[发明专利]具有用于改进的磁通钉扎的预制纳米结构的超导制品

说明书

关于联邦资助研究或开发的声明不适用。

技术领域

本公开内容一般地涉及超导制品，更具体地涉及具有用于改进的磁通钉扎(flux pinning)的预制纳米结构的超导制品。

背景技术

技术界知晓并了解超导材料已有很长时间。早在1911年就已知晓在需要使用液氦的温度(4.2k)下显示出超导特性的低温超导体(低-t_c或lts)。然而，直到稍近期才发现基于氧化物的高温(高-t_c)超导体。1986年前后，发现了在高于液氮的温度下(77K)具有超导特性的第一个高温超导体(HTS)，即YBa₂Cu₃O_7-x(YBCO)，随后在过去的15年间，开发了另外的材料，包括Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_10+y(BSCCO)等。高-t_c超导体的开发为引入这类材料的超导体组件和其他装置的经济可行性开发提供了可能，这部分归因于用液氮而非相对更贵的基于液氦的低温设施操作这些超导体的成本。

在无数的潜在应用中，在工业中已寻求开发了这种材料在电力工业中的用途，包括用于电力产生、传送、分配和储存。对此，估计基于铜的商品化电力组件的固有电阻每年造成数十亿美元的电损失，因此，电力工业准备基于在电力组件(如传送电力电缆和分配电力电缆、发电机、变压器和故障电流断路器/限制器)中采用高温超导体来获利。此外，高温超导体在电力工业中的其他益处包括与常规技术相比功率处理容量提高3-10倍、电力设备的尺寸(即占位面积(footprint))和重量显著降低、对环境的影响减小、更高的安全性以及容量增加。尽管高温超导体的这些潜在益处相当吸引人，但在高温超导体的大规模生产和商业化方面持续存在许多技术挑战。

在与高温超导体商业化相关的挑战中，围绕可用于形成多种电力组件的超导带段的制造存在许多挑战。第一代超导带段包括上述BSCCO高温超导体的使用。该材料一般以离散的长丝形式提供，所述长丝被包埋在贵金属(通常是银)基质中。尽管这些导体可被制成用于在能源工业上实施所需的延伸长度(例如在一千米左右)，但由于材料和制造成本，这类带不代表广泛的在商业上可行的产品。

因此，对具有优异商业可行性的所谓第二代HTS带产生了大量的兴趣。这些带通常依赖于层状结构，其通常包括提供机械支撑的柔性基材；至少一个上覆基材的缓冲层，所述缓冲层任选地包含多个膜；上覆缓冲膜的HTS层；上覆超导层的任选的盖层(capping layer)；和/或上覆盖层或围绕整个结构的任选的电稳定层。然而迄今为止，在该第二代带和引入这种带的装置的全面商业化之前，仍存在多种工程和制造挑战。

重要的是，强磁场的存在可极大地影响HTS带的临界电流。而且，磁场与带之间的角度显著地影响临界电流。例如，根据磁场的角度，与无磁场存在时的临界电流相比，临界电流在1特斯拉(t)和77K下可以下降至七分之一至十分之一。一个特别的挑战是减少磁场对HTS带的临界电流的影响。此外，磁场存在时临界电流的角度依赖性显示出显著的各向异性，其中当场的取向与所述带平行时临界电流具有峰值，并且随着场从该取向移开临界电流急剧降低。因此，另一挑战是在不与所述带平行的场取向上提高临界电流。因此，仍需要在强磁场中具有改进性能的HTS带。

发明内容

在一个实施方案中，超导制品包括基材；上覆所述基材的缓冲层；和上覆所述缓冲层的高温超导(HTS)层。HTS层可包含多个纳米棒。在一个实施方案中，所述多个纳米棒各自可以延伸HTS层厚度的至少约50％。在另一实施方案中，纳米棒可以基本相互平行。在又一实施方案中，多个纳米棒可形成有序阵列。