實(shí)現(xiàn)稀土鋇銅氧高溫超導(dǎo)導(dǎo)線之間超導(dǎo)連接的方法及結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于高溫超導(dǎo)導(dǎo)線加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種實(shí)現(xiàn)稀土鋇銅氧高溫超導(dǎo)導(dǎo)線之間超導(dǎo)連接的方法及結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]稀土鋇銅氧(REBa2Cu307δ，其中 RE 為稀土元素，包括 Y、Yb、Tm、Er、Ho、Dy、Gd、Eu、Sm、Nd、La等)高溫超導(dǎo)導(dǎo)線在液氮溫度(77K)下具有優(yōu)良的載流性能，應(yīng)用前景廣闊。稀土鋇銅氧高溫超導(dǎo)導(dǎo)線的基本結(jié)構(gòu)包括四個主要部分:銀穩(wěn)定層、超導(dǎo)層、過渡層和金屬基底。一般在上述基本結(jié)構(gòu)外面還會增加銅、不銹鋼等材料構(gòu)成的加強(qiáng)層以進(jìn)一步增強(qiáng)超導(dǎo)導(dǎo)線機(jī)械性能，但加強(qiáng)層并不是超導(dǎo)導(dǎo)線必需的基本結(jié)構(gòu)部分(在本發(fā)明的文字中所涉及的超導(dǎo)導(dǎo)線均為沒有加強(qiáng)層的情況，或者在加工區(qū)域已經(jīng)去除了加強(qiáng)層)。在上述的四個主要部分中，銀保護(hù)層一般厚度為1?2微米，可以起到保護(hù)超導(dǎo)層的作用；超導(dǎo)層的厚度一般為1?2微米，起到傳導(dǎo)超導(dǎo)電流的作用，是超導(dǎo)導(dǎo)線的核心部分；過渡層一般由若干層薄膜構(gòu)成，可以起到阻隔超導(dǎo)層與金屬基底之間的元素?cái)U(kuò)散、傳導(dǎo)雙軸織構(gòu)等作用，總厚度一般在1微米以下；金屬基底的厚度一般為50?100微米的厚度，一般使用哈氏合金(Hastelloy C276)或不銹鋼材料，起到提高超導(dǎo)導(dǎo)線機(jī)械性能的作用。
[0003]目前此類高溫超導(dǎo)導(dǎo)線的生產(chǎn)長度一般為數(shù)百米至一千米，由于很多應(yīng)用領(lǐng)域中需要用到更長的超導(dǎo)導(dǎo)線，如高場磁體繞制、超導(dǎo)電機(jī)制造、超導(dǎo)儲能系統(tǒng)制造等，因此超導(dǎo)導(dǎo)線連接技術(shù)的開發(fā)具有重要意義。稀土鋇銅氧超導(dǎo)導(dǎo)線連接技術(shù)的現(xiàn)有技術(shù)方案中，最常見的是使用銀等低電阻介質(zhì)進(jìn)行直接連接，雖然最優(yōu)的連接電阻可以達(dá)到納歐姆以下，但是由于超導(dǎo)導(dǎo)線在應(yīng)用當(dāng)中一般需要承載數(shù)十到上百安培的大電流，而且必須使用在液氮溫度甚至更低的溫度環(huán)境下，因此連接處電阻所生成的焦耳熱對于系統(tǒng)的安全運(yùn)行構(gòu)成了嚴(yán)重的潛在威脅。
[0004]現(xiàn)有的可以實(shí)現(xiàn)無電阻的超導(dǎo)連接的技術(shù)方案，主要是韓國Korea University的Park等人提出的激光打孔技術(shù)與機(jī)械加壓熱處理相結(jié)合的方法(NPG AsiaMaterials.2014, 6:1-5 ；Superconductor Science&Technology.2014, 27:085008.)。在該技術(shù)方案中，將兩根需要連接的超導(dǎo)導(dǎo)線的超導(dǎo)層面對面放置，通過低氧分壓和機(jī)械加壓下的熱處理使超導(dǎo)層表面出現(xiàn)局域熔化，進(jìn)而生成新的稀土鋇銅氧晶粒連接兩個超導(dǎo)層，該方法中需要使用激光打孔實(shí)現(xiàn)平均間距0.5毫米左右的密集孔洞陣列，以加快充氧熱處理的氧擴(kuò)散過程。但是，該技術(shù)方案的充氧熱處理時(shí)間仍然長達(dá)350小時(shí)左右，而且激光打孔技術(shù)的使用也不利于產(chǎn)業(yè)化。而且，該技術(shù)方案得到的超導(dǎo)導(dǎo)線連接結(jié)構(gòu)中，兩個超導(dǎo)層之間新生成的稀土鋇銅氧晶粒既作為超導(dǎo)連接又作為機(jī)械連接，該連接技術(shù)所得到的超導(dǎo)導(dǎo)線與母超導(dǎo)導(dǎo)線相比，機(jī)械性能會顯著降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種實(shí)現(xiàn)稀土鋇銅氧高溫超導(dǎo)導(dǎo)線之間超導(dǎo)連接的方法及結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良機(jī)械性能，并降低充氧難度，縮短熱處理時(shí)間，降低連接加工的成本。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0007]一種實(shí)現(xiàn)稀土鋇銅氧高溫超導(dǎo)導(dǎo)線之間超導(dǎo)連接的方法，包括以下步驟:
[0008]a)對一根超導(dǎo)導(dǎo)線進(jìn)行劈裂處理，使之沿著過渡層與超導(dǎo)層之間的界面裂開，將包括超導(dǎo)層和銀穩(wěn)定層的部分作為超導(dǎo)連接體；
[0009]b)對需要連接的兩根超導(dǎo)導(dǎo)線的端部進(jìn)行銀層去除處理以露出超導(dǎo)層表面；
[0010]c)將經(jīng)步驟b)處理的兩根超導(dǎo)導(dǎo)線的端部相鄰放置，焊接兩根超導(dǎo)導(dǎo)線的金屬基底以實(shí)現(xiàn)機(jī)械連接；
[0011]d)在經(jīng)步驟c)處理的兩根超導(dǎo)導(dǎo)線的超導(dǎo)層上覆蓋超導(dǎo)連接體，將超導(dǎo)連接體的劈裂面覆蓋在需要連接的兩根超導(dǎo)導(dǎo)線的超導(dǎo)層上；
[0012]e)在適當(dāng)?shù)牡脱醴謮簹夥障逻M(jìn)行成相熱處理，使超導(dǎo)連接體與超導(dǎo)導(dǎo)線的超導(dǎo)層的界面處生成缺氧態(tài)的稀土鋇銅氧相；
[0013]f)在適當(dāng)?shù)母哐醴謮簹夥障逻M(jìn)行充氧熱處理，使稀土鋇銅氧相具備超導(dǎo)性質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)連接體與超導(dǎo)導(dǎo)線的超導(dǎo)層之間超導(dǎo)連接。
[0014]進(jìn)一步地:
[0015]步驟a)中還對得到的超導(dǎo)連接體的劈裂面進(jìn)行等離子體表面處理或離子束表面處理。
[0016]步驟a)使用的超導(dǎo)導(dǎo)線相對于步驟b)使用的超導(dǎo)導(dǎo)線在77K和自場下具有更高的臨界電流值。
[0017]步驟b)中的銀層去除處理為銀層腐蝕處理，優(yōu)選地，銀層腐蝕處理使用ΝΗ3.H20和H202的水溶液腐蝕銀層，該溶液中ΝΗ3.Η20的體積分?jǐn)?shù)為5%?50%，Η202的體積分?jǐn)?shù)為5%?50%。
[0018]步驟c)使用激光焊接或點(diǎn)焊方法實(shí)現(xiàn)金屬基底之間的機(jī)械連接。
[0019]步驟d)中使超導(dǎo)連接體的劈裂面和需要連接的兩根超導(dǎo)導(dǎo)線的超導(dǎo)層直接接觸，并進(jìn)行固定；或在超導(dǎo)連接體的劈裂面和兩根超導(dǎo)導(dǎo)線的超導(dǎo)層之間放置可在熱處理過程中生成稀土鋇銅氧相的焊料，之后再固定，優(yōu)選地，所述焊料發(fā)生反應(yīng)的熱處理溫度低于所述超導(dǎo)導(dǎo)線的超導(dǎo)層的熔點(diǎn)。
[0020]步驟e)中使用的氧分壓為0.0OlPa?lOOPa，熱處理溫度為500°C?900°C，熱處理保溫時(shí)間為0.1分鐘?12小時(shí)，優(yōu)選地，在機(jī)械加壓下進(jìn)行成相熱處理，機(jī)械加壓的壓強(qiáng)范圍為 0.1MPa ?lOOMpa ο
[0021]步驟f)中使用的氧分壓為lX104Pa?lX107Pa，熱處理溫度為400°C?600°C，熱處理保溫時(shí)間為1小時(shí)?200小時(shí)。
[0022]步驟d)中，還使用銀箔對超導(dǎo)連接體和兩根超導(dǎo)導(dǎo)線進(jìn)行包裹固定；步驟f)后，去除包裹的銀箔，以得到完成連接的新超導(dǎo)導(dǎo)線。
[0023]一種實(shí)現(xiàn)稀土鋇銅氧高溫超導(dǎo)導(dǎo)線之間超導(dǎo)連接的方法，包括以下步驟:
[0024]a)對一根超導(dǎo)導(dǎo)線進(jìn)行劈裂處理，使之沿著過渡層與超導(dǎo)層之間的界面裂開，將包括超導(dǎo)層和銀穩(wěn)定層的部分作為超導(dǎo)連接體；
[0025]b)對需要連接的兩根超導(dǎo)導(dǎo)線的端部進(jìn)行銀層去除處理以露出超導(dǎo)層表面；
[0026]c)將經(jīng)步驟b)處理的兩根超導(dǎo)導(dǎo)線的端部相鄰放置；
[0027]d)在兩根超導(dǎo)導(dǎo)線的超導(dǎo)層上覆蓋超導(dǎo)連接體，將超導(dǎo)連接體的劈裂面覆蓋在需要連接的兩根超導(dǎo)導(dǎo)線的超導(dǎo)層上；
[0028]e)在適當(dāng)?shù)牡脱醴謮簹夥障逻M(jìn)行成相熱處理，使超導(dǎo)連接體與超導(dǎo)導(dǎo)線的超導(dǎo)層的界面處生成缺氧態(tài)的稀土鋇銅氧相；
[0029]f)在適當(dāng)?shù)母哐醴謮簹夥障逻M(jìn)行充氧熱處理，使稀土鋇銅氧相具備超導(dǎo)性質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)連接體與超導(dǎo)導(dǎo)線的超導(dǎo)層之間超導(dǎo)連接；
[0030]g)使用機(jī)械連接體，將其焊接在兩根超導(dǎo)導(dǎo)線的金屬基底連接處的表面以實(shí)現(xiàn)機(jī)械連接。
[0031]優(yōu)選地，所述機(jī)械連接體為哈氏合金或不銹鋼片。
[0032]—種實(shí)現(xiàn)稀土鋇銅氧高溫超導(dǎo)導(dǎo)線的超導(dǎo)連接的結(jié)構(gòu)，包括端部相鄰放置的兩根超導(dǎo)導(dǎo)線和連接所述兩根超導(dǎo)導(dǎo)線的超導(dǎo)連接體；所述兩根超導(dǎo)導(dǎo)線端部的銀層經(jīng)去除而露出超導(dǎo)層表面；所述超導(dǎo)連接體是由一根超導(dǎo)導(dǎo)線進(jìn)行劈裂處理，沿著過渡層與超導(dǎo)層之間的界面裂開而得到的具有超導(dǎo)層和銀穩(wěn)定層的部分，所述超導(dǎo)連接體的劈裂面覆蓋在所述兩根超導(dǎo)導(dǎo)線的超導(dǎo)層上并相結(jié)合，且在結(jié)合界面處生成有具備超導(dǎo)性質(zhì)的稀土鋇銅氧相；所述兩根超導(dǎo)導(dǎo)線端部的金屬基底直接焊接或者通過焊接在所述兩根超導(dǎo)導(dǎo)線的金屬基底連接處的表面的機(jī)械連接體而實(shí)現(xiàn)機(jī)械連接。
[0033]本發(fā)明的有益效果:
[0034]本發(fā)明提出一種用于稀土鋇銅氧高溫超導(dǎo)導(dǎo)線連接的方法，具有優(yōu)良機(jī)械性能，并能夠降低充氧難度，縮短熱處