本发明属于高温超导带材领域，具体涉及一种rebco超导带材及其制备方法。
背景技术：
由稀土(re)、钡(ba)、铜(cu)、氧(o)元素组成的第二代的高温超导材料，统写为rebco，可以在较高的温度与磁场下使用，在性能上具有明显优势。目前rebco超导带材是近年发展起来的极具应用前景的高温超导带材，其典型结构包括两个对称设置的稳定层和夹设在稳定层之间的中心层，且中心层一般包括基底层、缓冲层和超导层。同时rebco超导带材正在被越来越多地应用在超导电力设备中，在高温超导限流器、超导电缆、超导储能、超导变压器、超导电机以及超导加热器等领域具有广阔的应用前景。
其中，高温超导限流器分为电阻型、电抗型、饱和铁芯型、桥路型和磁屏蔽型等。目前得到广泛研究的主要是电阻型超导限流器，这种超导限流器集检测、触发和限流于一体，反应速度快，正常运行时损耗低，能自动复位，克服了常规熔断器只能使用一次的缺点。同时当线路的电流超过超导体的临界电流时，超导体转变为常导体，从而在线路中迅速串入一个阻抗，这时短路电流就会被有效的限制，极大地提高了现有电网的稳定性，并改善供电的可靠性和安全性，降低电网成本。
高温超导限流器用rebco超导带材一般需要具有如下两个要求：(1)要求rebco超导带材具有较大的总限流电阻(取决于限流器的设计)，由于失超时rebco超导带材中心层不导电，因此限流电阻由中心层两侧的稳定层的电阻决定，两侧稳定层的电阻越大，即总限流电阻越大。因此一般要求超导带材的中心层两侧的稳定层都具有较大的电阻值。(2)要求rebco超导带材具有较高的耐冲击电流性能，原因是，当线路发生故障(例如短路)的瞬间(几十毫秒内)，电流超过临界电流，超导层会迅速失超而变成高阻态，此时超导层的电阻接近无穷大，则线路中的电流在发生短路的几十毫秒内就会达到几千安。也就是说，所谓的耐冲击电流性能，主要体现在发生短路的几十毫秒内承受大电流冲击的性能。由于总限流电阻越大，会产生越多的焦耳热，容易造成超导带材层离失效，使超导带材的结构稳定性遭到破坏，进而会降低耐冲击电流性能。因此为了获得较高的耐冲击电流性能，又需要降低稳定层的电阻值。
因此，将超导带材应用到高温超导限流器中时，存在上述两点要求不可得兼的问题，从而超导带材的所具有的较大限流电阻决定了其耐冲击电流性能很难满足实际应用需求。所以，如何解决上述矛盾成为目前研究的热点。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种能够解决总限流电阻与耐冲击电流性能之间矛盾的rebco超导带材以及制备方法。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
本发明一方面提供一种rebco超导带材，包括中心层和设在中心层两侧的第一稳定层、第二稳定层，中心层包括由下而上设置的基底层、缓冲层和超导层，第一稳定层和第二稳定层将中心层包覆起来，第一稳定层设在靠近超导层的一侧，第二稳定层设在靠近基底层的一侧，且第一稳定层的电阻小于第二稳定层的电阻。
根据本发明，第一稳定层和第二稳定层的材料相同，且第一稳定层的厚度大于第二稳定层的厚度。
根据本发明，rebco超导带材的总限流电阻与第一稳定层的厚度和第二稳定层的厚度的关系为：r＝a/(d1+d2)+b其中，r表示总限流电阻，d1表示第一稳定层的厚度，d2表示第二稳定层的厚度，a、b为常数。
根据本发明，第一稳定层2的厚度和第二稳定层3的厚度相同，且第一稳定层的材料的电阻率小于第二稳定层的材料的电阻率。
根据本发明，第一稳定层的厚度和第二稳定层的厚度不同，且第一稳定层的材料的电阻率和第二稳定层的材料的电阻率也不相同。
根据本发明，rebco超导带材的总限流电阻与第一稳定层的厚度、电阻率和第二稳定层的厚度、电阻率的关系为：
根据本发明，第一稳定层和第二稳定层的材料为铜、铝、不锈钢或者康铜。
本发明另一方面提供一种上述rebco超导带材的制备方法，包括如下步骤：s1、制备中心层；s2、将第一稳定层放置在超导层上，将第二稳定层放置在基底层的底面，再利用锡焊将第一稳定层和超导层，以及第二稳定层和基底层焊接为一体，得到rebco超导带材。
根据本发明，在步骤s2中，在第一稳定层和第二稳定层靠近中心层的表面上设有粘结层，用于提高第一稳定层和第二稳定层的焊接性能。
根据本发明，粘结层为铜层或者银层；粘结层的厚度为0～3μm
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
本发明中的rebco超导带材突破了现有技术中将第一稳定层和第二稳定层设置成对称结构的观念，而将其设置成电阻不同的不对称结构，使第一稳定层的电阻降低的同时使第二稳定层的电阻升高，从而在提升耐冲击电流性能的同时，保证了总限流电阻不下降。由此，解决了上述的总限流电阻与耐冲击电流性能之间的矛盾，在总限流电阻相同的条件下，本发明中的超导带材具有更高的耐冲击电流性能。本发明中rebco超导带材的制备方法操作简单，制成的rebco超导带材具备上述同样的效果。
附图说明
图1为如下实施例1提供的rebco超导带材的结构示意图。
【附图标记说明】
1：中心层；11：基底层；12：缓冲层；13：超导层；2：第一稳定层；3：第二稳定层。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
实施例1
参照图1，本实施例提供一种rebco超导带材(以下简称超导带材)，包括中心层1和设在中心层1两侧的第一稳定层2、第二稳定层3，中心层1包括由下而上设置的基底层11、缓冲层12和超导层13，中心层1的宽度小于第一稳定层2和第二稳定层3的宽度，第一稳定层2和第二稳定层3将中心层1包覆起来。第一稳定层2设在靠近超导层13的一侧，第二稳定层3设在靠近基底层11的一侧，且第一稳定层2的电阻小于第二稳定层3的电阻。
其中，基底层11是整个超导带材的支撑体，缓冲层12的作用是为超导层13的外延生长提供织构，超导层13是电流的载体，第一稳定层2和第二稳定层3的作用均是保护超导层13。而对于高温超导限流器用超导带材，由于超导带材是作为主要限流材料，因此超导带材的耐冲击电流性能是限流器设计的重要指标。
研究中发现，在发生短路的几十毫秒内电流从中心层1转移至稳定层，且会先流过靠近超导层13的第一稳定层2，所以第一稳定层2的电阻对整个超导带材的耐冲击电流性能至关重要。也就是说，耐冲击电流性能主要由rebco超导带材中靠近超导层13一侧的稳定层(即第一稳定层2)的电阻决定，与靠近基底层11一侧的稳定层(即第二稳定层3)的电阻关系不大，且靠近超导层13一侧的稳定层的电阻越小，耐冲击电流性能高。而对于现有的超导带材，通常第一稳定层2和第二稳定层3的材料和厚度完全一样，即两者的电阻是一样的。也就是说，当保证较大的总限流电阻时，靠近超导层13一侧的稳定层的电阻也比较大，从而使耐冲击电流性能受到了限制。
基于上述发现，为了获得更高的耐冲击电流性能同时保证大的总限流电阻，本实施例中的超导带材突破了现有中将第一稳定层2和第二稳定层3设置成对称结构的观念，而将其设置成电阻不同的不对称结构，使第一稳定层2的电阻降低的同时使第二稳定层3的电阻升高，从而在提升耐冲击电流性能的同时，保证了总限流电阻不下降。由此，解决了上述的总限流电阻与耐冲击电流性能之间的矛盾，在总限流电阻相同的条件下，本实施例中的超导带材具有更高的耐冲击电流性能。
进一步地，rebco超导带材的总限流电阻与第一稳定层2的电阻和第二稳定层3的电阻之间的关系为：
其中，r表示总限流电阻，r1表示第一稳定层2的电阻，r2表示第二稳定层3的电阻，e为常数。根据设计方案确定总限流电阻后，由上述公式可以确定第一稳定层2和第二稳定层3的电阻。
进一步地，第一稳定层2的电阻小于第二稳定层3的电阻主要包括如下几种情况：
第一种情况：第一稳定层2和第二稳定层3的材料相同，且第一稳定层2的厚度大于第二稳定层3的厚度。
此时，rebco超导带材的总限流电阻与第一稳定层2的厚度和第二稳定层3的厚度的关系为：
r＝a/(d1+d2)+b
其中，r表示总限流电阻，d1表示第一稳定层2的厚度，d2表示第二稳定层3的厚度，a、b为常数。此时总限流电阻只取决于第一稳定层2和第二稳定层3的总厚度。根据设计方案确定总限流电阻后，就可以由上述公式得出第一稳定层2和第二稳定层3的总厚度，这时再对第一稳定层2和第二稳定层3的厚度进行优化，从而可以优化第一稳定层2的电阻，进而改善超导带材的耐冲击电流性能。需要说明的是，这种情况的极端情况就是第二稳定层3的厚度为零，此时能够得到最大的耐冲击电流，但这种极端情况会影响超导带材的机械性能，一般是不可取的。
第二种情况：第一稳定层2的厚度和第二稳定层3的厚度相同，且第一稳定层2的材料的电阻率小于第二稳定层3的材料的电阻率。
此时，rebco超导带材的总限流电阻与第一稳定层2的厚度、电阻率和第二稳定层3的厚度、电阻率的关系为：
其中，r表示总限流电阻，d1、ρ1分别表示第一稳定层2的厚度和电阻率，d2、ρ2分别表示第二稳定层3的厚度和电阻率，c、d为常数。此时总限流电阻只取决于第一稳定层2和第二稳定层3的电阻率，根据设计方案确定总限流电阻后，可以继续优化选择何种材料以及厚度的选择，进而改善超导带材的耐冲击电流性能。
第三种情况：第一稳定层2的厚度和第二稳定层3的厚度不相同，同时第一稳定层2的材料的电阻率和第二稳定层3的材料的电阻率也不相同，但最终第一稳定层2的电阻小于第二稳定层3的电阻。此时，总限流电阻的计算公式同第二种情况，可以根据设计方案确定总限流电阻后，综合考虑第一稳定层2和第二稳定层3的厚度和电阻率进行优化，进而改善超导带材的耐冲击电流性能。以上三种情况，在实际设计时，根据实际需要进行选择。
进一步地，第一稳定层2和第二稳定层3的材料为铜、铝、不锈钢、康铜或者其它金属和合金材料，根据实际需要选择。其中，铜、铝、康铜和不锈钢的电阻率依次增大。
本实施例还提供上述rebco超导带材的制备方法，具体包括如下步骤：
s1、制备中心层1，中心层1的制备方法与现有的中心层1的制备方法相同，在此不再赘述。此外，中心层1还可以包括设在超导层13上方的银层，以更好地保护超导层13。也可以同时在基底层11的下方设置银层，在基底层11、缓冲层12和超导层13之间也可以根据需要再设置别的涂层，具体根据实际情况而定。
s2、将第一稳定层2放置在超导层13上，将第二稳定层3放置在基底层11的底面，再利用锡焊将第一稳定层2和超导层13，以及第二稳定层3和基底层11焊接为一体，得到超导带材。其中，焊接为一体具体包括将第一稳定层2和超导层13之间、第一稳定层2和超导层13的边沿、第二稳定层3和基底层11之间、第二稳定层3和基底层11的边沿以及第一稳定层2和第二稳定层3之间均采用锡焊焊接在一起。
进一步地，在进行锡焊之前，在第一稳定层2和第二稳定层3靠近中心层1的表面还涂覆有助焊剂，以增强结合力。同时这里的助焊剂一方面能够与第一稳定层2和第二稳定层3的表面发生化学反应，以去除其表面的氧化层。另一方面能够改善第一稳定层2和第二稳定层3分别与超导层13和基底层11接触时表面的润湿性，进而使第一稳定层2和超导层13、第二稳定层3和基底层11之间的结合力更强。
进一步地，在第一稳定层2和第二稳定层3靠近中心层1的表面设有粘结层，用于提高第一稳定层2和第二稳定层3的焊接性能。需要说明的是，在制备时，先在第一稳定层2和第二稳定层3的表面形成粘结层，然后再涂覆助焊剂后再进行锡焊。因为第一稳定层2、第二稳定层3与中心层1之间采用锡焊进行焊接时，采用不同的稳定层材料时必须要考虑材料与锡基焊料的可焊性以及结合力强度，以保证超导带材的机械性能达到要求。因此，设有粘结层，能够提高第一稳定层2和第二稳定层3的焊接性能，且此种方法对于几乎所有的第一稳定层2和第二稳定层3的材料均适用，均能满足焊接性能的要求。
进一步地，粘结层为铜层或者银层，或者采用其他可与锡基焊料具有较好的焊接性的材料形成。粘结层进一步优选为铜层，由于铜相较于银或其他材料便宜，采用铜层可以降低成本。一般可以采用电镀或者真空镀等方式形成粘结层。
需要说明的是，当第一稳定层2和/或第二稳定层3本身的材料具有较好的焊接性，能够与锡基焊料具有较强的结合力时，例如当第一稳定层2和/或第二稳定层3的材料为铜时，则不用再进行镀铜。主要是由于第一稳定层2、第二稳定层3与中心层1之间一般采用锡焊，而在进行锡焊时使用的锡基焊料(例如锡铅焊料)与铜可焊接性强，而与不锈钢等其他材料的可焊接性相对较差，因此第一稳定层2和第二稳定层3采用不锈钢等其他材料时，若不镀铜而直接进行锡焊，则可焊接性较差、结合力的强度不够，超导带材的机械性能无法满足要求。而铜与锡基焊料可焊接性强，由此，在第一稳定层2和第二稳定层3的表面镀铜(即设有粘结层)后，能够增强第一稳定层2和第二稳定层3与锡基焊料的可焊接性，进而使超导带材的机械性能达到要求。
因为第一稳定层2、第二稳定层3与中心层1之间采用锡焊进行焊接时，采用不同的稳定层材料时必须要考虑材料与锡基焊料的可焊性以及结合力强度，以保证超导带材的机械性能达到要求。而本实施例中，在第一稳定层2和第二稳定层3靠近中心层1的一侧设有粘结层，这样能够增强提高第一稳定层2和第二稳定层3的焊接性能。同时设有粘结层后，此种方法对于几乎所有的第一稳定层2和第二稳定层3的材料均适用，均能满足焊接性能的要求。
进一步地，粘结层的厚度为0～3μm。由于整个超导带材的各层之间为并联的关系，若粘结层的厚度较大时，则会使总限流电阻减小，影响超导带材的限流作用。因此通常粘结层的厚度应控制在0～3μm，既能改善第一稳定层2和第二稳定层3与锡基焊料之间的焊接性能，同时对总限流电阻影响较小。
实施例2
本实施例主要以具体的总限流电阻以及选择的第一稳定层2和第二稳定层3的厚度和材料为例，对超导带材的耐冲击电流性能进行测试，超导带材的结构和制备方法同实施例1，在此不再赘述。具体如下：
本实施例中超导带材的总限流电阻为0.11ω/m，第一稳定层2和第二稳定层3的材料均为不锈钢，第一稳定层2的厚度为120μm，第二稳定层3的厚度为80μm。同时与之对比的现有的对称结构的超导带材中，第一稳定层2和第二稳定层3的材料均为不锈钢，厚度均为100μm。然后对上述两种超导带材分别进行耐冲击电流实验，测得的超导带材的耐冲击电流性能数据如下表1：
表1.超导带材的耐冲击电流性能数据
从表1中可以看出现有的超导带材在冲击时间为100ms时冲击电流1020a，而本实施例中的超导带材在冲击时间为100ms时冲击电流为1488a，比现有的超导带材的冲击电流提高了46％。由此，也可以看出，本实施例中的超导带材与现有的超导带材相比，在总限流电阻相同的条件下，本实施例中的超导带材具有更高的耐冲击电流性能，即在耐冲击电流改善方面具有明显的优势。若在实际设计时，根据实际需要对第一稳定层2和第二稳定层3的材料和厚度再进行系统的优化设计，这种优势将更加显著。
实施例3
本实施例主要以具体的总限流电阻以及选择的第一稳定层2和第二稳定层3的厚度和材料为例，对超导带材的耐冲击电流性能进行测试，超导带材的结构和制备方法同实施例1，在此不再赘述。具体如下：
本实施例中超导带材的总限流电阻为0.11ω/m，第一稳定层2的材料为康铜，其室温电阻率为50×10-8ω·m，第二稳定层3的材料为不锈钢，其室温电阻率为70×10-8ω·m，第一稳定层2和第二稳定层3的厚度均为85μm。同时与之对比的现有的对称结构的超导带材中，第一稳定层2和第二稳定层3的材料均为不锈钢，厚度均为100μm。然后对上述两种超导带材分别进行耐冲击电流实验，测得的超导带材的耐冲击电流性能数据如下表2：
表2.超导带材的耐冲击电流性能数据
从表1中可以看出现有的超导带材在冲击时间为100ms时冲击电流1020a，而本实施例中的超导带材在冲击时间为100ms时冲击电流为1420a，比现有的超导带材的冲击电流提高了39％。由此，也可以看出，本实施例中的超导带材与现有的超导带材相比，在总限流电阻相同的条件下，本实施例中的超导带材具有更高的耐冲击电流性能，即在耐冲击电流改善方面具有明显的优势。
实施例4
本实施例主要以具体的总限流电阻以及选择的第一稳定层2和第二稳定层3的厚度和材料为例，对超导带材的耐冲击电流性能进行测试，超导带材的结构和制备方法同实施例1，在此不再赘述。具体如下：
本实施例中超导带材的总限流电阻为0.11ω/m，第一稳定层2的材料为康铜，第二稳定层3的材料为不锈钢，第一稳定层2的厚度为110μm，第二稳定层3的厚度为50μm。同时与之对比的现有的对称结构的超导带材中，第一稳定层2和第二稳定层3的材料均为不锈钢，厚度均为100μm。然后对上述两种超导带材分别进行耐冲击电流实验，测得的超导带材的耐冲击电流性能数据如下表1：
表3.超导带材的耐冲击电流性能数据
从表1中可以看出现有的超导带材在冲击时间为100ms时冲击电流1020a，而本实施例中的超导带材在冲击时间为100ms时冲击电流为1620a，比现有的超导带材的冲击电流提高了59％。由此，也可以看出，本实施例中的超导带材与现有的超导带材相比，在总限流电阻相同的条件下，本实施例中的超导带材具有更高的耐冲击电流性能，即在耐冲击电流改善方面具有明显的优势。
以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对发明做其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。