专利名称：多芯高温超导带材及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种超导带材，尤其涉及一种多芯高温超导带材及其制备方法。
背景技术：
目前工业化的超导导线为高温超导带材，其己在高温超导电缆、高温超 导电机等电力器件上得到了广泛应用，这些应用都需要超导带材具有较高的 电学性能和机械性能。
制备高温超导带材的方法一般采用金属套管法，该法通常包括制备单芯 超导导线、装多芯、拔制、轧制和热处理等过程。
1、 制备单芯超导导线该单芯超导导线包含一根具有超导性能的超导芯 和包在超导芯周围的至少一种金属基体。目前大多数单芯线的截面形状为圆 形或正六边形。
2、 装多芯将上述制得的单芯超导导线截成多段，然后将它们装入外套 管中形成多芯结构，每段单芯超导导线之间沿着长度方向互相平行，在横截 面上主要采用以一段单芯超导导线的中心为对称中心，其余各段分层排列的 结构。这种多芯的方式增大了超导粉与金属基体的界面，同时也增强了导线 的机械性能，如拉应变特性和弯曲应变特性。
3、 拔制把上述制得的多芯线拔制成所需尺寸和截面形状。
4、 轧制通过轧制可以把线材加工成扁平的带材，以减小弯曲应力、 增大比表面积(表面积Z体积)、增加致密度、优化晶粒取向、减小厚度和增 加宽度，并且通过轧制使套管与超导芯更紧密地机械结合，从而使它们之间 有更好的电、热接触。
5、 热处理一般指在800-90(TC下进行热处理。这一过程的作用主要是改善反应引起的氧化超导体的织构，增强超导颗粒的异向生长，形成合适的 超导相。
利用目前工艺制备的高温超导带材的结构仍存在一些有待改善的方面， 例如，从图l所示的超导带材横截面显微形貌来看，根据超导芯的密度差异可 大致分为3个区l区为带材中超导芯的内层所在区域，该区超导芯的形状较 细长，超导芯的平均横截面积最小，平均密度最大；2区位于带材的边缘并靠 近带材的高度面，该区超导芯的形状较短粗，超导芯平均横截面积最大，平 均密度最低；3区为带材中超导芯的外层所在区域且接近带材的宽度面，超导 芯的平均横截面积和密度居于1区和2区之间。由于超导芯的密度在很大程度 上影响超导带材的电学性能，密度较大的超导芯与较高的电学性能密切相关，
因此，上述3区尤其是2区的较低的密度分布会严重降低整个超导带材的载流能力。
分析造成上述超导芯密度不均匀分布的主要原因可以发现，在轧制过程 中，沿带材厚度方向上的变形、应力和金属流动分布都不均匀。l区产生的应
变最大，2区由于带材的自由表面产生的应变最小，3区产生的应变居于1区和 2区之间。因此，超导芯在l区的密度最大，2区的密度最小。
基于上述情况，需要根据超导带材在轧制过程中的应力-应变状态，提出 ---种超导带材结构来提高超导带材中超导芯密度分布的均匀性，从而提高整 个超导带材的电学性能。
发明内容
本发明提出一种多芯高温超导带材，其包含至少两类单芯超导导线和包 在它们周围的最外层金属基体材料，第l类单芯超导导线包含具有超导性能的 超导芯和包在其周围的第一导电基体，第2类单芯超导导线包含具有超导性能
的超导芯和包在其周围的第二导电基体，第一导电基体的强度小于第二导电 基体的强度，单芯超导导线之间沿着长度方向互相平行，在横截面上分层密 排，第l类单芯超导导线位于带材的内层，第2类单芯超导导线位于带材的外 层。如带材还包括第3类单芯超导导线，其包含具有超导性能的超导芯和包在 其周围的第三导电基体，则可将带材的横截面分成3个区，l区为带材中超导芯的内层所在区域；2区位于带材的边缘并靠近带材的高度面；3区为带材中 超导芯的外层所在区域且接近带材的宽度面。可将第l类单芯超导导线置于l
区，第2类单芯超导导线置于2区，第3类单芯超导导线置于3区。第一导电基 体的强度可小于或等于第三导电基体的强度，第三导电基体的强度可小于或 等于第二导电基体的强度，不同导电基体的强度差可大于20MPa。第一导电 基体的厚度可大于或等于第二和第三导电基体的厚度，第三导电基体的厚度 可大于或等于第二导电基体的厚度，不同导电基体的厚度差可大于l微米。2 区单芯导电基体的厚度可以比其他区域的小，由于较薄的材料硬化较大，易 产生较大的硬度值，从而利用具有较高硬度的导电基体驱动超导芯发生变形， 有利于提高2区超导芯的密度。最外层金属基体材料可以选用各种银合金，如 银镁镍。第一导电基体材料可为纯银，第二导电基体可为银合金或内层为银、 外层为银合金的复合层，第三导电基体可为纯银、银合金或内层为银、外层 为银合金的复合层。
本发明的另一目的是提供一种制备多芯高温超导带材的方法，其包括如 下步骤
al)制备至少两类单芯超导导线，第l类单芯超导导线包含具有超导性能 的超导芯和包在其周围的第一导电基体，第2类单芯超导导线包含具有超导性 能的超导芯和包在其周围的第二导电基体，第一导电基体的强度小于第二导 电基体的强度。如还包括第3类单芯超导导线，其包含具有超导性能的超导芯 和包在其周围的第三导电基体，第一导电基体的强度可小于或等于第三导电 基体的强度，第三导电基体的强度可小于或等于第二导电基体的强度，不同 导电基体的强度差可大于20MPa，第一导电基体的厚度可大于或等于第二和第 三导电基体的厚度，第三导电基体的厚度可大于或等于第二导电基体的厚度， 不同导电基体的厚度差可大于3微米。单芯的横截面可为正六边形、圆形、正 方形或椭圆形等各种形状，优选形状为正六边形和圆形。第一导电基体材料 可为纯银，第二导电基体可为银合金或内层为银、外层为银合金的复合层， 第三导电基体可为纯银、银合金或内层为银、外层为银合金的复合层。
bl)将上述制得的单芯超导导线截成多段，然后将它们装入外套管中形 成多芯结构，使每段单芯超导导线之间沿着长度方向互相平行，在横截面上 分层密排，第l类单芯超导导线位于多芯的内层。如还包括第3类单芯超导导线，其包含具有超导性能的超导芯和包在其周围的第三导电基体，则可将第l 类单芯超导导线置于l区，即带材中超导芯的内层所在区域；将第2类单芯超 导导线置于2区，即带材的边缘并靠近带材的高度面区域，如可将第2类单芯 超导导线取6根分成2组，每组包括3根，然后对称地置于多芯中单芯排列的最 外层，且在带材的边缘靠近带材的高度面；将第3类单芯超导导线置于3区， 即带材中超导芯的外层所在区域且接近带材的宽度面。如可将第3类单芯超导 导线置于多芯的最靠外的两层，占据除第2类单芯超导导线以外的位置。外套 管的材料优选银或银合金。将上述排列的多芯进行封管、抽真空。
cl)拔制上述制得的导线，可在最后一道拔制前利用显微硬度计区分出 单芯最外层中第2类单芯超导导线位置，然后利用异形模拔制，使第2类单 芯超导导线处于多芯的边缘并靠近高度面。
dl)轧制上述制得的导线；和
el)热处理上述制得的导线。
根据需要，可以在el)歩骤之后再轧制，并且这种轧制-热处理过程(即 形变热处理过程)可以反复进行几次。
本发明可适用于任何超导材料，尤其适用于铋系高温超导材料。
现有技术中超导芯通常采用同样的导电基体，而本发明根据超导带材在 轧制过程中的应力-应变状态，采用具有不同强度的导电基体，利用具有较高 强度的银合金来驱动超导芯的变形，可以有效地提高轧制后超导带材中超导 芯密度的均匀性，从而最终提高超导带材的电学性能。
下面将结合附图对本发明的具体实例进行详细描述，其中: 图1为利用现有技术制备的高温超导带材的截面示意图； 图2为37芯高温超导带材在装多芯时的截面示意图； 图3为61芯高温超导带材在装多芯时的截面示意图； 图4为61芯高温超导带材在装多芯时的截面示意图。
具体实施方式
实施例1
首先将Bi-2212超导前驱粉分别装入第一、二和三导电基体的套管中，第 一、二和三导电基体分别为Ag、 Ag-0. 2wt%Mg-0. lwt%Ni 、 Ag-0. 2wt%Sb，三 者厚度相同，然后封管、抽真空，进行单芯拔制，制备出3根横截面为圆形的 单芯高温超导导线，线径皆为1. 5腿，分别截出6根套管为 Ag-O. 2wt%Mg-0. lwt。/。Ni的单芯、12根套管为Ag-0. 2wt。/。Sb的单芯和19根套管为 Ag的单芯，然后将它们按图2所示装入 一 内径为10. 8mm的 Ag-0. 2wt%Mg-0. lwt。/。Ni合金管中，其中l区使用19根Ag套管制备的单芯，2区 使用6根Ag-0. 2wt%Mg-0. lwt。/。Ni套管制备的单芯，3区使用12根Ag-0. 2wt%Sb 套管制备的单芯，4为Ag-0. 2wt%Mg-0. lwt。/。Ni合金管。将上述多芯多次拔制， 形成直径为l. 5ram的多芯圆线，然后将制得的圆线利用显微硬度计区分出使用 Ag-0. 2wt%Mg_0. lwt。/。Ni套管制备的单芯位置，利用异形模拔制，使该类单芯 超导导线处于多芯的边缘并靠近高度面，然后再轧制成宽为4.2mm、厚度为 0.24咖带材，最后进行形变热处理，从而获得到具有临界电流为120A的37芯 Bi-2223高温超导带材。
实施例2
首先将Bi-2212超导前驱粉分别装入第一、二和三导电基体的套管中，第 一、二和三导电基体分别为Ag、 Ag-0. 2wt%Mg-0. lwt%Ni、 Ag-0. 2wt%Sb，三者 的厚度不同，然后封管、抽真空，进行单芯拔制，制备出3根横截面为圆形的 单芯高温超导导线，线径皆为1. 5mm ，分别截出6根套管为 Ag-0. 2wt%Mg-0. lwt。/。Ni的单芯、36根套管为Ag-0. 2wt。/。Sb的单芯和19根套管为 Ag的单芯，然后将它们按图3所示装入一内径为14腿的Ag-0. 2wt%Mg-0. lwt。/oNi 合金管中，其中l区使用19根Ag套管制备的单芯，2区使用6根 Ag-0. 2wt%Mg-0. lwt。/。Ni套管制备的单芯，3区为使用36根Ag-0. 2wt。/。Sb套管制 备的单芯，4为Ag-0. 2wt%Mg-0. lwt。/。Ni合金管。将上述多芯多次拔制，形成 直径为1.5mm的多芯圆线，然后将制得的圆线利用显微硬度计区分出使用 Ag-0.2wt%Mg-0. lwt。/oNi套管制备的单芯位置，利用异形模拔制，使该类单芯 超导导线处于多芯的边缘并靠近高度面，然后再轧制成宽为4.2mm、厚度为0.24mm带材，最后进行形变热处理，从而获得具有临界电流为125A的61芯 Bi-2223高温超导带材，第一、第三和第二导电基体的厚度依次递减L5微米。
首先将Bi-2212超导前驱粉分别装入第一和二导电基体的套管中，第-导 电基体为Ag ，第二导电基体为为复合管，内层为Ag ，外层为 Ag-0.2wt窗g-0. lwt%Ni，然后封管、抽真空，进行单芯拔制，制备出2根横截 面为圆形的单芯高温超导导线，线径皆为1.5mm，分别截出24根套管为 Ag/Ag-0. 2wt%Mg-0. lwt。/。Ni的单芯和37根套管为Ag的单芯，然后将它们按图4 所示装入一内径为14mm的Ag-0. 2wt%Mg-0. lwt。/。Ni合金管中，其中1区使用37 根Ag套管制备的单芯，2区使用24根Ag/Ag-0.2wt%Mg-0. lwtyoNi套管制备的单 芯，，4为Ag-0.2wt。/。Mg-0. lwtWi合金管。将上述多芯多次拔制，形成直径为 1.5皿n的多芯圆线，然后将制得的圆线轧制成宽为4.2mm、厚度为O. 24mm的带 材，最后进行形变热处理，从而获得具有临界电流为125A的61芯Bi-2223高温 超导带材。
权利要求
1、一种多芯高温超导带材，其特征在于包含至少两类单芯超导导线和包在它们周围的最外层金属基体材料，第1类单芯超导导线包含具有超导性能的超导芯和包在其周围的第一导电基体，第2类单芯超导导线包含具有超导性能的超导芯和包在其周围的第二导电基体，第一导电基体的强度小于第二导电基体的强度，单芯超导导线之间沿着长度方向互相平行，在横截面上分层密排，第1类单芯超导导线位于带材的内层，第2类单芯超导导线位于带材的外层。
2、 根据权利要求l所述的多芯高温超导带材，其特征在于还包括第3类单 芯超导导线，其包含具有超导性能的超导芯和包在其周围的第三导电基体， 将多芯超导带材的横截面分成3个区，l区为带材中超导芯的内层所在区域；2 区位于带材的边缘并靠近带材的高度面；3区为带材中超导芯的外层所在区域 且接近带材的宽度面，第l类单芯超导导线处于l区，第2类单芯超导导线处于 2区，第3类单芯超导导线处于3区，第一导电基体的强度小于或等于第三导电 基体的强度。
3、 根据权利要求2所述的多芯高温超导带材，其特征在于6根第2类单芯 超导导线分成2组，每组包括3根，对称地位于多芯中单芯排列的最外层，且 在带材的边缘靠近带材的高度面。
4、 根据权利要求2或3所述的多芯高温超导带材，其特征在于第3类单芯 超导导线置于多芯的最靠外的两层，占据除第2类单芯超导导线以外的位置。
5、 根据权利要求2所述的多芯高温超导带材，其特征在于所述的第三导 电基休的强度小于或等于第二导电基体的强度。
6、 根据权利要求2或5所述的多芯高温超导带材，其特征在于所述的不同 导电基体的强度差大于20MPa。
7、 根据权利要求2所述的多芯高温超导带材，其特征在于所述的第一导 电基体的厚度大于或等于第二和第三导电基体的厚度。
8、 根据权利要求2或7所述的多芯高温超导带材，其特征在于所述的第三 导电基体的厚度大于或等于第二导电基体的厚度。
9、 根据权利要求2、 7或8所述的多芯高温超导带材，其特征在于所述的不同导电基体的厚度差可大于l微米。
10、 根据权利要求2-9所述的多芯高温超导带材，其特征在于所述第一导 电基体材料为纯银，第二导电基体为银合金或内层为银、外层为银合金的复 合层，第三导电基体为纯银、银合金或内层为银、外层为银合金的复合层。
11、 一种制备权利要求1-IO任一项的多芯高温超导带材的方法，其特征在于包括如下步骤al)制备至少两类单芯超导导线，第l类单芯超导导线包含具有超导性能 的超导芯和包在其周围的第一导电基体，第2类单芯超导导线包含具有超导性 能的超导芯和包在其周围的第二导电基体，第一导电基体的强度小于第二导 电基体的强度；bl)将上述制得的单芯超导导线截成多段，然后将它们装入外套管中形 成多芯结构，使每段单芯超导导线之间沿着长度方向互相平行，在横截面上 分层密排，第l类单芯超导导线位于多芯的内层，将上述排列的多芯进行封管、 抽真空；cl)拔制上述制得的导线； dl)轧制上述制得的导线；和 el)热处理上述制得的导线。
12、 根据权利要求ll所述的多芯高温超导带材的制备方法，其特征在于 所述方法的el)步骤之后还包括轧制。
13、 根据权利要求11或12所述的多芯高温超导带材的制备方法，其特 征在于所述bl)中还包括将第2类单芯超导导线取6根分成2组，每组包括 3根，然后对称地置于多芯中单芯排列的最外层，并且在歩骤cl)的最后一 道拔制前利用显微硬度计区分出单芯最外层中第2类单芯超导导线位置，然 后利用异形模拔制，使第2类单芯超导导线处于多芯的边缘并靠近高度面。
全文摘要
本发明涉及一种多芯高温超导带材及其制备方法，包含至少两类单芯超导导线和包在它们周围的最外层金属基体材料，第1类单芯超导导线包含具有超导性能的超导芯和包在其周围的第一导电基体，第2类单芯超导导线包含具有超导性能的超导芯和包在其周围的第二导电基体，第一导电基体的强度小于第二导电基体的强度，单芯超导导线之间沿着长度方向互相平行，在横截面上分层密排，第1类单芯超导导线位于带材的内层，第2类单芯超导导线位于带材的外层，利用该方法制备的多芯高温超导带材中超导芯密度分布具有较高的均匀性，从而可有效地提高整个超导带材的电学性能。
文档编号H01B12/00GK101471158SQ200710304308
公开日2009年7月1日 申请日期2007年12月27日 优先权日2007年12月27日
发明者莉 刘 申请人:北京英纳超导技术有限公司