具有高临界安培容量的高温超导带材导体制造技术

本发明专利技术涉及具有柔性金属基材的高温超导带材导体，所述高温超导带材导体包含至少一个布置于柔性金属基材上的中间层，所述中间层在与柔性金属基材相反的一侧包含多个梯台，其中所述梯台的平均宽度小于1μm且所述梯台的平均高度大于20nm，以及包含至少一个布置于中间层上的高温超导层，所述高温超导层布置于至少一个中间层上且包含大于3μm的层厚度。与导体宽度相关的所述高温超导带材导体的安培容量在77K下大于600A/cm。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有高临界安培容量的高温超导带材导体
本专利技术涉及高温超导带材导体。现有技术在下文中，超导导体构造被称为高温超导带材导体(HTS带材导体)或也简称为基于柔性金属基材箔的带材导体，在所述金属基材箔上至少一个HTS层叠加于一个或多个中间层上。所述一个或多个中间层(也称为缓冲层)可例如作为扩散阻挡层或可以提供晶体取向并且可以起到HTS层的外延支撑物的作用。在电学技术和能源技术中，HTS带材导体为制造电线、缆线或回路或线圈的一种常见的导体材料。用于质量评估和表示HTS带材导体性能的特征参数是在无显著电阻时导体能够传输电流所达到的临界安培容量。由整个导体横截面传输的高的技术上的电流密度(即电流)在文中指的是能够在非常小的空间(横截面)上传输的非常高的电流和功率。电流密度越高，就能够设计更紧凑的电力系统，如缆线、电动机、线圈等。此外，在交流电应用中，在超导体中产生的低的交流电流损耗强烈地依赖于商I/Ic，即传输电流I比临界电流Ic(Supercond.Sei.Technol.22(2009)055014；PhysicaC445-448(2006)712)。因此，对于相同的传输电流负载，Ic的倍增使得交流电流损耗降低约一个数量级。并且，HTS带材导体的价格通常与其性能相关，且以欧元每千安培-米的表示。由于仅由HTS层提供安培容量，该层的改善导致与性能相关的制造成本的降低，因为其他制造步骤(基材、中间层等)的成本保持不变。因此，在制造应用优化的HTS带材导体中，临界传输电流的改善是一个关键目标。一个直接明显的措施将是HTS层厚度的增加，以使有效的HTS导体横截面增加并因此安培容量随着层厚度线性增加。但在实践中观察到，当额外层厚度不导致任何进一步的安培容量增加时，HTS层的比安培容量随着层厚度增加至某点而减少。因此所述额外层厚度仅仅是对电流传输没有任何贡献的无作用材料。因此，定性地说，高数值的HTS层厚度目前限制到小于3-5μm的厚度。高温超导体(HTS)为氧化物陶瓷超导体，其中CuO2-层在结晶结构中是核心要素。该类材料的通常代表是具有化学分子式RBa2Cu3O7的化合物(下面简称为RBCO)，其中R代表选自稀土(例如Dy、Gd、Ho等)的组的元素或代表钇(Y)。高温超导体的一个显著特点是其强烈的晶体各向异性。在晶体中CuO2-面由所谓的a-b-轴限定，而与之垂直的方向被称为c-轴。晶体各向异性几乎影响HTS的所有物理特征和电学特性，如超导安培容量，沿限定方向上的扩散系数和晶体生长速度等等。当通过物理方法或化学方法将HTSs作为薄层沉积于基材上时，它们由许多单个晶体或晶粒组成。当它们的晶体取向彼此变化大时，大角度的晶粒边界妨碍了超导电流流动，因此，临界安培容量比单个晶粒的固有安培容量低几个数量级。因此，在具有高安培容量的HTS带材导体中晶粒必须在一定角度的变化范围内相互排列。因此，用常规的涂布技术，制造出双轴(b-轴)织构的HTS层，其中a-b-轴以相对于与基材表面平行的底层固定的关系排列，并且c轴与之垂直。它就是所说的层的c-轴取向。通常，通过外延工艺的手段在宏观(微观)长度尺度上也实现了这种排列，外延工艺表示合适的底层定义晶体HTS层的生长方向。合适的底层为例如蓝宝石、MgO、LaAlO3等的单晶片，其中其晶体对称性和晶格常数与HTS层相适应。一些金属也能够通过机械变形和除去进行预处理，由此产生薄金属片，该薄金属片具有彼此适当排列的晶粒。这是被称为RABiTS方法(US5964966)的现有技术。US2008/0113869A1公开了超导元件，其包含基材，其中基材是无纹理的且包含镍基合金，所述镍基合金主要包含镍和不少于20重量-％的合金元素，并且其中基材基本上没有钼和锰。此外，超导元件包含布置于基材上的缓冲层和附于缓冲层上的高温超导层(HTS)。但是，许多金属和合金中的晶体无法以这样简单的方法对齐。在这些情况下，选择方法，以便通过合适的工艺控制对齐直接沉积于金属基材上或与中间层一起沉积于金属基材上的缓冲层，从而为进一步的层提供外延适用支撑物。另外，这样做还可以得到双轴取向HTS层的生长。在技术上，一般使用两种PVD(物理气相沉积)方法：“离子束辅助沉积”(IBAD)或“倾斜基材沉积”(ISD)。在IBAD方法中，在沉积期间额外地指向层的离子实现所期望的取向(EP0872579，US5432151)，并且与此相反，在ISD-方法中，通过生长选择来生成取向，此时基材逆着到达涂层材料的到达方向倾斜(EP0909340，EP0669411)。申请人的DE19754475A1公开了具有依此次序的非晶或多晶基材、纹理化的缓冲层和取向的薄层的涂层材料，其中在缓冲层和薄层之间封闭有至少一个覆盖层。利用所述至少一个覆盖层，实现了补偿在缓冲层中的(由制造产生的)间隙和不平整性，从而根据为其外延生长所提供的表面，取向的氧化物薄膜包含高品质。对于完美的外延，在HTS层中的临界电流密度应该完全独立于层厚度，并年能够通过增加HTS层的厚度来简单地实现高传输电流。但是在实践中观察到，随着层厚度的增加，临界电流密度强烈衰退，从而到现在为止，仅仅成功实现了在大于3-5μm的厚HTS层中传输电流的显著增加。在下文中简要地解释这种强的层厚度依赖性的一些可能的主要原因。在基材和HTS层之间的热膨胀系数不同可能导致通常在＞650℃的高温下沉积的HTS层在冷却期间受到应力作用。最常见的氧化物基材材料例如蓝宝石、LaAlO3、YSZ(钇稳定的氧化锆)以及还有硅，包含比HTS层明显更小的热膨胀系数，从而HTS层存在拉伸应力。从特定的层厚度开始，该拉伸应力通过裂纹释放，其中临界电流衰退约几个数量级或不再有连续超导电流路径通过该层(W.Prusseitetal.，PhysicaC201，(1992)，249-256)。从文献中已知通过在HTS层中引入一定的孔隙率来解决此问题的方法。多孔生长允许层以更好的方式吸收应力或通过孔来停止裂纹的扩展。在蓝宝石上，例如YBa2Cu3O7的临界层厚度达到约300-400nm。例如通过膜中钇多余(K.Develos-Bagarinao，H.Yamazaki，in：YBCOSuperconductorResearchProgress，Ed.：Li-ChunLiang，S53-92，NovaSciencePubl.(2008)，ISBN：978-1-60456-083-1)或通过在以与完美的外延取向有某种程度偏差来切割或抛光的基材上的外延生长(Appl.Phys.Lett.86(19)(2005)192507，IEEETrans.Appl.Supercond.17，(2007)，3459-3462)，来实现孔隙率。后者意味着晶轴(c-轴)通常与基材垂线偏离约1°-6°。这样做可以在蓝宝石上制造厚度达1μm的无裂纹的YBa2Cu3O7-层。但是孔隙度也导致电流密度的损耗，从而在扣除后仅观察到传输电流的改善。在金属基材上，热膨胀的影响通常不重要，因为金属的热膨胀系数比HTS层的热膨胀系数更高，从而HTS层只存在压缩应力且无裂纹生成出现。因此，在带材导体的HTS层中，原则上甚至能够实现几微米的层厚本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.07.29 DE 102010038656.11.具有柔性金属基材的高温超导带材导体，其包含：a.至少一个布置于所述柔性金属基材上的中间层，其在与所述柔性金属基材相反的一侧包含多个梯台，其中b.所述梯台的平均宽度小于1μm，且所述梯台的平均高度大于20nm，以及c.至少一个布置于所述中间层上的高温超导层，其布置于所述至少一个中间层上且包含大于3μm的层厚度，并且d.其中所述高温超导带材导体的与导体宽度有关的安培容量在77K下大于600A/cm。2.如权利要求1所述的高温超导带材导体，其中所述高温超导层包含5μm至10μm的层厚度。3.如权利要求1或2中一项所述的高温超导带材导体，其中所述至少一个中间层的所述梯台的平均高度包含50nm至200nm的范围。4.如权利要求1所述的高温超导带材导...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特·塞莫雷德，沃纳·普路塞特，
申请(专利权)人：泽瓦薄膜技术股份有限公司，
类型：
国别省市：