[发明专利]适合于连续化制备高温超导带材的方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种超导材料制备技术领域的方法，具体是一种适合于连续化制备高温超导带材的方法。

背景技术

超导材料由于其独特的物理特性，自从上世纪初超导现象发现以来一直吸引着众多科学家的注意力。其无阻、抗磁特性在工业、国防、科学研究、医学等领域的巨大应用前景使得各国政府都极为重视超导技术的研究。尤其是在医学和磁约束核聚变反应堆等应用领域具有不可替代性。传统的低温超导材料由于其工作温度位于液氦温区，昂贵的制冷成本限制了超导技术的大规模应用。

自从1986年新型氧化物高温超导体发现以来，该领域已经取得了很大的进展。氧化物高温超导材料发现之初，考虑到新型高温超导材料对国民经济发展有可能带来巨大的经济与社会效益，世界各国在该领域投入了大量的人力、物力、并且展开了激烈的竞争，以期在短期内将高温超导材料大规模应用于能源、电力、交通运输等工业领域。因为超导材料具有零电阻、无损耗、完全抗磁性(磁悬浮)等优越的电磁特性，再加上新型高温超导材料的超导转变温度已经从传统超导体的液氦温区提高到了液氮温区，使大规模商业化应用成为可能(因为液氮的成本远远低于液氦，一杯液氮的成本大约与一杯矿泉水相当，大气中氮的含量占70％左右)。高温超导材料在电力的生产、传输与应用领域不仅能够大大降低热损耗、提高能源的有效利用率，并且不会造成环境污染，所以高温超导材料的研发与生产不仅具有科学价值还具有巨大的社会、经济效益。但经过几年的高温超导热之后，随着研究工作的深入，发现高温超导材料的实际应用比原来的预期要困难得多。这主要与高温超导材料的微观结构及机械性能有关。与传统的金属低温超导体相比，高温超导体属于氧化物材料，其力学性能类似于陶瓷材料，故在高温超导材料的加工方面遇到了很大的困难，不易加工成柔软的线材，无法在能源、电力、医疗、和军工领域大规模应用。

为了解决高温超导材料不易加工成线材这一难题，科学家们首先采用的方法是“银包套”方法，称之为第一代高温超导带材。第一代高温超导带材以铋系(铋-锶-钙-铜-氧)高温超导材料为主。“银包套”方法的原理是将铋系高温超导粉末灌入空心银套筒中，经过拉伸及加压等工艺加工成4毫米宽0.2毫米厚的银包套高温超导带材。经过“银包套”方法加工的高温超导带材具有很好的柔软性，可用于制造高温超导电缆、超导线圈、超导发电机、超导马达、超导变压器、超导限流器等各种设备。第一代高温超导线材可传输150-200安培左右的电流。单根长度已经超过1000米。第一代高温超导线材经过十多年的研发，生产技术已经成熟，目前美国超导公司(American Superconductor Corporation)、日本住友电工、中国英纳超导公司等已经建成了第一代高温超导带材的生产线，并已经开始批量生产。

虽然第一代高温超导带材已经开始商业化生产，并且在超导电缆等示范性项目中获得了应用，但由于存在性价比等方面的障碍，目前仍无法大规模推广应用。其主要原因如下：第一、以铋系带材为代表的第一代高温超导带材就其超导电流密度及电流传输性能而言无法与钇钡铜氧高温超导带材相比。并且经过十多年的研发，进一步改进的空间有限。第二、铋系带材在磁场中其超导电流衰变较快，亦即在外加磁场中，当磁场强度超过一定值后，会失去其超导电性。然而大多数能源、电力领域的应用往往与强磁场有关，所以第一代高温超导带材无法在大多数中等强度以上的磁场下应用。第三、因为银作为贵重金属，原材料成本较高，故采用“银包套”法技术生产的第一代铋系高温超导带材的成本很难降低到与传统的铜导线竞争的价位。目前仍在150-200美元/千安培米($150-200/kAm)范围内。根据美国能源部的估算，高温超导带材大规模商业化应用的性能价格比应优于铜导线性价比，约为20美元/千安培米($20/kAm)。只有当高温超导带材的性能价格达到该指标后，才有可能大规模替代传统的铜导线材料。由于上述原因，从1990年开始，美、日、英、德等国开始了第二代高温超导带材的研发工作，设立了第二代高温超导带材及相关应用的国家攻关计划。所谓第二代高温超导带材，就是采用各种镀膜手段在很薄(40-100微米)的传统金属基带(镍基合金或不锈钢等合金)上镀一层大约1到几个微米厚的钇钡铜氧高温超导薄膜。

与“银包套”法技术研制的第一代高温超导带材相比，二代高温超导带材具有更优越的超导性能，如图1所示，第二代高温超导带材包含金属基带1、设置在金属基带上的氧化物隔离层2、设置在隔离层上的超导层3，以及设置在超导层上的保护层4。