混合堆叠制备高温超导线的方法与流程

本发明属于超导线材领域，具体涉及一种混合堆叠制备高温超导线的方法。

背景技术：

高温超导带材自发现以来，其研制和生产已取得显著成果。目前，其批量化生产已基本实现。尽管高温超导带材拥有远远超过常规导体的载流能力，但是单根高温超导线材的制备依然需要将多根高温超导带材通过堆叠、扭绞等方式组合在一起，以达到更好的载流能力和更高的物理强度。

常规的高温超导电缆通常以柱形铜芯为依托，将高温超导带材绕制在铜芯表面，再以绝缘层包裹。当发生事故电流时，铜芯可以构成旁路，从而保证失超的高温超导带材得到保护。但是，该技术工艺程序复杂，操作难度较大。

超导线材在超临界电流状态下工作时极易损坏，所以在发生事故电流时，事故电流往往超过超导带材的临界电流，容易造成线材的永久性损坏。因此如何有效实现超导线材在发生事故时的自我保护在超导线材的制备工艺中非常重要。

经过检索发现，当前尚没有将第二代高温超导带材进行混合堆叠以改善其性能的工艺和方法，亦无公开的专利和文献。但有部分类似的专利和文献，其主要内容如下：

中国专利申请号：CN00812272，专利名称：《超导磁性线圈》。该专利自述为：超导线圈及其制造方法包括围绕线圈的轴同心缠绕并沿该轴排置一种超导体带,以限定一个具有沿轴方向从线圈的第一末端至第二末端尺寸递减的开口。超导体带的每一匝都具有保持基本与线圈的轴平行的宽表面。此专利把HTS层大致夹在整个结构的中间，把两个这样的组件在各自的铜带处粘合到一起形成单个HTS导线组件。

美国专利申请号：10/955801，专利名称：《Stacked Filamentary Coated Superconductors》。此专利将四层Roebel结构的带材进行堆叠。

文献“Jikwang Lee,Seungwook Lee,Myungjin Park,and Gueesoo Cha,“Magnetization Loss in HTS Stacked Tapes by Various Directional External Magnetic Fields,”IEEE Trans.Appl.Superconduct.,vol.14,no.2,pp.630–633,2004.”研究了堆叠带材和单层带材由于屏蔽效应产生的特性差异，对比在不同角度外部磁场环境下单层带材和堆叠带材的磁损耗，以及不同绝缘厚度下堆叠带材的磁损耗。实验及仿真结果表示堆叠带材能降低磁损耗，绝缘厚度越小损耗越低。

文献“Myungjin Park,Myeongseob Choi,Seungyong Hahn,Gueesoo Cha,and Jikwang Lee,“Effect of the Stack in HTS Tapes Exposed to External Magnetic Field,”IEEE Trans.Appl.Superconduct.,vol.14,no.2,pp.1106–1109,2004.”研究了不同层数堆叠带材的磁损耗，以及不同绝缘厚度下堆叠带材的磁损耗。以美超公司生产的4.1mm宽BSCCO-2223带材为模型实验，堆叠层数由2、3增加至4时磁损耗逐渐减小，相同堆叠层数的带材绝缘厚度越小磁损耗越小。

文献“Seungwook Lee,HeeJoon Lee,Gueesoo Cha,and Jikwang Lee,“Comparison of AC Losses of HTS Pancake Winding With Single Tape and Multi-Stacked Tape,”IEEE Trans.Appl.Superconduct.,vol.15,no.2,2005.”研究了在堆叠带材中由于相邻带材产生的屏蔽效应，临界电流和交流损耗特性并非单纯的各层带材特性值之和。文中对比了不同层数堆叠带材的临界电流，及分别利用单层带材和堆叠带材的高温超导饼式线圈的交流损耗。

文献“K.Ryu,B.J.Choi,and Y.H.Chun,“Magnetization Loss Characteristics in a Stack of Bi-2223Tapes,”IEEE Trans.Appl.Superconduct.,vol.13,no.2,2003”首先测量了单根带材的磁损耗以验证实验的准确性，对比了单根带材和堆叠带材分别在平行、垂直和纵向磁场下的磁损耗。

上述现有技术中，均未公开将高温超导带材与其他金属带材混合堆叠制备高温超导线的方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种混合堆叠制备高温超导线的方法。在现有第二代高温超导带材的基础上，提出一种全新的工艺方法，通过分切带材并组合堆叠超导细带和其他金属带材，从而获得具有所需临界电流值的超导线材，在提高超导体的载流能力的同时，增强其物理强度和事故保护能力。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种混合堆叠制备高温超导线的方法，包括以下步骤：

S1、将高温超导带材和其它金属带材进行切割；

S2、将切割后的高温超导带材和其它金属带材进行面对面堆叠；

S3、将堆叠好的带材进行封装，即得所述高温超导线。

优选地，所述高温超导带材为第二代高温超导带材。

优选地，步骤S2中，所述切割后的高温超导带材和其它金属带材的宽度均各为1-2mm。

优选地，步骤S2中，所述金属带材包括紫铜带材、黄铜带材、不锈钢带材中的至少一种。

优选地，所述切割方法具体包括如下步骤：将4mm宽的超导带材放入分条机中，分条机切割成4根1mm宽的带材。

优选地，步骤S2中，所述切割后的高温超导带材的厚度为0.04-0.06mm；其它金属带材的厚度为0.08-0.1mm。

优选地，步骤S2中，所述堆叠过程中，高温超导带材的层数与金属带材的层数的比为2:1。金属带材层数过多，会导致不能满足载流要求，并导致电阻值过大，影响线材的超导特性；过少则会导致失去本专利的设计价值，线材物理特性和事故保护能力较弱。

优选地，步骤S2中，所述堆叠方式包括：高温超导带材位于中间，高温超导带材上、下均堆叠其它金属带材。

优选地，所述的面对面堆叠具体采用以下步骤：

根据堆叠方式将每一根切割后的超导带材和其它金属带材分别固定在焊锡装置的放线装置上，将所有带材同时输送入锡炉中，通过滚轮定位进行焊接即可。

优选地，所述每根带材输送入锡炉前需涂覆助焊剂；

所述助焊剂为NCF-1A、NCF-1B、NCF-1C中的一种或多种；

所述带材的输送速度为0.1-3m/s；

所述焊接具体采用在100-300℃温度下将带材涂锡。控制温度在不破坏带材超导特性的前提下进行涂锡。

优选地，步骤S3中，所述封装采用的方法包括将堆叠好的带材裹以绝缘层即可。

本发明采用焊锡装置在将带材进行堆叠的同时进行焊锡，极大的简化了带材堆叠的步骤。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明基于现有的超导带材生产工艺，在基本不改变带材生产成本和研发费用的情况下，通过对超导线材宏观结构的改变，改变其堆叠的成分，实现线材的自我保护能力，同时增强它的物理特性。

2、本发明提出一种全新的高温超导线材的制作工艺。该工艺在实现多根相同宽度的超导带材面对面堆叠的基础上，在其中加入数根相同宽度的其他金属材料的带材，如紫铜、黄铜、不锈钢带，并制备成方形或圆形超导线材。所述的圆形为一种近似圆形，即边长很小的正方形在尺寸上近似于小的圆形

3、该类型的方形或圆形超导线，制作工艺操作简便，制备的线材结构简单，一体成型，机械强度高。在相同的截面积条件下，该种高温超导线材工程载流能力更好。这种制作工艺制程的高温超导线材可以应用于大型电力设备中。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明堆叠制备高温超导线的工艺流程示意图；

图2为本发明制备的高温超导线的临界电流测定结果示意图；

图3为本发明制备的高温超导线的交流损耗测定结果示意图；

图4为本发明制备高温超导线的焊锡装置图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

以下实施例提供了一种混合堆叠制备高温超导线的方法，包括以下步骤：

S1、将高温超导带材和其它金属带材进行切割；

S2、将切割后的高温超导带材和其它金属带材进行面对面堆叠；

S3、将堆叠好的带材进行封装，即得所述高温超导线。

所述高温超导带材为第二代高温超导带材。

步骤S2中，所述切割后的高温超导带材和其它金属带材的宽度为1-2mm。

步骤S2中，所述金属带材包括紫铜带材、黄铜带材、不锈钢带材中的至少一种。

步骤S2中，所述切割后的高温超导带材的厚度为0.04-0.06mm；其它金属带材的厚度为0.08-0.1mm。

步骤S2中，所述堆叠过程中，高温超导带材的层数与金属带材的层数的比为2:1。金属带材层数过多，会导致不能满足载流要求，并导致电阻值过大，影响线材的超导特性；过少则会导致失去本专利的设计价值，线材物理特性和事故保护能力较弱。

步骤S2中，所述堆叠方式包括：高温超导带材位于中间，高温超导带材上、下均堆叠其它金属带材。

所述的面对面堆叠具体采用以下步骤：

根据堆叠方式将每一根切割后的超导带材和其它金属带材分别固定在焊锡装置(如图4所示)的放线装置上，将所有带材同时输送入锡炉中，通过滚轮定位进行焊接即可。

所述每根带材输送入锡炉前需涂覆助焊剂；

所述助焊剂为NCF-1A、NCF-1B、NCF-1C中的一种或多种；

所述带材的输送速度为0.1-3m/s；

所述焊接具体采用在100-300℃温度下将带材涂锡。

步骤S3中，所述封装采用的方法包括将堆叠好的带材裹以绝缘层即可。

实施例1

本实施例提供了一种混合堆叠制备高温超导线的方法，其工艺流程如图1所示，包括以下步骤：

S1、将第二代高温超导带材和黄铜带材进行切割；

S2、将切割后的高温超导带材4根与黄铜带材2根进行面对面的堆叠，其中是第1、6层为黄铜带材，2-5层为超导带材；

S3、将堆叠好的带材进行封装、镀锡等工艺完成其成型，即得所述高温超导线。

对本实施例制备的高温超导线进行相关性能测试，测试结果如图2所示。30cm的制备品在77K温度下，测得临界电流为185A，证明该制品超导特性得以保留，临界电流大小符合预期。同时，对该超导线进行了交流损耗的测试，测试结果如图3所示。从图3中可以看出，椭圆模型和结果更接近于实际结果，实际自场损耗的频率依赖较小。

实施例2

本实施例提供了一种混合堆叠制备高温超导线的方法，其工艺流程如图1所示，包括以下步骤：

S1、将第二代高温超导带材和紫铜带材进行切割；

S2、将切割后的高温超导带材4根与紫铜带材2根进行面对面的堆叠，其中是第1、6层为紫铜带材，2-5层为超导带材；

S3、将堆叠好的带材进行封装、镀锡等工艺完成其成型，即得所述高温超导线。

对本实施例制备的高温超导线进行相关性能测试。30cm的制备品在77K温度下，测得临界电流为186A，证明该制品超导特性得以保留，临界电流大小符合预期。

实施例3

本实施例提供了一种混合堆叠制备高温超导线的方法，其工艺流程如图1所示，包括以下步骤：

S1、将第二代高温超导带材和不锈钢带材进行切割；

S2、将切割后的高温超导带材4根与不锈钢带材2根进行面对面的堆叠，其中是第1、6层为不锈钢带材，2-5层为超导带材；

S3、将堆叠好的带材进行封装、镀锡等工艺完成其成型，即得所述高温超导线。

对本实施例制备的高温超导线进行相关性能测试。30cm的制备品在77K温度下，测得临界电流为183A，证明该制品超导特性得以保留，临界电流大小符合预期。

对比例1-1

本对比例提供了一种混合堆叠制备高温超导线的方法，与实施例1的方法基本相同，不同之处仅在于：黄铜带材的位置从第1、6层变为第3、4层。

本实施例制备的高温超导线进行相关性能测试，结果为30cm的制备品在77K温度下，测得临界电流为169A。

对比例1-2

本对比例提供了一种混合堆叠制备高温超导线的方法，与实施例1的方法基本相同，不同之处仅在于：黄铜带材根数变成3根，位置为第1、3、6层。

本实施例制备的高温超导线进行相关性能测试，结果为30cm的制备品在77K温度下，测得临界电流为140A。

对比例2-1

本对比例提供了一种混合堆叠制备高温超导线的方法，与实施例2的方法基本相同，不同之处仅在于：紫铜带材的位置从第1、6层变为第3、4层。

本实施例制备的高温超导线进行相关性能测试，结果为30cm的制备品在77K温度下，测得临界电流为165A。

对比例2-2

本对比例提供了一种混合堆叠制备高温超导线的方法，与实施例2的方法基本相同，不同之处仅在于：紫铜带材根数变成3根，位置为第1、3、6层。

本实施例制备的高温超导线进行相关性能测试，结果为30cm的制备品在77K温度下，测得临界电流为141A。

对比例3-1

本对比例提供了一种混合堆叠制备高温超导线的方法，与实施例3的方法基本相同，不同之处仅在于：不锈钢带材的位置从第1、6层变为第3、4层。

本实施例制备的高温超导线进行相关性能测试，结果为30cm的制备品在77K温度下，测得临界电流为169A。

对比例3-2

本对比例提供了一种混合堆叠制备高温超导线的方法，与实施例3的方法基本相同，不同之处仅在于：不锈钢带材根数变成3根，位置为第1、3、6层。

本实施例制备的高温超导线进行相关性能测试，结果为30cm的制备品在77K温度下，测得临界电流为137A。

表1实施例和对比例制备的高温超导线检测结果

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，以上实施例仅用于说明本发明，而并不用于限制本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。