和由上而下(top-down)。前者指在超导层沉积过程中，引入缺陷作为磁通钉扎中心，最具有代表性的一个例子是在超导层中进行掺杂，在沉积过程生成自组装的具有精细结构的纳米第二相；后者指超导层沉积完成后，通过引入其他物理场，使超导层中产生一定量的缺陷来作为磁通钉扎中心，目前对于这种方法的报道极少，其中的一个例子是引入中子辐射，使超导层中产生缺陷作。
上述两种引入钉扎中心的方法，各有其优缺点，其中前者的钉扎效果好，已经得到了广泛研究，但在工业化生产的过程中遇到了很大的问题：精细化的纳米第二相强烈依赖于极低的、稳定的沉积速率，在工业化快速沉积的条件下，难以在超导层中生成可控的，具有精细纳米结构的第二相；而后者虽然与沉积速度无关，由于受技术条件的制约，在大规模生产中的可行性尚无定论。因此，如何开发一种不依赖于沉积速度的，适用于规模化生产的技术路线、提高第二代高温超导带材的在场载流能力的技术是十分重要的。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于大规模工业化生产的钉扎中心引入结构、方法及超导带材。
根据本发明提供的一种适用于大规模工业化生产的钉扎中心引入结构，包括：弯转轴1和加热区2；
所述弯转轴1设置于所述加热区2内，超导带材绕设在所述弯转轴1的圆周上；
所述加热区2将进入所述加热区2内的超导带材以及所述弯转轴1保持在预设温度；
其中，超导带材在所述弯转轴1上弯曲获得应变，在应变和预设温度的作用下使超导带材的超导层微结构重构。
优选地，所述超导带材保持在动态移动状态，一端进入所述加热区2绕设在所述弯转轴1圆周上并离开所述加热区2；
通过所述超导带材的移动速度控制所述超导带材在所述加热区2内的加热时间。
优选地，所述弯转轴1轴向可旋转。
优选地，所述预设温度的范围包括200至900摄氏度。
优选地，所述超导带材的超导层位于压缩侧或拉伸侧。
优选地，所述超导带材呈U形或螺旋形绕设在所述弯转轴1的圆周上。
优选地，所述超导带材包括二代高温超导带材。
根据本发明提供的一种适用于大规模工业化生产的钉扎中心引入方法，采用适用于大规模工业化生产的钉扎中心引入结构，对超导带材进行钉扎中心引入。
优选地，通过不同半径的弯转轴1使超导带材获得不同的应变大小。
根据本发明提供的一种超导带材，采用适用于大规模工业化生产的钉扎中心引入方法制备而成。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、采用由上而下的钉扎中心引入方式，钉扎中心的产生过程和沉积过程无关，适合于大规模的工业化生产。此外，实施过程简单、高效，不需要复杂的设备与过程控制。
2、采用本发明方法生成的缺陷，主要是平行于稀土钡铜氧a-b平面的位错，可有效降低超导材料电流输运的各向异性，这也有利于带材在超导磁体中的应用。
3、本发明可以显著提高地二代高温超导带材的在场载流能力，且适用于各种制备方法(如脉冲激光沉积、化学气相沉积、化学溶液沉积等)，各种成分(各种元素掺杂或不掺杂的稀土钡铜氧化合物)的超导带材。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为典型二代高温超导带材的结构示意图；
图2为本发明适用于大规模工业化生产的钉扎中心引入结构的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
图1为典型二代高温超导带材的结构，稀土钡铜氧化合物即超导层(superconductor layer)以及之前的缓冲层(buffer layer)、种子层(seed layer)和帽子层(cap layer)等膜层沉积在金属基带上，这些膜层统称为功能层，在一些场合，外面还会包覆以金属银为例的稳定层。在整根带材中，由于力学性能的需求，金属基带占据了整个带材厚度的绝大部分。
如图2所示，本发明提供的一种适用于大规模工业化生产的钉扎中心引入结构，包括：弯转轴1和加热区2。弯转轴1设置于加热区2内，超导带材3绕设在弯转轴1的圆周上，加热区2将进入加热区2内的超导带材3以及弯转轴1保持在预设温度。超导带材在弯转轴1上弯曲获得应变，在应变和预设温度的作用下使超导带材的超导层微结构重构。
带材在弯曲时，以整根带材的厚度方向上的几何中心为分界线(称为中心层)为界，上下两部分带材分别产生压缩和拉伸的应变。受到不同的半径的弯曲，超导层就会受到可改变的，可控的压缩或拉伸应变。这种应变，会诱发超导层显微机构的“重构”，产生位错、层错等本征缺陷，提高超导层的钉扎能力，提升超导带材的在场载流能力。
值得注意的是，在常温下，超导层微结构的重构受材料动力学的限制，过程非常缓慢，这就需要我们改变温度，加速重构过程。在超导带材收到弯曲的同时，可以对超导带材进行加热，可选的温度范围是200-900摄氏度。在高温的作用下，原子迁移能力明显提升，超导层微结构重构过程被大大加速，所需时间呈指数下降。这使得应变诱导本征缺陷的产生在大规模工业化生产中的应用更具有操作性。
超导带材保持在动态移动状态，一端进入加热区2绕设在弯转轴1圆周上并离开加热区2；通过超导带材的移动速度控制超导带材在加热区2内的加热时间。弯转轴1设计为轴向可旋转，用于减小带材移动过程中的摩擦力。超导带材可以呈U形一次绕设在弯转轴1的圆周上，或者螺旋形多次绕设在弯转轴1的圆周上。
以图2为例,超导带材3在运动的同时，绕在图中所示的弯转轴1上被弯曲,使超导层获得应变,根据带材的朝向,超导层可以获得压缩或拉伸应变。根据所需要的应变大小，弯转轴1可选用各种半径。带材可以采用卷对卷循环往复的方式，多次在弯转轴上弯曲。
弯转轴处于图中所示加热区2中。加热区2对带材和弯转轴1加热，使处于其中的带材和弯转轴保持在所需的温度。根据所需要的缺陷密度、在不同的应变量和温度下，超导层微结构重构的时间不同，以此为标准，调整超导带材的运动速度，使重构过程充分完成。
本发明还提供一种适用于大规模工业化生产的钉扎中心引入方法，采用上述的适用于大规模工业化生产的钉扎中心引入结构，对超导带材进行钉扎中心引入。同时，本发明还提供一种超导带材，采用上述的适用于大规模工业化生产的钉扎中心引入方法制备而成。
采用本发明方法与常规方法制备的超导带材参数对比见表一，在成分和其他镀膜参数相同的情况下，本发明方法显示出了明显的优势。因为采用了离位的、自上而下的钉扎中心引入方式，对超导带材的沉积速度完全无限制。制备的速度超过传统方法数十倍甚至更多。同时，由于超导膜层的微结构重构，在超导膜层中引入了大量的极高密度的层错，在没有纳米柱状晶的条件下，仍然通过高密度层错获得了优秀的钉扎能力，使制备的超导带材具备良好的在场载流能力。
表一、本发明与传统钉扎中心引入方法的沉积参数与性能参数对比
钉扎中心引入方法 应变引发的微结构重构 原位沉积形成纳米结构
弯曲半径(mm) 6mm -
加热温度(℃) 600 -
平均沉积速率(nm/s) 100 2～3
主要钉扎类型 层错 纳米柱状晶
层错密度(nm<sup>-3</sup>) >0.01 0.0001
钉扎力@4.2K，10T(GN/m<sup>3</sup>) 1000 800
Ic@4.2K，10T(A/cm-w) >1500 ～1000
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种适用于大规模生产的钉扎中心引入结构，其特征在于，包括：弯转轴(1)和加热区(2)；
所述弯转轴(1)设置于所述加热区(2)内，超导带材绕设在所述弯转轴(1)的圆周上；
所述加热区(2)将进入所述加热区(2)内的超导带材以及所述弯转轴(1)保持在预设温度；
其中，超导带材在所述弯转轴(1)上弯曲获得应变，在应变和预设温度的作用下使超导带材的超导层微结构重构；
所述超导带材保持在动态移动状态，一端进入所述加热区(2)绕设在所述弯转轴(1)圆周上并离开所述加热区(2)；
通过所述超导带材的移动速度控制所述超导带材在所述加热区(2)内的加热时间；
所述弯转轴(1)轴向可旋转。
2.根据权利要求1所述的适用于大规模生产的钉扎中心引入结构，其特征在于，所述预设温度的范围包括200至900摄氏度。
3.根据权利要求1所述的适用于大规模生产的钉扎中心引入结构，其特征在于，所述超导带材的超导层位于压缩侧或拉伸侧。
4.根据权利要求1所述的适用于大规模生产的钉扎中心引入结构，其特征在于，所述超导带材呈U形或螺旋形绕设在所述弯转轴(1)的圆周上。
5.根据权利要求1所述的适用于大规模生产的钉扎中心引入结构，其特征在于，所述超导带材包括二代高温超导带材。
6.一种适用于大规模生产的钉扎中心引入方法，其特征在于，采用权利要求1至5任一项所述的适用于大规模生产的钉扎中心引入结构，对超导带材进行钉扎中心引入；
通过不同半径的弯转轴(1)使超导带材获得不同的应变大小。
7.一种超导带材，其特征在于，采用权利要求6所述的适用于大规模生产的钉扎中心引入方法制备而成。
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