TWI486972B - 超導線材 - Google Patents
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Description
本發明涉及一種超導線材，尤其涉及一種基於奈米碳管的超導線材。
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，然由於超導層本身較脆，難以製作機械強度較高且長度較長的超導線材。請參見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。所述中國大陸專利第CN1200435C號所獲得的超導線材為一超導層包覆銀線的線狀物。然，利用上述方法所製備的超導線材具有較差的機械性能。其原因為：(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中易形成微孔，故所述超導線材的機械性能較差；(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。總之，所述超導線材具有較差的機械性能。
有鑒於此，提供一種具有良好的機械性能的超導線材實為必要。
一種超導線材，包括一線型的超導體及一奈米碳管結構，該奈米碳管結構包括複數個通過凡得瓦力首尾相連的奈米碳管，所述奈米碳管結構螺旋延伸並與超導體緊密結合。
一種超導線材，包括一超導線芯，該超導線芯的表面具有螺紋。
與先前技術相比，本發明將奈米碳管層與超導體複合形成超導線材，並且使奈米碳管層螺旋纏繞超導體，且所述奈米碳管層具有自支撐性能，進而提高了超導線材的機械性能。由於奈米碳管層係由複數個通過凡得瓦力首尾相連的奈米碳管組成，具有良好的柔韌性，故由奈米碳管層包覆超導體形成的超導線材也具有良好的柔韌性。
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
30‧‧‧超導線材
32‧‧‧超導體
302‧‧‧第一端
304‧‧‧第二端
34‧‧‧螺紋
36‧‧‧超導線芯
38‧‧‧奈米碳管結構
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超導線材的製備方法所採用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超導線材的製備方法所採用的
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超導線材的製備方法所採用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一、具體實施例二及具體實施例三提供的超導線材的製備方法所製備的含有奈米碳管的超導線材的結構示意圖。
圖7為圖6的爆炸圖。
圖8為本發明具體實施例一、具體實施例二及具體實施例三提供的超導線材的製備方法所製備的含有奈米碳管的超導線材的另一結構示意圖。
圖9為圖8的爆炸圖。
圖10為本發明具體實施例一、具體實施例二及具體實施例三提供的超導線材的製備方法所製備的不含奈米碳管的超導線材的結構示意圖。
圖11為本發明具體實施例一、具體實施例二及具體實施例三提供的超導線材的製備方法所製備的不含奈米碳管的超導線材的另一結構示意圖。
下面將結合附圖及具體實施例，對本發明提供的超導線材30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30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、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厘米。
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14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14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14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(即奈米碳管超導前驅體複合層)扭轉後燒結，得到一超導線材30。
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14高溫氧化除去，得到一不含奈米碳管的純的超導線材30；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30；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30。
可以理解，為得到一含奈米碳管的超導線材30，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30。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，為了使所述奈米碳管不被氧化掉，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30，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30，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30。本實施例中，所述超導前驅體為釔鋇銅氧系，故所述燒結溫度為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30。
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30的製備方法所製備的超導線材30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30的長度越長。本實施例中，所獲得的超導線材30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30。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材料，比如Bi-Sr-Ca-Cu-O超導物、La-Ba-Cu-O超導物、Y-Ba-Cu-O超導物、Ti-Ba-Ca-Cu-O超導物、Cu-O超導物或Au-In超導物等。
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30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厘米，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30。
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，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30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30。
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。
本發明進一步提供一利用上述製備方法所製備的超導線材30。
請參見圖6、圖7，該超導線材30包括一超導體32及一奈米碳管結構38；該超導體32包括一超導線芯36及螺旋纏繞在該超導線芯36表面的螺紋34；所述奈米碳管結構38沿著所述螺紋34的纏繞方向螺旋纏繞所述超導線芯36，且所述奈米碳管結構38覆蓋所述螺紋34。即，奈米碳管結構38的螺旋延伸方向與螺紋34的延伸方向一致。
所述超導體32具有第一端302及第二端304，所述螺紋34以超導線芯36為軸線緊密地螺旋纏繞於該超導線芯36的整個表面，且螺距為零。具體地，該螺紋34從所述超導體32的第一端302螺旋延伸至第二端304，同時所述超導線芯36從所述超導體32的第一端302延伸到所述超導體32的第二端304。即，所述螺旋的螺紋34在所述超導線芯36的軸向方向的長度等於所述超導線芯36在延伸方向
上的長度。所述螺紋34與所述超導線芯36係一體的，螺紋34與超導線芯36組成連續的超導體32。所述螺紋34的寬度與扭轉奈米碳管前驅體複合層時的拉力有關，拉力越大，螺紋34的寬度越小，拉力越小，螺紋34的寬度越大。本實施例中，拉力為0.01牛頓時，所述螺紋34的寬度為1微米。
所述超導體32係由複數個超導前驅體12或超導顆粒熔合而成。所述超導前驅體12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、金銦合金等。所述超導顆粒為各種超導材料，比如Bi-Sr-Ca-Cu-O、La-Ba-Cu-O、Y-Ba-Cu-O、Ti-Ba-Ca-Cu-O、Cu-O或Au-In等。
所述奈米碳管結構38螺旋纏繞所述超導線芯36的方式與螺紋34螺旋纏繞所述超導線芯36的方式相同。具體地，所述奈米碳管結構38以超導線芯36為軸線螺旋纏繞於該超導線芯36的整個表面。具體地，該奈米碳管結構38從所述超導體32的第一端302螺旋延伸至第二端304，同時所述超導線芯36從所述超導體32的第一端302延伸到所述超導體32的第二端304。即，所述螺旋的奈米碳管結構38在所述超導線芯36的軸向方向的長度基本等於所述超導線芯36在延伸方向上的長度。可以理解，螺旋的奈米碳管結構38在所述超導線芯36的軸向方向的長度與螺旋的螺紋34在所述超導線芯36的軸向方向的長度完全相等。
所述奈米碳管結構38包括複數個奈米碳管，該複數個奈米碳管通過凡得瓦力首尾相連，且該複數個首尾相連的奈米碳管以超導線芯36為軸線螺旋纏繞於該超導線芯36的整個表面。具體地，所述複數個奈米碳管從所述超導體32的第一端302螺旋延伸至第二端
304。
所述奈米碳管結構38覆蓋所述螺紋34有兩方式：(1)如圖6所示，所述奈米碳管結構38完全覆蓋所述螺紋34。也就係說，奈米碳管結構38可以將除所述第一端302及第二端304之外的所有超導體32覆蓋，以致超導體32除第一端302及第二端304之外的其他部分被奈米碳管結構38全部覆蓋。即，超導線材30除兩端部之外的其他部分不會有超導體32暴露出來。(2)如圖8所示，所述奈米碳管結構38沒有完全覆蓋所述螺紋34，而係將部分螺紋34暴露出來，且該暴露出來的螺紋34呈線狀或帶狀螺旋纏繞在所述超導線芯36上。也就係說，奈米碳管結構38將除所述第一端302及第二端304之外的超導體32部分覆蓋，以致超導體32除第一端302及第二端304之外的其他部分被奈米碳管結構38部分覆蓋。此外，圖9為圖8的分解圖或爆炸圖。所述超導線材30的長度不低於0.5厘米，本實施例中，超導線材30的長度為10厘米。
可以理解，所述奈米碳管結構38螺旋延伸，且與所述超導體32緊密結合。也就係說，所述奈米碳管結構38設置在超導體32的表面，並沿超導體32的軸向方向螺旋纏繞所述超導體32；或者奈米碳管結構38在所述超導體32中螺旋延伸，即，奈米碳管結構38包括複數個奈米碳管，該複數個奈米碳管之間具有複數個間隙，該複數個間隙均被所述超導體32填充，並且，所述複數個奈米碳管的螺旋延伸的方向與奈米碳管結構38的螺旋延伸方向一致。
請參見圖10，該超導線材30為一超導體32，該超導體32包括一超導線芯36及螺旋纏繞在該超導線芯36表面的螺紋34，且所述螺紋34與所述超導線芯36係一體的，螺紋34與超導線芯36組成連續的
超導體32。
所述超導體32具有第一端302及第二端304，所述螺紋34以超導線芯36為軸線緊密地螺旋纏繞於該超導線芯36的整個表面，且螺距為所述奈米碳管層14的寬度。所述螺距也可為零，如圖11所示。具體地，該螺紋34從所述超導體32的第一端302螺旋延伸至第二端304，同時所述超導線芯36從所述超導體32的第一端302延伸到所述超導體32的第二端304。即，所述螺旋的螺紋34在所述超導線芯36的軸向方向的長度等於所述超導線芯36在延伸方向上的長度。所述螺紋34與所述超導線芯36係一體的，螺紋34與超導線芯36組成連續的超導體32。所述螺紋34的寬度與扭轉奈米碳管前驅體複合層時的拉力有關，拉力越大，螺紋34的寬度越小，拉力越小，螺紋34的寬度越大。本實施例中，拉力為0.01牛頓時，所述螺紋34的寬度為1微米。
與先前技術相比，本發明提供的超導線材具有以下優點：(1)奈米碳管層螺旋纏繞超導體，且所述奈米碳管層具有自支撐性能，進而提高了超導線材的機械性能；(2)由於奈米碳管層係由複數個通過凡得瓦力首尾相連的奈米碳管組成，具有良好的柔韌性，故由奈米碳管層包覆超導體形成的超導線材也具有良好的柔韌性；(3)由於超導體本身係螺旋扭轉的，同樣提高了超導線材的機械性能，而且，擴大了超導線材的使用場合。
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。
30‧‧‧超導線材
302‧‧‧第一端
304‧‧‧第二端
36‧‧‧超導線芯
38‧‧‧奈米碳管結構
Claims (18)
- 一種超導線材，其包括：一具有自支撐性的線型的超導體及一奈米碳管結構，其改良在於，該奈米碳管結構包括複數個通過凡得瓦力首尾相連的奈米碳管，所述奈米碳管結構螺旋延伸並與超導體緊密結合。
- 如請求項第1項所述的超導線材，其中，所述複數個奈米碳管之間具有複數個間隙，該複數個間隙被所述超導體填充。
- 如請求項第1項所述的超導線材，其中，所述奈米碳管結構設置於所述超導體的表面，並沿所述超導體的軸向方向螺旋纏繞所述超導體。
- 如請求項第1項所述的超導線材，其中，所述超導體包括一超導線芯，該超導線芯表面具有螺紋。
- 如請求項第4項所述的超導線材，其中，所述螺紋在超導線芯的軸向方向的長度等於所述超導線芯在延伸方向上的長度。
- 如請求項第4項所述的超導線材，其中，所述螺紋與所述超導線芯係一體的，所述螺紋與超導線芯組成連續的超導體。
- 如請求項第4項所述的超導線材，其中，所述奈米碳管結構在所述超導線芯的軸向方向的長度與螺紋在所述超導線芯的軸向方向的長度相等。
- 如請求項第4項所述的超導線材，其中，所述奈米碳管結構沿著所述螺紋的延伸方向螺旋纏繞所述超導線芯。
- 如請求項第8項所述的超導線材，其中，所述螺紋被奈米碳管結構全部覆蓋。
- 如請求項第8項所述的超導線材，其中，所述奈米碳管結構覆蓋部分螺紋，將另部分的螺紋暴露出來。
- 如請求項第10項所述的超導線材，其中，所述暴露出來的螺紋呈線狀或 帶狀。
- 如請求項第1項所述的超導線材，其中，所述超導體由複數個超導前驅體或超導顆粒熔合而成。
- 如請求項第12項所述的超導線材，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。
- 如請求項第12項所述的超導線材，其中，所述超導顆粒為Bi-Sr-Ca-Cu-O、La-Ba-Cu-O、Y-Ba-Cu-O、Ti-Ba-Ca-Cu-O、Cu-O或Au-In。
- 如請求項第1項所述的超導線材，其中，所述複數個奈米碳管螺旋延伸，且所述複數個奈米碳管螺旋延伸的方向與奈米碳管結構螺旋延伸的方向一致。
- 一種超導線材，由一超導線芯組成，其改良在於，該超導線芯的表面具有螺紋，且該超導線芯由超導物質組成。
- 如請求項第16項所述的超導線材，其中，所述螺紋與所述超導線芯係一體的，所述螺紋與超導線芯組成連續的超導體。
- 如請求項第16項所述的超導線材，其中，所述螺紋在超導線芯的軸向方向的長度等於所述超導線芯在延伸方向上的長度。
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