高溫超導(dǎo)薄膜帶材的連接工藝及其施壓加熱系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種ReBa2Cu3O7?δ高溫超導(dǎo)薄膜帶材的連接工藝及其施壓加熱系統(tǒng)，可方便快捷地將兩根ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材連接在一起，得到接頭電阻阻值低、機(jī)械性能好、帶材超導(dǎo)電性保持良好、臨界電流幾乎未變的連接帶材。連接過(guò)程采用低溫焊料，150?300℃加熱5?30min，150?200℃時(shí)再次施壓加固，自然冷卻100?160℃時(shí)快速降溫，本發(fā)明搭接長(zhǎng)度為1?5cm時(shí)可輕易實(shí)現(xiàn)接頭阻值10?8Ω量級(jí)，當(dāng)進(jìn)一步增加搭接長(zhǎng)度時(shí)，接頭阻值會(huì)繼續(xù)降低，在搭接長(zhǎng)度增加至5?10cm時(shí)已成功實(shí)現(xiàn)電阻阻值nΩ量級(jí)。本發(fā)明ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材連接工藝便捷、高效、操作方便、搭接效果好，適于推廣應(yīng)用。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
ReBa2Cu307-5高溫超導(dǎo)薄膜帶材的連接工藝及其施壓加熱系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種超導(dǎo)材料的連接工藝及裝置，特別是涉及一種高溫超導(dǎo)薄膜帶材的連接工藝，適用于由第二代高溫超導(dǎo)薄膜帶材構(gòu)成的超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)電機(jī)、以及超導(dǎo)變壓器等技術(shù)領(lǐng)域的帶材焊接，屬于超導(dǎo)電工技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]超導(dǎo)帶材可實(shí)現(xiàn)低損耗，具有臨界溫度高、載流能力強(qiáng)、運(yùn)行成本低、占用空間小、機(jī)械性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，其相對(duì)于第一代超導(dǎo)帶材具有很強(qiáng)的商用價(jià)值，特別是第二代高溫超導(dǎo)材料ReBCO，即ReBa2Cu307—s薄膜帶材，化學(xué)式中Re=Y、Gd或Dy等稀土元素，其臨界溫度可在90K左右，足以滿足帶材在液氮環(huán)境中運(yùn)行，相比第一代超導(dǎo)體所需要的液氦環(huán)境，大大降低了運(yùn)行成本，得到了諸多國(guó)內(nèi)外高校、研究所和企業(yè)的關(guān)注。但現(xiàn)有的超導(dǎo)帶材制備工藝所能制備的帶材長(zhǎng)度僅達(dá)千米級(jí)，很難制備高溫超導(dǎo)長(zhǎng)帶以滿足實(shí)際需要，同時(shí)，隨著帶材制備長(zhǎng)度的增加，其單價(jià)提高，對(duì)技術(shù)的要求也越高，所以亟待需要對(duì)高溫超導(dǎo)涂層導(dǎo)體快速高效的連接工藝進(jìn)行研究。
[0003]快速高效連接超導(dǎo)帶材時(shí)對(duì)接頭的要求是:1.接頭電阻小，機(jī)械強(qiáng)度大；
2.帶材臨界電流退化程度低，超導(dǎo)性能保持良好；3.操作便捷、快速、高效；4.熱處理過(guò)程中的溫度盡可能低，時(shí)間盡可能短。
[0004]能滿足以上要求的帶材連接方法主要是釬焊，它是指先用助焊劑來(lái)浸潤(rùn)帶材表面或采用機(jī)械拋光的方法，除去帶材保護(hù)層表面的氧化層或增加焊料的浸潤(rùn)性，然后將低熔點(diǎn)焊料均勻的涂抹或放置在帶材的超導(dǎo)面與超導(dǎo)面之間，在連接夾具對(duì)待連接帶材持續(xù)加壓的同時(shí)，使用箱式電爐、加熱平臺(tái)或熱風(fēng)槍等對(duì)其進(jìn)行加熱使焊料熔化，最后形成電阻阻值較低、機(jī)械性能較強(qiáng)的接頭。在溫度較高時(shí)，帶材最外面的保護(hù)層容易氧化或損壞且影響超導(dǎo)帶材的臨界電流大小及其轉(zhuǎn)變陡度指數(shù)η值，因此，一般優(yōu)先選用低熔點(diǎn)焊料，如In52Sn48焊片、Sn43Bi57焊膏和10In (wt.%)焊片等。
[0005]第二代高溫超導(dǎo)ReBCO薄膜帶材的超導(dǎo)層晶格結(jié)構(gòu)會(huì)在高溫下發(fā)生改變。隨著溫度的升高，本身對(duì)氧具有低親和力的超導(dǎo)層會(huì)出現(xiàn)氧原子的缺失，使得超導(dǎo)帶材從具有超導(dǎo)性的正交相轉(zhuǎn)變?yōu)椴痪哂谐瑢?dǎo)性的四方相，從而失去超導(dǎo)性。但對(duì)于低溫焊料而言，300°C以下的高溫幾乎對(duì)超導(dǎo)層的原子計(jì)量比沒(méi)有什么影響。但在空氣中操作時(shí)，過(guò)高的溫度容易使得保護(hù)層過(guò)快地被氧化或氮化，導(dǎo)致接觸電阻非常大。因此，在整個(gè)過(guò)程中，我們必須嚴(yán)格控制熱處理過(guò)程中的溫度，使其盡可能的低。但低溫下務(wù)必需要增加連接時(shí)間，以確保焊料充分熔化方可取得較好的連接效果，如此一來(lái)便影響了連接工藝的效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)存在的不足，提供一種ReBa2Cu307-s高溫超導(dǎo)薄膜帶材的連接工藝及其施壓加熱系統(tǒng)，鑒于2G高溫超導(dǎo)薄膜帶材自身的結(jié)構(gòu)特性及接頭連接現(xiàn)狀，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了快速高效的第二代高溫超導(dǎo)薄膜帶材的連接，本發(fā)明優(yōu)化了相關(guān)參數(shù)，可用于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)快速高效連接高溫超導(dǎo)薄膜帶材，并能保證較小的接頭電阻及良好的機(jī)械性能，可輕易地實(shí)現(xiàn)連接電阻值為10—8 Ω，當(dāng)進(jìn)一步增加帶材搭接面積時(shí)，電阻值可達(dá)10—9 Ω，且有較高的重復(fù)率及很好的穩(wěn)定性。
[0007]為達(dá)到上述發(fā)明創(chuàng)造目的，采用下述技術(shù)方案:
一種ReBa2Cu307-s高溫超導(dǎo)薄膜帶材的連接工藝，式中Re為Y、Gd或Dy稀土元素，包括如下步驟:
a.取待連接的兩根ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材，根據(jù)待連接的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材表面形貌確定帶材的超導(dǎo)面和基底面，為進(jìn)行ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材的“超導(dǎo)面對(duì)超導(dǎo)面”的搭接做好準(zhǔn)備；
b.帶材連接預(yù)處理:對(duì)在步驟a中準(zhǔn)備好的待連接的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材的超導(dǎo)面連接部分進(jìn)行拋光，直至ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材出現(xiàn)光亮的保護(hù)層連接面;優(yōu)選對(duì)待連接的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材的超導(dǎo)面連接部分進(jìn)行機(jī)械拋光;對(duì)兩根待連接帶材的超導(dǎo)面進(jìn)行拋光以提高表面粗糙度，增加有效連接面積，增大焊料與帶材表面界面能，從而促進(jìn)焊料潤(rùn)濕，提高結(jié)合性質(zhì)，同時(shí)保證拋光部分長(zhǎng)度與帶材的搭接長(zhǎng)度基本一致；
c.對(duì)經(jīng)過(guò)步驟b處理后的待連接的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材的拋光部分涂覆焊料，并使兩根待連接的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材之間焊料的厚度為50?80μπι，或在經(jīng)過(guò)步驟b處理后的兩根待連接的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材之間加入厚度為40?80μπι的焊片，然后將兩根待連接的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材以“超導(dǎo)面對(duì)超導(dǎo)面”形式放置，并保持兩根ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材的連接部分進(jìn)行對(duì)齊搭接疊放，搭接長(zhǎng)度為1-lOcm，并使用夾具，對(duì)兩根已搭接疊放好的待連接的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材的搭接區(qū)段進(jìn)行持續(xù)加壓；
d.開(kāi)啟加熱系統(tǒng)裝置進(jìn)行升溫，以恒定的功率升高溫度至150-300°C，并在此溫度下，對(duì)在步驟c中進(jìn)行持續(xù)加壓的待焊接的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材的搭接區(qū)段保持加熱5-30min，使兩根ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材連接成為一根長(zhǎng)ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材;作為優(yōu)選的技術(shù)方案，在升溫過(guò)程中，當(dāng)溫度升至150-200°C時(shí)，通過(guò)控制夾具，加大作用在兩根待連接的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材的搭接區(qū)段的壓力，將兩根待連接的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材之間多余的熔融焊料擠出；
e.停止加熱后，對(duì)在步驟d中焊接制備的長(zhǎng)ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材進(jìn)行原位自然冷卻至100-160 0C后，再快速降溫至20-80 V，然后使夾具卸載，將連接好的長(zhǎng)ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材取出。當(dāng)焊接制備的長(zhǎng)ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材進(jìn)行原位自然冷卻時(shí)，所使用的夾具本體最好形成熱橋。降溫過(guò)程中自然冷卻至100-160°C時(shí)，利用夾具自身的傳導(dǎo)性，加快連接帶材的降溫速率，提高焊接性能。
[0008]一種連接ReBa2Cu3O7-S高溫超導(dǎo)薄膜帶材的施壓加熱系統(tǒng)，由施壓裝置和加熱裝置組成，施壓裝置由上壓塊、下壓塊和加壓機(jī)構(gòu)組成，上壓塊和下壓塊之間的間隙作為夾持兩根ReBa2Cu307-s高溫超導(dǎo)薄膜帶材的搭接部分的工作區(qū)域，下壓塊固定安裝在底座上，加壓機(jī)構(gòu)由一系列對(duì)稱(chēng)均勾設(shè)置于ReBa2Cu307-s高溫超導(dǎo)薄膜帶材兩側(cè)的施力桿機(jī)構(gòu)形成均衡施力系統(tǒng)，每個(gè)施力桿機(jī)構(gòu)均由一個(gè)壓力彈簧、一根螺桿和一個(gè)螺母組成，壓力彈簧套裝到螺桿上，使螺桿的軸線垂直于ReBa2Cu3O7-S高溫超導(dǎo)薄膜帶材的受壓面，螺桿的一端固定連接在下壓塊上，螺桿的另一端穿過(guò)上壓塊的外延翼部的加工孔后與螺母緊固配合，使上壓塊和下壓塊對(duì)兩根ReBa2Cu3O7-S高溫超導(dǎo)薄膜帶材的搭接部分進(jìn)行壓力夾持，通過(guò)擰緊一系列螺母，使兩根ReBa2Cu3O7-S高溫超導(dǎo)薄膜帶材的搭接部分受力均勻，加熱裝置由加熱控制箱和熱電偶組成，熱電偶的信號(hào)輸出端與加熱控制箱的信號(hào)接收端連接，熱電偶的測(cè)溫端插接在下壓塊的安裝孔內(nèi)，由熱電偶直接檢測(cè)下壓塊的溫度，使施壓裝置和加熱裝置形成一體化施壓加熱聯(lián)用裝置，加熱控制箱通過(guò)控制加熱體發(fā)熱對(duì)下壓塊進(jìn)行加熱，以下壓塊作為加熱體和被夾持的ReBa2Cu3O7-S高溫超導(dǎo)薄膜帶材之間的熱橋，由下壓塊通過(guò)熱傳導(dǎo)方式，對(duì)夾持的ReBa2Cu307-s高溫超導(dǎo)薄膜帶材進(jìn)行加熱。夾具與加熱設(shè)備形成一體，無(wú)需放入箱式爐或使用加熱平臺(tái)，焊接工藝更加簡(jiǎn)單。溫度升高時(shí)，采用扭力扳手?jǐn)Q緊螺母，加大作用在帶材待連接部分的壓力，將處在熔融態(tài)的多余的焊料擠出，最終得到具有薄薄焊料層的連接帶材。
[0009]作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，上壓塊和下壓塊各有突出的部分，分別為上壓塊突出部分和下壓塊突出部分，各突出部分長(zhǎng)度仍為原壓塊長(zhǎng)度，各突出部分寬度不低于被夾持的ReBa2Cu3O7-S高溫超導(dǎo)薄膜帶材的寬度，通過(guò)上壓塊突出部分和下壓塊突出部分直接對(duì)兩根ReBa2Cu307-s高溫超導(dǎo)薄膜帶材的搭接部分進(jìn)行壓力夾持。
[0010]作為上述方案的進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，通過(guò)采用扭力扳手?jǐn)Q緊各螺母，將扭力扳手的扭力值設(shè)為5-20Nm，加大作用在兩根ReBa2Cu3O7-S高溫超導(dǎo)薄膜帶材的搭接部分的壓力。
[00?1 ]作為上述方案的進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，在沿著ReBa2Cu307-s高溫超導(dǎo)薄膜帶材長(zhǎng)度方向上的下壓塊的兩端頭各插入安裝一根熱電偶。
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見(jiàn)的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn):
1.本發(fā)明通過(guò)施壓加熱系統(tǒng)及優(yōu)化的技術(shù)工藝參數(shù)，使用低溫焊料可在較短的時(shí)間內(nèi)快速將兩根ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材連接在一起，且接頭電阻阻值低，機(jī)械強(qiáng)度大，施壓工具與加熱設(shè)備自成一體，無(wú)需加熱平臺(tái)、加熱爐等裝置，使操作工藝大大簡(jiǎn)化，便于推廣應(yīng)用；
2.本發(fā)明通過(guò)以上優(yōu)化參數(shù)可使帶材接頭阻值在搭接長(zhǎng)度為l-5cm時(shí)就可輕易達(dá)到10—8Ω，根據(jù)電阻歐姆定律，帶材搭接長(zhǎng)度更大時(shí)接頭電阻阻值會(huì)更小，在搭接長(zhǎng)度增加至5-10cm時(shí)已成功實(shí)現(xiàn)ηΩ量級(jí)接觸電阻；
3.本發(fā)明制備的帶材接頭穩(wěn)定性強(qiáng)，重復(fù)率高，且很好地保持了帶材的超導(dǎo)性；
4.本發(fā)明提供的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材的連接工藝操作快速、便捷、高效，連接過(guò)程中的溫度低，時(shí)間短，可工業(yè)化應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為本發(fā)明實(shí)施例一高溫超導(dǎo)薄膜帶材接頭連接方式的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2為本發(fā)明實(shí)施例一的雙面鍍銀ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材超導(dǎo)面一側(cè)機(jī)械拋光前后金相圖。
[0015]圖3為本發(fā)明實(shí)施例二的雙面鍍銅ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材超導(dǎo)面一側(cè)機(jī)械拋光前后金相圖。
[0016]圖4為本發(fā)明實(shí)施例一進(jìn)行ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材連接所采用的施壓加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖5為本發(fā)明實(shí)施例一ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材連接所采用的施壓加熱系統(tǒng)A部分結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。
[0018]圖6為單根原始ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材和本發(fā)明各實(shí)施例采用不同搭接長(zhǎng)度的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材連接時(shí)的帶材的1-V測(cè)試曲線對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例詳述如下:
實(shí)施例一:
在本實(shí)施例中，參見(jiàn)圖1?圖6，一種連接ReBa2Cu3O7-S高溫超導(dǎo)薄膜帶材的施壓加熱系統(tǒng)，由施壓裝置A和加熱裝置B組成，施壓裝置A由上壓塊6、下壓塊7和加壓機(jī)構(gòu)組成，上壓塊6和下壓塊7之間的間隙作為夾持兩根ReBa2Cu3O7-S高溫超導(dǎo)薄膜帶材的搭接部分的工作區(qū)域，下壓塊7固定安裝在底座8上，加壓機(jī)構(gòu)由12根對(duì)稱(chēng)均勾設(shè)置于ReBa2Cu307-s高溫超導(dǎo)薄膜帶材兩側(cè)的施力桿機(jī)構(gòu)形成均衡施力系統(tǒng)，每個(gè)施力桿機(jī)構(gòu)均由一個(gè)壓力彈簧9、一根螺桿10和一個(gè)螺母11組成，壓力彈簧9套裝到螺桿10上，使螺桿10的軸線垂直于ReBa2Cu3O7-^溫超導(dǎo)薄膜帶材的受壓面，螺桿10的一端固定連接在下壓塊7上，螺桿10的另一端穿過(guò)上壓塊6的外延翼部的加工孔后與螺母11緊固配合，擰緊螺母11時(shí)，使上壓塊6和下壓塊7對(duì)兩根ReBa2Cu3O7-S高溫超導(dǎo)薄膜帶材的搭接部分進(jìn)行壓力夾持，通過(guò)擰緊一系列螺母11，使兩根ReBa2Cu3O7-S高溫超導(dǎo)薄膜帶材的搭接部分受力均勻，加熱裝置B由加熱控制箱15和熱電偶12組成，熱電偶12的信號(hào)輸出端與加熱控制箱15的信號(hào)接收端連接，熱電偶12的測(cè)溫端插接在下壓塊7的安裝孔內(nèi)，由熱電偶12直接檢測(cè)下壓塊7的溫度，使施壓裝置A和加熱裝置B形成一體化施壓加熱聯(lián)用裝置，加熱控制箱15通過(guò)控制加熱體發(fā)熱對(duì)下壓塊7進(jìn)行加熱，以下壓塊7作為加熱體和被夾持的ReBa2Cu307-s高溫超導(dǎo)薄膜帶材之間的熱橋，由下壓塊7通過(guò)熱傳導(dǎo)方式，對(duì)夾持的ReBa2Cu307-s高溫超導(dǎo)薄膜帶材進(jìn)行加熱。
[0020]在本實(shí)施例中，參見(jiàn)圖4和圖5，上壓塊6和下壓塊7各有突出的部分，分別為上壓塊突出部分13和下壓塊突出部分14，各突出部分長(zhǎng)度仍為原壓塊長(zhǎng)度，各突出部分寬度不低于被夾持的ReBa2Cu307-s高溫超導(dǎo)薄膜帶材的寬度，便于焊料的流出，通過(guò)上壓塊突出部分13和下壓塊突出部分14直接對(duì)兩根ReBa2Cu3O7-S高溫超導(dǎo)薄膜帶材的搭接部分進(jìn)行壓力夾持。
[0021]在本實(shí)施例中，參見(jiàn)圖4和圖5，在沿著ReBa2Cu3O7-S高溫超導(dǎo)薄膜帶材長(zhǎng)度方向上的下壓塊7的兩端頭各插入安裝一根熱電偶12。設(shè)定溫度控制箱15以恒定功率供電，操作簡(jiǎn)單。溫度控制箱15顯示的溫度由分布在下壓塊兩端頭的熱電偶12測(cè)出，兩端頭各插入一熱電偶12的目的是檢測(cè)并精確控制整個(gè)夾具上的溫度，便于觀察長(zhǎng)帶連接各部分的受熱均勻性。
[0022]在本實(shí)施例中，參見(jiàn)圖1?圖6，利用連接ReBa2Cu3O7-S高溫超導(dǎo)薄膜帶材的施壓加熱系統(tǒng)實(shí)施ReBa2Cu307-s高溫超導(dǎo)薄膜帶材的連接工藝，其中ReBa2Cu307-s高溫超導(dǎo)薄膜帶材自上而下依次由上層的保護(hù)層1、基底層2、緩沖層3、超導(dǎo)層4和底層的保護(hù)層I結(jié)合形成層狀的復(fù)合材料，其中上層的保護(hù)層I的外表面為基底面，底層的保護(hù)層I的外表面為超導(dǎo)面，將兩根ReBa2Cu3O7-S高溫超導(dǎo)薄膜帶材通過(guò)焊料5或焊片進(jìn)行連接時(shí)，包括如下步驟:
a.取待連接的兩根具有雙面鍍Ag保護(hù)層I的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材，根據(jù)待連接的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材表面形貌確定帶材的超導(dǎo)面和基底面，為進(jìn)行ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材的“超導(dǎo)面對(duì)超導(dǎo)面”的搭接做好準(zhǔn)備；
b.帶材連接預(yù)處理:根據(jù)步驟a判斷出帶材超導(dǎo)面后，采用W7( 05)金相砂紙，對(duì)在步驟a中準(zhǔn)備好的待連接的兩根ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材的超導(dǎo)面連接部分進(jìn)行拋光，沿帶材的同一方向，均勾施力直至帶材末端，重復(fù)進(jìn)行拋光，直至ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材出現(xiàn)光亮的Ag保護(hù)層I連接面;雙面鍍銀ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材超導(dǎo)面一側(cè)機(jī)械拋光前后金相圖如圖2所示;連接前對(duì)帶材進(jìn)行機(jī)械拋光一方面可去除超導(dǎo)帶材表面覆蓋的氧化物膜，減小液/固界面張力和液態(tài)焊料的界面張力，從而促進(jìn)液態(tài)焊料的潤(rùn)濕，另一方面機(jī)械拋光后形成的較粗糙表面縱橫交錯(cuò)的細(xì)槽對(duì)液態(tài)焊料起到了特殊的毛細(xì)管作用，促進(jìn)了焊料沿釬焊金屬表面的鋪展，改善了潤(rùn)濕性，從而提高帶材連接效果；
c.對(duì)經(jīng)過(guò)步驟b處理后的待連接的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材的拋光部分涂覆SnBi合金焊膏，形成焊料層，沿ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材延伸的方向均勾涂敷至帶材末端，恰好將多余的焊料移出帶材，留下厚度為50μπι的薄薄的一層焊料，焊膏以均勻涂敷且焊料厚度控制薄薄一層為宜，防止過(guò)厚的焊料層引起接頭電阻的增加，但不可過(guò)薄以免極少的焊料達(dá)不到較好的結(jié)合效果，然后將兩根待連接的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材以“超導(dǎo)面對(duì)超導(dǎo)面”形式放置，并保持兩根ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材的連接部分進(jìn)行對(duì)齊搭接疊放，搭接長(zhǎng)度為6cm，然后打開(kāi)夾具，將已“超導(dǎo)面對(duì)超導(dǎo)面”搭接的帶材放入夾具的上壓塊突出部分13和下壓塊突出部分14之間，使用夾具對(duì)兩根已搭接疊放好的連接的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材的搭接區(qū)段進(jìn)行持續(xù)加壓，對(duì)稱(chēng)擰緊夾具上的各只螺母11來(lái)壓緊待連接的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材的搭接區(qū)段，對(duì)稱(chēng)擰緊夾具上的各只螺母11至帶材被壓緊不晃動(dòng)為宜；
d.開(kāi)啟加熱系統(tǒng)裝置進(jìn)行升溫，以恒定的功率升高溫度至200°C，并在此溫度下，對(duì)在步驟c中進(jìn)行持續(xù)加壓的待焊接的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材的搭接區(qū)段保持加熱15min，使兩根ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材連接成為一根長(zhǎng)ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材;在升溫過(guò)程中，對(duì)帶材施壓時(shí)夾具上的螺母11對(duì)稱(chēng)擰緊，確保受力均勻且升溫過(guò)程及降溫過(guò)程持續(xù)施壓，當(dāng)溫度升至170°C時(shí)，通過(guò)控制夾具，采用扭力扳手?jǐn)Q緊各螺母11，將扭力扳手的扭力值設(shè)為10Nm，加大作用在兩根待連接的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材的搭接區(qū)段的壓力，將兩根待連接的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材之間多余的熔融焊料擠出；
e.停止加熱后，對(duì)在步驟d中焊接制備的長(zhǎng)ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材進(jìn)行原位自然冷卻至120°C后，再快速降溫至20°C，然后擰松夾具上各只螺母11使夾具卸載，并打開(kāi)夾具，將連接好的長(zhǎng)ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材取出。
[0023] 實(shí)施例二:
本實(shí)施例與實(shí)施例基本相同，特別之處在于:
在本實(shí)施例中，參見(jiàn)圖6，ReBa2Cu3O7-S高溫超導(dǎo)薄膜帶材的連接工藝，包括如下步驟:
a.取待連接的兩根具有雙面鍍銅保護(hù)層I的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材，根據(jù)待連接的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材表面形貌確定帶材的超導(dǎo)面和基底面，為進(jìn)行ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材的“超導(dǎo)面對(duì)超導(dǎo)面”的搭接做好準(zhǔn)備；
b.帶材連接預(yù)處理:根據(jù)步驟a判斷出帶材超導(dǎo)面后，采用W7(05)金相砂紙，對(duì)在步驟a中準(zhǔn)備好的待連接的兩根ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材的超導(dǎo)面連接部分進(jìn)行拋光，沿帶材的同一方向，均勾施力直至帶材末端，重復(fù)進(jìn)行拋光，直至ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材出現(xiàn)光亮的Cu層保護(hù)層I連接面;雙面鍍銅ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材超導(dǎo)面一側(cè)機(jī)械拋光前后金相圖如圖3所示；
c.對(duì)經(jīng)過(guò)步驟b處理后的待連接的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材的拋光部分涂覆SnBi合金焊膏，形成焊料層，沿ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材延伸的方向均勾涂敷至帶材末端，恰好將多余的焊料移出帶材，留下厚度為50μπι的薄薄的一層焊料，然后將兩根待連接的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材以“超導(dǎo)面對(duì)超導(dǎo)面”形式放置，并保持兩根ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材的連接部分進(jìn)行對(duì)齊搭接疊放，搭接長(zhǎng)度為8cm，然后打開(kāi)夾具，將已“超導(dǎo)面對(duì)超導(dǎo)面”搭接的帶材放入夾具的上壓塊突出部分13和下壓塊突出部分14之間，使用夾具對(duì)兩根已搭接疊放好的連接的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材的搭接區(qū)段進(jìn)行持續(xù)加壓，對(duì)稱(chēng)擰緊夾具上的各只螺母11來(lái)壓緊待連接的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材的搭接區(qū)段；
d.本步驟與實(shí)施例一相同；
e.本步驟與實(shí)施例一相同。
[0024]實(shí)施例三:
本實(shí)施例與前述實(shí)施例基本相同，特別之處在于:
在本實(shí)施例中，參見(jiàn)圖6，ReBa2Cu3O7-S高溫超導(dǎo)薄膜帶材的連接工藝，包括如下步驟:
a.取待連接的兩根具有雙面鍍Ag保護(hù)層I的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材，根據(jù)待連接的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材表面形貌確定帶材的超導(dǎo)面和基底面，為進(jìn)行ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材的“超導(dǎo)面對(duì)超導(dǎo)面”的搭接做好準(zhǔn)備；
b.帶材連接預(yù)處理:本步驟與實(shí)施例一相同；
c.對(duì)經(jīng)過(guò)步驟b處理后的待連接的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材的拋光部分涂覆SnBi合金焊膏，形成焊料層，沿ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材延伸的方向均勾涂敷至帶材末端，恰好將多余的焊料移出帶材，留下厚度為50μπι的薄薄的一層焊料，然后將兩根待連接的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材以“超導(dǎo)面對(duì)超導(dǎo)面”形式放置，并保持兩根ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材的連接部分進(jìn)行對(duì)齊搭接疊放，搭接長(zhǎng)度為2cm，然后打開(kāi)夾具，將已“超導(dǎo)面對(duì)超導(dǎo)面”搭接的帶材放入夾具的上壓塊突出部分13和下壓塊突出部分14之間，使用夾具對(duì)兩根已搭接疊放好的連接的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材的搭接區(qū)段進(jìn)行持續(xù)加壓，對(duì)稱(chēng)擰緊夾具上的各只螺母11來(lái)壓緊待連接的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材的搭接區(qū)段；
d.本步驟與實(shí)施例一相同；
e.本步驟與實(shí)施例一相同。
[0025]實(shí)驗(yàn)分析測(cè)試:
采用四引線法測(cè)量ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材接頭的1-V曲線，電壓極引線采用壓接。圖6是單根原始ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材和本發(fā)明各實(shí)施例采用2cm、6cm和8cm三種不同搭接長(zhǎng)度的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材連接時(shí)的帶材的1-V測(cè)試曲線對(duì)比圖。通過(guò)與原帶材1-V曲線對(duì)比，采用本發(fā)明方法搭接的帶材保留了原有的超導(dǎo)性能且較長(zhǎng)距離的搭接接頭阻值與原帶材相差不大，很大程度上滿足了對(duì)帶材接頭的要求。
[0026]綜上實(shí)施例，本發(fā)明通過(guò)ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材超導(dǎo)面的預(yù)處理，以及焊料厚度的控制，在升溫過(guò)程中的適當(dāng)施壓后降溫，從而實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)帶材的低電阻連接。本發(fā)明在施壓、加熱系統(tǒng)下，通過(guò)專(zhuān)用連接夾具及優(yōu)化的技術(shù)工藝參數(shù)，可方便快捷地將兩根ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材連接在一起，得到接頭電阻阻值低、機(jī)械性能好、帶材超導(dǎo)電性保持良好、臨界電流幾乎未變的連接帶材。連接過(guò)程采用低溫焊料，150-300°C加熱5-30min，150-200°(:時(shí)再次施壓加固，自然冷卻100-160°C時(shí)快速降溫，在此條件下搭接長(zhǎng)度為l-5cm時(shí)可輕易實(shí)現(xiàn)接頭阻值10—8 Ω量級(jí)，當(dāng)進(jìn)一步增加搭接長(zhǎng)度時(shí)，接頭阻值會(huì)繼續(xù)降低，在搭接長(zhǎng)度增加至5-10cm時(shí)已成功實(shí)現(xiàn)電阻阻值η Ω量級(jí)。本發(fā)明ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材的連接工藝便捷、高效、操作方便、搭接效果好，適于推廣應(yīng)用。
[0027]上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行了說(shuō)明，但本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，還可以根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明創(chuàng)造的目的做出多種變化，凡依據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案的精神實(shí)質(zhì)和原理下做的改變、修飾、替代、組合或簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，只要符合本發(fā)明的發(fā)明目的，只要不背離本發(fā)明ReBa2Cu3O7-S高溫超導(dǎo)薄膜帶材的連接工藝及其施壓加熱系統(tǒng)的技術(shù)原理和發(fā)明構(gòu)思，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種ReBa2Cu307-S高溫超導(dǎo)薄膜帶材的連接工藝，其特征在于，式中Re為Y、Gd或Dy稀土元素，包括如下步驟: a.取待連接的兩根ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材，根據(jù)待連接的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材表面形貌確定帶材的超導(dǎo)面和基底面，為進(jìn)行ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材的“超導(dǎo)面對(duì)超導(dǎo)面”的搭接做好準(zhǔn)備； b.帶材連接預(yù)處理:對(duì)在所述步驟a中準(zhǔn)備好的待連接的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材的超導(dǎo)面連接部分進(jìn)行拋光，直至ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材出現(xiàn)光亮的保護(hù)層連接面； c.對(duì)經(jīng)過(guò)所述步驟b處理后的待連接的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材的拋光部分涂覆焊料，并使兩根待連接的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材之間焊料的厚度為50?80μηι，或在經(jīng)過(guò)所述步驟b處理后的兩根待連接的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材之間加入厚度為40?80μπι的焊片，然后將兩根待連接的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材以“超導(dǎo)面對(duì)超導(dǎo)面”形式放置，并保持兩根ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材的連接部分進(jìn)行對(duì)齊搭接疊放，搭接長(zhǎng)度為1-lOcm，并使用夾具，對(duì)兩根已搭接疊放好的待連接的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材的搭接區(qū)段進(jìn)行持續(xù)加壓； d.開(kāi)啟加熱系統(tǒng)裝置進(jìn)行升溫，以恒定的功率升高溫度至150-300°C，并在此溫度下，對(duì)在所述步驟c中進(jìn)行持續(xù)加壓的待焊接的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材的搭接區(qū)段保持加熱5-30min，使兩根ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材連接成為一根長(zhǎng)ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材； e.停止加熱后，對(duì)在所述步驟d中焊接制備的長(zhǎng)ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材進(jìn)行原位自然冷卻至100-160°C后，再快速降溫至20-80°C，然后使夾具卸載，將連接好的長(zhǎng)ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材取出。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述ReBa2Cu307-s高溫超導(dǎo)薄膜帶材的連接工藝，其特征在于:在所述步驟b中，對(duì)待連接的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材的超導(dǎo)面連接部分進(jìn)行機(jī)械拋光。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述ReBa2Cu307-S高溫超導(dǎo)薄膜帶材的連接工藝，其特征在于:在所述步驟d中，在升溫過(guò)程中，當(dāng)溫度升至150-200°C時(shí)，通過(guò)控制夾具，加大作用在兩根待連接的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材的搭接區(qū)段的壓力，將兩根待連接的ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材之間多余的熔融焊料擠出。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述ReBa2Cu307-s高溫超導(dǎo)薄膜帶材的連接工藝，其特征在于:在所述步驟e中，當(dāng)焊接制備的長(zhǎng)ReBCO高溫超導(dǎo)薄膜帶材進(jìn)行原位自然冷卻時(shí)，所使用的夾具本體形成熱橋。5.—種連接ReBa2Cu3O7-S高溫超導(dǎo)薄膜帶材的施壓加熱系統(tǒng)，由施壓裝置(A)和加熱裝置(B)組成，所述施壓裝置(A)由上壓塊(6)、下壓塊(7)和加壓機(jī)構(gòu)組成，其特征在于:所述上壓塊(6)和所述下壓塊(7)之間的間隙作為夾持兩根ReBa2Cu3O7-S高溫超導(dǎo)薄膜帶材的搭接部分的工作區(qū)域，所述下壓塊(7)固定安裝在底座(8)上，所述加壓機(jī)構(gòu)由一系列對(duì)稱(chēng)均勻設(shè)置于ReBa2Cu3O7-S高溫超導(dǎo)薄膜帶材兩側(cè)的施力桿機(jī)構(gòu)形成均衡施力系統(tǒng)，每個(gè)施力桿機(jī)構(gòu)均由一個(gè)壓力彈簧(9)、一根螺桿(10)和一個(gè)螺母(11)組成，所述壓力彈簧(9)套裝到螺桿(10)上，使所述螺桿(10)的軸線垂直于ReBa2Cu3O7-S高溫超導(dǎo)薄膜帶材的受壓面，所述螺桿(10)的一端固定連接在所述下壓塊(7)上，所述螺桿(10)的另一端穿過(guò)所述上壓塊(6)的外延翼部的加工孔后與螺母(11)緊固配合，使所述上壓塊(6)和所述下壓塊(7)對(duì)兩根ReBa2Cu3O7-S高溫超導(dǎo)薄膜帶材的搭接部分進(jìn)行壓力夾持，通過(guò)擰緊一系列所述螺母(11)，使兩根ReBa2Cu3O7-S高溫超導(dǎo)薄膜帶材的搭接部分受力均勻，所述加熱裝置(B)由加熱控制箱(15)和熱電偶(12)組成，熱電偶(12)的信號(hào)輸出端與所述加熱控制箱(15)的信號(hào)接收端連接，所述熱電偶(12)的測(cè)溫端插接在所述下壓塊(7)的安裝孔內(nèi)，由所述熱電偶(12)直接檢測(cè)所述下壓塊(7)的溫度，使施壓裝置(A)和加熱裝置(B)形成一體化施壓加熱聯(lián)用裝置，所述加熱控制箱(15)通過(guò)控制加熱體發(fā)熱對(duì)所述下壓塊(7)進(jìn)行加熱，以所述下壓塊(7)作為所述加熱體和被夾持的ReBa2Cu307-s高溫超導(dǎo)薄膜帶材之間的熱橋，由所述下壓塊(7)通過(guò)熱傳導(dǎo)方式，對(duì)夾持的ReBa2Cu307-s高溫超導(dǎo)薄膜帶材進(jìn)行加熱。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述連接ReBa2Cu3O7-S高溫超導(dǎo)薄膜帶材的施壓加熱系統(tǒng)，其特征在于:所述上壓塊(6)和所述下壓塊(7)各有突出的部分，分別為上壓塊突出部分(13)和下壓塊突出部分(14)，各突出部分長(zhǎng)度仍為原壓塊長(zhǎng)度，各突出部分寬度不低于被夾持的ReBa2Cu3O7-S高溫超導(dǎo)薄膜帶材的寬度，通過(guò)所述上壓塊突出部分(13)和所述下壓塊突出部分(14)直接對(duì)兩根ReBa2Cu307-s高溫超導(dǎo)薄膜帶材的搭接部分進(jìn)行壓力夾持。7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述連接ReBa2Cu3O7-S高溫超導(dǎo)薄膜帶材的施壓加熱系統(tǒng)，其特征在于:通過(guò)采用扭力扳手?jǐn)Q緊各所述螺母(11)，將扭力扳手的扭力值設(shè)為5-20Nm，加大作用在兩根ReBa2Cu307-s高溫超導(dǎo)薄膜帶材的搭接部分的壓力。8.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述連接ReBa2Cu3O7-S高溫超導(dǎo)薄膜帶材的施壓加熱系統(tǒng)，其特征在于:在沿著ReBa2Cu307-s高溫超導(dǎo)薄膜帶材長(zhǎng)度方向上的所述下壓塊(7)的兩端頭各插入安裝一根熱電偶(I 2)。
【文檔編號(hào)】H01R43/02GK105826789SQ201610183524
【公開(kāi)日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2016年3月29日
【發(fā)明人】鄭佳會(huì), 馬洪良, 蔡傳兵, 魯玉明
【申請(qǐng)人】上海大學(xué), 上海上創(chuàng)超導(dǎo)科技有限公司