[发明专利]超导线材的制造

说明书

本文提供第二代高温超导线材，其防止因切开而引起的线材边缘的机械破坏。根据本发明的一个实施方式的2G HTS线材的结构能防止线材边缘的机械破坏。这可以通过在线材的边缘处或其附近形成条纹来实现，在那里，缓冲层和超导层被除去，以防止边缘裂纹的任何扩展损坏HTS线材。

本申请要求Fukushima等人于2019年2月18日提交的名为“超导线材的制造”的美国临时专利申请号62/807,133的优先权，其通过引用全文纳入本文。

技术领域

本发明涉及高温超导线材，特别是涉及减少机械切开所引起的损伤的结构和制造方法。

背景技术

高温超导体(HTS)有效地传输、产生、转换、使用和储存电能的潜力已被认识到。特别是，更高效的电力系统依赖于更高效的线材技术。过去的技术进展使得脆性HTS材料可以形成数千米长的线材，其相对于相同物理尺寸的传统铜和铝导体能够传输大约200倍的电流。本文所用的术语“线材”是指任何细长结构，包含带或条。

最近对HTS材料的研究为这种材料在电力工业中的经济可行的使用提供了潜力，包括发电、输电、配电和存储方面的应用。HTS装置在电力工业中的使用将大大减少电力设备的尺寸(即占地面积)，减少对环境的影响，提高安全性，并且相较于传统技术增加了容量。

HTS线材已经开发了两代。第一代HTS(以下简称“1G”)线材包括使用BSCCO高Tc超导体，其通常嵌入在贵金属基体(如Ag)中。不受限制地，通过热机械加工制造1G线材，其中，超导粉末++8/96CF5er被填充到银坯中，其被拉伸、轧制和热处理以形成线材。1G线材的缺点是材料成本高(如Ag)，加工操作复杂，在高温下的高磁场中临界电流性能通常较差，这限制了线材的长度。

最近，稀土基HTS材料(RE)BCO被用于第二代(以下简称“2G”)HTS线材中。稀土元素包含但不限于钇、钐和钆。2G HTS线材的加工通常涉及多层层叠体在镍合金带上的薄膜沉积。为了获得高临界电流，即超导体的最大电流，超导膜在氧化物缓冲层上以类单晶形式外延生长，即使沉积在多晶金属基材上，也能提供类单晶模板。在某些情况下，2G HTS带使用涂布有YBCO的导体。2G导体(或线材)提供了性能优势(在更高的温度和背景磁场下工作)和成本优势。

近年来，HTS产业的重点是提高载流能力、提高线材生产能力以及降低制造成本。目标是制造商业上可行的高性能HTS线材，其可以用在电力工业中进行设备的制造，例如电网传输电缆和变压器。

如下面更详细地描述的，一种制造2G HTS线材的方法涉及电镀、溅射和金属有机化学气相沉积(MOCVD)步骤的组合，以在基材上沉积缓冲层、超导层和一个或多个覆盖层。通常制造宽度相对较大(例如从12mm到10cm或更多)的HTS线材作为基底导体将更具成本效益。然后，可以沿其长度将线材切割，以产生宽度更小的多条线材。线材的期望宽度由具体应用而定。对于HTS电缆，宽度通常优选4mm，而对于其他应用，如HTS变压器低压绕组，可能需要宽的带以适应高工作电流。制造出的宽度更大的HTS线材通常可以在最后施加覆盖层或稳定剂之前切开至期望宽度。例如，12mm HTS线材可以被切开成两条6mm HTS线材、三条4mm HTS线材、四条3mm HTS线材、六条2mm HTS线材，甚至一条8mm HTS线材和一条4mm HTS线材。

可以使用各种已知方法来实现对HTS基底导体的切开，包括使用激光切开机或用金属刀片对HTS基底导体进行切开的机械切开机。机械分切机相较于许多其他类型的切开机具有更低的成本和更高的生产能力。但是，不幸的是，机械切开加工会对相对脆性的超导层和缓冲层造成损伤。这种损伤会导致裂纹的形成，其会扩展，降低线材的机械和电学性能，最终导致线材的分层和临界电流(Ic)的恶化。

需要一种改进，以减少或消除机械切开对超导线材造成的损伤。

发明概述