超导电缆制造技术

带状超导金属丝（１５）包括一由稳定金属制成的覆盖层，并缠绕在一柔性样板（１３）上。以不大于０．２％的弯曲应变将超导金属丝敷设在样板（１３）上。金属丝（１５）并排敷设到第一层的顶部，形成一第二层。样板可由金属、塑料、增强塑料、聚合物或复合物制成，赋予电缆柔韧性。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种使用柔性氧化物超导体的超导电缆，更特别地，涉及超导电缆的制作。本专利技术一般还涉及对层压薄膜的溶剂焊接以及对定向薄膜的超临界溶剂焊接。
技术介绍
的描述超导材料是在临界温度下电阻接近于零(1uv/cm)的材料，其值取决于材料。超导性限定在一临界表面中，即一图表或图，其轴线是温度、电流和磁场。因此，对于一个给定的工作温度，限定了一个作为由超导体产生和/或向超导体施加的磁场的函数的曲线。最公知的超导体材料是NbTi和Nb3Sn，但它们的工作温度仅是4.2K，液态氦的沸点。这是大规模应用这些超导材料的主要限制。因此这些超导体几乎只用于缠绕磁体。由具有高临界电流密度(对于NbTi是3500安/平方毫米5特斯拉)的线(NbTi和Nb3Sn)或带(Nb3Sn)制造这些紧凑磁体的绕组可大量地生产出具有高磁场(最大18特斯拉)的绕组。这些超导磁体用于通过核磁共振(MRI)形成医学图像，以及通过相同的原理(NMR)、用于矿石分离的磁体和用于高磁场的研究磁体如在大颗粒加速器中使用的磁体(SSC，HERA，KEK等)进行材料分析。具有高临界温度的氧化物超导体是在1986年发现的。它们是包含金属氧化物和稀有金属的金属间成分，具有钙钛矿(云母)晶体结构。它们的临界温度从30K到接近室温变化，它们的临界磁场高于60特斯拉。因此这些材料被认为是有前途的，在制造磁体时可代替Nb3Sn和NbTi，并发现了液态氦不可实现的其它应用，如电的传导。这些材料先前不能作为金属丝、电缆、薄膜或片得到。在液氮温度下进入超导状态的氧化物超导体应用于液氮作为冷却介质的超导电缆中是有利的。相对于需要液态氦的超导电缆而言，这种应用可以实现热保持系统的简化和冷却成本的降低。超导电缆必须能够在紧凑导体中以低能量损失传导高电流。电力传导一般是通过交流电进行的，在直流电下使用超导体会不可避免地伴随着能量损失，一般称作AC损失。AC损失，如滞后损失、耦合损失或涡流损失，取决于超导体的临界电流密度，细丝尺寸，导体结构等。已经用金属超导体实际生产了各种类型的超导电缆，以研究用于降低AC损失的结构，如包括普通导体和沿普通导体外圆周螺旋缠绕的复合多丝超导体的超导体。导体是通过顺时针或逆时针缠绕多层彼此交替重叠的复合多丝超导体而制成的。缠绕导体的方向每层都有变化，以降低在导体中产生的磁场，从而降低阻抗，并提高其电流承载能力。该导体在各层之间有一高电阻或绝缘层。当用氧化物超导体制造电缆导体时，不能使用金属超导体中所用的技术。与金属超导体相比，氧化物超导体，即陶瓷超导体易碎且在机械应变上较弱。例如，现有技术公开了一种环绕普通导体螺旋缠绕超导体的技术，使缠绕节距等于每个超导体的直径。但当以这样短的节距缠绕包括由银覆层覆盖的氧化物超导体的超导金属丝时，氧化物超导体很可能会断裂，从而阻断电流。当氧化物超导金属丝被极大弯曲时，其临界电流同样会大大降低。电缆导体必须具有一定程度的柔韧性，以利于处理。同样困难的是由硬而易碎的氧化物超导体制造柔性电缆导体。在当今世界，聚烯烃是最广泛使用级的聚合物。它们因为有用的物理和机械性能以及廉价的可制造性而受到欢迎。由于这些聚烯烃的廉价性质，已经进行了许多尝试来提高物理和机械性能，以进一步扩展这些聚合物的应用范围。或许主此目的最广泛实践的技术中定向。众所周知，在拉拔后，模量、最终强度、撕裂强度和击穿强度都在拉拔方向提高，见Ajji，A.；Legros，N.；Dumoulin，M.M.在高级性能材料1998年第5期第117-136页上的文章。不幸的是，所有这些性能在横向都降低。双轴定向取得了一定程度的成功，但提高的材料性能并不显著。因此很清楚，为了完全开发定向的益处，必须找到一种途径来抑制在横向方向材料性能不期望的降低。实现此目的的一个途径是产生一个由定向聚烯烃制造的准备向同性复合物。如果能够不填加粘合剂而做到这一点则同样是有益的，它自身用于改变系统的材料性能。在过去的30年中，聚合物的焊接引起了聚合物领域的更多关注。任何聚合物焊接技术的目的都是在两种聚合物(相似或不相似)之间形成粘结，从而在焊接之后，焊接界面没有缺陷，并具有高的结构整体性。理想地，焊缝具有接近于本体聚合物的机械和物理性能。研究者已经开发了多种方法来焊接聚合物，所有的方法都在实际使用中获得了不同程度的成功。或许最老和最有效的焊接聚合物的工艺是熔化焊接。在该工艺中，首先对于半结晶聚合物将聚合物基体提升到高于熔化温度，对于非晶质聚合物提升到高于软化温度。然后将这些基体放置成与某些正常力接触，以产生紧密接触，并允许互相扩散。在许多情况下，可生产具有良好机械和物理性能的焊缝。总之，这种技术简单且是到目前为止最广泛使用和有效的。许多研究者已经将这个简单的思路扩展到更复杂的方案中。R.S.Porter和W.T.Mead，Mead，W.T.；Porter，R.S.J.在应用聚合物科学1978年第22期第3249-3265页中，已经采纳了这种简单概念和所产生的单一聚合复合物(由单一类型的聚合物构成的复合物)。通过开发高密度聚乙烯(HDPE)纤维的熔化温度(约139℃)与常规HDPE(约132℃)或低密度(HDPE)的熔化温度(约110℃)之间的差别，Porter等人能够将HDPE纤维埋入HDPE或HDPE矩阵中，而纤维只有很小的松弛。由于纤维中极高度的定向，即使在松弛后也能保持大部分强度。类似地，V.Thomas和J.T.Tielking，Thomas，V.；Tielking，J.T.；Said，M.A.在ANTEC年度技术大会会刊1996年第3期第3234-3238页上，Thomas，V；Said，M.A.在ANTEC年度技术大会会刊1997年第2期第2362-2366页上，通过将聚合物细丝直接挤压到薄聚合物薄膜载体上而产生了无纺织物。在这两种情况下，粘合都是由于在熔化以及外延穿晶过程中聚合物相互扩散而实现的。虽然这是非常有用和灵活的技术，但它总是必须将聚合物熔化或软化到流动点。因此在焊接之前在聚合物基体中保持任何形态，即结晶度和定向，都是困难的。超声焊接是使用高频(10-40千赫兹)低幅(1-25微米)机械振动在聚合物中引起周期性的变形的一项技术。这种变形导致分子间摩擦，将机械能转化成热量。当施加足够的能量来克服软化温度时，局部之间相互扩散，实现焊接，见Lin，S.J.；Lin，W.F.；Chang，B.C.；Wu，G.M.；Hung，S.W.在高级聚合物技术1999年第18期125-135页上的文章。超声焊接由于它的快速和经常而成为工业上的一个重要工艺。但它最适用于具有低熔化温度的聚合物，而很难用于结晶聚合物或低刚度聚合物。超声焊接还最终依赖于热致流动，这意味着它具有常规熔化焊接的大部分缺点。另一种广泛用于粘合聚合物的技术是溶剂焊接。根据这种技术，将溶剂或软化剂涂抹到聚合物的表面，施加一力将两表面结合在一起。在这种情况下，粘结是由于被溶解/软化的材料在两个聚合物的界面扩散而实现的。C.Y.Yue等人，Yue，C.Y.；Cherry，B.W.在粘结(英国Barking)1986年第147-177页上，回顾了溶剂焊缝的结构和强度。Yue注意到，即使经过了复杂的干燥过程和很本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使用氧化物超导体的电缆，包括：一柔性芯部元件；多个以不大于２千克力／平方毫米的张力敷设在上述芯部元件上的带状氧化物超导金属丝，其中每个带状超导金属丝主要由一氧化物超导体和一覆盖该氧化物超导体的稳定金属构成；上述多个带状超导金 属丝形成了多个层，每一层是通过以并排方式敷设多个上述带状超导金属丝而制成的；上述多个层连续叠置到上述芯部元件上，在该多个层与芯部元件之间没有绝缘层；上述芯部元件向上述超导金属丝提供了柔韧性；上述超导电缆能够在液氮温度下保持超导状 态；上述金属丝沿上述金属丝的纵向方向具有基本上均匀的超导相；上述超导相的ｃ轴定向成基本上平行于上述金属丝的厚度方向；上述超导金属丝是由沿上述金属丝的纵向方向延伸的平行对准的颗粒制成的；上述颗粒沿上述金属丝的厚度方向叠置。

【技术特征摘要】
US 2000-9-15 60/232,7471.一种使用氧化物超导体的电缆，包括一柔性芯部元件；多个以不大于2千克力/平方毫米的张力敷设在上述芯部元件上的带状氧化物超导金属丝，其中每个带状超导金属丝主要由一氧化物超导体和一覆盖该氧化物超导体的稳定金属构成；上述多个带状超导金属丝形成了多个层，每一层是通过以并排方式敷设多个上述带状超导金属丝而制成的；上述多个层连续叠置到上述芯部元件上，在该多个层与芯部元件之间没有绝缘层；上述芯部元件向上述超导金属丝提供了柔韧性；上述超导电缆能够在液氮温度下保持超导状态；上述金属丝沿上述金属丝的纵向方向具有基本上均匀的超导相；上述超导相的c轴定向成基本上平行于上述金属丝的厚度方向；上述超导金属丝是由沿上述金属丝的纵向方向延伸的平行对准的颗粒制成的；上述颗粒沿上述金属丝的厚度方向叠置。2.如权利要求1所述的超导电缆，它具有柔韧性，因而在对电缆的直径弯曲最多约50次之后上述电缆的超导性不会显著下降。3.如权利要求1所述的超导电缆，其中上述芯部元件是从主要包括下列各项的组中选择的金属，塑料，增强塑料，聚合物及复合物。4.如权利要求1所述的超导电缆，其中上述芯部元件是一管，该管在其外部具有一从螺旋槽表面、腹板状表面、织物状表面和垫状表面中选择的表面，形成用于带状超导金属丝的表面。5.如权利要求1所述的超导电缆，其中在多个层之间没有绝缘层。6.如权利要求5所述的超导电缆，其中在将第一层带状金属丝敷设在上述芯部元件上之后，将随后的多个带状层敷设在由紧邻的前一层带状金属丝形成的表面上。7.如权利要求1所述的超导电缆，其中上述金属丝在上述带状稳定金属覆盖层内部扭转。8.如权利要求1所述的超导电缆，其中上述带状金属丝以最大约90度的敷设角度敷设。9.如权利要求8所述的超导电缆，其中上述带状金属丝以约10到约60度的敷设角度敷设。10.如权利要求9所述的超导电缆，其中上述带状金属丝以约20到约40度的敷设角度敷设。11.如权利要求1所述的超导电缆，还包括至少两个不同组的带状金属丝层。12.如权利要求11所述的超导电缆，其中每个连续层的带状金属丝的敷设角度在敷设方向或节距上交替。13.如权利要求12所述的超导电缆，其中每个上述连续层包括至少两个用于四层或更多层结构的带状金属丝。14.如权利要求11所述的超导电缆，其中一层介电材料将该至少两个不同组的带状金属丝层中的每一个分开。15.如权利要求11所述的超导电缆，其中一层介电材料将芯部元件与最接近它的带状金属丝层分开。16.如权利要求14所述的超导电缆，其中介电材料从包括聚丙烯、聚乙烯和聚丁烯的组中选择的。17.如权利要求11所述的超导电缆，其中该至少两个不同组的带状金属丝层承载了大致相等量的流过电缆的电流。18.如权利要求11所述的超导电缆，其中该至少两个不同组的带状金属丝层中的第一组承载了超过50％的流过电缆的电流。19.如权利要求11所述的超导电缆，其中该至少两个不同组的带状金属丝层中的第二组承载了超过50％的流过电缆的电流。20.如权利要求17所述的超导电缆，其中距芯部元件最远的该组带状金属丝层向流过其它层的电流提供了屏蔽，并减小了电缆中的磁场或涡流。21.如权利要求1所述的超导电缆，其中稳定金属是从包括银、银合金、镍和镍合金的组中选择的。22.如权利要求1所述的超导电缆，其中上述多层中的每一层包含至少2个带状金属丝。23.如权利要求1所述的超导电缆，其中上述多层中的每一层包含至少4个带状金属丝。24.如权利要求23所述的超导电缆，在上述多个层中的第二和第三层之间包括一绝缘层。25.如权利要求23所述的超导电缆，其中在上述多个层的每个第二和第三层之间都有一个绝缘层。26.如权利要求14所述的超导电缆，其中该介电材料具有约3.0的最大介电常数。27.如权利要求26所述的超导电缆，其中该介电材料具有约2.3的最大介电常数。28.如权利要求14所述的超导电缆，其中以约5∶1至约10∶1的比率在加工方向对介电材料进行双轴定向。29.如权利要求28所述的超导电缆，其中以约5∶1到6∶1的比率在加工方向对介电材料进行双轴定向。30.如权利要求28所述的超导电缆，其中以最大约2∶1的比率在加工方向对介电材料进行双轴定向。31.如权...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴维S里斯，鸟戴K辛哈，艾伯特C米勒，
申请(专利权)人：南方电线公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]