一種用于稀土鋇銅氧高溫超導導線的超導接頭制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及高溫超導導線技術，具體涉及一種用于稀土鋇銅氧高溫超導導線的超導接頭制作方法。
【背景技術】
[0002]在用超導導線繞制磁體線圈時，接頭起到導線的連接作用，其性能直接影響到線圈的整體電性。無電阻即超導接頭的焊接加工技術十分重要，使用該技術的超導線圈可應用于閉環運行的磁體，是高場穩態磁體必須攻克的技術。整體超導的線圈，可以實現恒流工作模式(Permanent Current Mode，簡稱PCM)，線圈中的電流可長時間保持恒定無損耗，無需外接電源。在醫療上得到廣泛應用的磁共振成像設備，其中的磁體線圈就是使用了超導接頭的技術，可廣泛用于疾病的檢測和治療。
[0003]目前超導導線一般被分為低溫超導和高溫超導兩個大類，其中低溫超導導線典型的工作溫度為液氦溫度(4.2K)，如現有的磁共振成像設備大都使用NbTi等低溫超導導線繞制，其超導接頭技術非常成熟。高溫超導導線典型的工作溫度為液氮溫度(77K)，根據產業化進程被分為兩代:第一代鉍鍶鈣銅氧(Bi2Sr2Ca2Cu30x)導線和第二代稀土鋇銅氧(REBa2Cu30y，其中RE為稀土元素)導線。由于高溫超導導線具有很廣泛的應用前景，而且其應用技術大部分也都涉及到超導磁體線圈的加工，因此加工高質量的超導接頭技術對高溫超導技術的發展是至關重要的。
[0004]第一代鉍鍶鈣銅氧導線使用粉末套管法制成，其超導接頭技術已經基本成熟。這類導線超導接頭的加工方法，主要是在對導線端部進行化學腐蝕后，將兩段導線搭接在一起后，使用銀箔包裹并加壓，最后進行退火熱處理。此外，亦可使用超導粉末作為中間層，在高溫條件下施加壓應力，配合化學腐蝕與機械剝離等方法實現導線連接，并經過一系列后續熱處理制得具有優良性能的超導接頭。
[0005]在二代稀土鋇銅氧導線使用多層覆膜方法制成，其典型結構主要由四部分組成，從下至上分別為金屬基底、過渡層、超導層以及銀穩定層，有些帶材最外部還會包裹一層銅保護層。這類導線的焊接方面，已形成了納歐級電阻的成熟接頭技術，然而超導接頭技術尚未成熟，只有韓國Park等人在2014年曾制備出沒有電阻的超導接頭(Npg AsiaMaterials,2014，6:e98 ；Superconductor Science&Technology,2014，27(8):085008)。其制備工藝主要包括五個階段:激光打孔、帶材表面預處理、搭接、真空熱處理及充氧。接頭的臨界電流可達到初始導線的水平，但是，該工藝使用的充氧時間長達350小時，而且需要進行密集的激光打孔，因此該方法耗時長、成本高，并不利于大批量工業化生產。
【發明內容】
[0006]本發明的主要目的在于克服現有技術的不足，提供一種用于稀土鋇銅氧高溫超導導線的超導接頭制作方法，簡化制備流程、縮短生產時間、降低生產成本，在盡量不損害金屬基帶的前提下實現帶材的超導連接。
[0007]為實現上述目的，本發明采用以下技術方案:
[0008]—種用于稀土鋇銅氧高溫超導導線的超導接頭制作方法，包括以下步驟:
[0009]a.對兩根超導導線的端部進行銀層去除處理使超導層裸露；
[0010]b.將兩根超導導線的超導層面對面放置，在中間加入可在熱處理過程中生成稀土鋇銅氧相的粉末焊料，優選地，所述粉末焊料發生反應的熱處理溫度低于所述超導導線的超導層的熔點；
[0011]C.在適當的低氧分壓下進行熱處理使所述粉末焊料發生反應，缺氧態的稀土鋇銅氧相在超導層表面外延生長進而連接兩個超導層；
[0012]d.在適當的高氧分壓下進行充氧熱處理，使稀土鋇銅氧相具備超導性能，從而實現兩根超導導線之間的超導連接。
[0013]進一步地:
[0014]步驟a中的銀層去除處理為銀層腐蝕處理。
[0015]步驟a中的腐蝕銀層處理使用ΝΗ3.H20和H202的水溶液，所述水溶液中NH 3.H20的體積分數為5 %?50 %，H202的體積分數為5 %?50 %。
[0016]步驟b中的粉末焊料至少含有稀土鋇銅氧粉末，可以是稀土鋇銅氧粉末與氧化銅粉末等混合物，其中稀土鋇銅氧粉末可選擇REpafuWy與RE 2BaCu05，其中后者的質量分數可選范圍為0%?50% ;優選還加入作為助劑的銀粉或氧化銀粉，更優選地，銀粉或氧化銀粉所占的質量分數可選范圍為0.1%?20% ;
[0017]或者粉末焊料為包括稀土元素氧化物粉末、氧化鋇或碳酸鋇粉末、氧化銅粉末的混合物，優選地，粉末焊料為包括氧化釔粉末、碳酸鋇或氧化鋇粉末、氧化銅粉末與Κ0Η粉末的混合物，更優選地，粉末焊料中釔、鋇、銅三種元素的物質的量之比為1 '2:3，Κ0Η粉末的質量占粉末焊料質量分數的可選范圍為5%?50% ；
[0018]優選地，粉末的粒徑為10納米?10微米。
[0019]步驟b 中可選擇的稀土元素包括 Y、Yb、Tm、Er、Ho、Dy、Gd、Eu、Sm、Nd、La。
[0020]粉末焊料中加入Ag粉、Ag20粉、KOH粉或NaOH粉作為熱處理助劑，助劑粉末的粒徑為10納米?10微米，在粉末焊料中的質量分數為0.1%?50%。
[0021]步驟b中在中間加入粉末焊料之后對兩根超導導線進行加壓固定，優選使用機械加壓方式固定兩根導線的連接處，壓強范圍為0.1MPa?300MPa。
[0022]步驟c中的低氧分壓為0.0OlPa?lOOPa，熱處理溫度為500°C?900°C，熱處理保溫時間為0.1分鐘?12小時。
[0023]步驟d中的高氧分壓為lX104Pa?lX107Pa，熱處理溫度為400°C?600°C，熱處理保溫時間為1小時?200小時。
[0024]步驟d之后，對獲得的焊接部分進行后續的鍍銀處理以保護超導相，和/或包裹銅單質、銅合金或不銹鋼材料以增強機械性能。
[0025]本發明的有益效果:
[0026]本發明提供了一種用于稀土鋇銅氧高溫超導導線的超導接頭制作方法，能夠方便、高效、可靠、低成本地實現兩根超導導線之間的超導連接。該方法使用可在熱處理過程中生成稀土鋇銅氧相的前驅物粉末焊料，特別是發生反應的熱處理溫度低于超導導線的超導層的熔點的粉末焊料，可在熱處理過程中生成稀土鋇銅氧相，將其置于兩段經表面處理的超導導線之間，經過適當的低氧分壓下的熱處理，使稀土鋇銅氧相在超導層表面外延生長，進而連接兩個超導層，再經適當的高氧分壓下的充氧熱處理，實現具有超導性能的導線接頭。相比現有技術，本發明能夠大大簡化制備流程、縮短生產時間、降低生產成本，在盡量不損害金屬基帶的前提下實現帶材的超導連接。
[0027]在優選的技術方案中，采用的粉末焊料發生反應的熱處理溫度低于導線超導層的熔點，因此可在較低的熱處理溫度下實現兩個超導層之間的超導連接，從而減弱金屬基底的氧化以及超導層的失氧。最終獲得的超導接頭在液氮溫度和自場下的超導臨界電流為原始超導導線其中一根的臨界電流的10%?100%。
【附圖說明】
[0028]圖1是本發明實施例一提供的兩根超導導線與焊料的結構示意圖；
[0029]圖2是本發明實施例一和實施例二提供的燒結階段的熱處理曲線；
[0030]圖3是本發明實施例一提供的充氧階段的熱處理曲線；
[0031]圖4是本發明實施例三提供的帶夾角Θ的接頭情況。
【具體實施方式】
[0032]以下對本發明的實施方式作詳細說明。應該強調的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發明的范圍及其應用。
[0033]參閱圖1，在一種實施例中，一種用于稀土鋇銅氧高溫超導導線的超導接頭制作方法，包括以下步驟:
[0034]a.對兩根超導導線的端部進行銀層去除處理使超導層裸露；
[0035]b.將兩根超導導線的超導層面對面放置，在中間加入可在熱處理過程中生成稀土鋇銅氧相的粉末焊料；
[0036]c.在適當的低氧分壓下進行熱處理使所述粉末焊料發生反應，缺氧態的稀土鋇銅氧相在超導層表面外延生長進而連接兩個超導層；
[0037]d.在適當的高氧分壓下進行充氧熱處理，使稀土鋇銅氧相具備超導性能，從而實現兩根超導導線之間的超導連接。
[0038]與現有超導導線的超導接頭制作方法不同，本發明的超導接頭制作方法使用粉末焊料作為可在成相熱處理過程中生成稀土鋇銅氧相的前驅物，通過熱處理使稀土鋇銅氧相在兩根導線的超導層表面之間外延生長，實現兩根超導導線之間的超導連接。具體而言，首先可對兩根超導導線的端部進行銀層腐蝕處理使超導層裸露，將兩根導線的超導層面對面放置，在中間加入粉末焊料并進行加壓固定，然后在適當的低氧分壓下進行熱處理使粉末焊料發生反應，缺氧態的稀土鋇銅氧相在超導層表面外延生長進而連接兩個超導層，之后在適當的高氧分壓下進行充氧熱處理，使稀土鋇銅氧相具備超導性能，從而實現兩根導線之間的超導連接。
[0039]在優選實施例中，步驟b中采用的粉末焊料發生反應的成相熱處理溫度低于所述超導導線的超導層的熔點。由于粉末焊料發生反應的熱處理溫度低于超導導線超導層的熔點，因此相對于現有的超導導線超導連接方法，優選的技術方案可以在較低的熱處理溫度下實現兩個超導層之間的超導連接，從而可以減弱金屬基底的氧化以及超導層的失氧，有利于保持超導導線的機械性能和載流性能。
[0040]在一些實施例中，步驟b中的粉末焊料至少含有稀土鋇銅氧粉末，可以是稀土鋇銅氧粉末與氧化銅粉末等混合物，其中稀土鋇銅氧粉末可選擇REiBajjCu；^與RE 2BaCu05，其中后者的質量分數可選范圍為0%?50%;優選還加入作為助劑的銀粉或氧化銀粉，更優選地，銀粉或氧化銀粉占粉末焊料的質量分數范圍為0.1%?20%。
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