CN1713311A - 一种复合超导线（带）材 - Google Patents

Abstract

一种复合超导线(带)材，涉及超导线(带)材领域。它由高温超导线(带)材和低温超导线(带)材并联焊接或绕制而成，亦可由高温超导线(带)材、低温超导线(带)材和基底材料复合而成。本发明将高温超导线(带)材与低温超导线(带)材复合，可以在低温超导线(带)材局部失超后电压升高，利用高温超导材料n值大的特点，由高温超导线(带)材承担一部分工作电流，抑制高温低温超导复合超导线(带)材整体电压上升，降低复合超导线(带)材温度升高，因此比其它复合超导材料稳定，具有超导填充率高、工程电流密度大、共流温度高等优点；使超导磁体(尤其高场磁体)比传统的低温和高温超导磁体运行更稳定，效率更高、更安全。

Description

一种复合超导线(带)材

技术领域

本发明涉及超导线(带)材，特别涉及一种复合超导线(带)材。

背景技术

超导体最重要的一个属性就是当温度降到临界温度T_c及其以下时，电阻会忽然消失。在临界温度T_c以下，存在一临界电流I_c；当超导体所通电流大于临界电流I_c时，超导体将转换为正常态，即表现为有电阻态。另外，临界电流I_c是温度T和磁场B的函数；随着温度T或磁场B的增加，临界电流会变小，直到消失变为正常态。在某一温度下，存在一临界磁场B_c，当磁场B大于B_c时，即使温度T低于临界温度T_c，超导特性也将消失。临界磁场B_c也是温度的函数，即随着温度的升高，临界磁场Bc变小。

实际超导材料的电流电压超导特性(V-I特性)由两参数的幂指数经验公式(1)来近似描述：

$E=E_c{\left(\frac{I}{I_c}\right)}^n---\left(1\right)$

I和I_c分别为电流_c和临界电流，E_c为I＝I_c时的电场(一般以1μV/cm作为标准判据)；n值为拟合指数。一般情况下，I_c和n值是温度T和磁场B的单调递减函数。临界电流I_c和n值是描述超导体超导特性的两个重要参量。

目前，超导体有高温超导体和低温超导体。由超导态向正常态的转变对于高温超导体和低温超导体存在很大的差异。尤其是对于低温超导材料，其从超导态过渡到正常态非常迅速，也即其n值较大；而高温超导材料由超导态向正常态的转变较低温超导材料慢得多，其n值相对较小。

目前绕制低温超导电缆、磁体常用的传统实用低温超导材料如NbTi临界温度9.5K，Nb₃Sn，Nb₃Al等，临界温度在25K以下，n值很高，一般在30以上。一般运行在液氦温区。因此根据磁场和温度的要求来选择不同的超导材料。而目前实用高温超导材料以Bi系和Y系为主，其临界温度在液氮温区以上，但n值较低温超导材料很低。在低温高场下，高温超导材料临界电流随磁场的增加而减小的程度比传统的低温超导材料要小。所以在制造高于25T以上的高场超大磁体时，通常采用混杂磁体结构，高温超导磁体置于最内层。

由于低温超导材料价格便宜，目前实用的超导磁体仍以低温超导磁体为主。但是由于低温超导体转变温度窄、n值高、工作温区小、热导高、失超传播速度快，最小失超能小，使得传统的低温超导磁体/电缆在很小的机械、温度等扰动下会迅速地从超导态迅速转变为正常态。而高温超导体转变温度很宽、n值低、工作温区大、热导低、失超传播速度慢，最小失超能大，使得高温超导磁体/电缆抗机械、温度等干扰能力强。因此采用合适的稳定措施，以保证超导磁体安全、可靠地运行成为设计超导磁体/电缆的关键技术之一。目前主要通过超导体细丝和高热导率和电导率金属与超导体组合成复合导体来稳定超导体；传统的低温超导线(带)材采用铜或铜合金等作为基材，高温超导线(带)材以银、银合金、及合金加不锈钢加强作为基材。现有的实用低温超导材料有圆线、扁带等结构，如NbTi、Nb₃Sn、Nb₃Al、MgB₂等以铜或铜镍合金、铁等为基体的复合材料；现有的实用高温超导材料也有圆(不很多)、扁带等结构形式，如BSCCO(Bi2212，Bi2223)，YBCO等以银或银合金，镍等作为基体材料的复合体。通过使用高热导率和高电导率的金属(如铜、银、及合金等)与超导体组成复合导体虽然提高了磁体的稳定性，但是这种金属的大量使用会使超导工程电流密度降低，同时当金属基材分流时，会产生焦耳热。如果不能及时传出，低温超导体温度会迅速升高，导致超导体的失超。

传统的磁体是液氦直接浸泡式冷却，低温系统庞大、复杂；维护费用高。近几年随着低温制冷机技术的发展，无液氦导冷制冷机取代传统的液氦浸泡冷却方式。无液氦制冷导冷超导磁体是实用超导磁体的方向。使用维护方便，经济。无液氦制冷导冷超导磁体低温稳定性比直接浸泡式冷却方式差，失超传播速度更快。因此，导冷超导磁体系统要求留有更大的温度裕度。因此以降低工程电流密度或减小超导填充因子为代价。因此，磁体的稳定性要求比液氦直接浸泡式冷却更苛刻。

现有技术复合型的超导带材的结构和材料，低温超导材料n值高，失超传播速度快，工作温度范围窄，磁通跳跃现象和锻炼效应严重。高温超导材料n值低，失超传播速度慢，工作温度范围宽，磁通跳跃现象和锻炼效应不严重。

发明内容

本发明的目的是为了进一步提高现有的用于低温超导磁体的低温超导线或复合导线的稳定性，提高低温超导磁体的运行电流和效率，增加超导填充系数，提高工程电流密度，增加磁体的抗干扰能力，降低共流温度，以提高磁体的长时间稳定运行。本发明提出一种新型的超导复合线材，不仅可大大提高超导磁体的安全稳定性，而且比其它复合超导体稳定，具有超导填充率高、工程电流密度大、共流温度低等优势；对超导磁体、尤其高场磁体应用具有广阔应用前景。

本发明采用以下技术方案：

本发明复合超导线(带)材的主要组成部分为高温超导复合线(带)材和低温超导复合线(带)材，并采用比较成熟的焊接和并联绕制工艺使两者紧密结合在一起，即将常规工艺制备的低温超导复合线(带)材同现有工艺技术制备的高温超导复合线(带)材并联并采用一定的加工工艺如直接焊接等使两者结合在一起组成复合导线(带)，或者直接使用若干根低温超导复合线(带)材同高温超导复合线(带)材并联绕制形成。

其中高温超导复合线(带)材采用Bi系线(带)材(如Bi2212、Bi2223)以及Yi系线(带)材(如Y123)等材料，低温超导线(带)材采用NbTi和Nb₃Sn以及Ni₃Al，MgB₂等材料。根据目前的加工工艺，该复合线(带)材可以是圆线，也可以为矩形带材。

本发明的原理：高温超导体在低温、高场下仍具备较高临界电流，其上临界场达到100T，而传统的低温超导材料的上临界场低于25T。但是，低温超导线(带)的n值(＞35)比高温超导线(带)n值(＜20)高得多；在绕制成磁体后，低温超导磁体的n值一般大于30，而高温超导磁体的n值小于10。所以利用高温超导线(带)绕制成线圈以后的n值比低温超导磁体n值小得多的特点，来弥补低温超导线(带)材n值大、容易发生突然由超导态向正常态的跃变从而导致低温超导磁体失超甚至烧毁的缺点。低温超导线(带)由超导态转变到正常态的转变宽度比高温超导线(带)的转变宽度小得多。从纯粹超导特性方面来衡量，低温超导材料优于高温超导材料。另外，由于高温超导材料是氧化物陶瓷，线(带)一般采用银基包套材料，它的机械特性(拉伸和弯曲)比传统的低温超导线(带)的机械特性差得多，给磁体技术方面带来很大困难。尽管目前高温线(带)采用银合金及外加不锈钢包套作为基底材料，在一定程度上增加了高温超导线(带)的机械强度，但是增加了基材电阻率，同时带来了其它方面的问题如热传导系数降低、电导率降低、分流等能力的下降，使高温超导材料的电磁及热稳定性降低；给高温超导磁体的稳定运行、失超检测和保护等带来严重后果。

但是从磁体运行稳定性、锻炼效应、抗(磁和热)等干扰能力方面，高温超导磁体优于低温超导磁体。一方面高温超导材料临界温度(＞77K)远高于低温超导材料，所以高温超导材料比低温超导材料具有很强的温度稳定性；另一方面，低温超导材料的失超传播速度比高温超导材料快近两个数量级，所以低温超导磁体的失超检测比高温超导磁体容易。

本发明利用低温和高温超导材料的特点，结合了两者的优势，使超导磁体(尤其高场磁体)能够比传统的低温和高温超导磁体运行更稳定，效率更高、更安全。具体是：当高温和低温复合线(带)绕制的磁体在正常运行时，由于低温超导材料的n值比高温超导线(带)的n值高得多，电流必优先流经低温超导体；当低温超导体电流达到一定值后(如接近它的临界电流){如果没有高温超导线(带)复合，磁体将很快失超}，由于高温超导材料的n值低，电流将逐渐流过高温超导材料，抑制高温低温超导复合材料整体电压上升，降低超导体温度升高；因为即使有温升，高温超导材料仍然处于超导态。所以从总体上，增加超导磁体的稳定性，提高超导运行电流即减小电流裕度，提高超导电性效率。

本专利所涉及的新型复合超导线(带)材正常工作时大部分电流首先由低温超导(线)带材承载，高温超导线(带)材承载小部分电流，这时候因为低温超导线(带)材的n值远高于高温超导线(带)材的n值；一旦在局部存在一个小的扰动使低温超导线(带)材局部温度升高，则其电压迅速增大，这样高温超导线(带)材承担一部分电流而使电压限制在一个很小的安全范围内；当扰动消失后，低温超导线(带)材又可恢复其固有的超导特性，高温超导线(带)材中的电流又返回到低温超导线(带)材中，重新达到稳定状态。

附图说明

图1为典型的高温超导线(带)材和低温超导线(带)材的约化V-I曲线图；

图2为4.2K下高温超导线(带)材和高温超导线(带)材临界电流随外磁场的变化曲线；

图3为本发明具体实施例一的示意图；

图4为本发明具体实施例二的示意图；

图5为本发明具体实施例三的示意图；

图6为本发明具体实施例四的示意图。

最佳实施方式：

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图3所示，本发明具体实施方式之一的复合超导体由高温超导线(带)材、低温超导线(带)材以及基底材料组成。其中高温超导线(带)材为Bi-2223、Y123等复合高温超导线(带)材，低温超导线(带)材为NbTi、Nb₃Sn和Ni₃Al等，基底材料为铜或其它高电导率、高热导率的金属或合金。首先通过目前成熟的焊接或拉拔技术及PIT技术(粉末管装技术)，将低温超导复合线(带)材与基底材料复合在一起，在基底材料上开有与高温超导线(带)材形状相同的矩形或圆形槽，然后将高温超导线(带)材焊接在槽内，焊接时的温度不应超过使高温超导线(带)材性能发生变化的临界温度120℃。

如图4所示为本发明的又一实施例，它由多根高温超导线(带)材以及多根低温超导线(带)材组成复合超导体。首先通过目前成熟的焊接或拉拔技术及PIT技术(粉末装管技术)，将多根低温超导复合线(带)材与基底材料复合在一起，在基底材料上开有若干与高温超导线(带)材形状相同的矩形或圆形槽，然后将高温超导材料焊接在槽内。这种形式的复合超导线(带)材可满足各种电流要求的需要；复合超导线(带)材内高温和低温超导线(带)材的根数和比例，将根据用户使用的磁体磁场和实际允许的运行电流来确定。

如图5所示，本发明的另一实施例中直接将宽度相同或相近的高温超导线(带)材与低温超导线(带)材焊接至一起，不使用为低温超导带材提供稳定运行的基底材料，而完全由高温超导线(带)材来提高该复合导线的运行稳定性。

如图6所示，本发明由高温超导线(带)材、低温超导线(带)材和基底材料组成。同实施例二不同的是高温超导线(带)材和低温超导线(带)材均为圆线，或者至少有一种为圆线，并且有多根高温超导细线和低温超导细线分布在基底材料中。

以上实施例的共同点均为将高温超导线(带)材与低温超导线(带)材复合至一起形成复合超导线(带)材，有的实施例采用基底材料，而有的没有采用基底材料。本发明通过将高温超导线(带)材与低温超导线(带)材复合，可以在低温超导线(带)材局部失超后电压升高，利用高温超导材料n值大的特点，由高温超导线(带)材承担一部分工作电流，抑制本发明的复合超导线(带)材整体电压上升，降低本发明复合超导线(带)材温度升高；因为即使有温升，高温超导材料仍然处于超导态。所以本发明从总体上比其它低温复合超导线(带)材稳定、超导填充率高、工程电流密度大、共流温度高，增加了超导磁体的稳定性，提高超导运行电流即减小电流裕度，提高超导电性效率。

Claims (3)

1、一种复合超导线(带)材，其特征在于包括高温超导线(带)材、低温超导线(带)材和基底材料；它由高温超导线(带)材和低温超导线(带)材并联焊接或绕制而成，亦可由高温超导线(带)材、低温超导线(带)材和基底材料复合而成。

2、根据权利要求1所述的一种复合超导线(带)材，其特征在于所述的高温超导线(带)材为Bi系高温超导线(带)材以及Yi系高温超导线(带)材，所述的低温超导线(带)材为NbTi、Nb₃Sn和Ni₃Al等，基底材料为具有高电导率以及高热导率的固体导体材料。

3、根据权利要求1或2所述的一种复合超导线(带)材，其特征在于复合超导线(带)材可以是圆截面线材，同时也可以为矩形截面带材。

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