专利名称：具有降低的ac损耗的多细丝超导体及其形成方法
技术领域：
本公开总的来说涉及高温超导体(HTS)，更具体来说涉及多细丝AC耐受性超导体及其形成方法。
背景技术：
高温超导体(HTS)有效传输、产生、转变、使用和储存电能的潜力是公认的。特别是，更有效的电力系统依赖于更有效的导线技术。过去的进展允许将易碎的HTS材料成形为长度以千米计的导线，其能够传输与相同物理尺寸的常规铜和铝导体相比约200倍的电流。HTS材料的最新研究为这样的材料在电力工业中经济上可行的应用，包括应用于电力产生、传输、分配和储存，提供了可能性。HTS装置在电力工业中的使用将导致与传统技术相t匕，电力设备的尺寸(即占地面积)显著减小，对环境的影响减少，更高的安全性和增加的容量。以前已探索了两代HTS导线材料。第一代(在后文中称为“1G”)HTS导线包括使用通常包埋在贵金属(例如Ag)基质中的BSCCO高T。超导体。非限制性地，1G导线由热-机械方法制造，其中将超导粉末装填在银坯条中，将其拉制、滚轧并热处理以形成导线。1G导线的缺点是高的材料成本(例如Ag)、精细的加工操作以及在高温下在高磁场中一般不良的临界电流性能，所述缺点限制了导线的长度。第二代(在后文中称为“2G”)HTS导线加工包括在镍合金导带上膜沉积多层堆叠体。为了获得高的临界电流即超导体的最大电流，将超导膜在氧化物缓冲层上以类似单晶的形式外延生长，所述缓冲层甚至当沉积在多晶金属基片上时也提供类似单晶的模板。在某些情况下，2G HTS导带利用YBCO涂布的导体。最近，HTS工业的焦点是增加电流运载能力、导线生产通量和降低制造成本。目的是制造可用于电力工业以建造用于电网的器件例如传输电缆和变压器的商业上可行的高性能HTS导线。最新的原型器已证实了 HTS导线在电力应用中的极大潜力，但是也显示出对它们的广泛实施造成威胁的缺陷。尽管超导体对DC电流具有零电阻，但涂层导体的体系结构尚未被优化用于AC应用，例如发动机、发电机和变压器。超导体中的滞后损耗是AC损耗中的主要组分，并且随着细丝的宽度成反比放大。具体来说，HTS导线的宽度厚度比高，这导致HTS涂布的导体表现出非常高的滞后损耗。损耗的量值也随着AC电场振幅和频率而变，因此在不同应用中不同。在60Hz下100mT的垂直电场中，典型的具有铜稳定剂的2G HTS导线中的AC损耗在10km上可以高达100kW。HTS导线中滞后损耗的显著降低，是它们在AC电力应用例如变压器、发电机和发动机中使用的先决条件。在实践中，AC损耗引起制冷负荷增加并对电力系统施加了风险。为了减少这些风险，必须使用较高冷却能力或过多的冷却设备，这极大增加了系统总成本并明显阻碍了这种不成熟技术的采用。由于这些原因，开发商业上可行的高性能AC耐受性HTS导线将是改变性解决方案，其将开辟超导产品在电力系统中的应用。已知如果将超导层分成由非超导性阻抗隔板隔开的许多细丝状超导结构，可以降低滞后损耗。因此，为了将AC滞后损耗降至最低，理想的是将导带的运载电流的HTS层细分成细长的直线条带或细丝，从而形成多细丝导体。尽管已显示这些多细丝导体极大降低滞后损耗，但在这些HTS导线完全商业化之前仍存在大量工程和制造挑战，因为将多细丝2G HTS导线规模放大到工业化制造充满大量障碍。制造低AC损耗2G HTS导线的方法是通过首先沉积超导层，然后蚀刻所述超导层(通过物理或化学技术)以产生条纹或连续细丝，从而将超导和绝缘材料细分成多个细丝。蚀刻剂的使用不可避免地引起超导材料的损伤，例如边缘起伏、淘蚀和细丝断裂。当细丝之间的间隙狭窄时，细丝损伤变得更加显著。更具体来说，细丝损伤极大降低了 HTS导线运载电流的能力。此外，如果对蚀刻方法进行改良以避免细丝损伤，可能在细丝之间留下桥接或其他不完全的隔离，引起细丝耦合并使AC损耗降低无效。事实上，在蚀刻后残留在间隙中的任何超导体残留物都可能引起细丝耦合。如果将间隙加宽以避开这些问题，将会移除更多超导材料，其极大降低导线的电流运载能力。即使在短长度例如米级长度下，这些多细丝2G HTS导线也含有本文所述的缺陷。因此，生产千米级长度、具有从一端到另一端延伸的连续超导平行线细丝的2G HTS导线，为在电力系统中大规模使用HTS导线提出了技术障碍。同样，尚不存在通过无蚀刻方法生产多细丝HTS层以制造AC耐受性HTS导线的商业上可行的方法。已经提出了一`些无蚀刻技术，例如在超导体生长之前在基片上产生划痕(美国专利申请公开号2007/0191202，授予Foltyn等)，或超导细丝的喷墨印 |jlJ (R. C. Duckworth, Μ. P. Paranthaman, M. S. Bhuiyan, F. A. List 和 M. J. Gouge, IEEETrans. App1. Supercond. 17，3159 (2007)),或超导材料的滴加沉积(美国专利申请公开号2006/0040829,授予Rupich等)。然而,这些技术导致细丝的无意稱合，引起不佳且不一致的AC损耗降低，并且产生的导带甚至不能在米级长度中使用，更不用说千米级。这突出说明，对于生产多细丝HTS导线来说，除了提供高度精确性和控制之外，任何无蚀刻技术必须与当前制造HTS导体的技术相容，并且控制HTS导带中的通量和电流分布也是必不可少的。
发明内容
根据本公开的第一方面，提供了一种高温超导体结构，其包含其上沉积有至少一个缓冲层的基片，所述基片具有一定长度和宽度，其中所述长度为至少约100m，并且基片具有不小于约IO3的尺寸比；所述至少一个缓冲层上的超导体层，所述超导体层包含超导体材料，其形成至少两个基本上平行并沿着所述基片的长度连续延伸的超导体细丝；其中所述至少两个超导体细丝由具有彼此相对的第一表面和第二表面的至少一个绝缘条带隔开，所述第一表面覆盖所述缓冲层，所述第二表面基本上不含所述超导体材料；其中所述至少一个绝缘条带沿着所述基片的长度连续延伸，并包含电阻率高于约ImQcm的绝缘材料。根据本公开的另一方面，提供了一种用于生产高温超导体结构的方法，所述方法包括下列步骤提供包含基片和至少一个缓冲层的缓冲后基片；在所述缓冲后基片上沉积至少一个绝缘条带，其沿着所述缓冲后基片的长度连续延伸并包含电阻率高于约ImQcm的绝缘材料，使得所述至少一个绝缘条带具有彼此相对的第一表面和第二表面，并且所述第一表面与所述缓冲后基片相邻；以及将超导材料沉积在所述缓冲后基片上，以形成包含至少两个超导体细丝的超导层，所述超导体细丝沿着所述基片的长度连续延伸，由至少一个绝缘条带彼此隔开并且是基本上平行的，其中所述绝缘条带的所述第二表面基本上不含所述超导体材料。
通过参考附图可以更好地理解本公开。图1示出了本公开的示例性多细丝HTS结构。图2示出了本公开的示例性实施方案的横截面图。图3示出了符合本公开的示例性实施方案的包含交替的超导细丝和绝缘条带的超导体结构的透视图。图4A-E是示意图，其显示了根据本公开的一个实施方案，制造多细丝HTS结构的无蚀刻方法的步骤。图5示出了步骤流程图，其包含了本文中所述的用于本公开的一个实施方案的制造方法。图6A-B示出了根据本公开的一个实施方案，在整个绝缘条带和相邻超导材料上，涂层材料的差异沉积的照片。图7A-B示出了用于测试绝缘条带对垂直通过它的电流的阻抗的本公开的一个实施方案，以及由此产生的阻抗数据。图8A-B显示了根据本公开的一个实施方案，绝缘材料的微观结构影响银覆盖层的电沉积。图9A-B显示了本公开范围之外的材料以及根据本公开的一个实施方案，绝缘材料的微观结构如何影响银覆盖层的电沉积。图10显示了根据本公开的一个实施方案，由金属基片上的绝缘条带和涂布后材料构成的导带的横截面。在附图的多个部分、不同附图或不同实施方案中，相同参考符号的使用可以指示与本文中所述相似或一致的项目。参考附图，总的来说应该理解，图示不是按比例绘制的，并且是出于描述本公开的特定实施方案的目的，而不打算将本公开的范围仅限于此。
具体实施例方式概述本公开取消了已被普遍用于制造多细丝2G HTS导线的细丝蚀刻方法。更具体来说，本公开涉及多细丝HTS涂层导体及其无蚀刻制造方法。根据本公开的一个实施方案，多细丝AC耐受性超导体的无蚀刻制造包括在沉积超导材料之前，沉积至少一个绝缘细丝。根据本公开的另一个实施方案，多细丝AC耐受性超导体的无蚀刻制造包括在沉积至少一个绝缘细丝之前沉积超导材料，并随后进行热处理。多细丝HTS :图1示出了符合本公开的示例性实施方案的多细丝HTS结构。图1中示出的实施方案显示了包含与绝缘条带20交替的超导细丝91的HTS导体200。在图1中所示的示例性实施方案中，超导细丝91和绝缘条带20被显示为沿着“导线”或“导带”平行于电流流动方向300延伸。不受任何特定理论的限制，示例性的HTS导体200可能在HTS “导线或导带”中用于增加电流运载能力和降低AC阻抗性损耗。当在本文中使用时，术语“导线”和“导带”可互换使用，是指具有使其可用于生产超导器件的属性的HTS导体，所述器件例如电缆、变压器、发电机或电网，或将电力从一个位置运送到另一个位置并将电力配送或以其他方式投送到大量位置或装置的其他手段。例如，导带或导线的宽度一般可能在约O. Olcm至约20cm、可选地O.1cm至约15cm的量级上，并且在某些情况下，导带或导线的宽度可以在约O. 4cm至约IOcm之间，导带的长度典型为至少约100m、更典型约500m，但是甚至可能具有约Ikm以上量级的长度。术语“带”或“带状”是指具有不小于约IO2量级上的高尺寸比、例如长度宽度比的制品，可选地，尺寸比不小于约103。可选地，尺寸比高于约104，并且在其他情况下，导带或导线制品具有约IO5以上的尺寸比。当在本文中使用时，术语“尺寸比”用于表示制品的最长维度与制品的第二长维度的比率，例如长度宽度比。此外，制品可以具有厚度，宽度厚度比可以在不小于约10、可选地不小于约IO2的量级上，此外所述比率还可以高于约103，并且在某些情况下，导带或导线制品具有约IO5以上的宽度厚度比。不受理论的限制，当在本文中使用时，具有大尺寸比(例如高于IO2)和大的宽度厚度比(例如高于约10)的制品可以被认为是“带”或“带状的”。图2是根据本公开的实施方案，具有多层组成的HTS导体200的横截面图。图2中还显示了位于超导层90之间，覆盖基片60的表面61的绝缘条带20。根据本公开，HTS导体200总的来说包括基片60、覆盖基片60的表面61的至少一个缓冲层50、覆盖至少一个缓冲层50的表面51的超导层90。超导体层90具有沉积在其上的第一稳定剂层或覆盖层70。根据本公开的另一种示例情况，可以包含第二稳定剂层80以覆盖超导体层90，特别是覆盖和接触覆盖层70。在某些情况下，第二稳定剂层80与覆盖层70直接接触。如图3中所示，根据本公开`，HTS导体200还包括至少一个绝缘条带20，并且可选地，HTS导体200包含多个绝缘条带20。绝缘条带20可以是细丝状结构或任何其他结构，其沿着HTS导体200的长度连续延伸，正如前面讨论过的。绝缘条带20基本上彼此平行并基本上平行于HTS导体200内的电流流动方向300排列。至少一个绝缘条带20优选沿着HTS导体200的整个长度延伸。例如，绝缘条带20的长度可以为至少约100m，可选地为约500m，并且在某些情况下，绝缘条带20可以具有约Ikm以上的长度。不受任何理论的限制，可以理解绝缘条带20将对应于接近HTS导体200的长度。在可选实施方案中，绝缘条带20短于导体200的长度。绝缘条带20的宽度典型地在约I微米至约250微米范围内；可选地，绝缘条带的宽度在约10微米至约200微米之间，并且在某些情况下在约15微米至约100微米之间。此外，在某些情况下，对绝缘条带20的宽度进行选择以优化临界电流密度并在同时将AC损耗降至最低。如图1-3中所示，在示例性实施方案中，将绝缘条带20沉积在至少一个缓冲层50的表面51上。在某些情况下，绝缘条带20将超导层90分成多个超导细丝91，从而形成超导细丝阵列。超导细丝91包含超导材料，并且与绝缘条带20类似，超导细丝91沿着HTS导体200的长度基本上平行地连续延伸。不受限制地，正如普通专业技术人员可以理解的，对细丝91的宽度进行选择以优化临界电流密度并在同时将AC损耗降至最低。绝缘条带20显示出显著降低的超导性或没有超导性以便隔离超导细丝91并因此降低AC损耗。在某些情况下，绝缘条带20防止超导体细丝91的电耦合。至少一个绝缘条带20包含绝缘材料，其对电流表现出高电阻率以维持非耦合的超导细丝。适合的绝缘材料的实例包括但不限于基于镁、锌、铁、钥的材料。在本公开的示例性实施方案中，绝缘材料具有高于约I毫欧厘米(πιΩ-cm)的电阻率。此外，正如普通专业技术人员所理解的，任何适合于应用的电阻率都在本公开的范围内，对此没有限制。在某些情况下，绝缘条带20的绝缘材料可以是在经历超导体膜涂层处理时不形成超导材料的氧化物。在非限制性实例中，绝缘材料可以包含氧化陶瓷例如氧化镁或另一种适合于应用的氧化物。在其他实施方案中，绝缘材料可以是非陶瓷材料，其不具有超导性，是不良导体，并且在经历超导体膜涂层处理时不形成超导材料。在本公开的实施方案中，HTS导体200具有某些性能参数。在示例性实施方案中，HTS导体在77开氏度(K)下在至少10米的长度上包含至少200A/cm的临界电流。此外，HTS导体200在77K下、在垂直于所述导体200的表面施加的IOOmT和60Hz频率的AC磁场中显示出小于约lW/m的实测AC损耗。图4A-4E是示意图，显示了用于制造本公开的多细丝AC耐受性导体的连续步骤。材料和用于沉积它们的方法的非限制性实例在下文中陈述。参考图4A，HTS导体200如下制造首先将缓冲剂50沉积在基片60上以形成缓冲后基片100。尽管这个预备步骤在本文中详细描述，但是它不打算是限制性的，并且应该理解，可以使用本技术领域中或普通专业技术人员公知的生产缓冲后基片100的任何方法。此外，本公开不限于本文所述的缓冲后基片100的特定实施方案。基片60为HTS导体200提供支撑。基片60可以是金属、多晶陶瓷、合金或其改良形式，或其组合。在示例性实施方案中，基片60是金属，并且在某些情况下，基片60是至少两种金属元素的合金，例如但不限于Ni基金属合金。正如普通专业技术人员可以认识到的，基片材料可以随着超导制品的目标用途而变，并且对于本公开来说不是关键的。基片60可以使用任何适合的平移方法、例如但不限于卷到卷平移(reel-to-reeltranslation)来制造。正如上文中公开的，基片60的厚度随着应用而变。然而，基片60典型地采取带状构造，具有高尺寸比。可以对基片60进行处理以便具有用于随后沉积HTS导带的组成层的所需表面性质。例如，可以将表面`轻微抛光至所需的平整度和表面粗糙度。此外，可以将基片处理成双轴织构的。用于形成双轴织构基片的一种示例性方法是RABiTS方法或轧制辅助双轴织构基片，正如普通专业技术人员所理解的。将缓冲层50沉积在基片60的表面61上。缓冲层50可以是单层，或者可选地补充有至少一个其他膜。在某些情况下，缓冲层50包括适合于后续HTS层的形成的任何双轴织构膜。在某些情况下，缓冲层50支撑HTS层以具有为优越的超导性质所需的晶体学取向。这样的双轴织构可以通过离子束辅助沉积(IBAD)来实现，正如本技术领域中所了解的并在美国专利号6，190, 752中所定义和描述的，所述专利在此为所有目的引为参考。不受任何理论的限制，MgO是用于形成IBAD膜的材料。在某些实施方案中，包含例如但不限于IBAD膜的缓冲层50，可以在约50埃至约500埃的量级上，可选地为约50埃至200埃，并且在其他情况下为约50埃至约100埃。尽管没有具体示出，但缓冲层50还可以包括其他膜以将基片60与外延膜隔离开，或降低HTS层与外延膜之间晶格常数的不匹配。在某些情况下，如果基片60包含双轴织构表面，缓冲层50可以在织构的基片60上外延生长，以便保护缓冲层50中的双轴织构，对此没有限制。参考图4B，将绝缘条带20沉积在缓冲后基片100的表面上。根据本公开，绝缘条带20可以通过通过化学或物理沉积技术经由掩模110沉积在静止或移动的缓冲后基片100上，或通过印刷技术例如喷墨印刷、丝网印刷等来沉积。不受理论的限制，绝缘条带20可以是上文中所述的任何绝缘条带，并可以通过专业人员已知的任何方法来形成。在本 公开的示例性实施方案中，用于绝缘体条带沉积的一种方法包括使用掩模110。为了在缓冲后基片100的表面上沉积至少一个绝缘条带20，当缓冲后基片100在掩模110下方移动时通过掩模110的开口沉积绝缘材料。优选情况下，掩模110不与缓冲后基片100的表面相接触，而是与所述表面紧邻。利用例如磁控溅射作为沉积技术将绝缘材料通过掩模110沉积在沉积区中。使用这种技术，可以在低于约I毫托的操作压力下沉积绝缘材料。不受任何理论的限制，可以使用可能的最低操作压力以便为绝缘条带20提供精确锋利的边缘。绝缘条带通过掩模110的沉积也可以使用普通专业技术人员已知的其他沉积方法来进行，对此没有限制。也可以使用下述技术，即在绝缘材料沉积之前将掩模110物理附着于缓冲后基片100的表面，随后在绝缘条带20已沉积后进行将掩模110从表面升起的步骤。此外，在某些情况下，绝缘条带20 —般具有约O. 5至约30微米、更典型约2至约20微米、优选约I至约10微米范围内的厚度，正如前文中所公开的。因此可以理解，图4C显示了在移除掩模110后带有绝缘条带20的缓冲后基片100。接下来，如图4D中所示，将材料沉积到缓冲后基片100上以形成超导体层90。根据本公开，当沉积超导层90时，材料仅涂层在缓冲后基片100的表面51暴露的表面上。涂层绝缘条带20的材料具有高电阻率，并且不具有超导性质。基片表面51上只有绝缘条带20之间的材料是超导的，由此引起HTS导体200的受控细丝化以产生超导细丝，并且在随后的图4E中被显示为91。将超导材料沉积在表面51上绝缘条带20之间，阻止了超导细丝91的电耦合。在本公开中，为了获得本发明的多细丝超导体200的益处，非耦合或电不连通的超导细丝91是优选的。本公开的方法可以使用任何已知的HTS材料来实践。尽管对于本公开的实践来说不是关键的，但超导层90 —般具有约I至约30微米、最典型约2至约20微米、优选约2至约10微米范围内的厚度，以便获得所需的额定电流。超导层90可以选自在高于液氮的温度77K时表现出超导性质的任何高温超导材料，并且优选为氧化物超导体。一类材料包括REBa2Cu307_x及相关化合物，其中RE是稀土元素例如Y。这样的材料也可以包括例如Bi2Sr2Ca2Cu3Oloty, Ti2Ba2Ca2Cu3O斷和 HgBa2Ca2Cu308+yO 在上述材料中，YBa2Cu3O7^x, 一般也被称为YBC0，可用于某些情形中。此外，超导层90的沉积使用普通专业技术人员已知的任何适合于应用的沉积方法来进行，例如厚膜和薄膜成形技术二者都可以使用，对此没有限制。不受任何理论的限制，超导体材料优选被连续涂布在缓冲后基片100的表面51而不是绝缘体条带20上，这种制造技术提供了某些优点并易于放大至长的长度。也就是说，由于超导体材料不作为连续膜涂层绝缘体条带20，因此正如本文中讨论的，不是必需如以前的制造方法中所发现的那样引入抛光/蚀刻步骤，以从绝缘体条带20的表面移除超导材料。如果需要这样做而没有做，将引起超导细丝91的耦合，从而不能实现如本文中所公开的产生多细丝HTS导体200的益处。
如图4E中所示，可以利用本技术领域中已知的电沉积技术，在超导细丝91的表面上沉积第一稳定剂层或覆盖层70，然后电沉积第二稳定剂层80。覆盖层70和第二稳定剂层80的施用一般是出于电稳定的目的。更具体来说，覆盖层70和第二稳定剂层80两者在冷却故障或超过临界电流以及超导细丝91从超导状态转移出来而变得有阻抗的情况下，帮助电荷沿着HTS导体200连续流动。根据本公开，超导细丝91的电阻率在数量级上低于绝缘条带20的电阻率。因此，带有交替的超导体细丝和绝缘条带的HTS导带200的体系结构，提供了优先仅在超导体细丝91上电沉积覆盖层70和稳定剂层80。因此，本公开避免了超导体细丝的任何耦合，并保留了细丝化的较低AC损耗的优点。正如可以理解的，贵金属可用于覆盖层70以防止稳定剂层80与HTS层91之间的不想要的相互作用。典型的贵金属包括但不限于金、银、钼、钯及其组合。在某些情况下，可以使用银以降低成本并提高总体可获得性。出于成本原因，覆盖层70优选薄，但是厚得足以防止组分从稳定剂层80不想要地扩散到HTS层91中。覆盖层70的典型厚度在约O.1微米至约100微米的范围内，在某些情况下在约O.1微米至约10微米范围内，在某些情况下在约1. 5微米至约3. O微米范围内，对此没有限制。再次参考图4E，可以沉积第二稳定剂层80。第二稳定剂层80优选为铜，并起到厚稳定剂的作用。根据本公开，可以使用电化学沉积技术例如电镀，用适合的稳定剂完全涂布并包封导体200，以在覆盖层 70的暴露区域上形成第二稳定剂层80。为了在稳定剂层中提供足够的电流运载能力，典型情况下第二稳定剂层80具有约I至约1，000微米范围内，最典型在约10至约400微米、约10至约200微米范围内的厚度。特定实施方案具有约20微米至约50微米范围内的标称厚度，对此没有限制。根据实施方案的具体特征，在此引为参考的美国公开号2006/0079403 (系列号11/130，349)中定义和描述的电镀技术，可用于形成稳定剂层80。按照这种技术，由于覆盖层70是导电的，因此可以以高沉积速率、典型地以每分钟约I微米或更高的速率执行电镀，以在超导导带上快速建立起厚的稳定剂层80。更具体来说，覆盖层70起到籽晶层的作用，用于铜或其他金属在其上沉积。尽管前面一般涉及铜，但应该提到，其他金属包括铝、银、金和其他导热导电金属也可以用作第二稳定剂以形成稳定剂层80。然而，一般希望利用非贵金属，以便降低形成超导导带的材料总成本。尽管本文所公开的特定实例涉及标准的电镀技术，但对可以利用的电化学沉积方法没有特别限制。根据本公开，稳定剂层80可以覆盖基片的两个相对主表面之一、两个主表面，或者可以完全包封基片、缓冲层和超导体层。然而，由于绝缘条带20的高电阻率，因此它不用稳定剂层涂布。通过留下绝缘条带20不涂布，防止了超导细丝的耦合。如上所述，以高得率制造结实且长度可以放长的多细丝2G HTS导线的完全无蚀刻方法是可能的。根据本公开的特定实施方案，HTS导带200包含400 μ m宽的超导细丝91和100 μ m宽的绝缘体条带20。在这个实施方案中，约20%的超导体横截面不可用于电流流动。为了最大化电流运载能力，将绝缘体条带20的宽度降至最低。因此，在本公开的优选实施方案中，HTS导带200包含由10 μ m宽的绝缘体条带20隔开的100 μ m宽的超导细丝91，这产生40的AC损耗降低因子，临界电流流动仅减少10%。在本公开的其他实施方案中，产生了一种超导结构，其引起AC损耗的甚至进一步降低。例如，在一个实施方案中，将铁磁性材料掺入绝缘条带20中以便进一步降低AC损耗。构成上文中所述的新的无蚀刻方法实施方案的各个步骤的流程图，显示在图5中。图6A和B显示了本公开实施方案的显微结构的照片。具体来说，图6A显示了本公开实施方案的一部分的500X放大图，具体来说显示了每一侧上带有超导层90的绝缘条带20，以及相关的过渡层10。图6B示出了同一材料的3，500X放大图，显示了超导层90、绝缘条带20以及它们之间的过渡层10的显微结构的更多细节。清楚显示出的是在超导体沉积后涂层材料的差异组织。图7A和B显示了本公开的导带201的一个实施方案的电阻率测试结果。具体来说，图7A显示了本公开的导带201的交替细丝状结构，即与绝缘条带20交替的超导细丝91。在没有传导电流300时，垂直于细丝91延伸方向和运行期间电流流动方向300，穿过导带201或通过导带201施加不同量的电压。测量穿过本公开的导线或导带201，例如在图7A中用箭头所示的电流流动方向600上得到的安培数。图7B显示了电阻率数据的图，并显示出未发现绝缘材料20具有能够运载甚至仅仅IOnA电流的任何超导材料，并且导带201具有约54m Ω的电阻。图8A和B显示了本公开范围内的涂布后材料的显微结构以及该结构如何影响随后银在所述材料上的电沉积。图8A显示了由氧化镁制成的绝缘条带上涂布材料的显微结构，图SB显示了同一材料上银的电沉积的结果。可以清楚地看出，银不附着于涂布在绝缘条带20上的高阻抗材料，而是强力附着于材料的超导部分91。图9A和B显示了涂布后材料的显微结构以及该结构如何影响随后银在所述材料上的电沉积。具体来说，图9A显示了由氧化钇制成的绝缘条带上涂布材料的显微结构，图9B显示了同一材料上银的电沉积的结果。显然，与图SB中所示的材料相比，银自由得多地附着在整个材料上。由于涂布在氧化钇上的材料具有低阻抗，因此银附着于材料的超导91和绝缘20区域两者，从而将超导细丝耦合，并使细丝化结构对于降低AC损耗来说无用。图10显示了由金属基片60上的由氧化镁构成的绝缘条带20和涂布后材料构成的导带。还显示了与绝缘条带20相`邻的过渡区10。现在参考图11，在本公开的可选实施方案中，可以理解绝缘条带20不是涂布在缓冲剂50涂布的基片60上，而是在超导层90上。可以将与本文中公开的用于缓冲基片上的绝缘条带20的相同的材料，涂布在超导层90上，对此没有限制。在这个可选的示例性实施方案中，在将绝缘条带20沉积在超导层90上之后，对导带400进行热处理以促进绝缘层20的组成成分扩散到直接位于其下方的超导层90中。这种热处理的温度可以在约300°C至约900°C、可选地约400°C至约700°C的范围内。在某些情况下，这种热处理的时间可以在约10分钟至约20小时的范围内。正如普通专业技术人员可能理解的，热处理时间可能至少部分取决于绝缘材料、超导材料和为达到热处理温度而对温度变化速率进行的控制。不受任何理论的限制，在这种热处理期间，位于绝缘条带下方的超导膜受到不利影响，导致向非超导材料190的转变。刚刚描述的可选方法提供了生产图11中所示的HTS-导线或导带结构400的其他方法。按照这个实施方案，超导细丝90被非超导材料190隔开。在热处理后，通过例如上文中所述的电沉积的方法，将稳定层70沉积在导带上。由于在非超导材料190顶上的绝缘条带20具有高阻抗，因此银将只涂布超导细丝90而不涂布绝缘条带20。在稳定剂涂层80后，可以通过例如上文中所述的电沉积的方法，将例如但不限于厚的铜沉积在导带400上。同样地，由于在非超导材料190顶上的绝缘条带20具有高阻抗，因此铜将只涂布银覆盖的超导细丝90而不涂布绝缘条带20。因此，即使通过这种可选实施方案，也可以产生具有完整条纹状稳定剂的多细丝超导体400而不包含任何蚀刻。因此，不受任何理论的限制，所述结构可以包含如图11中所示的一系列层。再次参考图11，即具有多层组成的HTS导体400的横截面图。在某些情况下，超导层90被沉积在至少一个缓冲层50上。正如本文中所述，可以在热处理之前将绝缘条带20沉积在超导层90上。在热处理后，在超导层90中形成非超导材料190。因此，并且根据本公开，HTS导体400总的来说包含基片60、覆盖基片60的表面61的至少一个缓冲层50、覆盖至少一个缓冲层50的表面51的超导层90。超导体层90具有沉积在其上的第一稳定剂层或覆盖层70。根据本公开的另一个前面描述过的实施方案，也可以包含第二稳定剂层80以覆盖超导体层90，特别是覆盖并接触覆盖层70。在某些情况下，第二稳定剂层80与覆盖层70直接接触。尽管不存在蚀刻提供了本文公开的实施方案的优点，但普通专业技术人员可以理解，可以利用至少一个蚀刻步骤来移除绝缘或超导微丝缺陷、沉积瑕疵、污染，并总体改善本发明中公开的多细丝结构和制造方法。普通专业技术人员可能认识到，这样的蚀刻步骤可以在本公开的范围之内，作为HTS导体200的质量控制、形成后修复或整修的手段，对此没有限制。此外，本技术领域的普通专业人员将会容易地认识到，HTS导体200可以合并到商业化电力组件，例如但不限 于电缆、变压器、发电机和电网中，用于各种应用和目的。公开了至少一个实施方案，并且由本技术领域中的普通专业技术人员对所述实施方案和/或实施方案的特征做出的改变、组合和/或修改，也在本公开的范围之内。由对所述实施方案的特征进行组合、整合和/或省略而得到可选实施方案，也在本公开的范围之内。当明确陈述数值的范围或限度时，这种明确的范围或限度应该被理解为包括了落于所述明确陈述的范围或限度之内的类似量级的迭代范围或限度(例如，约I至约10包括2、3、4等；大于O. 10包括O. 11,0. 12,0. 13等)。例如，当所公开的数值范围具有下限R1和上限Ru时，落于所述范围之内的任何数字都被具体公开。具体来说，所述范围之内的下列数字被具体公开=R=Rfk* (Ru-R1)，其中k是从1%至100%的增量为1%的变量，即k是1%、2%、3%、
4%、5%、......、50%、51%、52%、......、95%、96%、97%、98%、99% 或 100%。此外，由上述中定义的
两个R数字所定义的任何数值范围，也被具体公开。应该理解，较宽泛的术语例如“包含”、“包括”和“具有”的使用，为较狭窄的术语例如“由……构成”、“基本上由……构成”和“基本上由……组成”提供了支持。因此，保护范围不受上面提出的描述的限制，而是由后面的权利要求书定义，所述范围包括权利要求书的主题内容的所有等同物。每一项和所有权利要求作为进一步的公开引入本说明书，并且权利要求项是本发明的实施方案。在本公开中对参考文献的讨论并不承认它是现有技术，特别是出版日期在本申请的优先权日期之后的任何参考文献。在本公开中引用的所有专利、专利申请和出版物的公开内容，在它们为本公开提供示例性、程序性或其他细节补充的程度上，在此引为参考。
权利要求
1.一种超导体结构,其包含 其上沉积有至少一个缓冲层的基片，所述基片具有一定长度和宽度，其中所述基片具有不小于约IO2的尺寸比； 所述至少一个缓冲层上的超导体层，所述超导体层包含超导体材料，所述超导体材料形成至少两个基本上平行并沿着所述基片的长度连续延伸的超导体细丝； 其中所述至少两个超导体细丝彼此之间被至少一个具有彼此相对的第一表面和第二表面的绝缘条带隔开，所述第一表面覆盖所述缓冲层，以及所述第二表面基本上不含所述超导体材料； 其中所述至少一个绝缘条带沿着所述基片的长度连续延伸，并包含电阻率高于约Im Ω cm的绝缘材料。
2.权利要求1的结构，其中所述至少两个超导体细丝在至少10米的长度上具有至少200A/cm的临界电流。
3.权利要求1的结构，其中所述至少两个超导细丝是非耦合的。
4.权利要求1的结构，其中所述超导体细丝具有至少约50μ m的宽度。
5.权利要求1的结构，其中所述绝缘材料另外包含铁磁性材料。
6.权利要求1的结构，其中所述绝缘条带具有约O.5微米至约30微米范围内的厚度。
7.权利要求1的结构，其中所述绝缘条带具有约I微米至约250微米范围内的宽度。
8.权利要求1的结构，其还包含至少一个覆盖所述超导体层的稳定剂层。
9.权利要求8的结构，其中所述至少一个稳定剂层还分别包含覆盖所述超导体层的第一稳定剂层和第二稳定剂层，并且其中所述至少一个稳定剂层具有至少5微米的厚度。
10.权利要求9的结构，其中所述第一稳定剂层具有约O.1微米至约10. O微米范围内的厚度。
11.权利要求9的结构，其中所述第二稳定剂层具有约I微米至约1，000微米范围内的厚度。
12.权利要求9的超导体制品，其中所述第二稳定剂层是电镀的。
13.权利要求9的结构，其中所述第一稳定剂层包含贵金属。
14.权利要求13的结构，其中所述贵金属是Ag。
15.权利要求9的结构，其中所述第二稳定剂层包含非贵金属。
16.权利要求15的结构，其中所述非贵金属包含选自铜、铝及其合金的材料。
17.权利要求16的结构，其中所述非贵金属是铜。
18.权利要求17的结构，其在77K下、在垂直于所述结构的表面施加的IOOmT和60Hz频率的AC磁场中测量到的AC损耗小于lW/m。
19.权利要求1的结构，其中所述多细丝超导体层包含临界温度T。不低于约77K的高温超导体材料。
20.权利要求1的结构，其中所述多细丝超导体层包含REBa2Cu3CVx，其中RE是稀土元素。
21.权利要求20的结构，其中所述多细丝超导层选自YBa2Cu307_x、Bi2Sr2Ca2Cu301(l+y、Ti2Ba2Ca2Cu3010+y> HgBa2Ca2Cu308+y 及其组合。
22.权利要求1的结构，其中所述缓冲层包含双轴晶体织构膜，所述膜在平面内和平面外均具有总体上对准的晶体。
23.权利要求8的结构，其还包含覆盖所述至少一个稳定剂层非导电性绝缘体层。
24.权利要求8的结构，其中所述至少一个稳定剂层延伸以限定包封所述结构的第一侧面和第二侧面。
25.权利要求1的结构，其中所述基片具有至少约IOOm的长度。
26.权利要求1的结构，其中所述绝缘材料是氧化陶瓷。
27.权利要求28的结构,其中所述氧化陶瓷选自氧化镁、氧化铁、氧化钥、氧化锰、氧化锌、氧化铬、氧化硅及其组合。
28.—种超导体结构,其包含 其上沉积有至少一个缓冲层的基片，所述基片具有一定长度和宽度，其中所述基片具有不小于约IO2的尺寸比； 所述至少一个缓冲层上的超导体层，所述超导体层包含超导体材料，所述超导体材料形成至少两个基本上平行并在其间具有非超导区的超导体细丝，并且所述超导体细丝和非超导区沿着所述基片的长度连续延伸； 所述非超导区上的绝缘层，其中所述绝缘层形成至少一个绝缘条带； 其中所述至少一个绝缘条带沿着所述基片的长度连续延伸，并包含电阻率高于约Im Ω cm的绝缘材料。
29.权利要求28的结构，其中所述至少两个超导体细丝在至少10米的长度上具有至少200A/cm的临界电流。
30.权利要求28的结构，其中所述至少两个超导细丝通过热处理材料缺失解耦合。
31.权利要求28的结构，其中所述超导体细丝具有至少约50μ m的宽度。
32.权利要求28的结构，其中所述绝缘材料另外包含铁磁性材料。
33.权利要求28的结构，其中所述绝缘条带具有约O.5微米至约30微米范围内的厚度。
34.权利要求28的结构，其中所述绝缘条带具有约I微米至约250微米范围内的宽度。
35.权利要求28的结构，其还包含覆盖所述超导体层的至少一个稳定剂层。
36.权利要求35的结构，其中所述至少一个稳定剂层还分别包含覆盖所述超导体层的第一稳定剂层和第二稳定剂层，并且其中所述至少一个稳定剂层具有至少5微米的厚度。
37.权利要求36的结构，其中所述第一稳定剂层具有约O.1微米至约10. O微米范围内的厚度。
38.权利要求36的结构，其中所述第二稳定剂层具有约I微米至约1，000微米的厚度。
39.权利要求36的超导体制品，其中所述第二稳定剂层是电镀的。
40.权利要求36的结构,其中所述第一稳定剂层包含贵金属。
41.权利要求40的结构,其中所述贵金属是Ag。
42.权利要求36的结构，其中所述第二稳定剂层包含选自铜、铝、及其合金的非贵金属。
43.权利要求42的结构，其在77K下、在垂直于所述结构的表面施加的IOOmT和60Hz频率的AC磁场中测量到的AC损耗小于lW/m。
44.权利要求28的结构，其中所述多细丝超导体层包含临界温度T。不低于约77K的高温超导体材料。
45.权利要求28的结构，其中所述多细丝超导体层包含REBa2Cu3CVx，其中RE是稀土元素。
46.权利要求45的结构，其中所述多细丝超导层选自YBa2Cu307_x、Bi2Sr2Ca2Cu301(l+y、Ti2Ba2Ca2Cu3010+y> HgBa2Ca2Cu308+y 及其组合。
47.权利要求28的结构，其中所述缓冲层包含双轴晶体织构膜，所述膜在平面内和平面外均具有总体上对准的晶体。
48.权利要求28的结构，其中所述至少一个绝缘条带通过选自以下的方法沉积至所述超导体层上经掩模沉积、喷墨印刷、丝网印刷、模冲、图案化及其组合。
49.权利要求48的结构，其中用于经掩模沉积的方法选自溅射、化学气相沉积、溶胶凝胶涂布、蒸发和激光烧蚀沉积。
50.权利要求28的结构，其中所述超导体层通过选自以下的方法来沉积蒸发、溅射、化学气相沉积、旋涂和烘烤、脉冲激光沉积、阴极电弧沉积、等离子体增强的化学气相沉积、分子束外延、溶胶-凝胶法、液相外延及其组合。
51.权利要求28的结构,其中所述绝缘材料是选自氧化镁、氧化铁、氧化钥、氧化锰、氧化锌、氧化铬、氧化娃及其组合的氧化陶瓷。
52.权利要求28的结构，其中所述基片具有至少约IOOm的长度。
53.一种用于生产超导体结构的方法，所述方法包括 提供缓冲后基片，其包含基片和至少一个缓冲层； 在所述缓冲后基片上沉积至少一个绝缘条带，所述至少一个绝缘条带沿着所述缓冲后基片的长度连续延伸，并包含电阻率高于约ImQcm的绝缘材料，使得所述至少一个绝缘条带具有彼此相对的第一表面和第二表面，并且所述第一表面与所述缓冲后基片相邻；以及 将超导材料沉积在所述缓冲后基片上，以形成包含至少两个超导体细丝的超导层，所述超导体细丝沿着所述基片的长度连续延伸，被所述至少一个绝缘条带彼此隔开并基本上平行，其中所述绝缘条带的所述第二表面基本上不含所述超导体材料。
54.权利要求53的方法，其中所述高温超导体能够在77K下，在垂直于所述结构的表面施加的IOOmT和60Hz频率的AC磁场中以测量的小于lW/m的AC损耗运行。
55.权利要求53的方法，其中在所述缓冲后基片上沉积超导材料以形成超导层包括沉积一层REBa2Cu3CVx，其中RE是稀土元素。
56.权利要求55的方法，其中所述超导层选自YBa2Cu307_x、Bi2Sr2Ca2Cu301(l+y、Ti2Ba2Ca2Cu3010+y> HgBa2Ca2Cu308+y 及其组合。
57.权利要求53的方法，其中所述至少一个绝缘条带通过选自以下的方法来沉积经掩模沉积、喷墨印刷、丝网印刷、模冲、图案化及其组合。
58.权利要求57的方法,其中用于经掩模沉积的方法选自 贱射、化学气相沉积、溶胶凝胶涂布、蒸发和激光烧蚀沉积。
59.权利要求53的方法，其中所述超导体层通过选自以下的方法来沉积蒸发、溅射、化学气相沉积、旋涂和烘烤、脉冲激光沉积、阴极电弧沉积、等离子体增强的化学气相沉积、分子束外延、溶胶-凝胶法、液相外延及其组合。
60.一种用于生产高温超导体结构的方法，所述方法包括提供缓冲后基片，其包含基片和至少一个缓冲层； 在所述缓冲后基片上沉积超导材料以形成超导层； 在所述缓冲后基片上的超导材料上沉积至少一个绝缘条带，其沿着所述缓冲后基片的长度连续延伸并包含电阻率高于约ImQcm的绝缘材料，其中所述至少一个绝缘条带具有彼此相对的第一表面和第二表面，并且所述第一表面与所述超导材料相邻，以及 对所述缓冲后基片上的所述超导材料上的所述至少一个绝缘条带进行热处理，以在所述至少一个绝缘条带下方提供非超导材料，其中形成的至少两个超导体细丝被至少一个非超导区彼此隔开。
61.权利要求60的方法，其中所述高温超导体能够在77K下，在垂直于所述结构的表面施加的IOOmT和60Hz频率的AC磁场中以测量的小于lW/m的AC损耗运行。
62.权利要求60的方法，其中在所述缓冲后基片上沉积超导材料以形成超导层包括沉积REBa2Cu3CVx，其中RE是稀土元素。
63.权利要求62的方法，其中所述超导层选自YBa2Cu307_x、Bi2Sr2Ca2Cu301(l+y、Ti2Ba2Ca2Cu3010+y> HgBa2Ca2Cu308+y 及其组合。
64.权利要求60的方法，其中所述至少一个绝缘条带通过选自以下的方法来沉积经掩模沉积、喷墨印刷、丝网印刷、模冲、图案化及其组合。
65.权利要求64的方法,其中用于经掩模沉积的方法选自 贱射、化学气相沉积、溶胶凝胶涂布、蒸发和激光烧蚀沉积。
66.权利要求60的方法，其中所述超导体层通过选自以下的方法来沉积蒸发、溅射、化学气相沉积、旋涂和烘烤、脉冲激光沉积、阴极电弧沉积、等离子体增强的化学气相沉积、分子束外延、溶胶-凝胶法、液相外延及其组合。
全文摘要
本发明涉及一种高温超导体结构，其包括其上沉积有至少一个缓冲层的基片，所述缓冲层上的超导体层，超导层由超导体材料构成，所述超导体材料形成至少两个基本上平行并沿着所述基片的长度连续延伸的超导体细丝，其中至少两个超导体细丝彼此之间被至少一个绝缘条带隔开，其中所述绝缘条带沿着所述基片的长度连续延伸，并由电阻率高于约1mΩcm的绝缘材料构成。还公开了生产高温超导体的方法。
文档编号H01L39/02GK103069595SQ201180040575
公开日2013年4月24日 申请日期2011年6月22日 优先权日2010年6月24日
发明者文卡特·塞尔瓦玛尼卡姆, 森希尔·萨姆班达姆 申请人:休斯敦大学体系