TWI458145B - 超導材料的接合方法 - Google Patents

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Description

超導材料的接合方法
本發明是有關於一種接合方法，且特別是有關於一種超導材料的接合方法。
依照目前工業的技術，對於超導材料的接合是藉由銅金屬作為輔助接合材料。然而，此種接合方式最多僅能製作最長距離為五百公尺之釔鋇銅氧(YBCO)之高溫超導導線。若再延伸超導導線的長度，將使得超導產品於長時間應用時之性能受到影響。這主要是因為，雖用來接合超導材料的銅金屬電阻值不高，但終究還是有一定的電阻值。因此在長時間運作時難免會產生熱，因而影響整體超導傳輸線的品質。
另外，高溫超導材料幾乎是氧化物陶瓷材料的複雜結構。傳統陶瓷材料之間的黏結可藉由助鎔劑來降低陶瓷黏著溫度(比燒結溫度低)。然而，陶瓷雖然能夠黏結在一起，但因界面結構已被改變而無法與原材料相同。因此在黏結界面一定還是存在有較大的阻值。
本發明提供一種超導材料的接合方法，其可以解決傳統超導材料接合所存在的電阻衍生問題。
本發明提出一種超導材料的接合方法，包括提供微波腔室，其中所述微波腔室中具有第一吸熱板以及相對於第一吸熱板之第二吸熱板。將第一超導材料以及第二超導材料置於微波腔室中之第一吸熱板以及第二吸熱板之間，其中第一超導材料與第二超導材料之間具有重疊區域，且對第一吸熱板以及第二吸熱板施於一壓力。在微波腔室中施予微波能量，其中第一吸熱板以及第二吸熱板將微波能量轉換成熱能，以使第一超導材料與第二超導材料於重疊區域接合在一起。
基於上述，本發明藉由微波加熱的方式將超導材料接合在一起。由於本發明之接合方法並未使用非超導材料作為界面接合材料，因此不會有傳統超導材料之接合所存在的界面結構或接合材料之電阻衍生問題。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1是根據本發明一實施例之超導材料的接合方法的示意圖。請參照圖1，首先提供微波腔室200。另外，微波腔室200透過導波管裝置102而與微波產生器100連接。微波產生器100可以產生不同程度的微波能量，且所產生的微波能量藉由導波管裝置102進入微波腔室200中可於微波腔室200中產生共振及聚焦效應。
在本實施例中，微波腔室200是由上部結構200a以及下部結構200b所構成的密閉空間。另外，微波腔室200中設置有第一吸熱板210以及第二吸熱板220。第一吸熱板210以及第二吸熱板220為可吸收微波能量並且快速將微波能量轉換成熱能的板材。例如，第一吸熱板210以及第二吸熱板220可包括碳化矽(SiC)、石墨、活性炭或是其它對微波能量吸收良好的材料。另外，微波腔室200還可進一步包括O形環204、石英板202、螺絲206、溫度感測器207等等其他組件。本發明不限制微波腔室200的架構以及組成構件。
使用上述微波腔室200來進行超導材料的接合如下所述。首先，將第一超導材料214以及第二超導材料224夾於微波腔室200中之第一吸熱板210以及第二吸熱板220之間。根據本實施例，第一超導材料214以及第二超導材料224是相同的超導材料。然，本發明不以此為限，在其他的實施例中，第一超導材料214以及第二超導材料224也可以是不相同的超導材料。在此，第一超導材料214以及第二超導材料224各自包括釔鋇銅氧(Yttrium barium copper oxide,YBCO)、鋇鍶鈣銅氧化合物(Bi2 Sr2 Ca2 Cu3 O10 ,BSCCO)、鉈鋇鈣銅氧化合物(Tl2 Ba2 Ca2 Cu3 O10 ,TBCCO)、汞鉈鋇鈣銅氧化合物(Hg12 Tl3 Ba30 Ca30 Cu45 O127 ,HBCCO)等超導材料。此外，第一超導材料214以及第二超導材料224的厚度為0.1um~5um，較佳的是約為1um。
另外，在本實施例中，第一超導材料214是承載於第一基材212上，且第二超導材料224是承載於第二基材222上。一般來說，第一基材212的材質的選用與第一超導材料214的材料有關，第二基材214的材質的選用與第二超導材料224的材料有關。在此，第一基材212以及第二基材222各自為鈦酸鍶(strontium Titanate,STO)基材、鋁酸鑭(Lanthanum Aluminate,LAO)。
承上所述，上述夾於第一吸熱板210以及第二吸熱板220之間的第一超導材料214與第二超導材料224之間具有重疊區域R，如圖3所示。根據本實施例，所述第一超導材料214與第二超導材料224之間的重疊區域R的長度1大於或等於0.5 cm，較佳的是0.5 cm。
接著，請參照圖1，利用微波產生器100產生微波能量，並使所產生的微波能量傳遞至微波腔室200中。根據本實施例，所述微波能量約為500W，且於微波腔室100中施予微波能量的時間約為1分鐘。另外，微波腔室100中的壓力可為大氣壓力。在本實施例中，當施予微波能量至微波腔室200中時，可透過螺絲206進一步對於第一吸熱板210以及第二吸熱板220之間的第一超導材料214以及第二超導材料224施予>1000 kg/m2 (大於1000 kg/m2 )的壓力。換言之，若是將螺絲206往下鎖固，將可使得施於第一吸熱板210以及第二吸熱板220的壓力越大。反之，若將螺絲206往上移動，將可使得施於第一吸熱板210以及第二吸熱板220的壓力越小。在此，所述壓力小於使第一超導材料214以及第二超導材料224破裂或損壞的壓力。
當微波能量傳遞至微波腔室200中之後，第一吸熱板210以及第二吸熱板220吸收微波能量並且迅速地將微波能量轉換成熱能。此時，第一吸熱板210以及第二吸熱板220可將熱能分別傳遞至第一超導材料214以及第二超導材料224上，而使得第一超導材料214以及第二超導材料224被加熱至約790℃至830℃之間。另外，在本實施例中，可透過溫度感測器207量測微波腔室200內的溫度或是量測石英板202的溫度，以確保第一超導材料214以及第二超導材料224被加熱至預定溫度。換言之，透過上述微波加熱之方式並選擇性地搭配施予壓力，便可使第一超導材料214與第二超導材料224於重疊區域R接合在一起。之後，當冷卻至室溫時，第一超導材料214與第二超導材料224便可完整接合在一起。
在本實施例中，第一超導材料214與第二超導材料224之間的接合完全未使用其他的融接材料，而是透過微波加熱的方式使使第一超導材料214與第二超導材料224直接相互黏著/接合在一起。因此，本實施例不會有接合/界面結構電阻值產生而影響超導元件的效能的問題。另外，本實施例之微波加熱程序不需要在真空條件下進行而且短時間即可完成接合，因此本實施例之接合方法成本低廉且快速。
圖2是根據本發明另一實施例之超導材料的接合方法的示意圖。圖2之實施例與圖1之實施例相似，因此相同的元件以相同的符號表示，且不再重複說明。請參照圖2，本實施例之微波腔室200更包括氣體通入裝置250。換言之，當於微波腔室200中施予微波能量以對第一超導材料214與第二超導材料224進行接合時，可以進一步透過氣體通入裝置250通入氧氣252至微波腔室200中。在此，氧氣的流量為0～10000 sccm，較佳的是300 sccm。
在微波腔室200通入氧氣可以補充在微波加熱過程之中所消耗的氧氣。當微波腔室200中具有足夠的氧氣時，可以使得第一超導材料214與第二超導材料224於進行微波加熱之接合程序更迅速且確保接合品質。
在上述之實施例中，是以第一超導材料214與第二超導材料224之接合為例來說明以使所屬技術領域的技術人員能夠清楚的瞭解本發明。
承上所述，因本實施例是可透過微波加熱的方式同時使多個超導材料直接相互黏著/接合在一起而形成一條長導線。因此，本實施例不會有接合/界面結構電阻值產生而影響超導導線的效能的問題。此外，因本實施例之超導材料之間是直接相互黏著/接合在一起而沒有其他的接合材料在其中。
圖4是根據本發明一實施例之超導材料於接合之後的溫度與電阻的關係圖。請參照圖4，圖4是採用YBCO超導材料，且YBCO超導材料的微波加熱條件包括微波能量為500W，時間為1分鐘。由圖4可知，所述接合後的YBCO超導材料的臨界溫度(Tc)仍可維持在80K。一般來說，超導材料的臨界溫度(Tc)高於77K則可稱之為高溫超導材料。
圖5是根據本發明另一實施例之超導材料於接合之後的溫度與電阻的關係圖。請參照圖5，圖5是採用YBCO超導材料，且微波加熱的條件包括微波能量為500W，時間為1分鐘。另外，在進行微波加熱的過程中更通入氧氣，所通入的氧氣量為300 sccm。在圖5的實例中，所述接合後的YBCO超導材料的臨界溫度(Tc)可提高至85K。
綜上所述，本發明藉由微波加熱的方式將超導材料接合在一起。由於本發明之接合方法並未使用非超導材料作為界面接合材料，因此不會有傳統超導材料之接合所存在的界面結構或接合材料之電阻衍生問題。另外，本發明利用微波加熱方式對超導材料進行接合所形成的結構仍具有高溫超導的特性。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．微波產生器
102．．．導波管裝置
200．．．微波腔室
200a．．．上部結構
200b．．．下部結構
202．．．石英板
204．．．O形環
206．．．螺絲
207．．．溫度感測器
210．．．第一吸熱板
212．．．第一基板
214．．．第一超導材料
220．．．第二吸熱板
222．．．第二基板
224．．．第二超導材料
250．．．氣體通入裝置
252．．．氧氣
R．．．重疊區域
l．．．長度
圖1是根據本發明一實施例之超導材料的接合方法的示意圖。
圖2是根據本發明另一實施例之超導材料的接合方法的示意圖。
圖3是圖1中之第一超導材料以及第二超導材料的接合示意圖。
圖4是根據本發明一實施例之超導材料於接合之後的溫度與電阻的關係圖。
圖5是根據本發明另一實施例之超導材料於接合之後的溫度與電阻的關係圖。
100．．．微波產生器
102．．．導波管裝置
200．．．微波腔室
200a．．．上部結構
200b．．．下部結構
202．．．石英板
204．．．O形環
206．．．螺絲
207．．．溫度感測器
210．．．第一吸熱板
212．．．第一基板
214．．．第一超導材料
220．．．第二吸熱板
222．．．第二基板
224．．．第二超導材料

Claims (7)

  1. 一種超導材料的接合方法，包括：提供一微波腔室，其中該微波腔室中具有一第一吸熱板以及相對於該第一吸熱板之一第二吸熱板，其中該第一吸熱板以及該第二吸熱板各自包括碳化矽；將承載於一第一基板上的一第一超導材料以及承載於一第二基板上的一第二超導材料置於該微波腔室中之該第一吸熱板以及該第二吸熱板之間，其中該第一超導材料與該第二超導材料之間具有一重疊區域，該第一吸熱板直接與該第一基板接觸，而該第一基板會將熱能從該第一吸熱板傳遞至該第一超導材料，該第二吸熱板直接與該第二基板接觸，而該第二基板會將熱能從該第二吸熱板傳遞至該第二超導材料，對該第一吸熱板以及該第二吸熱板施於一壓力；以及在該微波腔室中施予一微波能量，其中該第一吸熱板以及該第二吸熱板將該微波能量轉換成熱能，以使該第一超導材料與該第二超導材料於該重疊區域接合在一起。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之超導材料的接合方法，更包括通入氧氣至該微波腔室中。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之超導材料的接合方法，其中氧氣的流量範圍為0~10000sccm。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之超導材料的接合方法，其中該第一超導材料以及該第二超導材料各自包括釔鋇銅氣(Yttrium barium copper oxide,YBCO)、鋇鍶鈣銅氧 化合物(Bi2 Sr2 Ca2 Cu3 O10 ,BSCCO)、鉈鋇鈣銅氧化合物(Tl2 Ba2 Ca2 Cu3 O10 ,TBCCO)、汞鉈鋇鈣銅氧化合物(Hg12 Tl3 Ba30 Ca30 Cu45 O127 ,HBCCO)等高溫超導材料。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之超導材料的接合方法，其中該第一超導材料以及該第二超導材料的厚度範圍為0.1um~5um。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之超導材料的接合方法，其中該第一超導材料與該第二超導材料之間的該重疊區域的長度為大於或等於0.5cm。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之超導材料的接合方法，其中所述壓力>1000kg/m2 。
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