CN113327716A - 一种增加高温超导窄堆线层间结合力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种增加超导窄堆线层间结合力的方法，所述方法包括如下步骤：S1、将等宽度的超导带材和其他金属带材堆叠后经过锡炉镀锡封装成高温超导窄堆线；S2、在S1所得的窄堆线表面进行打孔，所述孔为通孔；S3、对S2所得的窄堆线的通孔进行重新封装即可。采用本发明提出的给窄堆线打孔后，镀锡封装的方式，贯穿窄堆线上下所有层形成“焊锡柱”，既不影响窄堆线的重量和体积，也不会大幅增加制作成本，给实际工程应用提供了可行性；在扭绞、弯曲等机械操作中，“焊锡柱”相较金属包套体积更小、韧性更高，更能够适应工况下的应用需求。

Description

一种增加高温超导窄堆线层间结合力的方法

技术领域

本发明属于超导电工技术领域，具体涉及一种增加高温超导窄堆线层间结合力的方法。

背景技术

高温超导带材自发现以来，其研制和生产已取得显著成果。目前，其批量化生产已基本实现。尽管高温超导带材拥有远远超过常规导体的载流能力，但是单根高温超导线材的制备依然需要将多根高温超导带材通过堆叠的方式组合在一起，以达到更好的载流能力和更高的物理强度。

因此，为了满足上述要求，“高温超导窄堆线”实现了将多根相同宽度的超导带材面对面堆叠，并在其中加入数根相同宽度的其他金属材料的带材，如紫铜、黄铜、不锈钢带，并经过堆叠镀锡封装后，制备成截面为方形的超导线材。但由于经过镀锡封装后，窄堆线的各超导层、其他金属层之间的结合力有所差异，且在实际复杂的工况下，因扭绞、弯曲等操作引发的各层所受机械应力也不尽相同，这就十分容易导致窄堆线各层间的分离，影响窄堆线在实际工程应用中的鲁棒性。

因此，本发明提出一种工艺，将堆叠后的窄堆线打若干小孔，贯穿各层，然后再镀锡封装，焊锡冷却固化后形成贯穿各超导层的“焊锡柱”，以此加强窄堆线各层间的结合力。

此工艺操作简便，制备的线材临界电流仍保持在原线材的95％以上，且各层间的结合力大，机械强度高。通过这种制作工艺制成的具有高层间结合力的高温超导窄堆线可以应用于大型电力设备中。

经过检索发现，当前尚没有关于增强高温超导窄堆线层间结合力的研究，亦无公开的专利和文献。但有部分类似的专利和文献，其主要内容如下：

中国专利申请号：CN201610727012，专利名称：《混合堆叠制备高温超导线的方法》。该专利自述为：混合堆叠制备高温超导线的方法包括以下步骤：S1、将高温超导带材进行切割；S2、将切割后的高温超导带材与其它金属带材进行面对面的堆叠；S3、将堆叠好的带材进行封装，即得所述高温超导线。基于现有的超导带材生产工艺，在基本不改变带材生产成本和研发费用的情况下，通过对超导线材宏观结构的改变，改变其堆叠的成分，实现线材的自我保护能力，同时增强其物理特性，但此专利描述的是将超导带材封装成窄堆线的工艺，并不涉及增强窄堆线层间的结合力。

中国专利申请号：CN201710295657，专利名称：《提高第二代高温超导带材层间结合力的处理方法》。该专利自述为：提供一种提高第二代高温超导带材层间结合力的处理方法，其包括如下步骤：以织构柔性带材为基材，对带材表面的氧化物层进行刻蚀，控制刻蚀的深度、宽度以及图案；采用刻蚀后的织构柔性带材沉积超导薄膜。与现有技术相比，有如下的有益效果：1、采用该制备技术获得第二代高温超导带材层间结合力提高1倍以上，且载流能力衰减在20％以下；2、采用该制备技术制备第二代高温超导带材，对后续制备超导薄膜的结构和制备工艺无影响，但专利描述的是提高单根第二代高温超导带材不同层间的工艺，也不涉及增强窄堆线层间的结合力。

中国专利申请号：CN201811455986，专利名称：《一种金属铠装的高温超导线及其制备方法》。该专利自述为：设计一种金属铠装的高温超导线的制备方法，包括以下步骤：步骤1：将第二代高温超导带材用高温焊锡进行堆叠焊接，制得超导线；步骤2：采用低温焊锡用金属对所述超导线进行铠装，得到金属铠装的高温超导线。用该制备方法得到的金属铠装的高温超导线扭绕后内部带材结合紧密，未变形，且其临界电流与铠装前的超导线临界电流之比高于95％，解决了现有的超导线的超导带材因堆叠的结合力不足，而导致其无法满足侧向扭绕的技术问题；但此专利描述的是利用金属包套超导堆叠导线实现结合力增强的工艺，使用的超导带材宽度为40mm到100mm不等；因其需要额外的金属包套，对较窄的宽度的超导带材则效果不明显。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种增加高温超导窄堆线层间结合力的方法。

本发明的目的可以通过以下方案来实现：

一方面，本发明涉及一种增加高温超导窄堆线层间结合力的方法，所述方法包括如下步骤：

S1、将超导带材和其他金属带材堆叠后封装成高温超导窄堆线；

S2、在S1所得的窄堆线表面进行打孔，所述孔为通孔；

S3、对S2所得的窄堆线的通孔进行重新封装即可。

作为本发明的一个实施方案，步骤S2中，所述封装为锡炉镀锡封装。

作为本发明的一个实施方案，步骤S2中，所述打孔的方式为通过机械冲头对带材表面进行打孔，所述通孔包括第一通孔和第二通孔。其中，机械冲头的形状为固定形状。

作为本发明的一个实施方案，所述第一通孔的个数为2个或2个以上；且第一通孔均位于窄堆线表面的宽度方向上的中心处。

作为本发明的一个实施方案，所述第二通孔的个数为2个或2个以上；所述第二通孔位于相邻的两个第一通孔的连线的垂直平分线上，且每条相邻的两个第一通孔的连线的垂直平分线上的第二通孔为两个。

作为本发明的一个实施方案，所述第二通孔的中心与窄堆线表面宽度方向的边的距离为窄堆线宽度的7％-13％。

作为本发明的一个实施方案，所述第一通孔与窄堆线表面长度方向任意一侧相邻的两个第二通孔的连线为等边三角形。

作为本发明的一个实施方案，所述第一通孔的孔径为带材宽度的20％-25％，所述第二通孔的孔径为带材宽度的10％-18％。

作为本发明的一个实施方案，所述第一通孔的孔径为带材宽度的五分之一，所述第二通孔的孔径为带材宽度的六分之一。

作为本发明的一个实施方案，S2中，所述通孔的形状为圆形或者椭圆形孔洞，其中椭圆长轴与窄堆线长度方向平行，短轴与宽度方向平行。

作为本发明的一个实施方案，所述通孔的形状为圆形。

作为本发明的一个实施方案，步骤S3中，所述封装的方法为锡焊封装。

目前，提高高温超导窄堆线层间结合力的方式有铠装包套的方式，该方式对宽度较大的高温超导窄堆线有一定的增强层间结合力的效果，但与此同时也大大增加了窄堆线的制备成本——窄堆线的长度越大、宽度越大，所耗费的铠装金属材料、耗费的低温焊锡就越多；与此同时也会导致窄堆线的重量大幅上升。更重要的是，给高温超导窄堆线铠装金属层后，不利于窄堆线在通流时的散热，这对于实际工况中大通流情况下的应用十分不利，无法发挥窄堆线的最大载流能力。此外，对于宽度较小(4mm到10mm)的窄堆线，采用金属铠装的方式也有十分明显的局限性：由于窄堆线宽度较小，金属铠装后的窄堆线经过扭绞、弯曲，再想要恢复原状后，外部的金属铠装包套不易恢复平整，严重影响了金属包套的使用次数和寿命，使得金属铠装包套的方式在宽度较小的窄堆线中不具有较强的实用价值。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1)采用本发明提出的给窄堆线打孔后，镀锡封装的方式，贯穿窄堆线上下所有层形成“焊锡柱”，避免了使用金属铠装的方式，既不影响窄堆线的重量和体积，也不会大幅增加制作成本，给实际工程应用提供了可行性。

2)在电气参量上，由于没有采用金属包套的方式，窄堆线在通流时能够充分和液氮接触，且“焊锡柱”也能够将外界的液氮温度更高速地传导到各超导层上，有效地降低了超导带材因过热产生失超的可能性，提高了窄堆线的载流能力。

3)在扭绞、弯曲等机械操作中，“焊锡柱”相较金属包套体积更小、韧性更高，更能够适应工况下的应用需求。

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：

附图1为高温超导窄堆线示意图；

附图2为实施例1的窄堆线表面打孔位置俯视图；

附图3为实施例1含有“焊锡柱”的高温超导窄堆线的示意图；

其中，1-铜带；2-第二代高温超导带材，3-第一通孔；4-第二通孔，5-第一通孔(焊锡柱)；6-第二通孔(焊锡柱)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实例在本发明技术方案的前提下进行实施，提供了详细的实施方式和具体的操作过程，将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明。需要指出的是，本发明的保护范围不限于下述实施例，在本发明的构思前提下做出的若干调整和改进，都属于本发明的保护范围。

如图1、2、3所示，本发明的主要技术方案是：

(1)如图1所示，将等宽度的超导带材和其他金属带材堆叠后经过锡炉镀锡封装成高温超导窄堆线；

(2)将窄堆线表面按照如图2所示的位置，贯穿所有层打孔。由于高温超导窄堆线在通流时，线材两侧的电流密度高于中央的电流密度，因此为了减小高温超导窄堆线的载流能力的折损，在线材中央的孔径较大，大小为带材宽度的1/5；在线材两侧的孔径较小，大小为带材宽度的1/6；中间打孔与两侧小孔的连线构成等边三角形。

(3)将打好孔的高温超导窄堆线重新通过锡炉过锡封装，即形成含有“焊锡柱”的高温超导窄堆线，具有较高的层间结合力。

实施例1

对于宽度为2mm，长度为30mm的4根第二代高温超导带材2和2根宽度为2mm，长度为30mm的铜带1，按照如下步骤制备含有“焊锡柱”的高温超导窄堆线：

(1)第二代高温超导带材2和铜带1堆叠后经过锡炉镀锡封装成高温超导窄堆线；图1为高温超导窄堆线示意图，其中，第二代高温超导带材2位于铜带1与铜带1之间。

(2)对窄堆线表面贯穿所有层打圆形通孔，且通孔分为第一通孔3(9个)和第二通孔4(16个)，附图2为实施例1的窄堆线表面打孔位置俯视图，其中第一通孔3；第二通孔4。由于高温超导窄堆线在通流时，线材两侧的电流密度高于中央的电流密度，因此为了减小高温超导窄堆线的载流能力的折损，第一通孔3的孔径较大，孔径为0.4mm；第二通孔4孔径较小，孔径为0.33mm。第二通孔4位于相邻的两个第一通孔3的连线的垂直平分线上，且每条相邻的两个第一通孔3的连线的垂直平分线上的第二通孔4为两个，两个第二通孔4与第一通孔3的连线形成等边三角形。第二通孔4的中心与窄堆线表面宽度方向的距离为0.21mm。

(3)将打好孔的高温超导窄堆线重新通过锡炉过锡封装，即形成含有“焊锡柱”的高温超导窄堆线，具有较高的层间结合力。图3为实施例1含有“焊锡柱”的高温超导窄堆线示意图；其中，第二代高温超导带材2位于铜带1之间，第一通孔(焊锡柱)5；第二通孔(焊锡柱)6。

性能测试：

临界电流测试:采用四引线法测试窄堆线的临界电流值。即在待测样本两侧接电流引线通流，在电流引线两端内各2cm处焊接电压引线采集电压信号，根据1μV/cm的失超判据，测量电压引线间的电压达到失超判据时，窄堆线中流通的电流大小即为临界电流值。

弯曲测试：测量不同弯曲半径下，窄堆线临界电流值衰减程度，以95％的初试临界电流(未经弯曲时的临界电流，弯曲半径为∞)为极限判据，当临界电流衰减到95％的初试临界电流时，对应的弯曲半径即为最小弯曲半径。弯曲半径越小，窄堆线的机械性能越强。

扭绞测试：测量不同扭绞截距下，窄堆线临界电流值衰减程度，以95％的初试临界电流(未经扭绞时的临界电流，扭绞截距为∞)为极限判据，当临界电流衰减到95％的初试临界电流时，对应的扭绞截距即为最小扭绞截距。扭绞截距越小，窄堆线的机械性能越强。

在液氮下测试该窄堆线的临界电流值，并与未经过打孔镀锡的窄堆线的临界电流值进行比较，实验结果如表1所示，其中#1-5表示采用5个样品：

表1

由表1可见，将打孔镀锡后的窄堆线和未经过打孔镀锡的窄堆线相比，有如下结论：

1、前者(打孔镀锡后的窄堆线)的临界电流相较后者略微下降，但总体影响不大，在实际应用中仍然有较好的使用价值；

2、将二者进行弯曲实验，测量在多大的弯曲半径下，临界电流衰减到自身初始临界电流的95％(以95％Ic作为一个衡量标准，认为Ic衰减到95％即为窄堆线的弯曲极限)。实验结果显示，前者(打孔镀锡后的窄堆线)有更小的弯曲半径，即在弯曲窄堆线时，打孔镀锡后的窄堆线更有“韧性”。

3、将二者进行扭绞实验，同样测量在临界电流衰减到自身初始临界电流的95％时，扭绞截距的大小。实验结果显示，打孔镀锡后，窄堆线的扭绞截距也得以进一步减小，窄堆线的机械强度有了大幅提高。

因此，结论1说明临界电流的衰减不大，在实际工程应用中，打孔镀锡对窄堆线载流能力的影响可以忽略不计；结论2、3则说明，打孔镀锡使得窄堆线的机械强度有了很大提高，层间结合力有了大幅上升，更能够适应工程应用中的复杂工况。

实施例2

对于宽度为2mm，长度为30mm的4根第二代高温超导带材2和2根宽度为2mm，长度为30mm的铜带1，按照如下步骤制备含有“焊锡柱”的高温超导窄堆线：

(1)第二代高温超导带材2和铜带1堆叠后经过锡炉镀锡封装成高温超导窄堆线；

(2)对窄堆线表面贯穿所有层打圆形通孔，且通孔分为第一通孔3(9个)和第二通孔4(16个)，第一通孔3孔径为0.5mm；第二通孔4孔径为0.2mm。第二通孔位于相邻的两个第一通孔的连线的垂直平分线上，且每条相邻的两个第一通孔3的连线的垂直平分线上的第二通孔4为两个，两个第二通孔4与第一通孔3的连线形成等边三角形。第二通孔4的中心与窄堆线表面宽度方向的距离为0.15mm。

(3)将打好孔的高温超导窄堆线重新通过锡炉过锡封装，即形成含有“焊锡柱”的高温超导窄堆线。

同实施例1的测试，本实施例的测试结果如表2示意：

表2

实施例3

本实施例和实施例相同，不同之处仅在于：第一通孔3孔径为0.44mm(为带材宽度的22％)；第二通孔4孔径为0.36mm(为带材宽度的18％)。

本实施例的性能测试结果如下：

表3

对比例1

本对比例和实施例1基本相同，区别仅在于通孔仅为第一通孔3，不包含第二通孔4。

本对比例的性能测试结果如下：

表4

对比例2

本对比例和实施例1基本相同，区别仅在于第一通孔3孔径为0.33mm,第二通孔4的孔径为0.4mm。

本对比例的性能测试结果如下：

表5

对比例3

本对比例和实施例1基本相同，区别仅在于第二通孔4的中心与窄堆线表面宽度方向的边的距离为18％。

本对比例的性能测试结果如下：

表6

对比例4

本对比例和实施例1基本相同，区别仅在于两个第二通孔4与第一通孔3的连线形成非等边三角形，即相邻的两个第一通孔3的中心距为4mm。

本对比例的性能测试结果如下：

表7

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形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种增加高温超导窄堆线层间结合力的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1、将超导带材和金属带材堆叠后封装成高温超导窄堆线；

S2、在S1所得的窄堆线表面进行打孔，所述孔为通孔；

S3、对S2所得的窄堆线的通孔进行重新封装即可。

2.根据权利要求1所述增加高温超导窄堆线层间结合力的方法，其特征在于，步骤S2中，所述打孔的方式为通过机械冲头对带材表面进行打孔，所述通孔包括第一通孔和第二通孔。

3.根据权利要求2所述增加高温超导窄堆线层间结合力的方法，其特征在于，所述第一通孔的个数为2个或2个以上；且第一通孔均位于窄堆线表面的宽度方向上的中心处。

4.根据权利要求2所述增加高温超导窄堆线层间结合力的方法，其特征在于，所述第二通孔的个数为2个或2个以上；所述第二通孔位于相邻的两个第一通孔的连线的垂直平分线上，且每条相邻的两个第一通孔的连线的垂直平分线上的第二通孔为两个。

5.根据权利要求4所述增加高温超导窄堆线层间结合力的方法，其特征在于，所述第二通孔的中心与窄堆线表面宽度方向的边的距离为窄堆线宽度的7％-13％。

6.根据权利要求2所述增加高温超导窄堆线层间结合力的方法，其特征在于，所述第一通孔与窄堆线表面长度方向任意一侧相邻的两个第二通孔的连线为等边三角形。

7.根据权利要求2所述增加高温超导窄堆线层间结合力的方法，其特征在于，所述第一通孔的孔径为带材宽度的20％-25％，所述第二通孔的孔径为带材宽度的10％-18％。

8.根据权利要求1所述增加高温超导窄堆线层间结合力的方法，其特征在于，S2中，所述通孔的形状为圆形或椭圆形孔洞，其中椭圆长轴与窄堆线长度方向平行，短轴与宽度方向平行。

9.根据权利要求8所述增加高温超导窄堆线层间结合力的方法，其特征在于，所述通孔的形状为圆形孔洞。

10.根据权利要求1所述增加高温超导窄堆线层间结合力的方法，其特征在于，步骤S3中，所述封装的方法为锡焊封装。

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