專利名稱：一種超導(dǎo)導(dǎo)線組件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超導(dǎo)導(dǎo)線組件，具體涉及的是一種利用高溫超導(dǎo)材料制備的高溫超導(dǎo)導(dǎo)線組件及其制備方法，利用該方法制備的高溫超導(dǎo)導(dǎo)線組件具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、較好的安全性和穩(wěn)定性。
背景技術(shù)：
高溫超導(dǎo)材料發(fā)展至今已取得了令人矚目的成果，如利用高溫超導(dǎo)材料制造的輸電電纜、變壓器、電動(dòng)機(jī)和超導(dǎo)磁懸浮列車等。Bi系2223相高溫超導(dǎo)導(dǎo)線是利用Bi系2223相高溫超導(dǎo)材料制備的導(dǎo)線，其臨界溫度高、電流密度高、成形好，且具有良好的加工性能，從而成為目前高溫超導(dǎo)材料中具有廣闊發(fā)展前景的一種產(chǎn)品。一般制備Bi系2223相高溫超導(dǎo)導(dǎo)線是利用Ag套管填充Bi系氧化物粉末法，簡(jiǎn)稱PIT法。利用該法制備的導(dǎo)線由超導(dǎo)體芯及包在芯周圍的銀或銀合金基體組成。在高溫超導(dǎo)導(dǎo)線的操作和使用過程中，導(dǎo)線的某處可能出現(xiàn)彎折甚至斷裂的情況，導(dǎo)致導(dǎo)線的其余芯承擔(dān)總的電流，這一總電流如超過這些芯的電流輸運(yùn)能力，超過的部分將由基體分流，使基體成為電流的旁路，一般基體的材料為銀或銀合金，這樣的基體有可能經(jīng)不住導(dǎo)線中大的分流電流，如100安的電流，致使外套燒毀，從而使導(dǎo)線斷開，甚至使導(dǎo)線著火，危害整個(gè)超導(dǎo)器件，這種情形就給高溫超導(dǎo)導(dǎo)線的實(shí)際電力應(yīng)用帶來了障礙?；谏鲜銮闆r，需要一種特殊方法提高高溫超導(dǎo)導(dǎo)線的機(jī)械強(qiáng)度和工作穩(wěn)定性，從而保證超導(dǎo)器件的穩(wěn)定運(yùn)行。
目前已有的導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)主要有以下幾種類型(1)單芯導(dǎo)線如圖1所示，在美國(guó)專利US5006671中涉及了這種結(jié)構(gòu)，其中1為超導(dǎo)體，2為玻璃纖維管。單芯導(dǎo)線具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，較高的填充因子(FF)，F(xiàn)F＞0.4-0.5，其中FF＝[超導(dǎo)體]/([超導(dǎo)體]+[Ag])，與其他種類結(jié)構(gòu)的導(dǎo)線相比具有較高的臨界電流密度，從而也具有較高的工程電流密度。單芯導(dǎo)線的另一種形式是P.Kovac等人(P.Kov et al，Supercond.Sci.Technol.，13(2000)，378-384)提出的Bi-2223/Ag/阻擋層/Ag的復(fù)合結(jié)構(gòu)，如圖2所示，其中1為Bi-2223相超導(dǎo)體，2為Ag，3為阻擋層，4為Ag，這種結(jié)構(gòu)有一些優(yōu)點(diǎn)，如可減小導(dǎo)線的交流損耗。
盡管單芯導(dǎo)線具有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，但單芯導(dǎo)線只有一個(gè)超導(dǎo)區(qū)，當(dāng)其中某點(diǎn)斷開，通過該處的總電流將全部加在銀或銀合金基體上，基體可能經(jīng)不住導(dǎo)線中大的分流電流，致使外套燒毀，從而使導(dǎo)線斷開，導(dǎo)致整個(gè)電路的斷路，影響超導(dǎo)器件的穩(wěn)定性。
(2)多芯導(dǎo)線在美國(guó)專利US5869430和參考文獻(xiàn)(林玉寶等，低溫物理學(xué)報(bào)，Vol.21(1999)，No.2，122-130)中涉及了這種結(jié)構(gòu)。如圖3所示的導(dǎo)線，其中1為超導(dǎo)體，2為貴金屬或貴金屬合金，3為管的縫隙，可在這些縫隙中加入超導(dǎo)體，4為銀或銀合金套管，這樣的導(dǎo)線經(jīng)過軋制成為如圖4所示的高溫超導(dǎo)導(dǎo)線，其中1為超導(dǎo)體芯，2為銀或銀合金。在多芯導(dǎo)線中貴金屬或貴金屬合金包圍每一根超導(dǎo)芯，整根導(dǎo)線為帶狀，在它的橫截面上超導(dǎo)芯較均勻地分布，貴金屬或其合金在每根芯之間的厚度相近。這種導(dǎo)線具有較高的臨界電流密度和很好的機(jī)械強(qiáng)度，臨界彎曲應(yīng)變?chǔ)舉＞0.3％，但是由于繞在每根芯周圍的銀，使得填充因子較小(FF≤0.3)，因而降低了臨界電流密度。N.V.Vo等人(Journal of Magnetic Materials，188(1998)，145-152)提出了另一結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)帶，它是根據(jù)Ie與B的關(guān)系曲線，磁場(chǎng)從線圈中心由內(nèi)向外降低，線圈所用的導(dǎo)線在向外的半徑方向橫截面面積可逐漸減小，較薄的導(dǎo)線能用來傳輸同樣大小的臨界電流，采用這種結(jié)構(gòu)可減少材料的用量，降低成本。選擇的絕緣材料可具有與超導(dǎo)材料相似的熱性能，高的機(jī)械強(qiáng)度，能承受高的溫度變化。這種結(jié)構(gòu)從理論上來看比較合理，但難以大規(guī)模生產(chǎn)。P.Kov等人(P.Kov et al，Supercond.Sci.Technol.13(2000)378-384)還提出了多芯的Bi-2223/Ag/阻礙層/Ag復(fù)合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與同樣結(jié)構(gòu)的單芯導(dǎo)線的性能類似，也存在著電流密度低的缺點(diǎn)，難以實(shí)用化。
(3)同心的導(dǎo)線L.Martini等人(Luciano Martini，Supercond.Sci.Technol.11(1998)231-237)提出了這種結(jié)構(gòu)，如圖5、6所示，其中1為超導(dǎo)體，2為銀或銀合金外套，超導(dǎo)體被同軸的銀或銀合金層分開，圖5中有一個(gè)超導(dǎo)體環(huán)，圖6中有三個(gè)超導(dǎo)體環(huán)。同心導(dǎo)線的性能與多芯導(dǎo)線的性能相似，超導(dǎo)體具有較好的電學(xué)性能和彎曲性能，如Jε＞40kAcm-2和εe＞0.3％。導(dǎo)線中心的銀或其合金增強(qiáng)了熱穩(wěn)定性，并且在超導(dǎo)體轉(zhuǎn)變成正常態(tài)時(shí)能為電流提供另外的通道。這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是交流電損失比多芯導(dǎo)線大。
(4)多層導(dǎo)線L.Martin等人(L.Martini et al，Supercond.Sci.Technol.7(1994)24-29)提出了這種摺狀結(jié)構(gòu)，如圖7所示，其中1為銀箔，2為超導(dǎo)層，把厚為80-100μm的純銀箔折成摺狀結(jié)構(gòu)，銀的兩面填上超導(dǎo)粉末，經(jīng)過壓制和煅燒，獲得多層導(dǎo)線，這樣制得的多層導(dǎo)線是用金屬層把相鄰的超導(dǎo)薄層隔開，該結(jié)構(gòu)具有很高的FF(FF＞0.7)和電流輸運(yùn)能力，在77K下Ie＞600A，但目前多層導(dǎo)體只能做成短的導(dǎo)線，長(zhǎng)度到1米，因而限制了其實(shí)際應(yīng)用。
基于上述情況和高溫超導(dǎo)材料的特性，為了保護(hù)超導(dǎo)導(dǎo)線的超導(dǎo)電性，可以采用幾根導(dǎo)線并聯(lián)的方式。當(dāng)電流通過單根超導(dǎo)導(dǎo)線時(shí)，電流只通過超導(dǎo)體部分，當(dāng)超導(dǎo)體的某處出現(xiàn)斷裂缺陷或某些芯斷開時(shí)，導(dǎo)線的其余芯將承擔(dān)總的電流，這一總電流如超過這些芯的電流輸運(yùn)能力，超過的部分將由基體分流，使基體成為電流的旁路，基體可能經(jīng)不住導(dǎo)線中大的分流電流，致使基體燒毀，從而使導(dǎo)線斷開，甚至使導(dǎo)線著火，而當(dāng)采用幾根導(dǎo)線并聯(lián)的方式時(shí)，如導(dǎo)線中有某根或某些芯斷開或燒損時(shí)，與之相連的芯能成為旁路，對(duì)總電流進(jìn)行分流，以免導(dǎo)線燒損。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種超導(dǎo)導(dǎo)線組件結(jié)構(gòu)，以有效地提高高溫超導(dǎo)導(dǎo)線的機(jī)械強(qiáng)度、安全性和穩(wěn)定性。該超導(dǎo)導(dǎo)線組件包含至少兩根具有超導(dǎo)性能的單根超導(dǎo)導(dǎo)線，這些單根超導(dǎo)導(dǎo)線之間通過電接觸形成超導(dǎo)導(dǎo)線組，并且在上述超導(dǎo)導(dǎo)線組的外表面上至少有一層覆蓋層。單根超導(dǎo)導(dǎo)線可以是利用PIT方法制備的單芯或多芯超導(dǎo)導(dǎo)線，其包含至少一根具有超導(dǎo)性能的超導(dǎo)芯和包在超導(dǎo)芯周圍的至少一種金屬基體；也可以是覆膜導(dǎo)體，其依次包含至少一層襯底，至少一層阻擋層和至少一層具有超導(dǎo)性能的超導(dǎo)材料。單根超導(dǎo)導(dǎo)線可以是圓線或帶材，帶材的外表面是指帶材的寬度面和高度面。超導(dǎo)導(dǎo)線組中的超導(dǎo)導(dǎo)線之間形成電接觸的方式為固態(tài)擴(kuò)散、利用低熔點(diǎn)金屬及其合金焊接或使用導(dǎo)電膠連接。對(duì)于單芯或多芯帶材來說，超導(dǎo)帶材之間的電接觸是通過帶材寬度面之間的連接，對(duì)于覆膜導(dǎo)體來說，超導(dǎo)帶材之間的電接觸是通過其金屬層之間的連接，該金屬層可以是其襯底，也可以是該覆膜導(dǎo)體的金屬覆蓋層。導(dǎo)線的覆蓋層可以是金屬、半導(dǎo)體或有機(jī)樹脂。金屬覆蓋層可以是包圍在超導(dǎo)導(dǎo)線組外表面上的金屬層；或者是至少一根金屬帶，金屬帶與超導(dǎo)導(dǎo)線組的寬度面連接，如果是兩根金屬帶，這兩根金屬帶的材料可以不同。金屬覆蓋層的機(jī)械強(qiáng)度一般高于單根超導(dǎo)導(dǎo)線的機(jī)械強(qiáng)度，金屬覆蓋層的的厚度最好為0.01-0.20mm。另外，覆蓋層還可包含至少一層金屬帶和至少一層金屬薄膜，該金屬薄膜包圍在超導(dǎo)導(dǎo)線組和金屬帶的外表面上，金屬薄膜、導(dǎo)線組的寬度面和金屬帶之間彼此連接?；蛘?，覆蓋層包含至少一層金屬帶和至少一層半導(dǎo)體層，該半導(dǎo)體層包圍在超導(dǎo)導(dǎo)線組和金屬帶的外表面上，金屬帶、導(dǎo)線組的寬度面和半導(dǎo)體層之間彼此連接。超導(dǎo)導(dǎo)線組與覆蓋層的連接方式為固態(tài)擴(kuò)散、利用低熔點(diǎn)金屬及其合金焊接、使用導(dǎo)電膠連接或涂敷。覆蓋層上可以具有色彩、圖形、文字或其組合，從而達(dá)到使導(dǎo)線組表面絕緣、增加導(dǎo)線的表面潤(rùn)滑性能和標(biāo)注導(dǎo)線以對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行有效地分類的目的。
本發(fā)明的另一目的是提供一種制備超導(dǎo)導(dǎo)線組件的方法，其包括如下步驟將至少兩根具有超導(dǎo)性能的單根超導(dǎo)導(dǎo)線組合在一起形成超導(dǎo)導(dǎo)線組，組合的方式可以是這些單根超導(dǎo)導(dǎo)線之間電接觸，然后在上述超導(dǎo)導(dǎo)線組的外表面上加上至少一層覆蓋層，接著可以對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行軋制等機(jī)加工使單根超導(dǎo)導(dǎo)線之間緊密結(jié)合。由于機(jī)加工通常會(huì)使單根超導(dǎo)導(dǎo)線的性能顯著降低，降低的幅度有的甚至高達(dá)60％，所以本發(fā)明提出在機(jī)加工后需對(duì)超導(dǎo)導(dǎo)線組進(jìn)行一次熱處理，熱處理的溫度為250-850℃，通過該熱處理可使導(dǎo)線的性能明顯恢復(fù)，從而獲得具有較高電學(xué)性能的超導(dǎo)導(dǎo)線組件。
本發(fā)明可適用于任何超導(dǎo)材料，尤其適用于鉍系高溫超導(dǎo)材料，單根超導(dǎo)導(dǎo)線的形狀和大小沒有嚴(yán)格的限制。


下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)例進(jìn)行詳細(xì)的描述，其中圖1為單芯導(dǎo)線的示意圖；圖2為單芯的Bi-2223/Ag/阻擋層/Ag復(fù)合材料的示意圖；圖3為多芯導(dǎo)線的截面示意圖；圖4為多芯導(dǎo)線的立體圖；圖5為有一個(gè)超導(dǎo)體環(huán)的同心導(dǎo)線的截面示意圖；圖6為有三個(gè)超導(dǎo)體環(huán)的同心導(dǎo)線的截面示意圖；圖7為多層導(dǎo)線的截面示意圖；圖8為兩根單根導(dǎo)線在寬度面通過焊接形成電接觸的超導(dǎo)導(dǎo)線組件的截面示意圖；圖9為兩根單根導(dǎo)線在寬度面通過固態(tài)擴(kuò)散形成電接觸的超導(dǎo)導(dǎo)線組件的截面示意圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1選用兩根Bi-2223高溫超導(dǎo)導(dǎo)線，把這兩根導(dǎo)線的寬度面單面焊接，然后在這樣的兩根導(dǎo)線的外表面包上一層厚度為0.05mm的銅箔組成一個(gè)超導(dǎo)導(dǎo)線組件，如圖8所示，其中5為單根超導(dǎo)導(dǎo)線，導(dǎo)線的寬為4mm，厚為0.25mm，6為銅箔，7為焊錫。再把該組件進(jìn)行軋制，最后再進(jìn)行一次熱處理，熱處理的溫度為550℃，熱處理的氣氛為8.0％氧分壓，熱處理的時(shí)間為1小時(shí)。
實(shí)施例2選用兩根Bi-2223高溫超導(dǎo)導(dǎo)線，將這兩根導(dǎo)線的寬度面并列，然后在這樣的兩根導(dǎo)線的外表面包上一層厚度為0.05mm的不銹鋼箔組成一個(gè)超導(dǎo)導(dǎo)線組件，如圖9所示，其中5為單根超導(dǎo)導(dǎo)線，導(dǎo)線的寬為4mm，厚為0.25mm，8為不銹鋼箔。再把該組件進(jìn)行一次熱處理，熱處理的溫度為780℃，熱處理的氣氛為7.9％氧分壓，熱處理的時(shí)間為1小時(shí)。
實(shí)施例3選用兩根Bi-2223高溫超導(dǎo)導(dǎo)線，將這兩根導(dǎo)線的寬度面并列，然后在這樣的兩根導(dǎo)線的外表面包上一層厚度為0.05mm的Cr25Ni20箔組成一個(gè)超導(dǎo)導(dǎo)線組件，如圖9所示，其中5為單根超導(dǎo)導(dǎo)線，導(dǎo)線的寬為4mm，厚為0.25mm，8為Cr25Ni20箔。再把該組件進(jìn)行一次熱處理，熱處理的溫度為850℃，熱處理的氣氛為空氣，熱處理的時(shí)間為1小時(shí)。
實(shí)施例4選用兩根Bi-2223高溫超導(dǎo)導(dǎo)線，把這兩根導(dǎo)線的寬度面用焊錫單面焊接，然后在這樣的兩根導(dǎo)線的外表面包上一層厚度為0.05mm的銅箔組成一個(gè)超導(dǎo)導(dǎo)線組件，如圖8所示，其中5為導(dǎo)線，導(dǎo)線的寬為4mm，厚為0.25mm，6為銅箔。再把該組件進(jìn)行一次熱處理，熱處理的溫度為250℃，熱處理的氣氛為7.6％氧分壓，熱處理的時(shí)間為1小時(shí)。
權(quán)利要求
1.一種超導(dǎo)導(dǎo)線組件，包含至少兩根具有超導(dǎo)性能的單根超導(dǎo)導(dǎo)線，其特征在于這些單根超導(dǎo)導(dǎo)線之間通過電接觸形成超導(dǎo)導(dǎo)線組，并且在所述超導(dǎo)導(dǎo)線組的外表面上至少有一層覆蓋層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)導(dǎo)線組件，其特征在于單根超導(dǎo)導(dǎo)線包含至少一根具有超導(dǎo)性能的超導(dǎo)芯和包在所述超導(dǎo)芯周圍的至少一種金屬基體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)導(dǎo)線組件，其特征在于超導(dǎo)導(dǎo)線組中的超導(dǎo)導(dǎo)線之間的形成電接觸的方式為固態(tài)擴(kuò)散、利用低熔點(diǎn)金屬焊接、利用低熔點(diǎn)合金焊接或使用導(dǎo)電膠連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)導(dǎo)線組件，其特征在于所述覆蓋層的材料為金屬、半導(dǎo)體或有機(jī)樹脂。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超導(dǎo)導(dǎo)線組件，其特征在于所述覆蓋層包含至少一層包圍在所述的超導(dǎo)導(dǎo)線組外表面上的金屬層。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超導(dǎo)導(dǎo)線組件，其特征在于所述覆蓋層包含至少一根金屬帶，所述的金屬帶與超導(dǎo)導(dǎo)線組的寬度面連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的超導(dǎo)導(dǎo)線組件，其特征在于所述金屬覆蓋層的機(jī)械強(qiáng)度高于單根超導(dǎo)導(dǎo)線的機(jī)械強(qiáng)度。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超導(dǎo)導(dǎo)線組件，其特征在于所述金屬覆蓋層的厚度為0.01-0.20mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超導(dǎo)導(dǎo)線組件，其特征在于所述覆蓋層包含至少一層金屬帶和至少一層金屬薄膜，所述的金屬薄膜包圍在所述的超導(dǎo)導(dǎo)線組和所述的金屬帶的外表面上，所述的金屬薄膜、導(dǎo)線組的寬度面和金屬帶之間彼此連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超導(dǎo)導(dǎo)線組件，其特征在于所述覆蓋層包含至少一層金屬帶和至少一層半導(dǎo)體層，所述的半導(dǎo)體層包圍在所述超導(dǎo)導(dǎo)線組和所述金屬帶的外表面上，所述的金屬帶、導(dǎo)線組的寬度面和半導(dǎo)體層之間彼此連接。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)導(dǎo)線組件，其特征在于超導(dǎo)導(dǎo)線組與覆蓋層之間的連接方式為固態(tài)擴(kuò)散、利用低熔點(diǎn)金屬焊接、利用低熔點(diǎn)合金焊接、使用導(dǎo)電膠連接或涂敷。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)導(dǎo)線組件，其特征在于所述的覆蓋層上具有色彩、圖形、文字或其組合，從而達(dá)到使導(dǎo)線組表面絕緣、增加導(dǎo)線的表面潤(rùn)滑性能和標(biāo)注導(dǎo)線以對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行有效地分類的目的。
13.一種制備權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)導(dǎo)線組件的方法，其包括如下步驟將至少兩根具有超導(dǎo)性能的單根超導(dǎo)導(dǎo)線組合在一起形成超導(dǎo)導(dǎo)線組，然后在所述超導(dǎo)導(dǎo)線組的外表面上加上至少一層覆蓋層，其特征在于在形成組件后再進(jìn)行一次熱處理，熱處理的溫度為250-850℃。
全文摘要
本發(fā)明涉及超導(dǎo)導(dǎo)線組件，具體涉及的是一種利用高溫超導(dǎo)材料制備的高溫超導(dǎo)導(dǎo)線組件及其制備方法，其包含至少兩根具有超導(dǎo)性能的單根超導(dǎo)導(dǎo)線，這些單根超導(dǎo)導(dǎo)線之間通過電接觸形成超導(dǎo)導(dǎo)線組，并且在上述超導(dǎo)導(dǎo)線組的外表面上至少有一層覆蓋層，利用該方法制備的高溫超導(dǎo)導(dǎo)線組件具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、較好的安全性和穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)H01B12/00GK1687998SQ20051007073
公開日2005年10月26日 申請(qǐng)日期2005年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月18日
發(fā)明者劉莉 申請(qǐng)人:北京英納超導(dǎo)技術(shù)有限公司