复合超导带材、组合体及制备方法、接头连接或过渡方法

1.本发明涉及超导带材领域，具体地，涉及一种双面导电的复合超导带材、组合体及制备方法、接头连接或过渡方法。


背景技术：

2.以稀土钡铜氧高温超导为代表的多层复合带状导体，其基本结构如图1a和图1b所示，按照导电能力从高到低排序，主要包括超导层101，铜/银等高电导率的金属保护层(高电导层102)，基底合金层(低电导基带103)和绝缘过渡层(高电阻层104)，为了能够看清楚结构，图中的比例将厚度放大了很多，实际中的厚度约为0.1mm级别而宽度为4
–
10mm级别。其中，典型结构中，高电导率的金属保护层102可能为图1a所示的单面覆盖结构或者图1b所示的双面覆盖结构，由于高电阻层的存在，两者在本专利的论述中从导电通路的角度差别不大。高电阻层104的存在，将带材分为了上半部分(超导所在面)和下半部分。在实际的应用，尤其是大电流的正常传输中，超导涂层起到了最重要的电流传导作用，而上半部分的金属保护层102，则起到了电流引入，电流分配，以及非正常工作状态下的分流等作用。下半部分的材料在基本不参与电流的传导和在带材之间的分配。
3.在大型磁体，如加速器磁体或可控聚变磁体中，超导体的应用离不开将多个基本单元(如低温超导导线和本专利中的高温超导带材)组合形成的线缆(或称电缆，导体等，即strand,cable,conductor)。相比于低温超导导线或bi-2223系高温超导带材，稀土钡铜氧高温超导带材具有在高运行温度下对高磁场的耐受性，然而也面临着高电阻层104带来的分流问题。其主要难处在于，其他的超导导线中，超导部分被优良导电性的金属(铜或银)形成的网格(matrix)包围，电流可以较为轻松地从超导通路向周边任意方向的其他超导通路分配，而图1a和图1b中的结构，也是目前稀土钡铜氧高温超导导体的主流结构中，超导通路中的电流实质上仅有一个方向即向表面保护层分配。对于两根带材，可以让彼此面对面组合，电流分配效果很好，当多根带材(多于两根)采用现有的方式堆叠(tstc)或缠绕(corc)的时候，电流的分配相对困难，即使对于双面覆盖的导体图1b也一样。事实上，背向的电流分配主要依赖于高电导层102在带材边缘(即图1a和图1b中的左右两侧)的狭窄通路。涂层超导带材之间电流的分配，一向是比较困难的问题，在当前面临大型化磁体的实用阶段，这个问题变的更加严重。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种复合超导带材、组合体及制备方法、接头连接或过渡方法。
5.根据本发明提供的一种复合超导带材，包括多个超导带材及导体带材，所述超导带材包括：第一超导带材100、第二超导带材300；所述导体带材包括：第一高电导带200、第二高电导带400；
6.所述第一超导带材100包括第一超导层101，所述第二超导带材300包括第二超导
层301，所述第一超导带材100靠近所述第一超导层101的一侧与所述第二超导带材300靠近所述第二超导层301的一侧沿长度方向面对面连接在一起；
7.所述第一超导带材100与所述第二超导带材300在宽度方向上具有预设宽度的错位，使所述第一超导带材100与所述第二超导带材300的连接面分别具有一空余部分；
8.所述第二超导带材300的所述侧的空余部分连接有第一高电导带200，所述第一超导带材100的所述侧的空余部分连接有第二高电导带400。
9.优选地，所述第一超导带材100还包括第一高电导层102和第一低电导基带103，所述第一高电导层102和所述第一低电导基带103共同周向包裹所述第一超导层101；
10.所述第二超导带材300还包括第二高电导层302和第二低电导基带303，所述第二高电导层302和所述第二低电导基带303共同周向包裹所述第二超导层301。
11.优选地，所述第一高电导带200、所述第二高电导带400采用焊接或金属热压接的方式分别连接在所述第二超导带材300、所述第一超导带材100上。
12.优选地，所述第一高电导带200、所述第二高电导带400包括紫铜带材。
13.根据本发明提供的一种复合超导带材的组合体，包括多个上述的复合超导带材；
14.两两所述复合超导带材之间镜面对称，相互层叠连接在一起。
15.优选地，多个所述复合超导带材之间通过焊接、金属压接或外框架固定的方式相互层叠连接在一起。
16.根据本发明提供的一种复合超导带材的组合体的制备方法，包括：将多个权利要求1所述的复合超导带材组装在一起，或者将多个超导带材及导体带材直接构成权利要求5所述的复合超导带材的组合体。
17.优选地，多个所述超导带材和所述导体带材之间通过焊接、金属压接或外框架固定的方式相互层叠连接在一起。
18.根据本发明提供的一种复合超导带材的接头连接方法或过渡方法，采用上述的复合超导带材，执行包括：
19.步骤1：找到所述复合超导带材的缺陷位置，并在所述复合超导带材的长度方向上选择两个位置，使所述缺陷位置位于所述两个位置之间；
20.步骤2：在所述复合超导带材中，将所述两个位置之间的所述第一高电导带200的相应部分和/或所述第二高电导带400的相应部分替换成超导窄带。
21.根据本发明提供的一种复合超导带材的组合体的接头连接方法或过渡方法，采用上述的复合超导带材的组合体，执行包括：
22.步骤1：找到所述复合超导带材的组合体的缺陷位置，并在所述复合超导带材的组合体的长度方向上选择两个位置，使所述缺陷位置位于所述两个位置之间；
23.步骤2：在所述复合超导带材的组合体中，将所述两个位置之间的所述第一高电导带200的相应部分和/或所述第二高电导带400的相应部分替换成超导窄带。
24.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
25.1、本发明的一个重要应用领域是将超导带材多股并联作为大型磁体绕制的基本单位：超导缆线，或称超导导体。在并联导线中，由于稀土钡铜氧超导带材的特殊结构，单根导体之间的电流交换相对困难。而导体间换流对材料的充分利用、导体本身的电热稳定性等关键性能具有非常重要的意义，是目前业内的焦点问题。本发明通过双面交错分布的结
构，将带材之间的低电阻回路从边沿仅有的狭窄通道改善为宽面大通道，可以明显地改善分流状况。
26.2、超导层部分基本位于结构的力学对称中心面，带材的弯曲等机械形变对超导涂层的机械影响被中和，超导带材的机械性能将明显改善。
27.3、本发明可以无视单根超导带材的生产长度限制，在需要的地方添加接头，极大地改善了超导带材的成品率引起的高价格问题，并将连续超导带材的长度延长到任意长度，相比于普通带材接头，该接头并不面对厚度改变，力学特性改变的问题。
附图说明
28.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：
29.图1a、1b分别为传统多层复合带状导体的结构示意图；
30.图2a、2b分别为两种双面导电的复合超导带材的结构示意图；
31.图2c为组合体的结构示意图；
32.图3为双面导电的复合超导带材的截面示意图；
33.图4为组合体的截面示意图；
34.图5为接头的结构示意图。
具体实施方式
35.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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
36.本发明提供的一种双面电导的复合超导带材，包括多个超导带材，如图2a和2b所示，在本实施例中以两个超导带材为例：第一超导带材100、第二超导带材300。
37.如图3所示，第一超导带材100包括第一超导层101，第二超导带材300包括第二超导层301，第一超导带材100靠近第一超导层101的一侧与第二超导带材300靠近第二超导层301的一侧沿长度方向面对面连接在一起。第一超导带材100与第二超导带材300在宽度方向上具有预设宽度的错位。
38.第二超导带材300的侧的空余部分连接有第一高电导带200，第一超导带材100的侧的空余部分连接有第二高电导带400。第一超导带材100还包括第一高电导层102和第一低电导基带103，第一高电导层102和第一低电导基带103共同周向包裹第一超导层101。第二超导带材300还包括第二高电导层302和第二低电导基带303，第二高电导层302和第二低电导基带303共同周向包裹第二超导层301。
39.第一高电导带200、第二高电导带400采用焊接或金属热压接的方式分别连接在第二超导带材300、第一超导带材100上。第一高电导带200、第二高电导带400包括电导率在低电导基带和超导层之间的常规导体带材(优选地为紫铜带材)。四根带材(两根复合超导带材和两根常规导体带材)连接为一个整体结构。其中，超导带材和高电导带的宽度比例可以相对自由地选择，图3中的比例为1：2(金属：超导)。在该结构中，面向任意方向(上、下)，双
面带材都有很大的金属接触面，考虑到实物的比例，该形式下，电流的分配路径电阻减小一到两个数量级。
40.在多根双面电导的复合超导带材使用的时候，比如简单堆叠的情况，可以采用如图2a、2b中的两种镜面对称的双面带材，两者依次堆叠，就可以得到结构如图2c，截面如图4的组合体。其电流分配可以以低阻路径在任意带材之间分配。比如图4中第二超导层301中的电流向第三超导层501分配，其低电阻通路为301
--
302—102—101—102—400—600—702—701—702—502
--
501。根据带材中各部分的性质，该通路看似复杂，实际是低电阻通路：该通路上的箭头都表示垂直方向的通路，每一个箭头对应着一个大接触面而短的电阻通路，而电流在水平方向则需要经过101，701两条超导层进行分配，电阻可以忽略不计。
41.这样的组合体，可以通过将普通带材先组合成双面带材，再将双面带材简单堆叠、堆叠加压、焊接、金属压接或加外框架如金属槽固定构成，也可以直接跳过双面带材结构，将双面带材与高电导带(甚至去掉高电导带)直接组成组合体。该组合体中，可以在带材之间按照需求添加若干层的金属带材，改变超导体的占比，等等。
42.另外，如果本发明的双面带材结构用于电缆、corc导体等交织型结构，则不需要镜面对称的两种双面带材，也可以达到充分换流的效果。
43.双面带材还有一个优势在于可以在不影响带材厚度，不改变带材通流面方向和力学特性的前提下添加接头，如图5所示，假设双面带材中的一条，即图中的第一超导带材100在位置901存在缺陷，是一个电流的低点或者甚至是带材的断点。则可以根据实际情况选择位置902和位置903，并在这位置902和位置903之间将第一高电导带200、第二高电导带400中的一条或两条更换为超导窄带904。由于双面带材结构下良好的分流特性，电流经过该接头时，原本由第一超导带材100承载的电流可以较小的电压为代价，转而向第二超导带材300和超导窄带904部分或全部分配，并在接头的后半段绕过缺陷后，重新流回第一超导带材100。相比于常规的接头，该接头从厚度，机械性能，带材方向上都与接头不存在的差别较小。
44.本发明还提供两种接头连接或过渡的方法：
45.在双面电导的复合超导带材或组合体没有高电导带的情况下：
46.步骤1：在超导带材的长度方向上选择两个位置(位置902和位置903)，缺陷位置901位于所述两个位置之间构成的超导带材段上。
47.步骤2：在所述超导带材段中，于所述第二超导带材300的所述空余部分和/或所述第一超导带材100的所述空余部分设置超导窄带904。
48.在双面电导的复合超导带材或组合体含有高电导带的情况下：
49.步骤1：在超导带材的长度方向上选择两个位置(位置902和位置903)，缺陷位置901位于所述两个位置之间构成的超导带材段上。
50.步骤2：用超导窄带904替换所述超导带材段中的两个或其中一个高电导带。
51.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
52.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述
特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。