專利名稱：受保護(hù)超導(dǎo)體組件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種有特定橫截面積的高溫超導(dǎo)體組件及其制造方法，該組件具有在安全區(qū)域內(nèi)與安全導(dǎo)體接觸的載流段，接觸方式為當(dāng)超導(dǎo)體轉(zhuǎn)變至正常傳導(dǎo)時在安全區(qū)域內(nèi)電流流動可被安全導(dǎo)體接受至少1秒鐘而無損害并且繞行。
由于發(fā)現(xiàn)陶瓷材料在比較高的溫度下表現(xiàn)出超導(dǎo)現(xiàn)象，Bednorz和Müller(Z.Phys.B.64，189(1986))在1980年代實現(xiàn)了超導(dǎo)性轉(zhuǎn)變溫度的首次顯著改良。Bednorz和Miiller所使用的材料具有名義成分La2-xMxCuOy，其中M代表鈣、鋇或鍶，x通常在0和0.3之間變化，y取決于制造條件。最高超導(dǎo)性轉(zhuǎn)變溫度用其中M為鍶且x為大約0.15-0.20的材料進(jìn)行測量。這些材料的轉(zhuǎn)變溫度在大約40-50K之間的范圍內(nèi)(Cava等，Phys.Rev.Letters，58，408(1987))。在1987年3月，Chu等在Phys.Rev.Letters，58，405(1987)中報導(dǎo)說，一種具有Y1.2Ba0.8CuOy成分的材料表現(xiàn)出大約90-100K之間的超導(dǎo)性轉(zhuǎn)變溫度。
由于這些發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)找到另一系列的材料，其在液氮沸點之上的溫度下表現(xiàn)出超導(dǎo)性。隨著這些發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)體技術(shù)由此朝更寬的應(yīng)用躍進(jìn)，因為沒有電阻的電流傳導(dǎo)不再完全依賴于使用極昂貴且敏感的液氦(沸點4K)來冷卻超導(dǎo)體材料，而是甚至在相當(dāng)高的溫度下也可用便宜許多的液氮來實現(xiàn)該冷卻。
然而，此新發(fā)現(xiàn)的材料的缺點在于它們是陶瓷材料，而不能使用用于“導(dǎo)體”的常規(guī)加工方法。陶瓷超導(dǎo)體不具有撓性或延展性，且為脆性的和不能成形的。因此這些材料的切削通常需要以高成本使用昂貴的鉆石切割工具來執(zhí)行。
隨著引入所謂的熔融鑄造方法，這一點至少發(fā)生了部分的改變。該方法在EP-B 0 462 409中有敘述，開創(chuàng)了制造例如具有不同尺寸的圓柱形中空模、例如具有比較小直徑和相當(dāng)大長度的厚壁管的可能性，這些可用于動力工程應(yīng)用。
隨著對在超導(dǎo)性中所發(fā)生的現(xiàn)象的了解增加以及陶瓷超導(dǎo)體加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，方法不斷發(fā)展使得有可能把陶瓷高溫超導(dǎo)體材料形成撓性線或條帶，以便拓寬高溫超導(dǎo)體材料的應(yīng)用范圍，使其至少幾乎等于正常導(dǎo)體。例如，IEEE Transactions on Magnetics，第25冊，第2號，1989年3月中敘述的，超導(dǎo)體材料條可以銀包線的形式得到。為此，把產(chǎn)生超導(dǎo)體的相應(yīng)材料例如進(jìn)行混合、煅燒及燒結(jié)，然后放入銀管。經(jīng)過拉拔方法，該銀管的直徑逐步減小，直到產(chǎn)生可被加工成有適當(dāng)撓性的線或薄條。此方式所獲得的線或條帶通常亦接受更一步的處理，以便產(chǎn)生所需要的超導(dǎo)體特性或使其最優(yōu)化。若適當(dāng)?shù)脑?，就特定類型的高溫超?dǎo)體而言，也有可能把已具有超導(dǎo)性的粉末放入相應(yīng)銀管內(nèi)然后加工它們形成條或線。此方法一般稱為管內(nèi)粉末方法(PIT)。在線或條帶形式的該高溫超導(dǎo)體中，超導(dǎo)體材料為超導(dǎo)“顆?！钡男问健１M管電流可非常容易地在顆粒內(nèi)流動，但是電流由顆粒流向顆粒有可能僅沿著粒界流動，粒界與顆粒本身相比有較差的超導(dǎo)體特性。粒界因此一般稱為弱連結(jié)。此種線或條帶系統(tǒng)的另一缺點是高溫超導(dǎo)體材料的連續(xù)截面積非常小。常用的線或條帶具有例如大約0.4mm2的截面積，通常僅相當(dāng)于高溫超導(dǎo)體材料的約30％。因此很明顯，用此種系統(tǒng)實現(xiàn)的臨界電流是非常有限的，并且對于很多應(yīng)用是不夠的。
與高溫超導(dǎo)體有關(guān)的銀的使用，例如M.Itoh、H.Ishigaki、T.Ohyama、T.Minemoto、H.Noijiri和M.Motokawa在J.Mater.Res.，第6冊，11，1991年11月中已有敘述。他們已證明含銀粉末改進(jìn)高溫超導(dǎo)體材料的電氣特性，此例中基于Y、Ba、Cu和O。作者描述了包含高達(dá)28wt％的粉末形式的高溫超導(dǎo)體。
一種已廣泛建立并經(jīng)廣泛研究的、可用于由高溫超導(dǎo)體材料制造的管狀組件的可能應(yīng)用由感應(yīng)電流限制表示。例如，US-A 5,140,290敘述了一種用于交流的感應(yīng)電流限制器件，其中所要限制的電流流經(jīng)感應(yīng)線圈。中空圓柱體或高溫超導(dǎo)體布置在該線圈內(nèi)部，而具有高磁導(dǎo)率的軟磁材料同心地布置在內(nèi)側(cè)。在正常操作下，或以額定電流，則中空圓柱體的超導(dǎo)性屏蔽其內(nèi)部，因此感應(yīng)線圈的阻抗非常低。然后電流在中空圓柱體內(nèi)環(huán)形流動，電流不會沿中空圓柱體縱向軸線發(fā)生流動。
由于過電流，例如由于電源短路，使得超導(dǎo)性消失且感應(yīng)線圈的阻抗達(dá)到其最大電流限值。當(dāng)有高于臨界電流的暫時性過電流且電壓為幾mV/cm-V/cm時，該電壓和電流應(yīng)用導(dǎo)致所謂的“熱”點。由于高溫超導(dǎo)體材料中較小的不均勻性，發(fā)生局部的電壓峰值。這導(dǎo)致能量消耗增加，因此在此點加熱。結(jié)果導(dǎo)致越來越增加的電阻局部峰值，由此產(chǎn)生電壓降。隨著長時間應(yīng)用，該效應(yīng)導(dǎo)致高溫超導(dǎo)體的區(qū)域的破壞。
由于在制造該高溫超導(dǎo)體材料期間，具有更低的載流容量的高溫超導(dǎo)體的質(zhì)量發(fā)生變化，這些“熱”點例行地發(fā)生在高溫超導(dǎo)體材料中?！盁帷秉c一般為0.01-0.5mm的較小程度。發(fā)生的過電流特別短暫且范圍在約10-100ms。
為了穩(wěn)定該組件，DE-A 44 18 050提議把大約1-10μm厚的銀層涂覆到超導(dǎo)體表面上。為了機(jī)械地穩(wěn)定超導(dǎo)體，提議使用彈性鋼線卷繞，它用低溫穩(wěn)定的焊料或合成樹脂固定，方式為使鎧裝上所獲得的總拉應(yīng)力或超導(dǎo)中空圓柱體上的壓力維持在甚至低于100K的溫度下。
相應(yīng)地，EP-A 0 822 560也敘述了一種用于感應(yīng)電流限制的管狀高溫超導(dǎo)體布置。該文件指出，若高溫超導(dǎo)體中有短路電流，則超導(dǎo)體會發(fā)生振動并可導(dǎo)致在高溫超導(dǎo)體陶瓷中形成裂縫，除非采取保護(hù)性措施。為了防止裂縫形成，高溫超導(dǎo)體有由纖維復(fù)合物纏繞它形成保護(hù)線圈，使其拉應(yīng)力和壓應(yīng)力分布得更均勻。振蕩阻尼填料或氈圈的阻尼層涂覆到該保護(hù)線圈周圍。它還敘述了把用于電氣穩(wěn)定的金屬的正常導(dǎo)體層涂覆到高溫超導(dǎo)體表面上。此層為約1μm厚的金屬層，優(yōu)選為銀層，它有機(jī)械鎧裝，優(yōu)選用鋼線纏繞在其周圍，并用導(dǎo)電性固定物固定。
EP-B 0 731 986也敘述了一種適用于電阻式限制直流和交流電流的限流器件。描述了由超導(dǎo)體和正常導(dǎo)體構(gòu)成的層狀復(fù)合物結(jié)構(gòu)，其中正常導(dǎo)體的層厚的選擇方式為該層電阻應(yīng)大約等于與它鄰接的超導(dǎo)體層在非超導(dǎo)狀態(tài)時的電阻。
除了用作限流器外，高溫超導(dǎo)體組件還可以管狀和以整體配置用作高溫超導(dǎo)體應(yīng)用的電流導(dǎo)線。此種用高溫超導(dǎo)體材料制成的電流導(dǎo)線，例如，可以用作在加速器磁鐵或研究磁鐵中核磁共振層析X射線攝影機(jī)或分光儀內(nèi)的超導(dǎo)磁鐵的電流導(dǎo)線。在此情形中，它們通常代表4K溫度水平和77K溫度水平之間的電連接。由于一般使用液氦來冷卻超導(dǎo)體磁鐵，此種磁鐵的電流導(dǎo)線僅有較低的導(dǎo)熱性是非常重要的，因為如導(dǎo)言中所述，用液氦只能冷卻到4K，而且液氦一方面比較昂貴，另一方面需要敏感復(fù)雜的冷凍機(jī)。因此電流導(dǎo)線原則上應(yīng)該具有較低的導(dǎo)熱性，以便保護(hù)冷凍機(jī)并降低冷卻成本。
用于產(chǎn)生強(qiáng)磁場的超導(dǎo)體線圈通常需要特殊保護(hù)。即使當(dāng)使用穩(wěn)定的材料和無誤差的線圈設(shè)計時，也可能發(fā)生使線圈變成正常導(dǎo)體的因素(例如當(dāng)氣體進(jìn)入低溫真空時)。于是磁場瓦解，所有儲存在磁場中的能量轉(zhuǎn)變成熱。在大線圈的情況下，該能量是非常巨大的。在1m3空間內(nèi)的5T磁場含有107Ws(約2.8kWh)的儲存場能。如果該能量在進(jìn)入正常傳導(dǎo)時以未控制方式迅速轉(zhuǎn)變成熱，這能使磁鐵完全損壞。
就此而論，可發(fā)生各種過程。如果線圈在正常傳導(dǎo)狀態(tài)時的電阻大時，那么所發(fā)生的電流實際上較小，可避免因電流加熱引起的損壞。然而在此情形中，在磁場瓦解時發(fā)生非常高的電壓，并且可在線圈的匝之間產(chǎn)生電壓跳火。為了避免這種線圈不小心轉(zhuǎn)變至正常傳導(dǎo)時所造成的災(zāi)難性后果，例如在大線圈的情況時，提議使用保護(hù)器件，它適于盡可能快地把儲存能量從磁鐵線圈排出。為此，Supraleitung[Superconductivity]，第4版，VCH Weinheim，Werner Buckel，1990，第242頁中建議把線圈連接到外部電阻，該電阻在磁場瓦解時把大部分儲存能量轉(zhuǎn)變成熱。這不能或不足以避免內(nèi)部跳火。進(jìn)一步的可行方式為，通過用低自感的密閉導(dǎo)體纏繞線圈而感應(yīng)地把儲存能量從磁鐵線圈排出。但在此方法中，所有的能量傳送到液氦池中，在某些情況下會導(dǎo)致爆炸性蒸發(fā)。
EP-A 0 837 478敘述了一種用于超導(dǎo)體磁鐵系統(tǒng)的電流導(dǎo)線，它不需要液氦。描述了由高溫超導(dǎo)體材料制成的管狀電流導(dǎo)線元件，它在每一端都有電極。載流元件調(diào)和大約為77K的外部溫度水平和大約為4K的內(nèi)部溫度水平之間的溫度矛盾。描述了此種電流導(dǎo)線有利的低傳導(dǎo)性，它僅允許較少的熱從更熱水平傳遞到更冷水平，因此與正常導(dǎo)體電流導(dǎo)線相比，大大降低更冷溫度水平的冷卻成本。
盡管此種高溫超導(dǎo)體電流導(dǎo)線器件一方面無電阻地傳導(dǎo)電流，另一方面僅允許在更冷溫度儲存器和更熱者之間較少的熱傳遞，但是就高溫超導(dǎo)體特性的瓦解和正常導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變而言，它代表更危險的因素。
所有的高溫超導(dǎo)體材料可因以下情況而喪失其超導(dǎo)特性a)超過臨界溫度(Tc)，b)超過臨界磁場(Hc)，或者c)超過臨界電流(Ic)，或者同時有兩種或更多種上述情況。
在這些情況中，材料變成正常導(dǎo)體且產(chǎn)生高電阻。在電流所流經(jīng)的部分高溫超導(dǎo)體組件或全部組件發(fā)生此種轉(zhuǎn)變時，高電阻產(chǎn)生的歐姆熱可導(dǎo)致組件在極短的時間內(nèi)破壞。該熱不能足夠快地消散，因此組件可能在幾秒鐘內(nèi)開始熔化。
如果使用此種組件，例如，當(dāng)作成高溫超導(dǎo)體磁鐵線圈的電流導(dǎo)線，則在此情形中流動的電流，尤其在具有高電感的磁鐵應(yīng)用中，因為電流導(dǎo)線突然損壞而不足以緩慢地逐漸降低。如前面已經(jīng)參考磁鐵線圈應(yīng)用所敘述的，這一般導(dǎo)致整個線圈的破壞。另外，在此情形中可能發(fā)生的電壓跳火在某些情況下可對整個系統(tǒng)造成破壞而且替換它是昂貴的。
為了保護(hù)高溫超導(dǎo)體電流導(dǎo)線，免于這類事件，迄今已經(jīng)需要例如額外的外部正常導(dǎo)體平行地連接，或裝設(shè)復(fù)雜、快速且敏感的開關(guān)，以便在記錄到通過整個高溫超導(dǎo)體的壓降時立即切斷電流。該正常導(dǎo)體或開關(guān)器件在此情形中必須連接所欲保護(hù)的部分的上端和下端。這引起額外的組裝費用且需要大量的空間，并且進(jìn)一步地，因為冷卻到低溫，必須小心以確保與高溫超導(dǎo)體組件本身匹配的熱膨脹。完全連續(xù)的保護(hù)，其中整個高溫超導(dǎo)體組件各處的電流可由高溫超導(dǎo)體通往平行運作的正常導(dǎo)體，不能用此種結(jié)構(gòu)設(shè)計來實現(xiàn)。而且，意欲檢測高溫超導(dǎo)體組件內(nèi)正常傳導(dǎo)的最初跡象的快速敏感開關(guān)，頻繁引起錯誤觸發(fā)而不必要地關(guān)閉整個系統(tǒng)。
DE-A 4 124 980敘述了一種穩(wěn)定的陶瓷高溫超導(dǎo)體及其制造方法。描述的陶瓷高溫超導(dǎo)體，其中斷路器可靠地穩(wěn)定以便可及時切斷電流。為此，一條或多條貴金屬線引入到高溫超導(dǎo)體組件中。然而，這僅能防止高溫超導(dǎo)體中產(chǎn)生小局部裂縫，而不能防止組件中超導(dǎo)體特性的喪失。
因此要求高溫超導(dǎo)體組件沒有先前技術(shù)中已知的組件的缺點。因而本發(fā)明目的是提供一種高溫超導(dǎo)體組件，其中，當(dāng)超過臨界溫度(Tc)、或超過臨界磁場(Hc)，或超過臨界電流(Ic)、或者同時有兩種或多種上述情況時，維持電流在高溫超導(dǎo)體中流動至少一段較短的時間，足以使電流傳導(dǎo)緩慢地逐漸降低并向前傳送，以便不會對高溫超導(dǎo)體組件和與它相連的系統(tǒng)產(chǎn)生破壞。
本發(fā)明的目的通過隨后敘述的方案來實現(xiàn)，在一個或多個安全區(qū)域內(nèi)，高溫超導(dǎo)體組件與正常傳導(dǎo)的安全導(dǎo)體發(fā)生接觸，接觸方式為當(dāng)高溫超導(dǎo)體在此安全區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)變至正常傳導(dǎo)時，在此安全區(qū)域內(nèi)流動的電流可基本上完全被正常導(dǎo)體接受至少1秒鐘而無損害并且繞行。
因此，本發(fā)明涉及一種高溫超導(dǎo)體橫截面積至少為1mm2的高溫超導(dǎo)體組件，其中，具有載流段，載流段連接至安全導(dǎo)體，安全導(dǎo)體與載流段電連接并在安全區(qū)域內(nèi)至少部分覆蓋后者或至少部分被后者包圍，安全導(dǎo)體設(shè)計和安排的方式為當(dāng)高溫超導(dǎo)體在此安全區(qū)域轉(zhuǎn)變至正常傳導(dǎo)時，在載流段安全區(qū)域內(nèi)流動的電流可基本上完全被安全導(dǎo)體接受至少1秒鐘而無損害并且繞行。
在本發(fā)明的范圍內(nèi)，術(shù)語電流“基本上完全”被接受并繞行，意指在超導(dǎo)條件下在高溫超導(dǎo)體中流動的電流的至少主要部分被接受并繞行。由于高溫超導(dǎo)體即使在正常傳導(dǎo)狀態(tài)下也仍表現(xiàn)出(即便是小的)傳導(dǎo)性，在超導(dǎo)條件下在高溫超導(dǎo)體中流動的電流不完全通過安全導(dǎo)體，但當(dāng)在本發(fā)明組件中轉(zhuǎn)變至正常傳導(dǎo)時僅“基本上完全”通過。根據(jù)電氣工程定律，即使在正常傳導(dǎo)狀態(tài)時，小部分的電流仍在高溫超導(dǎo)體中流動。
在本發(fā)明范圍內(nèi)，術(shù)語“高溫超導(dǎo)體組件”意指一種在30K或以上溫度下促進(jìn)電流在其全長上傳導(dǎo)而沒有電阻的組件。根據(jù)本發(fā)明的高溫超導(dǎo)體組件相應(yīng)地包含一部分高溫超導(dǎo)體材料，陶瓷材料用作高溫超導(dǎo)體材料。
因而根據(jù)本發(fā)明的組件可在所定義的“高溫傳導(dǎo)”占優(yōu)的溫度下使用。然而，也可以在較低的溫度下使用根據(jù)本發(fā)明的組件，也就是說，在低于30K溫度下使用，例如為約4K-25K。
在本發(fā)明優(yōu)選實施例中，高溫超導(dǎo)體組件具有一部分至少為約30wt％的高溫超導(dǎo)體材料，例如至少為約35wt％、40wt％或更多，例如至少為約50wt％。對于根據(jù)本發(fā)明的組件，同樣有可能具有一部分大于60wt％或70wt％的高溫超導(dǎo)體材料。在此情形中該重量部分指高溫超導(dǎo)體材料和安全導(dǎo)體的質(zhì)量的總和，以下將詳細(xì)敘述。其它輔助裝置，例如機(jī)械強(qiáng)化裝置、接觸裝置、伴隨組件的溫度感應(yīng)器或電壓感應(yīng)器也可用于組件，但不包括在此重量比例的計算中。
在優(yōu)選實施例中，高溫超導(dǎo)體組件具有包括整體高溫超導(dǎo)體陶瓷的載流段。此種大塊陶瓷，例如，可通過等靜壓壓縮或鑄造方法來獲得。
所有在50K或以上溫度下表現(xiàn)超導(dǎo)體特性亦即傳導(dǎo)電流而沒有電阻的高溫超導(dǎo)體材料，適于用作高溫超導(dǎo)體材料。本發(fā)明范圍內(nèi)的高溫超導(dǎo)體組件既可用于直流傳導(dǎo)也可用于交流傳導(dǎo)。在本發(fā)明優(yōu)選實施例中，該組件因此用于傳導(dǎo)直流電流，而在另一實施例中用于傳導(dǎo)交流電流。
特別適合本發(fā)明范圍的高溫超導(dǎo)體材料的實例包括具有組成為A1±xM2±xCu3Oy的復(fù)合物，其中A代表Y、或元素Y、La、Lu、Sc、Sm、Nd或Yb的兩者或多者的結(jié)合。此處M代表Ba、或元素Ba、Sr或Ca兩者或多者的結(jié)合，而y代表所述材料在高于30K溫度，尤其在至少約77K變成超導(dǎo)性的數(shù)值。復(fù)合物包含單相鈣鈦礦類結(jié)晶體結(jié)構(gòu)，它的制備例如為以合適的克分子比混合金屬氧化物或經(jīng)加熱轉(zhuǎn)變成金屬氧化物的復(fù)合物，在有氧存在的情況下加熱混合物到約800-1100℃之間的溫度，然后在有氧存在的情況下慢慢冷卻混合物至少約一小時。合適材料的具體實例包括(Y0.8Lu0.2)1.0Ba2.0Cu3Oy、(Y0.5Lu0.5)1.0Ba2.0Cu3Oy、(Y0.5La0.5)1.0Ba2.0Cu3Oy、(Y0.5Sc0.5)1.0Ba2.0Cu3Oy、(La0.5Sc0.5)1.0Ba2.0Cu3Oy、Y1.0(Ba0.5Ca0.5)2.0Cu3Oy、Y1.0(Sr0.5Ca0.5)2.0Cu3Oy、Y0.8Ba2.0Cu3Oy、Y1.2Ba2.0Cu3Oy、Y1.0Ba1.8Cu3Oy、Y1.0Ba1.5Cu3Oy、Y1.2Ba1.8Cu3Oy。一組特別適合的材料包括參考YBCO-123和YBCO-211可公知的材料，數(shù)字組合123和211代表元素Y、Ba和Cu的化學(xué)計量比。
其它合適的在溫度30K或以上表現(xiàn)出高溫超導(dǎo)性的陶瓷材料的實例，包括具有通式(Bi1-xAx)-By-Cz-CuO的復(fù)合物，其中A代表Sb或As或其混合物，B和C不相同且分別代表一或多種選自于Be、Mg、Ca、Sr和Ba的元素，0≤x＜1.0＜y≤5且0＜z≤5。在此情形下，上述通式中氧的比例(未標(biāo)定)為約3-5，這取決于制造方法和所需的特性。
在所述氧化物中，必須使鉍(Bi)和銅(Cu)結(jié)合至少兩種或多種選自于Be、Mg、Ca、Sr、Ba和Pb的元素。若適當(dāng)?shù)脑?，Bi可部分地由Sb或As或兩者所取代。尤其優(yōu)選Bi、Sr、Ca、Cu和O的組合。所述復(fù)合物通過以適當(dāng)?shù)幕旌媳然旌纤鲈氐难趸?、碳化物、或碳酸鹽、或其兩種或多種的混合物來制備。隨后，在約700-900℃溫度下進(jìn)行煅燒大約2-20小時，把煅燒混合物研磨、轉(zhuǎn)變成合適的形式，并在約800-1100℃溫度下以半或完全融化的狀態(tài)燒結(jié)。所述類型的復(fù)合物表現(xiàn)出例如高于105K的超導(dǎo)性轉(zhuǎn)變溫度并且特別穩(wěn)定。所述類型復(fù)合物的實例可在例如EP-B 0 330 305中找到，在此將其引作參考文獻(xiàn)。
在本發(fā)明范圍內(nèi)，適合用作高溫超導(dǎo)體材料的其它復(fù)合物，例如為在EP-A 0 327 044(同樣在此引作參考)中所描述的。這些為具有Bi、Sr、Ca、Cu和O含量的高溫超導(dǎo)體物質(zhì)，其經(jīng)驗組成為Bia(Sr，Ca)bCu6Ox，此處a＝3-24，b＝3.23-24，并且Sr/Ca原子比為大約1∶9-9∶1。Bi∶(Ca+Sr)原子比為大約0.3-1.5。所述復(fù)合物傳統(tǒng)上稱為BSCCO，字母B代表元素鉍，字母S代表鍶，第一個字母C代表鈣，第二個字母C代表銅，O代表氧。以其復(fù)合物組成為基礎(chǔ)，上述高溫超導(dǎo)體材料也常常用它們的元素組成來標(biāo)識。因而，參考物BSCCO-2212表示其組成為Bi2Sr2CaCu2Ox的復(fù)合物，而參考物BSCCO-2223表示具有化學(xué)計量組成Bi2Sr2Ca2Cu3Ox的復(fù)合物。在文獻(xiàn)中，例如，常常以構(gòu)成結(jié)構(gòu)的層數(shù)目來表示復(fù)合物。因此，例如，BSCCO-2212通常稱作“兩層”，BSCCO-2223稱作“三層”。
若適當(dāng)?shù)脑?，所述高溫超?dǎo)體材料還可含有SrSO4或BaSO4作為輔助劑，其含量最高達(dá)20wt％(當(dāng)使用BaSO4時，優(yōu)選僅最高不大于10wt％)。在本發(fā)明范圍中還可用的是BSCCO類復(fù)合物，其中部分鉍已被鉛取代。此組成傳統(tǒng)上也稱作Pb-BSCCO。例如，鉛復(fù)合物(BiPb)2Sr2CaCu3O10適合在本發(fā)明范圍中使用。
例如在EP-B 0 659 704(在此引作參考)中所述的也適于用作高溫超導(dǎo)體材料，它除元素鋇、鈣、銅和氧之外至少還含有汞。另外，還可包含選自Pb、Bi、Tl、Au、Pt、Ag或Cd中的另一種元素或其它兩種或多種元素的混合物。具有化學(xué)計量組成為1223的組成(Hg，Pb)、Ba、Ca、Cu的高溫超導(dǎo)體氧化物例如由K.Isawa等在Physica，C 217(1993)，11-15中描述。上述兩文件在此作為參考。
其它適用的高溫超導(dǎo)體材料在WO 95/08517中有敘述，它同樣在此引作參考。該公告案敘述含有鉈的氧化物陶瓷高溫超導(dǎo)體，使用它例如可獲得整塊陶瓷組件。所述高溫超導(dǎo)體復(fù)合物例如具有化學(xué)組成Tl/PbCan-1Ba2CunOx、(Tl/Pb)2Can-1Ba2CunOy或Tl0.5Pb0.5Can-1Sr2CunOz。此處，n代表例如數(shù)字1、2或3。材料的高溫超導(dǎo)性轉(zhuǎn)變溫度(Tc)明顯高于77K，例如約為118-122K。復(fù)合物的發(fā)現(xiàn)和特征例如由Z.Z.Cheng等在Nature，第332卷，第55頁(1988)中有描述。
在EP-A 0 573 804中敘述的高溫超導(dǎo)體材料也是適用的。此種BSCCO類高溫超導(dǎo)體具有大約200-800ppm(以重量計)的碳含量，以便增加平衡狀態(tài)時的臨界電流密度。
根據(jù)本發(fā)明的高溫超導(dǎo)體組件不局限于其三維形狀，并且在以下解釋的根據(jù)本發(fā)明的安全導(dǎo)體設(shè)計可應(yīng)用于現(xiàn)實中所有的三維形狀的高溫超導(dǎo)體組件。
然而，在本發(fā)明范圍內(nèi)優(yōu)選的組件為拉長的形狀，其中組件長度為組件橫截面的倍數(shù)。在本發(fā)明范圍內(nèi)，術(shù)語倍數(shù)不僅指整數(shù)倍。就此而言，高溫超導(dǎo)體組件具有直線形狀，但如果允許有合適的制造方法，同樣也可彎曲成曲折形狀或繞成螺旋形狀。
然而在優(yōu)選實施例中，根據(jù)本發(fā)明的高溫超導(dǎo)體組件基本上是直線型的，并且長度為至少大約1cm。高溫超導(dǎo)體組件的長度基本上是不受限制的，通常視應(yīng)用特性而定。因而，在使用根據(jù)本發(fā)明的高溫超導(dǎo)體組件作為高溫超導(dǎo)體磁鐵的電流導(dǎo)線時，組件長度通常需要大約為5-100cm，例如為約10-50cm。
高溫超導(dǎo)體組件的橫截面可以有任何所需要的外部形狀，這僅取決于制造特性。例如，橫截面可以為圓形、橢圓形或多邊形，具體地是三角形、四邊形例如為正方形或矩形、五邊形或六邊形。
在此情形中，高溫超導(dǎo)體組件可以為整塊形式，即組件的橫截面完全用高溫超導(dǎo)體材料填充。然而，高溫超導(dǎo)體組件也可是中空的，即組件的橫截面具有由高溫超導(dǎo)體材料包圍的自由表面。在本發(fā)明范圍內(nèi)，可使用整體和中空的高溫超導(dǎo)體組件，在優(yōu)選實施例中可設(shè)計成管狀或棒狀。
在優(yōu)選實施例中，高溫超導(dǎo)體材料的橫截面積至少為大約2mm2，具體地為大于約5mm2。例如，在本發(fā)明范圍內(nèi)，橫截面積為大約25mm2、大約50mm2、大約500mm2、大約1300mm2或大約2000mm2的組件是適用的。
根據(jù)本發(fā)明的高溫超導(dǎo)體組件至少有一個載流段。載流段表示用于電流傳導(dǎo)而沒有其它接觸功能的高溫超導(dǎo)體組件的段，例外的是，若適當(dāng)?shù)脑挘c測量儀器接觸，該儀器例如用于監(jiān)督載流段中的電流流動或溫度。根據(jù)本發(fā)明的高溫超導(dǎo)體組件的載流段至少部分地，亦即在一個安全區(qū)域或數(shù)個安全區(qū)域內(nèi)，與安全導(dǎo)體接觸，安全導(dǎo)體優(yōu)選正常導(dǎo)體。術(shù)語“部分地”接觸安全導(dǎo)體在本文范圍內(nèi)意指載流段不需要以全長來接觸安全導(dǎo)體，相反，載流段特定的長度部分不與安全導(dǎo)體接觸。
在本文范圍內(nèi)，術(shù)語“安全區(qū)域”指載流段的區(qū)域，其中當(dāng)高溫超導(dǎo)體材料轉(zhuǎn)變至正常傳導(dǎo)時，電流傳導(dǎo)可至少暫時地，亦即至少一秒鐘，由安全導(dǎo)體承受。
在優(yōu)選實施例中，根據(jù)本發(fā)明的高溫超導(dǎo)體組件具有設(shè)計成觸點的端段。術(shù)語“端段”指根據(jù)本發(fā)明的高溫超導(dǎo)體組件中與電源或負(fù)載機(jī)械或電接觸的那些段。本文中的術(shù)語“電源”意指任何形式的電流導(dǎo)線，它傳導(dǎo)電流到高溫超導(dǎo)體組件而因此電接觸，但另一方面僅非正面地連接或通過聯(lián)鎖連接，或者兩者都有。術(shù)語電流輸出意指組件通過使用由高溫超導(dǎo)體組件傳導(dǎo)的電流達(dá)到特定效果，例如產(chǎn)生磁場。
高溫超導(dǎo)體組件優(yōu)選實施例的端段設(shè)計成觸點，亦即它們具有接觸裝置，讓高溫超導(dǎo)體組件與其它電源或負(fù)載電連接。此種電連接，例如，可通過用導(dǎo)電性金屬在端段周圍，優(yōu)選在端段的整個周圍，環(huán)繞高溫超導(dǎo)體組件來形成。在這種情形中，導(dǎo)電性金屬在端段區(qū)域內(nèi)與高溫超導(dǎo)體材料接觸，接觸方式為當(dāng)電流經(jīng)由金屬至高溫超導(dǎo)體材料從電流導(dǎo)線傳送或至一電流輸出部時，或反之亦然，端段區(qū)域內(nèi)的超導(dǎo)體材料能提供最低可能的接合電阻。該電阻優(yōu)選小于2μΩ·cm(77K)，例如小于1.5μΩ·cm、1μΩ·cm或0.5μΩ·cm。
在另一優(yōu)選實施例中，高溫超導(dǎo)體組件有兩個端段，其長度合計約小于高溫超導(dǎo)體組件總長的40％。
例如，由適當(dāng)形成的銅觸點來完成高溫超導(dǎo)體組件和電流導(dǎo)線或電流輸出部的接觸，該銅觸點基本上包圍高溫超導(dǎo)體組件的整個外圍并基本上包圍端段的全長。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，高溫超導(dǎo)體組件與安全導(dǎo)體在安全區(qū)域內(nèi)至少部分載流段上完全接觸。優(yōu)選地，此部分載流段位于端段或鄰近處之一的附近，具體地在一個端段附近。在另一優(yōu)選實施例中，高溫超導(dǎo)體組件與安全導(dǎo)體通過載流段的整個表面在其全長上接觸。
在另一優(yōu)選實施例中，安全區(qū)域至少占高溫超導(dǎo)體組件表面積的10％。優(yōu)選地，安全導(dǎo)體和組件之間的接觸是連續(xù)的且是不間斷的全表面的。如果在溫度梯度中使用高溫超導(dǎo)體組件，那么在本發(fā)明范圍內(nèi)若安全導(dǎo)體覆蓋連接端段或各自的端段的表面的至少30％是優(yōu)選的，端段與更高的溫度水平接觸。也就是說，在本發(fā)明優(yōu)選實施例中，在組件的此端段有至少一個安全區(qū)域。
在安全導(dǎo)體和高溫超導(dǎo)體材料之間的接觸可在載流段內(nèi)部突然終止，但還有可能提供過渡區(qū)，其中高溫超導(dǎo)體材料和安全導(dǎo)體之間的接觸逐漸減少，或安全導(dǎo)體的載流容量逐漸減少。此種載流容量的減少例如可通過逐漸減少安全導(dǎo)體的厚度來得到，由最初的厚度漸漸到大致上更小的厚度。高溫超導(dǎo)體材料和安全導(dǎo)體之間的接觸也可通過在安全導(dǎo)體內(nèi)制作孔來逐漸減少，這些孔占據(jù)的面積隨著安全導(dǎo)體全表面覆蓋高溫超導(dǎo)體材料的距離的增加而增加。這些孔可為例如三角形或菱形，且可在相對較短的長度段上或在包含整個載流段不被安全導(dǎo)體全表面覆蓋的長度的長度段上延伸。
安全導(dǎo)體由此可與設(shè)計成觸點的所有端段接觸，或者，只在安全導(dǎo)體和設(shè)計成觸點的端段之間的一個端段有電接觸。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，安全導(dǎo)體應(yīng)總是電連接到至少一個設(shè)計成觸點的端段。例如，此種觸點可通過在設(shè)計成觸點的端段和安全導(dǎo)體之間使用合適的助劑例如焊料形成高導(dǎo)電率的連接來實現(xiàn)。然而，還有可能用與安全導(dǎo)體所包含的相同的材料制作觸點，并且當(dāng)安全導(dǎo)體并入載流段時由端段形成觸點。
如果根據(jù)本發(fā)明的高溫超導(dǎo)體組件是中空的，也就是說，在整個表面上有用高溫超導(dǎo)體材料圍成的空腔，那么安全導(dǎo)體不一定要與高溫超導(dǎo)體組件的外表面接觸，但可同樣好地用于組件內(nèi)表面。
在本發(fā)明范圍內(nèi)優(yōu)選實施例中，安全導(dǎo)體還可以不位于高溫超導(dǎo)體組件的一個表面上，而是完全或部分地被高溫超導(dǎo)體材料所包圍。此點的關(guān)鍵在于可實現(xiàn)本發(fā)明的根本觀點，也就是說，至少在部分高溫超導(dǎo)體中流動的電流能切換到安全導(dǎo)體，并且如果合適的話，由安全導(dǎo)體切換回高溫超導(dǎo)體組件。
作為用于安全導(dǎo)體的材料，當(dāng)高溫超導(dǎo)體組件中的段轉(zhuǎn)變至正常傳導(dǎo)狀態(tài)并使電流繞行至少一秒鐘而不破壞高溫超導(dǎo)體組件或安全導(dǎo)體時，所有能在該與安全導(dǎo)體接觸的段中接受在高溫超導(dǎo)體組件中流動的臨界電流的材料都是合適的。在本發(fā)明優(yōu)選實施例中，安全導(dǎo)體的配置和尺寸使得電流可繞行至少10秒鐘或更長。電流能無問題地繞行的適當(dāng)且足夠的時間，例如可為約60秒或更長，例如約120秒或更長。
此種材料例如可為相應(yīng)的導(dǎo)電性塑料，但在本發(fā)明的范圍內(nèi)，金屬優(yōu)選用作安全導(dǎo)體材料。貴金屬尤其是Ag、Au、Pt、Rh、Pd、Ru、Os或Ir其兩者或多者的混合物特別適合。
在優(yōu)選實施例中，用可滲透氧的材料作安全導(dǎo)體的材料。
Ag、或者Ag和Au的合金優(yōu)選用作安全導(dǎo)體材料，Au的比例如為約0.1-20wt％。
在本發(fā)明優(yōu)選實施例中，銀板或由銀金合金制成的金屬片用作安全導(dǎo)體。在此情況下，安全導(dǎo)體例如與高溫超導(dǎo)體材料表面分層接觸。在本發(fā)明優(yōu)選實施例中，安全導(dǎo)體厚度大約為20-800μm。在較低的厚度時，不再保證能無損害地接受并繞行在高溫超導(dǎo)體對應(yīng)段中流動的電流，而在更大的層厚度時，高溫超導(dǎo)體組件的熱傳導(dǎo)率有可能不利地變高。
若適當(dāng)?shù)脑?，具有安全?dǎo)體的高溫超導(dǎo)體組件用輔助加強(qiáng)層包圍可能是需要的或優(yōu)選的。在此情形中，輔助加強(qiáng)層可覆蓋在高溫超導(dǎo)體組件的整個表面上，即便至少設(shè)計為觸點的端段是例外，或者可覆蓋組件，并僅在高溫超導(dǎo)體組件的次區(qū)中與它接觸。加強(qiáng)層可包含導(dǎo)電性或非導(dǎo)電性材料。優(yōu)選地，加強(qiáng)層包含金屬并具有約40μm-10mm的厚度。在優(yōu)選實施例中，加強(qiáng)層包含銅、鐵、鎳或銀或其兩者或多者的混合物。
若適當(dāng)?shù)脑?，在加?qiáng)層上高溫超導(dǎo)體組件延伸地(extensively)具有一個或更多個段可能是有利的，它們連接到其熱容量大于加強(qiáng)層熱容量的金屬上。這些段一般用作散熱體，若適當(dāng)?shù)脑挘瑑Υ嬖诟邷爻瑢?dǎo)體組件正常傳導(dǎo)期所散發(fā)的熱并在后續(xù)冷卻期慢慢地釋放它。
下面，結(jié)合附圖詳細(xì)解釋根據(jù)本發(fā)明的高溫超導(dǎo)體組件，其中

圖1a示出管狀高溫超導(dǎo)體組件，其中高溫超導(dǎo)體材料管(1)具有兩個設(shè)計成觸點的端段(2)，并且位于其間的載流段在其全表面上被安全導(dǎo)體(3)包圍。
圖1b同樣示出具有高溫超導(dǎo)體材料管(1)的管狀高溫超導(dǎo)體組件，其中具有端段2和2a，設(shè)計成觸點的端段2a使包覆高溫超導(dǎo)體材料管的安全導(dǎo)體(3)平滑地并入端段2a并由此形成觸點。大約在載流段的中間，安全導(dǎo)體(3)和高溫超導(dǎo)體材料(1)之間的接觸被具有齒形孔的安全導(dǎo)體減少。
圖1c示出棒狀整塊高溫超導(dǎo)體組件，其中高溫超導(dǎo)體材料棒(1)具有兩個設(shè)計成觸點的端段(2)，并且載流段被安全導(dǎo)體(3)包圍。安全導(dǎo)體(3)同樣具有三角形孔，它使安全導(dǎo)體(3)和高溫超導(dǎo)體材料(1)之間的接觸逐漸減少。在此情形中，安全導(dǎo)體電連接到兩個設(shè)計成觸點的端段(2)。
圖1d示出管狀高溫超導(dǎo)體組件，其中具有高溫超導(dǎo)體材料管(1)、設(shè)計成觸點的端段(2)、安全導(dǎo)體(此處未示出)、加強(qiáng)層(4)和位于加強(qiáng)層上的兩個環(huán)形散熱體(5)。
根據(jù)本發(fā)明的高溫超導(dǎo)體組件，優(yōu)選用能在鑄造或自旋處理范圍內(nèi)加工的的高溫超導(dǎo)體材料制造。在本發(fā)明范圍內(nèi)尤其優(yōu)選使用BSCCO-2212或BSCCO-2223類高溫超導(dǎo)體材料。
在此情形中，可在高溫超導(dǎo)體材料形成高溫超導(dǎo)體特性之前、之中或之后，使安全導(dǎo)體與高溫超導(dǎo)體材料發(fā)生接觸。
在優(yōu)選實施例中，通過用適合作安全導(dǎo)體的層例如相應(yīng)的金屬片形成合適模具的內(nèi)壁，例如通過旋轉(zhuǎn)它進(jìn)行自旋處理來使用，隨后鑄造高溫超導(dǎo)體材料(其不一定要為表現(xiàn)高溫超導(dǎo)體特性的最終形式)，而使高溫超導(dǎo)體組件和安全導(dǎo)體發(fā)生接觸。
因此，本發(fā)明也涉及一種制造根據(jù)本發(fā)明的高溫超導(dǎo)體組件的方法，其中模具內(nèi)襯有包含Ag、Au、Pt、Rh、Pd、Ru、Os或Ir或者其兩者或更多者的混合物的金屬片，在相應(yīng)后續(xù)處理之后，若適當(dāng)?shù)脑?，把表現(xiàn)高溫超導(dǎo)體特性的材料熔體涂覆到模具上。
在此情形中，鑄造的方法是使用靜止還是運動模具，如自旋鑄造，并不重要。
另一在外部涂覆安全導(dǎo)體的可能方式包括用相應(yīng)的涂覆方法例如等離子體方法或濺射把高溫超導(dǎo)體材料涂覆到組件上。
為了產(chǎn)生高溫超導(dǎo)體特性，有必要例如以相應(yīng)的形式使整個組件，即高溫超導(dǎo)體材料和安全導(dǎo)體，接受后續(xù)處理，例如退火，以便調(diào)整高溫超導(dǎo)體的特性。該退火常常在含氧氣氛中進(jìn)行。
在制作高溫超導(dǎo)體材料之后，加強(qiáng)層可以任何需要的方式涂覆到高溫超導(dǎo)體組件上。如果安全導(dǎo)體形成高溫超導(dǎo)體組件的表面，那么涂覆加強(qiáng)層是有利的，例如通過焊接或其它金屬連接涂覆到安全導(dǎo)體或高溫超導(dǎo)體材料表面。若適當(dāng)?shù)脑?，這也可通過例如鉆孔和相應(yīng)的螺紋連接或其它固定裝置來進(jìn)行。
本發(fā)明還涉及把根據(jù)本發(fā)明的高溫超導(dǎo)體組件用作電流導(dǎo)線，或者涉及用根據(jù)本發(fā)明的方法制造的作為電流導(dǎo)線的高溫超導(dǎo)體組件。
以下用實例詳細(xì)解釋本發(fā)明。
實例以下給出的電流，指的是在高溫超導(dǎo)體組件上測得壓降為1μV/cm時所流動的電流。
實例1外徑8mm和長100mm的管由0.2mm厚的含97wt％Ag和3wt％Au的合金金屬片形成。把該結(jié)構(gòu)插入石英玻璃管內(nèi)，封閉玻璃管一端，并有內(nèi)徑8mm和長度120mm的殼。把金屬比為2∶2∶1∶2的鉍、鍶、鈣和銅的氧化物的混合物加熱到1000℃，直到形成均勻的熔體。然后把該熔體倒入制備的石英管內(nèi)。在冷卻到室溫后，把現(xiàn)在由最初插入到殼內(nèi)的金屬板封閉的固化熔體從石英管移出。把以此得到的封閉棒在含有空氣和氧(1∶1)混合物的爐中加熱到750℃，保持24小時，然后在空氣中在830℃下進(jìn)行再退火。以此方式得到的組件在90K變成高溫超導(dǎo)性，并且在77K(在液氮，IN2中)承載480A的超導(dǎo)電流(1μV/cm)。當(dāng)在450A下的試樣從氮池中移出時，使一個觸點保留在池中，組件仍能傳導(dǎo)電流幾分鐘而沒有損害。在此情形中，觸點在溫度120K下不再位于氮池中。
實例2直徑70mm、長100mm的管由0.25mm厚的銀板形成。在此情形中該管的一端未設(shè)計成光滑的，而是鋸齒王冠形(見圖1b)。還形成另一長20mm、直徑70mm的銀管。兩支管都處于200mm長的管狀鋼模具(殼)的端部，以便在中間留下80mm長的無銀區(qū)。把金屬比為2∶2∶1∶2的鉍、鍶、鈣和銅的氧化物再加上10wt％SrSO4的混合物加熱到1100℃，直到形成均勻的熔體。使殼旋轉(zhuǎn)并把足夠的熔體倒入殼中以在冷卻后形成5mm厚的固化熔體層。在冷卻到室溫后，把現(xiàn)在部分地由銀封閉的模具從殼移出。然后根據(jù)實例1中的條件進(jìn)行再退火，固化熔體轉(zhuǎn)變成高溫超導(dǎo)體相。由此得到的管狀組件在77K表現(xiàn)出6486A的臨界電流(1μV/cm)。然后施加6000A的恒定電流，并把試樣慢慢從液氮池中移出。由于加熱，管子失去其高溫超導(dǎo)體特性，但電流則維持著直到在管子整個長度上電壓達(dá)到18mV為止(大約500s之后)，而后又經(jīng)過120秒，電壓僅慢慢地降低至0。然后，管子只有其下半部(無銀的一半)在液氮池內(nèi)。從氮池中伸出的管子區(qū)域在此情形中的溫度最高為110K，它顯著地高于臨界溫度。因此管子在正常傳導(dǎo)狀態(tài)下承載6000A的電流。在冷卻到77K之后，試樣表現(xiàn)出與測試前相同的臨界電流。
實例30.3mm厚和160mm寬的95wt％Ag和5wt％Au的金屬片具有兩個焊到其上的0.2mm厚的銀板(100％Ag)，寬度分別為30mm和60mm，一個在右一個在左。接著由此組合物形成直徑70mm和長250mm的管。把該管放入到相應(yīng)的鋼模具(殼)中并旋轉(zhuǎn)。如實例2所述，金屬氧化物熔體倒入殼內(nèi)直到形成7mm厚的壁為止。由此獲得的管如實例2中那樣進(jìn)行再退火，在90K以下表現(xiàn)出高溫超導(dǎo)性。在77K它有6006A的臨界電流。此具有AgAu殼的高溫超導(dǎo)體管然后有2mm厚的包括4個單獨管段的鋼殼焊接到其上，方式為在管的上端和下端，20mm長的涂銀管仍暴露于各段中。另外，還焊接28mm寬的銅環(huán)作為散熱體。
在溫度77K，對管子施加5500A的電流。然后迅速從液氮池中移出試樣直到只有一個觸點為止。在隨后的加熱后，管子失去其高溫超導(dǎo)體特性，但在移出冷卻后，電流則維持著直到在管子長度上電壓達(dá)到40mV為止，歷經(jīng)大約105秒，而后又經(jīng)過大約60秒，電壓僅慢慢地降低至0。因此管子在正常傳導(dǎo)狀態(tài)下承載5500A的電流而沒有冷卻。在再冷卻到77K之后，試樣表現(xiàn)出與測試前相同的高溫超導(dǎo)體臨界電流。
實例4直徑12mm和長120mm的棒由100重量份的YBCO-123、9重量份的Y2O3和1重量份PtO2的均勻粉末混合物通過冷等靜壓壓縮來制成。此物品然后于880-920℃燒結(jié)，并于1040℃部分熔化。在冷卻到970℃后，通過較慢的冷卻結(jié)晶出123相。以此方式，得到直徑10mm和長110mm的棒。其次，通過熱噴涂，把0.18mm厚的銀層涂覆到距棒一端45mm的長度和距棒另一端10mm的長度上。然后組件在氧氣中在400-600℃之間接受熱處理100小時。以此方式，獲得臨界溫度92K的高溫超導(dǎo)體組件，且端段設(shè)計成在兩端的觸點。在喪失高溫超導(dǎo)體特性時，組件表現(xiàn)出上述的保護(hù)作用。
實例5
根據(jù)實例4制造棒，但使用具有組成Bi1.73、Pb0.4、Ca1.9、Sr2.0、Cu3.0和Ox的原始粉末。隨后在825℃接受反應(yīng)退火(在N2+1％O2中120小時)。以此方式，制造臨界溫度110K的高溫超導(dǎo)體棒。其次，如在實例4中所述，把銀層涂覆到兩端。在喪失高溫超導(dǎo)體特性時，該高溫超導(dǎo)體組件也表現(xiàn)上述的保護(hù)作用。
比較例根據(jù)實例2制造高溫超導(dǎo)體組件，但在其中，沒有安全導(dǎo)體施加到載流段。殼只覆蓋在兩端，在每個殼中有直徑70mm和長20mm的銀管，端段形成為觸點。然后通過自旋鑄造，根據(jù)實例2制造管子并再退火。獲得的組件在77K表現(xiàn)6656A的臨界溫度。接著在根據(jù)實例2的6000A的電流下從氮池中移出組件。僅在45s后，在管的上部32mm區(qū)域中(亦即在從氮池伸出的末端)發(fā)生電壓降，并且在另5秒鐘內(nèi)完全破壞組件。由組件斷裂出大約5cm2的大片。區(qū)域外部最終被破壞，在全部時間觀察到僅8μV的壓降。因此，在隨后破壞的段內(nèi)釋放出總能量。
權(quán)利要求
1.一種高溫超導(dǎo)體組件，具有至少1mm2高溫超導(dǎo)體橫截面積，其中具有載流段，該載流段連接到安全導(dǎo)體，該安全導(dǎo)體的設(shè)計和安排方式為當(dāng)高溫超導(dǎo)體在安全區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)變至正常傳導(dǎo)時，在載流段安全區(qū)域中流動的電流基本上完全被安全導(dǎo)體無損害地承受至少1秒鐘并繞行，該安全導(dǎo)體與載流段電接觸并且在安全區(qū)域內(nèi)至少部分覆蓋后者，或者至少部分地被后者包圍。
2.如權(quán)利要求1所述的高溫超導(dǎo)體組件，其中橫截面為圓形、橢圓形、或多邊形，尤其是三角形、四邊形、五邊形或六邊形。
3.如權(quán)利要求1或2所述的高溫超導(dǎo)體組件，其中該組件被設(shè)計成管或棒。
4.如權(quán)利要求1-3中任一項所述的高溫超導(dǎo)體組件，其中安全區(qū)域至少占其表面面積的10％。
5.如權(quán)利要求1-4中任一項所述的高溫超導(dǎo)體組件，其中載流段連續(xù)且不間斷地通過其至少10％的表面面積與安全導(dǎo)體完全傳導(dǎo)接觸。
6.如權(quán)利要求1-5中任一項所述的高溫超導(dǎo)體組件，其中安全導(dǎo)體包含選自Ag、Au、Pt、Rh、Pd、Ru、Os或Ir中的一種元素或者兩種或更多種。
7.如權(quán)利要求1-6中任一項所述的高溫超導(dǎo)體組件，其中安全導(dǎo)體的厚度為20μm-800μm。
8.如權(quán)利要求1-7中任一項所述的高溫超導(dǎo)體組件，其中包含元素Cu和O以及Bi、Sr和Ca、或Pb、Bi、Sr和Ca、或Tl、Pb、Ba、Sr和Ca、或Hg、Ba和Ca、或Hg、Pb、Ba和Ca、或RE和Ba的陶瓷材料用作高溫超導(dǎo)材料，RE代表元素Y、Nd、Sm、Eu、La、Gd、Dy、Ho、Er或Yb或者其兩者或更多者的混合物。
9.如權(quán)利要求1-8中任一項所述的高溫超導(dǎo)體組件，其中加強(qiáng)層至少在段中與載流段表面或與安全導(dǎo)體表面或與其兩表面接觸。
10.如權(quán)利要求9所述的高溫超導(dǎo)體組件，其中加強(qiáng)層為40μm-10mm厚的金屬層。
11.如權(quán)利要求9或10所述的高溫超導(dǎo)體組件，其中加強(qiáng)層包含Cu、Fe、Ni或Ag。
12.如權(quán)利要求9-11中任一項所述的高溫超導(dǎo)體組件，其中，在加強(qiáng)層上，一個或多個段延伸地與熱容量大于加強(qiáng)層的金屬連接。
13.一種制造如權(quán)利要求1-12中任一項所述的高溫超導(dǎo)體組件的方法，其中在模具內(nèi)襯有包含Ag、Au、Pt、Rh、Pd、Ru、Os或Ir或其兩者或更多者的混合物的金屬片，且若適當(dāng)?shù)脑捲谙鄳?yīng)的后續(xù)處理之后，把表現(xiàn)高溫超導(dǎo)體特性的材料熔體涂覆到模具上。
14.一種用如在權(quán)利要求1-12中任一項所述的或如權(quán)利要求13所制造的高溫超導(dǎo)體組件作成的電流導(dǎo)線。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高溫超導(dǎo)體組件，其中預(yù)定的橫截面包括載流段。該載流段與安全導(dǎo)體發(fā)生接觸，以便當(dāng)超導(dǎo)體轉(zhuǎn)變至正常傳導(dǎo)時循環(huán)的臨界電流能被所述安全導(dǎo)體無破壞地吸收至少1秒鐘，并且進(jìn)一步地往前傳送。本發(fā)明還涉及一種制造此組件的方法。
文檔編號H01L39/16GK1421049SQ99809276
公開日2003年5月28日 申請日期1999年7月16日 優(yōu)先權(quán)日1998年8月5日
發(fā)明者斯蒂芬·高斯, 約奇姆·博克, 約翰尼斯·霍爾則姆, 岡特·布羅莫, 馬可斯·布羅姆, 沃納·霍斯特 申請人:阿溫提斯研究技術(shù)兩合公司