[发明专利]一种带有低阻内封接头的钇系超导带材及其制备方法在审

专利信息
申请号: 201710405944.0 申请日: 2017-06-01
公开(公告)号: CN107393652A 公开(公告)日: 2017-11-24
发明(设计)人: 吴蔚;朱佳敏;陈思侃;洪智勇;金之俭 申请(专利权)人: 上海超导科技股份有限公司
主分类号: H01B12/00 分类号: H01B12/00;H01B13/00;H01B13/22
代理公司: 上海汉声知识产权代理有限公司31236 代理人: 郭国中
地址: 201203 上海市浦东新*** 国省代码: 上海;31
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摘要:
搜索关键词: 一种 带有 低阻内封 接头 超导 及其 制备 方法
【说明书】:

技术领域

发明涉及超导材料技术领域,更具体地,涉及一种带有低阻内封接头的钇系超导带材及其制备方法。

背景技术

1、总体介绍

1911年荷兰莱顿大学的卡末林·昂纳斯教授在实验室首次发现超导现象以来,超导材料及其应用一直是当代科学技术最活跃的前沿研究领域之一。在过去的十几年间,以高温超导为主的超导电力设备的研究飞速发展,在超导储能、超导电机、超导电缆、超导限流器、超导变压器、超导磁悬浮、核磁共振等领域取得显著成果。高温超导带材分为铋系和钇系。铋系超导体即第一代高温超导材料,也称BSCCO超导体;钇系超导体即第二代高温超导材料,也称YBCO或ReBCO超导体。

以ReBCO为材料的第二代高温超导带材,也被称为涂层导体,因其具有强的载流能力、高的磁场性能和低的材料成本,在医疗、军事、能源等众多领域具备良好的应用前景。

第二代高温超导带材,由于其作为超导载流核心的ReBCO本身硬且脆,所以一般是在镍基合金基底上采用多层覆膜的工艺生产,所以又被成为涂层导体。第二代高温超导带材一般由基带、缓冲层(过渡层)、超导层以及保护层组成。金属基底的作用是为带材提供优良的机械性能。过渡层的作用一方面是防止超导层与金属基底发生元素间的相互扩散,另一方面最上方的过渡层需为超导层的外延生长提供好的模板,提高YBCO晶粒排列质量。制备超导性能优良的涂层导体,需要超导层具有一致的双轴织构。双轴织构是指晶粒在a/b轴和c轴(c轴垂直于a/b面)两个方向均有着近乎一致的排列。由于YBCO薄膜在a/b轴方向的排列程度(面内织构)相对较难实现,而面内织构较差会严重降低超导性能。因此需要YBCO超导薄膜在已经具有双轴织构和匹配晶格的过渡层上外延生长。制备实现双轴织构有两种主流的技术路线,一种是轧制辅助双轴织构基带技术,另一种为离子束辅助沉积技术。ReBCO超导层制备的常见技术分为多种,有脉冲激光沉积、金属有机物化学气相沉积、反应共蒸发等。保护层主要是用来保护超导膜层,一般在超导带材表面镀1-5um的银层。纯粹经过镀银保护的超导带材不能满足实际的带材应用,尤其是电学和力学方面的性能。通常采用两种方法进行保护处理,来提升带材性能。第一种是镀铜加强,即在已经镀银的超导带材表面镀制1-80um的铜层;第二种是封装加强,即用不锈钢、黄铜、或者紫铜等材料,用钎焊的方式对超导带材进行整体的包裹。

由于受到生产规模和制备工艺的限制,目前制备高质量千米级单根带材仍是一项困难的工作。然而一个大型的超导应用设备需要几十甚至上百公里的带材,因此,将多段单根带材连接成整体的超导接头工艺具有重要的实用价值。在设备中通常有大量接头,接头作为最薄弱的点,其性能的好坏决定着最终超导应用设备的性能。

对钇系超导带材的接头有以下要求:1、要求接头的电性能要好,包括接头电阻尽可能小,抗过流能力要强。小的接头电阻能使超导装置在低温运行时发热量减少,降低制冷量,最重要的是降低由于高接头电阻产生的局部焦耳对系统稳定性的影响,抗过流能力强,可以增加接头的鲁棒性。2、要求接头的机械性能要好,接头处的拉伸应力,脱层应力,转弯半径等参数应尽量一致,并接近原本带材的参数,这样可以提高装置运行的稳定性。3、要求接头的重复性、可靠性、一致性要好。4、要求接头区域厚度变化要小,考虑到后续应用中如绕制线圈时,厚度的突变会是线圈匝间产生间隙,影响超导线圈性能。5、要求接头的连接可以为搭接形式。接头分为桥式接头和搭接接头,考虑到钇系超导带非对称性,面对面焊接接头电阻比面对背焊接小2-3个数量级,需要带材面对面焊接。搭接接头即面对面焊接,桥接接头可看作连续完成了两个搭接接头,也可以看做是两个搭接接头的串联。如果桥接接头与搭接接头总面积相同,桥接接头中单个搭接接头面积是纯粹搭接接头面积的一半,桥接接头的接头电阻是搭接接头的4倍。6、要求接头技术能运用于百米级或公里级长带之间的连接。

第二代高温超导带材的接头焊接技术主要有钎焊、银扩散法两类。

2、现有技术优缺点分析

(1)手工焊接优缺点分析

美国超导公司(AMSC)针对不同类型的封装带材和不同类型的无铅钎料,通过标准化的带材清洁、预焊、助焊剂使用、温度控制、焊锡涂覆、压力施加、多余焊锡和助焊剂移除流程,可稳定得到电阻值为数十至数百nΩ(视带材封装类型和连接长度)的接头,并可确保带材性能在钎焊后无衰减。其中对于最常见的紫铜封装带材,通过约5×100mm2的焊接面积,其接头阻值可稳定在20nΩ左右。

手工钎焊的优点在于:成熟、工艺简单。

手工钎焊的缺点在于:

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