本發(fā)明涉及高溫超導導線技術，具體涉及一種加工超導導線接頭連接體的設備和方法。

背景技術：

稀土鋇銅氧高溫超導導線(REBa₂Cu₃O_7-δ，其中RE為稀土元素，包括Y、Yb、Tm、Er、Ho、Dy、Gd、Eu、Sm、Nd、La等，也稱為第二代高溫超導導線)在液氮溫度(77K)下具有優(yōu)良的載流性能，應用前景廣闊。稀土鋇銅氧高溫超導導線的基本結構包括四個主要部分：銀穩(wěn)定層、超導層、過渡層和金屬基底。在上述的四個主要部分中，銀保護層一般厚度為1～2微米，可以起到保護超導層的作用；超導層的厚度一般為1～2微米，起到傳導超導電流的作用，是超導導線的核心部分；過渡層一般由若干層薄膜構成，可以起到阻隔超導層與金屬基底之間的元素擴散、傳導雙軸織構等作用，總厚度一般在1微米以下；金屬基底的厚度一般為50～100微米，一般使用鎳基合金(如Hastelloy C276)或不銹鋼材料，起到提高超導導線機械性能的作用。一般在上述基本結構外面還會增加銅、不銹鋼等材料構成的加強層以進一步增強超導導線機械性能，還有的超導導線的金屬基底和增加銅或不銹鋼之間有一層銀層。本發(fā)明方法既適用于只包含四個基本結構的超導導線，也適用于含有加強層的超導導線。

對于二代高溫超導導線來說，上述結構主要以多層覆膜的方法實現(xiàn)，各層之間一般具有清晰的界面。在理想狀態(tài)下，層與層之間緊密地結合在一起，但是在實際中，由于表面污染、應力集中、缺陷等因素，一些界面會出現(xiàn)粘附力降低的情況。而在實際的二代高溫超導導線中，超導層與過渡層之間容易出現(xiàn)劈裂脫離的情況，這是該類超導導線應用中較為常見的一個問題。

根據(jù)休斯頓大學的Ibrahim Kesgin等人研究的超導薄膜與粘附力之間的關系來看，超導層與過渡層之間在外力作用下是可以被劈裂開的(Kesgin I,Khatri N,Liu Y,et al.Influence of superconductor film composition on adhesion strength of coated conductors[J].Superconductor Science&Technology,2015,29(1):015003.)。但是他們所劈裂的材料中超導層受外力破壞嚴重，出現(xiàn)波浪狀形貌。其原因在于直接借助外力將超導層與過渡層撕開，在裂開點處超導層的彎曲半徑非常小，低于超導層能夠承受的臨界彎曲半徑，導致失去超導電流的傳輸能力。

所謂的二代高溫超導導線的臨界彎曲半徑是指當超導導線的彎曲半徑大于一定值時，超導導線的臨界電流不受彎曲程度的影響；當彎曲小于該值時，臨界電流隨著彎曲半徑的減小而減小。超導帶材在彎曲時的彎曲應變公式表示為：ε＝t/2R，式中ε、t、R分別表示彎曲應變、超導層厚度、彎曲半徑。根據(jù)西南交通大學的研究(張婕.YBCO超導開關的特性研究[D].西南交通大學,2014.)，二代高溫超導導線YBCO的臨界彎曲應變?yōu)?.75％，同時作者張婕在實驗中測量所得的臨界彎曲半徑為12mm。

由于目前高溫超導導線的生產長度一般為數(shù)百米至一千米，由于很多應用領域中需要用到更長的超導導線，如高場磁體繞制、超導電機制造、超導儲能系統(tǒng)制造等，因此超導導線連接技術的開發(fā)具有重要意義。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于提供一種加工超導導線接頭連接體的設備和方法，使所獲得的連接體保持良好的超導性能，該連接體可用于連接兩個超導導線端口。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案：

一種加工超導導線接頭連接體的設備，包括第一圓柱形滾軸和第二圓柱形滾軸，所述第一圓柱形滾軸和第二圓柱形滾軸的軸線互相平行，所述第一圓柱形滾軸和所述第二圓柱形滾軸之間具有用于裝入第二代高溫超導導線的間隙，所述第一圓柱形滾軸和所述第二圓柱形滾軸經控制朝相反的方向旋轉并具有相同的線速度，第二代高溫超導導線的靠近金屬基底的第一面固定在所述第一圓柱形滾軸上，第二代高溫超導導線的靠近超導層的第二面固定在所述第二圓柱形滾軸上，所述第二圓柱形滾軸的半徑大于第二代高溫超導導線的臨界彎曲半徑。

所述第一圓柱形滾軸和第二圓柱形滾軸的半徑可以相同或不同，具有相同的線速度即可。

優(yōu)選地，所述第二圓柱形滾軸的半徑大于15mm。

優(yōu)選地，所述第一圓柱形滾軸和第二圓柱形滾軸之間的間距可調，更優(yōu)選地，最大可調間距達到5mm。

一種加工超導導線接頭連接體的設備，包括第一平板和第二圓柱形滾軸，所述第一平板的表面和第二圓柱形滾軸的軸線互相平行，所述第一平板和所述第二圓柱形滾軸之間具有用于裝入第二代高溫超導導線的間隙，所述第一平板和所述第二圓柱形滾軸經控制以使所述第一平板的運動與所述第二圓柱形滾軸的旋轉同步，且所述第一平板的運動速度與所述第二圓柱形滾軸的線速度相同，第二代高溫超導導線的靠近金屬基底的第一面固定在所述第一平板上，第二代高溫超導導線的靠近超導層的第二面固定在所述第二圓柱形滾軸上，所述第二圓柱形滾軸的半徑大于第二代高溫超導導線的臨界彎曲半徑。

優(yōu)選地，所述第二圓柱形滾軸的半徑大于15mm。

優(yōu)選地，所述第一平板和第二圓柱形滾軸之間的間距可調，更優(yōu)選地，最大可調間距達到5mm。

一種使用所述的設備加工超導導線接頭連接體的方法，包括以下步驟：

S1)截取一段優(yōu)選長度為10-100mm、寬度為4-12mm的第二代高溫超導導線；

S2)在超導導線的一端，沿著過渡層和超導層之間的界面將導線分開優(yōu)選為1-5mm的長度；

S3)將超導導線的第一面固定在第一圓柱形滾軸表面，超導導線的第二面固定在第二圓柱形滾軸的表面；

S4)調節(jié)第一圓柱形滾軸和的第二圓柱形滾軸間距與超導導線厚度相同，旋轉第一圓柱形滾軸和的第二圓柱形滾軸，使超導導線沿著過渡層與超導層的界面完全分離；

S5)將固定在第二圓柱形滾軸表面的超導層所在的部分取下，以得到連接體。

優(yōu)選地，在步驟S1)中，在超導導線的兩側分別切除0.1-0.5mm的寬度。帶材兩側的邊緣位置，各層的結合相對比較緊密，所以剪去這兩側可以利于帶材的完整分開。

所述第二代高溫超導帶材在金屬基底和金屬基底外側的加強層之間具有銀層，優(yōu)選地，在步驟S3)之前還包括以下步驟：

將所述銀層連同加強層與金屬基底徹底分離，只保留含有金屬基底的部分，作為后續(xù)加工的材料。

步驟S3)中，可以采取全覆蓋或分段固定的形式固定超導導線的第一面和/或第二面，使用具有雙向固定效果的膠水或以機械固定的方式進行固定，優(yōu)選地，只在超導層與過渡層分離處固定第二面。

一種使用所述的設備加工超導導線接頭連接體的方法，包括以下步驟：

S1)截取一段優(yōu)選長度為10-100mm、寬度為4-12mm的第二代高溫超導導線；

S2)在超導導線的一端，沿著過渡層和超導層之間的界面將導線分開優(yōu)選為1-5mm的長度；

S3)將超導導線的第一面固定在第一平板表面，超導導線的第二面固定在第二圓柱形滾軸的表面；

S4)調節(jié)第二圓柱形滾軸與第一平板的間距與超導導線厚度相同，旋轉第二圓柱形滾軸的同時使第一平板同步運動，使超導導線沿著過渡層與超導層的界面完全分離；

S5)將固定在第二圓柱形滾軸表面的超導層所在的部分取下，以得到連接體。

一種連接兩個超導導線端口的方法，包括以下步驟：

S1)使用所述加工超導導線接頭連接體的方法，獲得具有層疊的加強層、銀穩(wěn)定層和超導層的超導連接體；

S2)對需要連接的兩根超導導線的端部進行銀層腐蝕處理以露出超導層表面；

S3)將兩根超導導線的端部相鄰放置，焊接金屬基底實現(xiàn)機械連接；

S4)在兩根超導導線的超導層上覆蓋超導連接體，并使用銀箔進行包裹固定；

S5)在低氧分壓氣氛和機械加壓下進行成相熱處理，使超導連接體與超導導線的超導層的界面處生成稀土鋇銅氧相；

S6)在高氧分壓氣氛下進行充氧熱處理，使稀土鋇銅氧相具備超導性質，從而實現(xiàn)超導連接體與超導導線的超導層之間超導連接；

S7)去除包裹銀箔，得到完成連接的新超導導線。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明提供了一種獲得二代高溫超導導線的連接體的設備和方法，能夠有效、可靠、低成本地實現(xiàn)獲得連接體。本發(fā)明的方法劈裂去除不利于氧擴散的金屬基底與過渡層，以剩余的超導層與銀穩(wěn)定層(也可以包含加強層)作為超導連接體，可良好地應用于超導導線接頭等領域。本發(fā)明中使用的滾軸來劈裂分離超導層的方法，其優(yōu)點在于，滾軸的半徑大于超導材料的臨界彎曲半徑，這樣在劈裂的過程中就不會由于彎曲力過大而破壞超導層。同時，同步運轉的上下滾軸或者滾軸與直板，使超導層與過渡層同時受力分開，不會出現(xiàn)滑動現(xiàn)象以及受到切向力，也就不會破壞超導層。因此就獲得了超導性能保持良好的二代高溫超導材料，其具有超導層、銀穩(wěn)定層以及加強結構(或者沒有加強結構)，其用途之一就是用于連接兩根導線的連接體。本發(fā)明得到的連接體沒有或較少地受到外力的破壞，保持優(yōu)良的超導性能，可用于實現(xiàn)兩根超導導線的超導連接，在接頭處具備良好的超導性能，能夠實現(xiàn)良好傳輸大電流。

在一種優(yōu)選實施例中，用兩個間隙可調節(jié)、能夠同步運轉、直徑大小相同的滾軸，既避免超導層受到切向力破壞，又避免其受到半徑過小的彎曲力破壞。間隙可調節(jié)，可達到間隙大小與導線厚度一致，避免導線垂直受力過大，同時保證接觸點的導線能緊貼滾軸，不發(fā)生滑動損壞超導層。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例一中使用的二代高溫超導導線的結構示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例一中使用的二代高溫超導導線劈裂前的分開一個小口的處理示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例一中使用雙滾軸結構對一段二代高溫超導導線進行劈裂的示意圖；

圖4是本發(fā)明實施例一中使用雙滾軸結構對一段二代高溫超導導線進行劈裂的示意圖的左視圖；

圖5是本發(fā)明實施例一中使用滾軸與直板結構對一段二代高溫超導導線進行劈裂的示意圖；

圖6是本發(fā)明實施例一中使用滾軸與直板結構對一段二代高溫超導導線進行劈裂的左視圖的示意圖

圖7是實施例三中的使用的第二代高溫超導導線的結構示意圖

圖8是本發(fā)明實施例四中的第二代高溫超導導線連接頭的示意圖。

具體實施方式

以下對本發(fā)明的實施方式作詳細說明。應該說明的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應用。

本發(fā)明實施例中獲得的連接體是一段從已經制備好的第二代高溫超導導線上獲得的超導層、銀層、銅保護層的結合體。

參見圖3至圖4，一種加工超導導線接頭連接體的設備，包括第一圓柱形滾軸和第二圓柱形滾軸，所述第一圓柱形滾軸和第二圓柱形滾軸的軸線互相平行，所述第一圓柱形滾軸和所述第二圓柱形滾軸之間具有用于裝入第二代高溫超導導線的間隙，所述第一圓柱形滾軸和所述第二圓柱形滾軸經控制朝相反的方向旋轉并具有相同的線速度，第二代高溫超導導線的靠近金屬基底的第一面固定在所述第一圓柱形滾軸上，第二代高溫超導導線的靠近超導層的第二面固定在所述第二圓柱形滾軸上，所述第二圓柱形滾軸的半徑大于第二代高溫超導導線的臨界彎曲半徑。

所述第一圓柱形滾軸和第二圓柱形滾軸的半徑可以相同或不同，具有相同的線速度即可。

在優(yōu)選的實施例中，所述第二圓柱形滾軸的半徑大于15mm。

在優(yōu)選的實施例中，所述第一圓柱形滾軸和第二圓柱形滾軸之間的間距可調，更優(yōu)選地，最大可調間距達到5mm。

參見圖5至圖6，一種加工超導導線接頭連接體的設備，包括第一平板和第二圓柱形滾軸，所述第一平板的表面和第二圓柱形滾軸的軸線互相平行，所述第一平板和所述第二圓柱形滾軸之間具有用于裝入第二代高溫超導導線的間隙，所述第一平板和所述第二圓柱形滾軸經控制以使所述第一平板的運動與所述第二圓柱形滾軸的旋轉同步，且所述第一平板的運動速度與所述第二圓柱形滾軸的線速度相同，第二代高溫超導導線的靠近金屬基底的第一面固定在所述第一平板上，第二代高溫超導導線的靠近超導層的第二面固定在所述第二圓柱形滾軸上，所述第二圓柱形滾軸的半徑大于第二代高溫超導導線的臨界彎曲半徑。

在優(yōu)選的實施例中，所述第二圓柱形滾軸的半徑大于15mm。

在優(yōu)選的實施例中，所述第一平板和第二圓柱形滾軸之間的間距可調，更優(yōu)選地，最大可調間距達到5mm。

實施例一

本實施例將結合圖1至圖4進行描述，二代高溫超導導線的結構可以用圖1來表示，包括：上加強層1-1，銀穩(wěn)定層1-2，超導層1-3，過渡層1-4，金屬基底1-5，下加強層1-6，虛線框內是即將用于直接分開超導層與過渡層的部位1-7。圖2中表示已經直接分離的超導層與過渡層端口。劈裂過程如圖3、圖4所示，圖3包括上滾軸3-1；用于劈裂的超導導線3-2；下滾軸3-3。圖4是圖3的左視圖，其中4-4表示劈裂出來的超導層；4-5表示劈裂出來的過渡層。

一種超導導線接頭連接體的加工方法包括以下步驟：

S1)截取一段長度為10-100mm、寬度為4-12mm的第二代高溫超導導線；

S2)在超導導線的一端，沿著過渡層和超導層之間的界面將導線分開1-5mm的長度；

S3)將導線的金屬基底所在的一面固定在第一個滾軸表面，導線的超導層所在的另一面固定在第二個滾軸的表面；

S4)調節(jié)兩個滾軸的間距與導線厚度相同，旋轉兩個滾軸，使導線沿著過渡層與超導層的界面完全分離；

S5)將固定在步驟S3)所述第二個滾軸表面的超導層所在的部分取下，去除損壞部位，得到連接體。

在步驟S1)中，截取一段導線過程中可以在其兩側分別切除0.1-0.5mm的寬度，以易于后續(xù)的劈裂加工，在截取和切除的操作中，導線除了切口處的其他部位不受外力，避免破壞導線內部的性能。帶材兩側的邊緣位置，各層的結合相對比較緊密，所以剪去這兩側可以利于帶材的完整分開。

步驟S2)中可以直接使用鑷子等工具分開導線的端部，也可以采用電烙鐵加熱、局域彎曲等方法使端部易于分開。

步驟S3)中可以采取全覆蓋的形式固定導線的下基底面，也可以分段固定；可以采取全覆蓋的形式固定導線的上表面，也可以分段固定。下滾軸與基底面的固定可以使用雙面膠或者其他具有雙向固定效果的膠水固定，上滾軸與上表面的固定可以使用雙面膠或者其他具有雙向固定效果的膠固定，也可以采用機械固定的方式固定。優(yōu)選的，為了方便在步驟S5)取下超導層，可只在上表面的超導層與過渡層端口分離處固定上表面。

步驟S3)中使用的滾軸在直徑相同時轉速相同，直徑不同時根據(jù)轉速比調節(jié)，保證線速度大小相等。

步驟S3)中滾軸的半徑大于第二代高溫超導導線的臨界彎曲半徑，優(yōu)選的滾軸半徑大于15mm。

步驟S3)中滾軸的中心距離可調，兩個滾軸之間的間隙最小可為0mm，最大要大于超導導線的厚度，優(yōu)選0～5mm。

步驟S3)中，設備也可以采用兩個半徑不同的滾軸，但需要控制兩個滾軸的旋轉角速度，使兩個滾軸表面的線速度相同；下滾軸可以替換為有相同效果的平板，滿足平板與滾軸的間隙可調，優(yōu)選調節(jié)距離為0～5mm，且平板可運動，運動方向與滾軸同步，即平板的速度的大小與方向同接觸點處滾軸的線速度的大小與方向均相等。

步驟S3)中，為了方便取下超導層，可使用稀釋劑或其他試劑溶解膠，但是該試劑不能破壞超導層。

步驟S5)中，最終得到的超導連接體可以進行等離子體清洗、離子束轟擊、熱處理、鍍銀等后續(xù)處理，提高表面質量或保護超導性能。

步驟S5)中，最終得到的超導連接體在液氮溫度和自場下，臨界電流密度為初始的超導導線的50％以上，可以應用于兩根第二代高溫超導導線的超導接頭加工，以及超導疊層結構加工。

實施例二

本實施例結合圖1、圖2、圖5、圖6進行描述，一種超導導線接頭連接體的加工及應用技術包括以下步驟：

S1)準備一臺如權利要求1所述的第二代高溫超導導線接頭連接體的加工設備，截取一段長度為10-100mm、寬度為4-12mm的第二代高溫超導導線；

S2)在超導導線的一端，沿著過渡層和超導層之間的界面將導線分開1-5mm的長度；

S3)將導線的金屬基底所在的一面固定在平板表面，導線的超導層所在的另一面固定在滾軸的表面；

S4)調節(jié)滾軸與平板的間距與導線厚度相同，旋轉兩個滾軸，使導線沿著過渡層與超導層的界面完全分離；

S5)將固定在步驟S3)所述滾軸表面的超導層所在的部分取下，去除損壞部位，得到連接體。

本實施例的上述步驟，與實施例一在大部分環(huán)節(jié)的操作過程及其參數(shù)可以是相同的。

圖5、圖6展示了本實施例的超導導線分離過程，圖5所示的連接結構包括：滾軸5-1；正在被劈裂的超導導線5-2；平板5-3。圖6是圖5的左視圖，其中5-4表示劈裂出來的超導層；5-5表示劈裂出來的過渡層。

步驟S6中，平板的運動優(yōu)選使用借助直線齒輪與直齒輪的配合。

實施例三

本實施例結合圖7進行描述，圖7展示了本實施例所使用的超導導線的結構，包括：上加強層7-1；銀穩(wěn)定層7-2；超導層7-3；過渡層7-4；金屬基底7-5；下銀層7-6；下加強層7-7。用于撕開小口的部位7-8。

一種超導導線接頭連接體的加工和應用，其步驟包括：

S1)準備一臺第二代高溫超導導線接頭連接體的加工設備，截取一段長度為10-100mm、寬度為4-12mm的第二代高溫超導導線；

S2)用鑷子或其他工具將靠近下表面的銀層與金屬基底分開，并徹底分離，只保留含有金屬基底的部分，作為后續(xù)加工的材料；

S3)在超導導線的一端，沿著過渡層和超導層之間的界面將導線分開1-5mm的長度；

S4)將導線的金屬基底所在的一面固定在第一個滾軸表面，導線的超導層所在的另一面固定在第二個滾軸的表面；

S5)調節(jié)兩個滾軸的間距與導線厚度相同，旋轉兩個滾軸，使導線沿著過渡層與超導層的界面完全分離；

S6)將固定在所述第二個滾軸表面的超導層所在的部分取下，去除損壞部位，得到連接體。

本實施例的上述步驟，與實施例一在大部分環(huán)節(jié)的操作過程及其參數(shù)可以是相同的。

步驟S2所述的分離下銀層與金屬基底的過程也可以去掉，本實施例優(yōu)選保留步驟S2。本實施例是針對在金屬基底和加強層之間具有銀層的第二代高溫超導帶材，其中銀層與金屬基底的粘附力比較小，相比更加容易脫落，因此在劈裂過程中影響了過渡層與超導層的分離，因此先將銀層與金屬基底分離。

步驟S4所述的下滾軸也可以用平板替代，替代后的步驟與實施例二的操作過程相同。

實施例四

本實施例介紹一種超導連接體的具體使用例，主要來源于清華大學的馮峰、瞿體明等人研究利用連接體連接兩個超導導線端口的方法(馮峰,瞿體明,符其樹,盧弘愿,朱宇平,張向松,韓征和.實現(xiàn)稀土鋇銅氧高溫超導導線之間超導連接的方法及結構[P].廣東：CN105390830A,2016-03-09.)。圖8展示了本實施例的結構，包括：8-1加強層；8-2銀穩(wěn)定層；8-3超導層；8-4過渡層；8-5金屬基底；8-6加強層；8-7連接體，含有加強層、銀穩(wěn)定層、超導層。

連接方法的具體步驟包括：

S1：對一根超導導線進行劈裂處理，使之沿著過渡層與超導層之間的界面裂開，將包括超導層和銀穩(wěn)定層的部分作為超導連接體；

S2：對需要連接的兩根超導導線的端部進行銀層腐蝕處理以露出超導層表面；

S3：將兩根超導導線的端部相鄰放置，焊接金屬基底實現(xiàn)機械連接；

S4：在兩根超導導線的超導層上覆蓋超導連接體，并使用銀箔進行包裹固定；

S5：在低氧分壓氣氛和機械加壓下進行成相熱處理，使超導連接體與超導導線的超導層的界面處生成稀土鋇銅氧相；

S6：在高氧分壓氣氛下進行充氧熱處理，使稀土鋇銅氧相具備超導性質，從而實現(xiàn)超導連接體與超導導線的超導層之間超導連接；

S7：去除包裹銀箔，得到完成連接的新超導導線。

具體方法可以參考CN105390830A。

在步驟S6中，充氧時間也是一個重要的技術問題。氧氣在銀中的擴散系數(shù)要比在超導層中的擴散系數(shù)大得多，也就是氧氣擴散進入銀中的時間相比在超導層中的擴散時間是一個可忽略的小量。本實施例中的不同點在于，CN105390830A中介紹的充氧過程中，由于沒有加強層，氧氣可以從銀層的上方進入，擴散量大，而本實施例中的連接體中含有加強層，加強層可以使用銀、銅等氧氣擴散系數(shù)較高的材料，也可以使用哈氏合金等氧氣擴散系數(shù)較低的材料。當使用氧氣擴散系數(shù)較高的材料作為加強層時，氧氣的擴散路徑將對于CN105390830A的情況要大一些；當使用氧氣擴散系數(shù)較低的材料作為加強層時，在充氧過程中氧氣主要不經過加強層，而是主要先從銀層的四周擴散進去然后再在超導層的c軸方向擴散進超導層。綜上，本發(fā)明在充氧時間上會比CN105390830A中方法的充氧時間長一些。但是由于氧氣在銀中的擴散系數(shù)是很大的，因此即使氧氣從銀的四周擴散進去，擴散進入的面積大大減小了，其擴散時間相比于氧氣在超導層中的擴散時間也是一個較小的量，因此總體上也是在一定程度上解決充氧時間過長的問題。同時，由于加強層的存在，本實施例中的超導連接體具有更好的機械性能，可以更為方便的操作。

以上內容是結合具體/優(yōu)選地實施方式對本發(fā)明所做的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，其還可以對這些已描述的實施方式做出若干替代或變型，而這些替代或變型方式都應當視為屬于本發(fā)明的保護范圍。