具有降低的AC损耗的多细丝超导体及其形成方法技术

本发明专利技术涉及一种高温超导体结构，其包括：其上沉积有至少一个缓冲层的基片，所述缓冲层上的超导体层，超导层由超导体材料构成，所述超导体材料形成至少两个基本上平行并沿着所述基片的长度连续延伸的超导体细丝，其中至少两个超导体细丝彼此之间被至少一个绝缘条带隔开，其中所述绝缘条带沿着所述基片的长度连续延伸，并由电阻率高于约1mΩcm的绝缘材料构成。还公开了生产高温超导体的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开总的来说涉及高温超导体(HTS)，更具体来说涉及多细丝AC耐受性超导体及其形成方法。
技术介绍
高温超导体(HTS)有效传输、产生、转变、使用和储存电能的潜力是公认的。特别是，更有效的电力系统依赖于更有效的导线技术。过去的进展允许将易碎的HTS材料成形为长度以千米计的导线，其能够传输与相同物理尺寸的常规铜和铝导体相比约200倍的电流。HTS材料的最新研究为这样的材料在电力工业中经济上可行的应用，包括应用于电力产生、传输、分配和储存，提供了可能性。HTS装置在电力工业中的使用将导致与传统技术相t匕，电力设备的尺寸(即占地面积)显著减小，对环境的影响减少，更高的安全性和增加的容量。以前已探索了两代HTS导线材料。第一代(在后文中称为“1G”)HTS导线包括使用通常包埋在贵金属(例如Ag)基质中的BSCCO高T。超导体。非限制性地，1G导线由热-机械方法制造，其中将超导粉末装填在银坯条中，将其拉制、滚轧并热处理以形成导线。1G导线的缺点是高的材料成本(例如Ag)、精细的加工操作以及在高温下在高磁场中一般不良的临界电流性能，所述缺点限制了导线的长度。第二代(在后文中称为“2G”)HTS导线加工包括在镍合金导带上膜沉积多层堆叠体。为了获得高的临界电流即超导体的最大电流，将超导膜在氧化物缓冲层上以类似单晶的形式外延生长，所述缓冲层甚至当沉积在多晶金属基片上时也提供类似单晶的模板。在某些情况下，2G HTS导带利用YBCO涂布的导体。最近，HTS工业的焦点是增加电流运载能力、导线生产通量和降低制造成本。目的是制造可用于电力工业以建造用于电网的器件例如传输电缆和变压器的商业上可行的高性能HTS导线。最新的原型器已证实了 HTS导线在电力应用中的极大潜力，但是也显示出对它们的广泛实施造成威胁的缺陷。尽管超导体对DC电流具有零电阻，但涂层导体的体系结构尚未被优化用于AC应用，例如发动机、发电机和变压器。超导体中的滞后损耗是AC损耗中的主要组分，并且随着细丝的宽度成反比放大。具体来说，HTS导线的宽度厚度比高，这导致HTS涂布的导体表现出非常高的滞后损耗。损耗的量值也随着AC电场振幅和频率而变，因此在不同应用中不同。在60Hz下100mT的垂直电场中，典型的具有铜稳定剂的2G HTS导线中的AC损耗在10km上可以高达100kW。HTS导线中滞后损耗的显著降低，是它们在AC电力应用例如变压器、发电机和发动机中使用的先决条件。在实践中，AC损耗引起制冷负荷增加并对电力系统施加了风险。为了减少这些风险，必须使用较高冷却能力或过多的冷却设备，这极大增加了系统总成本并明显阻碍了这种不成熟技术的采用。由于这些原因，开发商业上可行的高性能AC耐受性HTS导线将是改变性解决方案，其将开辟超导产品在电力系统中的应用。已知如果将超导层分成由非超导性阻抗隔板隔开的许多细丝状超导结构，可以降低滞后损耗。因此，为了将AC滞后损耗降至最低，理想的是将导带的运载电流的HTS层细分成细长的直线条带或细丝，从而形成多细丝导体。尽管已显示这些多细丝导体极大降低滞后损耗，但在这些HTS导线完全商业化之前仍存在大量工程和制造挑战，因为将多细丝2G HTS导线规模放大到工业化制造充满大量障碍。制造低AC损耗2G HTS导线的方法是通过首先沉积超导层，然后蚀刻所述超导层(通过物理或化学技术)以产生条纹或连续细丝，从而将超导和绝缘材料细分成多个细丝。蚀刻剂的使用不可避免地引起超导材料的损伤，例如边缘起伏、淘蚀和细丝断裂。当细丝之间的间隙狭窄时，细丝损伤变得更加显著。更具体来说，细丝损伤极大降低了 HTS导线运载电流的能力。此外，如果对蚀刻方法进行改良以避免细丝损伤，可能在细丝之间留下桥接或其他不完全的隔离，引起细丝耦合并使AC损耗降低无效。事实上，在蚀刻后残留在间隙中的任何超导体残留物都可能引起细丝耦合。如果将间隙加宽以避开这些问题，将会移除更多超导材料，其极大降低导线的电流运载能力。即使在短长度例如米级长度下，这些多细丝2G HTS导线也含有本文所述的缺陷。因此，生产千米级长度、具有从一端到另一端延伸的连续超导平行线细丝的2G HTS导线，为在电力系统中大规模使用HTS导线提出了技术障碍。同样，尚不存在通过无蚀刻方法生产多细丝HTS层以制造AC耐受性HTS导线的商业上可行的方法。已经提出了一`些无蚀刻技术，例如在超导体生长之前在基片上产生划痕(美国专利申请公开号2007/0191202，授予Foltyn等)，或超导细丝的喷墨印 |jlJ (R. C. Duckworth, Μ. P. Paranthaman, M. S. Bhuiyan, F. A. List 和 M. J. Gouge, IEEETrans. App1. Supercond. 17，3159 (2007)),或超导材料的滴加沉积(美国专利申请公开号2006/0040829,授予Rupich等)。然而,这些技术导致细丝的无意稱合，引起不佳且不一致的AC损耗降低，并且产生的导带甚至不能在米级长度中使用，更不用说千米级。这突出说明，对于生产多细丝HTS导线来说，除了提供高度精确性和控制之外，任何无蚀刻技术必须与当前制造HTS导体的技术相容，并且控制HTS导带中的通量和电流分布也是必不可少的。
技术实现思路
根据本公开的第一方面，提供了一种高温超导体结构，其包含其上沉积有至少一个缓冲层的基片，所述基片具有一定长度和宽度，其中所述长度为至少约100m，并且基片具有不小于约IO3的尺寸比；所述至少一个缓冲层上的超导体层，所述超导体层包含超导体材料，其形成至少两个基本上平行并沿着所述基片的长度连续延伸的超导体细丝；其中所述至少两个超导体细丝由具有彼此相对的第一表面和第二表面的至少一个绝缘条带隔开，所述第一表面覆盖所述缓冲层，所述第二表面基本上不含所述超导体材料；其中所述至少一个绝缘条带沿着所述基片的长度连续延伸，并包含电阻率高于约ImQcm的绝缘材料。根据本公开的另一方面，提供了一种用于生产高温超导体结构的方法，所述方法包括下列步骤提供包含基片和至少一个缓冲层的缓冲后基片；在所述缓冲后基片上沉积至少一个绝缘条带，其沿着所述缓冲后基片的长度连续延伸并包含电阻率高于约ImQcm的绝缘材料，使得所述至少一个绝缘条带具有彼此相对的第一表面和第二表面，并且所述第一表面与所述缓冲后基片相邻；以及将超导材料沉积在所述缓冲后基片上，以形成包含至少两个超导体细丝的超导层，所述超导体细丝沿着所述基片的长度连续延伸，由至少一个绝缘条带彼此隔开并且是基本上平行的，其中所述绝缘条带的所述第二表面基本上不含所述超导体材料。附图说明通过参考附图可以更好地理解本公开。图1示出了本公开的示例性多细丝HTS结构。图2示出了本公开的示例性实施方案的横截面图。图3示出了符合本公开的示例性实施方案的包含交替的超导细丝和绝缘条带的超导体结构的透视图。图4A-E是示意图，其显示了根据本公开的一个实施方案，制造多细丝HTS结构的无蚀刻方法的步骤。图5示出了步骤流程图，其包含了本文中所述的用于本公开的一个实施方案的制造方法。图6A-B示出了根据本公开的一个实施方案，在整个绝缘条带和相邻超导材料上，涂层材料的差异沉积的照片。图7A-B示出了用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.06.24 US 61/358,3691.一种超导体结构,其包含 其上沉积有至少一个缓冲层的基片，所述基片具有一定长度和宽度，其中所述基片具有不小于约IO2的尺寸比； 所述至少一个缓冲层上的超导体层，所述超导体层包含超导体材料，所述超导体材料形成至少两个基本上平行并沿着所述基片的长度连续延伸的超导体细丝； 其中所述至少两个超导体细丝彼此之间被至少一个具有彼此相对的第一表面和第二表面的绝缘条带隔开，所述第一表面覆盖所述缓冲层，以及所述第二表面基本上不含所述超导体材料； 其中所述至少一个绝缘条带沿着所述基片的长度连续延伸，并包含电阻率高于约Im Ω cm的绝缘材料。2.权利要求1的结构，其中所述至少两个超导体细丝在至少10米的长度上具有至少200A/cm的临界电流。3.权利要求1的结构，其中所述至少两个超导细丝是非耦合的。4.权利要求1的结构，其中所述超导体细丝具有至少约50μ m的宽度。5.权利要求1的结构，其中所述绝缘材料另外包含铁磁性材料。6.权利要求1的结构，其中所述绝缘条带具有约O.5微米至约30微米范围内的厚度。7.权利要求1的结构，其中所述绝缘条带具有约I微米至约250微米范围内的宽度。8.权利要求1的结构，其还包含至少一个覆盖所述超导体层的稳定剂层。9.权利要求8的结构，其中所述至少一个稳定剂层还分别包含覆盖所述超导体层的第一稳定剂层和第二稳定剂层，并且其中所述至少一个稳定剂层具有至少5微米的厚度。10.权利要求9的结构，其中所述第一稳定剂层具有约O.1微米至约10. O微米范围内的厚度。11.权利要求9的结构，其中所述第二稳定剂层具有约I微米至约1，000微米范围内的厚度。12.权利要求9的超导体制品，其中所述第二稳定剂层是电镀的。13.权利要求9的结构，其中所述第一稳定剂层包含贵金属。14.权利要求13的结构，其中所述贵金属是Ag。15.权利要求9的结构，其中所述第二稳定剂层包含非贵金属。16.权利要求15的结构，其中所述非贵金属包含选自铜、铝及其合金的材料。17.权利要求16的结构，其中所述非贵金属是铜。18.权利要求17的结构，其在77K下、在垂直于所述结构的表面施加的IOOmT和60Hz频率的AC磁场中测量到的AC损耗小于lW/m。19.权利要求1的结构，其中所述多细丝超导体层包含临界温度T。不低于约77K的高温超导体材料。20.权利要求1的结构，其中所述多细丝超导体层包含REBa2Cu3CVx，其中RE是稀土元素。21.权利要求20的结构，其中所述多细丝超导层选自YBa2Cu307_x、Bi2Sr2Ca2Cu301(l+y、Ti2Ba2Ca2Cu3010+y> HgBa2Ca2Cu308+y 及其组合。22.权利要求1的结构，其中所述缓冲层包含双轴晶体织构膜，所述膜在平面内和平面外均具有总体上对准的晶体。23.权利要求8的结构，其还包含覆盖所述至少一个稳定剂层非导电性绝缘体层。24.权利要求8的结构，其中所述至少一个稳定剂层延伸以限定包封所述结构的第一侧面和第二侧面。25.权利要求1的结构，其中所述基片具有至少约IOOm的长度。26.权利要求1的结构，其中所述绝缘材料是氧化陶瓷。27.权利要求28的结构,其中所述氧化陶瓷选自氧化镁、氧化铁、氧化钥、氧化锰、氧化锌、氧化铬、氧化硅及其组合。28.—种超导体结构,其包含 其上沉积有至少一个缓冲层的基片，所述基片具有一定长度和宽度，其中所述基片具有不小于约IO2的尺寸比； 所述至少一个缓冲层上的超导体层，所述超导体层包含超导体材料，所述超导体材料形成至少两个基本上平行并在其间具有非超导区的超导体细丝，并且所述超导体细丝和非超导区沿着所述基片的长度连续延伸； 所述非超导区上的绝缘层，其中所述绝缘层形成至少一个绝缘条带； 其中所述至少一个绝缘条带沿着所述基片的长度连续延伸，并包含电阻率高于约Im Ω cm的绝缘材料。29.权利要求28的结构，其中所述至少两个超导体细丝在至少10米的长度上具有至少200A/cm的临界电流。30.权利要求28的结构，其中所述至少两个超导细丝通过热处理材料缺失解耦合。31.权利要求28的结构，其中所述超导体细丝具有至少约50μ m的宽度。32.权利要求28的结构，其中所述绝缘材料另外包含铁磁性材料。33.权利要求28的结构，其中所述绝缘条带具有约O.5微米至约30微米范围内的厚度。34.权利要求28的结构，其中所述绝缘条带具有约I微米至约250微米范围内的宽度。35.权利要求28的结构，其还包含覆盖所述超导体层的至少一个稳定剂层。36.权利要求35的结构，其中所述至少一个稳定剂层还分别包含覆盖所述超导体层的第一稳定剂层和第二稳定剂层，并且其中所述至少一个稳定剂层具有至少5微米的厚度。37.权利要求36的结构，其中所述第一稳定剂层具有约O.1微米至约10. O微米范围内的厚度。38.权利要求36的结构，其中所述第二稳定剂层具有约I微米至约1，000微米的厚度。39.权利要求36的超导体制品，其中所述第二稳定剂层是电镀的。40.权利要求36的结构,其中所述第一稳定剂层包含贵金属。41.权...

【专利技术属性】
技术研发人员：文卡特·塞尔瓦玛尼卡姆，森希尔·萨姆班达姆，
申请(专利权)人：休斯敦大学体系，
类型：
国别省市：