CN113257477B - 准各向同性超导带材制备方法、超导带材及超导缆线 - Google Patents

准各向同性超导带材制备方法、超导带材及超导缆线 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种准各向同性超导带材制备方法、超导带材及超导缆线，包括：镀制步骤：在过渡层上镀制超导层，刻蚀步骤：在所述超导层上镀制银层，对所述银层和所述超导层进行刻蚀；或者，对所述超导层进行刻蚀，在刻蚀后的超导层上镀制银层；通过刻蚀得到沿超导带材长度方向延伸的刻蚀图形，所述刻蚀图形具有沿宽度和深度方向的分量；卷绕步骤：沿宽度方向对超导带材进行卷绕。本发明制备的准各向同性超导带材是最小的缆线单元，用起来十分方便，可以轻松的扭绞成更大的复合缆线。

Description

准各向同性超导带材制备方法、超导带材及超导缆线
技术领域
本发明涉及超导技术领域，具体地，涉及一种准各向同性超导带材制备方法、超导带材及超导缆线。
背景技术
以ReBCO(Re为稀土元素)为材料的第二代超导带材，也被称为涂层导体，因其具有相比铋系带材更强的载流能力、更高的磁场性能和更低的材料成本，在医疗、军事、能源等众多领域具备更广更佳的应用前景。第二代超导带材，由于其作为超导载流核心的ReBCO本身硬且脆，所以一般是在镍基合金基底上采用多层覆膜的工艺生产，所以又被称为涂层导体。第二代超导带材一般由基带、缓冲层（过渡层）、超导层以及保护层组成。金属基底的作用是为带材提供优良的机械性能。过渡层的作用一方面是防止超导层与金属基底发生元素间的相互扩散，另一方面最上方的过渡层需为超导层的外延生长提供好的模板，提高YBCO晶粒排列质量。制备超导性能优良的涂层导体，需要超导层具有一致的双轴织构。双轴织构是指晶粒在a/b轴和c轴（c轴垂直于a/b面）两个方向均有着近乎一致的排列。由于YBCO薄膜在a/b轴方向的排列程度（面内织构）相对较难实现，而面内织构较差会严重降低超导性能。因此需要YBCO超导薄膜在已经具有双轴织构和匹配晶格的过渡层上外延生长。制备实现双轴织构有两种主流的技术路线，一种是轧制辅助双轴织构基带技术，另一种为离子束辅助沉积技术。ReBCO超导层制备的常见技术分为多种，有脉冲激光沉积、金属有机物化学气相沉积、反应共蒸发等。保护层主要是用来保护超导膜层，一般在超导带材表面镀1-5μm的银层。
然而这些超导带材，由于其本身材料或者制作工艺的限制还存在着有许多弱点，尤其在将其应用到具体的超导应用装置中，这些材料在加工中需要经过接头制作，绕制线圈，环氧浸渍，真空浇筑，在应用中需要急冷急热，大量冷热循环，受到大磁场所带来的应力，大电流的冲击等等复杂的工况环境。可以说纯粹经过初步银保护的超导带材，其性能远远不能满足实际超导带材应用的工况，尤其是电学和力学方面的性能。因此在此基础上普遍的做法是对其进行表面镀铜处理，即在已经镀银的超导带材表面电镀1-80μm的铜层。
二代带材由于是涂层材料，超导层宽度为10-12mm，厚度仅为1-2μm。这会在使用中造成很多问题。高温超导材料具有强烈的各向异性，在直流磁场中，临界电流Ic(B, θ)随磁场大小和方向变化。平行场下带材的临界电流比垂直场带材的电流大数倍。这给磁体的设计应用带来了一定的困难。
在传输交流电流或处于交变磁场中，或存在电磁扰动时，超导将产生交流损耗。损耗。从物理本质上讲，交流损耗一般可分为磁滞损耗，涡流损耗和耦合损耗等。带材的宽度越宽，交流损耗越大。
在大型的磁体中，带材的变平结构会引发超导屏蔽电流，不仅会造成众所周知的严重磁场畸变问题，还可能导致致命的局部应变。在高场磁体中，带材由于巨大的宽厚比会导致屏蔽电流耦合场的主要问题有：1、主磁场扰动，相比原始目标场，屏蔽电流耦合场降低了磁场通量，均匀度波动(场误差)2、主场漂移，即随着屏蔽电流耦合场磁化强度衰减，主孔通量密度随时间增加。3、局部带洛伦兹力不均匀，即屏蔽电流耦合场产生空间不均匀的径向应力，导致单个带材的局部带应变不均匀。
如图1所示，为了解决上述问题，需要将带材进行宽度方向上的卷绕，然而在实际情况下，超导带材转弯直径最小是4mm（保证超导不坏） ，而带材的宽度10-12mm，周长=πd=4mm*3.14 ＞12mm，即超导带材实际连一圈都卷绕不了。
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准各向同性超导带材制备方法、超导带材及超导缆线。
根据本发明提供的一种准各向同性超导带材制备方法，包括：
镀制步骤：在过渡层上镀制超导层，
刻蚀步骤：在所述超导层上镀制银层，对所述银层和所述超导层进行刻蚀；或者，对所述超导层进行刻蚀，在刻蚀后的超导层上镀制银层；通过刻蚀得到沿超导带材长度方向延伸的刻蚀图形，所述刻蚀图形具有沿宽度和深度方向的分量；
卷绕步骤：沿宽度方向对超导带材进行卷绕。
优选地，还包括在刻蚀前或刻蚀后镀制保护层包裹超导带材。
优选地，所述刻蚀包括：激光刻蚀、化学刻蚀或机械刻蚀。
优选地，在所述卷绕步骤之后还包括：
浸渍加工步骤：用焊锡浸填充卷绕后的超导带材，或将多个卷绕后的超导带材扭绞成二级缆线后再浸渍。
优选地，所述刻蚀图形包括截面呈三角形或方形的沟槽。
优选地，所述三角形包括直角三角形。
优选地，所述刻蚀图形的宽度为超导带材厚度的两倍。
优选地，相邻所述刻蚀图形之间的间距包括5-200μm。
根据本发明提供的一种超导带材，采用上述的准各向同性超导带材制备方法制备得到。
根据本发明提供的一种超导缆线，将多个采用上述的准各向同性超导带材制备方法制备得到的超导带材扭绞在一起得到。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明制备的准各向同性超导带材是最小的缆线单元，用起来十分方便，可以轻松的扭绞成更大的复合缆线。
2、缆线截面呈圆形、椭圆形或方形，不像带材一样有较大大的宽厚比。在磁场下准各向同性，绕制线圈轻松方便。
3、由于实际每个面的超导层的宽度很小，在磁场下使用屏蔽电流很小。提高了磁体的磁场扰动和漂移。
4、由于实际每个面的超导层的宽度很小，在交流系统中降低了交流损耗。
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为期望得到的超导带材卷绕结构示意图；
图2为本发明刻蚀后的超导带材结构示意图；
图3为本发明一种实施例下的电子显微镜示意图；
图4为一种卷绕结构的示意图；
图5为一种扭绞的示意图；
图6为另一种扭绞结构的示意图。
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。
要减小超导带材的最小弯曲半径，通常的研究方向有两个：1、从根本上改变超导带材的材料；2、改变超导带材的结构。从技术难度上来说，超导的理论已经较为成熟，在材料上取得突破的难度非常大。因此，通过改变超导带材的结构来降低最小弯曲半径是较为可行的方式。
以常规材料的卷绕来说，通过开槽来降低最小弯曲半径是已知的技术，此时槽两边的材料就能够向槽内获取更多的弯曲空间。然而，若在超导带材的表面直接进行开槽会损伤超导层形成缺陷，虽然可以减少最小弯曲半径，但是超导层的损伤也会一定程度的减小超导带材的临界电流。同时，发明人用SEM观察发现，划刻的边缘的超导膜层上会形成裂纹，由于超导带材在应用过程中会受到降温冷热循环的应力，以及在通电后受到电磁应力，在使用一段时间后，通常会由于发生疲劳而发生性能的退降进而发生损坏。且卷绕的拉伸应力也会让裂纹从边缘裂纹处开始扩展，增大到某一临界值，裂纹贯穿均布在带材表面。
如图2和图3所示，本发明提供的一种准各向同性超导带材制备方法，包括：
镀制步骤：在过渡层上镀制超导层。
刻蚀步骤：在超导层上镀制银层，对银层和超导层进行刻蚀；或者，对超导层进行刻蚀，在刻蚀后的超导层上镀制银层；通过刻蚀得到沿超导带材长度方向延伸的刻蚀图形5，刻蚀图形5具有沿宽度和深度方向的分量。刻蚀的方式包括：激光刻蚀、化学刻蚀或机械刻蚀，本发明优选激光刻蚀，其原因在于化学刻蚀不易控制切会惨了化学物质，机械刻蚀容易导致切口处碎裂。本发明先镀制超导层，再进行刻蚀，如此可以使刻蚀开口处不易在卷绕过程中碎裂。
卷绕步骤：沿宽度方向对超导带材进行卷绕。
浸渍加工步骤：用焊锡浸填充卷绕后的超导带材，或将多个卷绕后的超导带材扭绞成二级缆线后再浸渍。
在本发明中，在刻蚀前或刻蚀后镀制保护层包裹超导带材，将超导带材保护起来。
刻蚀图形包括截面呈三角形或方形的沟槽，三角形包括直角三角形，这样折叠起来没缝隙。刻蚀图形的宽度为超导带材厚度的两倍，从而可以使卷绕的角度更大。相邻刻蚀图形之间的间距包括5-200μm，避免对超导层进行破坏。
如图4所示，卷绕前的带材厚度 45μm，考虑到卷绕产生的间隙5μm，一共按50μm的总厚度来算，以刻蚀的位置来看，在距离带材一侧边缘100μm处刻蚀第一道刻蚀图形51（图中左上角位置），距离第一道刻蚀图形100μm处刻蚀第二道刻蚀图形52（图中右上角位置），如此类推在距离第一道刻蚀图形150μm、200μm、200μm处依次进行刻蚀，200μm处为两道方向不同的刻蚀图形。刻蚀完成后，从间距最短的两道刻蚀图形开始卷绕，使刻蚀图形正好处于卷绕时的每个转角位置，使刻蚀图形左右两侧的带材利用刻蚀图形提供的空间能够相互靠近、接触，最终卷绕呈图4所示的形状。
在图4的基础上，可以将多个卷绕好的超导带材一起进一步扭绞成图5所示的卢瑟福电缆，或者们也可以将多个卷绕好的超导带材一起进一步扭绞成图6所示的利兹电缆，也可以是其他未示出的结构，技术人员只需保证超导带材自身卷绕的结构以及扭绞在一起的结构中，超导带材的膜层不破裂。
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 (10)

1.一种准各向同性超导带材制备方法，其特征在于，包括：
镀制步骤：在过渡层上镀制超导层；
刻蚀步骤：在所述超导层上镀制银层，对所述银层和所述超导层进行刻蚀；或者，对所述超导层进行刻蚀，在刻蚀后的超导层上镀制银层；通过刻蚀得到沿超导带材长度方向延伸的刻蚀图形，所述刻蚀图形具有沿宽度和深度方向的分量；
卷绕步骤：沿宽度方向对超导带材进行卷绕。
2.根据权利要求1所述的准各向同性超导带材制备方法，其特征在于，还包括在刻蚀前或刻蚀后镀制保护层包裹超导带材。
3.根据权利要求1所述的准各向同性超导带材制备方法，其特征在于，所述刻蚀包括：激光刻蚀、化学刻蚀或机械刻蚀。
4.根据权利要求1所述的准各向同性超导带材制备方法，其特征在于，在所述卷绕步骤之后还包括：
浸渍加工步骤：用焊锡浸填充卷绕后的超导带材，或将多个卷绕后的超导带材扭绞成二级缆线后再浸渍。
5.根据权利要求1所述的准各向同性超导带材制备方法，其特征在于，所述刻蚀图形包括截面呈三角形或方形的沟槽。
6.根据权利要求5所述的准各向同性超导带材制备方法，其特征在于，所述三角形包括直角三角形。
7.根据权利要求1所述的准各向同性超导带材制备方法，其特征在于，所述刻蚀图形的宽度为超导带材厚度的两倍。
8.根据权利要求1所述的准各向同性超导带材制备方法，其特征在于，相邻所述刻蚀图形之间的间距包括5-200μm。
9.一种超导带材，其特征在于，采用权利要求1所述的准各向同性超导带材制备方法制备得到。
10.一种超导缆线，其特征在于，将多个采用权利要求1所述的准各向同性超导带材制备方法制备得到的超导带材扭绞在一起得到。
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