具有临界电流各向异性的带状超导体的制作方法

文档序号:6999510阅读:178来源:国知局
专利名称:具有临界电流各向异性的带状超导体的制作方法
技术领域
本发明涉及带状超导体,其包含-细长基板,尤其是金属带;以及-沉积在基板上的尤其是HTS型材料的连续超导层。
背景技术
这样的超导体可从A.Usoskin 等人所著的 IEEE Trans. On App. Supercond. 17 (2), 第 3235-3238 页(2007)中了解到。超导体可以没有欧姆损耗地传输电流。然而,实际上,超导体可能遭受其它类型的损耗。这些损耗会加热超导体,当达到临界温度T。时,这可能使超导体变成正常导电。即使超导体停留在超导上,这些损耗也增加了用于使超导体保持在T。以下的冷却成本(例如, 液氦或液氮的消耗)。因此,一般说来,优选的是损耗低的超导体。超导体中的损耗尤其可能由磁滞效应引起。当超导体经历磁场时,超导体挤出磁通线(“完全抗磁性”),其中在超导体中感应电流回路,生成相反磁场。当磁场发生变化时, 电流回路再次消失并耗散掉它们的能量,这加热超导体,并感应其它电流回路。由于许多原因,超导体可能经历交变(变化)磁场,例如,超导体可能工作在(例如,电动机中的)旋转磁体附近,或者超导体承载在超导体附近引起交变自场的交变电流 (ac电流)。为了降低超导体中由交变磁场引起的损耗(“ac损耗”),已经建议将超导体分解成细丝,有关内容请参看EP 2131407A1。这种手段很适合低温超导材料,其中可以容易地将细丝嵌入金属基体中。对于临界温度T。在30K以上的高温超导(HTQ材料,尤其是陶瓷超导材料,常见的是制备带状超导体(也叫做涂层导体),其中,通常通过MOCVD (金属有机化学气相沉积)、 MOD(金属有机沉积)、或PLD(脉冲激光沉积),使超导层沉积在细长的非超导基板(诸如几米长的不锈钢带)上。在这些过程中,在细长基板上制备分开的超导材料带是相当困难的。EP 0465326B1报告了沉积在SrTi03单晶基板上的外延YBCO膜,它在临界电流密度方面呈现磁场感应的各向异性。为了消除磁场感应的各向异性,提出了多层结构。

发明内容
本发明的目的是提供具有降低的ac损耗的带状超导体。依照本发明,这个目的通过如在开头介绍的带状超导体来实现,其特征在于,IcU/l/彡 1. 5,其中,I。11是连续超导层的与基板平行并与基板的细长方向平行的临界电流宽度密度,以及I/是连续超导层的与基板平行并与基板的细长方向垂直的临界电流宽度密度。 临界电流宽度密度在这里表示连续超导层的每单位宽度临界电流。后一个值也例行地用超导层的每厘米宽度临界电流来表达。
本发明人发现,呈现临界电流宽度密度各向异性的超导层与各向同性超导层相比,显示出不同的ac损耗行为。当超导层(膜)暴露于低交变磁场强度时,在各向异性和各向同性超导层两者中损耗都较低,在各向异性超导层中损耗稍高。在较大交变磁场强度的情况下,在各向异性和各向同性超导层两者中损耗都增大。然而,在各向异性超导层中,损耗的增大较不明显,使得各向异性超导层中的ac损耗显著低于相同尺寸的各向同性样本中的ac损耗。本发明人在许多次实验中获得降低到原来的1/2-1/3的损耗。因此,本发明建议在带状(带型)超导体的超导层中引入每厘米宽度临界电流的各向异性。一般说来,为了保持超导体的大电流承载能力,较大的每厘米宽度临界电流应该沿着细长基板方向,而较小临界电流应该跨过基板的宽度。实验发现降低强场下的各向异性超导层中的ac损耗的效果是完全重复的结果。 如果用多丝模型来描述超导体,则关于尤其是考虑到实质耦合损耗的许多理论方面,该结果是意想不到的。尽管如此,本发明人在下面提供了给定效果的可能解释之一。假设对于感应电流流动的不同方向,临界电流宽度密度的差异引起磁通蠕变耗散的差异。因此,由于出现在比I。小的电流上的起源于各向异性磁通蠕变的有限电阻率,存在不同能量耗散 (参看 EUNGUK LEE, AC LOSS INSUPERCON-DUCTING COMPOSITES :C0NTINU0US ANDDISCRETE MO-DELS FOR ROUND AND RECTANGULARCROSS SECTIONS,AND COMPARISONS TO EXPERIMENTS, Ohio州立大学,2004,第11页和第21页中的图1. 8)。由于所考虑类型的超导体中的较大 η值(30-50),在不同方向上,临界电流宽度密度的相当小(例如,2倍)差异可能引起连续超导层的“有效残余电阻”的大(比方说,10-100倍)差异。尤其是,因为环形电流的宽度密度更快地接近“纵向”电流的临界值,所以在与基板的细长方向垂直的方向上,残余电阻显著增大。结果,抑制了电流回路中的电流密度,并且降低了耗散能量的总效果。在宽度为2_4mm的单个直超导体带中,可以在自场中测量临界电流宽度密度。当测量跨过整个带宽度的I/时,以及优选地当测量跨过整个带宽度的至少五分之一的I/ 时,至少存在与I。11相比较小的I/。最优选的是,可以在带宽度的任意分数测量各向异性。依照本发明,可以建立超导层的厚度和/或跨过带宽度(“垂直方向”)的临界电流宽度密度I/的变化,尤其是周期性变化,以便总体获得连续超导层的每厘米宽度临界电流的各向异性。具有临界电流面内各向异性的超导层可以通过,例如,在沿着与基板的细长方向平行的优选方向抛光基板之后,将YBCO沉积在作为基板的不锈钢带上而被制造,详见下文。应该注意到,本邻域的专家可以找到制造具有每厘米宽度各向异性临界电流分布的超导层的其它方式。本发明尤其适用于要沉积在基板上的临界温度超过30K的高温超导材料。注意, 依照本发明,超导层通常几乎外延地、至少以高度织构在基板(通常是多晶或非晶)上生长,并且基板通常是柔性的。在本发明的带状超导体的有利实施例中,IcU/l/彡 3,优选的,IcJlA/彡 5,最优选的,I。U/I/彡8。对于这些更高度的各向异性,可以在磁场强度的更宽范围上实现ac损耗的降低。在一个特别优选的实施例中,超导层具有与最大厚度相比,30%或更小,优选的 15%或更小,最优选的5%或更小的最大厚度变化。在超导层均勻厚度的情况下,临界电流宽度密度的各向异性源自沿着两个正交的面内方向的临界电流密度的各向异性。在一个可替代实施例中,连续超导层呈现出与最大厚度相比,至少50 %,优选的至少80%,最优选的至少90%的与基板平行并与基板的细长方向垂直的厚度变化,尤其是周期性厚度变化。这样,具有同质特性的超导材料也可以导致临界电流宽度密度的所需各向异性。如果厚度变化是周期性的,则优选的是跨过带宽度的至少5个周期。连续超导层具有50 μ m或更小,优选的10 μ m或更小,最优选的2 μ m或更小的厚度的实施例是优选的。已经发现这些尺寸可用在实际中。此外,连续超导层具有如下尺寸的实施例是优选的-20cm或更大,优选的Im或更大,最优选的IOOm或更大的沿着基板细长方向的长度;以及-1. 5mm或更大,优选的4mm或更大,最优选的12mm或更大的与基板细长方向垂直的宽度。也已经发现这些尺寸可用在实际中。一般说来,依照本发明,基板具有至少5,优选的至少10,以及通常为100或更大的长宽比。超导体或基板通常分别被卷绕以便存储、传输和处理。在一个有利实施例中,存在安排在细长基板和连续超导层之间的至少一个缓冲层,尤其是其中,所述至少一个缓冲层包含优选的基于诸如氧化钇稳定氧化锆的氧化物或氮化物的介电或绝缘材料。缓冲层可以提高沉积的超导层的质量,尤其是增大基板细长方向上的每厘米宽度临界电流I。11。优选的缓冲材料是氧化钇稳定氧化锆、氧化镁、氧化铈、氧化铝、氮化钛、氧化钇或它们的组合物。缓冲层可以具有面内织构,例如,使用交变离子束沉积。连续超导层包含ReBa2Cu3CVx的实施例是优选的,Re是Y或稀土元素。X是从0. 05 变化到0. 8的氧指数校正因子。ReBCO材料呈现出特别高的临界温度T。,并且可以高质量沉积在钢带上。在另一个优选实施例中,超导体包含保护层和/或分流层。这防止了对超导层的损害和/或可以抑制热点的影响并且均衡超导层和基板之间的电位差。在一个有利实施例中,细长基板是非磁性不锈钢带,尤其是CrNi不锈钢带,并且尤其是具有0. 02mm和0. 24mm之间的厚度。不锈钢带价格便宜,并且为超导体提供了良好的柔性。此外,在本发明的范围内的是超导体,尤其是如上所述的本发明超导体的使用,其中,超导体包含沉积在基板上的尤其是HTS型材料的连续超导层,其中,在具有与基板垂直的分量的交变磁场B中使用所述超导体,其特征在于,连续超导层具有相对于与基板平行的两个正交方向的1. 5或更大,尤其是3或更大,更尤其是 5或更大,最尤其是8或更大的临界电流宽度密度各向异性。当使用带有在交变磁场中呈现临界电流宽度密度各向异性(即,每厘米宽度临界电流各向异性)的超导层的超导体(通常带状)时,可以定制,尤其是降低超导层内的ac损耗。优选的是,将超导体用在交变磁场B导致临界电流宽度密度接近临界值的状况下,该临界值与关于基板的正交面内方向之一有关,但与面外方向无关。各向异性被测量为关于基板为面内方向的两个正交方向的每厘米宽度临界电流的比值。交变磁场可以是外部磁场,或者是当传输ac电流通过超导体时出现的自场;典型交变频率是20Hz和更高。注意,交变磁场B的取向被认为离开超导体某个距离,因为超导层(在它变得对场通量“透明”之前)将偏转其表面上的磁场朝向相对于其表面的平行取向。上述使用的一种优选变体规定交变磁场B至少部分源自超导体所经受的ac电流。当超导体或它的超导层用于传输ac电流时,这样的自场实际上是不可避免的。本发明有助于降低由这种自场引起的ac损耗。在上述使用的一种优选变体中,至少在超导体周围的一些区域中,交变磁场包含与基板面垂直的主要分量。在这样的状况下,ac损耗可能特别高,因此,本发明可以展示其全部潜力。进一步优选的是一种使用变体,其中,在交变磁场B的影响下,各向异性程度与没有交变磁场B的影响时相比较大。在这种情况下,可以为较弱的交变磁场强度实现良好的损耗降低。此外优选的是将超导体用在如下设备中的使用变体-诸如电动机或发电机的旋转电机;-诸如线性电动机的电驱动器;-变压器;-电阻或电感超导故障限流器;-超导磁体;或-超导电缆。在这些应用中,ac损耗可能特别有关。进一步在本发明的范围内的是一种方法,用于在超导体,尤其是如上所述的本发明超导体中设计交变磁场B的AC损耗,其中,超导体包含沉积在基板上的尤其是HTS型材料的连续超导层,以及交变磁场B具有与基板垂直的分量,其特征在于,将连续超导层制备成具有相对于与基板平行的两个正交方向的临界电流宽度密度各向异性,使得在连续超导层中实现期望的ac损耗水平。该方法使用ac损耗对各向异性程度的相关性。注意,各向异性既可以用于增大损耗(在弱场强度下),也可以用于减小损耗(在强场强度下)。进一步的优点可以从如下的描述以及所附图中得出。上面和下面所述的特征可以单独地或以任何组合方式集体地依照本发明使用。所述的实施例不应该理解为穷举的,而是具有描述本发明的示范性特点。


本发明被显示在附图中。图1示意性地示出了用在交变磁场B中的本发明的带状超导体;图2示意性地示出了包括辅助层的本发明的带状超导体;图3例示了用于生产本发明的带状超导体的沿着优选方向的抛光过程;图4例示了各向同性抛光过程;图5示出了带状超导体的各向同性(现有技术)和各向异性(本发明)超导层中的ac损耗与以160Hz交变的外部磁场的强度之间的关系的图形;以及图6以示意性立体图示出了具有周期性厚度变化的本发明的带状超导体的另一个实施例。
具体实施例方式图1示意性地示出了本发明的带状超导体1,其包含基板2和沉积在基板2上的连续(不间断)超导层3。注意,图1不是成比例的(下面的图形也一样)。通常,整个超导体1的高度H是大约100-200 μ m,而超导层的高度HSL是大约2 μ m。基板2 (因此,也就是说在这里完全覆盖基板的超导层幻具有沿着在这里是从左到右的细长方向(也称为“平行”方向)的长度L、和与细长方向垂直(也称为“垂直”方向)的宽度(或带宽度)W。通常,长度L具有从几米到几十米的数量级,而带宽度W具有几厘米(通常不超过IOcm)的数量级。按照本发明,超导层3具有临界电流宽度密度(也叫做每单位宽度临界电流)的各向异性。为了确定这种各向异性,可以沿着两个条4和5来测量临界电流(S卩,样本宽度两端的电压降达到lmV/cm的电流;在液氮的沸点温度,即在T = 77K进行测量;这个温度低于临界温度T。,临界温度T。是90K),两个条4和5的每一个具有限定条宽SW,其中,条4 和5延伸越过沉积的超导层3的整个厚度(高度HSL)(并通常也延伸越过基板高度,但这与临界电流无关)。通常为了测量而截取条4和5。条5沿着基板2的细长方向延伸,而另一个条4垂直于所述细长方向延伸。测量的临界电流通过各自的条宽SW来标度,得到I。11和I/,其中,I。11和I/分别是连续超导层3的与基板2平行并与基板2的细长方向平行或与基板2的细长方向垂直的临界电流宽度密度,即,每厘米宽度临界电流。依照本发明,IcllA/彡1. 5,优选的,IcllA/彡3,更优选的,IcllA/彡5,和最优选的,I。1 '/Ic^so注意,条5无需沿着基板2的整个长度L延伸,以及条4也无需沿着连续超导层3的整个宽度W延伸(尽管在这里显示成这样)。但是,条4、5的长度以及条宽 SW必须足够大,使得条4、5能够反映出超导层3的平均性质。一般说来,20x3mm或更大的条尺寸就足够了。当然,也可以跨过超导层3的整个宽度W和/或整个长度L进行测量来确定Ic1和ι/。依照本发明,可以在交变磁场Β(在这里是外场)中使用超导体1。磁场B在这里与基板2垂直,并且周期性地(例如,以50-60ΗΖ)变更它的符号。相对于平行和垂直面内方向的每单位宽度临界电流的各向异性导致超导体1中的损耗与相同厚度的各向同性超导层相比被降低,参看图5。图2更详细地例示了本发明的典型超导体1 (如在图1中所介绍)。在基板2上,存在沉积在上面的缓冲层11(例如,氧化钇稳定氧化锆),缓冲层11 又被,例如,( 的帽层12所覆盖。在帽层12的上面,存在由,例如,YBCO制成的超导层3。 接着是通常由诸如金的贵金属制成的保护层13。最后,存在通常与基板2 (这里未详细示出)接触的Cu分流层14。图3例示了制备本发明的各向异性超导体,即HSC涂层导体的步骤。本发明人发现,沿着优选方向抛光钢基板导致如本发明所需的各向异性超导层。
作为基板2,使用厚度为ΙΟΟμπι的Nil8Crf4类型的不锈钢带。使用棉丝抛光工具31,通过尺寸为3 μ m、1 μ m和0. 5 μ m的Al2O3磨料的水性乳液,来抛光基板表面。抛光工具31只沿着一个方向,S卩,与基板2的细长方向平行地来回运动,参看箭头PD,将5-15N/cm2 的压强施加于基板表面。在每种磨料粒度上持续进行抛光,直到实现表面粗糙度的饱和,然后,将磨料从大尺寸改变成小尺寸。每次改变磨料时,用水彻底清洗和清洁基板2,并更新抛光工具。关于用于比较的各向同性超导体的制备,请参见图4,通过使抛光工具31的来回方向不断变化来抛光基板2,参看箭头CD ;其余的制备过程类似。在抛光了基板2之后,沉积缓冲层,即,1. 5 μ m厚的氧化钇稳定氧化锆(氧化钇占 6%,其余是氧化锆)的膜。该膜在ABAD (交变束辅助沉积)条件下生长成模板。实现FWHM =9.8° (对于两种超导体)的织构度。在缓冲层上,通过PLD (脉冲激光沉积)来沉积70nm厚的CeO2帽层。然后,经由 PLD来沉积厚度为2 μ m的TOCO超导层。在超导层的上面,通过热真空蒸发来沉积0. 3 μ m 厚度的金保护层。最后,通过电镀来沉积20 μ m厚度的Cu分流层。本发明人相信,优选抛光方向在基板表面上形成划痕,在所述划痕处,沉积的缓冲层更可能被局部错误取向,然后导致沉积在上面的较低临界电流密度(“较低质量”)的超导材料条;所述条被嵌入常规临界电流密度(“正常质量”)的超导材料中。划痕主要沿着基板的细长方向取向,因此低临界电流密度条也是如此。宏观上,这导致了与基板细长方向垂直的每厘米宽度临界电流减小,而与基板细长方向平行的每厘米宽度临界电流基本上保持不变。在图5中,作为以160Hz交变并垂直作用于带状超导体的外部磁场的强度的函数, 示出了不同制备的带状超导体的实验确定损耗。对于利用各向异性基板抛光的本发明的超导体,测出了大约7的IcJ1Ac/比值。对于利用各向同性抛光的超导体,观察到了大约1的
IcllA/比值。对于弱磁场强度,本发明的各向异性超导体的损耗稍高于各向同性超导体的损耗 (差异很小,在图5中看不出来)。对于损耗一般更严重的较强磁场,状况就不同了。这里在大约8 * KT3T以上,各向异性超导体的损耗(参见51)比各向同性超导体的损耗(参见 52)低大约一半。图6例示了具有沉积在基板2上的连续超导层3的周期性厚度变化的本发明的带状超导体1的另一个实施例。跨过超导体1的宽度W(即,沿着与基板2的细长方向垂直的方向),厚度在最大厚度Tmax与最小厚度Tmin之间变化,Tmin是Tmax的大约0. 4倍(即, 在这里,相对于最大厚度,厚度变化是60% )。I/受到最小厚度的区域的限制,而I。11也可以从最大厚度的区域中受益,导致本发明的各向异性。在进一步的应用中,可以以不同的非平面和非直线形式来配置超导体带。它可以具有螺旋线、环(尤其是短路环)、多层螺旋线圈、盘形线圈、螺线等的形式。
权利要求
1.一种带状超导体(1),包含:细长基板( ,尤其是金属带;以及沉积在基板( 上的尤其是HTS型材料的连续超导层(3),其特征在于,IcllAcZs 1.5,其中,I。11是连续超导层(3)的与基板(2)平行并与基板O)的细长方向平行的临界电流宽度密度,以及I/是连续超导层(3)的与基板(2)平行并与基板(2)的细长方向垂直的临界电流宽度密度。
2.按照权利要求1所述的带状超导体(1),其特征在于,IcllO 3,优选的,I。U/l/>5,最优选的,I。U/l/>8。
3.按照权利要求1或2所述的带状超导体(1),其特征在于,连续超导层(3)呈现出与最大厚度(Tmax)相比,30%或更小,优选的15%或更小,最优选的5%或更小的最大厚度变化。
4.按照权利要求1或2所述的带状超导体(1),其特征在于,连续超导层(3)呈现出与最大厚度(Tmax)相比,至少50%,优选的至少80%,最优选的至少90%的与基板(2)平行并与基板O)的细长方向垂直的厚度变化,尤其是周期性厚度变化。
5.按照前面权利要求的任何一项所述的带状超导体(1),其特征在于,连续超导层(3) 具有50 μ m或更小,优选的10 μ m或更小,最优选的2 μ m或更小的厚度。
6.按照前面权利要求的任何一项所述的带状超导体(1),其特征在于,连续超导层(3) 具有20cm或更大,优选的Im或更大,最优选的IOOn或更大的沿着基板( 的细长方向的长度(L);以及1.5mm或更大,优选的4mm或更大,最优选的12mm或更大的与基板(2)的细长方向垂直的宽度(W)。
7.按照前面权利要求的任何一项所述的带状超导体(1),其特征在于,存在安排在细长基板( 和连续超导层C3)之间的至少一个缓冲层(11),尤其是,其中,所述至少一个缓冲层(11)包含优选的基于诸如氧化钇稳定氧化锆的氧化物或氮化物的介电或绝缘材料。
8.按照前面权利要求的任何一项所述的带状超导体(1),其特征在于,所述连续超导层( 包含ReBa2Cu3CVx,其中彻是Y或稀土元素。
9.按照前面权利要求的任何一项所述的带状超导体(1),其特征在于,所述超导体(1) 包含保护层(13)和/或分流层(14)。
10.按照前面权利要求的任何一项所述的带状超导体(1),其特征在于,所述细长基板 (2)是非磁性不锈钢带,尤其是CrNi不锈钢带,以及尤其是具有0. 02mm和0. 24mm之间的厚度。
11.超导体(1),尤其是按照权利要求1至10之一所述的超导体(1)的使用,其中,所述超导体(1)包含沉积在基板( 上的尤其是HTS型材料的连续超导层(3), 其中,在具有与基板( 垂直的分量的交变磁场B中使用所述超导体(1), 其特征在于,相对于与基板( 平行的两个正交方向,所述连续超导层C3)具有1. 5或更大,尤其是 3或更大,更尤其是5或更大,最尤其是8或更大的临界电流宽度密度各向异性。
12.按照权利要求11所述的使用,其特征在于,所述交变磁场B至少部分源自超导体(1)所经受的ac电流。
13.按照权利要求11或12所述的使用,其特征在于,至少在超导体(1)周围的一些区域中,交变磁场B包含与基板( 垂直的主要分量。
14.按照权利要求11、12或13所述的使用,其特征在于,在交变磁场B的影响下,各向异性的程度与没有交变磁场B的影响时相比较大。
15.按照权利要求11至14的任何一项所述的使用,其中,超导体(1)用在下列设备中 -诸如电动机或发电机的旋转电机;-诸如线性电动机的电驱动器; -变压器;-电阻或电感超导故障限流器; -超导磁体;或 _超导电缆^
16.一种用于设计超导体(1),尤其是按照权利要求1至10之一所述的超导体(1)中的交变磁场B的AC损耗的方法,其中,所述超导体(1)包含沉积在基板( 上的尤其是HTS型材料的连续超导层(3), 以及所述交变磁场B具有与基板( 垂直的分量, 其特征在于,将连续超导层C3)制备成具有相对于与基板( 平行的两个正交方向的临界电流宽度密度各向异性,使得在连续超导层(3)中实现期望水平的AC损耗。
全文摘要
公开了一种具有临界电流各向异性的带状超导体,该带状超导体(1)包含细长基板(2),尤其是金属带;以及沉积在基板(2)上的尤其是HTS型材料的连续超导层(3),其特征在于,Ic||/Ic⊥≥1.5,其中,Ic||是连续超导层(3)的与基板(2)平行并与基板(2)的细长方向平行的临界电流宽度密度,以及Ic⊥是连续超导层(3)的与基板(2)平行并与基板(2)的细长方向垂直的临界电流宽度密度。本发明提供了ac损耗降低了的带状超导体。
文档编号H01B13/00GK102254619SQ20111010263
公开日2011年11月23日 申请日期2011年4月25日 优先权日2010年4月26日
发明者A·乌苏斯金, K·施伦格 申请人:布鲁克Hts有限公司
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