一种稀土钡铜氧高温超导带材的接头连接方法与流程

本发明涉及一种高温超导带材的接头连接方法。

背景技术：

稀土钡铜氧(REBCO)高温超导带材以其在液氮温区较高的临界电流密度和不可逆场，在超导输电、超导储能、超导磁体、超导故障限流器等方面有着广阔的应用前景。但大尺度、高性能的REBCO带材制备难度相当大，限制了带材的规模化应用。因此，将有限长度的REBCO带材实现有效而高质量的相互衔接对其实际应用至关重要。

目前，国内外普遍采用低熔点的金属焊料如Sn、In/Bi、In/Sn、Sn/Ag等焊接REBCO带材。由于焊料、铜保护层、银保护层，以及层与层之间的界面均具有电阻，导致接头处的接触电阻较大，产生较大的能量耗散。为了进一步减小接头处的接触电阻，日本科学家采取了银扩散法焊接二代带材的接头。即将带材的铜保护层剥离，将两部分带材的银保护层加压衔接，再进行低温退火处理，得到接触电阻进一步减小的接头。但上述手段获得的超导带材接头均存在电阻、不具有超导特性。通过这些接头进行连接的超导带材，工作时，接头处有热损耗，从而导致整个超导带材必须在外加电流源的条件下才能工作。使得超导带材在应用时并不具有完全的超导性质，限制了超导带材的应用。尤其是在应用于超导储能时，时间稍长接头处的热损耗就会损耗掉储存的能量，导致带接头的超导带材不能应用于超导储能。

技术实现要素：

本发明的内容在于克服现有技术的不足，提供一种稀土钡铜氧高温超导带材的接头连接方法，该方法形成的接头为超导接头，在液氮温度下接头处具有超导特性，不存在电阻，避免了稀土钡铜氧高温超导带材接头处的热损耗，提高了高温超导系统的效率，扩大了稀土钡铜氧高温超导带材的应用范围，尤其适用于超导储能的应用。

本发明实现其发明目的，所采用的技术方案是：一种稀土钡铜氧高温超导带材的接头连接方法，其具体做法是：

A、剥离保护层：将稀土钡铜氧高温超导带材的连接端部垂直浸入氨水和双氧水的混合腐蚀液中1min以上，且浸入深度1cm以上，以去除带材表面的铜和银保护层，露出带材内部的超导层；

B、熔融扩散：将A步处理后的两根带材的连接端部搭接并用夹具夹紧，然后将两根带材置于热压炉中，并使两根带材的连接端部置于热压炉的压力装置的正下方；再密封炉膛并对其抽真空，相对真空度为-400Pa到-10Pa之间；随后通过热压炉的压力装置对两根带材的连接端部进行持续加压；同时将炉温升至800-1000℃，并保温1-10min，使接头部分的超导层表面局部熔融；

C、织构融合：将炉温降至700-800℃，并保温1-10h，即获得具有单晶织构且紧密衔接的超导层界面；

D、超导电性再生：去掉两根带材的连接端部的夹具，然后采用激光熔融技术在两根带材的连接端部形成渗氧通孔，再将两根带材置于高压热处理设备，并充入氧气，升温至300-600℃，并保温100-400h，即完成稀土钡铜氧高温超导带材的接头连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一本发明B步的熔融扩散，通过真空条件下对接头部位进行高压、800-1000℃的高温熔融热处理，使接头部分的超导层表面局部熔融，两部分超导层界面之间的原子扩散。随后C步在700-800℃的中温条件下，使接头处两部分超导层在局部熔融相和超导层外延生长的热动力学条件的联合驱动下，实现界面的织构融合即获得具有单晶织构且紧密衔接的超导层界面。最后在D步的渗氧处理，将高温熔融热处理及中温织构融合中丢失的氧重新通过渗氧通孔渗入接头内部，最终获得具有超导特性的稀土钡铜氧高温超导接头。

二与传统的非超导接头相比，采用本发明制得的超导接头具有超导性能，接头处接触电阻为零；提高了高温超导系统的效率，扩大了稀土钡铜氧高温超导带材的应用范围。以其制作的超导线圈无需额外供电，可实现超导带材闭环的持续电流模式应用，尤其适用于超导储能的应用。

进一步，本发明的稀土钡铜氧高温超导带材中的稀土为：钇(Y)、钕(Nd)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)中的一种或者是一种以上的组合。

进一步，本发明的稀土钡铜氧高温超导带材为具有银保护层或铜、银保护层的稀土钡铜氧高温超导带材。

进一步，本发明的B步中通过热压炉的压力装置对两根带材的连接端部进行持续加压的压力为20-120MPa。

进一步，本发明的D步中渗氧通孔的密度为每平方厘米200-600个孔，每个孔的直径为10-50微米。

进一步，本发明的混合腐蚀液中氨水和双氧水的质量比为1：0.3-3。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细的说明。

附图说明

图1是本发明优选实施例制备的钇钆钡铜氧高温超导带材超导接头的I-V曲线测试结果。图中，纵坐标为电压，单位为电磁学单位(μV)；横坐标为电流,单位为电磁学单位(A)。

具体实施方式：

实施例1

一种稀土钡铜氧高温超导带材的接头连接方法，其具体做法是：

A、剥离保护层：将钇钆钡铜氧高温超导带材的连接端部垂直浸入氨水和双氧水的质量比为1：2的混合腐蚀液中2min，且浸入深度2cm，以去除带材表面的银和铜保护层，露出带材内部的超导层；

B、熔融扩散：将A步处理后的两根带材的连接端部搭接并用夹具夹紧，然后将两根带材置于热压炉中，并使两根带材的连接端部置于热压炉的压力装置的正下方；再密封炉膛并对其抽真空，相对真空度为-100Pa；随后通过热压炉的压力装置对两根带材的连接端部进行持续加压，持续加压的压力为50MPa；同时将炉温升至820℃，并保温2min，使接头部分的超导层表面局部熔融；

C、织构融合：将炉温降至750℃，并保温2h，即获得具有单晶织构且紧密衔接的超导层界面；

D、超导电性再生：去掉两根带材的连接端部的夹具，然后采用激光熔融技术在两根带材的连接端部形成渗氧通孔，渗氧通孔的密度为每平方厘米500个孔，每个孔的直径为40微米，再将两根带材置于高压热处理设备，并充入氧气，升温至500℃，并保温300h，即完成钇钆钡铜氧高温超导带材的接头连接。

图1为本实施例制备的钇钆钡铜氧高温超导带材超导接头的界面形貌。在钇钆钡铜氧带材的接头处施加一弯曲应力，接头随着弯曲应力的增加逐渐从界面处开裂。由图1可知，界面处具有明显的开裂形貌。通过扫描电镜的线扫描分析，界面处存在基带和缓冲层的元素成分到超导层的元素成分的变化，进一步证明了界面连接的紧密性。

图2为本实施例制备的钇钆钡铜氧高温超导带材超导接头的I-V曲线测试结果。由图可知该实施例制备的钇钆钡铜氧带材接头的临界电流为31A，证明了采用本发明制备的钇钆钡铜氧带材的接头为超导接头。

实施例2

本例与实施例1的操作基本相同，唯一不同的是：使用的稀土钡铜氧高温超导带材改为钆钡铜氧高温超导带材。

实施例3

一种稀土钡铜氧高温超导带材的接头连接方法，其具体做法是：

A、剥离保护层：将钇钐钡铜氧高温超导带材的连接端部垂直浸入氨水和双氧水的质量比为1：1的混合腐蚀液中1min，且浸入深度1cm，以去除带材表面的银保护层，露出带材内部的超导层；

B、熔融扩散：将A步处理后的两根带材的连接端部搭接并用夹具夹紧，然后将两根带材置于热压炉中，并使两根带材的连接端部置于热压炉的压力装置的正下方；再密封炉膛并对其抽真空，相对真空度为-200Pa；随后通过热压炉的压力装置对两根带材的连接端部进行持续加压，持续加压的压力为60Mpa；同时将炉温升至900℃，并保温5min，使接头部分的超导层表面局部熔融；

C、织构融合：将炉温降至750℃，并保温5h，即获得具有单晶织构且紧密衔接的超导层界面；

D、超导电性再生：去掉两根带材的连接端部的夹具，然后采用激光熔融技术在两根带材的连接端部形成渗氧通孔，渗氧通孔的密度为每平方厘米400个孔，每个孔的直径为30微米，再将两根带材置于高压热处理设备，并充入氧气，升温至400℃，并保温300h，即完成钇钐钡铜氧高温超导带材的接头连接。

实施例4

本例与实施例3的操作基本相同，唯一不同的是：使用的稀土钡铜氧高温超导带材改为钐钡铜氧高温超导带材。

实施例5

一种稀土钡铜氧高温超导带材的接头连接方法，其具体做法是：

A、剥离保护层：将铕钡铜氧高温超导带材的连接端部垂直浸入氨水和双氧水的质量比为1：3的混合腐蚀液中3min，且浸入深度1.5cm，以去除带材表面的银和铜保护层，露出带材内部的超导层；

B、熔融扩散：将A步处理后的两根带材的连接端部搭接并用夹具夹紧，然后将两根带材置于热压炉中，并使两根带材的连接端部置于热压炉的压力装置的正下方；再密封炉膛并对其抽真空，相对真空度为-10Pa；随后通过热压炉的压力装置对两根带材的连接端部进行持续加压，持续加压的压力为120Mpa；同时将炉温升至1000℃，并保温10min，使接头部分的超导层表面局部熔融；

C、织构融合：将炉温降至800℃，并保温10h，即获得具有单晶织构且紧密衔接的超导层界面；

D、超导电性再生：去掉两根带材的连接端部的夹具，然后采用激光熔融技术在两根带材的连接端部形成渗氧通孔，渗氧通孔的密度为每平方厘米600个孔，每个孔的直径为50微米，再将两根带材置于高压热处理设备，并充入氧气，升温至600℃，并保温400h，即完成铕钡铜氧高温超导带材的接头连接。

实施例6

本例与实施例5的操作基本相同，唯一不同的是：使用的稀土钡铜氧高温超导带材改为镝钡铜氧高温超导带材。

实施例7

一种稀土钡铜氧高温超导带材的接头连接方法，其具体做法是：

A、剥离保护层：将钇钡铜氧高温超导带材的连接端部垂直浸入氨水和双氧水的质量比为1：0.3的混合腐蚀液中5min，且浸入深度2cm，以去除带材表面的银保护层，露出带材内部的超导层；

B、熔融扩散：将A步处理后的两根带材的连接端部搭接并用夹具夹紧，然后将两根带材置于热压炉中，并使两根带材的连接端部置于热压炉的压力装置的正下方；再密封炉膛并对其抽真空，相对真空度为-400Pa；随后通过热压炉的压力装置对两根带材的连接端部进行持续加压，持续加压的压力为20Mpa；同时将炉温升至800℃，并保温1min，使接头部分的超导层表面局部熔融；

C、织构融合：将炉温降至700℃，并保温1h，即获得具有单晶织构且紧密衔接的超导层界面；

D、超导电性再生：去掉两根带材的连接端部的夹具，然后采用激光熔融技术在两根带材的连接端部形成渗氧通孔，渗氧通孔的密度为每平方厘米200个孔，每个孔的直径为10微米，再将两根带材置于高压热处理设备，并充入氧气，升温至300℃，并保温100h，即完成钇钡铜氧高温超导带材的接头连接。