CN111739693A - 一种基于高温超导带材的层状圆形超导导体及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高温超导带材的层状圆形超导导体及制造方法，超导导体包括内部的超导带材、外部铜带材形成的铜包套，超导带材和外部铜包套通过锡焊焊接成型；所述的内部的超导带材为多层带材堆叠而成，截面为矩形或正方形；所述包套为多层铜带材堆叠形成的包套包裹在所述堆叠而成的超导带材上，对包套经过扭曲后切削打磨加工，最终形成截面为圆形的超导导体。本发明能够为核聚变及强磁场领域大型超导导体提供一种高性导体结构单元；本发明的制造方法流程包括带材挂锡、带材堆叠、带材扭转、锡焊成型以及打磨矫形等。

Description

一种基于高温超导带材的层状圆形超导导体及制造方法

技术领域

本发明涉及超导电力及强磁场超导磁体技术领域，具体为一种基于高温超导带材的层状圆形超导导体及制造方法。

背景技术

20T以上的磁场需求是未来强磁场和核聚变装置的发展趋势，高性能超导导体则是制备超导磁体的核心部件，以REBCO为代表的二代高温超导带材以其高不可逆磁场和机械强度等优点，是强磁超导磁体的最具潜力的超导材料之一。受制备工艺的限制，REBCO超导材料为带材结构，导致与目前以圆线为基础的导体制备技术无法有效兼容，需要设计新的结构，开发新的工艺。

发明内容

为了解决上述技术问题,本发明提供了一种承载电流强、热稳定性能及机械强度优良、结构简洁、工艺简单可靠的层状圆形超导导体。其结构由REBCO高温超导带材、铜带通过锡焊连接而成。本发明的导体结构具有较高的载流能力和机械强度；制备方法包括带材挂锡、带材堆叠、带材扭转、锡焊成型以及打磨矫形等步骤，简单可靠，易于实现大规模生产等特点，可广泛应用于超导电力及大型超导磁体领域。

本发明的技术方案为：一种基于高温超导带材的层状圆形超导导体，包括内部的超导带材、外部铜带材形成的铜包套，超导带材和外部铜包套通过锡焊焊接成型；所述的内部超导带材为多层带材堆叠而成，截面为正方形；所述铜包套为多层铜带材堆叠后包裹在所述堆叠后的超导带材上；经过扭曲后切削打磨加工，得到截面为圆形的超导导体。

本发明还提出一种用于制造上述的超导导体的制造方法，包括如下步骤：

步骤1：将所有的超导带材和铜带材预先挂锡；

步骤2：将超导带材堆叠成内部超导芯、外部铜包套的块状体结构；

步骤3：将堆叠的导体固定端部，并以一定的节距，以中心线为轴进行自扭转，得到扭转后的导体；

步骤4：利用锡池加热方法将扭转后的导体锡焊成型；

步骤5：最后利用车床将四边的直角打磨并形成圆形导体。

进一步的，所述步骤1包括：

所述超导带材为REBCO带材，将超导带材和铜带材上下表面经过清洁清洗后，预先镀上一层均匀焊锡，锡层总厚度控制在0.04～0.05mm，锡料采用PbSn，镀锡温度控制在200℃以内。

进一步的，所述步骤2包括：

所述的超导带材和铜带材均采用0.1厚度，其宽度分别为为3mm和5mm；将其一层一层堆叠成5×5mm或者需求的截面，堆叠过程应无尘、无油、无褶皱，整个导体截面致密，侧面整齐，最后用0.2mm的漆包线以10mm的螺距缠绕紧密保证所有带材间均无相对滑动。

进一步的，所述外围包套采用高RRR的铜带材代替普通的无氧铜材，所述高RRR是指铜的剩余电阻率RRR>150。

进一步的，所述步骤3包括：

采用固定导体两端的方式扭绞，扭绞的节距应大于超导带材能够承受的临界节距；扭转完成后固定住导体两端，避免扭转导体的退扭。

进一步的，所述步骤4具体包括：

将需要锡焊的扭转后的导体放入锡池中进行加热焊接成型，该锡池通过底部的加热棒进行加热，并利用温度计和温度控制装置进行温度的控制；加热样品通过主动轮和从动轮以固定的速率移动，以实现长导体的连续锡焊。

进一步的，所述步骤5包括：

带材打磨校形，样品后面装配有旋转齿轮及底座，避免样品移动过程中的自旋转现象，样品前进方向距离旋转齿轮及底座20mm位置同轴安装另一个固定底座，保证样品切割处足够的刚性，利用旋转齿轮及底座固定及移动样品，利用打磨旋转刀头进行外围切割打磨，实现方形截面结构的导体向圆形截面导体的过渡，并实现长样品的连续加工。

所述外部的层状铜包套采用的铜带材均用高RRR(铜的剩余电阻率，RRR>150)代替普通无氧铜，主要目的是减小导体失超状态下的发热，增大导体抵抗外部热扰动的能力，提高的导体运行的热稳定性。

本发明的导体在77K液氦运行温区下，可提供2kA以上的传输电流，在4.2K的运行温度下，12T磁场下可超过4kA的临界电流，能够满足大型超导磁体对于高磁场、大电流高温超导导体的需求。

有益效果

1.高传输电流密度；基于高温超导带材的层状圆形超导导体结构具有承载电流高、机械性能优良的特点；

2.铜带材叠包包套的引入有效地增大了导体铜组分比例，采用高RRR(铜的剩余电阻率，RRR>150)的铜带材锡焊封装，具有高热稳定性优点；

3.带材通过锡焊连接，机械强度高，特别适用于强电磁力工况的超导磁体；

4.本发明的采用外围打磨及校形工艺，即可实现由带材结构单元向圆形导体的过渡，制备工艺简单，利于工业化生产及长线长制备，易于实现大规模生产；该结构可用于大型铠装或者Rutherford电缆型超导导体的研制，具有较强的可扩展性；

5.该结构还能成为多级电缆的一个基本组成单元，具有较强可扩展性等优点；

6.采用先扭绞后锡焊的技术路径，可以减少制备过程中的残余应力累积，最大限度地保持带材的性能。

附图说明：

图1：为本发明的一种基于高温超导带材的层状圆形超导导体结构示意图；

图2：带材挂锡工艺示意图；

图3：带材堆叠工艺示意图；

图4：带材的扭转工艺示意图；

图5：锡池锡焊成型工艺示意图；

图6(a)：打磨校形工艺示意图；

图6(b)：利用车床打磨原理图；

图7(a)：锡焊成型后导体样品；

图7(b)：打磨校形后导体样品；

图8：本发明导体制备方法工艺流程。

图中：1-超导带材，2-铜带材，3-锡层，4-锡池，5-温度控制装置，6-温度计，7-加热棒，8-导体样品，9-样品移动主动轮，10-样品移动从动轮，11-打磨校形前样品，12-打磨校形后样品，13-打磨旋转刀头，14-旋转齿轮及底座。

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，本发明的基于高温超导带材的层状圆形超导导体，包括内部的超导带材1、外部铜带材2形成的铜包套，超导带材1和外部铜带材2形成的铜包套通过锡焊焊接成型；所述的内部的超导带材为多层带材堆叠而成，截面为正方形；所述铜包套为多层铜带材2堆叠后包裹在所述堆叠后的超导带材1上；经过扭曲后切削打磨加工，得到截面为圆形的超导导体。

参见图8，本发明的高温超导导体制造方法包括：带材挂锡-带材堆叠-带材扭绞-锡焊成型-打磨校形等工艺，可以有效避免制备过程中带材残余应力造成的性能衰退。

具体工艺流程如下：

步骤1、带材挂锡：首先将每个超导带材1和铜带材2上下表面经过清洁清洗后，预先镀上一层薄焊锡，焊锡需保证足够的均匀性及一定的厚度；参见图2，本发明中带材预挂锡工艺示意图，要求超导带材1和外部的铜带材2两面都预挂锡层3，锡层3总厚度控制在0.04～0.05mm，锡料采用PbSn，镀锡温度控制在200℃以内以保证后期带材堆叠的平整度和锡焊的质量；

步骤2、带材堆叠：采用0.1厚度的YBCO超导带材1，其宽度可为3mm亦可根据实际需求，将其一层一层堆叠成截面为3×3mm正方形的块状体，然后在其四周再用宽度分别为3mm和5mm的铜带材堆叠后包裹在块状体上，形成总截面为5×5mm的铜包套，堆叠过程应保证无尘、无油、无褶皱的三无原则，最后可用0.2mm的漆包线以10mm的螺距缠绕保证所有带材间均无相对滑动，方便进行运输和移动；参见图3，本发明中带材堆叠工艺示意图，要求超导带材1和外部铜带材2堆叠均匀，为保证后锡焊扭转和锡焊过程的顺利进行，在完成带材堆叠后，用线径为0.2mm厚的漆包线以5mm的节距将堆叠的带材缠绕紧密，防止堆叠体形状的失真；

步骤3、带材扭转步骤：带材的扭转作用有两点，一是可以减少的导体的交流损耗，二是利于带材间电流再分配及导体的稳定性，采用固定导体两端的方式扭绞，扭绞的节距应大于REBCO带材能够承受的临界节距；参见图4，本发明中带材的扭转工艺示意图，要求扭转过程中所有带材扭转形变均匀，其扭转节距须小于带材的临界节距，扭转完成后固定住导体两端，避免扭转导体的退扭；

步骤4、带材锡焊成型：采用锡焊成型法，既可限制导体运行过程中带材的滑动，保证层状结构具有足够的机械强度，又能增强带材间电流再分配的能力，改善导体抗热扰动能力。高温超导堆叠导体的封装采用锡焊浸泡工艺实现，锡池温度控制在200℃以内，该工艺具有加热均匀、温度易控的优点，还可实现长导体制备；参见图5，本发明中锡池焊接成型示意图，将需要锡焊的导体样品8放入锡池4中进行加热焊接成型，该锡池4通过锡池底部的加热棒7进行加热，并利用温度计6和温度控制装置5进行温度的精准控制；加热样品通过样品移动主动轮9和样品移动从动轮10以固定的速率移动，以实现长导体的连续锡焊；

步骤5、带材打磨校形：该工艺是本发明的创新之一，仅通过外围打磨及校形工艺即可实现由带材结构单元向圆形导体的过渡，该工艺通过一个旋转刀头13的切割实现，样品后面装配有旋转齿轮及底座14，可完全避免样品移动过程中的自旋转现象，样品前进方向距离旋转齿轮及底座14大约20mm位置同轴安装另一个固定底座，保证样品切割处足够的刚性以实现样品的切割工艺。相比常规的缩径成型工艺，该方法可有效避免缩径过程汇总带材内部的残余应变造成的损伤，同时工艺简单可靠，易于实现工业化制备。参见图6，本发明中打磨成型工艺示意图，利用旋转齿轮及底座14固定及移动样品，利用打磨旋转刀头13的切割打磨，实现方形截面结构的导体向圆形截面导体的过渡，简单可靠，还可实现长样品的连续加工；

参见图7，本发明中打磨切割前后样品比对图形；图7(a)为本发明中打磨切割前后样品11图形；图7(b)为本发明中打磨切割后样品12比对图形。

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 (9)

1.一种基于高温超导带材的层状圆形超导导体，其特征在于：

包括内部的超导带材、外部铜带材形成的铜包套，超导带材和外部铜带材形成的铜包套通过锡焊焊接成型；所述的内部的超导带材为多层带材堆叠而成，截面为正方形；所述铜包套为多层铜带材堆叠后包裹在所述堆叠后的超导带材上；经过扭曲后切削打磨加工，得到截面为圆形的超导导体。

2.一种用于制造如权利要求1所述的超导导体的制造方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：将所有的超导带材和铜带材预先挂锡；

步骤2：将超导带材堆叠成内部超导芯、外部铜包套的正方形截面的块状体结构；

步骤3：将堆叠的块状体固定端部，并以一定的节距，以中心线为轴进行自扭转，得到扭转后的导体；

步骤4：利用锡池加热方法将扭转后的导体锡焊成型；

步骤5：最后利用车床将四边的直角打磨并形成圆形导体。

3.根据权利2所述的超导导体的制造方法，其特征在于：所述步骤1包括：

所述超导带材为REBCO带材，将超导带材和铜带材上下表面经过清洁清洗后，预先镀上一层均匀焊锡，锡层总厚度控制在0.04～0.05mm，锡料采用PbSn，镀锡温度控制在200℃以内。

4.根据权利2所述的超导导体的制造方法，其特征在于：所述步骤2包括：

所述的超导带材和铜带材均采用0.1厚度，其宽度分别为为3mm和5mm；将其一层一层堆叠成5×5mm或者需求的截面，堆叠过程应无尘、无油、无褶皱，整个导体截面致密，侧面整齐，最后用0.2mm的漆包线以10mm的螺距缠绕紧密保证所有带材间均无相对滑动。

5.根据权利2所述所述的超导导体的制造方法，其特征在于：所述外围包套采用高RRR的铜带材代替普通的无氧铜材，所述高RRR是指铜的剩余电阻率RRR>150。

6.根据权利2所述所述的超导导体的制造方法，其特征在于：所述步骤3包括：

采用固定导体两端的方式扭绞，扭绞的节距应大于超导带材能够承受的临界节距；扭转完成后固定住导体两端，避免扭转导体的退扭。

7.根据权利2所述所述的超导导体的制造方法，其特征在于：所述步骤4具体包括：

将需要锡焊的扭转后的导体放入锡池中进行加热焊接成型，该锡池通过底部的加热棒进行加热，利用温度计和温度控制装置进行温度的控制；加热样品通过主动轮和从动轮以固定的速率移动，实现长导体的连续锡焊。

8.根据权利2所述所述的超导导体的制造方法，其特征在于：所述步骤5包括：

带材打磨校形，样品后面装配有旋转齿轮及底座，避免样品移动过程中的自旋转现象，样品前进方向距离旋转齿轮及底座20mm位置同轴安装另一个固定底座，保证样品切割处足够的刚性，利用旋转齿轮及底座固定及移动样品，利用打磨旋转刀头进行外围切割打磨，实现方形截面结构的导体向圆形截面导体的过渡，并实现长样品的连续加工。

9.根据权利要求1所述的超导导体，其特征在于，运行在77K液氦运行温区下，能提供2kA以上的传输电流；在4.2K的运行温度下，12T磁场下提供超过4kA的临界电流。

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