超导带材及其镀铜、制备方法以及超导线圈及其浸渍方法技术

本发明专利技术提供了一种超导带材及其镀铜、制备方法以及超导线圈及其浸渍方法，超导带材包括：对哈氏合金进行整体抛光，对边缘部分过度抛光，使哈氏合金边缘部分的厚度小于非边缘部分的厚度；对抛光后的哈氏合金上依次镀制缓冲层、超导层、铜层，得到超导带材。通过对哈氏合金进行电化学抛光使最终得到的超导带材的截面呈纺锤状两侧边缘位置厚度比中间位置小的形状，解决的了超导带材镀铜得到骨头状截面的缺陷。缺陷。缺陷。

【技术实现步骤摘要】
超导带材及其镀铜、制备方法以及超导线圈及其浸渍方法


[0001]本专利技术涉及超导材料领域，具体地，涉及一种超导带材及其镀铜、制备方法以及超导线圈及其浸渍方法。

技术介绍

[0002]1911年荷兰莱顿(Leiden)大学的卡末林
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昂纳斯教授在实验室首次发现超导现象以来，超导材料及其应用一直是当代科学技术最活跃的前沿研究领域之一。在过去的十几年间，以第二代高温超导带材为代表的高温超导电力和磁体设备的研究飞速发展，在超导储能、超导电机、超导电缆、超导限流器、超导变压器、超导磁悬浮、核磁共振等领域取得显著成果。
[0003]以REBCO(RE为稀土元素)为材料的第二代超导带材，也被称为涂层导体，因其具有相比铋系带材更强的载流能力、更高的磁场性能和更低的材料成本，在医疗、军事、能源等众多领域具备更广更佳的应用前景。第二代超导带材，由于其作为超导载流核心的REBCO本身硬且脆，所以一般是在镍基合金基底上采用多层覆膜的工艺生产，所以又被称为涂层导体。第二代超导带材一般由基带、缓冲层(过渡层)、超导层以及保护层组成。金属基底的作用是为带材提供优良的机械性能。过渡层的作用一方面是防止超导层与金属基底发生元素间的相互扩散，另一方面最上方的过渡层需为超导层的外延生长提供好的模板，提高REBCO晶粒排列质量。制备超导性能优良的涂层导体，需要超导层具有一致的双轴织构。双轴织构是指晶粒在a/b轴和c轴(c轴垂直于a/b面)两个方向均有着近乎一致的排列。由于REBCO薄膜在a/b轴方向的排列程度(面内织构)相对较难实现，而面内织构较差会严重降低超导性能。因此需要REBCO超导薄膜在已经具有双轴织构和匹配晶格的过渡层上外延生长。制备实现双轴织构有两种主流的技术路线，一种是轧制辅助双轴织构基带技术，另一种为离子束辅助沉积技术。REBCO超导层制备的常见技术分为多种，有脉冲激光沉积、金属有机物化学气相沉积、反应共蒸发等。
[0004]保护层主要是用来保护超导膜层，一般在超导带材正反表面用磁控溅射或蒸镀的方式镀0.5～5μm的银层，为了追求更低的材料成本，超导面的银层通常设置在1～2μm，非超导面的银层通常设置在0.5～1μm。被随后根据具体应用对带材宽度的需求，将10～12mm带材，分切成2～8mm。最后进行镀铜或后续的封装加强处理。后续封装的带材镀铜厚度可以是1～10μm。镀铜加强的带材，单面镀铜的厚度在10～30μm，双面则达到了20～60μm。
[0005]超导带材在很多应用中都是直接被绕成线圈进行应用的，如图1所示。镀铜保护层的品质直接影响着超导带材的应用。采用电化学镀铜的超导带材，其横截面的镀铜层呈现边缘部分较中间部分厚的骨头型结构，如图2、图3所示。各类骨头的大小不一，有些带骨头型的带材绕制成线圈后，带材之间会发生微量的平移错位，如图4所示。超导线圈饼体出现轴向滑动偏移的情况，线圈整体呈现斗笠型，如图5所示。出现这样的情形，这种形状的线圈应无法堆叠，无法有效制冷，而无法进行后续的应用。因此通常产品要求超导带材截面厚度的总体偏差需要在
±
5μm之内，甚至一些精密的设备要求带材截面厚度的总体偏差需要在
±
1μm之内。但是这对于传统的电镀铜来说还是有非常大的困难。由于线圈的安匝数越来越大，原先超导线圈在百匝等级，现在都要朝着千匝等级进军。由于累积效应，对于原先镀铜可容忍的
±
5μm误差，随着线圈的增大，也变得不能容忍。要求无骨头型已经成为了业界很难难以做到的问题。
[0006]超导导体的材料属性决定了其本身比较脆弱，材料受到一定的弯折、拉伸、扭曲等应力后，十分容易损坏超导导体本身，使其临界电流大幅下降。超导线圈正常工作时，超导导体在磁场的作用下常会受到较大的电磁应力。此外超导线圈受到的外部机械振动，会传导给超导导体。尤其在超导电机、超导磁悬浮的这样的应用环境下，共振、抖动不可避免。每匝产生位移，匝间出现摩擦生热，最终导致导体失超。此外超导线圈在绕制过程中匝间会不可避免地留有缝隙，这也会影响超导磁体的冷却效率。
[0007]目前常规超导线圈在应用时通常会用石蜡或者环氧树脂对其进行真空浸渍，但这种工艺会带来的一个严重的问题在于，工艺本身有可能会对导体本身具有破坏作用。如图1所示，其破坏的机理在于石蜡或者环氧树脂和超导导体组成的材料，在低温下热胀冷缩系数不同，超导导体两侧的石蜡或者环氧树脂极易在冷却期间垂直沿剥离方向对超导导线施加剥离应力。尤其钇系超导导体是一种多层镀层材料，层间结合力弱于剥离应力时，导体性能将发生巨大的折损。即使一开始真空浸渍后没有出现此问题，但在超导线圈应用时多次冷热循环以后，此问题也将会出现。
[0008]环氧浸渍目前已经成为了业界最难以攻克的问题。
[0009]为此行业内想了很多方式：
[0010]欧洲的C Barth等人在《Degradation free epoxy impregnation of REBCO coils and cables》中使用了在环氧胶中掺入石英的方式来调整环氧胶和超导带材的热胀冷缩率。
[0011]中国的叶新羽等人在CN112143175A《一种超导磁体用环氧树脂复合材料及其制备方法》制备了一种热膨胀系数、高热导率、高弹性模量的树脂基复合材料用来浸渍线圈。
[0012]日本东芝公司的H.Miyazaki等人在《Delamination Stresses of Different Types of REBCO
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Coated Conductors and Method for Reducing Radial Thermal Stresses of Impregnated REBCO Pancake Coils》中使用了扎带分段控制应力的方法来防止累积应力撕开带材。
[0013]韩国的HyungSeop Shin等人在《Characterization of transverse tens ile stress response of critical current and delamination behaviour in GdBCO coated conductor tapes by anvil test》中发展了毡头测试的方法，来表征超导带材的抗脱层应力。
[0014]美国的Ibrahim Kesgin等人在《Influence of superconductor filmcomposit ion on adhesion strength of coated conductors》中采用了劈裂的方法来表征带材的抗脱层应力。
[0015]中国的戴凯航等人在《Improving Delamination Strength by Patterning the Buffer Layers of Coated Conductors》中发展了超导带材激光打动电镀铜柱的方式来增加带材的脱层应力。
[0016]中国的赵跃等人在CN1071本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超导带材的制备方法，其特征在于，包括：对哈氏合金进行整体抛光，对边缘部分过度抛光，使哈氏合金边缘部分的厚度小于非边缘部分的厚度；对抛光后的哈氏合金上依次镀制缓冲层、超导层、铜层，得到超导带材。2.根据权利要求1所述的超导带材镀铜方法，其特征在于，所述超导带材边缘部分的厚度是非边缘部分的厚度的50％
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85％，所述哈氏合金经过电化学抛光后的边缘部分厚度是非边缘部分厚度的50％
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85％，电化学抛光后一侧边缘部分厚度变化的区域的占宽度的5
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25％。3.根据权利要求1所述的超导带材的制备方法，其特征在于，所述抛光的方式包括：对哈氏合金进行前洗，先通过大电流电化学抛光达到边缘部分的厚度小于非边缘部分的厚度的目的，然后通过小电流电化学抛光把哈氏合金的粗糙度控制在预设的范围，对哈氏合金进行后洗并烘干。4.根据权利要求3所述的超导带材的制备方法，其特征在于，所述电化学抛光采用的电抛液包括：硫酸10
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30％、磷酸70
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90％、柠檬酸0.5
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3％、甘油0.5
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3％，电化学抛光的温度在30
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80℃；电化学抛光的阳极与阴极之间设有屏蔽板，阴极为哈氏合金，阴极与阳极经过屏蔽后露出面积比在1:1
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3：1，屏蔽板在哈氏合金的垂直投影范围内与阴极、阳极平行设置，阴极、阳极与的屏蔽板相隔距离在0
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20mm。5.一种超导带材镀铜方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：对权利要求1所述方法得到的超导带材依次进行一次清洗处理、镀光亮铜处理、镀沙面铜处理后进行二次清洗处理；S2：对二次清洗处理后的超导带材进行钝化处理、烘干处理。6.根据权利要求5所述的超导带材镀铜方法，其特征在于，步骤S1中在镀光亮铜处理前先进行预镀铜处理，所述预镀铜处理采用第一电流电镀处理，所述镀光亮铜处理采用第三电流电镀处理，所述镀沙面铜处理采用第二电流电镀处理。7.根据权利要求6所述的超导带材镀铜方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱佳敏，吴蔚，陈思侃，张超，苏广磊，高中赫，甄水亮，王臻郅，丁逸珺，
申请(专利权)人：上海超导科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：