超导电线及其形成方法技术

本公开涉及一种超导电线及其形成方法。公开了一种具有增强导电率的超导电线。使用冷拉和退火来增强超导电线的导电率。还公开了制造超导电线的方法。

Superconducting wire and its forming method

The invention relates to a superconducting wire and a forming method thereof. A superconducting wire with enhanced conductivity is disclosed. Cold drawing and annealing are used to enhance the conductivity of superconducting wires. A method for manufacturing superconducting wires is also disclosed.

【技术实现步骤摘要】
超导电线及其形成方法
本专利技术一般涉及超导电线。
技术介绍
超导电金属是指相比于形成超导电金属的纯金属而言展现出更大导电率的合金或复合物。通过将某些高导电性添加物掺入纯金属中以形成具有改进的导电率的合金或复合物来生产超导电金属。例如，可以通过将诸如碳纳米管和/或石墨烯等的高导电性纳米碳颗粒掺入高纯度铜中来形成超导电铜。已知的超导电金属需要包含大量这种高导电性添加物以显著地提高纯金属的导电率。PCT专利申请公开WO2018/064137描述了一种形成金属-石墨烯复合物的方法，包括：利用石墨烯(14)来涂覆金属组件(10)以形成石墨烯涂覆金属组件，组合多个石墨烯涂覆金属组件以形成前体工件(26)，以及将前体工件(26)加工成块状(30)以形成金属-石墨烯复合物。金属-石墨烯复合物包括金属基质中的石墨烯(14)，其中石墨烯(14)是分布在整个金属基质中并且主要(但不排他地)以水平于金属-石墨烯复合物的轴向方向的平面定向的单原子层或多层石墨烯(14)。美国专利申请公开US2016/0168693A1描述了一种定制导电结构中的石墨烯的量的方法，包括将基板材料布置在多个股线中并且将周向涂覆的至少一个石墨烯层布置在多个股线中的一个或多个股线上，石墨烯层是以六边形图案布置的单个原子厚的碳原子层，基板材料和至少一个石墨烯层具有轴向方向。沿着基板和至少一个石墨烯层的轴向方向截取的第一横截面包括多个基板材料层以及被交替设置在多个基板材料层之间的至少一个内部石墨烯层。
技术实现思路
根据一个实施例，制造具有增强导电率的超导电线的方法包括：对由超导电金属形成的预制线产品进行冷拉(coldwiredrawing)以形成拉线；以及对所述拉线进行退火以形成超导电线。所述超导电金属由纯金属和纳米碳添加物形成。所述纯金属是铜。所述超导电线展现出100％或更大的国际退火铜标准(“IACS”)导电率。具体实施方式与传统金属合金(其展现出随着金属纯度下降而降低的导电率)相比，诸如超导电铜等的超导电金属通过掺入纳米碳添加物而展现出比纯金属更大的导电率。例如，尽管铜的纯度降低(通常将使导电率下降)，但超导电铜可以展现出大于100％的国际退火铜标准(“IACS”)导电率。可以理解，传统铜具有约100％IACS的导电率，超纯铜上升至约101％的IACS，而铜合金具有小于100％IACS的IACS。然而，在实践中难以生产商业量的超导电金属以用于某些应用，诸如电线的导电元件。作为替代，大多数已知的超导电线已展现出较低的导电率以及/或者仅可以以有限的量生产。目前已经发现，通过适当地处理超导电金属，可以改进超导电线的导电率。有利地，这里所述的对超导电线的改进可以仅需要在超导电金属中有痕量的纳米碳，这限制了生产超导电线所需的时间和难度。具体地，已经意外发现，可以通过连续的冷拉步骤和退火步骤来处理超导电金属以增强导电率。总的来说，这些步骤可以在形成超导电线时改进超导电金属的导电率，而无需特殊处理并且无需超导电金属掺入商业上难以维持的量的纳米碳添加物。据信，冷拉可以改进超导电金属中的纳米碳添加物的排列，并且退火可以改进金属的晶体结构。可以理解，纳米碳添加物是高度各向异性导体，这意味着它们在平面内排列时比在平面外排列时具有更高的载流量。冷拉可以将超导电金属拉长，并且可以使纳米碳添加物沿着预制线产品的长度纵向排列。然后，预制线产品的退火可以通过使纯金属再结晶并修复由冷拉工艺引起的任何损害来增强所得到的超导电线的导电率。根据这里所述的方法进行了冷拉和退火的超导电线的导电率可以展现出IACS导电率的约0.5％或更大的提高、IACS导电率的约0.75％或更大的提高、IACS导电率的约1.00％或更大的提高、IACS导电率的约1.25％或更大的提高、或者IACS导电率的约1.5％或更大的提高。这种超导电线的IACS导电率的改进可以大于仅进行冷拉或退火其中之一的其它线的IACS导电率的添加物改进。一般地，可以如本领域中已知的那样进行冷拉和退火的步骤。例如，可以在室温下通过牵引由超导电金属形成的预制线产品通过模具或一系列顺序模具来进行冷拉，以减小预制线产品的周向面积。在特定实施例中，合适的冷拉步骤可以将预制线产品的总面积减小约30％或更大、约35％或更大、约40％或更大、约45％或更大、或者约50％或更大。可以理解，更大的面积减小可以导致金属相中的高导电性添加物的更大排列。同样，可以通过将拉线加热到高于超导电金属中的纯金属的再结晶温度的温度、保持该温度一段时间、然后冷却纯金属来进行退火。例如，在超导电金属是超导电铜的情况下，退火可以在约300℃～约700℃的温度下进行，并且可以在这样的温度下保持约1小时～约5小时。可以通过使经热处理的纯金属能够随时间或通过淬火冷却来进行冷却。有益地，这里所述的冷拉工艺和退火工艺可适用于由掺入纳米碳添加物的超导电金属形成的任何材料。在特定实施例中，超导电金属可以是超导电铜。可以理解，超导电铜可以容易地取代已经需要高导电率并且将受益于甚至更大导电率的传统铜应用。例如，超导电铜可用于形成线/线缆的导电元件、电气互连件、以及由其形成的任何组件(诸如线缆传输线配件和集成电路等)。取代这些应用中的铜可以允许立即改进，而无需重新设计系统。例如，由这里所述的改进超导电铜形成的电力传输线与由传统铜形成的类似电力传输线相比可以传输更大的电量(载流量)。一般地，可以通过用于将纳米碳添加物掺入纯金属中的任何已知工艺来制造合适的超导电金属。如这里所使用的，纯金属意味着具有诸如约99％或更大纯度、约99.5％或更大纯度、约99.9％或更大纯度、或者约99.99％或更大纯度等的高纯度的金属。可以理解，纯度可以替代地使用替代记号系统来测量。例如，在特定实施例中，合适的金属可以是4N或5N纯，其分别指具有99.99％和99.999％纯度的金属。如这里所使用的，纯度可以指特定实施例中的绝对纯度或金属基础纯度。在评估纯度时，金属基础纯度忽略了非金属元素。可以理解，除了所需的纳米碳添加物之外的任何杂质都将使超导电金属的导电率下降。形成对于这里所述的方法和改进合适的超导电金属的已知方法可以包括变形工艺、气相工艺、凝固工艺以及来自粉末冶金工艺的复合组装。在特定实施例中，沉积方法可以有利地用于形成超导电金属，因为这种工艺形成大量的超导电金属并且可以用合适量的纳米碳添加物形成这种超导电金属。一般地，这里所述的沉积方法可以将纳米碳沉积到金属片上，然后一起加工这些金属片以形成更大质量的超导电金属。可以理解，可以以各种方式修改这里所述的沉积方法。例如，初始金属件可以是金属板、薄片、或者棒和条等的横截面切片。一般地，这种金属片可以由高纯度金属制备，然后清洗以除去污染物以及任何氧化。例如，浸入乙酸可以去除对铜的氧化损害，这种氧化损害否则将会使所得到的超导电铜的导电率下降。在所公开的沉积方法的特定实施例中，可以使用化学气相沉积(“CVD”)工艺将石墨烯直接沉积在金属片的表面上。在这样的实施例中，金属片可以放置本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制造具有增强导电率的超导电线的方法，该方法包括：/n对由超导电金属形成的预制线产品进行冷拉以形成拉线，其中所述超导电金属由纯金属和纳米碳添加物形成，所述纯金属是铜；以及/n对所述拉线进行退火以形成超导电线；以及/n其中所述超导电线展现出100％或更大的国际退火铜标准导电率即IACS导电率。/n

【技术特征摘要】
20180525 US 62/676,6101.一种制造具有增强导电率的超导电线的方法，该方法包括：
对由超导电金属形成的预制线产品进行冷拉以形成拉线，其中所述超导电金属由纯金属和纳米碳添加物形成，所述纯金属是铜；以及
对所述拉线进行退火以形成超导电线；以及
其中所述超导电线展现出100％或更大的国际退火铜标准导电率即IACS导电率。


2.根据权利要求1所述的方法，其中，冷拉步骤使所述预制线产品的横截面积减小约25％或更多。


3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述纳米碳添加物包括碳纳米管、石墨烯或其组合。


4.根据权利要求1所述的方法，其中，退火步骤包括将所述拉线加热至约300℃～约700℃的温度并且持续约2小时或更多。


5.根据权利要求1所述的方法，其中所述铜包含约99.99％或更大的绝对纯度。


6.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：张申甲，S·K·兰加纳坦，
申请(专利权)人：通用线缆技术公司，
类型：发明
国别省市：美国;US