專利名稱：具有降低的ac損耗的多細絲超導體及其形成方法
技術領域：
本公開總的來說涉及高溫超導體(HTS)，更具體來說涉及多細絲AC耐受性超導體及其形成方法。
背景技術：
高溫超導體(HTS)有效傳輸、產生、轉變、使用和儲存電能的潛力是公認的。特別是，更有效的電力系統(tǒng)依賴于更有效的導線技術。過去的進展允許將易碎的HTS材料成形為長度以千米計的導線，其能夠傳輸與相同物理尺寸的常規(guī)銅和鋁導體相比約200倍的電流。HTS材料的最新研究為這樣的材料在電力工業(yè)中經濟上可行的應用，包括應用于電力產生、傳輸、分配和儲存，提供了可能性。HTS裝置在電力工業(yè)中的使用將導致與傳統(tǒng)技術相t匕，電力設備的尺寸(即占地面積)顯著減小，對環(huán)境的影響減少，更高的安全性和增加的容量。以前已探索了兩代HTS導線材料。第一代(在后文中稱為“1G”)HTS導線包括使用通常包埋在貴金屬(例如Ag)基質中的BSCCO高T。超導體。非限制性地，1G導線由熱-機械方法制造，其中將超導粉末裝填在銀坯條中，將其拉制、滾軋并熱處理以形成導線。1G導線的缺點是高的材料成本(例如Ag)、精細的加工操作以及在高溫下在高磁場中一般不良的臨界電流性能，所述缺點限制了導線的長度。第二代(在后文中稱為“2G”)HTS導線加工包括在鎳合金導帶上膜沉積多層堆疊體。為了獲得高的臨界電流即超導體的最大電流，將超導膜在氧化物緩沖層上以類似單晶的形式外延生長，所述緩沖層甚至當沉積在多晶金屬基片上時也提供類似單晶的模板。在某些情況下，2G HTS導帶利用YBCO涂布的導體。最近，HTS工業(yè)的焦點是增加電流運載能力、導線生產通量和降低制造成本。目的是制造可用于電力工業(yè)以建造用于電網的器件例如傳輸電纜和變壓器的商業(yè)上可行的高性能HTS導線。最新的原型器已證實了 HTS導線在電力應用中的極大潛力，但是也顯示出對它們的廣泛實施造成威脅的缺陷。盡管超導體對DC電流具有零電阻，但涂層導體的體系結構尚未被優(yōu)化用于AC應用，例如發(fā)動機、發(fā)電機和變壓器。超導體中的滯后損耗是AC損耗中的主要組分，并且隨著細絲的寬度成反比放大。具體來說，HTS導線的寬度厚度比高，這導致HTS涂布的導體表現(xiàn)出非常高的滯后損耗。損耗的量值也隨著AC電場振幅和頻率而變，因此在不同應用中不同。在60Hz下100mT的垂直電場中，典型的具有銅穩(wěn)定劑的2G HTS導線中的AC損耗在10km上可以高達100kW。HTS導線中滯后損耗的顯著降低，是它們在AC電力應用例如變壓器、發(fā)電機和發(fā)動機中使用的先決條件。在實踐中，AC損耗引起制冷負荷增加并對電力系統(tǒng)施加了風險。為了減少這些風險，必須使用較高冷卻能力或過多的冷卻設備，這極大增加了系統(tǒng)總成本并明顯阻礙了這種不成熟技術的采用。由于這些原因，開發(fā)商業(yè)上可行的高性能AC耐受性HTS導線將是改變性解決方案，其將開辟超導產品在電力系統(tǒng)中的應用。已知如果將超導層分成由非超導性阻抗隔板隔開的許多細絲狀超導結構，可以降低滯后損耗。因此，為了將AC滯后損耗降至最低，理想的是將導帶的運載電流的HTS層細分成細長的直線條帶或細絲，從而形成多細絲導體。盡管已顯示這些多細絲導體極大降低滯后損耗，但在這些HTS導線完全商業(yè)化之前仍存在大量工程和制造挑戰(zhàn)，因為將多細絲2G HTS導線規(guī)模放大到工業(yè)化制造充滿大量障礙。制造低AC損耗2G HTS導線的方法是通過首先沉積超導層，然后蝕刻所述超導層(通過物理或化學技術)以產生條紋或連續(xù)細絲，從而將超導和絕緣材料細分成多個細絲。蝕刻劑的使用不可避免地引起超導材料的損傷，例如邊緣起伏、淘蝕和細絲斷裂。當細絲之間的間隙狹窄時，細絲損傷變得更加顯著。更具體來說，細絲損傷極大降低了 HTS導線運載電流的能力。此外，如果對蝕刻方法進行改良以避免細絲損傷，可能在細絲之間留下橋接或其他不完全的隔離，引起細絲耦合并使AC損耗降低無效。事實上，在蝕刻后殘留在間隙中的任何超導體殘留物都可能引起細絲耦合。如果將間隙加寬以避開這些問題，將會移除更多超導材料，其極大降低導線的電流運載能力。即使在短長度例如米級長度下，這些多細絲2G HTS導線也含有本文所述的缺陷。因此，生產千米級長度、具有從一端到另一端延伸的連續(xù)超導平行線細絲的2G HTS導線，為在電力系統(tǒng)中大規(guī)模使用HTS導線提出了技術障礙。同樣，尚不存在通過無蝕刻方法生產多細絲HTS層以制造AC耐受性HTS導線的商業(yè)上可行的方法。已經提出了一`些無蝕刻技術，例如在超導體生長之前在基片上產生劃痕(美國專利申請公開號2007/0191202，授予Foltyn等)，或超導細絲的噴墨印 |jlJ (R. C. Duckworth, Μ. P. Paranthaman, M. S. Bhuiyan, F. A. List 和 M. J. Gouge, IEEETrans. App1. Supercond. 17，3159 (2007)),或超導材料的滴加沉積(美國專利申請公開號2006/0040829,授予Rupich等)。然而,這些技術導致細絲的無意稱合，引起不佳且不一致的AC損耗降低，并且產生的導帶甚至不能在米級長度中使用，更不用說千米級。這突出說明，對于生產多細絲HTS導線來說，除了提供高度精確性和控制之外，任何無蝕刻技術必須與當前制造HTS導體的技術相容，并且控制HTS導帶中的通量和電流分布也是必不可少的。

發(fā)明內容
根據本公開的第一方面，提供了一種高溫超導體結構，其包含其上沉積有至少一個緩沖層的基片，所述基片具有一定長度和寬度，其中所述長度為至少約100m，并且基片具有不小于約IO3的尺寸比；所述至少一個緩沖層上的超導體層，所述超導體層包含超導體材料，其形成至少兩個基本上平行并沿著所述基片的長度連續(xù)延伸的超導體細絲；其中所述至少兩個超導體細絲由具有彼此相對的第一表面和第二表面的至少一個絕緣條帶隔開，所述第一表面覆蓋所述緩沖層，所述第二表面基本上不含所述超導體材料；其中所述至少一個絕緣條帶沿著所述基片的長度連續(xù)延伸，并包含電阻率高于約ImQcm的絕緣材料。根據本公開的另一方面，提供了一種用于生產高溫超導體結構的方法，所述方法包括下列步驟提供包含基片和至少一個緩沖層的緩沖后基片；在所述緩沖后基片上沉積至少一個絕緣條帶，其沿著所述緩沖后基片的長度連續(xù)延伸并包含電阻率高于約ImQcm的絕緣材料，使得所述至少一個絕緣條帶具有彼此相對的第一表面和第二表面，并且所述第一表面與所述緩沖后基片相鄰；以及將超導材料沉積在所述緩沖后基片上，以形成包含至少兩個超導體細絲的超導層，所述超導體細絲沿著所述基片的長度連續(xù)延伸，由至少一個絕緣條帶彼此隔開并且是基本上平行的，其中所述絕緣條帶的所述第二表面基本上不含所述超導體材料。


通過參考附圖可以更好地理解本公開。圖1示出了本公開的示例性多細絲HTS結構。圖2示出了本公開的示例性實施方案的橫截面圖。圖3示出了符合本公開的示例性實施方案的包含交替的超導細絲和絕緣條帶的超導體結構的透視圖。圖4A-E是示意圖，其顯示了根據本公開的一個實施方案，制造多細絲HTS結構的無蝕刻方法的步驟。圖5示出了步驟流程圖，其包含了本文中所述的用于本公開的一個實施方案的制造方法。圖6A-B示出了根據本公開的一個實施方案，在整個絕緣條帶和相鄰超導材料上，涂層材料的差異沉積的照片。圖7A-B示出了用于測試絕緣條帶對垂直通過它的電流的阻抗的本公開的一個實施方案，以及由此產生的阻抗數據。圖8A-B顯示了根據本公開的一個實施方案，絕緣材料的微觀結構影響銀覆蓋層的電沉積。圖9A-B顯示了本公開范圍之外的材料以及根據本公開的一個實施方案，絕緣材料的微觀結構如何影響銀覆蓋層的電沉積。圖10顯示了根據本公開的一個實施方案，由金屬基片上的絕緣條帶和涂布后材料構成的導帶的橫截面。在附圖的多個部分、不同附圖或不同實施方案中，相同參考符號的使用可以指示與本文中所述相似或一致的項目。參考附圖，總的來說應該理解，圖示不是按比例繪制的，并且是出于描述本公開的特定實施方案的目的，而不打算將本公開的范圍僅限于此。
具體實施例方式概述本公開取消了已被普遍用于制造多細絲2G HTS導線的細絲蝕刻方法。更具體來說，本公開涉及多細絲HTS涂層導體及其無蝕刻制造方法。根據本公開的一個實施方案，多細絲AC耐受性超導體的無蝕刻制造包括在沉積超導材料之前，沉積至少一個絕緣細絲。根據本公開的另一個實施方案，多細絲AC耐受性超導體的無蝕刻制造包括在沉積至少一個絕緣細絲之前沉積超導材料，并隨后進行熱處理。多細絲HTS :圖1示出了符合本公開的示例性實施方案的多細絲HTS結構。圖1中示出的實施方案顯示了包含與絕緣條帶20交替的超導細絲91的HTS導體200。在圖1中所示的示例性實施方案中，超導細絲91和絕緣條帶20被顯示為沿著“導線”或“導帶”平行于電流流動方向300延伸。不受任何特定理論的限制，示例性的HTS導體200可能在HTS “導線或導帶”中用于增加電流運載能力和降低AC阻抗性損耗。當在本文中使用時，術語“導線”和“導帶”可互換使用，是指具有使其可用于生產超導器件的屬性的HTS導體，所述器件例如電纜、變壓器、發(fā)電機或電網，或將電力從一個位置運送到另一個位置并將電力配送或以其他方式投送到大量位置或裝置的其他手段。例如，導帶或導線的寬度一般可能在約O. Olcm至約20cm、可選地O.1cm至約15cm的量級上，并且在某些情況下，導帶或導線的寬度可以在約O. 4cm至約IOcm之間，導帶的長度典型為至少約100m、更典型約500m，但是甚至可能具有約Ikm以上量級的長度。術語“帶”或“帶狀”是指具有不小于約IO2量級上的高尺寸比、例如長度寬度比的制品，可選地，尺寸比不小于約103。可選地，尺寸比高于約104，并且在其他情況下，導帶或導線制品具有約IO5以上的尺寸比。當在本文中使用時，術語“尺寸比”用于表示制品的最長維度與制品的第二長維度的比率，例如長度寬度比。此外，制品可以具有厚度，寬度厚度比可以在不小于約10、可選地不小于約IO2的量級上，此外所述比率還可以高于約103，并且在某些情況下，導帶或導線制品具有約IO5以上的寬度厚度比。不受理論的限制，當在本文中使用時，具有大尺寸比(例如高于IO2)和大的寬度厚度比(例如高于約10)的制品可以被認為是“帶”或“帶狀的”。圖2是根據本公開的實施方案，具有多層組成的HTS導體200的橫截面圖。圖2中還顯示了位于超導層90之間，覆蓋基片60的表面61的絕緣條帶20。根據本公開，HTS導體200總的來說包括基片60、覆蓋基片60的表面61的至少一個緩沖層50、覆蓋至少一個緩沖層50的表面51的超導層90。超導體層90具有沉積在其上的第一穩(wěn)定劑層或覆蓋層70。根據本公開的另一種示例情況，可以包含第二穩(wěn)定劑層80以覆蓋超導體層90，特別是覆蓋和接觸覆蓋層70。在某些情況下，第二穩(wěn)定劑層80與覆蓋層70直接接觸。如圖3中所示，根據本公開`，HTS導體200還包括至少一個絕緣條帶20，并且可選地，HTS導體200包含多個絕緣條帶20。絕緣條帶20可以是細絲狀結構或任何其他結構，其沿著HTS導體200的長度連續(xù)延伸，正如前面討論過的。絕緣條帶20基本上彼此平行并基本上平行于HTS導體200內的電流流動方向300排列。至少一個絕緣條帶20優(yōu)選沿著HTS導體200的整個長度延伸。例如，絕緣條帶20的長度可以為至少約100m，可選地為約500m，并且在某些情況下，絕緣條帶20可以具有約Ikm以上的長度。不受任何理論的限制，可以理解絕緣條帶20將對應于接近HTS導體200的長度。在可選實施方案中，絕緣條帶20短于導體200的長度。絕緣條帶20的寬度典型地在約I微米至約250微米范圍內；可選地，絕緣條帶的寬度在約10微米至約200微米之間，并且在某些情況下在約15微米至約100微米之間。此外，在某些情況下，對絕緣條帶20的寬度進行選擇以優(yōu)化臨界電流密度并在同時將AC損耗降至最低。如圖1-3中所示，在示例性實施方案中，將絕緣條帶20沉積在至少一個緩沖層50的表面51上。在某些情況下，絕緣條帶20將超導層90分成多個超導細絲91，從而形成超導細絲陣列。超導細絲91包含超導材料，并且與絕緣條帶20類似，超導細絲91沿著HTS導體200的長度基本上平行地連續(xù)延伸。不受限制地，正如普通專業(yè)技術人員可以理解的，對細絲91的寬度進行選擇以優(yōu)化臨界電流密度并在同時將AC損耗降至最低。絕緣條帶20顯示出顯著降低的超導性或沒有超導性以便隔離超導細絲91并因此降低AC損耗。在某些情況下，絕緣條帶20防止超導體細絲91的電耦合。至少一個絕緣條帶20包含絕緣材料，其對電流表現(xiàn)出高電阻率以維持非耦合的超導細絲。適合的絕緣材料的實例包括但不限于基于鎂、鋅、鐵、鑰的材料。在本公開的示例性實施方案中，絕緣材料具有高于約I毫歐厘米(πιΩ-cm)的電阻率。此外，正如普通專業(yè)技術人員所理解的，任何適合于應用的電阻率都在本公開的范圍內，對此沒有限制。在某些情況下，絕緣條帶20的絕緣材料可以是在經歷超導體膜涂層處理時不形成超導材料的氧化物。在非限制性實例中，絕緣材料可以包含氧化陶瓷例如氧化鎂或另一種適合于應用的氧化物。在其他實施方案中，絕緣材料可以是非陶瓷材料，其不具有超導性，是不良導體，并且在經歷超導體膜涂層處理時不形成超導材料。在本公開的實施方案中，HTS導體200具有某些性能參數。在示例性實施方案中，HTS導體在77開氏度(K)下在至少10米的長度上包含至少200A/cm的臨界電流。此外，HTS導體200在77K下、在垂直于所述導體200的表面施加的IOOmT和60Hz頻率的AC磁場中顯示出小于約lW/m的實測AC損耗。圖4A-4E是示意圖，顯示了用于制造本公開的多細絲AC耐受性導體的連續(xù)步驟。材料和用于沉積它們的方法的非限制性實例在下文中陳述。參考圖4A，HTS導體200如下制造首先將緩沖劑50沉積在基片60上以形成緩沖后基片100。盡管這個預備步驟在本文中詳細描述，但是它不打算是限制性的，并且應該理解，可以使用本技術領域中或普通專業(yè)技術人員公知的生產緩沖后基片100的任何方法。此外，本公開不限于本文所述的緩沖后基片100的特定實施方案。基片60為HTS導體200提供支撐?；?0可以是金屬、多晶陶瓷、合金或其改良形式，或其組合。在示例性實施方案中，基片60是金屬，并且在某些情況下，基片60是至少兩種金屬元素的合金，例如但不限于Ni基金屬合金。正如普通專業(yè)技術人員可以認識到的，基片材料可以隨著超導制品的目標用途而變，并且對于本公開來說不是關鍵的?；?0可以使用任何適合的平移方法、例如但不限于卷到卷平移(reel-to-reeltranslation)來制造。正如上文中公開的，基片60的厚度隨著應用而變。然而，基片60典型地采取帶狀構造，具有高尺寸比?？梢詫?0進行處理以便具有用于隨后沉積HTS導帶的組成層的所需表面性質。例如，可以將表面`輕微拋光至所需的平整度和表面粗糙度。此外，可以將基片處理成雙軸織構的。用于形成雙軸織構基片的一種示例性方法是RABiTS方法或軋制輔助雙軸織構基片，正如普通專業(yè)技術人員所理解的。將緩沖層50沉積在基片60的表面61上。緩沖層50可以是單層，或者可選地補充有至少一個其他膜。在某些情況下，緩沖層50包括適合于后續(xù)HTS層的形成的任何雙軸織構膜。在某些情況下，緩沖層50支撐HTS層以具有為優(yōu)越的超導性質所需的晶體學取向。這樣的雙軸織構可以通過離子束輔助沉積(IBAD)來實現(xiàn)，正如本技術領域中所了解的并在美國專利號6，190, 752中所定義和描述的，所述專利在此為所有目的引為參考。不受任何理論的限制，MgO是用于形成IBAD膜的材料。在某些實施方案中，包含例如但不限于IBAD膜的緩沖層50，可以在約50埃至約500埃的量級上，可選地為約50埃至200埃，并且在其他情況下為約50埃至約100埃。盡管沒有具體示出，但緩沖層50還可以包括其他膜以將基片60與外延膜隔離開，或降低HTS層與外延膜之間晶格常數的不匹配。在某些情況下，如果基片60包含雙軸織構表面，緩沖層50可以在織構的基片60上外延生長，以便保護緩沖層50中的雙軸織構，對此沒有限制。參考圖4B，將絕緣條帶20沉積在緩沖后基片100的表面上。根據本公開，絕緣條帶20可以通過通過化學或物理沉積技術經由掩模110沉積在靜止或移動的緩沖后基片100上，或通過印刷技術例如噴墨印刷、絲網印刷等來沉積。不受理論的限制，絕緣條帶20可以是上文中所述的任何絕緣條帶，并可以通過專業(yè)人員已知的任何方法來形成。在本 公開的示例性實施方案中，用于絕緣體條帶沉積的一種方法包括使用掩模110。為了在緩沖后基片100的表面上沉積至少一個絕緣條帶20，當緩沖后基片100在掩模110下方移動時通過掩模110的開口沉積絕緣材料。優(yōu)選情況下，掩模110不與緩沖后基片100的表面相接觸，而是與所述表面緊鄰。利用例如磁控濺射作為沉積技術將絕緣材料通過掩模110沉積在沉積區(qū)中。使用這種技術，可以在低于約I毫托的操作壓力下沉積絕緣材料。不受任何理論的限制，可以使用可能的最低操作壓力以便為絕緣條帶20提供精確鋒利的邊緣。絕緣條帶通過掩模110的沉積也可以使用普通專業(yè)技術人員已知的其他沉積方法來進行，對此沒有限制。也可以使用下述技術，即在絕緣材料沉積之前將掩模110物理附著于緩沖后基片100的表面，隨后在絕緣條帶20已沉積后進行將掩模110從表面升起的步驟。此外，在某些情況下，絕緣條帶20 —般具有約O. 5至約30微米、更典型約2至約20微米、優(yōu)選約I至約10微米范圍內的厚度，正如前文中所公開的。因此可以理解，圖4C顯示了在移除掩模110后帶有絕緣條帶20的緩沖后基片100。接下來，如圖4D中所示，將材料沉積到緩沖后基片100上以形成超導體層90。根據本公開，當沉積超導層90時，材料僅涂層在緩沖后基片100的表面51暴露的表面上。涂層絕緣條帶20的材料具有高電阻率，并且不具有超導性質?；砻?1上只有絕緣條帶20之間的材料是超導的，由此引起HTS導體200的受控細絲化以產生超導細絲，并且在隨后的圖4E中被顯示為91。將超導材料沉積在表面51上絕緣條帶20之間，阻止了超導細絲91的電耦合。在本公開中，為了獲得本發(fā)明的多細絲超導體200的益處，非耦合或電不連通的超導細絲91是優(yōu)選的。本公開的方法可以使用任何已知的HTS材料來實踐。盡管對于本公開的實踐來說不是關鍵的，但超導層90 —般具有約I至約30微米、最典型約2至約20微米、優(yōu)選約2至約10微米范圍內的厚度，以便獲得所需的額定電流。超導層90可以選自在高于液氮的溫度77K時表現(xiàn)出超導性質的任何高溫超導材料，并且優(yōu)選為氧化物超導體。一類材料包括REBa2Cu307_x及相關化合物，其中RE是稀土元素例如Y。這樣的材料也可以包括例如Bi2Sr2Ca2Cu3Oloty, Ti2Ba2Ca2Cu3O斷和 HgBa2Ca2Cu308+yO 在上述材料中，YBa2Cu3O7^x, 一般也被稱為YBC0，可用于某些情形中。此外，超導層90的沉積使用普通專業(yè)技術人員已知的任何適合于應用的沉積方法來進行，例如厚膜和薄膜成形技術二者都可以使用，對此沒有限制。不受任何理論的限制，超導體材料優(yōu)選被連續(xù)涂布在緩沖后基片100的表面51而不是絕緣體條帶20上，這種制造技術提供了某些優(yōu)點并易于放大至長的長度。也就是說，由于超導體材料不作為連續(xù)膜涂層絕緣體條帶20，因此正如本文中討論的，不是必需如以前的制造方法中所發(fā)現(xiàn)的那樣引入拋光/蝕刻步驟，以從絕緣體條帶20的表面移除超導材料。如果需要這樣做而沒有做，將引起超導細絲91的耦合，從而不能實現(xiàn)如本文中所公開的產生多細絲HTS導體200的益處。
如圖4E中所示，可以利用本技術領域中已知的電沉積技術，在超導細絲91的表面上沉積第一穩(wěn)定劑層或覆蓋層70，然后電沉積第二穩(wěn)定劑層80。覆蓋層70和第二穩(wěn)定劑層80的施用一般是出于電穩(wěn)定的目的。更具體來說，覆蓋層70和第二穩(wěn)定劑層80兩者在冷卻故障或超過臨界電流以及超導細絲91從超導狀態(tài)轉移出來而變得有阻抗的情況下，幫助電荷沿著HTS導體200連續(xù)流動。根據本公開，超導細絲91的電阻率在數量級上低于絕緣條帶20的電阻率。因此，帶有交替的超導體細絲和絕緣條帶的HTS導帶200的體系結構，提供了優(yōu)先僅在超導體細絲91上電沉積覆蓋層70和穩(wěn)定劑層80。因此，本公開避免了超導體細絲的任何耦合，并保留了細絲化的較低AC損耗的優(yōu)點。正如可以理解的，貴金屬可用于覆蓋層70以防止穩(wěn)定劑層80與HTS層91之間的不想要的相互作用。典型的貴金屬包括但不限于金、銀、鉬、鈀及其組合。在某些情況下，可以使用銀以降低成本并提高總體可獲得性。出于成本原因，覆蓋層70優(yōu)選薄，但是厚得足以防止組分從穩(wěn)定劑層80不想要地擴散到HTS層91中。覆蓋層70的典型厚度在約O.1微米至約100微米的范圍內，在某些情況下在約O.1微米至約10微米范圍內，在某些情況下在約1. 5微米至約3. O微米范圍內，對此沒有限制。再次參考圖4E，可以沉積第二穩(wěn)定劑層80。第二穩(wěn)定劑層80優(yōu)選為銅，并起到厚穩(wěn)定劑的作用。根據本公開，可以使用電化學沉積技術例如電鍍，用適合的穩(wěn)定劑完全涂布并包封導體200，以在覆蓋層 70的暴露區(qū)域上形成第二穩(wěn)定劑層80。為了在穩(wěn)定劑層中提供足夠的電流運載能力，典型情況下第二穩(wěn)定劑層80具有約I至約1，000微米范圍內，最典型在約10至約400微米、約10至約200微米范圍內的厚度。特定實施方案具有約20微米至約50微米范圍內的標稱厚度，對此沒有限制。根據實施方案的具體特征，在此引為參考的美國公開號2006/0079403 (系列號11/130，349)中定義和描述的電鍍技術，可用于形成穩(wěn)定劑層80。按照這種技術，由于覆蓋層70是導電的，因此可以以高沉積速率、典型地以每分鐘約I微米或更高的速率執(zhí)行電鍍，以在超導導帶上快速建立起厚的穩(wěn)定劑層80。更具體來說，覆蓋層70起到籽晶層的作用，用于銅或其他金屬在其上沉積。盡管前面一般涉及銅，但應該提到，其他金屬包括鋁、銀、金和其他導熱導電金屬也可以用作第二穩(wěn)定劑以形成穩(wěn)定劑層80。然而，一般希望利用非貴金屬，以便降低形成超導導帶的材料總成本。盡管本文所公開的特定實例涉及標準的電鍍技術，但對可以利用的電化學沉積方法沒有特別限制。根據本公開，穩(wěn)定劑層80可以覆蓋基片的兩個相對主表面之一、兩個主表面，或者可以完全包封基片、緩沖層和超導體層。然而，由于絕緣條帶20的高電阻率，因此它不用穩(wěn)定劑層涂布。通過留下絕緣條帶20不涂布，防止了超導細絲的耦合。如上所述，以高得率制造結實且長度可以放長的多細絲2G HTS導線的完全無蝕刻方法是可能的。根據本公開的特定實施方案，HTS導帶200包含400 μ m寬的超導細絲91和100 μ m寬的絕緣體條帶20。在這個實施方案中，約20%的超導體橫截面不可用于電流流動。為了最大化電流運載能力，將絕緣體條帶20的寬度降至最低。因此，在本公開的優(yōu)選實施方案中，HTS導帶200包含由10 μ m寬的絕緣體條帶20隔開的100 μ m寬的超導細絲91，這產生40的AC損耗降低因子，臨界電流流動僅減少10%。在本公開的其他實施方案中，產生了一種超導結構，其引起AC損耗的甚至進一步降低。例如，在一個實施方案中，將鐵磁性材料摻入絕緣條帶20中以便進一步降低AC損耗。構成上文中所述的新的無蝕刻方法實施方案的各個步驟的流程圖，顯示在圖5中。圖6A和B顯示了本公開實施方案的顯微結構的照片。具體來說，圖6A顯示了本公開實施方案的一部分的500X放大圖，具體來說顯示了每一側上帶有超導層90的絕緣條帶20，以及相關的過渡層10。圖6B示出了同一材料的3，500X放大圖，顯示了超導層90、絕緣條帶20以及它們之間的過渡層10的顯微結構的更多細節(jié)。清楚顯示出的是在超導體沉積后涂層材料的差異組織。圖7A和B顯示了本公開的導帶201的一個實施方案的電阻率測試結果。具體來說，圖7A顯示了本公開的導帶201的交替細絲狀結構，即與絕緣條帶20交替的超導細絲91。在沒有傳導電流300時，垂直于細絲91延伸方向和運行期間電流流動方向300，穿過導帶201或通過導帶201施加不同量的電壓。測量穿過本公開的導線或導帶201，例如在圖7A中用箭頭所示的電流流動方向600上得到的安培數。圖7B顯示了電阻率數據的圖，并顯示出未發(fā)現(xiàn)絕緣材料20具有能夠運載甚至僅僅IOnA電流的任何超導材料，并且導帶201具有約54m Ω的電阻。圖8A和B顯示了本公開范圍內的涂布后材料的顯微結構以及該結構如何影響隨后銀在所述材料上的電沉積。圖8A顯示了由氧化鎂制成的絕緣條帶上涂布材料的顯微結構，圖SB顯示了同一材料上銀的電沉積的結果。可以清楚地看出，銀不附著于涂布在絕緣條帶20上的高阻抗材料，而是強力附著于材料的超導部分91。圖9A和B顯示了涂布后材料的顯微結構以及該結構如何影響隨后銀在所述材料上的電沉積。具體來說，圖9A顯示了由氧化釔制成的絕緣條帶上涂布材料的顯微結構，圖9B顯示了同一材料上銀的電沉積的結果。顯然，與圖SB中所示的材料相比，銀自由得多地附著在整個材料上。由于涂布在氧化釔上的材料具有低阻抗，因此銀附著于材料的超導91和絕緣20區(qū)域兩者，從而將超導細絲耦合，并使細絲化結構對于降低AC損耗來說無用。圖10顯示了由金屬基片60上的由氧化鎂構成的絕緣條帶20和涂布后材料構成的導帶。還顯示了與絕緣條帶20相`鄰的過渡區(qū)10?，F(xiàn)在參考圖11，在本公開的可選實施方案中，可以理解絕緣條帶20不是涂布在緩沖劑50涂布的基片60上，而是在超導層90上?？梢詫⑴c本文中公開的用于緩沖基片上的絕緣條帶20的相同的材料，涂布在超導層90上，對此沒有限制。在這個可選的示例性實施方案中，在將絕緣條帶20沉積在超導層90上之后，對導帶400進行熱處理以促進絕緣層20的組成成分擴散到直接位于其下方的超導層90中。這種熱處理的溫度可以在約300°C至約900°C、可選地約400°C至約700°C的范圍內。在某些情況下，這種熱處理的時間可以在約10分鐘至約20小時的范圍內。正如普通專業(yè)技術人員可能理解的，熱處理時間可能至少部分取決于絕緣材料、超導材料和為達到熱處理溫度而對溫度變化速率進行的控制。不受任何理論的限制，在這種熱處理期間，位于絕緣條帶下方的超導膜受到不利影響，導致向非超導材料190的轉變。剛剛描述的可選方法提供了生產圖11中所示的HTS-導線或導帶結構400的其他方法。按照這個實施方案，超導細絲90被非超導材料190隔開。在熱處理后，通過例如上文中所述的電沉積的方法，將穩(wěn)定層70沉積在導帶上。由于在非超導材料190頂上的絕緣條帶20具有高阻抗，因此銀將只涂布超導細絲90而不涂布絕緣條帶20。在穩(wěn)定劑涂層80后，可以通過例如上文中所述的電沉積的方法，將例如但不限于厚的銅沉積在導帶400上。同樣地，由于在非超導材料190頂上的絕緣條帶20具有高阻抗，因此銅將只涂布銀覆蓋的超導細絲90而不涂布絕緣條帶20。因此，即使通過這種可選實施方案，也可以產生具有完整條紋狀穩(wěn)定劑的多細絲超導體400而不包含任何蝕刻。因此，不受任何理論的限制，所述結構可以包含如圖11中所示的一系列層。再次參考圖11，即具有多層組成的HTS導體400的橫截面圖。在某些情況下，超導層90被沉積在至少一個緩沖層50上。正如本文中所述，可以在熱處理之前將絕緣條帶20沉積在超導層90上。在熱處理后，在超導層90中形成非超導材料190。因此，并且根據本公開，HTS導體400總的來說包含基片60、覆蓋基片60的表面61的至少一個緩沖層50、覆蓋至少一個緩沖層50的表面51的超導層90。超導體層90具有沉積在其上的第一穩(wěn)定劑層或覆蓋層70。根據本公開的另一個前面描述過的實施方案，也可以包含第二穩(wěn)定劑層80以覆蓋超導體層90，特別是覆蓋并接觸覆蓋層70。在某些情況下，第二穩(wěn)定劑層80與覆蓋層70直接接觸。盡管不存在蝕刻提供了本文公開的實施方案的優(yōu)點，但普通專業(yè)技術人員可以理解，可以利用至少一個蝕刻步驟來移除絕緣或超導微絲缺陷、沉積瑕疵、污染，并總體改善本發(fā)明中公開的多細絲結構和制造方法。普通專業(yè)技術人員可能認識到，這樣的蝕刻步驟可以在本公開的范圍之內，作為HTS導體200的質量控制、形成后修復或整修的手段，對此沒有限制。此外，本技術領域的普通專業(yè)人員將會容易地認識到，HTS導體200可以合并到商業(yè)化電力組件，例如但不限 于電纜、變壓器、發(fā)電機和電網中，用于各種應用和目的。公開了至少一個實施方案，并且由本技術領域中的普通專業(yè)技術人員對所述實施方案和/或實施方案的特征做出的改變、組合和/或修改，也在本公開的范圍之內。由對所述實施方案的特征進行組合、整合和/或省略而得到可選實施方案，也在本公開的范圍之內。當明確陳述數值的范圍或限度時，這種明確的范圍或限度應該被理解為包括了落于所述明確陳述的范圍或限度之內的類似量級的迭代范圍或限度(例如，約I至約10包括2、3、4等；大于O. 10包括O. 11,0. 12,0. 13等)。例如，當所公開的數值范圍具有下限R1和上限Ru時，落于所述范圍之內的任何數字都被具體公開。具體來說，所述范圍之內的下列數字被具體公開=R=Rfk* (Ru-R1)，其中k是從1%至100%的增量為1%的變量，即k是1%、2%、3%、
4%、5%、......、50%、51%、52%、......、95%、96%、97%、98%、99% 或 100%。此外，由上述中定義的
兩個R數字所定義的任何數值范圍，也被具體公開。應該理解，較寬泛的術語例如“包含”、“包括”和“具有”的使用，為較狹窄的術語例如“由……構成”、“基本上由……構成”和“基本上由……組成”提供了支持。因此，保護范圍不受上面提出的描述的限制，而是由后面的權利要求書定義，所述范圍包括權利要求書的主題內容的所有等同物。每一項和所有權利要求作為進一步的公開引入本說明書，并且權利要求項是本發(fā)明的實施方案。在本公開中對參考文獻的討論并不承認它是現(xiàn)有技術，特別是出版日期在本申請的優(yōu)先權日期之后的任何參考文獻。在本公開中引用的所有專利、專利申請和出版物的公開內容，在它們?yōu)楸竟_提供示例性、程序性或其他細節(jié)補充的程度上，在此引為參考。
權利要求
1.一種超導體結構,其包含 其上沉積有至少一個緩沖層的基片，所述基片具有一定長度和寬度，其中所述基片具有不小于約IO2的尺寸比； 所述至少一個緩沖層上的超導體層，所述超導體層包含超導體材料，所述超導體材料形成至少兩個基本上平行并沿著所述基片的長度連續(xù)延伸的超導體細絲； 其中所述至少兩個超導體細絲彼此之間被至少一個具有彼此相對的第一表面和第二表面的絕緣條帶隔開，所述第一表面覆蓋所述緩沖層，以及所述第二表面基本上不含所述超導體材料； 其中所述至少一個絕緣條帶沿著所述基片的長度連續(xù)延伸，并包含電阻率高于約Im Ω cm的絕緣材料。
2.權利要求1的結構，其中所述至少兩個超導體細絲在至少10米的長度上具有至少200A/cm的臨界電流。
3.權利要求1的結構，其中所述至少兩個超導細絲是非耦合的。
4.權利要求1的結構，其中所述超導體細絲具有至少約50μ m的寬度。
5.權利要求1的結構，其中所述絕緣材料另外包含鐵磁性材料。
6.權利要求1的結構，其中所述絕緣條帶具有約O.5微米至約30微米范圍內的厚度。
7.權利要求1的結構，其中所述絕緣條帶具有約I微米至約250微米范圍內的寬度。
8.權利要求1的結構，其還包含至少一個覆蓋所述超導體層的穩(wěn)定劑層。
9.權利要求8的結構，其中所述至少一個穩(wěn)定劑層還分別包含覆蓋所述超導體層的第一穩(wěn)定劑層和第二穩(wěn)定劑層，并且其中所述至少一個穩(wěn)定劑層具有至少5微米的厚度。
10.權利要求9的結構，其中所述第一穩(wěn)定劑層具有約O.1微米至約10. O微米范圍內的厚度。
11.權利要求9的結構，其中所述第二穩(wěn)定劑層具有約I微米至約1，000微米范圍內的厚度。
12.權利要求9的超導體制品，其中所述第二穩(wěn)定劑層是電鍍的。
13.權利要求9的結構，其中所述第一穩(wěn)定劑層包含貴金屬。
14.權利要求13的結構，其中所述貴金屬是Ag。
15.權利要求9的結構，其中所述第二穩(wěn)定劑層包含非貴金屬。
16.權利要求15的結構，其中所述非貴金屬包含選自銅、鋁及其合金的材料。
17.權利要求16的結構，其中所述非貴金屬是銅。
18.權利要求17的結構，其在77K下、在垂直于所述結構的表面施加的IOOmT和60Hz頻率的AC磁場中測量到的AC損耗小于lW/m。
19.權利要求1的結構，其中所述多細絲超導體層包含臨界溫度T。不低于約77K的高溫超導體材料。
20.權利要求1的結構，其中所述多細絲超導體層包含REBa2Cu3CVx，其中RE是稀土元素。
21.權利要求20的結構，其中所述多細絲超導層選自YBa2Cu307_x、Bi2Sr2Ca2Cu301(l+y、Ti2Ba2Ca2Cu3010+y> HgBa2Ca2Cu308+y 及其組合。
22.權利要求1的結構，其中所述緩沖層包含雙軸晶體織構膜，所述膜在平面內和平面外均具有總體上對準的晶體。
23.權利要求8的結構，其還包含覆蓋所述至少一個穩(wěn)定劑層非導電性絕緣體層。
24.權利要求8的結構，其中所述至少一個穩(wěn)定劑層延伸以限定包封所述結構的第一側面和第二側面。
25.權利要求1的結構，其中所述基片具有至少約IOOm的長度。
26.權利要求1的結構，其中所述絕緣材料是氧化陶瓷。
27.權利要求28的結構,其中所述氧化陶瓷選自氧化鎂、氧化鐵、氧化鑰、氧化錳、氧化鋅、氧化鉻、氧化硅及其組合。
28.—種超導體結構,其包含 其上沉積有至少一個緩沖層的基片，所述基片具有一定長度和寬度，其中所述基片具有不小于約IO2的尺寸比； 所述至少一個緩沖層上的超導體層，所述超導體層包含超導體材料，所述超導體材料形成至少兩個基本上平行并在其間具有非超導區(qū)的超導體細絲，并且所述超導體細絲和非超導區(qū)沿著所述基片的長度連續(xù)延伸； 所述非超導區(qū)上的絕緣層，其中所述絕緣層形成至少一個絕緣條帶； 其中所述至少一個絕緣條帶沿著所述基片的長度連續(xù)延伸，并包含電阻率高于約Im Ω cm的絕緣材料。
29.權利要求28的結構，其中所述至少兩個超導體細絲在至少10米的長度上具有至少200A/cm的臨界電流。
30.權利要求28的結構，其中所述至少兩個超導細絲通過熱處理材料缺失解耦合。
31.權利要求28的結構，其中所述超導體細絲具有至少約50μ m的寬度。
32.權利要求28的結構，其中所述絕緣材料另外包含鐵磁性材料。
33.權利要求28的結構，其中所述絕緣條帶具有約O.5微米至約30微米范圍內的厚度。
34.權利要求28的結構，其中所述絕緣條帶具有約I微米至約250微米范圍內的寬度。
35.權利要求28的結構，其還包含覆蓋所述超導體層的至少一個穩(wěn)定劑層。
36.權利要求35的結構，其中所述至少一個穩(wěn)定劑層還分別包含覆蓋所述超導體層的第一穩(wěn)定劑層和第二穩(wěn)定劑層，并且其中所述至少一個穩(wěn)定劑層具有至少5微米的厚度。
37.權利要求36的結構，其中所述第一穩(wěn)定劑層具有約O.1微米至約10. O微米范圍內的厚度。
38.權利要求36的結構，其中所述第二穩(wěn)定劑層具有約I微米至約1，000微米的厚度。
39.權利要求36的超導體制品，其中所述第二穩(wěn)定劑層是電鍍的。
40.權利要求36的結構,其中所述第一穩(wěn)定劑層包含貴金屬。
41.權利要求40的結構,其中所述貴金屬是Ag。
42.權利要求36的結構，其中所述第二穩(wěn)定劑層包含選自銅、鋁、及其合金的非貴金屬。
43.權利要求42的結構，其在77K下、在垂直于所述結構的表面施加的IOOmT和60Hz頻率的AC磁場中測量到的AC損耗小于lW/m。
44.權利要求28的結構，其中所述多細絲超導體層包含臨界溫度T。不低于約77K的高溫超導體材料。
45.權利要求28的結構，其中所述多細絲超導體層包含REBa2Cu3CVx，其中RE是稀土元素。
46.權利要求45的結構，其中所述多細絲超導層選自YBa2Cu307_x、Bi2Sr2Ca2Cu301(l+y、Ti2Ba2Ca2Cu3010+y> HgBa2Ca2Cu308+y 及其組合。
47.權利要求28的結構，其中所述緩沖層包含雙軸晶體織構膜，所述膜在平面內和平面外均具有總體上對準的晶體。
48.權利要求28的結構，其中所述至少一個絕緣條帶通過選自以下的方法沉積至所述超導體層上經掩模沉積、噴墨印刷、絲網印刷、模沖、圖案化及其組合。
49.權利要求48的結構，其中用于經掩模沉積的方法選自濺射、化學氣相沉積、溶膠凝膠涂布、蒸發(fā)和激光燒蝕沉積。
50.權利要求28的結構，其中所述超導體層通過選自以下的方法來沉積蒸發(fā)、濺射、化學氣相沉積、旋涂和烘烤、脈沖激光沉積、陰極電弧沉積、等離子體增強的化學氣相沉積、分子束外延、溶膠-凝膠法、液相外延及其組合。
51.權利要求28的結構,其中所述絕緣材料是選自氧化鎂、氧化鐵、氧化鑰、氧化錳、氧化鋅、氧化鉻、氧化娃及其組合的氧化陶瓷。
52.權利要求28的結構，其中所述基片具有至少約IOOm的長度。
53.一種用于生產超導體結構的方法，所述方法包括 提供緩沖后基片，其包含基片和至少一個緩沖層； 在所述緩沖后基片上沉積至少一個絕緣條帶，所述至少一個絕緣條帶沿著所述緩沖后基片的長度連續(xù)延伸，并包含電阻率高于約ImQcm的絕緣材料，使得所述至少一個絕緣條帶具有彼此相對的第一表面和第二表面，并且所述第一表面與所述緩沖后基片相鄰；以及 將超導材料沉積在所述緩沖后基片上，以形成包含至少兩個超導體細絲的超導層，所述超導體細絲沿著所述基片的長度連續(xù)延伸，被所述至少一個絕緣條帶彼此隔開并基本上平行，其中所述絕緣條帶的所述第二表面基本上不含所述超導體材料。
54.權利要求53的方法，其中所述高溫超導體能夠在77K下，在垂直于所述結構的表面施加的IOOmT和60Hz頻率的AC磁場中以測量的小于lW/m的AC損耗運行。
55.權利要求53的方法，其中在所述緩沖后基片上沉積超導材料以形成超導層包括沉積一層REBa2Cu3CVx，其中RE是稀土元素。
56.權利要求55的方法，其中所述超導層選自YBa2Cu307_x、Bi2Sr2Ca2Cu301(l+y、Ti2Ba2Ca2Cu3010+y> HgBa2Ca2Cu308+y 及其組合。
57.權利要求53的方法，其中所述至少一個絕緣條帶通過選自以下的方法來沉積經掩模沉積、噴墨印刷、絲網印刷、模沖、圖案化及其組合。
58.權利要求57的方法,其中用于經掩模沉積的方法選自 賤射、化學氣相沉積、溶膠凝膠涂布、蒸發(fā)和激光燒蝕沉積。
59.權利要求53的方法，其中所述超導體層通過選自以下的方法來沉積蒸發(fā)、濺射、化學氣相沉積、旋涂和烘烤、脈沖激光沉積、陰極電弧沉積、等離子體增強的化學氣相沉積、分子束外延、溶膠-凝膠法、液相外延及其組合。
60.一種用于生產高溫超導體結構的方法，所述方法包括提供緩沖后基片，其包含基片和至少一個緩沖層； 在所述緩沖后基片上沉積超導材料以形成超導層； 在所述緩沖后基片上的超導材料上沉積至少一個絕緣條帶，其沿著所述緩沖后基片的長度連續(xù)延伸并包含電阻率高于約ImQcm的絕緣材料，其中所述至少一個絕緣條帶具有彼此相對的第一表面和第二表面，并且所述第一表面與所述超導材料相鄰，以及 對所述緩沖后基片上的所述超導材料上的所述至少一個絕緣條帶進行熱處理，以在所述至少一個絕緣條帶下方提供非超導材料，其中形成的至少兩個超導體細絲被至少一個非超導區(qū)彼此隔開。
61.權利要求60的方法，其中所述高溫超導體能夠在77K下，在垂直于所述結構的表面施加的IOOmT和60Hz頻率的AC磁場中以測量的小于lW/m的AC損耗運行。
62.權利要求60的方法，其中在所述緩沖后基片上沉積超導材料以形成超導層包括沉積REBa2Cu3CVx，其中RE是稀土元素。
63.權利要求62的方法，其中所述超導層選自YBa2Cu307_x、Bi2Sr2Ca2Cu301(l+y、Ti2Ba2Ca2Cu3010+y> HgBa2Ca2Cu308+y 及其組合。
64.權利要求60的方法，其中所述至少一個絕緣條帶通過選自以下的方法來沉積經掩模沉積、噴墨印刷、絲網印刷、模沖、圖案化及其組合。
65.權利要求64的方法,其中用于經掩模沉積的方法選自 賤射、化學氣相沉積、溶膠凝膠涂布、蒸發(fā)和激光燒蝕沉積。
66.權利要求60的方法，其中所述超導體層通過選自以下的方法來沉積蒸發(fā)、濺射、化學氣相沉積、旋涂和烘烤、脈沖激光沉積、陰極電弧沉積、等離子體增強的化學氣相沉積、分子束外延、溶膠-凝膠法、液相外延及其組合。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高溫超導體結構，其包括其上沉積有至少一個緩沖層的基片，所述緩沖層上的超導體層，超導層由超導體材料構成，所述超導體材料形成至少兩個基本上平行并沿著所述基片的長度連續(xù)延伸的超導體細絲，其中至少兩個超導體細絲彼此之間被至少一個絕緣條帶隔開，其中所述絕緣條帶沿著所述基片的長度連續(xù)延伸，并由電阻率高于約1mΩcm的絕緣材料構成。還公開了生產高溫超導體的方法。
文檔編號H01L39/02GK103069595SQ201180040575
公開日2013年4月24日 申請日期2011年6月22日 優(yōu)先權日2010年6月24日
發(fā)明者文卡特·塞爾瓦瑪尼卡姆, 森希爾·薩姆班達姆 申請人:休斯敦大學體系