一种高电流密度铠装超导带材结构及其制备方法与流程

1.本发明属于超导带材技术领域，具体涉及一种高电流密度铠装超导带材结构及其制备方法。


背景技术：

2.近年来，随着超导技术的不断发展，以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、超导同步调相机等领域取得显著成果，在诸多的应用中，超导线圈都是其核心部件。
3.常规超导线圈的工程临界电流密度是其最重要的指标之一。超导材料制备厂家和超导应用方常通过不同方法提高其临界电流密度，目前，超导材料制备厂家可以通过使用更薄的哈氏合金基带，减小超导带材的横截面积，进而增加临界电流密度。2011年，哈恩提出了超导无绝缘线圈的概念，在这种线圈中，取缔了线圈匝间绝缘，即制备线圈的超导带材表面不喷涂绝缘物质，减小超导线匝间间距，提高电流密度。
4.在提高电流密度的同时，在工程应用中，最关心的则是超导带材的机械性能、耐疲劳性能等。在工程使用过程中，如果超导带材因为机械性能耐疲劳性能等发生临界电流的衰减，会直接影响产品的指标。在提高超导带材的机械性能方便，除了镀银镀铜以外，最常用的方法是铠装，但是铠装最常见的问题是沿着长度方向的对中性不好，并且会降低电流密度。因此，急需一种能够解决上述问题的高电流密度铠装超导带材结构及其制备方法。


技术实现要素：

5.针对上述存在的技术问题，本发明提供一种高电流密度铠装超导带材结构及其制备方法，在保证超导带材机械性能的同时，也能够提高其工程临界电流密度。
6.本发明的技术方案为：
7.一种高电流密度铠装超导带材结构，包括超导复合层，所述超导复合层包括依次设置的金属基带、缓冲层和超导层，所述超导复合层四周包裹有金属包覆层，靠近所述超导层一面的所述金属包覆层焊接有铠装层。
8.优选地，所述金属包覆层包括自内而外依次设置的银层和铜层，所述超导复合层和所述金属包覆层组成镀铜超导带材。
9.优选地，所述铠装层的宽度大于所述镀铜超导带材的宽度，且所述铠装层的两端边缘与对应的所述镀铜超导带材宽度方向的两侧之间设有角焊缝。
10.优选地，所述铠装层包括主体包覆层和位于所述主体包覆层两侧的折弯包覆层，所述折弯包覆层包覆在所述镀铜超导带材的宽度方向的两侧。
11.优选地，所述折弯包覆层的包覆长度与所述镀铜超导带材的厚度一致。
12.优选地，所述折弯包覆层的包覆长度超过所述金属基带与所述缓冲层的结合面，且小于所述镀铜超导带材的厚度，所述折弯包覆层的边缘与所述镀铜超导带材之间设有角焊缝。
13.优选地，所述铠装层为紫铜带、黄铜带、不锈钢带中的一种。
14.一种高电流密度铠装超导带材结构制备方法，包括如下步骤：
15.s1、在金属基带上生长缓冲层，在缓冲层上制备超导层，形成超导复合层；
16.s2、在超导复合层的四周镀制银层和铜层，形成镀铜超导带材；
17.s3、在靠近超导层的镀铜超导带材一面焊接有铠装层。
18.优选地，在步骤s3焊接铠装层之前，铠装层先进行预成型折弯处理。
19.本发明的有益效果是：
20.本发明提供一种高临界电流密度的铠装超导带材，能够在保证超导带材机械性能的同时，提高其工程临界电流密度；本发明将超导层设置在铠装超导带材的中间位置，因而在进行绕制过程中受到弯曲时，超导层因为在中间位置，所以其受到的压缩应力和拉伸应力都远远比一般的超导带材要小很多，其工程弯曲直径有绝对优势。
附图说明
21.下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
22.图1是实施例1中高电流密度铠装超导带材宽度方向剖视图；
23.图2是实施例1中高电流密度铠装超导带材长度方向剖视图；
24.图3是实施例2中高电流密度铠装超导带材宽度方向剖视图；
25.图4是实施例3中高电流密度铠装超导带材宽度方向剖视图；
26.图5是传统铠装超导带材结构的结构示意图；
27.图6是镀铜超导带材的结构示意图。
28.图中标记为:1、铠装层；11、主体包覆层；12、折弯包覆层；2、铜层；3、银层；4、超导层；5、缓冲层；6、金属基带；7、焊接区；8、角焊缝。
具体实施方式
29.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
30.实施例1
31.如图1和图2所示，一种高电流密度铠装超导带材结构，包括超导复合层，超导复合层包括依次设置的金属基带6、缓冲层5和超导层4，超导复合层四周包裹有金属包覆层，金属包覆层包括自内而外依次设置的镀制银层3和镀制铜层2，超导复合层和金属包覆层组成镀铜超导带材，靠近超导层4一面的金属包覆层焊接有铠装层1，对应的焊接区7如图1和图2所示。铠装层1包括主体包覆层11和位于主体包覆层11两侧的折弯包覆层12，折弯包覆层12包覆在镀铜超导带材的宽度方向的两侧，折弯包覆层12的包覆长度与镀铜超导带材的厚度一致，对超导层4起到保护作用，其中金属基带可以选择ni基合金或cu-ni合金或ni-w合金等，本实施例优选ni基c276哈氏合金，缓冲层为氧化物材料制成，可以是单层氧化物薄膜或者多层氧化物薄膜，优选多层氧化物薄膜，本实施例优选的多层氧化物薄膜包括沿着金属基带由近到远依次设置的al2o3薄膜、y2o3薄膜、mgo薄膜和lamno3薄膜，超导层为超导材料制
成，优选yba2cu3o
7-x
、gdba2cu3o
7-x
或gdaybba2cu3o
7-x
(a b＝1)，本实施例优选yba2cu3o
7-x
(0＜x＜0.5)制成的超导层，铠装层可以选择紫铜带、黄铜带或者不锈钢带，本实施例优选紫铜带。
32.该高电流密度铠装超导带材结构的制备方法，包括如下步骤：采用物理或化学的方法在平整的在金属基带6上镀制缓冲层5和超导层4，形成超导复合层；使用磁控溅射镀银或蒸发镀银的方式在在超导复合层的四周镀制银层3，使用电化学或其它合适的方式继续镀制铜层2，形成镀铜超导带材；铠装层1经过预成型弯折后，再将靠近超导层4的镀铜超导带材一面的铜层2与铠装层1焊接起来。
33.以如图1所示的高临界电流密度超导带材为例，采用4.2mm宽、20μm厚的铠装层1，4mm宽、80μm厚的镀铜超导带材，铠装后宽度约4.05mm，厚度约0.1mm。以如图5所示的传统铠装超导带材为对比例1，该传统铠装超导带材与实施例1的区别在于采用双面铠装，具体采用双面4.8mm宽、20μm厚的铠装层1，4mm宽、80μm厚的镀铜超导带材，铠装后宽度约4.8mm，厚度约0.12mm。同时还以如图6所示的单独的镀铜超导带材为对比例2，镀铜超导带材是4mm宽0.1mm厚，与实施例1的区别在于不焊接铠装层1，且增加了镀铜超导带材两面的铜层2的厚度。将实施例1和两个对比例进行性能测试，得到表1。
34.表1高临界电流密度的铠装超导带材临界电流密度提升
[0035][0036][0037]
根据表1可知，本实施例的高临界电流密度超导带材临界电流密度为对比例2的镀铜超导带材的临界电流密度的98.8％，几乎一致，是对比例1的传统铠装超导带材的临界电流密度的142.2％。
[0038]
实施例2
[0039]
如图3所示，与实施例1相比，本实施例的高电流密度铠装超导带材结构的折弯包覆层12的包覆长度更短，该实施例的高电流密度铠装超导带材长度方向的剖视图与图2一致，本实施例中，折弯包覆层12的包覆长度超过金属基带6与缓冲层5的结合面，且小于镀铜超导带材的厚度，以超过金属基带6厚度一半最佳，保证对超导层4的保护，且铠装层1边缘的包覆长度较短，可以形成角焊缝8增加焊接性能。本实施例的高电流密度铠装超导带材结构采用实施例1中制备方法制成。
[0040]
实施例3
[0041]
如图4所示，与实施例1相比，本实施例的高电流密度铠装超导带材结构的铠装层1不需要折弯处理，且铠装层1的宽度大于镀铜超导带材的宽度，铠装层1的两端边缘与对应的镀铜超导带材宽度方向的两侧之间也设有角焊缝8，该实施例的高电流密度铠装超导带材长度方向的剖视图与图2一致。
[0042]
该高电流密度铠装超导带材结构的制备方法，包括如下步骤：采用物理或化学的方法在平整的在金属基带6上镀制缓冲层5和超导层4，形成超导复合层；使用磁控溅射镀银或蒸发镀银的方式在在超导复合层的四周镀制银层3，使用电化学或其它合适的方式继续镀制铜层2，形成镀铜超导带材；将靠近超导层4的镀铜超导带材一面的铜层2与铠装层1焊接起来。
[0043]
以如图4所示的高临界电流密度超导带材为例，采用4.5mm宽、20μm厚的铠装层1，4mm宽、80μm厚的镀铜超导带材，铠装后宽度约4.5mm，厚度约0.1mm。采用实施例1中所提及的对比例1和对比例2，将实施例3和两个对比例进行性能测试，得到表2。
[0044]
表2高临界电流密度的铠装超导带材临界电流密度提升
[0045][0046][0047]
根据表2可知，本实施例的高临界电流密度超导带材临界电流密度为对比例2的镀铜超导带临界电流密度的97.6％，几乎一致，是对比例1的传统铠装超导带材临界电流密度的140.5％。
[0048]
本发明将镀铜超导带材与铠装层1焊接在一起，与如图6所示的单独的镀铜超导带材相比可以大幅提升超导带材边缘的密封性和机械强度，此外，与如图5所示的传统铠装超导带材结构(双面铠装)相比，本发明的铠装超导带材的机械强度也未有下降，而且因为散热主要是由靠近超导面的铠装层传导，本发明的铠装超导带材的散热性能也未有下降。此外，与传统铠装超导带材结构和单独的镀铜超导带材相比，本发明的超导层4位于超导带材的更偏向中心位置，因此超导带材在受到弯曲时，从微观角度分析，其超导层4避免受到较大的拉伸应力和应变和压缩应力和应变，因此保证临界电流没有衰减时可以耐受更小的弯曲直径。
[0049]
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。