一种内嵌光纤超导带材及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种内嵌光纤超导带材及其制备方法，所述内嵌光纤超导带材，包括上保护金属带、下保护金属带、超导裸带和测量光纤，所述上保护金属带和/或下保护金属带的表面沿带材长度方向刻有一道或多道深槽，所述测量光纤嵌于深槽内，所述深槽的深度小于保护金属带的厚度且大于光纤的直径，所述超导裸带通过高温焊锡被封装在上保护金属带、下保护金属带之间；制备时，还包括将测量光纤内嵌于深槽内，通过低温焊锡将测量光纤与超导带材封装在一起的步骤。本发明专利技术在实现对超导带材温度分布测量的同时，超导带材结构不受影响，测量光纤可被替换，显著提高超导带材的重复利用率和内嵌光纤超导带材的成品率。

A Superconducting Strip with Embedded Optical Fiber and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种内嵌光纤超导带材及其制备方法
本专利技术涉及一种内嵌光纤超导带材及其制备方法，属于超导带材及制造领域。
技术介绍
得益于在特定温度下具备近乎零电阻输电的特性，高温超导带材在载流能力上明显优于普通导体，由其绕制而成的线圈与相同体积的常规磁体相比能够产生更大的磁场，因而其在电动机、发动机、变压器、超导储能、磁体、电力缆线等电机及电力领域极具研究价值和应用前景。然而，由于超导带材在承受超过其规定临界值的电流或其所处环境温度高于临界温度时，超导带材将发生超导态至常导态的相变过程从而失去超导特性，这种相变在工程领域内被称为“失超”。正常运行的超导带材在失超后，会产生大量的热，其后果会导致超导带材的温度急剧上升，超导特性快速下降，更为严重的是，累积在超导带材上的热量如不能被快速传导出去，将导致带材的烧毁。鉴于此，实现对于超导带材的热稳定性监测，更具体地说，实现对超导带材的温度在线监测是保证超导带材能够在实际工程中得到安全运行的前提条件和技术要求。在以往的科研及工程应用中，检测失超的方法往往采用电测法，即：在超导带材两端焊接电压引线，通过测量带材的整体电压来进行失超判别。然而，这类方法存在两个天然的劣势：一、在高电压设备上应用时，存在绝缘风险；二、对于长距离的高温超导带材而言，受制于其失超传播速度慢的特性，极其容易出现漏判。相较于传统的电测法和有源传感器，光纤传感器具有绝缘性高，抗电磁干扰能力强，耐腐蚀，分布式感知等特点。因而，应用光纤传感技术对超导失超进行在线监测具有相当大的科研意义和市场应用前景。早在1995年，美国劳伦斯伯克利国家实验室与荷兰特温特大学应用超导中心的科学家们就实现了使用法布里珀罗光纤干涉仪对超导加速器磁体的失超进行检测并定位。实验中，光纤通过环氧树脂被固定超导带上，并在液氮环境中检测超导带材的应力变化。相关论文发表于：JohannesM.vanOort,RonaldM.Scanlan,HermanH.J.tenKate,“AFiber-OpticStrainMeasurementandQuenchLocalizationSystemforUseinSuperconductingAcceleratorDipoleMagnets,”IEEETransAppl.Supercond.,vol.5,no.2,Jun.1995,pp.882-885。随之而来的二十多年里，各国科学家和工程师开始着手如何更好地将光纤传感技术应用到超导失超检测中。这些深入研究工作主要分为两个方面：一、基于不同的传感原理进行的失超检测。主要原理包括法布里珀罗干涉原理、光纤布拉格光栅原理、光时域或光频域反射原理等。二、基于不同的光纤和超导组合结构。主要包括将光纤置于超导带材表面，并用环氧树脂进行固定的结构；将光纤固定于金属骨架上，金属骨架再被超导带材包封的结构；将光纤置于超导封装带上下保护层中间的同步封装结构等。经检索发现：中国专利申请号：20102052888.3，专利名称：光电复合芯低温绝缘超导电缆，公开了一种光电复合芯低温绝缘超导电缆，其金属支架上设有一测量光纤，所述测量光纤位于一金属保护。该光电复合芯低温绝缘超导电缆通过设置在金属指甲上的测温光纤对超导电缆温度进行分布式测量，这样通过监测到的温度就能及时发现超导电缆故障点位置，放置超导电缆由于温度升高产生气泡导致击穿。另外由于超导导体的临界电流与超导导体温度有关，因此通过监视超导电缆温度可以很好的监视超导电缆的运行状态，计算超导电缆的载流能力，保证超导电缆正常工作。该专利将光纤置于金属架上，可以对超导电缆的温度进行监测，但无法更加细致地对超导带材进行监测，更无法对其他结构的超导设备如超导磁体、超导变压器等进行监控，应用面较为受限。中国专利申请号：201180005090.8，专利名称：超导线材的常导转变的检测方法，涉及超导线材的常导转变的检测方法，是具备基材、具有77K以上的临界温度的超导层以及金属稳定层的超导线材的常导转变的检测方法，其中，将纤芯上沿着其长度方向形成有多个光纤布拉格光栅的光纤粘接固定于所述超导线材；预先测定所述光纤布拉格光栅的布拉格波长相对于所述超导线材的温度的变化，根据所述布拉格波长的变化求出用于计算所述多个光纤布拉格光栅的温度变化，根据所述布拉格波长的变化求出用于计测所述超导线材的温度的关系式；利用所述关系式求出所述超导线材发生常导转变的传播速度。该专利是将光纤布拉格光栅传感器直接贴合在超导带材表面，尽管可以细致的观测超导带材的温度变化，但存在两个劣势：1、受制于布拉格光栅的刻蚀工艺和极限，无法测量长距离的超导带材的温度变化；2、由于光纤贴合在超导带材表面，因而会影响用其绕制的超导线圈的整体结构。为了不影响超导线圈的整体结构，并能进行长距离测量，一般会将基于光时域或光频域反射原理，即基于分布式光纤传感原理的光纤传感器中的光纤与超导带材紧密结合，以期达到长距离测量和不破坏带材整体结构的需求。中国专利申请号：CN201410375117.8，专利名称：《内封测量光纤的超导带材及其制备方法》，公开了一种内封光纤的超导带材，包括：上保护层、下保护层、超导带层以及测量光纤，所述超导带层和测量光纤封装在上保护层和下保护层之间，所述测量光纤延长度方向设置。所述测量光纤采用若干长光纤连续地封装在上保护层和下保护层之间，或，多根段光纤间断地封装在上保护层和下保护层之间。同时还提供了上述超导带材的制备方法和制备装置。依据此专利的描述，确实可以在不破坏带材整体结构的前提下，达到长距离超导带材温度测量。但此专利对光纤的外形尺寸有着明确的要求，即光纤的直径必须要小于超导带材的厚度，如若不然，则光纤是否能与超导带材进行同步封装需进行相关测试和验证。具体可参阅此专利第[0024]段的描述：“单根光纤的直径通常为50微米，而超导带材的厚度为50-100微米，不锈钢或通保护层的厚度通常为50-100微米，工程用成品超导带材的整体厚度通常为200-300微米。因此，可以将测量光纤和超导带材封装在保护层内部，且几乎不对带材的外部集合结构产生影响或改变。”根据现行的行业标准(IEC60793-2-10-2011光纤。第2-10部分：产品规范。A1类多模纤维用分规格)和光纤行业领域内的共识，一般认为，此处“光纤的直径通常在50微米”，指的是多模光纤的纤芯直径为50微米，并非光纤包含涂覆层的光纤整体直径。而对于光纤产品的应用，不含涂覆层的光纤不但会受到潮解，还极易受径向应力而发生断裂现象。因而仅有纤芯结构的光纤是不具备任何应用价值的。对于此光纤超导同步封装结构的说明和相关参数要求，在文献F.Scurtietal.,“Self-monitoring(RE)Ba2Cu3O7-xconductorviaintegratedopticalfibers,”Supercond.Sci.Technol.,vol.30,no.11,2017,Art.no.114002.中也有相关的阐述。该文献中，实验所用的光纤为商业化最细光纤，连同纤芯、包层和涂覆层，光纤的直径达到了100微米。此外，该文献的实际SEM电镜扫描图可以看出，由于光纤是非金属材质，因而使用焊锡填充封装，存在较大的漏锡现象，超导带材本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种内嵌光纤超导带材，其特征在于，包括上保护金属带、下保护金属带、超导裸带和测量光纤，所述上保护金属带和/或下保护金属带的表面沿带材长度方向刻有一道或多道深槽，所述测量光纤嵌于深槽内，所述深槽的深度小于保护金属带的厚度且大于测量光纤的直径，所述超导裸带通过高温焊锡被封装在上保护金属带、下保护金属带之间。

【技术特征摘要】
1.一种内嵌光纤超导带材，其特征在于，包括上保护金属带、下保护金属带、超导裸带和测量光纤，所述上保护金属带和/或下保护金属带的表面沿带材长度方向刻有一道或多道深槽，所述测量光纤嵌于深槽内，所述深槽的深度小于保护金属带的厚度且大于测量光纤的直径，所述超导裸带通过高温焊锡被封装在上保护金属带、下保护金属带之间。2.如权利要求1所述的内嵌光纤超导带材，其特征在于，所述上保护金属带、下保护金属带的表面设有镀锡层。3.如权利要求1所述的内嵌光纤超导带材，其特征在于，所述上保护金属带、下保护金属带的材质选用紫铜、黄铜或不锈钢。4.如权利要求1所述的内嵌光纤超导带材，其特征在于，所述测量光纤使用商业级别的单模或多模光纤，测量光纤外侧壁设有涂覆层，所述涂覆层的材质为聚酰亚胺或金属材质。5.如权利要求1所述的内嵌光纤超导带材，其特征在于，所述高温焊锡的熔点温度范围为210-280℃。6.如权利要求1所述的内嵌光纤超导带材，其特征在于，所述测量光纤是通过低温焊锡嵌于深槽内的。7.如权利要求6所述的内嵌光纤超导带材，其特征在于，所述低温焊锡的熔点温度范围为117-183℃。8.如权利要求1所述的内嵌光纤超导带材，其特征在于，所述测量光纤尾部熔接跳线后，接入...

【专利技术属性】
技术研发人员：江俊杰，李柱永，盛杰，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31