一种第二代高温超导带材的连接方法及超导线技术

本发明专利技术涉及一种第二代高温超导带材的连接方法及超导线，连接方法包括以下步骤：去除保护层：去除第二代高温超导带材的待连接区域的部分区域银层，使剩余银层和裸露出的超导层间隔分布；银层扩散焊：将至少两根经过去除保护层步骤处理的第二代高温超导带材的待连接区域两两搭接形成搭接区域，使彼此的剩余银层重合接触，然后夹住搭接区域，对银层进行扩散焊；超导层熔融扩散焊；以及超导电性恢复。本发明专利技术所述方法可以不破坏超导层结构，同时又能提供氧扩散通道，制备的超导接头在液氮温区具备超导特性的同时还具有较高的机械强度，同时剩余银层也可通过电流，使得超导接头还具有一定的失超保护能力。

A connection method of the second generation HTS tape and its superconductor

【技术实现步骤摘要】
一种第二代高温超导带材的连接方法及超导线
本专利技术涉及超导电工领域，具体涉及一种第二代高温超导带材的连接方法及超导线。
技术介绍
第二代高温超导材料具有优异的综合性能(77K下不可逆场到达7T、自场下的临界电流密度达到106A/cm2)，可全面满足液氮温区、强磁场的强电领域应用，大大推动超导电力技术实用化进程。许多基于第二代高温超导带材的超导装置也在不断地研发当中。在这些超导装置中往往需要很长的超导线材，特别是大中型磁体的研制过程中，超导线材用量可能重达数吨。但由于工艺所限无法制备成整根超导线，需要通过制备接头来连接相对短的带材，从而满足使用长度的需求。超导带材接头处的导电能力和机械性能与超导带材相比都有较大程度的降低，接头电阻的存在使得超导带材在实际应用时并不具有完全的超导性质，运行时产生焦耳热直接影响整个超导装置的设计参数和稳定运行，因此超导带材接头的性能是影响二代高温超导涂层导体实用化关键因素之一。良好的连接制备技术需要保证超导带材在连接之后总体性能不发生退变进而影响到超导装置的运行，这也是研究超导接头技术所面临的关键问题。目前，对于第二代高温超导带材的连接方法，国内外报导的主要有：钎焊、超声焊、扩散焊及熔融扩散焊等，它们的电阻逐渐降低，但是制备难度逐渐增加。钎焊是通过在两根带材的搭接区域填充低温焊料形成“带材-焊料-带材”的三明治结构的连接，而超声焊和扩散焊分别是对带材铜层和银层的直接连接。接头区域的两个超导层之间存在着焊料层和带材本身的金属层，因此接头也将存在一定的电阻和机械强度。在核磁共振成像(MRI)、核磁共振谱仪(NMR)等应用领域中，要求磁体达到很高的磁场均匀度的指标，需要超导磁体与外部电源脱离，实现无损耗的闭环运行。在此状态下，超导带材之间需要采用无电阻的超导接头进行连接。要想实现无电阻的超导接头需要直接连接带材的超导层，由于第二代高温超导带材的超导层为陶瓷材料的本质以及对氧和高温的极端敏感性，使得在低温超导线材中广泛使用的典型的冶金学的连接方法并不能适用于此。熔融扩散焊是一种使两个超导层界面的部分区域熔融并相互扩散紧密连接为一体，制备超导接头的方法。该种方法工艺十分复杂，主要是在不影响超导层性能的前提下去除带材的金属层，然后进行快速升温并在极短时间的高温中使超导层界面部分熔融连接为一体，最后通过氧化退火恢复超导电性。因为氧在第二代高温超导带材超导层中的扩散系数极低导致氧化退火过程持续时间较长，极大的影响超导接头的制备效率，进而很难进行实际应用。现有的解决方案是通过激光在接头区域打孔来提供氧扩散通道，但是激光打孔需要昂贵精密的激光设备，并且对超导层结构产生了一定的破坏，进而可能引起超导层载流能力下降。此外，实际应用中超导接头需要承受一定的拉伸应力与弯曲变形，而现在技术制备的超导接头是以陶瓷材料为本质的超导层之间的连接，十分脆弱，所以相对于传统的带有金属保护层的焊接方式制备的接头，其机械性能差，还需要进一步的提高。
技术实现思路
因此，本专利技术要解决的技术问题在于克服现有技术中的需要破坏超导层结构来提供氧扩散通道和纯粹以超导层进行连接制备的超导接头机械性能差的缺陷，从而提供一种第二代高温超导带材的连接方法。本专利技术还提供一种超导线。为此,本专利技术提供一种第二代高温超导带材的连接方法，包括以下步骤：去除保护层：去除第二代高温超导带材的待连接区域的部分区域银层，使剩余银层和裸露出的超导层间隔分布；银层扩散焊：将至少两根经过去除保护层步骤处理的第二代高温超导带材的待连接区域两两搭接形成搭接区域，使彼此的剩余银层重合接触，然后夹住搭接区域，对银层进行扩散焊；超导层熔融扩散焊；以及超导电性恢复。去除保护层步骤中，可以通过光刻和湿法刻蚀的方式进行去除指定区域的银层，具体的，可以用丙酮清洗第二代高温超导带材的待连接区域的表面油污后涂布光刻胶，经前烘、曝光、显影、清洗及后烘后浸没于银刻蚀剂中去除指定区域银层，之后清除残留的光刻胶并烘干，使待连接区域剩余银层均匀分布并获得银层与超导层相互间隔分布的图案，如条纹状、鱼骨状等，但并不局限于此，只要能够实现银层与超导层间隔分布即可。所使用的光刻胶可以为常规的光刻胶，优选美国安智公司生产的AZP4620光刻胶，所使用的银刻蚀剂可以为常规银刻蚀剂，优选为美国川思公司生产的SilverEtchantTFS刻蚀剂。进一步地，银层扩散焊的条件为：在氧气气氛下，对搭接区域施加20-50MPa的压力，并将搭接区域温度升温至400-600℃并保温1-8h。进一步地，超导层熔融扩散焊的条件为：在惰性气体气氛下，对搭接区域施加20-50MPa的压力，并将搭接区域的温度升温至800-900℃并保温0.5-5min。进一步地，超导电性恢复的条件为：将搭接区域的温度调整至400-600℃，然后充入0.1-15MPa的氧气并保温50-300h。进一步地，超导层熔融扩散焊步骤中，升温速率为3-100℃/s。进一步地，银层扩散焊步骤中，所述夹住搭接区域为在搭接区域两侧分别由里至外依次叠加银箔、氮化铝陶瓷片、镍铬合金加热片和隔热云母板。进一步地，所述镍铬合金加热片的厚度为0.05-0.5mm。银箔具有耐高温、导热系数高、质地软和抗氧化的特点，可以提高加载于接头区域的压力分布的均匀性，也可以用纯镍片代替银箔；氮化铝陶瓷片具有耐高温、导热系数高、电绝缘、表面平整和强度高的特点，可以提高接头区域的温场均匀性并隔离加热片与超导接头；镍铬合金具有耐高温、导热系数高、抗氧化的特点，可以用作用于电加热的材料，其他耐热的镍基合金也可以在此作为电加热片使用，而较薄的镍铬合金加热片具有电阻高、热容低的特点，利于实现快速的升降温过程。进一步地，银层扩散焊步骤中，在对银层进行扩散焊之前，还包括在搭接区域设置温度测量装置。进一步地，所述第二代高温超导带材中的稀土元素为钇、钆、钐、镝、钬、铒、钕和铕中的一种或几种。本专利技术还提供一种所述的第二代高温超导带材的连接方法制备的超导线。本专利技术技术方案，具有如下优点：1.本专利技术提供的第二代高温超导带材的连接方法，可以不破坏超导层结构，同时又能提供氧扩散通道，制备的超导接头在液氮温区具备超导特性的同时还具有较高的机械强度，同时剩余银层也可通过电流，使得超导接头还具有一定的失超保护能力。具体的，通过去除掉部分区域银层，使剩余银层和超导层间隔分布，然后经过银层扩散焊，可以使搭接区域上的剩余的银层相互扩散连接为一体，获得具有一定机械强度的低阻扩散焊接头，并在超导带材失超时可以保持一定的载流能力，起到一定的失超保护作用；同时利用银较高的氧扩散系数和机电性能，在不破坏超导层结构完整性的前提下通过与超导层间隔分布的银层提供大量的快速氧扩散通道来缩短超导电性恢复时间；经过超导层熔融扩散可以使搭接的两个超导层界面的部分区域熔融并相互扩散紧密连接为一体，实现超导层之间的连接，使接头具备超导特性，形成零电阻的超导接头。2.本专利技术提供的第二代高温超导带材的连接方法，银层扩散本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种第二代高温超导带材的连接方法，其特征在于，包括以下步骤：/n去除保护层：去除第二代高温超导带材的待连接区域的部分区域银层，使剩余银层和裸露出的超导层间隔分布；/n银层扩散焊：将至少两根经过去除保护层步骤处理的第二代高温超导带材的待连接区域两两搭接形成搭接区域，使彼此的剩余银层重合接触，然后夹住搭接区域，对银层进行扩散焊；/n超导层熔融扩散焊；以及/n超导电性恢复。/n

【技术特征摘要】
1.一种第二代高温超导带材的连接方法，其特征在于，包括以下步骤：
去除保护层：去除第二代高温超导带材的待连接区域的部分区域银层，使剩余银层和裸露出的超导层间隔分布；
银层扩散焊：将至少两根经过去除保护层步骤处理的第二代高温超导带材的待连接区域两两搭接形成搭接区域，使彼此的剩余银层重合接触，然后夹住搭接区域，对银层进行扩散焊；
超导层熔融扩散焊；以及
超导电性恢复。


2.根据权利要求1所述的第二代高温超导带材的连接方法，其特征在于，银层扩散焊的条件为：在氧气气氛下，对搭接区域施加20-50MPa的压力，并将搭接区域温度升温至400-600℃并保温1-8h。


3.根据权利要求1所述的第二代高温超导带材的连接方法，其特征在于，超导层熔融扩散焊的条件为：在惰性气体气氛下，对搭接区域施加20-50MPa的压力，并将搭接区域的温度升温至800-900℃并保温0.5-5min。


4.根据权利要求1所述的第二代高温超导带材的连接方法，其特征在于，超导电性恢复的条件为：将搭接区域的温度调节至400-6...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄大兴，丁发柱，古宏伟，商红静，谢波玮，李太广，邹琦，蔡渊，莫思铭，
申请(专利权)人：东部超导科技苏州有限公司，中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32