CN114550995A - 一种镀铜超导带材结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种镀铜超导带材结构及其制备方法，超导带材结构包括超导结构层和镀铜层，超导结构层包括由下而上依次设置的基带层、隔离层和超导层以及镀制在基带层、隔离层和超导层外周的镀银层；镀铜层镀制在镀银层的外周；超导层位于整个超导带材结构的中间位置。在进行绕制过程中受到弯曲时，其受到的压缩应力和拉伸应力都远远比一般的超导带材要小很多，其工程弯曲直径有绝对优势。超导带材为一种高临界电流密度的铠装超导带材，保证超导带材机械性能的同时，不降低其工程临界电流密度。

Description

一种镀铜超导带材结构及其制备方法

技术领域

本发明属于超导技术领域，具体涉及一种镀铜超导带材结构及其制备方法。

背景技术

自1911年荷兰卡末林·昂纳斯教授首次发现了超导现象，到目前以至于未来，超导材料及其应用都是科学技术最活跃的前沿研究领域之一。近年来，随着超导技术的不断发展，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。在诸多的应用中，超导线圈都是其核心部件。

在超导线圈绕制过程中，镀铜带绕制过程中的弯曲直径时是限制超导线圈尺寸和导体电流密度的重要参数。由于二代高温超导带材的层状结构，以及YBCO材料的热性，所以一般镀铜带向超导侧的弯曲直径小于镀铜带向基带层一侧的弯曲直径。如何消除这种双向的差异性以及提高超导镀铜带材的弯曲性能仍然是值得研究的课题。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明提供了一种镀铜超导带材结构及其制备方法，在进行绕制过程中受到弯曲时，其受到的压缩应力和拉伸应力都远远比一般的超导带材要小很多，其工程弯曲直径有绝对优势。

本发明的技术方案是：

本发明的一个目的在于提供一种镀铜超导带材结构，包括超导结构层和镀铜层，所述超导结构层包括由下而上依次设置的基带层、隔离层和超导层以及镀制在所述基带层、隔离层和超导层外周的镀银层；

其中所述基带层背离所述隔离层一侧的所述镀银层的厚度和所述超导层背离所述隔离层一侧的所述镀银层的厚度相同；

所述镀铜层镀制在所述镀银层的外周，且靠近所述超导层一侧的所述镀铜层的厚度大于靠近所述基带层一侧的所述镀铜层的厚度，以使得所述超导层位于整个超导带材结构的中间位置；或

所述基带层背离所述隔离层一侧的所述镀银层的厚度小于所述超导层背离所述隔离层一侧的所述镀银层的厚度；

所述镀铜层均匀镀制在所述镀银层的外周，以使得所述超导层位于整个超导带材结构的中间位置。

优选地，靠近所述基带层一侧的所述镀铜层为预镀制铜层；

靠近所述超导层一侧的所述镀铜层包括预镀制铜层和二次铜层，所述二次铜层位于所述预镀制铜层的外侧且所述二次铜层的厚度大于所述预镀制铜层的厚度；

靠近所述基带层一侧的所述预镀制铜层和靠近所述超导层一侧的所述预镀制铜层的厚度相同。

优选地，靠近所述基带层一侧的所述镀银层为第一镀银层，靠近所述超导层一侧的镀银层包括第一镀银层和第二镀银层，所述第二镀银层位于所述第一镀银层的外侧且所述第二镀银层的厚度大于所述第一镀银层的厚度；

靠近所述基带层一侧的所述第一镀银层和靠近所述超导层一侧的所述第一镀银层的厚度相同。

优选地，所述基带层为金属基带层。

本发明的另一个目的在于提供一种镀铜超导带材结构的制备方法，包括以下步骤：

在基带层上镀制隔离层；

在隔离层上制备超导层；

在基带层和超导层的两相背的面上镀制镀银层；

在两镀银层上分别镀制镀铜层，使得超导层位置整个超导带材结构的中间位置，制备得到所需的超导带材结构。

优选地，镀制镀银层和镀制镀铜层的步骤为：

在基带层和超导层的两相背的面上均匀镀制镀银层；

在靠近超导层一侧的镀银层上以及靠近基带层一侧的镀银层上分别镀制一层预镀制铜层，之后在靠近超导层一侧的预制镀铜层上镀制二次铜层。

优选地，镀制镀银层和镀制镀铜层的步骤为：

在基带层和超导层的两相背的面上均匀镀制第一镀银层，在靠近超导层一侧的第一镀银层上镀制第二镀银层；

在靠近基带层一侧的第一镀银层和所述第二镀银层上均匀镀制镀铜层。

与现有技术相比，本发明的优点是：

本发明的镀铜超导带材结构，超导层在超导带材结构的中间位置，在进行绕制过程中受到弯曲时，其受到的压缩应力和拉伸应力都远远比一般的超导带材要小很多，其工程弯曲直径有绝对优势；超导带材为一种高临界电流密度的铠装超导带材，保证超导带材机械性能的同时，不降低其工程临界电流密度。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为背景技术或现有一般的镀铜超导带材结构的结构示意图；

图2为本发明实施例1的镀铜超导带材结构的结构示意图；

图3为本发明实施例2的镀铜超导带材结构的结构示意图；

图4为本发明实施例的镀铜超导带材结构的电化学方法镀制预镀制铜层或第一镀银层的原理图；

图5为本发明实施例的镀铜超导带材结构的电化学方法镀制二次铜层或第二镀银层的原理图；

图6为背景技术或现有一般的镀铜超导带材结构的弯曲试验结果图；

图7为本发明实施例1和实施例2的镀铜超导带材结构的弯曲试验结果图。

其中：1、基带层；2、隔离层；3、超导层；4、镀银层；41、第一镀银层；42、第二镀银层；5、镀铜层；51、预制镀铜层；52、二次镀铜层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例1

需要说明，若本发明的实施例中有涉及方向性指示（诸如上、下、第一、第二、前、后……），则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性可者隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

参见图2、图4至图5，本发明实施例的一种镀铜超导带材结构，包括超导结构层和镀铜层5。其中超导结构层包括基带层1、隔离层2、超导层3和镀银层4。具体的，如图2所示，基带层1、隔离层2和超导层3由下而上依次设置，镀银层4镀制在基带层1、隔离层2和超导层3的外周且基带层1背离隔离层2一侧也即如图2所示的基带层1的下侧的镀银层4的厚度和超导层3背离隔离层2一侧也即如图2所示的超导层3的上侧的镀银层4的厚度相同，也就是说镀银层4均匀镀制在基带层1、隔离层2和超导层3构成的超导带材结构的上下两面或正反面。镀铜层5镀制在镀银层4的外周，且靠近超导层3一侧也即如图2所示超导层3上侧的镀铜层5的厚度大于靠近基带层1一侧也即如图2所示的基带层1下侧的镀铜层5的厚度，以使得超导层3位于整个超导带材结构的中间位置。如此设计，超导带材结构在进行绕制过程中受到弯曲时，由于超导层3在中间位置，所以其受到的压缩应力和拉伸应力都远远比现有普通的超导带材（如图1所示的超导层3’距离上侧的镀铜层5’的距离要小于距离下侧的镀铜层5’的距离的超导带材结构）要小很多，其工程弯曲直径有绝对优势。

根据本发明的一些优选实施例，基带层1为金属基带层。比如哈氏合金、NiW合金等，具体不做特别限定，本领域技术人员可以根据实际需求进行选择设计。对于基带层的厚度而言，不做特别限定，可选为30μm。

根据本发明的一些优选实施例，对于隔离层2的厚度而言可选为0.5μm。对于隔离层2的制备方法可选采用本领域技术人员所熟知的物理或化学的方法。具体工艺及工艺参数不做描述和限定，为现有技术。

根据本发明的一些优选实施例，对于超导层3的厚度而言可选为3.5μm。对于超导层3的制备方法可选为本领域技术人员所熟知的MOCVD、PLD、MOD（为现有常见的超导制备方法，具体不做详细描述和限定）等方法制备，具体工艺参数不做描述和限定，为现有技术。

根据本发明的一些实施例，对于镀银层4的镀制可选采用本领域技术人员所熟知的磁控溅射或蒸发镀银的方式实现，具体工艺参数不做描述和限定，为现有技术。对于镀银层4的厚度而言，可选地均约为3μm，第二镀银层42的厚度可选地约为30μm。

根据本发明的一些实施例，对于镀铜层5的镀制可以通过本领域技术人员所熟知的电化学的方式实现，也可以通过本领域技术人员所熟知的磁控溅射方式实现，具体工艺参数等不做限定，为现有技术，并非本发明的创新点。对于镀铜层5的厚度而言，预镀制铜层51的厚度可选地均约为5μm，二次铜层52的厚度可选地约为30μm。需要说明的是，对于预镀制铜层51和二次铜层52的厚度而言不做特别限定，上述仅为举例，为本发明的一个优选实施例。

对于镀铜层5的镀制方法而言，具体的，如图4和图5所示，采用电化学方法在镀制镀银层后的超导带材的上下两面或正反面也即双面镀制均匀的厚度较薄的铜层也即上述的预镀制铜层51。之后，将靠近基带层1一侧的阳极去除或者屏蔽掉，使得靠近基带层1一侧不再有电流密度线，则仅对会靠近超导层3一侧进行铜层镀制形成厚度相比较预镀制铜层51更厚的二次铜层52。

根据本发明的一些可选实施例，如图1所示，现有一般的镀铜超导带材的基带层1’的厚度为30μm，隔离层2’的厚度约为0.5μm、超导层3’的厚度约为3.5μm、正反面镀银层4’的厚度均约为3μm，两面分别镀铜层5’厚度约20μm，则此阶段的超导带材总厚度约为80μm。则超导层3’到超导带材边缘最短距离约为23μm，53.5μm，比例约为43.0%。可选地，如图2所示，本发明实施例采用的基带层1的厚度为30μm，隔离层2的厚度约0.5μm、超导层3的厚度约3.5μm、正反面的镀银层4的厚度均约为3μm，正反面的预镀制铜层51的厚度均约为5μm，则此阶段的超导带材总厚度约为50μm，在靠近超导层3’一侧镀制约30μm的二次铜层52，则最后超导带材的总厚度约80μm。则超导层3到超导带材边缘两边距离分别约为38μm，38.5μm，比例约为98.7%。也就是说超导层大致在整个超导带材结构的中间位置。

如图6和图7所示，通过对两种超导带材进行弯曲试验对比发现，本发明实施例的镀铜超导带材结构可以保证临界电流没有衰减时可以耐受更小的弯曲直径。

采用本发明实施例结构的超导带材结构，为一种高临界电流密度的铠装超导带材，保证超导带材机械性能的同时，不降低其工程临界电流密度，超导层在超导带材结构的中间位置，在进行绕制过程中受到弯曲时，其受到的压缩应力和拉伸应力都远远比如图1所示的一般的超导带材要小很多，其工程弯曲直径有绝对优势。

实施例2

参见图3，本发明实施例的一种镀铜超导带材结构，包括超导结构层和镀铜层5。其中超导结构层包括基带层1、隔离层2、超导层3和镀银层4。与实施例1不同在于，本实施中，超导带材正反面的镀铜层5的厚度相同，但是正反面的镀银层4的厚度不一致。具体的，如图3所示，基带层1、隔离层2和超导层3由下而上依次设置，镀银层4镀制在基带层1、隔离层2和超导层3的外周，更具体的，镀银层4包括第一镀银层41和第二镀银层42，基带层1背离隔离层2一侧也即如图3所示的基带层1的下侧的第一镀银层41的厚度和超导层3背离隔离层2一侧也即如图3所示的超导层3的上侧的第一镀银层41的厚度相同，也就是说第一镀银层41均匀镀制在基带层1、隔离层2和超导层3构成的超导带材结构的上下两面或正反面。第二镀银层42镀制在超导层3的上侧的第一镀银层41之上，且第二镀银层42的厚度大于第一镀银层41的厚度，镀铜层5镀制在第二镀银层42之上和基带层1的下侧的第一镀银层41之下，以使得超导层3位于整个超导带材结构的中间位置。

根据本发明的一些实施例，对于镀银层4的镀制可选采用本领域技术人员所熟知的磁控溅射或蒸发镀银的方式实现，具体工艺参数不做描述和限定，为现有技术。对于镀银层4的厚度而言，第一镀银层41的厚度可选地均约为3μm，第二镀银层42的厚度可选地约为30μm。对于镀银层4的制备方法而言，可采用磁控溅射或蒸发镀银的方式实现，优选地本实施例选用磁控溅射的方法。通过磁控溅射靶材的选择和工艺的控制，实现在靠近超导层3一侧进行银层镀制形成厚度相比较第一镀银层41更厚的第二镀银层42。

可选地，如图3所示，本发明实施例采用的基带层1的厚度为30μm，隔离层2的厚度约0.5μm、超导层3的厚度约3.5μm、正反面的第一镀银层41的厚度均约为3μm，第二镀银层42的厚度约为30μm，正反面的镀铜层5的厚度均约为5μm，则最后超导带材的总厚度约80μm。则超导层3到超导带材边缘两边距离分别约为38μm，38.5μm，比例约为98.7%。也就是说超导层大致在整个超导带材结构的中间位置。

如图6和图7所示，通过对两种超导带材进行弯曲试验对比发现，本发明实施例的镀铜超导带材结构可以保证临界电流没有衰减时可以耐受更小的弯曲直径。

实施例3

参见图2至图5所示，本发明实施例的超导带材结构的制备方法为：包括以下步骤：

在基带层1上镀制隔离层2；

在隔离层2上制备超导层3；

在基带层1和超导层3的两相背的面上镀制镀银层4；

在两镀银层4上分别镀制镀铜层5，使得超导层3位置整个超导带材结构的中间位置，制备得到所需的超导带材结构。

具体的，实施例1中的超导带材结构的制备方法中，镀制镀银层4和镀制镀铜层5的步骤为：

在基带层1和超导层3的两相背的面上镀制镀银层4；

在靠近超导层3一侧的镀银层4上以及靠近基带层1一侧的镀银层4上分别镀制一层预镀制铜层51，之后在靠近超导层3一侧的预制镀铜层51上镀制二次铜层52。

实施例2中的超导带材结构的制备方法中，镀制镀银层4和镀制镀铜层5的步骤为：

在基带层1和超导层3的两相背的面上均匀镀制第一镀银层41，在靠近超导层3一侧的第一镀银层41上镀制第二镀银层42；

在靠近基带层1一侧的第一镀银层41以及第二镀银层42上均匀镀制镀铜层5。

更具体的，对于实施例1的超导带材结构的制备方法，如图2和图4至图5所示，先采用物理或化学的方法在平整的基带层1上生长隔离层2，在隔离层2上使用MOCVD、PLD、MOD等方法制备超导层3，然后在超导层3上面和基带层1下面使用磁控溅射镀银或蒸发镀银的方式进行镀银，再进行镀铜，镀铜时先在超导层3上面的镀银层4的上面及基带层1下面的镀银层4的下面也即超导带材的双面先采用电化学的方法或磁控溅射的方法镀制一层预镀制铜层51，然后再靠近超导层3一侧的预镀制铜层51的上面镀制一层二次铜层52，且靠近基带层1一侧的预镀制铜层51的下面不镀制二次铜层52，最后制备成所需要的镀铜超导带材。更加具体的，具体的，如图4和图5所示，采用电化学方法在镀制镀银层后的超导带材的上下两面或正反面也即双面镀制均匀的厚度较薄的铜层也即上述的预镀制铜层51。之后，将靠近基带层1一侧的阳极去除或者屏蔽掉，使得靠近基带层1一侧不再有电流密度线，则仅对会靠近超导层3一侧进行铜层镀制形成厚度相比较预镀制铜层51更厚的二次铜层52。

更具体的，对于实施例2的超导带材结构的制备方法，如图3至图5所示，先采用物理或化学的方法在平整的基带层1上生长隔离层2，在隔离层2上使用MOCVD、PLD、MOD等方法制备超导层3，然后在超导层3上面和基带层1下面使用磁控溅射镀银或蒸发镀银的方式进行镀银具体为第一镀银层41，再将超导层3上面的第一镀银层41进行加厚，再进行镀铜，镀铜前先在超导层3上面的第一镀银层4的上面镀制一层第二镀银层42，再在超导层3上面的第二镀银层42的上面及基带层1下面的第一镀银层41的下面也即超导带材的双面先采用电化学的方法或磁控溅射的方法均匀镀制镀铜层5，最后制备成所需要的镀铜超导带材。更加具体的，通过磁控溅射靶材的选择和工艺的控制，实现在靠近超导层3一侧进行银层镀制形成厚度相比较第一镀银层41更厚的第二镀银层42。

根据本发明的一些实施例，对于镀银层4的镀制可选采用本领域技术人员所熟知的磁控溅射或蒸发镀银的方式实现，具体工艺参数不做描述和限定，为现有技术。对于镀银层的厚度而言，第一种实施例中，镀银层4的厚度可选地均为3μm。对于第二种实施例中，第一镀银层41的厚度可选地均约为3μm，第二镀银层42的厚度可选地约为30μm。根据本发明的一些实施例，对于镀铜层5的镀制可以通过本领域技术人员所熟知的电化学的方式实现，也可以通过本领域技术人员所熟知的磁控溅射方式实现，具体工艺参数等不做限定，为现有技术，并非本发明的创新点。对于镀铜层5的厚度而言，第一种实施例中，预镀制铜层51的厚度可选地均约为5μm，二次铜层52的厚度可选地约为30μm。需要说明的是，对于预镀制铜层51和二次铜层52的厚度而言不做特别限定，上述仅为举例，为本发明的一个优选实施例。

采用本发明实施例结构的超导带材结构，为一种高临界电流密度的铠装超导带材，保证超导带材机械性能的同时，不降低其工程临界电流密度，超导层在超导带材结构的中间位置，在进行绕制过程中受到弯曲时，其受到的压缩应力和拉伸应力都远远比如图1所示的一般的超导带材要小很多，其工程弯曲直径有绝对优势。

根据本发明的一些可选实施例，如图1所示，现有一般的镀铜超导带材的基带层1’的厚度为30μm，隔离层2’的厚度约为0.5μm、超导层3’的厚度约为3.5μm、正反面镀银层4’的厚度均约为3μm，两面分别镀铜层5’厚度约20μm，则此阶段的超导带材总厚度约为80μm。则超导层3’到超导带材边缘最短距离约为23μm，53.5μm，比例约为43.0%。如图2所示，本发明实施例采用的基带层1的厚度为30μm，隔离层2的厚度约0.5μm、超导层3的厚度约3.5μm、正反面镀银层4的厚度均约为3μm，预镀制铜层51的厚度约5μm，则此阶段的超导带材总厚度约为50μm，在靠近超导层3’一侧镀制约30μm的二次铜层52，则最后超导带材的总厚度约80μm。则超导层3到超导带材边缘两边距离分别约为38μm，38.5μm，比例约为98.7%。也就是说超导层大致在整个超导带材结构的中间位置。如图3所示，本发明实施例采用的基带层1的厚度为30μm，隔离层2的厚度约0.5μm、超导层3的厚度约3.5μm、正反面第一镀银层41的厚度均约为3μm，第二镀银层42的厚度约为30μm，镀铜层5的厚度约5μm，则最后超导带材的总厚度约80μm。则超导层3到超导带材边缘两边距离分别约为38μm，38.5μm，比例约为98.7%。也就是说超导层大致在整个超导带材结构的中间位置。

如图6和图7所示，通过对两种超导带材进行弯曲试验对比发现，本发明实施例的镀铜超导带材结构可以保证临界电流没有衰减时可以耐受更小的弯曲直径。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (7)

1.一种镀铜超导带材结构，其特征在于，包括超导结构层和镀铜层，所述超导结构层包括由下而上依次设置的基带层、隔离层和超导层以及镀制在所述基带层、隔离层和超导层外周的镀银层；

其中所述基带层背离所述隔离层一侧的所述镀银层的厚度和所述超导层背离所述隔离层一侧的所述镀银层的厚度相同；

所述镀铜层镀制在所述镀银层的外周，且靠近所述超导层一侧的所述镀铜层的厚度大于靠近所述基带层一侧的所述镀铜层的厚度，以使得所述超导层位于整个超导带材结构的中间位置；或

所述基带层背离所述隔离层一侧的所述镀银层的厚度小于所述超导层背离所述隔离层一侧的所述镀银层的厚度；

所述镀铜层均匀镀制在所述镀银层的外周，以使得所述超导层位于整个超导带材结构的中间位置。

2.根据权利要求1所述的镀铜超导带材结构，其特征在于，靠近所述基带层一侧的所述镀铜层为预镀制铜层；

靠近所述超导层一侧的所述镀铜层包括预镀制铜层和二次铜层，所述二次铜层位于所述预镀制铜层的外侧且所述二次铜层的厚度大于所述预镀制铜层的厚度；

靠近所述基带层一侧的所述预镀制铜层和靠近所述超导层一侧的所述预镀制铜层的厚度相同。

3.根据权利要求1或2所述的镀铜超导带材结构，其特征在于，靠近所述基带层一侧的所述镀银层为第一镀银层，靠近所述超导层一侧的镀银层包括第一镀银层和第二镀银层，所述第二镀银层位于所述第一镀银层的外侧且所述第二镀银层的厚度大于所述第一镀银层的厚度；

靠近所述基带层一侧的所述第一镀银层和靠近所述超导层一侧的所述第一镀银层的厚度相同。

4.根据权利要求1所述的镀铜超导带材结构，其特征在于，所述基带层为金属基带层。

5.一种根据权利要求1-4任一项所述的镀铜超导带材结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

在基带层上镀制隔离层；

在隔离层上制备超导层；

在基带层和超导层的两相背的面上镀制镀银层；

在两镀银层上分别镀制镀铜层，使得超导层位置整个超导带材结构的中间位置，制备得到所需的超导带材结构。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，镀制镀银层和镀制镀铜层的步骤为：

在基带层和超导层的两相背的面上均匀镀制镀银层；

在靠近超导层一侧的镀银层上以及靠近基带层一侧的镀银层上分别镀制一层预镀制铜层，之后在靠近超导层一侧的预制镀铜层上镀制二次铜层。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，镀制镀银层和镀制镀铜层的步骤为：

在基带层和超导层的两相背的面上均匀镀制第一镀银层，在靠近超导层一侧的第一镀银层上镀制第二镀银层；

在靠近基带层一侧的第一镀银层和所述第二镀银层上均匀镀制镀铜层。

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