CN112217079B - 一种稀土钡铜氧超导带材的低阻连接方法 - Google Patents

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Abstract

一种稀土钡铜氧超导带材的低阻连接方法，其步骤主要是：A、预处理：将两根带材靠近超导层一侧的端部划定接头区域，通过丝网印版在接头区域涂敷纳米银膏；然后将两根金属保护层只有银层的超导银带材的接头区域搭接形成预接头；再将该预接头进行加热干燥，形成干预接头；B、焊接：将接头夹具以1‑5℃/min升温速率升温至150‑200℃，保温15‑40min；再将干预接头置于接头夹具中，通过接头夹具向干预接头施加10‑40MPa的压力，保温保压5‑30min，形成焊接接头；C、封装：在焊接接头及两根带材的外表面包覆Cu金属层，即实现带材的连接。该法操作简单、效率高，且连接得到的带材，其接头电阻低，机械性能好。

Description

一种稀土钡铜氧超导带材的低阻连接方法
技术领域
本发明涉及一种稀土钡铜氧超导带材的连接方法。
背景技术
稀土钡铜氧(REBCO)高温超导带材在液氮温区具有较高的临界电流密度和不可逆场，在超导输电、超导储能等方面有广阔的应用前景。REBCO高温超导带材的结构是：基底层、基底层上生长的至少一层缓冲层和缓冲层上生长的超导层构成带材主体；带材主体的外表面先包裹银层，再包裹铜层，构成金属保护层。REBCO高温超导带材如此复杂的层状结构，使直接制备高载流密度的千米级以上的长带材(长带)相当困难：其成品率低，成本高。目前，主要是通过制备带材间的低阻接头实现带材的高品质连接以解决REBCO长带应用问题。
REBCO高温超导带材低阻接头的制备技术，主要包括超导接头技术和非超导接头技术。超导接头技术指将REBCO带材接头处的两部分超导层在一定压力下直接连接，获得的接头具有无阻(超导)载流特性，可在闭环持续电流模式下应用，是带材连接技术的发展目标之一。但由于复杂的连接工艺和长达数百小时的制备时间，离实际应用还有很长距离。非超导接头技术获得的接头具有低阻(而非无阻)载流特性，主要分为钎焊和银层扩散焊两种技术。其中钎焊技术采用低熔点焊剂将REBCO带材的金属保护层(外Cu、内Ag)焊接以实现其连接，简单易行且耗时短，是目前被广泛采用的REBCO带材的连接方式。但由于钎焊焊料的电阻率远大于带材金属保护层Ag和Cu的电阻率，且焊料与带材稳定层间的界面电阻也不可忽略，钎焊接头的电阻进一步降低的空间有限；而较大的接头电阻导致的电流损耗和能量耗散不可忽视，不能用于对磁场稳定性要求较高的场景。银层扩散连接技术是将两根带材的银保护层，在400～600℃氧气环境中面对面贴合施压，通过银层之间的相互扩散实现接头连接。与钎焊技术相比，银层扩散连接技术避免了焊料本身电阻及焊料与稳定层的界面电阻，适于制备电阻更低的接头。但是银层扩散焊的工艺较为复杂，焊接时间相对较长(通常大于1h)，且需要气氛保护，大大增加了实际应用的难度和成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种稀土钡铜氧超导带材的低阻连接方法，该方法操作简单、连接效率高，且连接得到的稀土钡铜氧高温超导带材，其接头电阻低，机械性能好。
本发明实现其发明目的所采用的技术方案是，一种稀土钡铜氧超导带材的低阻连接方法，其步骤是：
A、预处理：将两根带材靠近超导层一侧的端部划定接头区域，通过丝网印刷机的丝网印版在接头区域涂敷纳米银膏；然后将两根超导银带材的接头区域贴合搭接形成弱连接的预接头；再将该预接头进行加热干燥，形成干预接头；所述的带材为金属保护层只有银层的稀土钡铜氧超导带材；
B、焊接：将接头夹具以1-5℃/min升温速率升温至150-200℃，并保温15-40min；然后将所述的干预接头置于接头夹具中，再通过接头夹具向干预接头施加10-40MPa的压力，并保温保压5-30min，形成连接紧密的焊接接头；
C、封装：在焊接接头及两根带材的外表面包覆Cu金属层，即实现稀土钡铜氧超导带材的低阻连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、本发明利用纳米银膏作为连接材料，纳米银膏在烧结(焊接)过程中直接与带材本身的银层键合，形成同质的烧结体，有效降低接头的接触电阻并增强接头的力学强度。与传统的银扩散焊相比，本发明焊接温度低(150-200℃)，时间短(5-30min)，且无需气氛保护；其操作简单，连接成本低，效率高。
二、本发明采用丝网印版进行纳米银膏的涂覆，保证了接头区域涂覆的银膏均匀、厚度一致，进一步保证了带材接头区域的银层键合，形成均匀、一致的同质烧结体，使接头的电性能和机械性能进一步增强。
三、焊接前，先将接头夹具以1-5℃/min升温速率升温至150-200℃，并保温15-40min；再将干预接头置于接头夹具中，进行后续的保温保压焊接操作。使得保温保压焊接时，接头区域的银膏及银层温度更加均匀、恒定，也进一步确保了接头区域银键合，形成更优良的银同质烧结体，提高了焊接质量。同时，两根超导银带材涂覆银膏的接头区域贴合搭接形成弱连接的预接头；需进行加热干燥形成干预接头后，再置于接头夹具中进行焊接，避免了保温保压焊接时，银膏中的液态物不均匀挥发，导致接头区域的银膏及银层难以迅速、均匀的升温至设定温度，以及液态物挥发形成孔隙，影响纳米银烧结质量的问题；进而进一步保证了焊接质量。
本发明仅加热带材的接头区域，也保证了整个焊接过程对带材的超导性能无影响。
四、连接的带材是尚未包裹Cu金属层、只有银金属层的带材，既省掉了打磨去掉Cu金属层的操作，降低了连接成本，提高了连接效率；更主要的是避免了Cu金属层打磨时存在的诸多问题：打磨不够，存在剩余Cu金属，会提高连接电阻，降低连接质量；打磨过度，打磨掉银金属，降低了银层的连接、键合质量，也会提高连接电阻；打磨用力大，可能会造成超导层的机械破裂和应力损伤，降低带材连接的成功率和合格率。连接完成后，才对整个带材及接头包裹Cu金属层，以保证带材的力学性能。进而本发明明显的提高了带材连接的质量和可靠性。
测试结果表明，本发明连接的带材，其接头处的单位面积电阻小于40nΩ·cm2。
进一步，本发明A步中涂敷纳米银膏的具体做法是：
A1、用洗银水擦拭接头区域，去除接头区域表面的氧化物；然后用无水乙醇清洁残留的洗银水和其它污染物；
A2、所述的丝网印版厚度为20-100μm，将所述的丝网印版置于接头区域上，并用刮刀在丝网印版上刮涂纳米银膏，使纳米银膏透过丝网印版均匀涂敷在接头区域上，形成20-100μm厚的纳米银膏层。
这种均匀一致的20-100μm厚的接头区域的纳米银膏层，进一步保证了带材接头区域的银层键合，形成均匀、一致的同质烧结体，使接头电阻降低，接头处的机械性能也得以提高。
进一步，本发明A步的接头区域的起点为带材的端头，长度为10-200mm，宽度与带材宽度相同。
这种接触面积和位置的搭接接头，既满足了接头电阻低的要求，又避免了银膏和能源的浪费。
更进一步，本发明A步的加热干燥的温度为50-100℃、时间为5-10min。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细的说明。
附图说明
图1是本发明的两根带材连接形成预接头时的侧向剖视结构示意图。
图2是本发明两根带材连接完成后的接头处的断面结构示意图。
图2、图3中附图标号与结构层的对应关系为：1-基底层、2-缓冲层、3-超导层、4-银层、5-纳米银膏层、6-铜层。
图3是本发明实施例1连接形成的带材接头沿连接界面剖切的剖面的扫描电镜图。
具体实施方式：
实施例1
图1-图2示出，本发明的一种具体实施方式为，一种稀土钡铜氧超导带材的低阻连接方法，其步骤是：
A、预处理：将两根带材靠近超导层一侧的端部划定接头区域，通过丝网印刷机的丝网印版在接头区域涂敷纳米银膏；然后将两根超导银带材的接头区域贴合搭接形成弱连接的预接头；所述的带材为金属保护层只有银层的稀土钡铜氧超导带材；
其中，接头区域的起点为带材的端头，长度为100mm，宽度与带材的宽度相同，为4mm。
其中，涂敷纳米银膏的具体做法是：
A1、用洗银水擦拭接头区域，去除接头区域表面的氧化物；然后用无水乙醇清洁残留的洗银水和其它污染物；
A2、所述的丝网印版厚度为90μm，将所述的丝网印版置于接头区域上，并用刮刀在丝网印版上刮涂纳米银膏，使纳米银膏透过丝网印版均匀涂敷在接头区域上，形成90μm厚的纳米银膏层。
再将预接头进行温度为70℃、时间为10min的加热干燥，形成干预接头；
B、焊接：将接头夹具以4℃/min升温速率升温至180℃，并保温30min；然后将所述的干预接头置于接头夹具中，再通过接头夹具向干预接头施加40MPa的压力，并保温保压20min，形成连接紧密的焊接接头；
C、封装：在焊接接头及两根带材的外表面包覆Cu金属层，即实现稀土钡铜氧超导带材的低阻连接。
图3为本例连接形成的带材接头沿连接界面剖切的剖面的扫描电镜图，图3表明连接处形成了均匀、致密的银层，表明其焊接质量高。经测试，本例连接得到的超导带材的接头的单位面积电阻为30nΩ·cm2。
实施例2
一种稀土钡铜氧超导带材的低阻连接方法，其步骤是：
A、预处理：将两根带材靠近超导层一侧的端部划定接头区域，通过丝网印刷机的丝网印版在接头区域涂敷纳米银膏；然后将两根超导银带材的接头区域贴合搭接形成弱连接的预接头；所述的带材为金属保护层只有银层的稀土钡铜氧超导带材；
其中，接头区域的起点为带材的端头，长度为20mm，宽度与带材的宽度相同，为4mm。
其中，涂敷纳米银膏的具体做法是：
A1、用洗银水擦拭接头区域，去除接头区域表面的氧化物；然后用无水乙醇清洁残留的洗银水和其它污染物；
A2、所述的丝网印版厚度为60μm，将所述的丝网印版置于接头区域上，并用刮刀在丝网印版上刮涂纳米银膏，使纳米银膏透过丝网印版均匀涂敷在接头区域上，形成60μm厚的纳米银膏层。
再将预接头进行温度为90℃、时间为7min的加热干燥，形成干预接头；
B、焊接：将接头夹具以2℃/min升温速率升温至200℃，并保温40min；然后将所述的干预接头置于接头夹具中，再通过接头夹具向干预接头施加30MPa的压力，并保温保压30min，形成连接紧密的焊接接头；
C、封装：在焊接接头及两根带材的外表面包覆Cu金属层，即实现稀土钡铜氧超导带材的低阻连接。
经测试，本例连接得到的超导带材的接头的单位面积电阻为36nΩ·cm2。
实施例3
一种稀土钡铜氧超导带材的低阻连接方法，其步骤是：
A、预处理：将两根带材靠近超导层一侧的端部划定接头区域，通过丝网印刷机的丝网印版在接头区域涂敷纳米银膏；然后将两根超导银带材的接头区域贴合搭接形成弱连接的预接头；所述的带材为金属保护层只有银层的稀土钡铜氧超导带材；
其中，接头区域的起点为带材的端头，长度为10mm，宽度与带材的宽度相同，为4mm。
其中，涂敷纳米银膏的具体做法是：
A1、用洗银水擦拭接头区域，去除接头区域表面的氧化物；然后用无水乙醇清洁残留的洗银水和其它污染物；
A2、所述的丝网印版厚度为80μm，将所述的丝网印版置于接头区域上，并用刮刀在丝网印版上刮涂纳米银膏，使纳米银膏透过丝网印版均匀涂敷在接头区域上，形成80μm厚的纳米银膏层。
再将预接头进行温度为100℃、时间为5min的加热干燥，形成干预接头；
B、焊接：将接头夹具以4℃/min升温速率升温至200℃，并保温40min；然后将所述的干预接头置于接头夹具中，再通过接头夹具向干预接头施加30MPa的压力，并保温保压30min，形成连接紧密的焊接接头；
C、封装：在焊接接头及两根带材的外表面包覆Cu金属层，即实现稀土钡铜氧超导带材的低阻连接。
经测试，本例连接得到的超导带材的接头的单位面积电阻为40nΩ·cm2。
实施例4
一种稀土钡铜氧超导带材的低阻连接方法，其步骤是：
A、预处理：将两根带材靠近超导层一侧的端部划定接头区域，通过丝网印刷机的丝网印版在接头区域涂敷纳米银膏；然后将两根超导银带材的接头区域贴合搭接形成弱连接的预接头；所述的带材为金属保护层只有银层的稀土钡铜氧超导带材；
其中，接头区域的起点为带材的端头，长度为100mm，宽度与带材的宽度相同，为10mm。
其中，涂敷纳米银膏的具体做法是：
A1、用洗银水擦拭接头区域，去除接头区域表面的氧化物；然后用无水乙醇清洁残留的洗银水和其它污染物；
A2、所述的丝网印版厚度为60μm，将所述的丝网印版置于接头区域上，并用刮刀在丝网印版上刮涂纳米银膏，使纳米银膏透过丝网印版均匀涂敷在接头区域上，形成60μm厚的纳米银膏层。
再将预接头进行温度为80℃、时间为10min的加热干燥，形成干预接头；
B、焊接：将接头夹具以3℃/min升温速率升温至190℃，并保温35min；然后将所述的干预接头置于接头夹具中，再通过接头夹具向干预接头施加20MPa的压力，并保温保压25min，形成连接紧密的焊接接头；
C、封装：在焊接接头及两根带材的外表面包覆Cu金属层，即实现稀土钡铜氧超导带材的低阻连接。
经测试，本例连接得到的超导带材的接头的单位面积电阻为25nΩ·cm2。
实施例5
一种稀土钡铜氧超导带材的低阻连接方法，其步骤是：
A、预处理：将两根带材靠近超导层一侧的端部划定接头区域，通过丝网印刷机的丝网印版在接头区域涂敷纳米银膏；然后将两根超导银带材的接头区域贴合搭接形成弱连接的预接头；所述的带材为金属保护层只有银层的稀土钡铜氧超导带材；
其中，接头区域的起点为带材的端头，长度为200mm，宽度与带材的宽度相同，为10mm。
其中，涂敷纳米银膏的具体做法是：
A1、用洗银水擦拭接头区域，去除接头区域表面的氧化物；然后用无水乙醇清洁残留的洗银水和其它污染物；
A2、所述的丝网印版厚度为100μm，将所述的丝网印版置于接头区域上，并用刮刀在丝网印版上刮涂纳米银膏，使纳米银膏透过丝网印版均匀涂敷在接头区域上，形成100μm厚的纳米银膏层。
再将预接头进行温度为80℃、时间为10min的加热干燥，形成干预接头；
B、焊接：将接头夹具以3℃/min升温速率升温至190℃，并保温35min；然后将所述的干预接头置于接头夹具中，再通过接头夹具向干预接头施加10MPa的压力，并保温保压25min，形成连接紧密的焊接接头；
C、封装：在焊接接头及两根带材的外表面包覆Cu金属层，即实现稀土钡铜氧超导带材的低阻连接。
实施例6
一种稀土钡铜氧超导带材的低阻连接方法，其步骤是：
A、预处理：将两根带材靠近超导层一侧的端部划定接头区域，通过丝网印刷机的丝网印版在接头区域涂敷纳米银膏；然后将两根超导银带材的接头区域贴合搭接形成弱连接的预接头；所述的带材为金属保护层只有银层的稀土钡铜氧超导带材；
其中，接头区域的起点为带材的端头，长度为100mm，宽度与带材的宽度相同，为10mm。
其中，涂敷纳米银膏的具体做法是：
A1、用洗银水擦拭接头区域，去除接头区域表面的氧化物；然后用无水乙醇清洁残留的洗银水和其它污染物；
A2、所述的丝网印版厚度为20μm，将所述的丝网印版置于接头区域上，并用刮刀在丝网印版上刮涂纳米银膏，使纳米银膏透过丝网印版均匀涂敷在接头区域上，形成20μm厚的纳米银膏层。
再将预接头进行温度为50℃、时间为8min的加热干燥，形成干预接头；
B、焊接：将接头夹具以1℃/min升温速率升温至150℃，并保温15min；然后将所述的干预接头置于接头夹具中，再通过接头夹具向干预接头施加40MPa的压力，并保温保压5min，形成连接紧密的焊接接头；
C、封装：在焊接接头及两根带材的外表面包覆Cu金属层，即实现稀土钡铜氧超导带材的低阻连接。

Claims (3)

1.一种稀土钡铜氧超导带材的低阻连接方法，其步骤是：
A、预处理：将两根带材靠近超导层一侧的端部划定接头区域，通过丝网印刷机的丝网印版在接头区域涂敷纳米银膏；然后将两根超导带材的接头区域贴合搭接形成弱连接的预接头；再将该预接头进行加热干燥，形成干预接头；所述的带材为金属保护层只有银层的稀土钡铜氧超导带材；
所述A步中涂敷纳米银膏的具体做法是：
A1、用洗银水擦拭接头区域，去除接头区域表面的氧化物；然后用无水乙醇清洁残留的洗银水和其它污染物；
A2、所述的丝网印版厚度为20-100μm，将所述的丝网印版置于接头区域上，并用刮刀在丝网印版上刮涂纳米银膏，使纳米银膏透过丝网印版均匀涂敷在接头区域上，形成20-100μm厚的纳米银膏层；
B、焊接：将接头夹具以1-5℃/min升温速率升温至150-200℃，并保温15-40min；然后将所述的干预接头置于接头夹具中，再通过接头夹具向干预接头施加10-40MPa的压力，并保温保压5-30min，形成连接紧密的焊接接头；
C、封装：在焊接接头及两根带材的外表面包覆Cu金属层，即实现稀土钡铜氧超导带材的低阻连接。
2.如权利要求1所述的一种稀土钡铜氧超导带材的低阻连接方法，其特征在于：所述A步的接头区域的起点为带材的端头，长度为10-200mm，宽度与带材宽度相同。
3.如权利要求1所述的一种稀土钡铜氧超导带材的低阻连接方法，其特征在于：所述A步的加热干燥的温度为50-100℃、时间为5-10min。
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