CN116721809A - 一种提升超导恒流开关电阻的超导带材结构及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种提升超导恒流开关电阻的超导带材结构及制作方法，涉及超导带材结构设计技术领域，包括导电层、超导层、缓冲层和基底层，所述基底层、缓冲层以及超导层三者依次堆叠设置；所述超导层背离缓冲层的面包括至少两块呈间隔设置的导电层。通过切断了带材两面的电连接，保证电流大部分在超导带材的超导层这一面流通。当励磁时的分流从超导带材的超导层这一面流过时，电流将流经位于超导层背离缓冲层的面的两个导电层的间隔部分，由于超导层下方的缓冲层是基本绝缘的，且超导层在非超导态时会呈现较大的电阻，从而整个超导恒流开关会呈现较大的电阻。
Description
技术领域
本发明涉及超导带材结构设计技术领域，具体地，涉及一种提升超导恒流开关电阻的超导带材结构及制作方法。
背景技术
超导恒流开关利用超导带材的临界特性实现“开”“关”状态的转变。超导材料有三个临界参数，分别是温度、电流、磁场。因此相应地，根据转变条件，可以将超导恒流开关分为三种类型：热控式、流控式和场触发式三大类。
如图1所述，二代高温超导带材的结构包括导电层、超导层和基底层，导电层为单层或多层，导电层的材料为铜和/或银，超导层的材料优选为REBCO，超导层的下方为缓冲层，缓冲层为介电材料基本绝缘。缓冲层的下方为基底层，多由哈氏合金制成。其中铜和/或银包裹在最外层，包括上下面和侧面。在带材中的超导层转化为非超导态后，由于超导层在失超后呈现的电阻比同温度下的铜层和/或银层更大，所以原本从超导层流过的电流就会大量分流到包裹在其周围的铜层和/或银层。
如图2所示的等效电路，由于超导闭环线圈是很难直接励磁的，所以通常需要使用超导恒流开关将线圈回路暂时“打开”形成类似开路(并不是完全开路，完全开路电阻为无穷大，这里的类似开路是指在开关两端还是存在一定的电阻值)，以便电源能够为超导线圈励磁。
由于超导恒流开关本身也是闭环线圈的一部分，在励磁的时候，超导恒流开关中的超导带材并没有真正开路，而是转变为非超导态，此时超导恒流开关呈现的大电阻也是相较于超导体极小的电阻而言的，所以更为准确的是将超导恒流开关看作一个可变电阻。在充电过程中，超导恒流开关对外呈现的电阻越大越好，以便外部直流电源在给超导磁体励磁的过程中能有更多的电流流进线圈，减小通过超导恒流开关这一段带材的分流，这有利于减小焦耳热，这对于需要低温环境的超导磁体来说尤为重要。
目前增大热控式超导恒流开关电阻的方法中，通过加长制作超导恒流开关的中的超导带材来增大电阻，这样带材用量多，成本高，制成的超导恒流开关体积大，导致热容大，从而超导开关在有阻态和无阻态相互切换过程中速度相对比较慢，不利于低温腔体的热稳定，存在待改进之处。
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提升超导恒流开关电阻的超导带材结构及制作方法。
根据本发明提供的一种提升超导恒流开关电阻的超导带材结构,包括导电层、超导层、缓冲层和基底层，所述基底层、缓冲层以及超导层三者依次堆叠设置；所述超导层背离缓冲层的面包括至少两块呈间隔设置的导电层。
优选地，所述导电层包括银覆盖层和/或铜稳定层。
优选地，所述导电层的面积小于或等于超导层的面积，所述超导层的面积小于或等于缓冲层的面积，所述缓冲层的面积小于或等于基底层的面积。
优选地，且所述超导层长度方向的两侧和/或宽度方向的两侧设置有减材区。
优选地，所述超导层包括裸露区，所述超导层的裸露区设置在两个呈间隔设置的导电层之间。
优选地，所述超导层的裸露区的宽度小于或等于导电层的宽度。
优选地，所述超导层的裸露区包括波折部。
优选地，所述导电层覆盖基底层背离缓冲层的面。
根据本发明提供的一种提升超导恒流开关电阻的超导带材结构的制作方法，制作方法包括如下步骤：
S1、准备一根超导带材，备用；
S2、去除不需要的导电层；
S3、破坏或去除不需要的超导层。
优选地，减材不需要的导电层或超导层的方法包括化学腐蚀和/或机械加工。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过切断了带材两面的电连接，保证电流大部分在超导带材的超导层这一面流通，当励磁时的分流从超导带材的超导层这一面流过时，电流将流经位于超导层背离缓冲层面的两个导电层的间隔部分，由于超导层下方的缓冲层是基本绝缘的，且超导层在非超导态时会呈现较大的电阻，从而整个超导恒流开关会呈现较大的电阻。
2、本发明通过去除超导层周侧边缘的材料形成减材区，以进一步增大超导恒流开关打开时的电阻，并将超导层的裸露区在超导带材宽度方向上进一步去除，通过减少电流通路上的导通截面积，以进一步增大超导恒流开关打开时的电阻。
3、本发明通过在超导层的裸露区设置波折部，增加通流路径长度，以进一步增大超导恒流开关打开时的电阻。
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为本发明主要体现背景技术中二代超导带材结构示意图；
图2为本发明主要体现背景技术中超导开关的工作原理图；
图3为本发明主要体现实施例一中去除超导层背离缓冲层面的不需要的导电层的轴侧结构示意图；
图4为本发明主要体现实施例一中去除超导层背离缓冲层面的不需要的导电层的俯视结构示意图；
图5为本发明主要体现实施例一中去除超导带材侧面的导电层和超导层背离缓冲面部分导电层的轴侧结构示意图；
图6为本发明主要体现实施例一中去除超导带材侧面的导电层和超导层背离缓冲面部分导电层的俯视结构示意图；
图7为本发明主要体现实施例一中去除超导层覆盖区周侧材料的轴侧结构示意图；
图8为本发明主要体现实施例一中去除超导层覆盖区周侧材料的俯视结构示意图；
图9为本发明主要体现实施例一中去除超导层减材区的轴侧结构示意图；
图10为本发明主要体现实施例一中去除超导层减材区的俯视结构示意图；
图11为本发明主要体现实施例一中去除超导层宽度方向不需要部分的轴侧结构示意图；
图12为本发明主要体现实施例一中去除超导层宽度方向不需要部分的俯视结构示意图；
图13为本发明主要体现实施例中在超导层的裸露区形成的波折部的轴侧结构示意图；
图14为本发明主要体现实施例中在超导层的裸露区形成的波折部的俯视结构示意图；
图15为本发明主要体现实施例中高阻态超导恒流开关的电阻与温度关系曲线图。
图中所示：1、基底层；2、缓冲层；3、超导层；4、银覆盖层；5、铜稳定层；6、导电层。
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。
实施例一
如图3、图4、图5以及图6所示，根据本发明提供的一种提升超导恒流开关电阻的超导带材结构，包括导电层6、超导层3、缓冲层2和基底层1，基底层1、缓冲层2以及超导层3三者依次堆叠设置。超导层3背离缓冲层2的面包括至少两块呈间隔设置的导电层6。由于二代超导带材中的缓冲层2基本绝缘，本申请的超导带材结构与现有技术相比，能够保证电流大部分在超导带材的超导层3这一面流通，当励磁时的分流从超导带材的超导层3这一面流过时，电流将流经位于超导层3背离缓冲层2面的两个导电层6的间隔部分，由于超导层3下方的缓冲层2是基本绝缘的，且超导层3在非超导态时会呈现较大的电阻，从而整个超导恒流开关会呈现较大的电阻。
具体地，本申请的导电层6包括银覆盖层4和/或铜稳定层5。本申请的超导带材结构可以选择银覆盖层4为导电层6，也可以选择铜稳定层5为导电层6，还可以选择银覆盖层4和铜稳定层5二者配合形成导电层6。本申请优选导电层6包括银覆盖层4和铜稳定层5。
进一步地，本申请以导电层6为银覆盖层4和铜稳定层5，超导层3背离缓冲层2的面沿超导带材长度方向设置有两块呈间隔设置的导电层6为例进行阐述。银覆盖层4覆盖在超导层3背离缓冲层2的面，铜稳定层5覆盖在银覆盖层4背离超导层3的面。
需要说明的是，本申请的超导层3可以完全位于缓冲层2背离基底层1的面，还可以部分或完全包裹缓冲层2和/或基底层1的侧面。若超导层3部分或完全包裹缓冲层2和/或基底层1的侧面，可以利用机械或化学的方式将包裹缓冲层2和/或基底层1侧面的超导层3去除或破坏，也可以不去除。
如图7、图8、图9以及图10所示，导电层6的面积小于或等于超导层3的面积，超导层3的面积小于或等于缓冲层2的面积，所述缓冲层2的面积小于或等于基底层1的面积。在超导层3长度方向的两侧和/或宽度方向的两侧设置减材区，可以使超导层3的面积小于或等于缓冲层的面积，以进一步增大超导恒流开关打开时的电阻。
需要注意的是，对超导层3的减材区的处理，可以是将减材区的超导材料去除，也可以是破坏减材区内超导材料的超导特性，超导层3中失去超导特性的材料不再被视为超导层3的一部分，以进一步增大超导恒流开关打开时的电阻。
更进一步地，超导层3包括裸露区和覆盖区，超导层3的裸露区设置在两个呈间隔设置的导电层6之间，超导层3的覆盖区为被导电层6覆盖的区域。
此时，导电层6的面积小于超导层3，超导层3的面积小于缓冲层2。优选地，任一覆盖区均被对应的导电层6覆盖，且裸露区连接呈间隔设置的两个覆盖区。需要补充说明的是，本申请不对裸露区和覆盖区的数量做具体限定，任何针对裸露区和覆盖区数量的改进均落入本申请的保护范围。
具体地，如图7和图8所示，针对减材区的形成可以是先去除或破坏超导层3长度方向两侧的材料，在超导层3长度方向的两侧形成初步的减材区，进一步地，还可以将超导层3覆盖区宽度方向两侧的材料去除或破坏。
如图9和图10所示，进一步优化，将超导层3裸露区宽度方向两侧的材料去除或破坏，使超导层3裸露区的宽度与超导层3覆盖区的宽度相同，最终使得超导层3整体的宽度与覆盖在超导层3上的导电层6的宽度相同。
如图11和图12所示，进一步减少或破坏超导层3裸露区宽度方向两侧的材料，使超导层3裸露区的宽度小于超导层3覆盖区的宽度，即使超导层3裸露区的宽度小于导电层6的宽度。通过减少电流通路上的导通截面积，以进一步增大超导恒流开关打开时的电阻。如图13和图14所示，优选地，裸露区包括波折部，波折部可以是先向第一方向延伸，再向第一方向延伸，第一方向和第二方向不平行。波折部可以增加通流路径长度，以进一步增大超导恒流开关打开时的电阻。
需要说明的是，波折部的延伸方向可以大于两个方向，且波折部的多个延伸方向中至少有两个方向不平行。
需要进一步说明的是，本申请的超导带材结构可以直接加工而成，也可以在现有技术中的二代超导带材的基础之上通过减材制作而成。
需要更进一步说明的是，本申请的超导带材结构可以使导电层6覆盖基底层1背离缓冲层2的面，只需要保证位于基底层1背离缓冲层2的面的导电层6与位于超导层6背离缓冲层2的面的导电层6不连接即可。此时，可以选择银覆盖层4为导电层6，也可以选择铜稳定层5为导电层6，还可以选择银覆盖层4和铜稳定层5二者配合形成导电层6，具体地，银覆盖层4覆盖基底层1背离缓冲层2的面，铜稳定层5覆盖银覆盖层4背离基底层1的面。
现以在现有技术中的二代超导带材的基础之上通过减材制作为例进行阐述：
本发明还提供的一种提升超导恒流开关电阻的超导带材结构的制作方法，制作方法包括如下步骤：
S1、准备一根超导带材，备用。
S2、去除不需要的导电层6。
S3、破坏或去除不需要的超导层3。
需要说明的是，减材不需要的导电层6或超导层3的方法包括化学腐蚀和/或机械加工。机械加工方法包括抛磨。化学腐蚀方法包括：采用三氯化铁粉末和无水乙醇溶液以1g：10ml的比例制成三氯化铁乙醇溶液腐蚀铜稳定层5。采用氨水和过氧化氢溶液以体积分数比为1:2制成的混合溶液腐蚀银覆盖层4。其中，氨水的浓度为25％，过氧化氢溶液的浓度为30％。
采用酸性溶液腐蚀超导层3，具体地，采用酸性溶液腐蚀超导层3时根据时间不同包括三个阶段：第一阶段为：破坏超导材料超导特性，此时超导材料的超导特性被破坏。第二阶段为：去除超导层3材料，此时超导层3材料被去除。第三阶段为：去除部分缓冲层2材料。需要着重说明的是，上述对超导层3处理的三个阶段均能够解决本申请的技术问题，并达到本申请的发明目的，因此上述三个阶段均在本申请的保护范围之内。
更为具体地，可以在二代超导带材的基础之上，先部分去除超导层3上面的银覆盖层4和铜稳定层5，有些超导带材在实际生产制备过程中，侧面可能会包裹有超导层3。为防止在超导临界温度以下，超导面和非超导面电流通过侧面包裹的超导层3导通，在将超导层3上的银覆盖层4和铜稳定层5去除之后，同时去除超导带材侧面的银覆盖层4和铜稳定层5。之后再将超导带材减材区的超导层3破坏或去除，以增大超导恒流开关打开时的电阻。优选地，可以将超导带材中间的超导层3在宽度方向上进一步破坏或去除，通过减少电流通路上的导通截面积，以进一步增大超导恒流开关打开时的电阻。也可以优选地，将带材中间的超导层3进一步破坏或去除，通过减少截面积的同时增加通流路径长度，以进一步增大超导恒流开关打开时的电阻。
如图15所示，为高阻态超导恒流开关的电阻与温度关系曲线，共进行了5次重复实验。采用本申请的超导带材结构和现有技术中常规的二代超导带材进行测试，
测试数据如图15所示，采用本申请超导带材结构的高阻态超导恒流开关的打开状态下(温度为110K)的电阻约为976mΩ，用同种现有技术中常规的二代超导带材制成的超导恒流开关在打开状态下的电阻仅约为1mΩ，与现有技术中常规的二代超导带材相比，本申请的超导带材制成的超导恒流开关在打开状态下的电阻提升了近1000倍。
优选例一
基于实施例一，本发明还提供的一种提升超导恒流开关电阻的超导带材结构的制作方法，先准备一根超导带材：
(1)将三氯化铁粉末和无水乙醇溶液以1g：10ml的比例制成三氯化铁乙醇溶液，用以去除不需要的铜层。
(2)用氨水和过氧化氢溶液以体积分数比为1:2制成的混合溶液，将步骤(1)中的带材放入混合溶液中去除不需要的银层。其中，氨水的浓度为25％，过氧化氢溶液的浓度为30％。
(3)将步骤(2)处理完的带材，放入醋酸溶液反应以破坏/去除超导带材减材区的超导层3以及可能会包裹在超导带材侧面的超导层3。
优选例二
基于实施例一，本发明还提供的一种提升超导恒流开关电阻的超导带材结构的制作方法，先准备一根超导带材：
(1)将三氯化铁粉末和无水乙醇溶液以1g：10ml的比例制成三氯化铁乙醇溶液，用以去除不需要的铜层。
(2)用氨水和过氧化氢溶液以体积分数比为1:2制成的混合溶液，将步骤(1)中的带材放入混合溶液中去除不需要的银层。其中，氨水的浓度为25％，过氧化氢溶液的浓度为30％。
(3)将步骤(2)处理完的带材的两个长度方向的侧面用磨抛机磨抛，去除可能会包裹在超导带材侧面的超导层3，切断超导带材侧面上超导层3和哈氏合金层的连接；对于宽度方向的两个侧面，采用酸性溶液破坏/去除可能会包裹在超导带材侧面的超导层3。
优选例三
基于实施例一，本发明还提供的一种提升超导恒流开关电阻的超导带材结构的制作方法，先准备一根超导带材：
(1)将带材的两个长度方向的侧面用抛磨机磨抛，去除超导带材侧面的铜层、银层以及超导层。
(2)将三氯化铁粉末和无水乙醇溶液以1g：10ml的比例制成三氯化铁乙醇溶液，用以去除不需要的铜层。
(3)用氨水和过氧化氢溶液以体积分数比为1:2制成的混合溶液，将步骤(1)中的带材放入混合溶液中去除不需要的银层。其中，氨水的浓度为25％，过氧化氢溶液的浓度为30％。
变化例一
基于实施例一，本发明提供的一种提升超导恒流开关电阻的超导带材结构，基底层1背离缓冲层2的面可以不设置导电层6，也可以设置导电层6。
导电层6可以为铜稳定层5，位于基底层1背离缓冲层2面的导电层6可以为铜稳定层5覆盖基底层1背离缓冲层2的面。
导电层6还可以为银覆盖层4，位于基底层1背离缓冲层2面的导电层6可以为银覆盖层4覆盖基底层1背离缓冲层2的面。
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)
1.一种提升超导恒流开关电阻的超导带材结构，其特征在于，包括导电层(6)、超导层(3)、缓冲层(2)和基底层(1)，所述基底层(1)、缓冲层(2)以及超导层(3)三者依次堆叠设置；
所述超导层(3)背离缓冲层(2)的面包括至少两块呈间隔设置的导电层(6)。
2.如权利要求1所述的提升超导恒流开关电阻的超导带材结构，其特征在于，所述导电层(6)包括银覆盖层(4)和/或铜稳定层(5)。
3.如权利要求1所述的提升超导恒流开关电阻的超导带材结构，其特征在于，所述导电层(6)的面积小于或等于超导层(3)的面积，所述超导层(3)的面积小于或等于缓冲层(2)的面积，所述缓冲层(2)的面积小于或等于基底层(1)的面积。
4.如权利要求3所述的提升超导恒流开关电阻的超导带材结构，其特征在于，且所述超导层(3)长度方向的两侧和/或宽度方向的两侧设置有减材区。
5.如权利要求1所述的提升超导恒流开关电阻的超导带材结构，其特征在于，所述超导层(3)包括裸露区，所述超导层(3)的裸露区设置在两个呈间隔设置的导电层(6)之间。
6.如权利要求5所述的提升超导恒流开关电阻的超导带材结构，其特征在于，所述超导层(3)的裸露区的宽度小于或等于导电层(6)的宽度。
7.如权利要求5所述的提升超导恒流开关电阻的超导带材结构，其特征在于，所述超导层(3)的裸露区包括波折部。
8.如权利要求1所述的提升超导恒流开关电阻的超导带材结构，其特征在于，所述导电层(6)覆盖基底层(1)背离缓冲层(2)的面。
9.一种提升超导恒流开关电阻的超导带材结构的制作方法，其特征在于，用于制作权利要求1-8任一项所述的提升超导恒流开关电阻的超导带材结构，制作方法包括如下步骤：
S1、准备一根超导带材，备用；
S2、去除不需要的导电层(6)；
S3、破坏或去除不需要的超导层(3)。
10.如权利要求8所述的提升超导恒流开关电阻的超导带材结构的制作方法，其特征在于，减材不需要的导电层(6)或超导层(3)的方法包括化学腐蚀和/或机械加工。
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