全陶瓷高温超导线圈及其制造方法技术

本发明专利技术提供一种全陶瓷高温超导线圈及其制造方法。本发明专利技术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，全陶瓷高温超导线圈的工作温度在80 K以下。本发明专利技术所采用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，提高了线圈的运行温度和稳定性。

【技术实现步骤摘要】
全陶瓷高温超导线圈及其制造方法
本专利技术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
的超导线圈结构及其增材制造方法。
技术介绍
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100m窄带线材的突破，并开展了线圈和电机的示范性应用（PhysicaC426–431(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，powderintube），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（CN203631223U）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。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提供了一种全陶瓷高温超导线圈及其制造方法。本专利技术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，全陶瓷高温超导线圈的工作温度在80K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。本专利技术直接采用高温超导粉末材料制作绕线，不需要先制作线材或带材再绕制线圈。高温超导线和绝缘包覆层采用双喷头打印的方法,同时制作在陶瓷线圈骨架上。陶瓷线圈骨架也可以采用打印方式制作。制造上述全陶瓷高温超导线圈的方法，包括以下步骤：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第一类3D打印基料，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，形成第一类3D打印基料。步骤4.根据步骤2中选择的绝缘材料特性配制第二类3D打印基料，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，形成第二类3D打印基料。步骤5.打印过程中工艺参数的控制：将步骤3、4配制好的两类打印基料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获得高温超导线圈胚体。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；热处理温度为800℃-1250℃，热处理时间为1-16小时。进一步说，所述的高温超导材料为粒度100纳米至5微米的粉末材料，高温超导材料粉末在第一类3D打印基料中的重量比在75.5-80%之间；所述的匝间的绝缘材料为粒度10纳米至5微米的粉末材料，绝缘材料粉末在第二类3D打印基料中的重量比在75.5-85%之间。进一步说，步骤5中的打印是指按照步骤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，选择性地将两类打印基料逐层挤压喷射快速成型；打印制造在室温下进行，两类打印基料的容器压力控制在0.1-0.35MPa的范围内。进一步说，在制作层数较多的线圈时，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。本专利技术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。本专利技术所采用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专利技术作进一步说明。如图1所示，本专利技术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80K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。本专利技术也提供一种基于3D打印快速成型技术制作高温超导线圈的方法，包本文档来自技高网...

【技术保护点】
全陶瓷高温超导线圈，其特征在于：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，全陶瓷高温超导线圈的工作温度在80 K以下。

【技术特征摘要】
1.全陶瓷高温超导线圈，其特征在于：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，全陶瓷高温超导线圈的工作温度在80K以下。2.权利要求1所述的全陶瓷高温超导线圈，其特征在于：所述的高温超导材料为YBa2Cu3Ox（YBCO）或Bi2Sr2Ca2Cu3OX(Bi2223)中的一种。3.权利要求1所述的全陶瓷高温超导线圈，其特征在于：所述的匝间的绝缘材料为Al2O3，MgO，BN，AlN或ZrO2中的一种。4.权利要求1所述的全陶瓷高温超导线圈，其特征在于：所述的线圈骨架材料为Al2O3，MgO，BN，AlN或ZrO2中的一种。5.权利要求1所述的全陶瓷高温超导线圈，其特征在于：直接采用高温超导粉末材料制作，不需要先制作线材或带材再绕制线圈。6.权利要求1所述的全陶瓷高温超导线圈，其特征在于：高温超导线和绝缘包覆层采用双喷头打印的方法,同时制作在陶瓷线圈骨架上。7.制造权利要求1所述的全陶瓷高温超导线圈的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：霍德璇，赵春叶，陈玉青，封林，苏昆朋，王海欧，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33