高温超导体导线的结构的制作方法
【专利说明】
[0001] 本申请是国际申请号为PCT/US2006/029748,国际申请日为2006年7月28日的 PCT国际申请进入中国国家阶段后的申请，申请号为200680027034. 3，发明名称为"高温超 导体导线的结构"的发明专利申请的分案申请。
[0002] 相关申请
[0003] 本申请涉及下列申请，这里引入其全部内容作为参考：
[0004] 2005年7月 29 日提出的题名为"High Temperature Superconductive Wires and &^18〃（"高温超导体导线和线圈"）的美国专利申请此.60/703,815;
[0005] 2005 年 7 月 29 日提出的题名为〃Thick Superconductor Films With Improved Performance"( "具有改进性能的超导体厚膜"）的美国临时申请No. 60/703,836 ;
[0006] 2004 年 10 月 1 日提出的题名为"Thick Superconductor Films With Improved Performance"( "具有改进性能的超导体厚膜"）的美国临时申请No. 60/615, 289。
技术领域
[0007] 本发明涉及高温超导体领域。具体的，本发明涉及涂覆的导体，又称为第二代高温 超导体导线和带。
【背景技术】
[0008] 高温超导体（HTS)材料提供了一种用来以极低的损失来承载非常大量的电流的 装置。当HTS材料冷却到临界温度以下时，其失去了流过直流电流时的全部阻抗以及流过 交流电流时的近乎全部阻抗。使用这些材料的HTS导线的发展（这里所使用的表述"导线" 指各种导体，包括带状导体）提供了新一代的高效、紧凑和环保的电子设备，其具有改革电 力网、运输、材料处理以及其它工业的潜能。但是，市售产品具有严格的工程需求，这些需求 在商业应用中使得技术实施方式复杂化。
[0009] 在第二代HTS导线技术中，目前所开发的HTS材料通常是多晶的稀土 /碱土 /氧 化铜，例如钇-钡-氧化铜（YBCO)。HTS材料的电流承载能力与它的结晶排列或晶体织构 (texture)密切相关。已知由相邻结晶HTS晶粒的错位而形成的晶粒边界对超导电流形成 障碍，但是随着排列或织构程度的升高该障碍得以降低。因此，为了使得该材料可应用于市 售产品（例如，HTS导线），该HTS材料必须在相对长的距离上保持高度的结晶排列或组织。 否则，将限制超导电流承载能力（临界电流强度）。
[0010] 可通过在柔性带状基片的顶部外延地生长材料薄层，在大面积上制造具有高度结 晶排列或织构的HTS材料，使其在其表面处具有高度的结晶织构。当在该表面上外延生长 结晶HTS材料时，HTS材料的晶体排列与基片的质地相匹配。换句话说，基片织构为晶体HTS 材料的外延生长提供了模板。此外，基片为HTS层提供了结构的整体性。
[0011] 可将基片构造成提供生产具有优秀的超导性能（例如高临界电流强度）的外延 HTS层的模板。可以使用例如镍、铜、银、铁、银合金、镍合金、铁合金、不锈钢合金和铜合金等 材料。可以使用变形工艺构造基片，例如包括对基片进行旋转和再结晶退火的工艺。该工 艺的例子是轧制辅助双轴织构基片（RABiTS)工艺。该工艺中大量的金属通过变形处理和 退火而被经济地处理并获得高度的织构。迄今通过该方法生产例如宽4厘米的金属条，每 一条可以被切开为多个更小的导线（即，〇. 4cm的10条导线）。
[0012] 可在要在其上生长HTS材料的具有适当结晶模板的基片表面上沉积或生长一个 或多个缓冲层。缓冲层还能够提供以下额外作用：防止原子随时间的推移从基片材料扩散 到HTS材料的晶格或防止氧原子随时间的推移扩散到基片材料。该扩散，或者"污染"，能够 破坏结晶排列并由此降低HTS材料的电特性。缓冲层还能够为基片与HTS层之间增强的粘 合力。此外，缓冲层能够具有与超导材料的热膨胀系数良好匹配的热膨胀系数。为了该技 术在商业应用的实施，当导线被压迫时，该特征是令人满意的，因为它有助于防止HTS层从 基片的剥离。
[0013] 或者，可以使用非织构基片，例如哈斯特镍合金，并通过例如离子束辅助器沉积 (IBAD)或倾斜基片沉积（ISD)的方法沉积经织构的缓冲层。可以任选地在IBAD或ISD层 上外延地沉积额外的缓冲层，来为HTS层的外延沉积提供最后的模板。
[0014] 通过将基片和一个或多个缓冲层的适当结合作为模板，可以外延生长具有优秀结 晶排列或织构的HTS层，其对模板表面也具有良好的粘合性，并对来自基片的原子的污染 具有充分的阻障力。HTS层能够通过各种方法中的任一种来沉积，包括金属有机沉积（MOD) 工艺、金属有机化学气相沉积（MOCVD)、脉冲激光沉积（PLD)、热或电子束蒸发或其它合适 的方法。最后，可在该多层组件上增加一个盖层，其有助于由上方防止HTS层受污染。盖层 可以是例如银，可以例如溅射到HTS层上。示例性的多层HTS组件包括具有5%钨合金的双 轴织构镍基片；顺序沉积的Y 2〇3、YSZ和&02外延层；YBCO外延层；和Ag盖层。这些层的示 例性厚度为：约25-75微米的基片，各约75纳米的缓冲层，约1微米的YBCO层和约1-3微 米的盖层。迄今已使用例如上述工艺制造了 100米长的HTS导线。在该组件中，基片的底 部可被认为是该组件的"背部"，而盖层的顶部则被认为是"前部"。
[0015] 使用期间，能够承受弯曲应力的HTS导线是理想的。弯曲引起了该弯曲的凸起外 表面上的拉伸应变和该弯曲的凹进内表面上的压缩应变，由此取决于导线弯曲方向地使得 HTS层遭受拉伸或压缩应变。虽然适度的压应力能够实际地提高HTS层的电流承载能力， 通常使整个组件承受应力（特别是重复地应力）会使导线处于机械损坏的危险中。例如， HTS层中会形成裂隙并蔓延，减低了导线的机械和电性能，或者各种层会彼此分离或从基片 剥离。
[0016] 美国专利No. 6, 745, 059和美国专利No. 6, 828, 507 (例如）描述了降低HTS层中 应力的方法。例如，可将经选择具有和基片相似厚度和机械特征的铜带粘合到插入物的上 表面上。如此把HTS层大致上夹在整个结构的中间，因此如果该结构弯曲，HTS层既不在弯 曲的外表面也不在弯曲的内表面。可以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。在这种情况下，两个基片面朝外，铜带处于组件的中间。此时，第二个 组件的加入提供了额外的电流承载能力；但是，与HTS层的电接触需要接合导线开口或部 分地去除接触部分中的插入物之一。
[0017] 涂覆的导体HTS导线的另一个问题是使用导线时环境对其的污染。暴露于外界将 缓慢地降低HTS层的电性能。而且，当存在与导线接触的低温液体（诸如液氮）时，液体将 扩散到导线内的孔中，并在受热时形成会破坏导线的"气球"。需要密封导线来防止HTS层 暴露在外界中或低温液体进入到导线中。美国专利No. 6, 444,917(例如）中描述了对HTS 组件的密封。
【发明内容】
[0018] 所述的多层高温超导体（HTS)导线具有改进的电流分配、良好的机械性能、HTS组 件与外界环境的高度隔离、与外部电连接或接点更高效的电接触，和/或提升的电稳定性。 还描述了具有电稳定性的HTS导线，该电稳定性可在过电流（即超过HTS层的临界电流的 电流）时保护HTS层。过电流将导致HTS层变得有电阻，并产生热。当在HTS层局部区域 中流过的电流被裂隙或其它缺陷阻断时，电稳定性提供了可替换的电流通路。
[0019] 依照本发明的一个方面的叠层的超导体导线，包括具有长度和宽度的超导体导线 组件。该组件包括第一超导体插入物和第二超导体插入物，所述第一超导体插入物具有覆 盖第一基片的第一高温超导体层，所述第二超导体插入物具有覆盖第二基片的第二高温超 导体层。第一和第二超导体插入物在其各自的基片处结合在一起。还包括基本围绕该超导 体导线组件的导电结构体。
[0020] 在本发明的一个方面中，导电结构体包括第一导电带和第二导电带，超导体导线 组件插入其中并与第一和第二导电带电接触。该结构体还包括基本上无孔的导电填充物。 该填充物在第一和第二导电带之间沿着超导体导线组件的长度延伸。在一个或多个实施方 式中，第一和第二导电带具有大于超导体导线组件的宽度。
[0021] 在本发明的另一方面中，导电结构体包括至少在三个侧面，部分地围绕并电接触 超导体导线组件的导电层。该结构体还包括基本上无孔的导电填充物，其中填充物基本上 围绕超导体导线组件并将其接合到导电层。在一个或多个实施方式中，基本上无孔的导电 填充物基本上填充超导体导线组件中以及位于超导体导线组件与导电层之间的空隙。
[0022] 在本发明的另一个方面中，导电结构体包括基本上围绕并电接触超导体导线组件 的导电材料。在一个或多个实施方式中，导电材料包括选自下组的材料：导电聚合物、填充 有细金属粉末的聚合物和导电胶。
[0023] 在一个或多个实施方式中，导电材料包括包装在超导体导线组件四周的导电箔。 在一个或多个实施方式中，至少一层基本上无孔的材料基本上围绕导电箔。
[0024] 在一个或多个实施方式中，接合材料（bonding material)把第一基片和第二基片 接合在一起。接合材料可以是选自导电材料或非导电材料的材料。接合材料可以包括与基 本上无孔的导电填充物相同的材料。接合材料可以包括至少一层导电材料和至少一层非导 电材料。在一个或多个实施方式中，第一基片和第二基片具有被处理为提供基片之间的电 接触的表面。
[0025] 在一个或多个实施方式中，第一和第二基片具有相应的第一和第二润湿层，它们 沉积在与HTS层覆盖的基片表面相反的表面上。
[0026] 在一个或多个实施方式中，导电材料层基本上围绕超导体导线组件。
[0027] 本发明的另一个方面，叠层超导体导线包括具有长度和宽度的超导体导线插入 物。该插入物包括覆盖在基片表面上的高温超导体层，和沉积在相反于高温超导层的基片 表面上的润湿层。该导线还包括导电结构体，其基本围绕超导体导线插入物。导电结构体 包括第一导电带和第二导电带，其中超导体导线插入物插入其间并与第一和第二导电带电 接触。导电结构体还包括基本上无孔的导电填充物，其在第一和第二导电带之间沿着超导 体导线插入物的长度延伸。
[0028] 在一个或多个实施方式中，第一和第二导电带具有大于超导体导线组件宽度的宽 度。
[0029] 在一个或多个实施方式中，导电材料层基本围绕超导体导线插入物。
[0030] 依照本发明的一个方面，制造叠层超导体导线的方法包括提供具有长度和宽度的 超导体导线组件。该组件包括第一超导体插入物和第二超导体插入物，所述第一超导体插 入物具有覆盖第一基片的第一高温超导体层，而所述第二超导体插入物具有覆盖第二基片 的第二高温超导体层。第一和第二超导体插入物在其各自的基片处结合在一起。该方法包 括将第一和第二高温超导体层层叠到相应的具有基本上无孔的导电填充物的第一和第二 导电带。该方法包括在第一和第二导电带之间沿着超导体导线组件的长度沉积额外的填充 物，使得第一和第二导电带和填充物一起基本上围绕超导体导线组件。
[0031] 在一个或多个实施方式中，该方法包括在第一和第二基片之间提供接合材料。在 一个或多个实施方式中，该方法包括在相应第一和第二基片的相反于高温超导体层的表面 上提供第一和第二润湿层。
[0032] 在本发明的一个或多个实施方式中，第一和/或第二超导体层可以由稀土-碱 土 -氧化铜制成。此外，可将缓冲层插入到第一和/或第二超导体层与一个或多个相应基 片之间。还可将导电盖层插入导电结构体和相应的超导体层之间，并与它们电接触。
[0033] 在本发明的另一个方面中，超导体导线组件包括：第一超导体插入物，其包括第一 基片、覆盖第一基片的第一缓冲层、覆盖第一缓冲层的第一高温超导体层，和覆盖第一高温 超导体层的盖层；以及第二超导体插入物，其包括第二基片，覆盖第二基片的第二缓冲层， 覆盖第二缓冲层的第二高温超导体层，和覆盖第二高温超导体层的盖层。第一和第二超导 体插入物在其各自的基片处结合在一起。
[0034] 依照发明的一个或多个实施方式的层叠的超导体导线与先前所知的导线构造相 比，具有高的电流承载能力，并可同时具有改进的电流分配、HTS组件与外界的高度隔离，以 及易于使用。
[0035] 表述"HTS插入物"是指包括基片、一个或多个缓冲层、HTS层和盖层的多层结构 体。通常在该HTS插入物中，HTS层通过一个或多个缓冲层与金属基片电隔离。但是，如果 使用导电缓冲层，HTS层可以电连接到金属基片。或者，导电盖层可以与HTS层和基片接触， 并提供两者之间的电接触。
[0036] 表述"HTS组件"是指包括至少一个HTS插入物的结构，但是其可以包括一个或多 个HTS插入物和/或其它的附加层。表述"HTS导线"或"HTS带"是指如下的HTS插入物 或组件：它们包括通常能为HTS插入物或组件提供结构稳定性、热稳定性、和/或电稳定性 的外部结构或涂层。
[0037] 表述"密封"是表示基本上围绕和基本上与外界物理隔离。表述"密封"可以包括， 但是不是必须包括，对正常环境下气体或液体穿透的基本不透过性。
【附图说明】
[0038] 将参照下列附图描述发明，该附图是用于仅仅说明的目的而非限制本发明。
[0039] 图1是组件的截面图示，该组件具有两个HTS插入物，这两个HTS插入物在它们的 基片处结合在一起；
[0040] 图2A示出具有结合在一起的HTS插入物的导线，所述HTS插入物层叠和密封于两 个导电稳定带之间；
[0041] 图2B示出制造具有HTS插入物的导线的方法，这些插入物结合在一起并层叠和密 封于两个导电稳定带之间；
[0042] 图3A示出具有两个结合的HTS插入物的导线，所述HTS插入物密封在三侧导电槽 的内侧；
[0043] 图3B示出具有两个结合的HTS插入物的导线，所述HTS插入物以另一种排列方式 并密封在三侧导电槽的内侧；
[0044] 图4A示出具有两个结合的H