增强超导线材及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本申请大体涉及用于高温超导（HTS)带的增强材料，和包含这些材料的增强超导 带物品。更具体地，本文中描述了用于显著减少所需增强的量并且在实际导体尺寸下达到 高得多的应力耐性的增强材料。
【背景技术】
[0002] 呈合适地开发的形态的超导材料在极低温下能传输由诸如横截面积相同的铜、铝 和银的电阻材料能实际且经济地传输的电流许多倍（超过10倍，并且高达至100000倍） 的电流而不过热。为了在本文件中的清楚性的目的，将具有小于约3的横截面形状长宽比 (aspect)的电导体通常但不唯一地称为线材，同时将具有大于约3的横截面形状长宽比的 导体（图1、2、4、6和9)称作带，并且将包含2个以上导体的束称作线缆。全部三种类型都 可以用于制造在固定磁体应用如MRI(磁共振成像）、NMR(核磁共振）和加速器磁体中以 及在移动磁体应用中如在例如风力发电机中能生成非常大的磁场的线圈。这些导体也可以 用于在电流非常高的线缆中长距离传输非常大量的电力而能量损失非常小。在磁体的情况 下，导体中的移动电荷和大磁场之间的相互作用能在高磁场下的导体中产生非常大的轴向 力（洛伦兹力F=ILXB，其中I是电流，L是导体长度且B是影响该导体的磁场，并且X 表示交叉乘积），从而需要具有非常高水平的轴向应力耐性而不劣化导体性质主要是其通 电能力的增强导体。
[0003] 已知存在通过添加增强构件来接收这种应力的增强的超导带（参考例如美国 专利号5059582,美国专利号5801124,美国专利号5987342,美国专利号6230033,美国 专利号 6711421，A.Otto，E.J.Harley和R.Mason，超导科学与技术（Supercond.Sci. Technol.) 18 (2005)S308-S312 和A.Otto,E.Podtburg，R.Mason和P.Antaya，IEEE应用超导 汇刊（IEEETransactionsonAppliedSuperconductivity)，第 17卷，第3071-3074页）〇
[0004] 现有技术文献
[0005] 专利文献
[0006] 专利文献1 :美国专利号5059582
[0007] 专利文献2 :美国专利号5801124
[0008] 专利文献3 :美国专利号5987342
[0009] 专利文献4 :美国专利号6230033
[0010] 专利文献5 :美国专利号6711421
[0011] 非专利文献
[0012]非专利文献 1 :A.Otto，Ε. J.Harley和R.Mason，超导科学与技术 18 (2005) S308-S312
[0013] 非专利文献 2 :A.Otto,E.Podtburg，R.Mason和P.Antaya，IEEE应用超导汇刊，第 17 卷，第 3071-3074 页
【发明内容】
[0014] 技术问题
[0015] 虽然超导材料能超过某一临界电流（Ic)和相应的临界电流密度水平（Jc)传输比 电阻材料大得多的电流密度，但是它们呈现出迅速增加的电阻，这限制了它们在Ic和Jc之 下的领域的使用。增强材料和其它材料的添加增加了导体的横截面积，因此降低了在达到 超导材料的固有Jc之前导体能运作的最大工程电流密度（Je)。因此，添加尽可能少的材料 以获得所需水平的增强（和绝缘）具有大的价值和重要性。
[0016] 技术方案
[0017] 本发明鉴定了增强材料的3种属性的特定组合和几种制造HTS带的特定制作条 件，所述HTS带具有与利用横截面尺寸相当的不锈钢增强获得的最好现有技术应力耐性相 比显著提高的轴向拉伸应力耐性。
[0018] 临界增强材料属性为弹性模量、在拉伸变形中如果超过其则发生不可逆塑性应变 的比例限度应变、和热膨胀系数（CTE)，在本发明中认为全部这些必须以组合超过难以达到 的阈值水平。
[0019] 临界制作条件是当将增强条粘结至超导带时必须施加至增强条的高水平拉伸负 荷（导致拉伸弹性应变），和粘附完成时的最高实际温度。
[0020] 临界结构特征和大大提高增强超导体的实用性的临界结构特征是提高应力耐性 至所需水平所需的对导体横截面积的增强的比。本发明在低于35%的横截面积比下提供比 利用现有技术不锈钢能且已达到的拉伸应力耐性大得多的拉伸应力耐性。
[0021] 根据本发明的一个方面的增强超导带包括：超导带部；和连接至所述超导带部的 增强构件。形成所述增强构件的材料包括镍、钴和铬。
[0022] 有益效果
[0023] 根据上述方面，可以获得具有提高的拉伸强度的增强超导带。
【附图说明】
[0024] [图1]图1是根据本发明的一个方面的增强超导带的横截面示意图。
[0025] [图2]图2是根据本发明的该方面的增强超导带的另一个实例的横截面示意图。
[0026] [图3]图3是示出拉伸应力耐性和条厚度之间的关系的图。
[0027] [图4]图4是根据本发明的一个方面的增强超导带的横截面示意图。
[0028] [图5]图5是用于描述形成示于图4中的增强超导带的超导带部的构造的横截面 示意图。
[0029] [图6]图6是根据本发明的一方面的增强超导带的另一个实例的横截面示意图。
[0030] [图7]图7是用于描述制作根据本发明的该方面的增强超导带的方法的流程图。
[0031] [图8]图8是用于描述制作图7中示出的增强超导带的方法的示意图。
[0032] [图9]图9是根据本发明的该方面的增强超导带的横截面的照片。
[0033] [图10]图10是示出使用根据本发明的该方面的增强超导带的线圈的示意图。
[0034] [图11]图11是用于描述制作根据本发明的该方面的增强超导带的方法的示意 图。
[0035] [图12]图12是用于描述根据本发明的该方面的增强超导带的效果的示意图。
[0036] [图13]图13是示出金属材料的CTE和模量之间的关系的图。
[0037][图14]图14是超导带的一个实例的横截面的照片。
[0038] [图15]图15是利用不锈钢增强的超导带的一个实例的横截面的照片。
[0039][图16]图16是利用铜合金增强的超导带的一个实例的横截面的照片。
[0040] [图17]图17是用于制作根据本发明的该方面的增强超导带的装置的照片。
[0041] [图18]图18是示出临界拉伸应力和增强构件的厚度之间的关系的图。
[0042][图19]图19是示出最大工程电流密度（Je)和增强构件的厚度之间的关系的图。
[0043][图20]图20是示出施加至增强超导带的拉伸应力和临界电流之间的关系的图。
[0044][图21]图21是示出增强超导带的临界拉伸应力的图。
[0045][图22]图22是示出对超导带的拉伸试验的照片。
[0046] [图23]图23是示出拉伸试验的结果的图。
【具体实施方式】
[0047] 下文中将参照附图描述本发明的实施方式。
[0048](本发明实施方式的描述）
[0049] 根据本发明的一方面的增强超导带1包括超导带部120、1020和连接至所述超导 带部的增强构件1030。形成增强构件1030的材料包括镍、钴和铬。因此，通过使用包含上 述材料的合金作为增强构件，可以获得如下的增强超导带，所述增强超导带具有与利用由 常规不锈钢制成的增强构件达到的拉伸强度相比增加的拉伸强度。
[0050] 在上述增强超导带中，超导带部可以包括铋系超导导体。增强构件的横截 面积对增强超导带的横截面积的比可以为35%以下。在此所述铋系超导导体是由 Bi(铋）-Sr(锶）-Ca(钙）-Cu(铜）-0 (氧）形成的氧化物超导体，并且指的是由化学式如 (Bi，Pb)2Sr2Ca2Cu30x表示的氧化物超导体。在这种情况下，增强构件的横截面积对增强超导 带的总横截面积的比是足够低的。因此，可以减少如下问题的发生：当增强超导带被用于形 成线圈等时，线圈的每单位横截面积的流通电流量由于增强构件的存在而变得过小。
[0051] 在上述增强超导带1中，超导带部可以包括钇系超导导体。增强构件的横截面 积对增强超导带的横截面积的比可以为80%以下。在此所述钇系超导导体指的是包括由 化学式YBa2Cu30x表示的氧化物超导体和稀土系氧化物超导体如HoBCO(钬系超导材料： H〇Ba2Cu30x)和GdBC0(|L系超导材料：GdBa2Cu30x)两者的超导导体。在这种情况下，增强构 件的横截面积对增强超导带的总横截面积的比是足够低的。因此，可以减少如下问题的发 生：当增强超导带被用于形成线圈等时，增强超导带的每单位横截面积的流通电流量由于 增强构件的存在而变得过小。增强构件的横截面积对增强超导带的横截面积的比可以为 60%以下。
[0052] 在上述增强超导带1中，可以沿着超导带部的延伸方向对超导带部施加压缩应 力。在这种情况下，上述压缩应力用作对施加至增强超导带1的拉伸应力的抵抗成分。因 此，与不施加上述压缩应力至超导带部的情况相比，在增强超导带中可以实现更高的临界 拉伸应力。
[0053] 在上述增强超导带1中，在形成增强构件的材料中，镍可以在从20重量％以上至 42重量％以下的范围内，钴可以在从23重量％以上至44重量％以下的范围内，铬可以在 从14重量％以上至26重量％以下的范围内。在这种情况下，增强构件的强度可以可靠地 提尚。
[0054] 在上述增强超导带1中，镍可以在从25重量％以上至37重量％以下的范围内。在 这种情况下，增强构件的强度可以进一步提高。
[0055] 在上述增强超导带1中，钴可以在从28重量％以上至39重量％以下的范围内。在 这种情况下，增强构件的强度可以进一步提高。
[0056] 在上述增强超导带1中，铬可以在从19重量％以上至21重量％以下的范围内。在 这种情况下，增强构件的强度可以进一步提高。
[0057] 在上述增强超导带1中，形成增强构件的材料可还包括钛。在这种情况下，增强构 件的强度可以进一步提尚。
[0058] 在上述增强超导带1中，增强构件可以使得根据以下方程定义的特性值F0M可以 超过1050%GPa/K:F0M=全部在273K~323K的温度范围内的CTEX比例限度应变X模 量，其中CTE以PPMm/m/K计，弹性模量以GPa计并且比例限度应变以百分比计。通过使用 满足该条件的增强构件，能可靠地提高增强超导带的拉伸强度。
[0059] 在上述增强超导带1中，相对于当不施加拉伸应力