CN111834043B - 一种接触电阻可控的高温超导带材结构及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种接触电阻可控的高温超导带材结构及制备方法，属于超导带材领域，所述超导带材的外侧包覆有多功能稳定层，所述多功能稳定层采用单质金属、合金、金属‑介质复合膜中的一种或几种。所述多功能稳定层采用物理气相沉积获得。通过物理气相沉积不同材料的多功能稳定层单层或多层结构，可作为电学和热学稳定层，也可以有效控制超导带材接触电阻，接触电阻为5～10000uΩ*cm2，厚度为微米甚至纳米级别。相比与无多功能稳定层的带材，本发明技术获得包覆有多功能稳定层超导带材厚度增加不高于50um，且通过控制物理气相沉积的工艺可使超导带材较无稳定层带材电流保有率Ic≥95％。

Description

一种接触电阻可控的高温超导带材结构及制备方法
技术领域
本发明属于超导带材领域，具体涉及一种接触电阻可控的高温超导带材结构及制备方法。
背景技术
1911年荷兰莱顿大学的卡末林·昂纳斯教授在实验室首次发现超导现象以来，超导材料及其应用一直是当代科学技术最活跃的前沿研究领域之一。1986年1月在美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎世实验室中工作的科学家柏诺兹和缪勒，首先发现钡镧铜氧化物是高温超导体，很快在1-2年的时间里，超导体的临界转变温度被世界上各个研究组提高到了液氮温度以上，从而摆脱了超导体对昂贵液氦制冷的需求。在过去的十几年间，以超导为主的超导电力设备的研究飞速发展，在超导储能、超导电机、超导电缆、超导限流器、超导变压器、超导同步调相机等领域取得显著成果。在很多磁场的应用中，超导线圈都是其核心部件。
常规超导线圈在应用时通常会用石蜡或者环氧树脂对其进行真空浸渍，但这种工艺会带来的一个严重的问题在于，工艺本身有可能会对导体本身具有破坏作用。其破坏的机理在于石蜡或者环氧树脂和超导导体组成的材料，在低温下热胀冷缩系数不同，超导导体两侧的石蜡或者环氧树脂极易在冷却期间垂直沿剥离方向对超导导线施加剥离应力。尤其钇系超导导体是一种多层镀层材料，层间结合力弱于剥离应力时，导体性能将发生巨大的折损。即使一开始真空浸渍后没有出现此问题，但在超导线圈应用时多次冷热循环以后，此问题也将会出现。超导线圈力学方面的不良影响如果得不到很好解决的话会制约超导线圈的应用。同时，超导线圈需要再低温环境中运行，传导冷却和冷却液浸泡是两种常用的制冷方式。然而绝缘层材料多为不良导体，成为线圈制冷通路的障碍，尤其在线圈因为过流或者局部过热而失超的时候，绝缘层的存在会阻碍热量的散失，严重时会导致超导线圈的烧毁。
2011年，哈恩提出了超导无绝缘线圈的概念。在这种线圈中，取缔了线圈匝间绝缘，即制备线圈的超导带材表面不喷涂绝缘物质。这种匝间无绝缘的超导线圈避免了绝缘超导磁体伴有的失超现象给磁体带来的潜在危害。在无绝缘超导线圈制备过程中，在相邻超导带材间填充了带有一定导电性的非绝缘材料。无绝缘线圈一旦失超，失超电流可以通过相邻层间流过，从而确保超导线圈能够正常工作。同时，带材间的非绝缘材料具有良好的导热性，因此失超点的热量可以快速散发，有效提升了线圈的热稳定性。因此无绝缘线圈具有极高工程临界电流密度和显著较高工程机械强度，使得非常紧凑的结构能够达到远高于30t的磁场。但无绝缘线圈同时伴随着长的充电延迟和高的斜坡损耗。这些问题与匝间接触电阻(Rc)有直接关系，Rc越小，充电时间越长，但过高的Rc会危及自保护能力。因此，有一个理想的的Rc是非常可取的，以最小化充电延迟和斜坡损失，同时保持可靠的自我保护能力。
在调节接触电阻方面，大家都会想办法通过调整超导带材的封装包覆带材的材料、宽度、厚度对匝间电阻进行调制。
如公告号为CN107275471B的中国发明专利一种超导带材封装装置，通过并绕带材的方式对匝间电阻进一步进行调制，甚至对并绕带材的表面做一些处理进一步优化匝间电阻这一性能。公告号为107248444A的中国发明专利公开了一种包封的非绝缘超导线圈及其包封方法。Hahn及其团队还通过在无绝缘线圈中以若干匝为单位加入传统绝缘线圈，从而提高线圈的接触电阻，减小充电延迟。但传统调节接触电阻的办法使得超导带材体积增加很多，影响超导带材的工程电流密度，电阻也不能精确控制。
发明内容
为解决现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供一种全新的接触电阻可控的高温超导带材结构及制备方法与应用。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：包括超导复合层与若干层多功能稳定层；
所述超导复合层包括依次设置的金属基带、缓冲层、超导层；所述多功能稳定层包括金属单质、合金、金属-介质复合膜中的一种或几种；稳定层材料选择弱磁性或无磁性材料；
所述多功能稳定层依次通过物理气相沉积法沉积于超导复合层的一侧或两侧；所述多功能稳定层的总厚度小于或等于50um。
优选地，所述高温超导带材结构的接触电阻为5～10000uΩ*cm2，超导电流保有率Ic≥95％。
优选地，所述基底包括不锈钢、镍钨合金中的一种；所述缓冲层包括氧化铝、氧化钇、氧化镁、锰酸镧。
优选地，所述多功能稳定层的材质包括金属单质，所述金属单质包括Al、Ti、Zr、V、Ta、Nb、Cr、Mo、W、Mn、Cu、Ag、Au、Pt中的一种或多种。
优选地，所述合金包括不锈钢、Ti基合金、Cu基合金、Ni基合金中的一种或多种。
优选地，所述多功能稳定层的材质包括金属-介质复合膜，所述金属-介质复合膜包括Cu-CuOx、Cu-Al2O3x、Ti-TiOx、Cu-TiOx中的一种或多种。
一种接触电阻可控的高温超导带材结构的制备方法，包括如下步骤：
A、在金属基带一侧依次制备缓冲层、超导层得到超导复合层；
B、在超导复合层的表面采用物理气相沉积法镀膜得到多功能稳定层作为电学和热学稳定层，即得所述接触电阻可控的高温超导带材结构，所述多功能稳定层可有效控制超导带材接触电阻；
所述多功能稳定层的镀膜温度小于200℃，以防止超导层失氧。
综上所述，与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明所处超导带材接触电阻在5～10000uΩ*cm2可控制；
(2)稳定层厚度可控，在微米甚至纳米级别。相比与无稳定层带材，本发明技术获得包覆有多功能稳定层超导带材厚度增加不高于50um，对工程电流密度影响较小；
(3)通过控制物理气相沉积的工艺可使超导电流保有率Ic≥95％。
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为本发明实施例1一种高温超导带材结构示意图；
图2为本发明实施例2一种高温超导带材结构示意图；
图3为本发明实施例3一种高温超导带材结构示意图；
图4为本发明实施例4一种高温超导带材结构示意图；
图5为本发明对比例1一种高温超导带材结构示意图；
附图标记：
1、超导复合层；2、第一多功能稳定层；3、第二多功能稳定层；4、CuOX第三多功能稳定层；4’、不锈钢第三多功能稳定层；5、Cu第三多功能稳定层；6、CuOX-Cu-CuOX复合膜结构第三多功能稳定层；7、Ag-Cu复合膜层
具体实施方式
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。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。在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开，下面结合具体实施例对本发明进行详细说明：
实施例1
一种接触电阻可控的高温超导带材结构，如图1所示，其制备方法包括如下步骤：
S1、采用物理或化学的方法在平整的金属基带上镀制缓冲层和超导层构成超导复合层1；
S2、通过物理气相沉积镀制多功能稳定层2和多功能稳定层3，材料为金属单质Ag和金属单质Cu；为了调节第二代高温超导带材的接触电阻，在多功能稳定层3外侧再镀一层多功能稳定层4，本实施例中为CuOX，通过CuOX镀膜过程的O气量和镀膜时间来控制多功能稳定层的表面电阻，从而控制第二代高温超导带材超导带材的接触电阻值，本实施例中镀膜方法为磁控搞溅射镀膜，功率1000w，整个稳定层厚度为20um，超导带材接触电阻约1000uΩ*cm2。
S3、根据实际需要在超导复合层1背面镀多功能稳定层5，多功能稳定层可以为单质金属、合金、金属-介质复合膜中的一种或几种,本实施例中为Cu，厚度为2um。
需要指出的是，为了使超导电流保有率Ic≥95％，需要控制多功能稳定层3、多功能稳定层4和多功能稳定层5的温度低于200℃，以防止超导层失氧。
实施例2
一种接触电阻可控的高温超导带材结构，如图2所示，其制备方法包括如下步骤：
S1、采用物理或化学的方法在平整的金属基带上镀制缓冲层和超导层构成超导复合层1；
S2、通过物理气相沉积多功能稳定层4’，4’为合金，通过不同合金的选择，从而控制第二代高温超导带材超导带材的接触电阻值；本实施例中镀膜方法为磁控溅射，溅射功率为1kw，合金材料为不锈钢301S，整个稳定层厚度为20um，超导带材接触电阻约80uΩ*cm2.通过其他合金Ti基合金、Cu基合金、Ni基合金的选择，可以改变接触电阻值。
S3、根据实际需要在超导复合层1背面镀多功能稳定层4’，多功能稳定层可以为单质金属、合金、金属-介质复合膜中的一种或几种,本实施例中为不锈钢，厚度为2um。
多功能稳定层镀膜温度要低于200℃，以防止超导层失氧。
实施例3
一种接触电阻可控的高温超导带材结构，如图3所示，其制备方法包括如下步骤：
S1、采用物理或化学的方法在平整的金属基带上镀制缓冲层和超导层构成超导复合层1；
S2、通过物理气相沉积镀制多功能稳定层3，材料为金属单质Ag和金属单质Cu；为了调节第二代高温超导带材的接触电阻，在多功能稳定层3外侧再镀一层多功能稳定层6，本实施例中为CuOX-Cu-CuOX复合膜结构，通过CuOX镀膜过程的镀膜时间即CuOX的厚度来控制多功能稳定层的表面电阻，从而控制第二代高温超导带材超导带材的接触电阻值；本实施例中镀膜方法为磁控溅射，镀膜功率为1KW，整个稳定层厚度为25um，超导带材接触电阻约5000uΩ*cm2.其他金属-介质膜组合如Cu-CuOx、Cu-Al2O3x、Ti-TiOx、Cu-TiOx等都可以用于该发明。
S3、根据实际需要在超导复合层1背面镀多功能稳定层5，多功能稳定层可以为单质金属、合金、导电氧化物、金属-介质复合膜中的一种或几种,本实施例中为Cu，厚度为2um。
多功能稳定层镀膜温度要低于200℃，以防止超导层失氧。
实施例4
一种接触电阻可控的高温超导带材结构，如图4所示，其制备方法包括如下步骤：
S1、采用物理或化学的方法在平整的金属基带上镀制缓冲层和超导层构成超导复合层1；
S2、通过物理气相沉积镀制多功能稳定层7，本实施例中多功能稳定层7为金属单质Al、Ti、Zr、V、Ta、Nb、Cr、Mo、W、Mn、Cu、Ag、Au、Pt一种或几种；通过对材料的选择来改变多功能稳定层的表面电阻，从而控制第二代高温超导带材的接触电阻值，本实施例中镀膜方法为磁控溅射，镀膜功率为1KW,多功能稳定层为Al,整个稳定层厚度为15um，超导带材接触电阻约50uΩ*cm2；
S3、根据实际需要在超导复合层1背面镀多功能稳定层5，多功能稳定层可以为单质金属、合金、导电氧化物、金属-介质复合膜中的一种或几种,本实施例中为Cu，厚度为2um。
对比例1
一种高温超导带材结构，如图5所示，与实施例1-4的不同之处在于，其制备方法包括如下步骤：
在超导复合层1上通过化学和物理气相沉积镀制多功能稳定层8，一般为Ag金属层和Cu金属层；然后通过连接剂11将保护层10封装在稳定层8外面。保护层10一般为紫铜或不锈钢，厚度为50um，连接剂一般为锡。该实施例的缺点在于：保护层10的整体厚度很厚，两层为100um，是基底和超导层整体厚度的两倍，因此工程电流密度降低为原来的1/3。
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 (3)

1.一种接触电阻可控的高温超导带材结构，其特征在于，包括超导复合层与若干层多功能稳定层；
所述超导复合层包括依次设置的金属基带、缓冲层、超导层；所述多功能稳定层包括金属-介质复合膜，稳定层材料选择弱磁性或无磁性材料；所述金属-介质复合膜包括Cu-CuOx、Cu-Al2O3x、Ti-TiOx、Cu-TiOx 中的一种或多种；
所述多功能稳定层依次通过物理气相沉积法沉积于超导复合层的一侧或两侧；所述多功能稳定层的总厚度小于或等于50um；
所述高温超导带材结构的接触电阻为5~10000uΩ*cm2，超导电流保有率Ic≥95%。
2.根据权利要求1 所述的接触电阻可控的高温超导带材结构，其特征在于，所述基带包括不锈钢、镍钨合金中的一种；所述缓冲层包括氧化铝、氧化钇、氧化镁、锰酸镧中的一种或多种。
3.一种接触电阻可控的高温超导带材结构的制备方法，其特征在于，所述接触电阻可控的高温超导带材结构为权利要求1-2中任意一种，包括如下步骤：
A、在金属基带一侧依次制备缓冲层、超导层得到超导复合层；
B、在超导复合层的表面采用物理气相沉积法镀膜得到多功能稳定层，即得所述接触电阻可控的高温超导带材结构；所述多功能稳定层的镀膜温度小于200℃。
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