超导线材和超导线圈的制作方法

本发明涉及超导线材和超导线圈。

背景技术：

通常来说，已知日本专利特许公开2008-244249(专利文献1)中所描述的超导线材。专利文献1中描述的超导线材包括：基板；超导层，所述超导层被布置在基板上；以及稳定层，所述稳定层将基板和超导层涂覆。将专利文献1中描述的超导线材卷绕并用诸如环氧树脂等浸渍材料浸渍，从而获得超导线圈。在专利文献1中描述的超导线圈中，已知由于浸渍材料的热膨胀系数与超导线材的热膨胀系数之间的差异所导致的热应力而造成超导层破损，因此造成超导性能可能会恶化。

作为用于防止由于热膨胀系数的差异所引起的热应力而导致的上述超导层的破裂的构造，通常来说已知以下构造：日本专利特许公开2011-198469(专利文献2)中描述的绝缘覆层氧化物超导线材的构造；日本专利特许公开2014-22693(专利文献3)中描述的复合材料带的构造；以及日本专利特许公开2016-134418(专利文献4)中描述的超导线材的构造。

专利文献2中描述的绝缘覆层氧化物超导线材包括：氧化物超导线材材料；绝缘材料层，所述绝缘材料层将氧化物超导线材材料的整个表面涂覆；以及释放材料层，所述释放材料层设置在绝缘材料层上。将专利文献2中描述的绝缘覆层氧化物超导线材卷绕并用热固性树脂浸渍，从而获得线圈。而且，在专利文献2中描述的线圈中，在冷却期间引起了由热固性树脂的热膨胀系数与绝缘覆层氧化物超导线材的热膨胀系数之间的差异所导致的热应力。在专利文献2中描述的线圈中，热固性树脂和释放材料层在它们之间的界面处易于彼此分离，由此热应力不太可能作用在超导层上，因此超导性能不太可能由于超导层的破裂而劣化。

专利文献3中描述的复合材料带包括超导线材、绝缘带线材和释放层。释放层被布置在超导带线材和绝缘带线材中的至少一个上。将专利文献3中描述的复合材料带卷绕并用环氧树脂浸渍，从而获得线圈。而且，在专利文献3中描述的线圈中，冷却期间引起了热应力。在专利文献3中描述的线圈中，环氧树脂和释放层在它们之间的界面处彼此分离，由此超导性能不太可能由于超导层被热应力破坏而劣化。

专利文献4中描述的超导线材包括金属基板、超导层和碳层。超导层被布置在金属基板上。碳层被布置在超导层和金属基板中的至少一个上。碳层的破坏强度低于超导层的破坏强度。将专利文献4中描述的超导线材卷绕并用环氧树脂组合物浸渍，从而获得线圈。而且，在专利文献4中描述的线圈中，冷却期间引起了由环氧树脂组合物的热膨胀系数与超导线材的热膨胀系数之间的差异所导致的热应力。由于这种热应力，碳层易于破裂。因此，超导性能不太可能由于超导层被该热应力破坏而劣化。

引用列表

专利文献

专利文献1：日本专利特许公开2008-244249

专利文献2：日本专利特许公开2011-198469

专利文献3：日本专利特许公开2014-22693

专利文献4：日本专利特许公开2016-134418

技术实现要素：

根据本公开的一个实施例的超导线材包括：基板，所述基板具有第一表面和第二表面；超导层，所述超导层具有第三表面和第四表面；以及相应的覆层。第二表面与第一表面相反。第四表面与第三表面相反。超导层被布置在基板上，使得第三表面面向第二表面。覆层，所述覆层分别布置在第一表面和第四表面上。基板与被布置在第一表面上的覆层之间的粘合强度低于超导层与被布置在第四表面上的覆层之间的粘合强度。

根据本公开的超导线圈包括根据本公开的超导线材和绝缘体。超导线材被卷绕成具有螺旋形状，其中空间介于超导线材的绕组之间。所述空间充满了绝缘体。所述绝缘体的热膨胀系数大于超导层的热膨胀系数。

附图说明

图1是根据实施例的超导线材100在平行于其纵向方向的截面中的截面图。

图2是根据实施例的超导线圈200在垂直于其线圈轴线的截面中的截面图。

图3是图2的区域III的放大截面图。

图4是用于制造根据实施例的超导线材100的方法的流程图。

图5A是在结束准备步骤S1之后并且在执行形成稳定层步骤S21之前超导线材100在平行于纵向方向的截面中的截面图。

图5B是在结束形成稳定层步骤S21之后并且在执行形成保护层步骤S22之前超导线材100在平行于纵向方向的截面中的截面图。

图5C是在结束形成保护层步骤S22之后超导线材100在平行于纵向方向的截面中的截面图。

图6是用于制造根据实施例的超导线圈200的方法的流程图。

图7是根据比对示例的超导线材110在平行于其纵向方向的截面中的截面图。

图8是根据比对示例的超导线圈210的部分截面图。

图9是根据实施例的超导线圈200在冷却期间的部分截面图。

具体实施方式

[本公开要解决的问题]

对于专利文献2中的绝缘覆层超导线材和采用该绝缘覆层超导线材的线圈来说，有必要添加形成释放材料层的新步骤。而且，对于专利文献3中的复合材料带和采用该复合材料带的线圈来说，有必要添加形成释放层的新步骤。而且，对于专利文献4中的超导线材和采用该超导线材的线圈来说，有必要添加形成碳层的新步骤。因此，对于专利文献2到专利文献4中的相应的超导线材和采用该相应的超导线材的相应的线圈来说，不利的是，制造工艺复杂。

鉴于常见技术的上述问题，已经制造了根据本公开的超导线材和超导线圈。更具体地，本公开内容旨在提供一种超导线材和超导线圈，在该超导线线材和该超导线圈中的每个中，能够在不使制造工艺复杂化的情况下抑制由于绝缘体的热膨胀系数与超导线材的热膨胀系数之间的差异所导致的热应力使超导性能劣化。

[本公开的有利效果]

根据本公开的超导线材和超导线圈，能够在不使制造工艺复杂化的情况下抑制由于绝缘体的热膨胀系数与超导线材的热膨胀系数之间的差异所导致的热应力使超导性能劣化。

[实施例的描述]

首先，列出并描述了本公开的实施例。

(1)根据本公开的一个实施例的超导线材包括：基板，所述基板具有第一表面和第二表面；超导层，所述超导层具有第三表面和第四表面；以及覆层。第二表面与第一表面相反。第四表面与第三表面相反。超导层被布置在基板上，使得第三表面面向第二表面。所述覆层分别被布置在第一表面和第四表面上。基板与被布置在第一表面上的覆层之间的粘合强度低于超导层与被布置在第四表面上的覆层之间的粘合强度。

在根据(1)的超导线材的制造中，不需要形成碳层等的新步骤。因此，依照根据(1)所述的超导线材，制造工艺并不复杂。此外，当形成超导线圈时，根据(1)的超导线材被成形为螺旋形，并且绝缘体充满了超导线材的绕组之间的空间。依照根据(1)所述的超导线材，在超导层由于超导线材的膨胀系数与绝缘材料的热膨胀系数热量之间的差异所导致的热应力而被破坏之前，覆层和基板在远离超导层的第一表面上彼此分离。因此，依照根据(1)所述的超导线材，能够抑制超导性能的劣化。

(2)在根据(1)的超导线材中，覆层可以具有相应的稳定层。相应的稳定层被分别布置在第一表面和第四表面上。

依照根据(2)所述的超导线材，提高了超导层与每个覆层之间的粘合力，以允许覆层充分展现保护超导层的作用。

(3)在根据(2)的超导线材中，布置在第一表面上的稳定层的厚度可以小于布置在第四表面上的稳定层的厚度。

保护超导层的功能会随着被布置在位于超导层侧的第四表面上的覆层的厚度变得更大而增加，即使当被布置在第一表面上的覆层的厚度和被布置在第四表面上的覆层的厚度的总和是相同的。因此，依照根据(3)所述的超导线材，能够通过覆层来改善保护超导层的功能。

(4)在根据(2)的超导线材中，布置在第一表面上的稳定层可以由单个层构成，而布置在第四表面上的稳定层可以由多个层构成。

依照根据(4)所述的超导线材，有助于使覆层更可靠地从第一表面侧分离。

(5)在根据(4)的超导线材中，布置在第一表面上的稳定层可以由冲击镀层构成，而布置在第四表面上的稳定层可以由布置在第四表面上的溅射层和布置在溅射层上的冲击镀层构成。

依照根据(5)所述的超导线材，冲击镀层与基板之间的粘合强度非常低，由此覆层和基板在它们之间的界面处非常易于彼此分离。因此，依照根据(5)所述的超导线材，能够进一步抑制由于绝缘体的热膨胀系数与超导线材的热膨胀系数之间的差异所导致的热应力使超导性能劣化。

(6)根据本公开的一个实施例的超导线圈包括：根据(1)到(5)中任一项所引用的超导线材；以及绝缘体，所述绝缘体的热膨胀系数大于超导层的热膨胀系数。超导线材被卷绕成具有螺旋形状，并且超导线材的绕组之间设置有空间。所述空间被绝缘体填充。

依照根据(6)所述的超导线圈，能够在不使制造工艺复杂化的情况下抑制由于绝缘体的热膨胀系数与超导线材的热膨胀系数之间的差异所导致的热应力使超导性能劣化。

[本公开的实施例的细节]

接着，将描述实施例的细节。

(根据实施例的超导线材的构造)

下面参考附图描述根据实施例的超导线材的构造。应当注意的是，图中相同或相应的部分被赋予相同的标号。此外，可以适当地组合下面描述的实施例的至少数个部分。

图1是根据实施例的超导线材100在平行于其纵向方向的截面中的截面图。如图1中所示，根据实施例的超导线材100具有基板1、超导层2和覆层3。

基板1优选地具有带状形状，其厚度小于其在纵向方向上的长度。基板1具有第一表面1a和第二表面1b。第二表面1b是与第一表面1a相反的表面。基板1可以由多个层构成。更具体地，基板1可以包括基板层11和中间层12。基板层11位于第一表面1a侧，而中间层12位于第二表面1b侧。

基板层11可以由多个层构成。例如，基板层11由第一层11a、第二层11b和第三层11c构成。第一层11a、第二层11b和第三层11c由不同的材料组成。例如，不锈钢用于第一层11a。例如，铜(Cu)用于第二层11b。例如，镍(Ni)用于第三层11c。

中间层12是用于在基板1上形成超导层2而用作缓冲层的层。中间层12优选地具有均匀晶体取向。此外，对于中间层12，使用了一种相对于超导层2的材料具有小晶格常数错配的材料。更具体地，对于中间层12，使用了二氧化铈(CeO2)或钇稳定氧化锆(YSZ)。

超导层2是含有超导体的层。例如，一种用于超导层2的材料是基于稀土元素的氧化物超导体。例如，用于超导层2的基于稀土元素的氧化物超导体是REBCO(REBa2Cu3Oy，其中RE表示诸如钇(Y)、镨(Pr)、钕(Nd)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、钬(Ho)或镱(Yb)的稀土元素)。

超导层2具有第三表面2a和第四表面2b。第四表面2b是与第三表面2a相反的表面。超导层2被布置在基板1上。更具体地，超导层2被布置在基板1上，使得第三表面2a面向第二表面1b。关于这一点，从另一个观点来看，可以说超导层2被布置在中间层12上。

覆层3是覆盖基板1和超导层2的相应层。相应的覆层3被布置在基板1的第一表面1a和超导层2的第四表面2b上。基板1与布置在第一表面1a上的覆层3之间的粘合强度低于超导层2与布置在第四表面2b上的覆层3之间的粘合强度。关于这一点，从另一个观点来看，可以说与第四表面2b侧相比，覆层3更可能在第一表面1a侧与基板1分离。应当注意的是，基板1与布置在第一表面上的覆层3之间的粘合强度低于超导层2的强度。

基板1与布置在第一表面1a上的覆层3之间的粘合强度以及超导层2与布置在第四表面2b上的覆层3之间的粘合强度是根据JIS K6854-2中定义的方法进行测量的。

覆层3中的每个覆层具有稳定层31和保护层32。稳定层31是用于保护超导层2的层，散去超导层2中局部生成的热量，并且在超导层2中发生失超(从超导状态转变为正常传导状态的现象)时将电流旁通。稳定层31被布置在第一表面1a和第四表面2b上。用于每个稳定层31的材料例如是银(Ag)。

布置在第一表面1a上的稳定层31优选地由单个层构成。更优选地，布置在第一表面1a上的稳定层31是冲击镀层。冲击镀层是通过冲击镀形成的层。

布置在第四表面2b上的稳定层31优选地由多个层构成。布置在第四表面2b上的稳定层31更优选地由两个层构成。具体地，布置在第四表面2b上的稳定层31优选地由溅射层31a和冲击镀层31b构成。

溅射层31a被布置在第四表面2b上。冲击镀层31b被布置在溅射层31a上。溅射层31a是通过溅射形成的层。

布置在第一表面1a上的稳定层31具有第一厚度T1。布置在第四表面2b上的稳定层31具有第二厚度T2。第一厚度T1小于第二厚度T2。例如，第一厚度T1小于或等于5μm。

溅射层31a具有第三厚度T3。冲击镀层31b具有第四厚度T4。例如，第三厚度T3大于或等于2μm且小于或等于20μm。例如，第四厚度T4小于或等于5μm。当被布置在第四表面2b上的稳定层31由溅射层31a和冲击镀层31b构成时，第二厚度T2等于第三厚度T3和第四厚度T4的总和。因此，在这种情况下，第二厚度T2例如大于或等于2μm且小于或等于25μm。

保护层32是用于保护稳定层31的层。保护层32被布置在稳定层31上。用于保护层32的材料例如是Cu。

应当注意的是，虽然图1中未示出，但是覆层3(稳定层31和保护层32)可以在垂直于纵向方向的方向上涂覆根据实施例的超导线材100的端面。

(根据实施例的超导线圈的构造)

下面参考附图描述根据该实施例的超导线圈200的构造。图2是根据实施例的超导线圈200在垂直于其线圈轴线的截面中的截面图。如图2中所示，根据实施例的超导线圈200具有超导线材100和绝缘体150。

超导线材100具有以线圈轴线为中心的螺旋形状。也就是说，超导线材100围绕线圈轴线卷绕。超导线材100被卷绕，并且超导线材100的绕组之间设置有空间。

超导线材100的绕组之间的空间填充有绝缘体150。因此，超导线材100的绕组彼此绝缘并且相对于彼此固定。图3是图2的区域III的放大截面图。如图3中所示，超导线材100被绝缘体150夹在中间。

例如，热固性树脂用于绝缘体150。用于绝缘体150的热固性树脂优选具有低粘度，该粘度低到使得处于被凝固前的状态的热固性树脂能够被引入到超导线材100的绕组之间的空间中。用于绝缘体150的热固性树脂例如是环氧树脂。

绝缘体150的热膨胀系数大于超导线材100的热膨胀系数。具体地，绝缘体150的热膨胀系数大于超导层2的热膨胀系数。绝缘体150的热膨胀系数可以大于基板1的热膨胀系数。例如，当环氧树脂用于绝缘体150时，当从室温冷却到77K时，绝缘体150的尺寸收缩约1％。另一方面，当基板1以类似方式冷却时，基板1的尺寸缩小了约0.3％。当以类似方式冷却超导层2时，超导层2的尺寸收缩率小于0.3％。

(用于制造根据实施例的超导线材的方法)

下面描述了用于制造根据实施例的超导线材100的方法。图4是用于制造根据实施例的制造超导线材100的方法的流程图。如图4中所示，用于制造根据实施例的超导线材100的方法具有准备步骤S1和形成覆层步骤S2。形成覆层步骤S2包括形成稳定层步骤S21和形成保护层步骤S22。

图5A是在结束准备步骤S1之后并且在执行形成稳定层步骤S21之前超导线材100在平行于纵向方向的截面中的截面图。在准备步骤S1中，如图5A中所示，在基板1上形成超导层2。更具体地，在基板层11上形成中间层12，并且在中间层12上形成超导层2。通过常规已知的方法在基板层11上形成中间层12，并且在中间层12上形成超导层2。

图5B是在结束形成稳定层步骤S21之后并且在执行形成保护层步骤S22之前超导线材100在平行于纵向方向的截面中的截面图。如图5B中所示，在形成稳定层步骤S21中，稳定层31形成在第一表面1a和第四表面2b上。

在形成稳定层步骤S21中，首先执行溅射。对第四表面2b侧执行溅射。因此，溅射层31a形成在第四表面2b上，所述溅射层31a是被布置在第四表面2b上的稳定层31的一部分。应当注意的是，因为未对第一表面1a侧执行溅射，所以在第一表面1a侧未形成溅射层31a。关于这一点，从另一个观点来看，可以说形成稳定层步骤S21是从形成稳定层31的常规已知的步骤中排除了向第一表面1a侧的溅射步骤。

在形成稳定层步骤S21中，其次是执行冲击镀。对第一表面1a侧和第四表面2b侧两者都执行冲击镀。因此，形成了用作被布置在第一表面1a上的稳定层31的冲击镀层和用作被布置在第四表面2b上的稳定层31的一部分的冲击镀层31b。

图5C是在结束形成保护层步骤S22之后超导线材100在平行于纵向方向的截面中的截面图。如图5C中所示，保护层32形成在稳定层31上。保护层32通过诸如电镀等常规已知方法形成。应当注意的是，因为冲击镀层被布置在第一表面1a上，所以当形成保护层32时抑制了基板1被电镀液等侵蚀。

(用于制造根据实施例的超导线圈的方法)

下面描述了用于制造根据实施例的超导线圈200的方法。图6是用于制造根据实施例的超导线圈200的方法的流程图。如图6中所示，所述用于制造根据实施例的超导线圈200的方法包括线材卷绕步骤S3和绝缘体填充步骤S4。

在线材卷绕步骤S3中，例如，围绕线轴卷绕超导线材100。因此，超导线材100被成形为具有螺旋形状。在绝缘体填充步骤S4中，将环氧树脂等引入到超导线材100的绕组之间的空间中并进行热定形，由此使得被成形在超导线材100的绕组之间的具有螺旋形状的空间填充有绝缘体150。

(根据实施例的超导线材和超导线圈的效果)

下面描述了与比对示例相比根据实施例的超导线材100和超导线圈200中的每个的效果。图7是根据比对示例的超导线材110在平行于其纵向方向的截面中的截面图。如图7中所示，与根据实施例的超导线材100一样，根据比对示例的超导线材110包括基板1、超导层2和覆层3。

然而，根据比对示例的超导线材110与根据实施例的超导线材100的不同之处在于，布置在第一表面1a上的覆层3的构造和布置在第四表面2b上的覆层3的构造是相同的。也就是说，在根据比对示例的超导线材110中，布置在第一表面1a上的覆层3和布置在第四表面2b上的覆层3中的每个覆层3由以下构成：稳定层31，所述稳定层31包括溅射层31a和冲击镀层31b；以及保护层32。结果，在根据比对示例的超导线材110中，基板1与被布置在第一表面1a上的覆层3之间的粘合强度不低于超导层2与被布置在第四表面2b上的覆层3之间的粘合强度。

图8是根据比对示例的超导线圈210的部分截面图。如图8中所示，根据比对示例的超导线圈210具有与根据实施例的超导线圈200的构造相同的构造，不同之处在于使用了根据比对示例的超导线材110。

根据比对示例的超导线圈210在操作期间通过液氮被冷却到非常低的温度。如上所述，绝缘体150的热膨胀系数小于基板1和超导层2中的每个的热膨胀系数。也就是说，绝缘体150通过冷却的收缩小于超导层2通过冷却的收缩。结果，由冷却导致的拉伸应力TS作用在超导层2上。由于该拉伸应力TS，引起了超导层2中的破裂B，结果使超导线材110和超导线圈210中的每个的超导性能劣化。

图9是根据实施例的超导线圈200在冷却期间的部分截面图。如图9中所示，在根据实施例的超导线圈200中，在冷却期间同样生成了拉伸应力TS。

然而，在根据实施例的超导线圈中，因为基板1与被布置在第一表面1a上的覆层3之间的粘合强度低于超导层2与被布置在第四表面2b上的覆层3之间的粘合强度，所以在过度的拉伸应力TS作用在超导层2上之前，基板1和覆层3在第一表面1a上容易地彼此分离，所述第一表面1a被定位成与超导层2相反。

因此，根据实施例的超导线材100和超导线圈200，能够抑制超导层2中由于热膨胀系数的差异而发生的破裂，由此能够抑制超导性能变得劣化。

当直接向基板1提供冲击镀时，基板1与冲击镀层之间的粘合强度非常低。因此，在根据实施例的超导线材100中，当覆层3具有稳定层31时，基板1和覆层3在第一表面1a上非常易于彼此分离，被布置在第一表面1a上的稳定层31由冲击镀层构成，而被布置在第四表面2b上的稳定层由溅射层31a和冲击镀层31b构成。因此，在这种情况下，可以进一步抑制超导层2中由于热膨胀系数的差异而导致的破裂的发生，由此可以进一步抑制超导性能变得劣化。

本文公开的实施例在任何方面都是说明性的而非限制性的。本发明的范围由权利要求书的条款而不是由上述实施例限定，并且意图包括在与权利要求书的条款等效的范围和含义内的任何改型。

附图标记：

1：基板；1a：第一表面；1b：第二表面；11：基板层；11a：第一层；11b：第二层；11c：第三层；12：中间层；2：超导层；2a：第三表面；2b：第四表面；3：覆层；31：稳定层；31a：溅射层；31b：冲击镀层；32：保护层；100、110：超导线材；150：绝缘体；200、210：超导线圈；B：破裂；S1：准备步骤；S2：形成覆层步骤；S3：线材卷绕步骤；S4：绝缘体填充步骤；S21：形成稳定层步骤；S22：形成保护层步骤；T1：第一厚度；T2：第二厚度；T3：第三厚度；T4：第四厚度；TS：拉伸应力。