一种先反应后绞制的Bi2212铠装导体及其制备方法与流程

本发明属于高温超导材料，具体涉及一种先反应后绞制的bi2212铠装导体及其制备方法。

背景技术：

1、目前，bi2212高温超导磁体的常规制备流程为先绞制后反应，即先将经塑性变形的bi2212线材制成电缆或导体，再绞制成磁体，最后通过高压部分熔化热处理使磁体获得超导性能。该工艺适用于小型磁体的制备，但对于聚变装置用大型磁体（直径和高度均达数米乃至十余米，厚度达数米）而言，先绞制后反应的路线面临若干难以克服的技术瓶颈：

2、其一，bi2212线材对热处理温度极为敏感，其有效温度窗口仅为±4℃。在数米级空间尺度上实现整体温度均匀性控制在±4℃以内，对现有大型高压热处理炉构成极大挑战；

3、其二，bi2212线材对熔化保温时间同样敏感，最佳保温时间范围为15min~1.5h。对于厚度超过1m的磁体，要求在如此短时间内实现整体均匀烧透，难度极大；

4、其三，bi2212线材对氧分压高度敏感，在大型磁体中，由于高度和厚度过大，氧气的扩散速率显著下降，使得线材内部氧分压与环境气氛氧分压之间的平衡难以维持；

5、其四，bi2212磁体烧结通常在氧分压为1atm、温度约890℃的高压气氛中进行。导体外部的铠甲材料（如316l不锈钢）在烧结过程中同样承受高温高氧环境，易发生氧化反应，大量消耗氧气，导致炉内氧分压持续下降，进一步加剧线材氧分压的不稳定性。

6、此外，单台大型聚变磁体的制造成本高达数千万元至数亿元人民币，上述任一环节的失效均可能导致整个磁体制备失败。而满足大型磁体热处理要求的高压热处理炉设备投资至少需1亿元人民币以上。高昂的设备投入与多重技术风险叠加，极大增加了大型聚变bi2212磁体的制备难度，致使国际上鲜有课题组开展相关研究工作。

7、因此，为突破上述瓶颈，亟需开发一种先反应后绞制的制备路线，即先制备出具有超导性能的bi2212导体，再将其绞制成磁体。而实现该路线的首要前提，便是获得一种先反应后绞制的bi2212铠装导体。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种先反应后绞制的bi2212铠装导体。该先反应后绞制的bi2212铠装导体可直接用于大型聚变磁体的绞制，有效规避了传统工艺中大型磁体高压热处理过程中的温控、时间、氧分压等核心难题和高压设备的过大投资，同时，分层交叉绞制结构在最大限度控制线材应变的前提下，实现了电感抵消与磁滞损耗降低，为bi2212导体领域提供了一种全新的电缆/导体结构设计方案。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种先反应后绞制的bi2212铠装导体，其特征在于，该铠装导体包括液氦通道，所述液氦通道外设置有超导线材层，所述超导线材层外紧密包裹有紧固层，所述紧固层外设置有通过紧缩加工包覆于紧固层上的铠甲层；所述超导线材层由多层已完成超导热处理的bi2212线材沿液氦通道外壁分层交叉绞制而成。

3、上述的一种先反应后绞制的bi2212铠装导体，所述液氦通道为不锈钢管。

4、上述的一种先反应后绞制的bi2212铠装导体，所述超导线材层中的每一层已完成超导热处理的bi2212线材均以螺旋方式绞制，且相邻层的已完成超导热处理的bi2212线材的螺旋方向相反，形成分层的交叉接触结构。

5、上述的一种先反应后绞制的bi2212铠装导体，所述超导线材层中每一层已完成超导热处理的bi2212线材的绞制的角度根据该层所在位置的等效支撑直径确定，以使该层已完成超导热处理的bi2212线材的最大弯曲应变不超过0.5%。

6、上述的一种先反应后绞制的bi2212铠装导体，所述紧固层由铝箔带以张力螺旋缠绕而成，所述紧固层的厚度和缠绕密度由铠甲层的紧缩量控制。

7、上述的一种先反应后绞制的bi2212铠装导体，所述铠甲层的材质为不锈钢。

8、另外，本发明还提供了一种先反应后绞制的bi2212铠装导体的制备方法，该方法包括以下步骤：

9、步骤一、将已完成超导热处理的bi2212线材，按预设的螺旋方向绞制于液氦通道外壁，形成第一层线材；

10、步骤二、在步骤一中形成的第一层线材外部，将已完成超导热处理的bi2212线材，按与步骤一中相反的螺旋方向继续绞制，形成第二层线材，并使第二层线材与第一层线材形成交叉接触；

11、步骤三、重复步骤二的过程，逐层绞制已完成超导热处理的bi2212线材，直至达到超导线材层的设计层数，且每层线材均与相邻层形成交叉接触结构，得到具有超导线材层的液氦通道；

12、步骤四、在步骤三中得到的具有超导线材层的液氦通道外部以张力螺旋缠绕铝箔带，得到具有紧固层和超导线材层的液氦通道；

13、步骤五、将步骤四中得到的具有紧固层和超导线材层的液氦通道穿入铠甲层，形成第一层线材，然后采用多道次、小变形量的孔型轧制或拉拔进行紧缩加工，得到先反应后绞制的bi2212铠装导体。

14、本发明将已完成超导热处理的bi2212线材，绞制于内层不锈钢管外壁，完成第一层绞制，内层不锈钢管与第一层线材共同构成新的圆筒支撑体，按与第一层相反的螺旋方向进行第二层绞制，第一层的偏转方向是顺时针螺旋，第二层的偏转方向就是逆时针螺旋，这样相当于形成了一个交叉，使两层线材形成交叉接触，起到类似绞缆的效果，第三层线材与第二层同样形成交叉，后续各层依此类推，该结构在保证各层线材应变满足要求的前提下，使相邻层线材之间形成尽量大的交叉角，最终形成类似电缆的交叉排布效果，通过该设计，单层线材产生的电感被相邻层线材的电感所抵消，同时，由于每一层绞制时，绞制的半径均存在区别，不同层线材的绞制角度存在差异，削弱了垂直于线材轴向的自场分量，从而显著降低磁滞损耗；多层线材绞制完成后，在其外层以一定张力缠绕铝箔带，形成软紧固层，铝箔带均匀覆盖所有线材，一方面将线材牢固固定于内层不锈钢管上，另一方面利用铝箔的软质特性，避免后续外层不锈钢管紧缩时与超导线材发生硬接触损伤；缠绕铝箔后，穿入外层不锈钢管内，为减小组件与外管之间的间隙，防止超导电缆在使用过程中发生位移导致信号不稳或线材损伤，采用孔型轧制或拉拔对外层不锈钢管进行多道次、小变形量的紧缩加工，紧缩变形量的上限以电缆载流性能不出现衰减为准，即当进一步增加变形量导致载流性能下降时，即视为达到加工终点，完成先反应后绞制得到bi2212铠装导体，实现大型聚变磁体的高效、低风险制备。

15、上述的方法，步骤一和步骤二中所述绞制的角度均满足：ε=d/(2

rbend)≤0.5%，且

rbend=

rnsin2θ，其中，ε为已完成超导热处理的bi2212线材的弯曲应变，d为已完成超导热处理的bi2212线材的直径，

rbend为已完成超导热处理的bi2212线材的等效弯曲半径，

rn为等效圆筒半径，θ为绞制的角度。本发明中每一层已完成超导热处理的bi2212线材按一定螺旋角度绞制于内层不锈钢管外壁，绞制角度与线材直径的选择依据为：使线材在绞制过程中的最大弯曲应变不超过0.5%，即ε=d/(2

rbend)≤0.5%，且

rbend=

rnsin2θ，第一层绞制完成后，内层不锈钢管与第一层线材共同构成新的圆筒支撑体，第二层线材绞制时，因支撑体直径增大，需重新计算线材与内层不锈钢管轴线的夹角，确保该层线材应变仍满足≤0.5%的要求，依次类推，每层绞制角度随层数增加适度增大，降低导体电感与交流损耗，通过控制绞制的角度，保证了每一层的线材均具有最佳的性能；其中的等效圆筒半径即为该层所在位置的等效支撑直径的一半。

16、上述的方法，步骤五中所述小变形量为变形量不大于5%，所述紧缩加工的总变形量的上限以bi2212铠装导体的载流性能开始下降为判定标准，当进一步增加变形量导致载流性能下降时，停止紧缩加工。本发明通过采用小变形量进行加工，保证了bi2212铠装导体的性能，并且防止载流性能下降过多。

17、本发明与现有技术相比具有以下优点：

18、1、本发明首次提出并实现先反应后绞制bi2212铠装导体，得到的bi2212铠装导体可直接用于大型聚变磁体的绞制，有效规避了传统工艺中大型磁体高压热处理过程中必须克服的±4℃温控、1.5h快速烧透、氧分压稳定维持等核心难题和高压设备的过大投资，同时，分层交叉绞制结构在最大限度控制线材应变的前提下，实现了电感抵消与磁滞损耗降低，为bi2212导体领域提供了一种全新的电缆/导体结构设计方案，大幅降低了大型bi2212磁体的制备难度与风险。

19、2、本发明通过多层线材交叉绞制结构，使各层电感相互抵消，同时有效抑制磁滞损耗，满足磁体快速励磁与长期稳定运行的需求，采用层间接触交叉而非编织交叉的方式，既保证了电磁性能的优化，又避免了编织工艺中因过度弯折引起的bi2212陶瓷芯丝开裂问题

20、3、本发明采用铝箔软紧固层的设计，在保证线材固定可靠的同时，避免了线材与外层不锈钢管的硬接触，紧缩过程中，外力首先作用于铝箔，使其逐步压实，再将压力均匀传递至线材层，通过控制紧缩量，可调节铝箔的密实度，从而精确控制线材所受压力与固定牢度，既保护线材不受损伤，又确保整体结构稳定性。

21、4、本发明采用已完成超导热处理的bi2212线材进行导体制备，后续无需进行高温热处理，因此可避免传统工艺中800~890℃/50h长时间高温扩散导致的线材间冶金结合，从而降低磁滞损耗；同时，无需考虑高温处理中氧穿透银层的问题，可在线材表面涂覆大电阻金属层，进一步降低磁滞损耗，获得更低损耗的高温超导导体。

22、5、本发明首次提出并实现先反应后绞制bi2212铠装导体的制备方法，所制导体可直接用于大型聚变磁体的绞制，有效规避了传统工艺中大型磁体高压热处理过程中的温控、时间、氧分压等核心难题和高压设备的过大投资，同时，分层交叉绞制结构在最大限度控制线材应变的前提下，实现了电感抵消与磁滞损耗降低，为bi2212导体领域提供了一种全新的电缆/导体结构设计方案。

23、下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。