CN117543236A - 一种超导接头及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超导接头及其制备方法，所述超导接头包括套筒、内垫块、铜柱及含有超导线材和超导块体的超导连接部分。本发明通过将超导线材与超导块体原料粉体置于内垫块与套筒形成的空腔中，并通过铜柱和内垫块向超导连接部分施加压力，使铜柱发生塑性变形以填满整个套筒内腔，可有效提高超导线材与超导块体接头处的致密度，同时，铜柱由于塑性变形产生与套筒内壁之间的摩擦力能使接头在热处理过程中处于有压烧结的状态，可进一步提高的接头致密度，有效降低接头电阻，从而使接头具有优异的超导性能。进一步地，所述超导接头通过设置外垫块与压头，改变超导线材向外伸出的路径，避免超导线材在冷压施加压力的过程中被破坏而损伤或断裂。
Description
技术领域
本发明属于超导技术领域，涉及一种超导接头及其制备方法。
背景技术
金属间化合物Nb3Sn作为最实用的低温超导材料之一，因具有高的临界电流密度Jc(3000A/mm2)、临界温度Tc(18.3K)和上临界磁场Hc(4.2K时达27T)，使其在高磁场超导磁体中具有广泛应用。
Nb3Sn超导磁体通过Nb3Sn超导线材绕制而成，在实际应用中，高场大型超导磁体的绕制通常需要超过万米级长度的超导线，然而受限于当前线材的制造工艺，很难制造出符合长度要求的单根Nb3Sn线材。因此，需要采用超导接头将多根超导线进行连接。此外，在磁共振成像(MRI)及核磁共振谱仪(NMR)的应用中，超导磁体必须在闭环中运行以实现磁场的高均匀性指标，这就意味着磁体线圈需要依靠超导接头连通成回路，从而实现无损运行。
目前，超导接头的制备工艺主要分为冷压焊法、超导焊料法和烧结法。冷压焊法是通过机械压力将待连接的超导线材压接在一起，以实现超导连接。冷压法工艺适用于塑性较好的超导线材的接头制备，比如NbTi超导线。超导焊料法是将超导线材浸入到装有熔融的超导焊料(如PbBi)中，经焊料固化后形成超导接头。在该工艺中，焊料对背景磁场的影响非常敏感，通常适用于背场较低的磁体。烧结法是通过将待连接线材埋入与线材成分相近的混合粉末中，经过冷压之后进行热处理，最终形成超导接头。
由于Nb3Sn具有典型的A15结构，A15超导相脆性较大，因此，不宜用冷压焊法来制备Nb3Sn超导接头。此外，由于Nb3Sn超导线材主要用于高场磁体，所以超导焊料法也不适合于Nb3Sn超导接头的制备。故目前常常采用烧结法来制备Nb3Sn超导接头。例如，专利CN111243820A报道的一种通过烧结法制备的Nb3Sn超导接头，其工艺为：将待连接的Nb3Sn线材和一定配比粉末一起装入铜管中，然后将铜管两端压紧封口，最后将铜管水平放置在压片机上加压成型为块状的Nb3Sn超导接头。
然而，上述方案在对铜管的出线端进行封口时，为了达到密封效果，施压过程中通常会使端口处线材发生应力集中，这使得在热处理后，由于Nb3Sn相的脆性，会引起线材的断裂或损伤。此外，超导线材在单轴受压时，埋入粉体中的线材极易出现变形不均匀的现象，这会严重影响接头性能。鉴于此，需要发展一种防止待连接线材发生断裂，以及使待连接线材均匀受压变形的Nb3Sn超导接头制备方法，从而保证接头结构的稳定性。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种超导接头及其制备方法，所述超导接头设置并利用塑性变形的铜柱以提供对超导连接部分的压力，从而优化超导连接的效果。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种超导接头，所述超导接头包括：
套筒，具有开口端以及与所述开口端相对的封闭端；
内垫块，设置于所述套筒内部，与套筒的封闭端形成空腔；所述内垫块上具有连通所述空腔与套筒外部的第一通孔；
铜柱，一端与所述内垫块接触，另一端朝向套筒外部延伸，且所述铜柱在冷压过程中经塑性形变后紧贴于所述套筒的内壁；所述铜柱具有与所述第一通孔相对应的第二通孔；
超导连接部分，包括超导块体以及超导线材；所述超导块体设置于所述空腔中，所述超导线材具有设置于所述超导块体的内部并与所述超导块体形成超导连接的裸露端，所述超导线材另一端经由所述第一通孔及所述第二通孔向套筒外部延伸。
本发明通过内垫块和铜柱向超导连接部分施加压力(优选为冷压)，使铜柱发生塑性变形以填满整个套筒内腔，可有效提高超导线材与超导块体接头处的致密度，同时，铜柱由于塑性变形产生与套筒内壁之间的摩擦力能使接头在热处理过程中处于有压烧结的状态，可进一步提高的接头致密度，有效降低接头电阻，从而使接头具有优异的超导性能。
以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好地达到和实现本发明的技术目的和有益效果。
作为本发明优选的技术方案，所述内垫块的直径比所述套筒的内径小1％～5％，例如1％、2％、3％、4％或5％等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述第一通孔的直径为所述超导线材的线径的3～10倍，例如3倍、4倍、5倍、6倍、7倍、8倍、9倍或10倍等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，塑性变形前，所述铜柱的直径比所述套筒的内径小10％～40％，例如10％、13％、16％、18％、20％、24％、27％、29％、32％、35％、38％或40％等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述铜柱的高度与所述套筒的高度相等。
优选地，所述第二通孔的直径与所述第一通孔的直径相等。
作为本发明优选的技术方案，所述超导接头还包括外垫块，所述外垫块与所述铜柱向套筒外部延伸的一端相接触，且具有供所述超导线材伸出的第三通孔。
为了便于向所述铜管施加压力，本发明通过设置外垫块增加施压面积，同时外垫块具有与所述第二通孔相对应的第三通孔，用于超导线材伸出。
优选地，所述外垫块的直径比所述套筒的外径大。
优选地，所述第三通孔的直径与所述第一通孔的直径相同。
作为本发明优选的技术方案，所述超导结构还包括压头，所述压头具有与所述外垫块相接触的接触端，及与所述接触端相对的施压端；所述接触端开设有与所述第三通孔相对应的径向槽，所述径向槽用于所述超导线材的伸出。
优选地，所述压头的直径与所述套筒的外径相等。
优选地，所述径向槽为方形槽，槽深为所述压头的厚度的10％～50％，例如10％、13％、15％、18％、20％、23％、25％、28％、30％、33％、35％、38％、40％、43％、45％、48％或50％等，槽宽为所述第一通孔的直径的1～3倍，例如1倍、1.2倍、1.4倍、1.6倍、1.8倍、2倍、2.2倍、2.4倍、2.6倍、2.8倍或3倍等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
为了便于在施加压力时，不对伸出的超导线材进行破坏，本发明通过设置带有径向槽的压头，改变超导线材由第三通孔伸出后的方向，即所述径向槽不经过所述施压端，而是由压头的接触端与施压端之间的侧面开口，可以避免施加的压力直接传导至伸出的超导线材而对其的破坏，保护其不受损伤。因此，设置有所述外垫块及所述压头的超导接头方案尤其适用于脆性大的Nb3Sn超导线材的超导连接。
作为本发明优选的技术方案，所述超导接头的各个部分均为同轴设置。
优选地，除了所述铜柱及所述超导连接部分外，所述超导接头的其余部分的材质均相同且包括不锈钢。
优选地，所述铜柱的材质包括T2紫铜或纯度更高的无氧铜。
作为本发明优选的技术方案，所述超导线材及所述超导块体的材质相同或相近且包括Nb3Sn。
优选地，所述超导线材为两根，且两根超导线中的超导丝编织为一束。
优选地，所述超导块体由原料粉体烧结形成。
需要说明的是，本发明对所述超导接头各个部分的尺寸不进行具体限制，应根据实际的需要和超导接头的应用环境进行合理地调整；示例性的，本发明所述超导接头的尺寸参数可以为：
所述超导线材的线径为0.5～1mm；所述套筒的外径为20～40mm，壁厚2～5mm，高度30～50mm；所述内垫块的直径比套筒的内径小0.5～2mm，厚度3～5mm，内垫块的第一通孔的直径为3～5mm；所述铜柱在塑性变形前的直径比套筒的内径小5～10mm，高度与套筒的高度相同，铜柱的第二通孔的直径与第一通孔的直径相同；所述外垫块的直径比所述套筒的外径大10～20mm，厚度为3～5mm，外垫块的第三通孔的直径与第一通孔的直径相同；所述压头的直径与套筒的外径相等，高度20～30mm；所述第一通孔、第二通孔及第三通孔均为圆形孔；所述径向槽为方形槽，槽深5～10mm，槽宽为第一通孔的直径的1～3倍。
第二方面，本发明提供了一种第一方面所述的超导接头的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)准备待连接的且具有裸露端的超导线材；准备超导块体原料粉体；
(2)将超导线材的裸露端放入套筒中，将超导块体原料粉体铺设在套筒内；
(3)将内垫块及铜柱依次放入套筒内，并使超导线材的另一端依次从第一通孔及第二通孔穿出；
(4)对铜柱远离内垫块的一端施加压力，使铜柱塑性变形而径向扩张，直至紧贴于套筒内壁；
(5)进行热处理，使超导块体原料粉体形成超导块体并与超导线材形成超导连接。
需要说明的是，对铜柱施加压力时应避免直接对超导线材的伸出端进行加压，而通过作用于铜管远离内垫块的一端本体，沿轴向向内垫块传导压力，铜柱不断向套筒底部垂直运动，推动内垫块向空腔中的超导块体原料粉体及超导线材裸露端进行施压，铜管在垂直移动到极限时，在施加压力的影响下使铜柱的轴向不断被压缩，并开始沿径向扩张，直至完全紧贴于套筒的内壁。
作为本发明优选的技术方案，所述制备方法还包括将外垫块设置于铜柱远离内垫块的一端，并使超导线材从外垫块的第三通孔中穿出。
优选地，所述制备方法还包括将压头设置于所述外垫块远离铜柱的一端，并使超导线材从压头的径向槽中穿出。
优选地，所述制备方法还包括，对压头的施压端施加压力，使铜柱塑性变形而径向扩张，直至紧贴于套筒内壁。
考虑到铜柱需要被套设在套筒的内部，因而径向尺寸较小，且需要开设第三通孔以供超导线材伸出，因此，优选设置外垫块及压头，将施加压力的部位转移至压头的施压端，并由面积更大的外垫块将施加压力传导至铜管，改善施加压力的便捷性和效果，同时，通过开设径向槽避免超导线材被破坏。
优选地，所述施加压力的压力范围为100-500Mpa，例如100Mpa、150Mpa、200Mpa、250Mpa、300Mpa、350Mpa、400Mpa、450Mpa或500Mpa等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述铜柱紧贴于套筒内壁后，停止加压，并保压10～30min，例如10min、12min、14min、18min、20min、22min、24min、26min、28min或30min等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述超导线材预先采用酸腐蚀法去除稳定层及阻挡层，使超导丝裸露，并将两根超导线材裸露的超导丝编织为一束，构成裸露端。
优选地，所述酸腐蚀法使用的酸溶液包括质量浓度为40％～60％硝酸和/或质量浓度为20％～40％氢氟酸。
优选地，所述超导线材包括内锡工艺Nb3Sn超导线，所述超导块体原料粉体包括Nb粉、Sn粉和Cu粉，纯度均大于等于99.9％。
优选地，所述Nb粉、Sn粉和Cu粉进行球磨混合，所述球磨的时间为4～12h，例如4h、5h、6h、7h、8h、9h、10h、11h或12h等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述Nb粉、Sn粉和Cu粉的原子摩尔比为3:1:(1～10)，例如3:1:1、3:1:2、3:1:3、3:1:4、3:1:5、3:1:6、3:1:7、3:1:8、3:1:9或3:1:10等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述热处理的方法包括在保护气氛下烧结；
优选地，所述烧结的方法包括先以10～50℃/h的升温速率，例如10℃/h、15℃/h、20℃/h、25℃/h、30℃/h、35℃/h、40℃/h、45℃/h或50℃/h等，从室温升温至650～750℃，例如650℃、660℃、670℃、680℃、690℃、700℃、710℃、720℃、730℃、740℃或750℃等，保温10～100h，例如10h、15h、20h、25h、30h、35h、40h、45h、50h、55h、60h、65h、70h、75h、80h、85h、90h、95h或100h等，然后以200～300℃/h的降温速率，例如200℃/h、210℃/h、220℃/h、230℃/h、240℃/h、250℃/h、260℃/h、270℃/h、280℃/h、290℃/h或300℃/h等，降温至400℃，之后随炉冷却至室温。但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明通过将超导线材和超导块体原料粉体一起放置在套筒与内垫块形成的空腔中，通过施加压力使铜柱发生塑性变形以填满整个套筒内腔，以对超导连接部分提供持续性的压力，可有效提高接头处的致密度且使对接头处的热处理过程处于有压烧结的状态，可进一步提高的接头处的致密度，有效降低接头电阻，从而使所得超导接头具有优异的超导性能。
(2)本发明将待连接的超导线材从内垫块、铜柱和外垫块通孔中穿入并从压头的方形槽中引出，在冷压过程中能够避免线材发生应力集中，这使得在热处理后不会因为超导线材本身的脆性而引发线材断裂或损伤，保障了超导接头结构的稳定性，尤其适用于脆性较大的Nb3Sn超导线材进行超导连接。
(3)本发明的超导结构在外部施加压力时，能够将压力均匀加载到内部超导线材和超导块体原料粉体上，使各部分受力均匀，提高了超导接头稳定运行的可靠性。
附图说明
图1是实施例1所得第一预制接头的结构示意图；
图2为图1中的压头的示意图；
图3为图1中的外垫块的示意图；
图4为图1中的铜柱的示意图；
图5为图1中的内垫块的示意图；
图6为图1中的套筒的示意图；
图7为图1中的具有裸露端的超导线材的示意图；
图1-7中：1-套筒、2-内垫块、3-铜柱、4-外垫块、5-压头、6-超导块体原料粉体、7-第一通孔、8-第二通孔、9-第三通孔、10-超导线材、11-径向槽、12-裸露端；
图8为实施例1所得超导接头的截面的光学显微镜图；
图9为实施例1所得超导接头的截面的X射线衍射图；
图10为对比例1所得超导接头中超导块体的光学显微镜图；
图11为对比例1所得超导接头的截面的光学显微镜图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
本实施例提供了一种超导接头的制备方法，图1为所述制备方法得到的第一预制接头的结构示意图，图2-7分别为图1中压头5、外垫块4、铜柱3、内垫块2、套筒1及具有裸露端12的超导线材10的示意图(其中图2-图5为三视图)，所述制备方法包括：
(1)首先截取两段商用的内锡工艺Nb3Sn超导线作为超导线材10，采用质量浓度为50％的硝酸溶液和质量浓度为30％的氢氟酸溶液分别腐蚀去除线材一端的铜稳定层和钽阻挡层，腐蚀长度为1cm，得到裸露的Nb丝，然后用去离子水清洗并烘干后将两根Nb3Sn超导线的Nb丝编织成一束，形成裸露端12；
(2)将纯度均为99.9％的单质Nb粉、Sn粉和Cu粉按照Nb:Sn:Cu＝3:1:3的原子摩尔比进行称量配比，然后在球磨机中球磨4h，使其混合均匀，得到混合粉体；
(3)将步骤(1)中超导线材10的裸露端12插入到套筒1的中心部位，然后将30g步骤(2)中的混合粉体铺覆在套筒1底部，覆盖裸露端12；
(4)将内垫块2放入套筒1内，并依次叠加设置铜柱3、外垫块4及压头5，同时使超导线材10的另一端依次从第一通孔7、第二通孔8、第三通孔9及径向槽11中穿出，得到第一预制接头；
(5)将步骤(4)的第一预制接头置于压片机中，套筒1的封闭端和压头5的施压端与压片机接触，并沿轴向对压头5施加压力，压力大小为300Mpa，直至铜柱3完全紧贴套筒1的内壁后，再保持压力10min，得到第二预制接头；
(6)将步骤(5)的第二预制接头卸压后，将压头5和外垫块4去除，然后置于管式炉中，在流动的氩气保护气氛中进行反应热处理，热处理工艺为：首先以10℃/h的升温速率从室温升温至700℃，保温20h，然后以200℃/h的降温速率降温至400℃，之后随炉冷却至室温，热处理期间，超导块体原料粉体6形成Nb3Sn超导块体，同时超导线材10与超导块体通过固态扩散反应形成Nb3Sn的超导连接，得到超导接头。
实施例2
本实施例提供了一种超导接头的制备方法，所述制备方法包括：
(1)首先截取两段商用的内锡工艺Nb3Sn超导线作为超导线材10，采用质量浓度为40％的硝酸溶液和质量浓度为40％的氢氟酸溶液分别腐蚀去除线材一端的铜稳定层和钽阻挡层，腐蚀长度为2cm，得到裸露的Nb丝，然后用去离子水清洗并烘干后将两根Nb3Sn超导线的Nb丝编织成一束，形成裸露端12；
(2)将纯度均为99.9％的单质Nb粉、Sn粉和Cu粉按照Nb:Sn:Cu＝3:1:4的原子摩尔比进行称量配比，然后在球磨机中球磨6h，使其混合均匀，得到混合粉体；
(3)将步骤(1)中超导线材10的裸露端12插入到套筒1的中心部位，然后将40g步骤(2)中的混合粉体铺覆在套筒1底部，覆盖裸露端12；
(4)将内垫块2放入套筒1内，并依次叠加设置铜柱3、外垫块4及压头5，同时使超导线材10的另一端依次从第一通孔7、第二通孔8、第三通孔9及径向槽11中穿出，得到第一预制接头；
(5)将步骤(4)的第一预制接头置于压片机中，套筒1的封闭端和压头5的施压端与压片机接触，并沿轴向对压头5施加压力，压力大小为400Mpa，直至铜柱3完全紧贴套筒1的内壁后，再保持压力15min，得到第二预制接头；
(6)将步骤(5)的第二预制接头卸压后，将压头5和外垫块4去除，然后置于管式炉中，在流动的氩气保护气氛中进行反应热处理，热处理工艺为：首先以20℃/h的升温速率从室温升温至680℃，保温40h，然后以200℃/h的降温速率降温至400℃，之后随炉冷却至室温，热处理期间，超导块体原料粉体6形成Nb3Sn超导块体，同时超导线材10与超导块体通过固态扩散反应形成Nb3Sn的超导连接，得到超导接头。
实施例3
本实施例提供了一种超导接头的制备方法，所述制备方法包括：
(1)首先截取两段商用的内锡工艺Nb3Sn超导线作为超导线材10，采用质量浓度为60％的硝酸溶液和质量浓度为20％的氢氟酸溶液分别腐蚀去除线材一端的铜稳定层和钽阻挡层，腐蚀长度为3cm，得到裸露的Nb丝，然后用去离子水清洗并烘干后将两根Nb3Sn超导线的Nb丝编织成一束，形成裸露端12；
(2)将纯度均为99.9％的单质Nb粉、Sn粉和Cu粉按照Nb:Sn:Cu＝3:1:5的原子摩尔比进行称量配比，然后在球磨机中球磨8h，使其混合均匀，得到混合粉体；
(3)将步骤(1)中超导线材10的裸露端12插入到套筒1的中心部位，然后将50g步骤(2)中的混合粉体铺覆在套筒1底部，覆盖裸露端12；
(4)将内垫块2放入套筒1内，并依次叠加设置铜柱3、外垫块4及压头5，同时使超导线材10的另一端依次从第一通孔7、第二通孔8、第三通孔9及径向槽11中穿出，得到第一预制接头；
(5)将步骤(4)的第一预制接头置于压片机中，套筒1的封闭端和压头5的施压端与压片机接触，并沿轴向对压头5施加压力，压力大小为500Mpa，直至铜柱3完全紧贴套筒1的内壁后，再保持压力20min，得到第二预制接头；
(6)将步骤(5)的第二预制接头卸压后，将压头5和外垫块4去除，然后置于管式炉中，在流动的氩气保护气氛中进行反应热处理，热处理工艺为：首先以30℃/h的升温速率从室温升温至720℃，保温50h，然后以300℃/h的降温速率降温至400℃，之后随炉冷却至室温，热处理期间，超导块体原料粉体6形成Nb3Sn超导块体，同时超导线材10与超导块体通过固态扩散反应形成Nb3Sn的超导连接，得到超导接头。
对比例1
本对比例以专利CN111243820A所述的制备方法进行超导接头的制备，具体步骤为：(1)将待连接的Nb3Sn线材进行腐蚀以露出Nb多丝；(2)将准备好的Nb粉和青铜合金粉倒入插有Nb多丝的铜管中，并将铜管两端压紧封口；(3)将铜管水平放置在压片机上加压成型为块状接头；(4)将带有Nb3Sn线材的块状接头一起进行高温热处理。
将实施例1-3所得超导接头切开，通过光学显微镜观察超导接头的截面。如图8所示为实施例1所得超导接头的截面的光学显微镜图，图中显示，套筒1内的金属粉末已被压实形成致密块体(即形成了超导块体)，并且与超导线材10连为一体，同时超导线材10保持圆形，说明在冷压过程中内部的超导线受力均匀。此外，对致密块体进行了X射线衍射(XRD)分析，如图9所示为实施例1所得超导接头的截面中的致密块体的XRD图，图中显示出以Nb3Sn峰为主的衍射峰结果，说明充分生成了超导相，可以保证接头稳定的超导连接。
对于实施例2及3的结果与实施例1相同，均能生成超导块体并与超导线材10构成优异的超导连接。而且，实施例1-3均进一步设置了外垫块4及压头5，可以将待连接的超导线材10从内垫块2、铜柱3和外垫块4通孔中穿入并从压头5的方形槽中引出，在冷压过程中能够避免线材发生应力集中，使得在热处理后不会因为超导线材10本身的脆性而引发线材断裂或损伤，可保证Nb3Sn超导线材10进行超导连接的稳定性和超导性能。
将对比例1所得超导接头切开，通过光学显微镜观察超导接头的截面。如图10所示为对比例1所得超导接头的截面的光学显微镜图，图中显示，铜管内的块体经热处理后生成了大量的孔洞，块体极不致密，这将严重影响Nb3Sn超导接头的性能。同时，按照对比例1的方法对接头进行加压后，如图11所示，超导线材已不能保持圆形，且线材中的子元素发生严重变形，说明在冷压过程中内部的超导线受力不均匀，这同样会使超导接头的性能变差。
从以上可以看出，本发明通过将超导线材和超导块体原料粉体一起放置在套筒与内垫块形成的空腔中，通过施加压力使铜柱发生塑性变形以填满整个套筒内腔，以对超导连接部分提供持续性的压力，可有效提高接头处的致密度且使对接头处的热处理过程处于有压烧结的状态，可进一步提高的接头处的致密度，有效降低接头电阻，从而使所得超导接头具有优异的超导性能。
本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (10)
1.一种超导接头，其特征在于，所述超导接头包括：
套筒，具有开口端以及与所述开口端相对的封闭端；
内垫块，设置于所述套筒内部，与套筒的封闭端形成空腔；所述内垫块上具有连通所述空腔与套筒外部的第一通孔；
铜柱，一端与所述内垫块接触，另一端朝向套筒外部延伸，且所述铜柱在冷压过程中经塑性形变后紧贴于所述套筒的内壁；所述铜柱具有与所述第一通孔相对应的第二通孔；
超导连接部分，包括超导块体以及超导线材；所述超导块体设置于所述空腔中，所述超导线材具有设置于所述超导块体的内部并与所述超导块体形成超导连接的裸露端，所述超导线材另一端经由所述第一通孔及所述第二通孔向套筒外部延伸。
2.根据权利要求1所述的超导接头，其特征在于，所述内垫块的直径比所述套筒的内径小1％～5％；
优选地，所述第一通孔的直径为所述超导线材的线径的3～10倍；
优选地，塑性变形前，所述铜柱的直径比所述套筒的内径小10％～40％；
优选地，所述铜柱的高度与所述套筒的高度相等；
优选地，所述第二通孔的直径与所述第一通孔的直径相等。
3.根据权利要求1或2所述的超导接头，其特征在于，所述超导接头还包括外垫块，所述外垫块与所述铜柱向套筒外部延伸的一端相接触，且具有供所述超导线材伸出的第三通孔；
优选地，所述外垫块的直径比所述套筒的外径大；
优选地，所述第三通孔的直径与所述第一通孔的直径相同。
4.根据权利要求3所述的超导接头，其特征在于，所述超导结构还包括压头，所述压头具有与所述外垫块相接触的接触端，及与所述接触端相对的施压端；所述接触端开设有与所述第三通孔相对应的径向槽，所述径向槽用于所述超导线材的伸出；
优选地，所述压头的直径与所述套筒的外径相等；
优选地，所述径向槽为方形槽，槽深为所述压头的厚度的10％～50％，槽宽为所述第一通孔的直径的1～3倍。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的超导接头，其特征在于，所述超导接头的各个部分均为同轴设置；
优选地，除了所述铜柱及所述超导连接部分外，所述超导接头的其余部分的材质均相同且包括不锈钢；
优选地，所述铜柱的材质包括T2紫铜或无氧铜。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的超导接头，其特征在于，所述超导线材及所述超导块体的材质相同且包括Nb3Sn；
优选地，所述超导线材为两根，且两根超导线中的超导丝编织为一束；
优选地，所述超导块体由原料粉体烧结形成。
7.一种权利要求1-6任意一项所述的超导接头的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)准备待连接的且具有裸露端的超导线材；准备超导块体原料粉体；
(2)将超导线材的裸露端放入套筒中，将超导块体原料粉体铺设在套筒内；
(3)将内垫块及铜柱依次放入套筒内，并使超导线材的另一端依次从第一通孔及第二通孔穿出；
(4)对铜柱远离内垫块的一端施加压力，使铜柱塑性变形而径向扩张，直至紧贴于套筒内壁；
(5)进行热处理，使超导块体原料粉体形成超导块体并与超导线材形成超导连接。
8.根据权利要求7所述的超导接头的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括将外垫块设置于铜柱远离内垫块的一端，并使超导线材从外垫块的第三通孔中穿出；
优选地，所述制备方法还包括将压头设置于所述外垫块远离铜柱的一端，并使超导线材从压头的径向槽中穿出；
优选地，所述制备方法还包括，对压头的施压端施加压力，使铜柱塑性变形而径向扩张，直至紧贴于套筒内壁；
优选地，所述施加压力的压力范围为100～500Mpa；
优选地，所述铜柱紧贴于套筒内壁后，停止加压，并保压10～30min。
9.根据权利要求7或8所述的超导接头的制备方法，其特征在于，所述超导线材预先采用酸腐蚀法去除稳定层及阻挡层，使超导丝裸露，并将两根超导线材裸露的超导丝编织为一束，构成裸露端；
优选地，所述超导线材包括内锡工艺Nb3Sn超导线，所述超导块体原料粉体包括Nb粉、Sn粉和Cu粉，纯度均大于等于99.9％；
优选地，所述Nb粉、Sn粉和Cu粉进行球磨混合，球磨时长为4～12h；
优选地，所述Nb粉、Sn粉和Cu粉的原子摩尔比为3:1:(1～10)。
10.根据权利要求7-9任意一项所述的超导接头的制备方法，其特征在于，所述热处理的方法包括在保护气氛下烧结；
优选地，所述烧结的方法包括先以10～50℃/h的升温速率从室温升温至650～750℃，保温10～100h，然后以200～300℃/h的降温速率降温至400℃，之后随炉冷却至室温。
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2023
- 2023-12-07 CN CN202311673509.8A patent/CN117543236A/zh active Pending
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