一种高温超导涂层导体的绝缘方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及高温超导材料领域，特别是关于一种高温超导涂层导体的绝缘方法。
【背景技术】
[0002]高温超导技术发展至今已经取得了很大的进展，已有很多实际应用。目前，以钇钡铜氧涂层导体为代表的高温超导导线(又称为高温超导涂层导体，二代高温超导导线)的应用越来越广泛。高温超导涂层导体具有多层结构，具有很大的临界电流密度，并且在低温、强磁场下也具有良好的临界电流密度性能。
[0003]在不少应用场合，需要高温超导导线的表面有电绝缘层。目前通常采用自粘性聚酰亚胺薄膜带对高温超导导线进行绕包电绝缘处理(国内专利CN200510032515)。但这种电绝缘方式有以下几个问题。(I)绕包电绝缘有两种方式。一种是沿高温超导导线的长度方向粘上自粘性聚酰亚胺薄膜带，再纵向将自粘性聚酰亚胺薄膜带包扎在高温超导导线上。另一种是沿高温超导导线的纵向绕包上自粘性聚酰亚胺薄膜带。第一种方式将使得在自粘性聚酰亚胺薄膜带重叠的地方导线厚度较大，导致导线整体不平整。第二种方式也会使得导线在长度方向上周期性出现不平整。如果自粘性聚酰亚胺薄膜带重叠度较小，则当高温超导导线的宽度或厚度，或者长度方向的直线度发生变化时容易发生“漏包”的现象，从而使得超导导线裸露出来，起不到绝缘的效果。(2)自粘性聚酰亚胺薄膜带与超导导线之间并不能保持很好的接触，特别是在长时间浸泡在液氮或液氦的情况下，自粘性聚酰亚胺薄膜带容易因为失去粘性等原因而与高温超导导线之间发生分离。如果发生分离，则增大了液氮或液氦进入高温超导导线的可能性，这将可能降低导线的电流性能或者使得导线发生开裂。这种分离还会使得导线周围出现可自由活动的空间，对导线的固定、保护和制冷等也都有不利影响。(3)自粘性聚酰亚胺薄膜带比较柔软，力学性能较差，不能对具有多层结构的高温超导涂层导体起到很好的保护和固定作用。(4)聚酰亚胺对于环氧树脂的浸润性很低，这也不利于后续固化过程中环氧树脂固化在高温超导导线上。(5)目前普通使用的自粘性聚酰亚胺薄膜带的厚度较大(一般不小于50微米)，这会相当于降低了超导电流的密度。这就造成了在使用中容易出现绝缘较差的问题，在很大程度上限制了该高温超导材料的应用发展。
【发明内容】
[0004]本发明所涉及的高温超导涂层导体绝缘方法，是在高温超导涂层导体上直接涂覆电绝缘漆。利用本发明制备的高温超导涂层导体的绝缘层厚度均匀，避免了超导导线绝缘层局部裸露的现象，并具有良好的电绝缘性能和很好的机械性能。
[0005]本发明所涉及的高温超导涂层导体具有多层结构。典型的高温超导涂层导体，是在不锈钢、N1-W合金等基底材料上，在通过物理或化学的方法生长阻隔层、缓冲层等多层材料后，在其上面再生长具有超导性能的高温超导材料，例如ReBCO(Re为稀土元素)，典型的为钇钡铜氧(YBCO)超导涂层材料。在高温超导材料的制备过程中，还可以引入掺杂元素或人工钉扎中心以提高高温超导材料在磁场下的性能。随后再在高温超导材料层上覆盖银、金等保护材料。典型的高温超导涂层导体截面图如图1所示。目前已经工业化生产的YBCO高温超导涂层导体的厚度为50-500微米，宽度为1-30毫米，常见的YBCO高温超导涂层导体尺寸厚度为100微米，宽度为4-12毫米。高温超导涂层导体的厚度很小，但宽度要大得多，因此，高温超导涂层导体具有很大的宽厚比，宽厚比通常大于10。
[0006]由于高温超导涂层导体厚度比较小，在使用中容易损伤，为了提高高温超导涂层导体的机械性能，通常会在高温超导涂层导体使用加强材料进行加强。一种方式是在高温超导涂层导体的外表面通过电镀等方法覆盖上一层金属材料，例如铜。另一种方式是通过焊接的方式将加强材料覆盖在高温超导涂层导体的宽面上，例如使用黄铜、不锈钢等。还有一种方式是同时采用上述两种加强方式。各种加强方式的结构示意图如图2所示。为了达到良好的加强效果，加强材料层的厚度一般达5-500微米，常见的加强材料层的厚度一般达5-50微米。
[0007]综上所述，高温超导涂层导体具有很大的宽厚比，这使得对导体窄面的绝缘处理变得很困难。同时高温超导涂层导体的横截面接近矩形，在导体上存在尖角。对于加强型的高温超导涂层导体，加强材料的使用使得窄面具有更加不规则的形状，甚至还有凹面的存在。在涂覆电绝缘漆的过程中，相比于平面，在尖角或凹面部分，电绝缘漆很难均匀地涂覆上去，从而影响到最终的绝缘性能。因此，尖角和凹面的存在也增加了绝缘漆处理的难度。本发明针对具有这么大的宽厚比的导体，提出了一种涂覆绝缘漆的方法。
[0008]为实现上述目的，本发明采取以下技术方案:
[0009]一种高温超导涂层导体的绝缘方法，主要是在高温超导涂层导体上直接涂覆电绝缘漆，主要包括如下步骤:
[0010]1.对涂覆电绝缘漆之前的高温超导涂层导体进行预处理。
[0011]高温超导涂层导体进行预处理主要包括以下几种方式:
[0012](I)在制备高温超导涂层导体的过程中对导线的横截面形状进行优化，使得导线的横截面更加光滑，避免尖角和凹面的出现。例如，采用横截面为跑道形或圆角矩形的基底材料取代现在普遍使用的横截面为矩形的基底材料。在制备加强型高温超导涂层导体的过程中，使用的加强材料(如黄铜、不锈钢等)的宽度小于高温超导涂层导体的宽度，避免凹面的出现。
[0013](2)采用物理或化学的方法对高温超导涂层导体进行处理。采用机械打磨、激光切割等方法去除高温超导涂层导体横截面的尖角或凹面。或者采用电腐蚀或化学腐蚀的方式去除高温超导涂层导体横截面的尖角或凹面。
[0014](3)对高温超导涂层导体表面进行电镀、物理或化学沉积等处理，通过调整处理工艺在导体表面形成一层圆滑、致密的无尖角和凹面的金属层。
[0015]2.对经过处理的高温超导涂层导体进行涂覆电绝缘漆的步骤。
[0016]高温超导涂层导体的工作温度为液氮温度(77K)或液氮温度以下的低温。这要求所采用的电绝缘漆在多次“室温-低温”的冷热过程中能保持良好的机械性能、电气性能等。而且，在实际应用中，还会对由高温超导涂层导体制作的线圈等装置用环氧树脂等固化材料进行固化处理，这要求电绝缘漆与环氧树脂之间有很好的亲和性。环氧树脂可以很好地固化在电绝缘漆上，从而对高温超导涂层导体起到支撑、固定和保护等。这也限制了所使用的电绝缘漆的种类的选择。
[0017]本发明所涉及的电绝缘漆，包括但不限于缩醛、聚酯、改性聚酯、聚氨酯、聚酯亚胺、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺等，可以是其中的一种或几种电绝缘漆的配合使用，例如聚酯亚胺+聚酰胺酰亚胺等。所述的涂覆过程至少为一次。
[0018]本发明所述的在高温超导涂层导体上涂覆电绝缘漆的方法，包括使用毛毡法，模具法，印刷法等工艺。
[0019]所述的毛毡法涂漆的方法，主要是用毛毡夹板将毛毡与高温超导带材的宽面或侧面接触在一起，将漆均匀的涂覆在导线上。由于毛毡具有松、软、有弹性、多毛孔的特点，会形成模孔，并刮去导线上多余的漆。另外，毛毡还有通过毛细现象吸收、储存、输送、弥补漆液的作用。毛毡法涂漆结构简单，操作方便。毛毡法涂漆包括但不限于以下这些方式:两块毛毡分别在高温超导涂层导体两个宽面同时进行涂漆；毛毡在高温超导涂层导体的某一宽面上进行涂漆；两块毛毡分别在高温超导涂层导体两个窄面上同时进行涂漆；毛毡在高温超导涂层导体的某一窄面上进行涂漆。在涂漆时，可以是单独采用上述方式的某一种，也可以是混合采用几种不同的方式进行一次或多次涂覆。通过毛毡夹板的夹力可以调节导线上的漆液量。
[0020]所述的模具法涂漆的方法，模具法涂漆的模具由模心和模套两部分组成，模芯是碳化钨等硬质合金制成，模套用普通钢、黄铜或不锈钢制成。模心和模套要紧密地结合在一起，之间绝对不能渗漏漆液。模具法涂漆时，配模很重要。配模的尺寸与导线的尺寸、漆的固体含量、漆的粘度、所需漆膜厚度、涂漆次数等相关。模具法一般适用于粘度比较大的电绝缘漆，并且对漆的粘度变化适应性强。模具法涂漆时，带漆的导线穿过模具，依靠导线与模芯孔之间的间隙使漆液保持一定厚度。当被涂制导线逐次经过逐渐扩大孔径的模具，就能达到所要求的漆膜厚度。
[0021]所述的印刷法涂漆的方法，主要是先把漆通过印刷的方法涂到导线上。印刷的方式有多种，可以是直接把漆直接印刷到导线上，也可以是通过一个或多个转印部件把漆印刷到导线上。印刷板或印刷轮可以是平板、凹版和凸版。可以采用单面印刷的方式，每次印刷导线的某个宽面或窄面。也可以采用双面印刷的方式，每次同时印刷导线的两个宽面或窄面。各种方式的印刷也可以配合在一起使用。通过调节上漆量、涂漆压力等参数可以控制漆膜的质量。
[0022]3.高温超导涂层导体在涂覆电绝缘漆步骤后，需要对电绝缘漆进行固化处理的步骤。
[0023]本发明所述的电绝缘漆的固化，包括热固化、紫外线(UV)固化、自干固化等固化方式。
[0024]所述的热固化的固化方式，烘焙的温度、温度曲线和烘焙时间的控制对于涂漆后导线表面光洁度、色泽和机械性能、热性能以及电气性能有至关重要的影响。在烘焙过程中首先是将漆液中的溶剂蒸发，然后是固化，形成一层漆膜。固化过程中发生的是漆的化学变化，即漆基的交联固化。交联度对漆膜的性能起着决定性的影响。一般来说，烘焙温度越高，交联固化反应越快。烘焙时间对交联固化也有决定性的影响。但是对于高温超导涂层导体，如果烘焙温度过高，会影响高温超导涂层导体的性能。一般来说，烘焙温度不高于600°C。特别是对于某些使用锡焊接的加强型高温超导涂层，更是要求烘焙温度必须在锡的熔点以下，否则会对导体造成破坏性的影响。
[0025]所述的