[发明专利]第二代高温超导带材中超导层的连续化快速激光镀膜方法

说明书

技术领域

本发明涉及新型氧化物高温超导带材制造领域，尤其涉及一种第二代高温超导带材中超导层的连续化快速激光镀膜方法。

背景技术

超导材料自1911年由荷兰科学家昂内斯意外发现至今的一百年中一直受到科学界和工业界的高度关注。科学家一直努力寻找常温（室温或接近室温）超导体，以便大规模应用，造福于人类。传统的超导材料一般为金属和合金，这类材料的最高超导转变温度为23.2K，目前在核磁共振成像等领域的应用主要以铌钛合金为代表，制冷循环媒质为液氦，习惯上称为低温超导材料。

1986年，IBM公司位于瑞士苏黎世的实验室首次报道镧钡铜氧氧化物具有35K的超导电性。这一发现打破了“氧化物陶瓷材料只能是绝缘体”的传统观念，从而为探索具有更高温度的超导材料开辟了新的研究途径，大大开阔了许多领域科学家的视野。高温超导现象的发现者缪勒和贝德诺尔茨在第二年（1987）就获得了诺贝尔物理奖，创造了诺贝尔奖历史上从取得研究成果到获奖的最快历史纪录。随后发现的具有更高超导温度的钇钡铜氧在人类历史上首次将超导转变温度提高到了液氮温度（77K）以上，突破了液氮“温度壁垒”。因为液氮与液氦相比，无论资源本身的成本还是制冷成本都要低得多，所以液氮温区超导材料的发现堪称为材料发展史上，乃至科技发展史上的重大突破，首次为超导材料的大规模商业化应用奠定了基础。习惯上将稀土氧化物超导材料称为高温超导材料。

超导材料由于具有优越且独特的导电性能和磁学性能，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、完全抗磁特性在工业、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与开发。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通常为金属或合金材料，具有优良的机械性能，容易加工成各种应用所需的线材或带材。但由于超导转变温度位于液氦温区，低温超导器件的工作温度也只能位于液氦温区，所以昂贵的制冷成本大大限制了其应用范围。目前主要应用在核磁共振成像和强场磁体等其它材料无法替代的领域。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，就其机械性能而言，属“氧化物陶瓷”系列，所以，与传统的低温超导材料相比不易加工成各种应用所需的线材或带材，故无法在能源、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150-210安培左右的电流。单根长度已经超过1000米。第一代高温超导带材经过十多年的研发，生产技术已经基本成熟，并已建成了生产线。虽然第一代高温超导带材已经开始商业化生产，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20-50美元／千安培米（$20-50／kAm）。只有当高温超导带材的性能价格比达到该指标后，才有可能大规模替代传统的铜导线材料。