用于高温超导体层合导线的双面接合的制作方法

专利名称：用于高温超导体层合导线的双面接合的制作方法
技术领域：
本申请涉及高温超导体领域。
背景技术：
高温超导体(HTS)材料提供在极低损失情况下载运极大量电流的手段。HTS材料 在冷却至临界温度以下时，对于直流电流流动失去全部电阻，对于交流电流流动失去几乎 全部电阻。使用这类材料的HTS导线(措辞“导线”在本文中是指各种导体，包括带状导 体)的开发有望产生新一代的高效、紧凑且环境友好的电力设备，其具有彻底改革电网、运 输、材料加工等工业的潜力。但是，商业上可行的产品具有严苛的工程要求，这使得商业应 用中的技术实施复杂化。在目前开发中的第二代HTS导线(涂层导体)技术中，HTS材料通常为多晶的稀 土 /碱土 /铜的氧化物，例如钇_钡_铜氧化物(YBCO)。HTS材料的载流能力与其晶体排 列或织构密切相关。由相邻结晶超导体晶粒的错位所形成的晶界已知形成超导电流流动的 障碍，但是该障碍随着排列或织构程度的提高而下降。因此，为将材料制成商业上可行的产 品，例如HTS导线，超导材料必须在较长距离内保持高度的晶体排列或织构。否则，超导电 流载运能力(临界电流密度)将受到限制。在图1中示出典型的第二代HTS导线100的示意图。该导线包括衬底110、缓冲层 120 (其可包括多个缓冲层)、超导体层130，和间隙或罩层140，并且如下所述进行制造。应 当注意的是，在该图和所有随后的图中，尺寸均非按比例绘制的。通过在柔性带形衬底110 和缓冲层120上外延生长材料薄层130可以将超导体材料制成在大面积内具有高度晶体学 排列或织构，带形衬底110和缓冲层120制成为最上层的表面在其表面上具有高度的晶体 学织构。当结晶超导体材料在该表面上外延生长时，其晶体排列匹配衬底的织构而生长。换 言之，衬底织构为结晶超导体材料的外延生长提供模板。此外，衬底为超导体层提供结构完 整性。可以使衬底110和/或缓冲层120织构化以提供模板，该模板产生具有优异超导 性质例如高临界电流密度的外延超导体层130。在衬底中，尤其可以使用诸如镍、铜、银、铁、 银合金、镍合金、铁合金、不锈钢合金和铜合金的材料。可以使用变形方法(例如包括轧制 衬底和使衬底重结晶退火的方法)来织构化衬底110。这样的方法的实例为轧制辅助的双 轴织构化衬底(RABiTS)方法。在该情况下，大量金属可以通过变形加工和退火经济地进行 加工并可获得高度织构。在具有其上生长超导体层130的合适结晶学模板的衬底110的表面上可以沉积或生长一个或多个缓冲层120。缓冲层120也可以提供防止来自衬底110的原子扩散进入超 导体材料130的晶格中或者防止氧扩散进入衬底材料中的额外益处。这种扩散或“中毒” 可以扰乱晶体排列，从而劣化超导体材料的电性能。缓冲层120也可以增强衬底110和超 导体层130之间的粘合。而且，缓冲层120可以具有良好匹配于超导体材料的热膨胀系数。 对于其中导线可能承受应力的商业应用技术实施而言，希望具有该特征，这是因为其可有 助于防止超导体层与衬底分层。或者，可以使用非织构化衬底110例如HASTELL0Y,由Haynes International, Inc. (Kokomo,In)制造的耐蚀合金，以及通过诸如离子束辅助沉积(IBAD)或倾斜衬底沉积 (ISD)的方法沉积的织构化缓冲层120。附加的缓冲层120可以任选地外延沉积在IBAD或 ISD层上以提供用于HTS层130外延沉积的最终模板。通过使用衬底110和一个或多个缓冲层120的适当组合作为模板，可以使超导体 层130外延生长为具有优异的晶体排列或织构，还具有对于模板表面的良好粘合性，以及 具有对来自衬底的原子毒害的充分屏障。超导体层130可以通过多种方法中的任一种进行 沉积，所述方法包括金属有机沉积(MOD)法、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、脉冲激光沉 积(PLD)、热蒸发或电子束蒸发或其它适当方法。最后，可以在多层组合件上添加罩层140， 其有助于防止超导体层受到上方的污染。罩层140可以是例如银或银-金合金，并且可以 通过例如溅射法沉积到超导体层130上。在层合之后进行纵切的情况下，罩层也可以包括 附加的层合金属“稳定”层，例如铜或不锈钢层，其例如通过焊接与罩层结合形成间隔层。示例性的如此制造的多层HTS导线100包括含5%钨合金的镍的双轴织构衬底 110 ；顺序沉积的Y2O3、钇稳定的氧化锆(“YSZ”)和CeO2的外延缓冲层120 ；YBCO的外延层 130 ；和Ag的间隔层140。这些层的示例性厚度为衬底为约25 75微米、缓冲层每层为 约75nm、YBCO层为约1微米以及间隔层为约1 3微米。因此，使用诸如上述技术已制造 出长达IOOm的HTS导线100。在使用过程中，期望HTS导线能够承受弯曲应变。弯曲导致在弯曲处的外凸表面 上的拉伸应变和在弯曲处的内凹表面上的压缩应变，由此使得HTS层经受取决于导线弯曲 方向的拉伸或压缩应变。尽管适量的压缩应变的确能够提高HTS层的载流能力，但一般而 言整个组合件经受应力(尤其是重复应力)会使导线存在机械受损的风险。例如，裂缝可 在HTS层中形成并传播，使其机械和电性能劣化，或者不同的层会彼此分层或与衬底分层。降低HTS层中应力的方法在例如美国专利6，745，059和美国专利6，828，507中有 所披露。例如，可选择与衬底具有类似厚度和机械特征的铜条，将其接合到插入物的上表面 上。这将HTS层大致包夹在整个结构的中间，因此如果组合件弯曲，则HTS层既不在弯曲处 的外表面，也不在弯曲处的内表面。也可以将两个这种组合件在它们各自的铜条处接合在 一起形成单一的HTS导线组合件。在这种情况下，两个衬底朝外，并且铜条在组合件的中 间。在这种情况下，第二组合件的加入提供额外的载流能力；然而，与HTS层的电接触需要 将导线劈开，或者部分移除接触部分中的插入物之一。涂层导体HTS导线的另一个问题在于导线在使用时的环境污染。环境暴露可以 使HTS层的电性能缓慢劣化。此外，在与导线接触的低温液体例如液氮的存在下，液体可 以扩散进导线内的孔中，并在升温时会形成可损害导线的“气球”。希望密封导线以防止 HTS层的环境暴露或者液体冷却剂渗入导线中。对HTS组合件的密封描述于例如美国专利6，444，917 中。近年来涂层导体方法在建立加强带的大长度制造方面取得很大进展。然而，如果 能够经由机械稳健且符合严密几何公差的低电阻接头将这些带制成任意所需长度，则将大 大提高它们的实用性。HTS导线必须在现场相互连接并且连接至终端和引线。同样，可采用工厂接合来提 高产率和导线质量，从而降低导线价格并且使得能够运输长度超过固有制造限度的导线。 这些接合必须符合与导线类似的要求。早期的接合是搭接接头。搭接接头是将两片材料通过使它们重叠来进行连接的方 法。因而，在HTS导线的情况下，可以通过使导线端部在设定距离内重叠，而后将导线焊接 在一起来连接两个HTS导线。搭接接头方法产生为原导线厚度的约2. 0到2. 2倍的接合处。尽管搭接方法对于第一代导线或带是可行的，但是绝缘层位于YBCO膜和衬底之 间的第二代带需要使用面对面的带条或在各端具有搭接接头的导电桥以保持所接合的母 线的原取向并且使接合电阻最小化。共同未决的美国申请序列号No. 11/880, 586中更详 细地公开了导电桥接，其公开内容通过引用全文并入。但是，导电桥结构具有简单搭接接头 的两倍长度，这是因为基本上必须制造两个搭接接头，例如带条的每一端有1个接头，使得 接合电阻加倍，并且在导线中每次接合引入两个凸块。当使用第一代导线时，如果导电桥的 材料与母线相同，则接合处通常为母线厚度的2. 0到2. 2倍。接合处的厚度和机械性质应 当与母线相似，这对布缆是较好的，因为较硬的厚区域在布缆中需要更大的张力，提高了弯 曲时接合处裂开的可能性，并且长度尽可能地小以使电缆节距的局部偏差最小化。为了使 电缆中的导线充分稳定，对较厚层合带的需求加剧了这些问题。因此，存在对物理和机械上 近乎对称的(双面的)、机械上稳健又紧凑的接头的需求，该接头对于每次接合仅需一个接 头，同时仍保留各个接合导线的机械和电性能。

发明内容
鉴于这些考虑因素，一个或多个实施方案涉及一种接合技术，其速度是用于制造 双搭接导电桥接合的技术的两倍，提供在其轴周围具有对称的机械响应并且改善接合稳健 性、同时降低接合劲度的导线。本文描述了用于厚超导体导线的两面、低成本、低电阻、机械稳健、薄且几何形状 均勻的接头。本文公开的实施方案涉及一种用于HTS层合导线的双面接头，其中该双面接头包 括第一层合HTS导线，其具有横跨第一层合导线的宽度的锥形端，并且包括第一层合层、 覆盖第一层合层的衬底层、覆盖衬底层的缓冲层、覆盖缓冲层的超导体层、覆盖超导体层的 间隔层和覆盖间隔层的第二层合层；第二层合HTS导线，其具有横跨第二层合导线的宽度 的锥形端，并且包括第一层合层、覆盖第一层合层的衬底层、覆盖衬底层的缓冲层、覆盖缓 冲层的超导体层、覆盖缓冲层的间隔层和覆盖间隔层的第二层合层，其中第一层合HTS导 线的锥形端与第二层合HTS导线的锥形端相邻且匹配；第一 HTS带条，其与第一层合HTS导 线的第二层合层和第二层合HTS导线的第二层合层电连通；以及背衬带条，其与第一层合 HTS导线的第一层合层和第二层合HTS导线的第一层合层邻近。第一 HTS带条可以包括间隔层、覆盖间隔层的超导体层、覆盖超导体层的缓冲层和覆盖缓冲层的衬底层，其中间隔层与第一层合HTS导线的第二层合层和第二层合HTS导 线的第二层合层相邻且电连通。另外，第一 HTS带条可以包括覆盖衬底层的层合层和/或 介于导电间隔层和第一与第二 HTS导线之间的第二层合层。所述背衬带条可以选择为在第一 HTS带条的厚度的约50% 约150%或者约 90% 约105%内，和/或可以包括含有铝、锌、铜、银、镍、铁、铬、铅、银或钼的合金或金属。 第二 HTS带条可以包括衬底层、覆盖衬底层的缓冲层、覆盖缓冲层的超导体层和覆盖超导 体层的间隔层，其中间隔层与第一层合HTS导线的第一层合层和第二层合HTS导线的第一 层合层相邻且电连通。第二 HTS带条还可以包括邻近衬底层的层合层和/或介于导电间隔 层和第一与第二 HTS导线之间的第二层合层。另外，背衬带条可以选择为使得对背衬带条 施加0. 5%拉伸应变的第一载荷在对第一 HTS带条施加0. 5%拉伸应变所需的第二载荷的 30% 150%范围内。此外，背衬带条和第一 HTS带条可以选择为使得对背衬带条和第一 HTS带条的组合施加0. 5%拉伸应变所需的第一载荷小于对第一层合导线或第二层合HTS 导线施加0. 5%应变所需的第二载荷。在一个或多个实施方案中，电连通可以包括熔融温度在240°C以下的金属或合金， 并且所述金属或合金可以具有50 μ Ω 以下的环境温度电阻率。此外，该金属或合金可 含有Pb、Sn、Ag、Cu或In中任意一种。在一个或多个实施方案中，第一层合HTS导线和第二层合HTS导线各自还包括介 于第一层合层和衬底层之间的非层合HTS导线，其中非层合HTS导线包括覆盖第一层合层 的第二间隔层、覆盖该间隔层的第二 HTS膜层、覆盖第二 HTS膜层的第二缓冲层以及覆盖第 二缓冲层的第二衬底层，其中非层合HTS导线的间隔层与第一层合层电连通。另外，第二 HTS带条可以与第一层合层电连通。在一些实施方案中，第一层合HTS导线和第二层合HTS导线各自的厚度大于或等 于约250微米，或者大于或等于约300微米。此外，第一 HTS带条的厚度可以小于约250微 米或为约50微米 约200微米。在一些实施方案中，第一 HTS带条可以比背衬带条的长度 长约2% 约70%和/或比背衬带条的长度长约20% 约50%。在一些实施方案中，各个锥形第一端相对于厚层合导线的角度为约3度 约50 度。此外，锥形端的长度可以为约0.4cm 约10cm。HTS带条的长度可为约2cm 26cm或 者约5cm 26cm。背衬带条的长度可为约6cm 约16cm或约1. 5cm 25cm。在一个或多个实施方案中，各个层合导线的层合体可以选自黄铜、不锈钢、铜或含 有锌、铅、银、锡、镍、铁和铝的合金的材料。在一个或多个实施方案中，在77K到293K的温度范围内通过接头的电阻可以小于 3. 0μ Ω。在一个或多个实施方案中，双面接头弯曲至IOcm以下的直径不会在接头中产生 物理扭折，临界电流不会下降超过15%，接头电阻不会增加超过5%。此外，将双面接头螺 旋卷绕到成形体上，其中所述成形体的直径为5cm以下，第一和第二厚层合导线中的轴向 张力为约Ikg 5kg并且螺距为至少65mm，使得双面接头和成形体之间的间隙小于1. 5mm。在一个或多个实施方案中，用于HTS层合导线的双面接头包括第一层合HTS导 线，其具有横跨第一层合HTS导线的宽度的锥形第一端，并且包括第一层合层、覆盖第一层 合层的衬底层、覆盖衬底层的HTS膜层以及覆盖HTS膜层的第二层合层；第二层合HTS导线，其具有横跨第二层合HTS导线的宽度的锥形第一端，并且包括第一层合层、覆盖第一层 合层的衬底层、覆盖衬底层的HTS膜层以及覆盖HTS膜层的第二层合层，其中第一层合HTS 导线的锥形第一端与第二层合HTS导线的成角锥形端相邻且匹配；上载体，其与第一层合 HTS导线的第二层合层和第二层合HTS导线的第二层合层电连通；以及下载体，其与第一层 合HTS导线的第一层合层和第二层合HTS导线的第一层合层邻近，其中所述接头的材料和 尺寸选择为提供用于第一层合HTS导线和第二层合HTS导线中的HTS膜的中性轴。在一个或多个实施方案中，用于HTS层合导线的双面接头包括第一层合HTS导 线，其具有锥形第一端并且包括第一层合层、覆盖第一层合层的衬底层、覆盖衬底层的HTS 膜层以及覆盖HTS膜层的第二层合层；第二层合HTS导线，其具有锥形第一端并且包括第 一层合层、覆盖第一层合层的衬底层、覆盖衬底层的HTS膜层以及覆盖HTS膜层的第二层合 层，其中第一层合HTS导线的锥形第一端与第二层合HTS导线的锥形端相邻且匹配；第一 HTS带条，其与第一层合HTS导线的第二层合层和第二层合HTS导线的第二层合层电连通； 以及背衬带条，其与第一层合HTS导线的第一层合层和第二层合HTS导线的第一层合层邻 近，其中所述接头的材料和尺寸选择为提供跨接头的机械应力的连续性。另一方面涉及一种超导电缆，其包括具有5cm以下直径的成形体和多个HTS导线， 其中至少一个导线具有一个或更多个根据本文公开的实施方案的双面接头以及在各个双 面接头和成形体之间的一个或更多个间隙，其中所述间隙小于1. 5mm。超导电缆可具有螺旋 卷绕成形体的多个导线，其中轴向张力为约0. Ikg到约7kg、优选约5kg，并且螺距为65mm 以上。另一方面涉及一种卷绕导线的方法，包括接合一个或更多个HTS导线以形成一个 或更多个根据本文公开的实施方案的双面接头，将一个或更多个HTS导线以螺旋样式缠绕 在成形体上并且在双面接头和成形体之间形成间隙，其中所述间隙小于约1. 5mm。在该方法 的一个或多个实施方案中，将多个导线螺旋卷绕在成形体上，其中轴向张力为约0. Ikg 约7kg并且螺距为65mm以上。措词“HTS导线”或“HTS带”旨在表示用于载流的多层结构。所述导线或带可以 基本上密封或与环境隔离。HTS导线或带通常包括衬底、一个或多个缓冲层、超导体层、间隔 层以及任选地可认为是间隔层的一部分的稳定层。通常在该HTS导线或带中，超导体层可 通过缓冲层(多层)与金属衬底隔离。然而，如果使用导电缓冲层，则超导体层可以与金属 衬底电连接。或者，导电间隔层可以与超导体层和衬底二者接触，并提供这二者之间的电接 触。措词“HTS膜”旨在表示不涉及机械载体或密封的HTS导线或带的层。通常，HTS 膜包括一个或多个缓冲层、超导体层和间隔层。措词“密封的”旨在表示基本上被包围且基本上与环境隔离。措词“密封的”可以 包括，但无需包括，在正常环境下对于气体或液体渗透的基本不渗透性。电缆线的典型操作压力为至多约20bar，但是导线在高达30bar的测试下通常是 可靠的。措词“Ic”是指超导导线的临界电流。临界电流是超导体可以容纳的最大电流。如 果超导体中的电流超过了临界电流，则超导导线丧失其超导性。术语“锥形端”是指沿着超导导线的宽度的锥形，其中沿着该锥形，导线的宽度变化而导线的厚度保持恒定。“扭折”是指导线中直径小于3cm的局部弯曲。


在附图中图1是典型的HTS导线的截面图。图2是根据本发明的一个或多个实施方案的具有锥形端的层合HTS导线的透视侧 视图。图3是根据本发明的一个或多个实施方案的通过顶带条和底带条接合至第二层 合HTS导线的第一层合HTS导线的截面图。图4是根据本发明的一个或多个实施方案的通过第一 HTS带条和底带条接合至第 二层合HTS导线的第一层合HTS导线的的截面图。图5是根据本发明的一个或多个实施方案的通过第一 HTS带条和第二 HTS带条接 合至第二层合HTS导线的第一层合HTS导线的的截面图。图6是根据本发明的一个或多个实施方案的4层层合HTS导线的截面侧视图。图7是用于制造两根HTS导线并且将它们用根据本发明的一个或多个实施方案的 双面接头接合在一起的方法的流程图。图8(a)是描述根据本发明的一个或多个实施方案，在LN2 PT中的Ic保持以及对 于HTS导线的布缆循环测试的图。图8(b)是描述根据本发明的一个或多个实施方案，通过LN2 PT的归一化接合电 阻以及对于HTS导线的布缆循环的图。图9 (a)是根据本发明的一个或多个实施方案，对于0. 4mm厚黄铜层合的电缆线接 头的相对于成形体直径的保持Ic的图，其中初始平均Ic为77. 2A。图9 (b)是根据本发明的一个或多个实施方案，对于0. 4mm厚黄铜层合的电缆线 的相对于成形体直径的最终和初始接合电阻之比的图，其中初始平均接合电阻在77K下为 0. 39 μ Ω。发明详述层合高温超导体(HTS)导线在接头处接合在一起以形成任意长的导线。各个HTS 导线具有与另一 HTS导线相匹配的锥形边缘。顶带条和底带条提供机械稳定性，因此接头 可以被折曲或弯曲，而不会破坏导线之间的电连接并且不会损害导线的HTS层。顶带条或 底带条之一或二者具有HTS带条。此外，本文公开的实施方案降低了用于超导电线的电缆 或线圈绕组的张力、降低了对线圈和电缆的凸块影响、保留了通过接头的HTS导线取向并 且提供通过接头的缓和的机械响应(降低扭折和电流劣化的可能性)。在几何和材料选择 方面的灵活性提供对于不同导线和应用的优化版本。图2说明具有锥形端250的层合HTS导线200。层合HTS导线200包括第一层合 层210、衬底层220、缓冲层225、超导体层230、间隔层235和第二层合层240。层合导线200 包括与第二层合HTS导线(未示出)的互补锥形端配对的锥形端250。本文使用的术语“互 补的”或“配对的”旨在表示两个导线的锥形端类似但方向相反，因而当将锥形端彼此相向 放置时，两个锥形形成尺寸(例如，宽度、厚度)与HTS导线基本类似的接头区域。第一层合层210和第二层合层240可以是黄铜、不锈钢、铜或含有锌、铅、锡、镍、铁或铝的合金，并 且可以为导线提供加强作用。缓冲层225和间隔层235基本上与参照图1所讨论的缓冲层 120和间隔层140相类似。衬底层220类似于图1所示且在上文讨论的HTS导线中的衬底 层110，并且可以是例如具有5%钨合金的镍的双轴织构衬底。HTS膜层包括顺序沉积的缓 冲层225，例如Y203、YSZ和CeO2的外延沉积层；HTS氧化物层230，例如YBCO的外延层(超 导体层230)；和间隔层235，例如如图1所示的Ag和焊料，如上所述。电流由超导体层230 所载运。锥形端250可以具有多种角度，从3度到50度，优选角度为约5 约10度。锥形 端250的长度(取决于锥角和导线厚度)可以为约0. 4cm 约10cm，优选约Icm 约5cm。 第二 HTS导线(未示出)可具有互补的锥形端以与该HTS导线200的锥形端250配对。锥 形端250的使用减小了接头的轮廓。因为导线的两个部分配对而不是相互叠置，因此导线 的轮廓并没有在接合位点处加倍。相反，甚至在使用两个支撑带条时，导线在接合位点处的 厚度轮廓也小于原导线的厚度轮廓的2倍，优选不超过厚度的1. 6倍。层合HTS导线200可以是厚的层合HTS导线，具有由层合体的增加厚度所引起的 附加厚度。厚的层合HTS导线是厚度为至少250微米、优选大于300微米，例如360微米 440微米或550微米 650微米的导线。薄的层合HTS是厚度小于250微米、优选约50微 米 约200微米的导线。可以使用厚的层合导线，例如作为限流导线。厚的层合导线优选用 于⑴提高电和热稳定性，⑵降低由于较大热容所致的在错误电流的情形中的温升，⑶ 提高对于导致弯折的轴向压缩应变的耐受性，(4)提高轴向拉伸载荷的耐受性和应力耐受 性，以及(5)提高对于冲击或表面接触劣化的耐受性。较厚的层合材料提供具有提高稳健性的HTS导线，这对于其中导线在合股以及使 用中经受复杂扭转、弯曲和轴向应力以及应变的多次循环的布缆应用是重要的。层合体的 附加覆盖层的应用适用于压缩应变，这可以使导线局部变形以贴合包裹其的圆柱形电缆成 形体表面上的任何不规则之处。较厚的带还表现出对于轴向压缩应力/应变条件(这是弯曲电缆内侧上的典型条 件)下的弯折大得多的耐受性。然而，随着导线和接头厚度增加，它们的弯曲劲度按厚度的 立方增加，迅速使得较厚的导线和接头难以布缆，除非层合体的韧度可以降低到退火状态。另外，厚的层合电缆更加稳健以允许成缆的HTS导线在使用过程中被弯曲和拖拉 多次时能够经受应力和应变，而性能基本上不下降。除了卷绕之外，当弯曲和拖拉HTS导线 时，弯曲电缆的外侧和内侧上的导线部分经受轴向拉伸和压缩应变。另外，一旦形成电缆， 则电缆可以在高达约20atm的压力下用液氮冷却，使HTS导线暴露于低温和高压下。如果 电缆在冷却后加热，则液氮气化，不再能够冷却电缆和相关的HTS导线。因而，HTS导线在 典型的电缆寿命过程中，即在冷却和加热阶段过程中可以经历多次热和压力循环。对于限流的电缆应用，层合带也起到散热片的作用，因此较厚材料的成比例的较 高热容同样在故障期间使导线中的温升降低，从而改善导线的限流特性并且降低由故障引 起的温升所导致的液氮沸腾的可能性。图3说明第一锥形端的层合HTS导线200，其接合至第二锥形端的层合HTS导线 300 (其具有第一层合层310、衬底层320、缓冲层325、超导体层330、间隔层335和第二层 合层340，类似于第一层合HTS导线200)。第二层合HTS导线300的锥形端具有尖端350，接合接头具有从第二层合HTS导线300的尖端350延伸至第一层合HTS导线200的尖端 365 (以虚线示出)的长度360。接头长度360通常为约Icm 约6cm。两根导线可以通过顶带条370和底带条380 (在本文中也称为“背衬带条”)保持 在一起。使用具有锥形端和顶带条以及底带条的层合HTS导线产生的接头的厚度可小于单 根导线厚度的2倍，优选为单个导线厚度的1. 6倍以下。顶带条370可以与第一层合HTS 导线200和第二层合HTS导线300的第二层合层电连通。底带条380可以与第一层合HTS 导线200和第二层合HTS导线300的第一层合层210、310电连通。可以使用焊料层372作 为电连通或电连接。焊料也可以用于连接两个HTS导线的锥形面。接头还包括在顶带条和 底带条末端的低电阻焊料的边封372。顶带条和底带条370、380中的每一个都可以由导电 金属例如铝、黄铜、铜、银、镍、铁、不锈钢、铝合金、铜合金、银合金、镍合金、铁合金或其混合 物构成。此外，顶带条和底带条370、380中的每一个都可以是HTS导线带条，如以下详细讨 论的那样。在操作中，电流从第一超导体层230通过间隔层235流到第一层合HTS导线200 的层合层240中，通过焊料374，流入顶带条370中，然后通过焊料374，流回到第二层合HTS 导线300的层合层340中，并且通过间隔层335，流回到第二超导体层330中。另外，某些电 流可以从第一层合HTS导线的超导体层230直接流到第二层合导线的超导体层330中。相 反，衬底层220和320以及缓冲层225、235具有较高的电阻，甚至可能是绝缘的，因此与导 线的衬底侧210、310接触的底带条380将会是令人不能满意地抵抗性的，并且电流不会通 过缓冲层225和衬底层220从超导层230流到第二导线300的底接头380。这种低轮廓的双面接头特别可用于不对称的HTS导线，其中导线的一侧比另一侧 具有低得多的电阻。连接两根这样的具有如图3所示的顶带条370的导线，使得电流通过 两根导线200、300的各自的低电阻侧和顶带条370流动，以及维持导线的整个对称性，使得 衬底220、320将通常保持在接头两侧上的导线的相同侧上。相反，两根导线之间的简单搭 接会导致衬底在接头任一侧上的导线的相对侧上，两根导线之间的对接将显示出高电阻系 数以及低机械稳定性。顶带条和底带条的另一方面在于所述接头具有结构对称性。在层合HTS导线之上 和之下的接头的对称性，改善了卷绕和布缆操作并且提高接头的强度和稳定性。顶带条370 和底带条380可具有相同长度或不同长度。通常，顶带条370和底带条380的长度为约1. 5 英寸 约30英寸。顶带条370可比底带条380更长。例如，顶带条的长度可以比底带条的 长度长约2% 约70%，优选比底带条的长度长约20% 约50%。例如，顶带条370可以 为约6cm 约24cm，而底带条380可以为约6cm 约16cm。示例性的长度组合在下表1以 及下表2和下表3中
表1:示例性的顶带条和底带条长度
权利要求
1.一种用于HTS层合导线的双面接头，其包括第一层合HTS导线，其具有横跨所述第一层合导线的宽度的锥形端，并且包括第一层 合层、覆盖所述第一层合层的衬底层、覆盖所述衬底层的缓冲层、覆盖所述缓冲层的超导体 层、覆盖所述缓冲层的间隔层以及覆盖所述间隔层的第二层合层；第二层合HTS导线，其具有横跨所述第二层合导线的宽度的锥形端，并且包括第一层 合层、覆盖所述第一层合层的衬底层、覆盖所述衬底层的缓冲层、覆盖所述缓冲层的超导体 层、覆盖所述超导体层的间隔层以及覆盖所述间隔层的第二层合层，其中所述第一层合HTS 导线的锥形端与所述第二层合HTS导线的锥形端相邻且匹配；第一 HTS带条，其与所述第一层合HTS导线的第二层合层和所述第二层合HTS导线的 第二层合层电连通；以及背衬带条，其与所述第一层合HTS导线的第一层合层和所述第二层合HTS导线的第一 层合层邻近。
2.权利要求1的双面接头，其中所述第一HTS带条包括间隔层、覆盖所述间隔层的超导 体层、覆盖所述超导体层的缓冲层和覆盖所述缓冲层的衬底层，其中所述间隔层与所述第 一层合HTS导线的第二层合层和所述第二层合HTS导线的第二层合层相邻且电连通。
3.权利要求2的双面接头，其中所述第一HTS带条还包括覆盖所述衬底层的层合层。3.权利要求3的双面接头，其中所述第一HTS带条还包括介于导电间隔层和第一与第 二 HTS导线之间的第二层合层。
4.权利要求1的双面接头，其中所述背衬带条选择为在所述第一HTS带条的厚度的约 50% 约150%内。
5.权利要求1的双面接头，其中所述第一HTS带条和所述背衬带条选择为在所述第一 层合HTS导线和所述第二层合HTS导线的各自宽度的约90 % 约105 %内。
6.权利要求1的双面接头，其中所述背衬带条选择为使得对所述背衬带条施加0.5% 拉伸应变的第一载荷处于对所述第一 HTS带条施加0. 5%拉伸应变所需的第二载荷的 30% 150%范围内。
7.权利要求1的双面接头，其中所述背衬带条和所述第一HTS带条选择为使得对所述 背衬带条和所述第一 HTS带条的组合施加0. 5%拉伸应变所需的第一载荷小于对所述第一 层合导线或第二层合HTS导线施加0. 5%应变所需的第二载荷。
8.权利要求1的双面接头，其中所述电连通包括熔融温度在240°C以下的金属或合金。
9.权利要求1的双面接头，其中所述电连通包括环境温度电阻率在50μΩ 以下的 金属或合金。
10.权利要求1的双面接头，其中所述电连通为包括Pb、Sn、Ag、Cu或In中任意一种的合金或金属。
11.权利要求1的双面接头，其中所述背衬带条包括第二HTS带条。
12.权利要求12的双面接头，其中所述第二HTS带条包括衬底层、覆盖所述衬底层的缓 冲层、覆盖所述缓冲层的超导体层和覆盖所述超导体层的间隔层，其中所述间隔层与所述 第一层合HTS导线的第一层合层和所述第二层合HTS导线的第一层合层相邻且电连通。
13.权利要求13的双面接头，其中所述第二HTS带条还包括邻近所述衬底层的层合层。
14.权利要求14的双面接头，其中所述第二HTS带条还包括介于导电间隔层和第一与第二 HTS导线之间的第二层合层。
15.权利要求12的双面接头，其中所述第一层合HTS导线和所述第二层合HTS导线各 自还包括介于所述第一层合层和所述衬底层之间的非层合HTS导线，其中所述非层合HTS 导线包括覆盖所述第一层合层的第二间隔层、覆盖所述间隔层的第二 HTS膜层、覆盖所述 第二 HTS膜层的第二缓冲层以及覆盖所述第二缓冲层的第二衬底层，其中所述非层合HTS 导线的间隔层与所述第一层合层电连通。
16.权利要求16的双面接头，其中所述第二HTS带条与所述第一层合层电连通。
17.权利要求1的双面接头，其中所述背衬带条包括含有铝、锌、铜、银、镍、铁、铬、铅、 银或钼的合金或金属。
18.权利要求1的双面接头，其中所述第一层合HTS导线和所述第二层合HTS导线各自 具有大于或等于约250微米的厚度。
19.权利要求1的双面接头，其中所述第一层合HTS导线和所述第二层合HTS导线各自 具有大于或等于约300微米的厚度。
20.权利要求1的双面接头，其中所述第一HTS带条的厚度小于约250微米。
21.权利要求1的双面接头，其中所述第一HTS带条的厚度为约50微米 约200微米。
22.权利要求1的双面接头，其中所述第一HTS带条的长度比所述背衬带条的长度长约 2% 约70%。
23.权利要求1的双面接头，其中所述第一HTS带条的长度比所述背衬带条的长度长约 20% 约 50%。
24.权利要求1的双面接头，其中各个所述锥形的第一端相对于厚层合导线的角度为 约3度 约50度。
25.权利要求1的双面接头，其中各个所述锥形端的长度为约0.4cm 约10cm。
26.权利要求1的双面接头，其中所述HTS带条的长度为约2cm 26cm。
27.权利要求1的双面接头，其中所述HTS带条的长度为约5cm 26cm。
28.权利要求1的双面接头，其中所述背衬带条的长度为约6cm 约16cm。
29.权利要求1的双面接头，其中所述背衬带条的长度为约1.5cm 25cm。
30.权利要求1的双面接头，其中各个所述层合导线的层合体选自黄铜、不锈钢、铜或 含有锌、铅、银、锡、镍、铁和铝的合金的材料。
31.权利要求1的双面接头，其中在77K到293K的温度范围内通过所述接头的电阻小 于 3· 0μ Ω。
32.权利要求1的双面接头，其中所述双面接头弯曲至IOcm以下的直径不会在所述接 头中产生物理扭折。
33.权利要求1的双面接头，其中所述双面接头弯曲至IOcm以下的直径不会使临界电 流下降超过15%。
34.权利要求1的双面接头，其中所述双面接头弯曲至IOcm以下的直径不会使接头电 阻增加超过5%。
35.权利要求1的双面接头，其中将所述双面接头螺旋卷绕在成形体上，其中所述成形 体的直径为5cm以下，第一和第二厚层合导线中的轴向张力为约0. Ikg 7kg并且螺距为 至少65mm，使得所述双面接头和所述成形体之间的间隙小于1. 5mm。
36.一种用于HTS层合导线的双面接头，其包括第一层合HTS导线，其具有横跨所述第一层合HTS导线的宽度的锥形第一端，并且包括 第一层合层、覆盖所述第一层合层的衬底层、覆盖所述衬底层的HTS膜层以及覆盖所述HTS 膜层的第二层合层；第二层合HTS导线，其具有横跨所述第二层合HTS导线的宽度的锥形第一端，并且包括 第一层合层、覆盖所述第一层合层的衬底层、覆盖所述衬底层的HTS膜层以及覆盖所述HTS 膜层的第二层合层，其中所述第一层合HTS导线的锥形第一端与所述第二层合HTS导线的 成角锥形端相邻且匹配；上载体，其与所述第一层合HTS导线的第二层合层和所述第二层合HTS导线的第二层 合层电连通；以及下载体，其与所述第一层合HTS导线的第一层合层和所述第二层合HTS导线的第一层 合层邻近，其中所述接头的材料和尺寸选择为提供用于所述第一层合HTS导线和所述第二层合 HTS导线中的所述HTS膜的中性轴。
37.一种用于HTS层合导线的双面接头，其包括第一层合HTS导线，其具有锥形第一端，并且包括第一层合层、覆盖所述第一层合层的 衬底层、覆盖所述衬底层的HTS膜层以及覆盖所述HTS膜层的第二层合层；第二层合HTS导线，其具有锥形第一端，并且包括第一层合层、覆盖所述第一层合层的 衬底层、覆盖所述衬底层的HTS膜层以及覆盖所述HTS膜层的第二层合层，其中所述第一层 合HTS导线的锥形第一端与所述第二层合HTS导线的锥形端相邻且匹配；第一 HTS带条，其与所述第一层合HTS导线的第二层合层和所述第二层合HTS导线的 第二层合层电连通；以及背衬带条，其与所述第一层合HTS导线的第一层合层和所述第二层合HTS导线的第一 层合层邻近，其中所述接头的材料和尺寸选择为提供跨接头的机械应力的连续性。
38.一种超导电缆，其包括 成形体；和多个HTS导线，其中至少一个导线具有一个或更多个双面接头以及在各个所述双面接 头和所述成形体之间的一个或更多个间隙， 其中所述一个或更多个双面接头包括第一层合HTS导线，其具有横跨所述第一层合HTS导线的宽度的锥形第一端，并且包括 第一层合层、覆盖所述第一层合层的衬底层、覆盖所述衬底层的HTS膜层以及覆盖所述HTS 膜层的第二层合层；第二层合HTS导线，其具有横跨所述第二层合HTS导线的宽度的锥形第一端，并且包括 第一层合层、覆盖所述第一层合层的衬底层、覆盖所述衬底层的HTS膜层以及覆盖所述HTS 膜层的第二层合层，其中所述第一层合HTS导线的锥形第一端与所述第二层合HTS导线的 成角锥形端相邻且匹配；上载体，其与所述第一层合HTS导线的第二层合层和所述第二层合HTS导线的第二层 合层电连通；以及下载体，其与所述第一层合HTS导线的第一层合层和所述第二层合HTS导线的第一层 合层邻近。
39.权利要求39的超导电缆，其中所述成形体的直径为5cm以下。
40.权利要求39的超导电缆，其中所述间隙小于1.5mm。
41.权利要求39的超导电缆，其中将所述多个导线螺旋卷绕在所述成形体上，其中轴 向张力为约Ikg 约5kg并且螺距为65mm以上。
42.一种卷绕超导导线的方法，包括接合一个或更多个HTS导线以形成一个或更多个双面接头；将所述一个或更多个HTS导线以螺旋样式缠绕成形体；以及在所述双面接头和所述成形体之间形成间隙，其中所述一个或更多个双面接头包括第一层合HTS导线，其具有横跨所述第一层合HTS导线的宽度的锥形第一端，并且包括 第一层合层、覆盖所述第一层合层的衬底层、覆盖所述衬底层的HTS膜层以及覆盖所述HTS 膜层的第二层合层；第二层合HTS导线，其具有横跨所述第二层合HTS导线的宽度的锥形第一端，并且包括 第一层合层、覆盖所述第一层合层的衬底层、覆盖所述衬底层的HTS膜层以及覆盖所述HTS 膜层的第二层合层，其中所述第一层合HTS导线的锥形第一端与所述第二层合HTS导线的 成角锥形端相邻且匹配；上载体，其与所述第一层合HTS导线的第二层合层和所述第二层合HTS导线的第二层 合层电连通；以及下载体，其与所述第一层合HTS导线的第一层合层和所述第二层合HTS导线的第一层 合层邻近。
43.权利要求43的卷绕超导导线的方法，其中将所述多个导线螺旋卷绕在所述成形体 上，其中轴向张力为约Ikg 约5kg并且螺距为65mm以上。
44.权利要求43的卷绕超导导线的方法，其中所述间隙小于约1.5mm。
全文摘要
本文公开了一种用于在保持导线的机械完整性的同时将两个层合导线接合在一起的双面接头。该双面接头可以接合具有锥形端的两个层合HTS导线，包括底带条和顶带条。在一个方面，层合接合的超导体导线包括超导体接头，所述超导体接头包括第一和第二超导体导线，每个导线包括层合层、覆盖层合层的衬底层、覆盖衬底层的缓冲层、覆盖缓冲层的超导体层、覆盖超导体层的间隔层和覆盖间隔层的层合层；与第一层合导线的第二层合层和第二层合导线的第二层合层电连接的第一HTS带条；以及邻近第一层合层的背衬带条。
文档编号H01B17/50GK102105947SQ200980128997
公开日2011年6月22日 申请日期2009年7月22日 优先权日2008年7月23日
发明者亚历山大·欧托, 亨利·C·瓦尔库尔, 彼得·D·安塔亚, 约翰·P·沃乔 申请人:美国超导体公司