本实用新型涉及一种全陶瓷高温超导（HTS）线圈, 尤其涉及一种应用于电工电子技术，电子信息领域和储能技术领域的超导线圈结构。
背景技术：
氧化物高温超导（HTS）材料于1986年代被发现，因为其重大的科学意义和它在电子科学技术中的重要应用价值，翌年，发现者德国物理学家J.G.Bednorz与瑞士物理学家K.A.Muller就被授予了1987年度诺贝尔物理学奖。30多年来，高温氧化物超导材料在电工电子、储能和通讯方面的应用研究一直在深入进行中。
超导材料的一项重要应用是用来制造超导线圈和磁体。用超导线绕制成线圈和磁体与传统的金属线绕制的线圈和磁体相比，具有重量轻、体积小、励磁磁场强等优点。但是，氧化物高温超导材料的陶瓷脆性特性，决定了它们的线加工性能很差，因此高温氧化物超导材料的线材制造遇到很大挑战。氧化物高温超导材料无法像传统金属材料导线和低温超导线那样被用来绕制线圈。
直到2005年，美国Superpower超导技术公司才实现100 m窄带线材的突破，并开展了线圈和电机的示范性应用（Physica C 426–431 (2005) 849–857）。
为了克服氧化物高温超导材料的陶瓷脆性缺点，目前采用金属管包覆法（PIT，powder in tube），或者将氧化物超导材料涂覆在有机材料薄膜上制成带材，然后再绕制线圈。例如，1996年，Demarmels等提交的美国专利（US005689223A）给出一种HTS线圈的制作方法。使用的是环氧树脂或塑料增强的氧化物超导带材。2006年，Lee等提交的美国专利（US20070056158Al），给出了一种高温超导氧化物带材的制作方法与其制作线圈的应用。中国实用专利（CN203631223 U）给出的一种高温超导线圈，也是采用聚酰亚胺膜绝缘的超导带材绕制。
这些绕制方法在超导磁体制作中遇到许多难题：1）制作的线圈高温处理时，金属管的氧化问题严重；2）金属管的熔点远远低氧化物超导材料，热处理的温度受限制；3）金属管与氧化物超导材料的膨胀系数差别太大，容易导致金属管中超导线的不连续；4）用这些方法制作的线材或者带材制作磁体线圈时的绕线半径大，不能制作小型线圈；5）现有的高温超导磁体的线圈多采用多个饼型叠加串联，在两个饼型线圈的接头处不可避免地引入电阻，从而影响磁体的稳定性。
自高温超导体被发现以来，人们一直在探索应用它来制造运行在液氮温区的超导磁体。但是，氧化物超导材料的韧性差，制备线材极其困难，因此，高温超导线圈制作和应用困难。
3D打印技术又称增材制造技术，它将传统材料的“去除”制造变化为“增加”制造。首先在三维造型软件中生成物件的三维模型，然后对其进行切片处理，把每层的信息输入到制造装备，通过材料的逐层堆积获得最终具有复杂结构的三维实体物件。
高温超导材料和绝缘陶瓷材料都可以很方便地研磨成固体粉末状材料，溶胶凝胶或者湿化学方法可以方便地直接制备粒度在纳米和微米级的高温超导粉末材料。
技术实现要素：
本实用新型针对现有技术的不足，提供了一种全陶瓷高温超导线圈。
本实用新型中的全陶瓷高温超导线圈，至少有一匝绝缘陶瓷材料包覆的高温超导线圈；超导线用的氧化物高温超导材料、匝间的绝缘材料和线圈骨架材料均为陶瓷材料，采用3D打印的全陶瓷高温超导线圈的工作温度在80 K以下。
所述的高温超导材料为YBa2Cu3Ox（YBCO）或Bi2Sr2Ca2Cu3OX (Bi2223)中的一种。
所述的匝间的绝缘材料为Al2O3，MgO，BN，AlN或ZrO2中的一种。
所述的线圈骨架材料为Al2O3，MgO，BN，AlN或ZrO2中的一种。
本实用新型提供的全陶瓷高温超导线圈制作所使用的超导材料、绝缘材料和骨架材料均为陶瓷材料，打印成型的线圈在热处理时会出现轻微的收缩，可以预先在计算机辅助设计器件三维数字图形时，依据材料收缩率，适当调整三维数字模型中的尺寸。本实用新型所采用3D打印快速成型技术，直接由高温超导材料和绝缘陶瓷材料制作线圈。该方法制作简单，成本低。同时该方案避免了高温超导材料的制线步骤，克服了制作线圈时对于绕线半径限制的困难，避免了因高温超导材料与银管等金属管材料或者有机绝缘材料之间的诸多物理特性，熔点、导热性、抗氧化性和热膨胀等的较大差异带来的制作和应用困难，提高了线圈的运行温度和稳定性。
附图说明
图1为3D打印快速成型技术制备全陶瓷高温超导线圈结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步说明。
如图1所示，本实用新型的全陶瓷高温超导线圈，至少有一匝绝缘陶瓷材料2包覆的高温超导线圈1；超导线用的高温超导材料、匝间的绝缘材料和线圈骨架3材料均为陶瓷材料，全陶瓷高温超导线圈的工作温度在80 K以下。
其中高温超导材料为YBa2Cu3Ox（YBCO）或Bi2Sr2Ca2Cu3OX (Bi2223)中的一种。匝间的绝缘材料为Al2O3，MgO，BN，AlN或ZrO2中的一种。线圈骨架材料为Al2O3，MgO，BN，AlN或ZrO2中的一种。
本实用新型也提供一种基于3D打印快速成型技术制作高温超导线圈的方法，包括如下步骤：
步骤1. 建立线圈3D模型与陶瓷骨架选择：根据所设计线圈的尺寸和线圈中心磁场的要求，确定高温超导线圈的线直径Φ、线圈长度L以及长度方向上单位长度线圈匝数n和绝缘层的厚度d。利用3D建模软件建立目标线圈的打印模型，选择与其相匹配的陶瓷骨架材料与尺寸。
步骤2. 根据步骤1中确定的线圈参数选择相应的高温超导材料和绝缘材料，包括材料的种类，粉末颗粒的粒径。
步骤3. 根据步骤2中选择的高温超导材料特性配制3D打印基料1，将高温超导材料粉末、絮凝剂、流变增强剂与水混合，经过超声震荡0.1 - 1小时，使其均匀地分散，形成基料1。高温超导材料粉末的粒度在10纳米-5微米，优选颗粒粒度10纳米-1微米。高温超导材料粉末在基料1中的重量比在75.5 - 80%。
步骤4. 根据步骤2中选择的绝缘材料特性配制3D打印基料2，将绝缘材料粉末、絮凝剂、流变增强剂与水混合，经过超声震荡0.1 - 1小时，使其均匀地分散，形成基料2。绝缘材料粉末的颗粒粒度在10纳米至5微米，优选粒度10纳米至1微米。绝缘材料粉末在基料2中的重量比在75.5 - 85%。
步骤5. 打印过程中工艺参数的控制：将步骤3和4配制好的基料1和基料2分别装入可以控制压力的容器中。采用选择3D打印快速成型技术打印基料1和基料2获得高温超导线圈胚体。这里打印是指按照步骤1设计的3D模型的数字图形信息，利用软件生成相应的加工轨迹，选择性地将基料1和基料2逐层挤压喷射快速成型。打印制造在室温下进行，基料1和基料2的容器压力控制在0.1- 0.35 MPa的范围内。
步骤6. 热处理：将成型好的全陶瓷线圈坯体放在氧气分压可以调制的高温炉中进行热处理。目的在于：1）采用不同的氧分压优化高温超导材料的特性；2）强化高温超导材料线圈与绝缘层的结合；3）增强陶瓷材料的强度。热处理温度为800℃-1250℃，热处理时间为1-16小时。
步骤7. 在制作层数较多的线圈时，可以根将打印和热处理交替进行。先打印内部的数层并进行热处理，然后再打印制作外边的数层接着再热处理。
本实用新型提供的全陶瓷高温超导线圈制作也可以制作铁基超导材料的线圈。
实施例1
陶瓷骨架选择材料选用Al2O3陶瓷材料。骨架的内径d1=6 mm,外径d2 =8 mm,长度为L=180 mm。高温超导材料选取YBCO,粒度集中分布在20-60纳米。绝缘材料选取Al2O3,粒度集中分布在100-150纳米。超导线直径1.5mm，绝缘层厚度为0.15mm，单层匝数100,总层数20层，单位长度的匝数n = 111/cm。根据选定参数，建立线圈的3D模型，优化给出制作轨迹数据。
将YBCO粉末、絮凝剂、流变增强剂与水混合，经过超声震荡0.5小时，使其均匀地分散，形成基料1。YBCO粉末在基料1中的重量比在75.8%。
将Al2O3粉末、絮凝剂、流变增强剂与水混合，经过超声震荡1小时，使其均匀地分散，形成基料2。绝缘材料粉末在基料2中的重量比在76%。
将基料1和基料2分别装入可以控制压力的容器中。按照设计的3D模型的数字图形信息和加工轨迹，选择性地将基料1和基料2逐层挤压喷射快速成型。基料1和基料2的容器压力分别控制在0.2和 0.15 MPa。
将成型的全陶瓷线圈坯体放在高温炉中进行热处理。热处理温度为850℃，热处理时间为10小时，随炉自然冷却后得到所要的线圈。
实施例2
陶瓷骨架选择材料选用Al2O3陶瓷材料。骨架的内径d1=6 mm,外径d2 =8 mm，长度为L=180 mm。高温超导材料选取Bi2Sr2Ca2Cu3OX (Bi2223),粒度集中分布在150-200纳米。绝缘材料选取ZrO2，粒度集中分布在50-80纳米。超导线直径1.68mm，绝缘层厚度为0.12mm，单层匝数100，总层数25层，单位长度的匝数n = 138/cm。根据选定参数，建立线圈的3D模型，优化给出制作轨迹数据。
将Bi2223粉末、絮凝剂、流变增强剂与水混合，经过超声震荡1小时，使其均匀地分散，形成基料1。Bi2223粉末在基料1中的重量比在75.2%。
将ZrO2粉末、絮凝剂、流变增强剂与水混合，经过超声震荡40分钟，使其均匀地分散，形成基料2。绝缘材料粉末在基料2中的重量比在78%。
将基料1和基料2分别装入可以控制压力的容器中。按照设计的3D模型的数字图形信息和加工轨迹，选择性地将基料1和基料2逐层挤压喷射快速成型。基料1和基料2的容器压力分别控制在0.3和 0.25 MPa。
将成型的全陶瓷线圈坯体放在高温炉中进行热处理。热处理温度为900℃，热处理时间为10小时，随炉自然冷却后得到所要的线圈。