专利名称：减少电镀的稳定剂含量的结构的制作方法
减少电镀的稳定剂含量的结构
背景技术：
超导体材料早就为技术团体已知并理解。从1911年开始，已知在需要使用液态氦的温度(4.2K)下表现出超导性质的低温超导体(低-T。或LTS)。然而，直到最近才发现基于氧化物的高温(高-T。)超导体。在1986年左右，发现了在高于液态氮(77K)的温度下具有超导性质的第一个高温超导体(HTS)，即YBa2Cu307_x(YBC0)，随后是过去15年的其他材料的研发，包括Bi2Sr2Ca2Cu301(l+y (BSCCO)和其他。部分地由于采用液态氮而不是采用相比更为昂贵的基于液态氦的低温体系结构中操作这样的超导体的成本，高-T。超导体的发展创建了经济上可行地发展超导体组件和结合这样材料的其他设备的潜力。在无数潜在应用中，产业界已经寻求在电力行业发展这样的材料，包括发电、电力传输、电力分配、和电力存储的应用。在这个方面，据估计，基于铜的商业电源组件的内生阻抗导致每年数十亿美元的电损失，且因此，基于在电力组件(诸如传输和分配电缆、发电机、转换器、和故障电流中断器/限制器)中使用高温超导体，能源产业必然将获益。此外，电力行业中的高温超导体的其他益处包括，相对于常规技术而言，功率处理能力的3-10倍的增力口、电力装置的大小(即，占地面积)和重量的显著减少、减少的环境影响、较大的安全性、和增加的容量。尽管高温超导体的这样的潜在优势始终是非常引人注目的，在高温超导体的大规模生产和商业化方面，持续存在着很多技术挑战。在与高温超导体的商业化关联的挑战中，在可被用于形成各种电力组件的超导带段的制造中，存在着很多挑战。第一代的超导带段包括使用上述BSCCO高温超导体。这个材料一般被设置为离散细丝的形式，该细丝被嵌在贵金属(一般是银)矩阵内。尽管这样的导体可被制造为在电力行业中实施所需要的延展的长度(诸如千米数量级)，但是由于材料和制造成本，这样的带不代表广泛商用的切实可行的产品。因此，对于具有非常高的商业活力的HTS带，已经产生了很大的兴趣。这些带一般依赖于层叠的结构，该结构一般包括提供机械支承的柔性衬底、覆盖在该衬底上的至少一个缓冲层，该缓冲层任选地包含多个膜、覆盖该缓冲层的HTS层、和覆盖半导体层的任选的覆层、和/或覆盖该覆层或围绕整个结构的任选的电稳定剂层。然而，至今为止，在这样的第二代带充分商业化之前，还有很多工程上和制造上的挑战。因此，基于上述，在超导体领域继续存在各种需要，且特定地，需要提供商业上可行的超导带、制造超导带的方法、和使用这样的超导带的电力组件。这些需要的其中一项需要是想具有合适的接合技术，用于将第二代HTS带总长度延展到实践应用所需的长度、用于修复破损的段、以及用于其它类似目的。发明含量在一实施例中，超导制品可包括包含第一和第二超导段的第一堆叠超导体段和包含第三和第四超导段的第二堆叠超导体段。第一堆叠超导体段可具有标称厚度tnl，且第二堆叠超导体段可具有标称厚度tn2。该超导制品可进一步包括含有第一接头和第二接头的接合区。该第一接头可将第一和第三超导段接合在一起，且第二接头可将第二和第四超导段接合在一起。第一接头可沿接合区的至少一部分相邻于第一和第三超导段的部分并与第一和第三超导段的部分相交迭，且第二接头可沿接合区的至少一部分相邻于第二和第四超导段的部分并与第二和第四超导段的部分相交迭。接合区可具有厚度其中不大于
1.8tnl和1.8tn2中的至少一个。在另一个实施例中，超导制品可具有第一超导段和第二超导段。第一超导段可具有第一衬底以及覆盖该第一衬底的第一超导层，且第二超导段可具有第二衬底以及覆盖该第二衬底的第二超导层。该超导制品还可包括位于第一和第二超导段之间的铜段。该第一和第二超导段可被设置为使得该第一和第二超导层面向该铜段。在又一个实施例中，一种形成超导制品的方法可包括提供第一和第二超导带。该第一超导带可包括覆盖在第一衬底上的第一超导层，且第二超导带可包括覆盖在第二衬底上的第二超导层。该方法还可包括将第一超导带结合至铜条的第一主表面，且将第二超导带结合至铜条的第二主表面。第一和第二衬底带可被设置为，第一和第二超导层面向铜条且第一和第二衬底远离铜条。
通过参照附图，能更好地理解本发明，而且使本发明的许多特征和优点对本领域技术人员是显然的。图1示出根据一实施例的超导制品的大致结构的透视图。图2是示出根据一实施例的超导制品的截面图。图3和4是示出根据实施例以背对背配置的堆叠的超导制品的截面图。图5是根据一实施例的在堆叠的超导制品之间的示例性接合的示图。图6是根据一实施例的在堆叠的超导制品之间的另一个示例性接合的示意图。图7和8是图6的放大示图。图9是示出根据实施例的头对背的配置中堆叠的超导制品的截面图。图10和11是根据一实施例的在堆叠的超导制品之间的示例性接合的示图。图12和13是示出根据实施例以面对面配置的堆叠的超导制品的截面图。图14是根据一实施例的在堆叠的超导制品之间的另一个示例性接合的示意图。图15是图14的部分的放大图。图16是根据一实施例的在堆叠的超导制品之间的另一个示例性接合的示意图。图17是图16的部分的放大图。图18是根据一实施例的在堆叠的超导制品之间的另一个示例性接合的示意图。图19是图18的部分的放大图。在不同附图中使用相同的附图标记表示相似或相同的项。具体描述转向图1，示出了根据本发明一实施例的超导制品100的大致层叠结构。该超导制品包括衬底10、覆盖衬底10的缓冲层12、超导层14、接着是一般为贵金属的覆层16、和一般为诸如铜之类非贵金属的稳定剂层18。缓冲层12可包括数个分立的膜。稳定剂层18可围绕超导制品100的外围延伸，藉此封住制品100。衬底10 —般是基于金属的，且典型地，是至少两个金属元素的合金。特别合适的衬底材料包括不锈钢合金和诸如已知的Hasteiloy 或Inccmel 合金组之类的镍基金属合金。这些合金易于具有期望的蠕变、化学和机械性质，包括扩展系数、抗张强度、屈服强度、和伸展度。这些金属一般以缠绕带的形式在商业上可获得，特别适于超导带制造，超导带制造一般将使用盘对盘的带处理(reel-to-reel tape handling)。衬底10 —般是带状设置，具有较高的尺寸比。如此处所使用的，术语“尺寸比”被用于表示衬底或带的长度与下一个最长尺寸(衬底或带的宽度)之间的比值。例如，带的宽度一般在约0.1到约IOcm的数量级，且带的长度一般至少约100m，最为通常地大于约500m。实际上，包括衬底10的半导体带可具有在Ikm或以上的数量级的长度。因此，衬底可具有非常高的尺寸比，在不小于10、不小于约102、或甚至不小于约IO3的数量级。特定实施例更长，具有IO4或更高的尺寸比。在一个实施例中，衬底被处理从而具有期望的表面性质，用于超导带的组成层的后续沉积。例如，表面可被抛光至期望的平坦度和表面粗糙度。此外，衬底可被处理为本领域可理解的双轴织构，诸如通过已知的RABiTS (轧制辅助双轴织构衬底)技术，尽管此处的实施例一般使用未织构的、多晶硅衬底，诸如上述的商业可获得的镍基带。转向缓冲层12，该缓冲层可以是单层，或更一般地，可由多个膜构成。最为特定地，该缓冲层包括双轴织构膜，具有沿膜的平面内和平面外的晶轴一般对齐的晶体织构。这样的双轴织构可由IBAD完成。如本领域所理解的，IBAD是指代离子束辅助沉积的缩写，离子束辅助沉积是可被有利地利用来形成合适的织构缓冲层(用于之后形成具有超级超导性质的期望结晶取向的超导层)的技术。氧化镁是IBAD膜的选择的典型材料，且可以是约I到约500纳米的数量级，诸如约5到约50纳米。一般而言，IBAD膜具有岩盐类结晶结构，如美国专利6，190，752中所定义并描述的那样，该专利通过引用结合至此。该缓冲层可包括附加膜，诸如设置为直接接触IBAD膜和衬底并被置于两者之间的阻挡膜。在这个方面，阻挡膜可有利地由氧化物制成，诸如氧化钇，且用于将衬底与IBAD膜隔绝。阻挡膜还可由诸如氮化硅之类的非氧化物制成。用于沉积阻挡膜的合适技术包括化学汽相淀积和包括溅射在内 的物理汽相沉积。阻挡膜的一般厚度可在约I到约200纳米范围内。又进一步，缓冲层还可包括形成在该IBAD膜上的外延生长的膜(多个)。在这个上下文中，外延生长的膜能增加IBAD膜的厚度，且可期望地主要由用于IBAD层的相同材料制成，诸如MgO或其他兼容性材料。在使用基于MgO的IBAD膜和/或外延膜的实施例中，存在MgO材料和超导层材料之间晶格失配的情况。因此，缓冲层可还包括另一个缓冲膜，该缓冲膜特定地被实现成减少超导层和底下的IBAD膜和/或外延膜之间的点阵常数的失配。这个缓冲膜可由诸如YSZ (氧化钇稳定的氧化错)、氧化镁、二氧化铺、氧化礼错、钌酸银、猛酸镧、和一般的I丐钛矿结构的陶瓷材料之类的材料制成。这个缓冲膜可通过各种物理汽相沉积技术被沉积。尽管以上描述主要集中在通过诸如IBAD之类的织构工艺来实现缓冲堆叠(层)中的双轴织构的膜的实现，但是衬底表面本身可以是双轴织构的。在这个情况下，缓冲层一般在织构衬底上外延生长，从而防止缓冲层中的双轴织构。用于形成双轴织构的衬底的一个工艺是现有技术中已知为RABiTS (轧制辅助双轴织构衬底)的工艺，在现有技术中一般都理解。超导层14 一般由高温超导体(HTS)层制成。HTS材料一般选自在液态氮的温度77k之上表现出超导性质的任何高温超导材料。这样的材料可包括，例如，YBa2Cu3O7^x,Bi2Sr2CaCu2Oz, Bi2Sr2Ca2Cu301(l+y、Tl2Ba2Ca2Cu301(l+y、和 HgBa2Ca2Cu308+y。一个类别的材料包括REBa2Cu307_x，其中O彡χ>1且RE是稀土或稀土元素的组合。在上文中，YBa2Cu307_x，也被称为YBC0，可被有利地使用。可在具有或不具有添加掺杂物(诸如稀土材料，例如钐)的情况下使用YBC0。超导层14可由各种技术中的一种形成，包括厚膜和薄膜的形成技术。优选地，可为高沉积速率而使用诸如脉冲激光沉积(PLD)之类的薄膜物理汽相沉积技术，或者可为较低成本和较大的表面积处理来使用化学汽相沉积技术。一般地，超导层具有约0.1到约30微米的厚度，最一般约0.5到约20微米，诸如约I到约5微米，从而获得与超导层14相关联的期望的电流额定值。该超导制品还可包括覆层16和稳定剂层18，这些层一般地被实现为提供低电阻界面且在实际使用中用于电稳定化来防止超导体燃尽。更为特定地，在其中冷却发生故障或超过临界电流密度的情况下，层16和18帮助电荷沿超导体的连续流动，且超导体层离开超导状态并变为阻性。一般地，为覆层16使用贵金属来防止稳定剂层(多个)和超导层14之间的不想要的交互。典型的贵金属包括金、银、钼、和钯。由于银的成本和一般的可获得性，一般使用银。一般将覆层16制造得足够厚来防止在将稳定剂层18施加到超导层14中所使用的组件的不想要的扩散，但为了成本原因(原材料和加工成本)一般被制造得较薄。覆层16的一般厚度在约0.1到约10.0微米范围内，诸如0.5到约5.0微米。可使用各种技术用于覆层16的沉积，包括诸如DC磁电管溅射的物理气相沉积、以及诸如无电电镀、和电镀之类的湿法化学处理。一般结合稳定剂层18来覆盖超导层14，且特定地，在图1所示的特定实施例中，覆盖覆层16并直接接触覆层16。稳定剂层18用作保护/分流层来增强对抗严酷环境条件和超导失超的稳定性。该层一般是致密的且传热并导电，并用于在超导层故障或超导层的临界电流被超过的情况下旁通电流。其可由各种厚和薄膜成形技术中的任一个形成，包括诸如无电电镀和电镀之类的湿法化学处理，以及物理气相沉积，一般是蒸发或溅射。在这个方面，覆层16可用作在其上沉积铜的籽层。稳定剂层18的一般厚度在约O到约1000微米范围内，诸如5到约150微米。为了在超导层故障或超导层的临界电流被超过的情况下足够旁通电流，当超导制品的临界电流增加时，可 有必要增加电耦合至该稳定剂层的非贵金属的量。图2示出其中超导带202被嵌在块状铜204和206之间的示例性超导制品200的截面。超导带202可类似于超导制品100。此处，使用类似的附图标记来表示类似的结构特征。下文中不重复构成层的描述；将带读者看到相对于超导制品的构成层而提供的详细描述。覆层16可围绕衬底10、缓冲层12、和超导层14的组合的外围延伸，藉此封住超导带202。类似地,稳定层18可围绕覆层16的外围延伸。在一实施例中，稳定层18可被电沉积在覆层上。当存在稳定层时，稳定层18可具有约2.5微米到约100微米的范围内的厚度，诸如约5微米到约50微米，甚至约15微米到约15微米。超导带202可被结合至块状铜层204和206，诸如通过焊料208。例如，焊料208可以是铟焊料、铅-锡焊料、或锡基焊料。块状铜层204和206可以是沿超导制品200的长度延伸的铜条形式。在可选实施例中，诸如通过在超导带202周围凿沟、包裹、或模锻来形成块状铜层。进一步，可应用电镀铜的外层来封住包括超导带202和块状铜层的整个结构。
图3示出示例性堆叠的超导制品300的截面。堆叠的超导制品300可包括超导带302和304。超导带302和304可类似于超导制品100。可使用结合层306来接合超导带302和304。结合层306可以是焊料层，诸如铟焊料、铅-锡焊料、或锡基焊料。可将超导带302和304设置为背对背配置。在该背对背配置中，超导带302和304可被配置为衬底10面向超导制品300的内部且超导层14面向超导制品300的外部。图4示出另一个示例性堆叠的超导制品400。超导制品400包括相对图3上述的以背对背配置设置的超导带402和404。使用结合层406来接合超导带402和404。此外，块状铜层408可被设置为与超导带402的超导面相邻且块状铜410可被设置为与超导带404的超导面相邻。通过结合层406，块状铜408和410可被接合至超导带402和404。图5示出其中两个堆叠的超导段502和504被接合在一起形成超导制品500用于接合背对背堆叠的超导制品的区。如图所示，堆叠的超导段502和504被定位为端对端放置。特定地，堆叠的超导段502和504的各自端部被定位为基本紧靠或接近紧靠地接触在界面506处。堆叠的超导段502可包括以背对背配置而设置的超导带508和510。可使用结合层512来将超导带508和510保持在一起。类似地，堆叠的超导制品504可包括设置成背对背配置并由结合层518保持在一起的超导带514和516。根据图5所示的实施例的特定特征，超导带508和514沿接合区520被电且机械地接合在一起。接头522被设置为跨接合区520来在超导带508和514之间提供电和机械连接。类似地，超导带510和516沿接合区520被电且机械地接合在一起。接头524被设置为跨接合区520来在超导带510和516之间提供电和机械连接。在图5所示的特定实施例中，接头522和524各自包括层叠的超导结构，该层叠的超导结构一般相对于相应超导带的层叠结构是颠倒的。更特定地，接头522和524可根据用于形成超导带的基本工艺流被制造，然后被切割为合适的长度。通过使用结合层526，来将接头522结合至超导带508和514。类似地，通过使用结合层528，来将接头524结合至超导带510和516。一般，结合层526和528由焊料形成，诸如铟焊料、铅-锡焊料、或锡基焊料。在一实施例中，接头522是与超导带508和514面对面焊接的超导带。电流可从超导带508的超导层流向超导带508的稳定剂层、流向结合层526、流向接头522的稳定剂层、且流向接头522的超导层。然后电流可通过接头522的稳定剂层流回结合层526、流回超导带514的稳定剂层、然后最终流回超导带514的超导层。类似地，接头524是与超导带510和516面对面焊接的超导带。电流可从超导带510的超导层流向超导带510的稳定剂层、流向结合层528、流向接头524的稳定剂层、且流向接头524的超导层。然后电流可通过接头524的稳定剂层流回结合层528、流回超导带516的稳定剂层、然后最终流回超导带516的超导层。根据此处描述的实施例，接头一般结合了超导层。这个特定方面有助于确保期望地低的接合电阻。特定地，根据此处的实施例，结合了此处描述的那些接合结构的超导制品具有不大于约100纳欧Cm2的接合电阻，诸如不大于约50纳欧Cm2、甚至不大于25纳欧cm2。此外，可用扩散的热的形式来量化接合电阻，其上限不大于每个接合0.005W cm2，诸如不大于每个接合0.0025W cm2。图6示出其中两个堆叠超导段602和604被接合在一起来形成超导制品600的可选的接合结构。堆叠的超导段602可包括以背对背配置而设置的超导带606和608。类似地，堆叠的超导制品604可包括以背对背配置而设置的超导带610和612。如图所示，堆叠的超导段602和604以偏置方式被定位为端对端放置。特定地，堆叠的超导段602可具有悬垂区614，其中超导带608延伸超过超导带606的端部。类似地，堆叠的超导段604可具有悬垂区616，其中超导带610延伸超过超导带612的端部。悬垂区614和616可重叠，允许超导带606和610的各自端部在界面618处基本紧靠或几乎紧靠地接触。类似地，超导带608和612的各自端部可在界面620处基本紧靠或近乎紧靠接触，界面620沿超导制品600的长度与界面618偏置。接合区622和624被详细地图示在图7和8中。图7提供了接合区622的详细示图。超导带606和610的各自端部在界面618处可被设置为基本紧靠或近乎紧靠地接触。超导带608可延伸超过超导带606的端部并以背对背配置与超导带610的至少一部分相交迭。结合层624可将超导带608结合至超导带606和超导带610。超导带606和610沿接合区622被电且机械地接合在一起。接头626被设置为跨接合区622来在超导带606和608之间提供电和机械连接。接头626可包括层叠的超导结构，该层叠的超导结构一般相对于超导带606和610的层叠结构是颠倒的。通过使用结合层628，接头626可被结合至超导带606和610。在一实施例中，接头626是与超导带606和610面对面焊接的超导带。电流可从超导带606的超导层流向超导带606的稳定剂层、流向结合层628、流向接头626的稳定剂层、且流向接头626的超导层。然后电流可通过接头626的稳定剂层流回结合层628、流回超导带610的稳定剂层、然后最终流回超导带610的超导层。图8提供了接合区624的详细示图。超导带608和612的各自端部在界面620处可被设置为基本紧靠或近乎紧靠地接触。超导带610可延伸超过超导带612的端部并以背对背配置与超导带608的至少一部分相交迭。结合层630可将超导带610结合至超导带606和超导带612。超导带608和612沿接合区624被电且机械地接合在一起。接头632被设置为跨接合区624来在超导带608和612之间提供电和机械连接。接头632可包括层叠的超导结构，该层叠的超导结构一般相对于超导带608和612的层叠结构是颠倒的。通过使用结合层634，接头632可被结合至超导带612和608。在一实施例中，接头624是与超导带608和612面对面焊接的超导带。电流可从超导带608的超导层流向超导带608的稳定剂层、流向结合层634、流向接头624的稳定剂层、且流向接头624的超导层。然后电流可通过接头624的稳定剂层流回结合层634、流回超导带612的稳定剂层、然后最终流回超导带612的超导层。参看图6，堆叠的超导段602和604各自分别具有标称厚度tnl和tn2。这些标称厚度对应于沿段的主要长度(特定地排除悬垂区614和616)的各段的厚度。偏置接合区622和624可确保形成相对低轮廓的接合。更详细地，特定地参看图6，接合区622具有厚度且接合区624具有厚度t%。一般而言，接合区的厚度不大于1.8tnl和1.Stn2的至少一个，且接合区的厚度t#2不大于1.8tnl和1.Stn2的至少一个。经常，每一个接合区的轮廓不大于约1.6tnl或1.6tn2。又，可进一步减少结合区的厚度，诸如不大于1.5tnl和1.5tn2中的至少一个、或者不大于1.3tnl和1.3tn2中的至少一个。根据一个实施例，接合厚度大致等于至少一个超导段的标称厚度。尽管没有在图中示出，接合区的厚度可低于超导段的厚度中的一个或两个的厚度。图9示出示例性堆叠的超导制品900的截面。堆叠的超导制品900可包括超导带902和904。超导带902和904可类似于超导制品100。可使用结合层906来接合超导带902和904。结合层906可以是焊料层，诸如铟焊料、铅-锡焊料、或锡基焊料。可将超导带902和904设置为前对背配置。在前对背配置中，超导体902可被设置为衬底10面向超导制品900内部且超导层14面向超导制品900外部，而超导带904可被设置为衬底10面向超导制品900外部且超导层14面向超导制品900内部。图10示出其中两个堆叠超导段1002和1004被接合在一起来形成超导制品1000的区。堆叠的超导段1002可包括以前对背配置而设置的超导带1006和1008。可使用结合层1010来将超导带1006和1008保持在一起。类似地，堆叠的超导制品1004可包括以前对背配置而设置并由结合层1010保持在一起的超导带1012和1014。如图所示，堆叠的超导段1002和1004被定位为端对端放置。特定地，超导带1006和1012可被定位为使得在界面1018处基本紧靠或近乎紧靠地接触。此外，超导带1008和1014可被定位为基本对齐且间隔有间隙1020。根据图10所示的实施例的特定特征，超导带1006和1012被电且机械地接合在一起。可在间隙1020中设置接头1022，且接头1022和带1006和1012中的每一个的端部相交迭，从而在超导带1006和1012之间提供电和机械连接。类似地，超导带1008和1014被电且机械地接合在一起。可跨间隙1020设置接头1024，并接头1024同带1008和1014中的每一个的端部相交迭，从而来在超导带1008和1014之间提供电和机械连接。在图10所示的特定实施例中，接头1022和1024各自包括层叠的超导结构，该层叠的超导结构一般相对于相应超导带的层叠结构是颠倒的。通过使用结合层1010，来将接头1022结合至超导带1006和1012。类似地，通过使用结合层1028，来将接头1024结合至超导带1008和1014。一般，结合层1010和1028由焊料形成，诸如钢焊料、铅_锡焊料、或锡基焊料。在一实施例中，接头1022是与超导带1006和1012面对面焊接的超导带。电流可从超导带1006的超导层流向超导带1006的稳定剂层、流向结合层1010、流向接头1022的稳定剂层、且流向接头1022的超导层。然后电流可通过接头1022的稳定剂层流回结合层1010、流回超导带1012的稳定剂层、然后最终流回超导带1012的超导层。类似地，接头1024是与超导带1008和1014面对面焊接的超导带。电流可从超导带1008的超导层流向超导带1008的稳定剂层、流向结合层1028、流向接头1024的稳定剂层、且流向接头1024的超导层。然后电流可通过接头1024的稳定剂层流回结合层1028、流回超导带1014的稳定剂层、然后最终流回超导带1014的超导层。图11示出其中两个堆叠的超导段1102和1104被接合在一起形成超导制品1100用于接合前对背堆叠的超导制品的区。堆叠的超导段1102可包括以前对背配置而设置的超导带1106和1108。可使用结合层1110来将超导带1106和1108保持在一起。堆叠的超导段1102的端部可偏置，从而超导带1106的一部分延伸超出1108的端部。类似地，堆叠的超导制品1104可包括以背对背配置而设置并由结合层1116保持在一起的超导带1112和1114。此外，超导带1114的一部分可延伸超过超导带1112的端部。
如图所示，堆叠的超导段1102和1104可相对彼此是颠倒的。此外，堆叠的超导段1102和1104可被定位为使得超导带1106和1112部分地重叠、且超导带1108和1114部分地重叠。超导带1108和1112可被定位为使得在界面1118处基本紧靠或近乎紧靠地接触。根据图11所示的实施例的特定特征，超导带1106和1112可由结合层1110被电且机械地接合在一起。类似地，超导带1108和1114通过结合层1116可被电且机械地接合在一起。在一实施例中，电流可从超导带1106的超导层流向超导带1106的稳定剂层、流向结合层1110、流向超导带1112的稳定剂层、然后最终流向超导带1112的超导层。类似地，电流可从超导带1108的超导层流向超导带1108的稳定剂层、流向结合层1116、流向超导带1114的稳定剂层、然后最终流向超导带1114的超导层。图12示出示例性堆叠的超导制品1200的截面。堆叠的超导制品1200可包括超导带1202和1204。超导带1202和1204可类似于超导制品100。可使用结合层1206来接合超导带1202和1204。结合层1206可以是焊料层，诸如铟焊料、铅-锡焊料、或锡基焊料。可将超导带1202和1204设置为面对面配置。在该面对面配置中，超导带1202和1204可被设置为衬底10面向超导制品1200的外部且超导层14面向超导制品1200的内部。图13示出另一个示例性堆叠的超导制品1300。超导制品1300包括相对图12上述的以面对面配置设置的超导带1302和1304。此外，块状铜层1306可被设置在超导带1302和1304之间。通过结合层1308可将超导带1302接合至块状铜层1306的第一侧，且通过结合层1310可将超导带1304接合至块状铜层1306的第二侧。在这样的堆叠导体结构中，可在两个超导层和稳定剂之间共享电流。通过调节块状铜层的厚度和电阻率，可设计每单元长度的常态电阻和导体质量，这是对于稳定化水平的重要贡献因素。在一实施例中，块状铜曾的厚度可被设置为至少约25微米、诸如至少约50微米、甚至至少约75微米。此外，稳定剂层18的厚度可从约2.5微米到约100微米的范围，诸如约5微米到约50微米，甚至约15微米到约25微米。图14示出其中两个堆叠超导段1402和1404被接合在一起来形成超导制品1400的示例性接合结构。堆叠的超导段1402可包括以面对面配置而设置的超导带1406和1408。类似地，堆叠的超导段1404可包括以面对面配置而设置的超导带1410和1412。如图所示，堆叠的超导段1402和1404可被设置为端对端。特定地，超导带1406和1408在堆叠的超导段1402的一端分开，且超导带1410和1412在堆叠的超导段1404的一端分开。超导带1406和1410以及超导带1408和1412的各自端部被定位为在界面1418和1422处基本紧靠或近乎紧靠地接触。此外，超导带1406和1410沿接合区1426被电且机械地接合在一起。接头1420被设置为跨界面1418来在超导带1406和1410之间提供电和机械连接。类似地，超导带1408和1412可沿接合区1426被电且机械地接合在一起。接头1424被设置为跨界面1422来在超导带1408和1412之间提供电和机械连接。在图15中详细示出接合区 1426。图15提供了接合区1428的详细示图。超导带1406和1410的各自端部在界面1418处可被设置为基本紧靠或近乎紧靠地接触。接头1420可跨界面1418来在超导带1406和1410之间提供电和机械连接。结合层1424可将接头1420结合至超导带1406和1410。类似地，超导带1408和1412的各自端部在界面1422处可被设置为基本紧靠或近乎紧靠地接触。接头1424可跨界面1422来在超导带1408和1412之间提供电和机械连接。结合层1426可将接头1422结合至超导带1408和1412。此外，超导带1406和1408之间的空间1430以及超导带1410可1412之间的空间1432可被用诸如结合层1424和1426的材料所填充。在一实施例中，接头1420是与超导带1406和1410面对面焊接的超导带。电流可从超导带1406的超导层流向超导带1406的稳定剂层、流向结合层1424、流向接头1420的稳定剂层、且流向接头1420的超导层。然后电流可通过接头1420的稳定剂层流回结合层1424、流回超导带1410的稳定剂层、然后最终流回超导带1410的超导层。类似地，接头1424是与超导带1408和1412面对面焊接的超导带。电流可从超导带1408的超导层流向超导带1408的稳定剂层、流向结合层1426、流向接头1424的稳定剂层、且流向接头1424的超导层。然后电流可通过接头1424的稳定剂层流回结合层1426、流回超导带1412的稳定剂层、然后最终流回超导带1412的超导层。图16示出其中两个堆叠超导段1602和1604被接合在一起来形成超导制品1600的可选的接合结构。堆叠的超导段1602可包括以面对面配置被设置的超导带1606和1608，且超导带1608的一部分延伸超过超导带1606的端部。类似地，堆叠的超导制品1604可包括以面对面配置被设置的超导带1610和1612，且超导带1610的一部分延伸超过超导带1612的端部。如图所示，堆叠的超导段1602和1604可被设置为端对端。特定地，超导带1606和1608在堆叠的超导段1602的一端分开，且超导带1610和1612在堆叠的超导段1604的一端分开。超导带1606和1610以及超导带1608和1612的各自端部被定位为在界面1614和1616处基本紧靠或近乎紧靠地接触。界面1614和1616可沿超导制品1600的长度彼此偏置。此外，超导带1606和1610沿接合区1618被电且机械地接合在一起。接头1620被设置为跨界面1614来在超导带1606和1610之间提供电和机械连接。类似地，超导带1608和1612沿接合区1618被电且机械地接合在一起。接头1622被设置为跨界面1616来在超导带1608和1612之间提供电和机械连接。在图17中详细示出接合区1618。图17提供了接合区1618的详细示图。超导带1606和1610的各自端部在界面1614处可被设置为基本紧靠或近乎紧靠地接触。接头1620可跨界面1614来在超导带1606和1610之间提供电和机械连接。类似地，超导带1608和1612的各自端部在界面1616处可被设置为基本紧靠或近乎紧靠地接触。接头1622可跨界面1616来在超导带1608和1612之间提供电和机械连接。在一实施例中，接头1620是与超导带1606和1610面对面焊接的超导带。电流可从超导带1606的超导层流向超导带1606的稳定剂层、流向结合层、流向接头1620的稳定剂层、且流向接头1620的超导层。然后电流可通过接头1620的稳定剂层流回结合层、流回超导带1610的稳定剂层、然后最终流回超导带1610的超导层。类似地，接头1622是与超导带1608和1612面对面焊接的超导带。电流可从超导带1608的超导层流向超导带1608的稳定剂层、流向结合层、流向接头1622的稳定剂层、且流向接头1622的超导层。然后电流可通过接头1622的稳定剂层流回结合层、流回超导带1612的稳定剂层、然后最终流回超导带1612的超导层。图18示出其中两个堆叠超导段1802和1804被接合在一起来形成超导制品1800的可选的接合结构。该结构类似于图16中所示的结构，在每一个超导段的超导带之间添加了块状铜层。特定地，堆叠的超导段1802可包括以面对面配置被设置的超导带1806和1808，且超导带1808的一部分延伸超过超导带1806的端部。沿堆叠的超导段1802的至少一部分，块状铜层1810可位于超导带1806和1808之间。类似地，堆叠的超导制品1804可包括以面对面配置被设置的超导带1812和1814，且超导带1812的一部分延伸超过超导带1814的端部。沿堆叠的超导段1804的至少一部分，块状铜层1816可位于超导带1812和1814之间。如图所示，堆叠的超导段1802和1804可被设置为端对端。特定地，超导带1806和1808在堆叠的超导段1802的一端分开，且超导带1812和1814在堆叠的超导段1804的一端分开。超导带1806和1812以及超导带1808和1814的各自端部被定位为在界面1818和1820处基本紧靠或近乎紧靠地接触。界面1818和1820可沿超导制品1800的长度彼此偏置。此外，超导带1806和1812沿接合区1822被电且机械地接合在一起。接头1824可被设置为跨界面1818来在超导带1806和1812之间提供电和机械连接。类似地，超导带1808和1812沿接合区1822被电且机械地接合在一起。接头1826被设置为跨界面1820来在超导带1808和1814之间提供电和机械连接。在图19中详细示出接合区1822。图19提供了接合区1818的详细示图。超导带1806和1812的各自端部在界面1818处可被设置为基本紧靠或近乎紧靠地接触。接头1824可跨界面1818来在超导带1806和1812之间提供电和机械连接。类似地，超导带1808和1814的各自端部在界面1820处可被设置为基本紧靠或近乎紧靠地接触。接头1826可跨界面1820来在超导带1808和1814之间提供电和机械连接。接头1824和1826可位于块状铜层1810和1816的端部之间的间隙内。在一实施例中，接头1824是与超导带1806和1812面对面焊接的超导带。电流可从超导带1806的超导层流向超导带1806的稳定剂层、流向结合层、流向接头1824的稳定剂层、且流向接头1824的超导层。然后电流可通过接头1824的稳定剂层流回结合层、流回超导带1812的稳定剂层、然后最终流回超导带1812的超导层。类似地，接头1826是与超导带1808和1814面对面焊接的超导带。电流可从超导带1808的超导层流向超导带1808的稳定剂层、流向结合层、流向接头1826的稳定剂层、且流向接头1826的超导层。然后电流可通过接头1826的稳定剂层流回结合层、流回超导带1814的稳定剂层、然后最终流回超导带1814的超导层。转向形成堆叠的超导制品的方法，可提供两个或更多个超导带。可以面对面、前对背、或背对背配置中的任意来设置超导带。任选地，铜带可邻接至超导带的超导面。可将铜带放置在超导带之间，或可在铜带之间放置超导带。堆叠的结构，具有或不具有铜带，诸如通过使用焊料，可被结合在一起。在一实施例中，可通过融化的焊料浴来转变(translate)堆叠的结构。可选地，一个或多个组件，诸如超导带或铜带，在将组件设置在一起之前，可通过融化的焊料浴被转变。转向接合两个堆叠的超导制品的方法，可提供两个堆叠的超导段。在特定实施例中，诸如通过加热端部至融化该结合层，堆叠的超导段的端部可被张开。在其他实施例中，堆叠的超导段的特定组件可被切割为与超导段的端部偏置。例如，一个超导带的长度可被削减为与堆叠的超导段的超导带的端部偏置。在另一个示例中，可将铜带削减来暴露出超导带的超导面。堆叠的超导段的端部可被设置为具有任何必需的接头段，且诸如通过将焊料融化进接合件中，可将接合结构结合在一起。
根据此处的实施例，被接合的超导制品可具有相对较长的长度，特定地具有已经结合图1上述的尺寸。此外，独个段也可具有相对被延长的长度，诸如具有不小于约100的尺寸比，诸如不小于约1000、或甚至1000或更高。该超导制品可包括附加超导段，进一步扩展制品的长度和尺寸比，每一段根据此处描述的结构和/或技术被接合。扩展的长度特别适于长距离携载电流能力，诸如穿过市区或甚至穿过扩展的地理区域。此外，较长的长度、较高尺寸比的超导制品，对部署在下述诸如旋转电机和变压器之类的线圈或缠绕结构中是特别有利的。值得注意的是，如此处所使用的，术语“超导体”被用于一般地指代超导元件，诸如超导段或接头。即，在本说明书和权利要求书中，在广义的意义上使用该术语。根据此处的实施例，应该清楚的是，相对于独个的超导带，堆叠的超导结构可具有增加的载流能力。由于堆叠的超导结构的增加的载流能力，可有必要增加稳定层的载流能力，从而在过热情况或过流情况下保护超导材料。增加块状铜层，诸如通过向堆叠的超导结构增加铜带，可向该稳定层提供增加的载流能力。重要的是，当块状铜层与超导带的超导面相邻时，该块状铜层可最为有效。根据此处的实施例，应该清楚的是，可使用相对低轮廓的接合区描述所接合的超导制品。对于各种工业应用，特别是那些敏感于沿接合区的高轮廓或过大的轮廓的那些应用，这个低轮廓接合区可特别有利。通常，常规的接搭处具有不理想的过量的轮廓，是每一个超导段的标称厚度的两倍的数量级。这样的厚度或轮廓在很多应用中并不被容许，且可损害根据现有技术的接搭区制成的接头区的机械性能。注意,并不是在一般性描述或示例中上述的所有活动都必须,且一部分特定活动可不需要，且在上述之外可执行一个或多个进一步活动。又进一步，这些活动被列出的顺序也不必须是这些活动被执行的顺序。在上述说明书中，已参考特定实施例描述了这些概念。然而，本领域普通技术人员将理解，可作出各种修改和改变而不背离下面的权利要求中陈述的本发明的范围。因此，说明书和附图将按照说明的意义而不是限制的意义来看待，且所有此类修改旨在被包含在本发明的范围内。如此处所使用的，术语“包括(comprises)，，、“包括(comprising)”、"包含(includes)”、“包含(including)”、“具有(has)”、“具有(having)”或其任何其他变形,意在覆盖非限制性包括。例如，包括特征列表的过程、方法、制品、或装置并不限于这些特征，而是可包括没有被表达列出或在这样的过程、方法、制品、或装置内的其他特征。进一步，除非另有所指，“或”是指包含性或而不是排他性或。例如，条件A或B满足以下中任意:A为真(或存在)且B为假(或不存在)、A为假(或不存在)且B为真(或存在)、和A和B均为真(或存在)。还有，“一”或“一个”的使用被用于描述次数描述的元件和组件。这仅是为了方便起见以及对于本发明的范围给出一般意义。本描述应该被解读为包括一个或至少一个，且单数包括复数情况，除非明显另有所指。本文中针对具体实施例上述了益处、其它优点以及问题的解决方案。然而，这些益处、优点、问题的解决方案以及可使任何益处、优点或解决方案发生或变得更突出的任何特征(多个)不应当解释为任何或所有权利要求的关键、必需的或实质的特征。
在阅读本说明书之后，本领域技术人员将了解到，为了简洁起见，在各实施例的情况下所描述的特定特征还可在单个实施例的组合中被提供。相反，为了简洁而在单个实施例的情况下所描述的各种特征也可分别提供或以任意子组合提供。进一步，对于在范围内陈述的各种值的提及包括范围内的各自和每一个值。尽管已经以特定实施例的方式说明和描述了本发明，其并不意在限制于图示的细节，因为可以任何方式在不背离本发明的范围的情况下做出各种修改和替换。例如，可提供附加或等效的替代物且可采用附加或等效的生产步骤。因此，对于本领域技术人员而言，在使用不超出常规实验的情况下，可发现此处公开的本发明的进一步修改和等效物，且所有这些修改和等效物被认为是落在由下述权利要求所定义的本发明的范围内。
权利要求
1.一种超导制品，包括: 具有标称厚度tnl的第一堆叠的超导段，所述第一堆叠的超导段包括第一和第二超导段； 具有标称厚度tn2的第二堆叠的超导段，所述第二堆叠的超导段包括第三和第四超导段；和 接合区，包括将所述第一和第三超导段连接在一起的第一接头和将所述第二和第四超导段连接在一起的第二接头，所述第一接头沿所述接合区的至少一部分与所述第一和第三超导段的部分相邻并桥接所述第一和第三超导段的部分，所述第二接头沿所述接合区的至少一部分与所述第二和第四超导段的部分相邻并桥接所述第二和第四超导段的部分，所述接合区具有厚度tjr，其中tj,不大于1.8tnl和1.8tn2中的至少一个。
2.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述第一接头包括超导层。
3.如权利要求2所述的制品，其特征在于，所述第一接头还包括覆盖所述超导层的稳定剂层。
4.如权利要求2所述的制品，其特征在于，所述第一接头还包括覆盖所述超导层的衬底。
5.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述第二接头包括超导层。
6.如权利要求5所述的制品，其特征在于，所述第二接头还包括覆盖所述超导层的稳定剂层。
7.如权利要求5所述的制品，其特征在于，所述第二接头还包括覆盖所述超导层的衬底。
8.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述tnl基本等于U。
9.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述不大于1.6tnl和1.Btn2的至少一个。
10.如权利要求9所述的制品，其特征在于,所述tjr不大于1.5tnl和1.Stn2的至少一个。
11.如权利要求10所述的制品,其特征在于,所述tjr不大于1.3tnl和1.3tn2的至少一个。
12.如权利要求1所述的制品，其特征在于，tJr基本等于tnl和U中的至少一个。
13.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述第一超导段包括第一衬底、覆盖所述第一衬底的第一超导层、和覆盖所述第一超导层的第一稳定剂层，所述第二超导段包括第二衬底、覆盖所述第二衬底的第二超导层、和覆盖所述第二超导层的第二稳定剂层，所述第三超导段包括第三衬底、覆盖所述第三衬底的第三超导层、和覆盖所述第三超导层的第三稳定剂层，且所述第四超导段包括第四衬底、覆盖所述第四衬底的第四超导层、和覆盖所述第四超导层的第四稳定剂层。
14.如权利要求13所述的制品，其特征在于，所述第一、第二、第三、和第四超导段分别包括第一、第二、第三、和第四缓冲层，所述第一缓冲层被设置在所述第一衬底和所述第一超导层之间，所述第二缓冲层被设置在所述第二衬底和所述第二超导层之间，所述第三缓冲层被设置在所述第三衬底和所述第三超导层之间，且所述第四缓冲层被设置在所述第四衬底和所述第四超导层之间。
15.如权利要求13所述的制品，其特征在于，所述第一和第二超导段被设置为使得所述第一和第二超导层面向所述第一堆叠的超导段内，且所述第一和第二衬底面向所述第一堆叠的超导段外，且所述第三和第四超导段被设置为使得所述第一和第二超导层面向所述第二堆叠的超导段内，且所述第三和第四衬底面向所述第二堆叠的超导段外。
16.如权利要求13所述的制品，其特征在于，所述第一和第二超导段被设置为使得所述第一和第二超导层面向所述第一堆叠的超导段外，且所述第一和第二衬底面向所述第一堆叠的超导段内，且所述第三和第四超导段被设置为使得所述第一和第二超导层面向所述第二堆叠的超导段外，且所述第三和第四衬底面向所述第二堆叠的超导段内。
17.如权利要求13所述的制品，其特征在于，所述第一和第二超导段被设置为使得所述第一超导层和所述第二衬底面向所述第一堆叠的超导段内，且所述第一衬底和所述第二超导层面向所述第一堆叠的超导段外，且所述第三和第四超导段被设置为使得所述第一超导段和所述第二衬底面向所述第二堆叠的超导段内，且所述第三衬底和所述第四超导段面向所述第二堆叠的超导段外。
18.如权利要求13所述的制品，其特征在于，所述第一、第二、第三、和第四超导层包括高温超导材料，具有不小于约77K的临界温度T。。
19.如权利要求18所述的制品，其特征在于，所述超导体材料包括REBa2Cu3CVx，其中RE是稀土元素。
20.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述制品具有不小于约100的尺寸比。
21.如权利要求20所述的制品，其特征在于，所述制品具有不小于约1000的尺寸比。
22.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述第一、第二、第三、和第四超导段中的每一个具有不小于约10的尺寸比。
23.如权利要求1所述的制品，其特征在于，还包括设置在所述第一接头和所述第一和第三超导层之间的结合层。
24.如权利要求1所述的制品，其特征在于，还包括设置在所述第二接头和所述第二和第四超导层之间的结合层。
25.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述结合层包括焊料。
26.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述接合区具有不大于约100纳欧cm2的接合电阻。
27.一种超导制品，包括: 第一超导段，具有第一衬底和覆盖所述第一衬底的第一超导层； 第二超导段，具有第二衬底和覆盖所述第二衬底的第二超导层；和 位于所述第一和第二超导段之间的铜段； 所述第一和第二超导段被设置为使得所述第一和第二超导层面向所述铜段。
28.如权利要求27所述的制品，其特征在于，所述第一、第二、第三、和第四超导层包括高温超导材料，具有不小于约77K的临界温度T。。
29.如权利要求28所述的制品，其特征在于，所述超导体材料包括REBa2Cu3CVx，其中RE是稀土元素。
30.如权利要求27所述的制品，其特征在于，所述制品具有不小于约10的尺寸比。
31.如权利要求30所述的制品，其特征在于，所述制品具有不小于约100的尺寸比。
32.如权利要求27所述的制品，其特征在于，所述第一和第二超导段中的每一个具有不小于约10的尺寸比。
33.一种形成超导制品的方法，包括: 提供第一和第二超导带，所述第一超导带包括覆盖第一衬底的第一超导层，且所述第二超导带包括覆盖所述第二衬底的第二超导层； 将所述第一超导带结合至铜带的第一主表面，将所述第二超导带结合至所述铜带的所述第二主表面，所述第一和第二衬底带设置为使得所述第一和第二超导层面向所述铜带且所述第一和第二衬底远离所述铜带。
34.如权利要求33所述的方法，其特征在于，所述第一超导带还包括在所述第一超导层和所述第一衬底之间的第一缓冲层，且所述第二超导带还包括在所述第二超导层和所述第二衬底之间的第二缓冲层。
35.如权利要求33所述的方法，其特征在于，所述第一超导带还包括围绕所述第一超导层和所述第一衬底的第一稳定剂层，且所述第二超导带还包括围绕所述第二超导层和所述第二衬底的第二稳定剂层。
36.如权利要求35所述的方法，其特征在于，所述第一和第二稳定剂层各自包括电沉积的铜。
37.如权利要求36所述的方法，其特征在于，所述第一和第二稳定剂层各自具有在约2.5微米到约100微米之间的厚度。
38.如权利要求37所述的方法，其特征在于，所述厚度在约5微米到约50微米之间。
39.如权利要求38所述的方法，其特征在于，所述厚度在约15微米到约25微米之间。
40.如权利要求33所述的方法，其特征在于，所述铜带具有至少约25微米的厚度。
41.如权利要求40所述的方法，其特征在于，所述铜带具有至少约50微米的厚度。
42.如权利要求41所述的方法，其特征在于，所述铜带具有至少约75微米的厚度。
43.如权利要求33所述的方法，其特征在于，所述结合包括在所述铜带和所述第一和第二超导带之间施加焊料。
44.如权利要求33所述的方法，其特征在于，所述焊料包括锡或铟。
全文摘要
一种超导制品，包括第一和第二堆叠的超导段。第一堆叠的超导段包括第一和第二超导段且具有标称厚度tn1。第二堆叠的超导段包括第三和第四超导段且具有标称厚度tn2。该超导制品还包括将第一和第三超导段连接在一起的第一接头和将第二和第四超导段连接在一起的第二接头。第一接头沿接合区的至少一部分相邻于第一和第三超导段的部分并桥接第一和第三超导段的部分，且第二接头可沿接合区的至少一部分相邻于第二和第四超导段的部分并桥接第二和第四超导段的部分。接合区可具有厚度tjr，其中tjr不大于1.8tn1和1.8tn2中的至少一个。
文档编号H01B12/10GK103210455SQ201180054572
公开日2013年7月17日 申请日期2011年9月14日 优先权日2010年9月15日
发明者Y-Y·谢, K·P·朗塞斯, J·沃特曼, V·塞尔瓦曼尼克姆 申请人:美国超能公司