TWI457951B - 超導線材的製備方法 - Google Patents
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Description
本發明涉及一種超導線材的製備方法。
超導線材係指在足夠低的溫度及足夠弱的磁場下，其電阻為零的物質，零電阻及抗磁性係超導線材的兩重要特性。由於超導線材在超導狀態下具有零電阻及完全的抗磁性，只需消耗極少的電能，就可以獲得10萬高斯以上的穩態強磁場，故，超導線材在發電、輸電及儲能等方面有廣泛的應用。
增大超導線材的長度將大大提高超導線材的柔韌性、電性能及機械性能，然由於超導體本身較脆，難以製作機械強度較高且長度較長的超導線材。2005年5月4日公開的中國大陸專利第CN1200435C號提出將很細的超導前驅粉溶於有機溶劑中製成塗料，然後覆蓋在銀或銀合金等基底線(或帶)上；經過低溫及高溫燒結後得到一根超導線材，也可以再進行軋製，得到一根具有所需大小的超導線材。然，利用上述方法製備超導線材時至少具有以下缺點：(1)所述有機溶劑在後續處理中可能去除的不徹底，導致所獲得的超導線材容易形成微孔等線材，從而降低超導線材的性能；(2)為了得到一根具有所需大小的超導線材，需對經過低溫及高溫燒結後的超導線材再進行軋製，然，由於基底的材料為銀或銀合金等，強度不高，在軋製過程中超導線材的連續
性容易被破壞，從而破壞整個超導線材的機械性能。
有鑒於此，提供一超導線材的製備方法，該製備方法不使用有機溶劑，且該製備方法所制得的超導線材具有較好的機械性能實為必要。
一種超導線材的製備方法，包括以下步驟：提供一導電載體及複數個超導前驅體，所述複數個超導前驅體承載於該導電載體的一表面；提供一奈米碳管陣列，該奈米碳管陣列形成於一生長基底；從所述奈米碳管陣列中直接拉取一奈米碳管拉膜，該奈米碳管拉膜與所述導電載體間隔，且面對所述複數個超導前驅體設置；在所述導電載體與所述奈米碳管拉膜之間施加一電場，使所述複數個超導前驅體脫離導電載體並吸附至所述奈米碳管拉膜表面，形成一奈米碳管超導前驅體複合層；將所述奈米碳管超導前驅體複合層扭轉獲得一奈米碳管超導前驅體複合絞線；及燒結所述奈米碳管超導前驅體複合絞線，得到一超導線材。
一種超導線材的製備方法，包括以下步驟：提供一導電載體及複數個超導顆粒，所述複數個超導顆粒承載於該導電載體的一表面；提供一奈米碳管陣列，該奈米碳管陣列形成於一生長基底；從所述奈米碳管陣列中直接拉取一奈米碳管拉膜，該奈米碳管拉膜與所述導電載體間隔，且面對所述複數個超導顆粒設置；在所述導電載體與所述奈米碳管拉膜之間施加一電場，使所述複數個超導顆粒脫離導電載體並吸附至所述奈米碳管拉膜表面，形成一奈米碳管超導顆粒複合層；將所述奈米碳管超導顆粒複合層扭轉獲得一奈米碳管超導顆粒複合絞線；及燒結所述奈米碳管超導顆粒
複合絞線，得到一超導線材。
與先前技術相比，本發明利用庫倫力相互作用原理，將超導前驅體吸附到奈米碳管層上，經扭轉、燒結，得到超導線材。由於將吸附有超導前驅體的奈米碳管層先扭轉成奈米碳管線再進行燒結，故，所獲得的超導線材具有良好的機械性能。進一步地，本發明利用庫倫力相互作用原理，將超導前驅體吸附到奈米碳管層上，避免使用有機溶劑，確保所獲得的超導線材中沒有氣泡，提高了超導線材的性能。而且，可以將奈米碳管拉膜的拉取、超導前驅體吸附至奈米碳管拉膜上及扭轉奈米碳管拉膜同時進行，實現一體化生產。
10‧‧‧載體
102‧‧‧第一表面
104‧‧‧第二表面
12‧‧‧超導前驅體
14‧‧‧奈米碳管層
161‧‧‧第一支撐體
162‧‧‧第二支撐體
18‧‧‧電源
20‧‧‧奈米碳管拉膜
22‧‧‧拉伸工具
24‧‧‧生長基底
26‧‧‧奈米碳管陣列
AB,BC,CD,DA‧‧‧邊
28‧‧‧線狀或桿狀物體
圖1為本發明具體實施例一提供的超導線材的製備方法的工藝流程圖。
圖2為本發明具體實施例一提供的奈米碳管拉膜的掃描電鏡照片。
圖3為本發明具體實施例一提供的奈米碳管絮化膜的掃描電鏡照片。
圖4為本發明具體實施例一提供的奈米碳管碾壓膜的掃描電鏡照片。
圖5為本發明具體實施例二提供的超導線材的製備方法的工藝流程圖。
圖6為本發明具體實施例四提供的超導線材的製備方法中捲曲奈米碳管超導前驅體複合層的示意圖。
圖7為本發明具體實施例四提供的超導線材的製備方法中捲曲奈米碳管超導前驅體複合層的另一示意圖。
下面將結合附圖及具體實施例，對本發明提供的超導線材的製備方法作進一步的詳細說明。
具體實施例一
請參見圖1，本發明具體實施例一提供一超導線材的製備方法，包括以下步驟：
步驟一、提供一載體10及複數個超導前驅體12，所述複數個超導前驅體12設置或承載於所述載體10的第一表面102。
所述載體10具有導電性能，該載體10的材料為金屬、合金、導電聚合物等導電材料。載體10的材料不限，只要確保載體10導電即可。所述載體10可以為一片狀，該片狀具有相對的第一表面102及第二表面104，該第一表面102及第二表面104可以為一平面型或一曲面型。所述載體10也可為一利用導電材料製作的容器。本實施例中，所述載體10的材料為金屬板，第一表面102及第二表面104為平面型。
所述超導前驅體12為各種超導物質，如鉍系氧化物、鑭鋇銅氧化物、釔鋇銅氧系、鉈鋇鈣銅氧系、銅氧化物或金銦合金等。超導前驅體12可以為粉末也可以為顆粒。超導前驅體12的大小可以相同也可以不相同，優選採用直徑為50奈米至5微米的超導前驅體12。本實施例中，超導前驅體為釔鋇銅氧系。
將所述複數個超導前驅體12設置或承載於所述載體10的方式不限
，例如，噴射、噴霧、播散等方式。當所述載體10為一容器時，該容器可以直接盛裝超導前驅體12。本實施例中，採用播散的方式，將所述複數個超導前驅體12均勻播散在所述載體10的第一表面102。
步驟二、提供一奈米碳管層14、一第一支撐體161及一第二支撐體162，該第一支撐體161及第二支撐體162設置於所述奈米碳管層14相對的兩端，且所述奈米碳管層14與所述載體10的第一表面102相對設置。
所述支撐體具有導電性能，該支撐體的材料為金屬、合金、導電聚合物等導電材料。可以理解，所述支撐體的材料不限，只要能夠導電及對所述奈米碳管層14提供一定的支撐即可。所述支撐體也可為夾子等夾持工具，用於夾持所述奈米碳管層14。本實施例中，所述支撐體的材料為金屬。
可以理解，所述支撐體的結構、數量不限，只要可以使奈米碳管層14與所述載體10的第一表面102相對設置即可。
所述奈米碳管層14為一自支撐結構。所述自支撐為奈米碳管層14不需要大面積的載體支撐，而只要相對兩邊提供支撐力即能整體上懸空而保持自身層狀狀態，即將該奈米碳管層14置於(或固定於)間隔一固定距離設置的兩支撐體上時，位於兩支撐體之間的奈米碳管層14能夠保持自身層狀狀態。
所述奈米碳管層14包括複數個均勻分佈且通過凡得瓦力首尾相連的奈米碳管。該複數個奈米碳管包括單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管及多壁奈米碳管中的一或複數種。所述單壁奈米碳管的直徑為
0.5奈米至50奈米，所述雙壁奈米碳管的直徑為1.0奈米至50奈米，所述多壁奈米碳管的直徑為1.5奈米至50奈米。奈米碳管層14還可以為由奈米碳管組成的純結構。該奈米碳管層14中的奈米碳管為無序或有序排列。這裏的無序排列指奈米碳管的排列方向無規律，這裏的有序排列指至少多數奈米碳管的排列方向具有一定規律。具體地，當奈米碳管層14包括無序排列的奈米碳管時，奈米碳管相互纏繞或者各向同性排列；當奈米碳管層14包括有序排列的奈米碳管時，奈米碳管沿一方向或者複數個方向擇優取向排列。所述奈米碳管層14的厚度優選為0.5奈米~10微米。
所述奈米碳管層14可包括一奈米碳管膜，或複數個平行且無間隙鋪設或/及層疊鋪設的奈米碳管膜。該奈米碳管膜為一奈米碳管拉膜、一奈米碳管絮化膜或一奈米碳管碾壓膜。
(一)奈米碳管拉膜的製備方法包括以下步驟：
首先，提供一奈米碳管陣列形成於一生長基底，該陣列為超順排的奈米碳管陣列。
該超順排的奈米碳管陣列的製備方法採用化學氣相沈積法，其具體步驟包括：(a)提供一平整生長基底，該生長基底可選用P型或N型矽生長基底，或選用形成有氧化層的矽生長基底，本發明實施例優選為採用4英寸的矽生長基底；(b)在生長基底表面均勻形成一催化劑層，該催化劑層材料可選用鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)或其任意組合的合金之一；(c)將上述形成有催化劑層的生長基底在700℃~900℃的空氣中退火約30分鐘~90分鐘；(d)將處理過的生長基底置於反應爐中，在保護氣體環境下加熱到500℃~740℃，然後通入碳源氣體反應約5分鐘~30分鐘，生
長得到奈米碳管陣列。該奈米碳管陣列為複數個彼此平行且垂直於生長基底生長的奈米碳管形成的純奈米碳管陣列。通過上述控制生長條件，該定向排列的奈米碳管陣列中基本不含有雜質，如無定型碳或殘留的催化劑金屬顆粒等。
其次，採用一拉伸工具從奈米碳管陣列中拉取奈米碳管獲得至少一奈米碳管拉膜，其具體包括以下步驟：(a)從所述超順排奈米碳管陣列中選定一或具有一定寬度的複數個奈米碳管，優選為採用具有一定寬度的膠帶、鑷子或夾子接觸奈米碳管陣列以選定一或具有一定寬度的複數個奈米碳管；(b)以一定速度拉伸該選定的奈米碳管，從而形成首尾相連的複數個奈米碳管片段，進而形成一連續的奈米碳管拉膜。該拉取方向沿基本垂直於奈米碳管陣列的生長方向。
在上述拉伸過程中，該複數個奈米碳管片段在拉力作用下沿拉伸方向逐漸脫離生長基底的同時，由於凡得瓦力作用，該選定的複數個奈米碳管片段分別與其他奈米碳管片段首尾相連地連續地被拉出，從而形成一連續、均勻且具有一定寬度的奈米碳管拉膜。
該奈米碳管拉膜的寬度與奈米碳管陣列的尺寸有關，該奈米碳管拉膜的長度不限，可根據實際需求制得。當該奈米碳管陣列的面積為4英寸時，該奈米碳管拉膜的寬度為0.5奈米~10厘米，該奈米碳管拉膜的厚度為0.5奈米~10微米。請參見圖2，圖2為一奈米碳管拉膜的掃描電鏡照片。
(二)奈米碳管絮化膜的製備方法包括以下步驟：
首先，提供一奈米碳管原料。
所述奈米碳管原料可以為通過化學氣相沈積法、石墨電極恒流電弧放電沈積法或鐳射蒸發沈積法等各種方法製備的奈米碳管。
採用刀片或其他工具將上述定向排列的奈米碳管陣列從生長基底上刮落，獲得一奈米碳管原料。優選地，所述的奈米碳管原料中，奈米碳管的長度大於100微米。
其次，將上述奈米碳管原料添加到一溶劑中並進行絮化處理獲得一奈米碳管絮狀結構，將上述奈米碳管絮狀結構從溶劑中分離，並對該奈米碳管絮狀結構定型處理以獲得一奈米碳管絮化膜。
所述溶劑可選用水、易揮發的有機溶劑等。絮化處理可通過採用超聲波分散處理或高強度攪拌等方法。優選地，本發明實施例採用超聲波分散10分鐘~30分鐘。由於奈米碳管具有極大的比表面積，相互纏繞的奈米碳管之間具有較大的凡得瓦力。上述絮化處理並不會將該奈米碳管原料中的奈米碳管完全分散在溶劑中，奈米碳管之間通過凡得瓦力相互吸引、纏繞，形成網路狀結構。
所述的分離奈米碳管絮狀結構的方法具體包括以下步驟：(a)將上述含有奈米碳管絮狀結構的溶劑倒入一放有濾紙的漏斗中；(b)靜置乾燥一段時間從而獲得一分離的奈米碳管絮狀結構。
所述的奈米碳管絮狀結構的定型處理過程具體包括以下步驟：(a)將上述奈米碳管絮狀結構置於一容器中；(b)將該奈米碳管絮狀結構按照預定形狀攤開；(c)施加一定壓力於攤開的奈米碳管絮狀結構；(d)將該奈米碳管絮狀結構中殘留的溶劑烘乾或等溶劑自然揮發後獲得一奈米碳管絮化膜。
可以理解，本發明可通過控制該奈米碳管絮狀結構攤開的面積來
控制該奈米碳管絮化膜的厚度及面密度。奈米碳管絮狀結構攤開的面積越大，則該奈米碳管絮化膜的厚度及面密度就越小。
另，上述分離與定型處理奈米碳管絮狀結構的步驟也可直接通過抽濾的方式實現，具體包括以下步驟：(a)提供一孔隙濾膜及一抽氣漏斗；(b)將上述含有奈米碳管絮狀結構的溶劑經過該孔隙濾膜倒入該抽氣漏斗中；(c)抽濾並乾燥後獲得一奈米碳管絮化膜。該孔隙濾膜為一表面光滑、尺寸為0.22微米的濾膜。由於抽濾方式本身將提供一較大的氣壓作用於該奈米碳管絮狀結構，該奈米碳管絮狀結構經過抽濾會直接形成一均勻的奈米碳管絮化膜。且，由於孔隙濾膜表面光滑，該奈米碳管絮化膜容易剝離，得到一自支撐的奈米碳管絮化膜。
可以理解，該奈米碳管絮化膜具有一定的厚度，且通過控制該奈米碳管絮狀結構攤開的面積及壓力大小可以控制奈米碳管絮化膜的厚度。請參見圖3，圖3為一奈米碳管絮化膜的掃描電鏡照片。
(三)奈米碳管碾壓膜的製備方法包括以下步驟：
首先，提供一奈米碳管陣列形成於一生長基底，該陣列為定向排列的奈米碳管陣列。所述奈米碳管陣列優選為一超順排的奈米碳管陣列。所述奈米碳管陣列與上述奈米碳管陣列的製備方法相同。
其次，採用一施壓裝置，擠壓上述奈米碳管陣列獲得一奈米碳管碾壓膜，其具體過程為：該施壓裝置施加一定的壓力於上述奈米碳管陣列上。在施壓的過程中，奈米碳管陣列在壓力的作用下會與生長基底分離，從而形成由複數個奈米碳管組成的具有自支撐
結構的奈米碳管碾壓膜，且所述的複數個奈米碳管基本上與奈米碳管碾壓膜的表面平行。
所述施壓裝置為一壓頭，壓頭表面光滑，壓頭的形狀及擠壓方向決定製備的奈米碳管碾壓膜中奈米碳管的排列方式。優選地，當採用平面壓頭沿垂直於上述奈米碳管陣列生長基底的方向擠壓時，可獲得奈米碳管為各向同性排列的奈米碳管碾壓膜；當採用滾軸狀壓頭沿某一固定方向碾壓時，可獲得奈米碳管沿該固定方向取向排列的奈米碳管碾壓膜；當採用滾軸狀壓頭沿不同方向碾壓時，可獲得奈米碳管沿不同方向取向排列的奈米碳管碾壓膜。請參見圖4，圖4為一奈米碳管碾壓膜的掃描電鏡照片。
可以理解，當採用上述不同方式擠壓上述的奈米碳管陣列時，奈米碳管會在壓力的作用下傾倒，並與相鄰的奈米碳管通過凡得瓦力相互吸引、連接形成由複數個奈米碳管組成的具有自支撐結構的奈米碳管碾壓膜。
可以理解，該奈米碳管碾壓膜具有一定的厚度，且通過奈米碳管陣列的高度及壓力大小可以控制其厚度。
可選擇地，所述奈米碳管層14可進一步採用有機溶劑浸潤處理之後，再晾乾。所述有機溶劑可以為乙醇、甲醇、氯仿或丙醇等。優選地，所述有機溶劑為揮發性的有機溶劑。奈米碳管層14可以直接放入盛有有機溶劑的容器中浸泡，也可以將有機溶劑滴到奈米碳管層14的表面浸潤奈米碳管層14。
將第一支撐體161及第二支撐體162設置於所述奈米碳管層14相對的兩端的方法係，將所述奈米碳管層14的一端黏在第一支撐體
161上，另一端黏在第二支撐體162上；或者利用夾子等夾持工具作為第一支撐體161及第二支撐體162，利用夾持工具直接夾持所述奈米碳管層14相對的兩端。本實施例中，利用一夾子夾持所述奈米碳管層14相對的兩端，優選地，所述夾子的寬度與奈米碳管層14的寬度相同。
由於奈米碳管非常純淨，且由於奈米碳管本身的比表面積非常大，故所述奈米碳管層14本身具有較強的黏性，可以將所述奈米碳管層14的一端直接黏在第一支撐體161上，將奈米碳管層14的另一端直接黏在第二支撐體162上。當然，也可以採用膠黏劑將所述奈米碳管層14的一端黏在第一支撐體161上，將奈米碳管層14的另一端黏在第二支撐體162上。所述膠黏劑的黏度大於1帕‧秒，且具有導電性能。所述膠黏劑的材料可以為無機膠黏劑、有機膠黏劑等。所述有機膠黏劑可以為熔融態高分子材料，該高分子材料包括酚醛樹脂(PF)、環氧樹脂(EP)、聚氨酯(PU)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、苯丙環丁烯(BCB)、聚環烯烴等。可以理解，所述膠黏劑的材料不限，只要將所述奈米碳管層14的一端黏在第一支撐體161上，將奈米碳管層14的另一端黏在第二支撐體162上即可。
所述奈米碳管層14與所述載體10間隔設置，且所述奈米碳管層14面對所述複數個超導前驅體設置。也就係說，所述奈米碳管層14與所述載體10的第一表面102相對設置，即所述載體10的第一表面102靠近奈米碳管層14，所述載體10的第二表面104遠離奈米碳管層14。所述奈米碳管層14與載體10的第一表面102之間的間距
為100微米至1便米。
步驟三、在所述載體10與所述奈米碳管層14之間施加一電場，使所述複數個超導前驅體12脫離載體10並吸附至所述奈米碳管層14表面，形成一奈米碳管超導前驅體複合層。
在所述載體10與所述奈米碳管層14之間施加一電場，使所述複數個超導前驅體12吸附至所述奈米碳管層14表面形成一奈米碳管超導前驅體複合層的步驟需要在真空環境中進行，避免空氣中的氣體電離，而導致所述奈米碳管層被蝕刻。
提供一電場的方式不限，例如利用一電源18將所述第一支撐體161或第二支撐體162與所述載體10連接起來，以提供一電場。以下僅以通過一脈衝電源提供電場為例詳細說明所述複數個超導前驅體12吸附至奈米碳管層14上的過程。
在施加電場後，所述奈米碳管層與所述超導前驅體帶相反的電荷，在庫倫力相互吸引的作用下，所述超導前驅體被吸附到所述奈米碳管層表面。
具體地，將一脈衝電源的正極與第一支撐體161或第二支撐體162電連接，該脈衝電源的負極與所述載體10電連接。由於所述奈米碳管層14、膠黏劑、第一支撐體161或第二支撐體162、載體10及超導前驅體12均導電，故，在電場中所述奈米碳管層14帶正電荷，所述超導前驅體12帶負電荷。由於奈米碳管層14與超導前驅體12所帶的電荷為異種電荷，在庫倫力相互吸引的作用下，所述超導前驅體12被吸附到所述奈米碳管層14上。進一步地，當所述奈米碳管層14靠近所述載體10的第一表面102的表面完全吸附超導
前驅體12後，可以將所述奈米碳管層14進行180度翻轉，使奈米碳管層14遠離所述載體10的第一表面102的表面吸附超導前驅體12。即將所述超導前驅體12分別面對所述奈米碳管層14相對的兩表面，使奈米碳管層14整個表面吸附超導前驅體12的步驟。
可以理解，還可以使脈衝電源的負極與第一支撐體161或第二支撐體162電連接，脈衝電源的正極與所述載體10電連接。由於所述奈米碳管層14、膠黏劑、第一支撐體161或第二支撐體162、載體10及超導前驅體12均導電，故，在電場中所述奈米碳管層14帶負電荷，所述超導前驅體12帶正電荷。由於奈米碳管層14與超導前驅體12所帶的電荷為異種電荷，在庫倫力相互吸引的作用下，所述超導前驅體12被吸附到所述奈米碳管層14上。
所述脈衝電源18的電壓與所述奈米碳管層14與載體10的第一表面102之間的間距有關，所述脈衝電源18的電壓優選為10毫伏至1000伏。所述脈衝電源18的脈衝時間為0.1秒至1分鐘。
步驟四、將所述吸附有超導前驅體12的奈米碳管層14扭轉後燒結，得到一超導線材。
先將所述奈米碳管超導前驅體複合層扭轉獲得一奈米碳管超導前驅體複合絞線，然後燒結所述奈米碳管超導前驅體複合絞線。
扭轉所述奈米碳管超導前驅體複合層的步驟為：首先，使第一支撐體161及第二支撐體162沿相背的方向拉伸所述吸附有超導前驅體12的奈米碳管層14，其中，軸向基本沿奈米碳管層14的長度方向延伸的奈米碳管受到沿軸向的兩相反的拉力，從而使軸向基本沿奈米碳管層14的長度方向延伸的奈米碳管在該
拉力的作用下沿軸向繃直，進一步使軸向基本沿奈米碳管層14的長度方向延伸的奈米碳管之間的間隙減小，並使該奈米碳管的順排程度提高。該拉力的大小與該奈米碳管層14的寬度有關。優選地，該拉力F與該奈米碳管層14的寬度L之比應滿足0.005牛頓/厘米<F/L<0.02牛頓/厘米。
其次，使第一支撐體161及第二支撐體162沿相反的方向相對轉動，從而扭轉該奈米碳管層14。該轉動所在的面與所述奈米碳管層14的長度方向垂直。可以理解，可保持第一支撐體161固定不動，只由第二支撐體162轉動；也可同時使第一支撐體161及第二支撐體162沿相反的方向轉動。具體地，可手動轉動第一支撐體161及第二支撐體162；也可將第一支撐體161及第二支撐體162固定於旋轉電機上，從而實現連續轉動。該轉動的圈數與奈米碳管層14的長度有關，當所述奈米碳管層14的長度為1米時，該奈米碳管層14被扭轉1000圈至1500圈。
可以理解，在扭轉的過程中，第一支撐體161及第二支撐體162仍需對所述奈米碳管層14施加所述兩相反的拉力，從而使軸向基本沿奈米碳管層14的長度方向延伸的奈米碳管在繃直的情況下扭轉。當該奈米碳管繃直後，該奈米碳管之間的間隙減小，從而使形成的含有超導前驅體12的奈米碳管絞線具有更高的密度及拉伸應力。
扭轉所述奈米碳管層14的過程中，所述超導前驅體12在扭轉的力的作用下被緊密擠壓在一起，即鬆散的超導前驅體12在扭轉的力的作用下被緊密地結合在一起。
可以理解，在將吸附有超導前驅體12的奈米碳管層14扭轉成含有
超導前驅體12的奈米碳管絞線之後，在將含有超導前驅體12的奈米碳管絞線進行燒結之前，還包括一截斷步驟，使所述含有超導前驅體12的奈米碳管絞線的兩端分別與所述第一支撐體161及第二支撐體162分離。即，可以將奈米碳管超導前驅體複合絞線截斷成預定長度後燒結。所述截斷的方式可以為反應粒子蝕刻、電子束轟擊、機械力剝離等。可以理解，所述截斷的方式不限，只要可以將含有超導前驅體12的奈米碳管絞線的兩端分別與所述第一支撐體161及第二支撐體162分離即可。
將上述所獲得的含有超導前驅體12的奈米碳管絞線燒結的過程中，可以將含有超導前驅體12的奈米碳管絞線置入氧氣環境中進行燒結，將所述奈米碳管層高溫氧化除去，得到一不含奈米碳管的純的超導線材；也可以將含有超導前驅體12的奈米碳管絞線置入無氧環境中進行燒結，得到一含有奈米碳管的超導線材；還可以將含有超導前驅體12的奈米碳管絞線先置入無氧環境中進行燒結，再置入氧氣環境中燒結，得到一不含奈米碳管的純的超導線材。
可以理解，為得到一含奈米碳管的超導線材，燒結所述奈米碳管超導前驅體複合絞線的步驟為：在氧氣或無氧環境中，在第一溫度下燒結所述奈米碳管超導前驅體複合絞線，使所述超導前驅體融合在一起。所述超導前驅體12經過高溫燒結互相熔合在一起，從而獲得一純的超導線材。燒結的第一溫度及燒結時間根據超導前驅體12種類的不同而不同，所述第一溫度低於600℃。
為得到一不含奈米碳管的純的超導線材，燒結所述奈米碳管超導前驅體複合絞線具體包括以下步驟：(1)在無氧環境中，燒結
所述奈米碳管超導前驅體複合絞線，使所述超導前驅體融合在一起；(2)在氧氣環境中，在第二溫度下燒結所述奈米碳管超導前驅體複合絞線，以除去所述奈米碳管。所述第二溫度大於等於600℃，以使奈米碳管可以高溫氧化而被除去。
可以理解，為得到一不含奈米碳管的純的超導線材，還可以直接在氧氣環境中燒結所述奈米碳管超導前驅體複合絞線，以除去所述奈米碳管。此時，燒結溫度需大於等於600℃，以使奈米碳管可以高溫氧化而被除去，而且所述超導前驅體12經過高溫燒結互相熔合在一起，從而獲得一純的超導線材。本實施例中，所述超導前驅體為釔鋇銅氧系，故所述第一溫度為850℃至1100℃，燒結時間為6小時至24小時。
具體地，將上述所獲得的含有超導前驅體12的奈米碳管絞線放置於氣氛可控的加熱器中進行高溫燒結。所述氣氛可控的加熱器係指可通過通入氣體的種類及通入量來調節所述加熱器內係氧氣環境還係無氧環境，例如石英管等。本實施例中，將含有超導前驅體12的奈米碳管絞線置於高溫爐中，在850℃至1100℃條件下保持6小時至24小時，奈米碳管高溫氧化，以除去奈米碳管，所述超導前驅體12相互結合在一起，得到一不含奈米碳管的純的超導線材。
可以理解，也可先將奈米碳管超導前驅體複合絞線置於一基板上，再將奈米碳管超導前驅體複合絞線及基板放入無氧或氧氣環境中進行燒結。這樣做的目的係：對未相互熔合在一起的超導前驅體12提供支撐作用。尤其係在氧氣環境中，在奈米碳管層14已氧化被除去，而超導前驅體12還未相互熔合在一起的情況下，對未
相互熔合在一起的超導前驅體12提供支撐作用，以避免未相互熔合在一起的超導前驅體12散落。所述基板的熔點高於燒結的溫度，例如所述基板可以選擇矽、石英等耐高溫的材料。
利用上述超導線材的製備方法所製備的超導線材的長度與所述奈米碳管層14的長度有關，奈米碳管層14的長度越長，所獲得的超導線材的長度越長。本實施例中，所獲得的超導線材的長度為10厘米。
可以理解，也可以直接將超導顆粒在庫倫力相互作用下吸附至所述奈米碳管層14上，經扭轉、高溫燒結後，得到一純的超導線材。該超導顆粒為所述超導前驅體12經高溫燒結後形成的超導體，比如Bi-Sr-Ca-Cu-O超導體、La-Ba-Cu-O超導體、Y-Ba-Cu-O超導體、Ti-Ba-Ca-Cu-O超導體、Cu-O超導體或Au-In超導體等。
具體實施例二
請參見圖5，本發明具體實施例二進一步提供一超導線材的製備方法，包括以下步驟：
步驟一、提供一載體10及複數個超導前驅體12，所述載體10具有相對的第一表面102及第二表面104，所述複數個超導前驅體12設置於所述載體10的第一表面102。
具體實施例二中的步驟一與具體實施例一中的步驟一相同。
步驟二、提供一奈米碳管陣列26，該奈米碳管陣列26形成於一生長基底24。
所述奈米碳管陣列26為超順排的奈米碳管陣列26，該超順排的奈
米碳管陣列26的製備方法採用化學氣相沈積法，其具體步驟包括：(a)提供一平整生長基底24，該生長基底24可選用P型或N型矽生長基底24，或選用形成有氧化層的矽生長基底24，本發明實施例優選為採用4英寸的矽生長基底24；(b)在生長基底24表面均勻形成一催化劑層，該催化劑層材料可選用鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)或其任意組合的合金之一；(c)將上述形成有催化劑層的生長基底24在700℃~900℃的空氣中退火約30分鐘~90分鐘；(d)將處理過的生長基底24置於反應爐中，在保護氣體環境下加熱到500℃~740℃，然後通入碳源氣體反應約5分鐘~30分鐘，生長得到奈米碳管陣列26。該奈米碳管陣列26為複數個彼此平行且垂直於生長基底24生長的奈米碳管形成的純奈米碳管陣列26。通過上述控制生長條件，該定向排列的奈米碳管陣列26中基本不含有雜質，如無定型碳或殘留的催化劑金屬顆粒等。
步驟三、採用一拉伸工具22從所述奈米碳管陣列26中拉取複數個奈米碳管獲得一奈米碳管拉膜20，該奈米碳管拉膜20與所述載體10的第一表面102相對間隔設置。
所述拉伸工具22具有導電性能，例如金屬夾子或金屬鑷子等。可以理解，所述拉伸工具22的材料不限，只要可以夾持奈米碳管且具有導電性能即可。
採用所述拉伸工具22從奈米碳管陣列26中拉取複數個奈米碳管獲得一奈米碳管拉膜20，其具體包括以下步驟：(a)從所述超順排奈米碳管陣列26中選定一或具有一定寬度的複數個奈米碳管，優選為採用鑷子或夾子等拉伸工具22接觸奈米碳管陣列26以選定一或具有一定寬度的複數個奈米碳管；(b)以一定速度拉伸該
選定的奈米碳管，從而形成首尾相連的複數個奈米碳管片段，進而形成一連續的奈米碳管拉膜20。該拉取方向沿基本垂直於奈米碳管陣列26的生長方向。
在上述拉伸過程中，該複數個奈米碳管片段在拉力作用下沿拉伸方向逐漸脫離生長基底24的同時，由於凡得瓦力作用，該選定的複數個奈米碳管片段分別與其他奈米碳管片段首尾相連地連續地被拉出，從而形成一連續、均勻且具有一定寬度的奈米碳管拉膜20。
該奈米碳管拉膜20的寬度與奈米碳管陣列26的尺寸有關，該奈米碳管拉膜20的長度不限，可根據實際需求制得。當該奈米碳管陣列26的面積為4英寸時，該奈米碳管拉膜20的寬度為0.5奈米~10庫米，該奈米碳管拉膜20的厚度為0.5奈米~10微米。
所述奈米碳管拉膜20與所述載體10的第一表面102相對設置，即所述載體10的第一表面102靠近奈米碳管拉膜20，所述載體10的第二表面104遠離奈米碳管拉膜20。所述奈米碳管拉膜20與載體10的第一表面102之間的間距為100微米至1厘米。
步驟四、在所述載體10與所述奈米碳管層14之間施加一電場，使所述複數個超導前驅體12脫離載體10並吸附至所述奈米碳管拉膜20表面，形成一奈米碳管超導前驅體複合層。
具體實施例二中的步驟四與具體實施例一中的步驟三的區別為：具體實施例一中，將所述載體10的一端通過一脈衝電源與所述第一支撐體161電連接，及/或將載體10的另一端通過另一脈衝電源與所述第二支撐體162電連接；具體實施例二中，將一脈衝電源
的一端與具有導電性能的拉伸工具22電連接，並且將脈衝電源的另一端與所述載體10電連接。除此之外，具體實施例二中的步驟四與具體實施例一中的步驟三相同。
步驟五、將所述奈米碳管超導前驅體複合層扭轉後形成一奈米碳管超導前驅體複合絞線，並從所述生長基底24上截斷，然後燒結所述奈米碳管超導前驅體複合絞線，得到一超導線材。
具體實施例二中的步驟五與具體實施例一中的步驟四的區別為：(1)具體實施例一中，所述奈米碳管層14已經脫離任何生長基底24，且所述奈米碳管層14的一端固定於第一支撐體161，另一端固定於第二支撐體162。具體實施例二中，所述奈米碳管拉膜20仍在拉取階段，該奈米碳管拉膜20的一端通過凡得瓦力與生長於生長基底24上的奈米碳管陣列26相連，另一端通過拉伸工具22夾持固定。(2)具體實施例一中，可保持第一支撐體161固定不動，只由第二支撐體162轉動，也可同時使第一支撐體161及第二支撐體162沿相反的方向轉動。具體實施例二中，固定生長基底24，轉動所述拉伸工具22。(3)具體實施例一中，由於奈米碳管層14的一端固定於第一支撐體161，另一端固定於第二支撐體162，所述第一支撐體161及第二支撐體162對該奈米碳管層14能夠提供較大的拉力，從而使該奈米碳管層14中軸向基本沿奈米碳管層14長度方向延伸的奈米碳管繃直。具體實施例二中，奈米碳管拉膜20與奈米碳管陣列26相連的一端只能通過凡得瓦力連接，奈米碳管陣列26無法為奈米碳管拉膜20提供足夠的拉力，故無法使奈米碳管拉膜20中的奈米碳管繃直。(4)具體實施例一中，將所述吸附有超導前驅體12的奈米碳管層14扭轉後，從所述第一
支撐體161及第二支撐體162上截斷；具體實施例二中，將所述吸附有超導前驅體12的奈米碳管層14扭轉後，從所述生長基底24上截斷。除此之外，具體實施例二中的步驟五與具體實施例一中的步驟四相同。
可以理解，在所述導電載體10與所述奈米碳管拉膜20之間施加電場時，所述奈米碳管拉膜20仍在拉取階段，該奈米碳管拉膜20的一端通過凡得瓦力始終與生長於生長基底24上的奈米碳管陣列26相連。也就係說，在超導線材的製備過程中，所述奈米碳管拉膜20一直處於拉取狀態，該奈米碳管拉膜20的一端通過凡得瓦力始終與生長於生長基底24上的奈米碳管陣列26相連。
可以理解，本發明具體實施例二中，可以一邊拉取奈米碳管拉膜20，一邊將超導前驅體12吸附至所述奈米碳管拉膜20上，再一邊扭轉所述吸附有超導前驅體12的奈米碳管拉膜20。即，可以將奈米碳管拉膜20的拉取、超導前驅體12吸附至奈米碳管拉膜20上及扭轉奈米碳管拉膜20同時進行，實現一體化生產。
具體實施例三
本發明進一步提供一超導線材的製備方法，包括以下步驟：
步驟一、提供一載體10及複數個超導前驅體12，所述載體10具有相對的第一表面102及第二表面104，所述複數個超導前驅體12設置於所述載體10的第一表面102。
具體實施例三中的步驟一與具體實施例一中的步驟一相同。
步驟二、提供一奈米碳管層14、該奈米碳管層14設置於一支撐板上，所述奈米碳管層14遠離所述支撐板的一表面與所述載體10的
第一表面102相對設置。
具體實施例三中的步驟二與具體實施例一中的步驟二的區別為：具體實施例一中，所述奈米碳管層14利用第一支撐體161及第二支撐體162懸空設置，即第一支撐體161及第二支撐體162相對設置於奈米碳管層14相對的兩邊，將奈米碳管層14懸空支撐；具體實施例三中，將奈米碳管層14設置於一支撐板上，即利用所述支撐板支撐奈米碳管層14。
除此之外，具體實施例三中的步驟二與具體實施例一中的步驟二相同。
步驟三、在所述載體10與所述奈米碳管層14之間施加一電場，使所述複數個超導前驅體12脫離載體10吸附至所述奈米碳管層14遠離所述支撐板的一表面，形成一奈米碳管超導前驅體複合層。
步驟四、將所述奈米碳管超導前驅體複合層從所述支撐板上整片剝離下來。
可以利用刀片刮等方法將所述奈米碳管超導前驅體複合層從所述支撐板上整片剝離下來。可以理解，將所述奈米碳管超導前驅體複合層從所述支撐板上整片剝離下來的方法不限，只要可以將所述奈米碳管超導前驅體複合層從所述支撐板上整片剝離下來即可。
步驟五、將所述奈米碳管超導前驅體複合層扭轉後燒結，得到一超導線材。
具體實施例三中的步驟五與具體實施例一中的步驟四相同。
具體實施例四
本發明進一步提供一超導線材的製備方法，包括以下步驟：
步驟一、提供一載體10及複數個超導前驅體12，所述複數個超導前驅體12設置或承載於所述載體10的第一表面102。
具體實施例四中的步驟一與具體實施例一中的步驟一相同。
步驟二、提供一奈米碳管層14、一第一支撐體161及一第二支撐體162，該第一支撐體161及第二支撐體162設置於所述奈米碳管層14相對的兩端，且所述奈米碳管層14與所述載體10的第一表面102相對設置。
具體實施例四中的步驟二與具體實施例一中的步驟二相同。
步驟三、在所述載體10與所述奈米碳管層14之間施加一電場，使所述複數個超導前驅體12脫離載體10並吸附至所述奈米碳管層14表面，形成一奈米碳管超導前驅體複合層。
具體實施例四中的步驟三與具體實施例一中的步驟三相同。
步驟四、將所述奈米碳管超導前驅體複合層捲曲後燒結，得到一超導線材。
具體實施例四中的步驟四與具體實施例一中的步驟四的區別為：具體實施例一中的步驟四，係將所述奈米碳管超導前驅體複合層扭轉後燒結；而具體實施例四，係將所述奈米碳管超導前驅體複合層捲曲後燒結。將所述奈米碳管超導前驅體複合層捲曲的方法至少有以下兩方法：(1)請參見圖6，將所述奈米碳管超導前驅體複合層置於一平面上，例如該奈米碳管超導前驅體複合層為一
長方形，具有四條邊，依次為邊AB、邊BC、邊CD、邊DA。將奈米碳管超導前驅體複合層由邊AB向邊CD的方向慢慢捲曲起來，捲曲的方向始終與邊AB垂直，最終得到一奈米碳管超導前驅體複合線。(2)請參見圖7，首先，將所述奈米碳管超導前驅體複合層置於一平面上，例如該奈米碳管超導前驅體複合層為一長方形，具有四條邊，依次為邊AB、邊BC、邊CD、邊DA。然後，將一根金屬線等線狀或桿狀物體28靠近所述邊AB放置於奈米碳管超導前驅體複合層上，且所述線狀或桿狀物體28與邊AB平行。使邊AB將所述線狀或桿狀物體28包裹並向邊CD的方向慢慢將整個奈米碳管超導前驅體複合層捲曲起來，捲曲的方向始終與邊AB垂直。最後，將所述線狀或桿狀物體28抽出，得到一奈米碳管超導前驅體複合線。
除此之外，具體實施例四中的步驟四與具體實施例一中的步驟四相同。
與先前技術相比，本發明提供的超導線材的製備方法具有以下優點：(1)由於將吸附有超導前驅體的奈米碳管層先扭轉成奈米碳管線再進行燒結，故，所獲得的超導線材具有良好的機械性能；(2)由於所述奈米碳管層的長度可控，故，超導線材的長度可根據實際需要調整，可獲得較長的超導線材；(3)相對於先前技術中將超導前驅體溶於有機溶劑製成塗料而塗覆在基底上，本發明利用庫倫力相互作用原理，將超導前驅體吸附到奈米碳管層上，避免使用有機溶劑，確保所獲得的超導線材中沒有氣泡，提高了超導線材的性能，而且環保；(4)可以將奈米碳管拉膜的拉取、超導前驅體吸附至奈米碳管拉膜上及扭轉奈米碳管拉膜
同時進行，實現一體化生產。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
10‧‧‧載體
102‧‧‧第一表面
104‧‧‧第二表面
12‧‧‧超導前驅體
18‧‧‧電源
20‧‧‧奈米碳管拉膜
22‧‧‧拉伸工具
24‧‧‧生長基底
26‧‧‧奈米碳管陣列
Claims (21)
- 一種超導線材的製備方法，其包括以下步驟：提供一導電載體及複數個超導前驅體，所述複數個超導前驅體承載於該導電載體的一表面；提供一奈米碳管陣列，該奈米碳管陣列形成於一生長基底；從所述奈米碳管陣列中直接拉取一奈米碳管拉膜，該奈米碳管拉膜與所述導電載體間隔，且面對所述複數個超導前驅體設置；在所述導電載體與所述奈米碳管拉膜之間施加一電場，使所述複數個超導前驅體脫離導電載體並吸附至所述奈米碳管拉膜表面，形成一奈米碳管超導前驅體複合層；將所述奈米碳管超導前驅體複合層扭轉獲得一奈米碳管超導前驅體複合絞線；及燒結所述奈米碳管超導前驅體複合絞線，得到一超導線材。
- 如請求項第1項所述的超導線材的製備方法，其中，在所述導電載體與所述奈米碳管拉膜之間施加電場時，所述奈米碳管拉膜仍在拉取階段，該奈米碳管拉膜的一端通過凡得瓦力始終與生長於生長基底上的奈米碳管陣列相連。
- 如請求項第1項所述的超導線材的製備方法，其中，所述奈米碳管拉膜為一自支撐結構。
- 如請求項第1項所述的超導線材的製備方法，其中，所述奈米碳管拉膜包括複數個通過凡得瓦力首尾相連的奈米碳管。
- 如請求項第1項所述的超導線材的製備方法，其中，使所述複數個超導前驅體吸附至所述奈米碳管拉膜表面係在真空環境中進行。
- 如請求項第1項所述的超導線材的製備方法，其中，通過一脈衝電源提供電場。
- 如請求項第6項所述的超導線材的製備方法，其中，在施加電場後，所述奈米碳管拉膜與所述超導前驅體帶相反的電荷，在庫倫力相互吸引的作用下，所述超導前驅體被吸附到所述奈米碳管拉膜表面。
- 如請求項第1項所述的超導線材的製備方法，其中，進一步包括將所述超導前驅體分別面對所述奈米碳管拉膜相對的兩表面，使奈米碳管拉膜整個表面吸附超導前驅體的步驟。
- 如請求項第1項所述的超導線材的製備方法，其中，在超導線材的製備過程中，所述奈米碳管拉膜一直處於拉取狀態，該奈米碳管拉膜的一端通過凡得瓦力始終與生長於生長基底上的奈米碳管陣列相連。
- 如請求項第1項所述的超導線材的製備方法，其中，燒結所述奈米碳管超導前驅體複合絞線包括以下步驟：在第一溫度下燒結所述奈米碳管超導前驅體複合絞線，使所述超導前驅體融合在一起。
- 如請求項第10項所述的超導線材的製備方法，其中，所述在第一溫度下燒結奈米碳管超導前驅體複合絞線，使超導前驅體融合在一起的步驟在無氧或氧氣環境中進行。
- 如請求項第10項所述的超導線材的製備方法，其中，燒結所述奈米碳管超導前驅體複合絞線的步驟進一步包括在第二溫度下燒結所述奈米碳管超導前驅體複合絞線，以除去所述奈米碳管。
- 如請求項第12項所述的超導線材的製備方法，其中，在第二溫度下燒結奈米碳管超導前驅體複合絞線以除去奈米碳管的步驟在氧氣環境中進行，且所述第二溫度大於等於600℃。
- 如請求項第10至13項中任一項所述的超導線材的製備方法，其中，將奈 米碳管超導前驅體複合絞線置於一基板上，再將奈米碳管超導前驅體複合絞線及基板放入無氧或氧氣環境中進行燒結。
- 如請求項第14項所述的超導線材的製備方法，其中，所述基板的熔點高於燒結的溫度。
- 如請求項第1項所述的超導線材的製備方法，其中，所述導電載體為一容器。
- 如請求項第16項所述的超導線材的製備方法，其中，所述超導前驅體盛裝在所述容器中。
- 如請求項第1項所述的超導線材的製備方法，其中，所述奈米碳管拉膜與所述導電載體間隔的距離為100微米至1厘米。
- 如請求項第1項所述的超導線材的製備方法，其中，所述超導前驅體為鉍系氧化物、鑭鋇銅氧化物、釔鋇銅氧系、鉈鋇鈣銅氧系、銅氧化物或金銦合金。
- 一種超導線材的製備方法，包括以下步驟：提供一導電載體及複數個超導顆粒，所述複數個超導顆粒承載於該導電載體的一表面；提供一奈米碳管陣列，該奈米碳管陣列形成於一生長基底；從所述奈米碳管陣列中直接拉取一奈米碳管拉膜，該奈米碳管拉膜與所述導電載體間隔，且面對所述複數個超導顆粒設置；在所述導電載體與所述奈米碳管拉膜之間施加一電場，使所述複數個超導顆粒脫離導電載體並吸附至所述奈米碳管拉膜表面，形成一奈米碳管超導顆粒複合層；將所述奈米碳管超導顆粒複合層扭轉獲得一奈米碳管超導顆粒複合絞線；及燒結所述奈米碳管超導顆粒複合絞線，得到一超導線材。
- 如請求項第20項所述的超導線材的製備方法，其中，所述超導顆粒為Bi-Sr-Ca-Cu-O超導體、La-Ba-Cu-O超導體、Y-Ba-Cu-O超導體、Ti-Ba-Ca-Cu-O超導體、Cu-O超導體或Au-In超導體。
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