一种含内外超导层的高温超导复合导体的制作方法

本发明涉及一种超导导线，具体讲涉及一种有高电流密度的大载流高温超导复合导体。

背景技术：

随着高温超导材料制备技术的不断进步，一系列性能优异的超导材料不断问世，例如单根超导带材自场下的临界电流可到200a，为应用超导技术的发展奠定了基础。但是，随着人们对大载流电力装置需求的逐渐增加，单根超导带材的载流量已经不能满足实际应用的需要，而多根超导带材简单并绕的结构，会因导线支路间微小漏电抗而引起很大的环流，增加交流损耗，导致磁场分布不均匀，从而降低超导带材的临界电流。

现有的超导复合导体，有如图1所示结构的三类超导复合导体：roebel导体、螺旋式超导复合导体(corc)、超导带材堆叠导体(tstc/roundtwistedstackedconductor/cicc/stackedtapesassembledinrigidstructureconductor/硬质堆叠超导股线)。现有的复合导体均有其不足之处。螺旋式超导复合导体中间采用铜骨架作为支撑材料，在临界电流不足时，电流密度低于其它两种超导复合导体；roebel导体对超导带材质量要求极高，而且需要激光切割，制作工艺难度大；虽然超导带材堆叠导体，制作工艺相对简单，但因大载流堆叠厚度较大，因此只能缠绕在半径较大的圆柱体上。

因此需提供一种具有高载流量、高电流密度和低交流损耗等良好超导性能的新型高温超导复合导体。

技术实现要素：

为满足现有技术的缺陷，本发明提供了一种以商品化高温超导带材为基础单元，具有高载流量、低交流损耗等良好超导性能，制作工艺简单、且适用超导电力装置的高温超导复合导体。

本发明通过以下技术方案实现。

一种高温超导复合导体，所述超导复合导体包括内外超导层；所述内超导层包括设置于金属骨架内的内超导层单元；所述外超导层包括缠绕在金属骨架上的外超导单元及该外超导单元外部的绝缘层。

优选的，所述内超导层单元包括并联结构的沿长度方向扭转的高温超导带材；所述扭转节距大于超导带材临界扭转节距；所述高温超导带材的宽不超过12mm。

优选的，所述内超导层单元和金属骨架间的空隙有填充因子。

优选的，所述填充因子包括氮化铝粉末等混合物。

优选的，所述缠绕包括螺旋缠绕。

优选的，所述金属骨架包括按质量百分比计的下述组份构成的金属骨架：

li:2.1～2.7；cu：1.1～1.6；mg：0.8～1.4；zr：0.08～0.15；fe：≤0.15；si：≤0.1以及余量的al。

优选的，所述金属骨架包括按质量百分比计的下述组份的金属骨架：

cu：≥99.52；al：0.18～0.22；fe：≤0.01；pb：≤0.01；o：0.16～0.24。

优选的，所述绝缘层包括聚酰亚胺薄膜，所述聚酰亚胺薄膜为半包绕结构。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：

(1)本发明提供的超导复合导体结构简单，功能强大，可以根据载流能力的需要，在低温环境下，可利用根数最少的内超导层和外超导层的高温超导带材数量，实现高载流性能的目的。

(2)本发明提供的超导复合导体的内超导层选取的不同宽度的高温超导带材，提高了填充因子，进而提高了超导复合导线的电流密度；内超导层单元和金属骨架间用焊锡丝填充，提高了内复合导体芯承受应力和应变的能力，增加了抵抗机械变形的性能，保障了内超导层在大载流运行中不会受到电磁和应力的影响。

(3)本发明提供的超导复合导体的外超导层单元的高温超导带材磁场与带材表面平行，大大降低了磁场导致的临界电流衰减；外层超导层的外层为聚酰亚胺薄膜半包绕的绝缘层结构，保证了超导复合导线的外部绝缘特性。

(4)本发明提供的超导复合导体的外超导层螺旋结构产生的轴向磁场和内超导层垂直带材表面的磁场相互作用，大大减少了高温超导带材的交流损耗。

附图说明：

图1为现有的超导复合导体的典型结构；

图2为本发明提供的超导复合导体的内超导层示意图；

图3为本发明提供的超导复合导体的外超导层示意图；

图4为交流损耗随电流的变化曲线示意图

其中，1内超导层单元、2外超导层单元、3、金属骨架、4填充因子、5绝缘层。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步说明，但本发明并不限于这些实施例。

实施例1：

如图2～3所示为本发明提供的超导复合导体的内超导层和外超导层的示意图。

该超导复合导体包括内超导层和外超导层；内超导层包括设置于金属骨架内的内超导层单元和填充因子；外超导层单元包括缠绕在金属骨架上的外超导单元及外超导单元外部的绝缘层。

如图2所示为本发明提供的超导复合导体的内超导层的示意图，内超导层单元为沿长度方向按照特定节距进行扭转的多根高温超导带材并联结构，以实现超导带材的空间换位，也可采用不用宽度的高温超导带材，提高填充因子，从而提高电流密度。

内超导层单元1和金属骨架3之间的空隙用氮化铝粉末等混合物填充，导热性能良好，提高内复合导体芯承受应力和应变的能力，增加抵抗机械变形的性能，保障内超导层在大载流运行中不会受到电磁和应力的较大影响。

如图3所示为本发明提供的超导复合导体的外超导层的示意图，外超导层单元为按照特定节距，螺旋排列缠绕在金属骨架上的多根高温超导带材结构，该结构一方面通过多根高温超导带材实现了高载流性能，可以根据载流能力的需要设计并联和螺旋排列根数；另一方面，通过空间换位结构可以实现复合超导体中各个高温超导带材均匀处在环境磁场下，保证了磁场对高温超导带材影响的均匀性。

内超导层产生的磁场和外超导层的螺旋结构产生的轴向磁场，垂直带材表面的磁场分量相互作用，有助于提高高温超导带材的载流率，减少交流损耗。

金属骨架包括按质量百分比计的下述组份构成的材料组成：li:2.5；cu：1.5；mg：1.2；zr：0.09；fe：0.12；si：0.09；al：94.5。

绝缘层包括聚酰亚胺薄膜半包绕结构，可以保证超导体的外部绝缘特性，便于应用超导复合缆线开展高载流超导电力装备的研制工作。

如图4所示为外加磁场b＝0.7t时，本发明实施例1所提供的新型高温超导复合导体和corc导体交流损耗随电流的变化曲线示意图。为了方便对比，其导体骨架均为半径r＝4mm，超导层均用带材根数n＝4。由图可以看出，本发明所提供的高温超导复合导体的交流损耗小于corc导体的交流损耗，当归一化电流im/ic＝0.5时，交流损耗约降低10％。

表1为上述实施例提供的新型高温超导复合导体和corc导体的自场临界电流对比值，当corc导体和含内外超导层的新型高温超导复合导体的自场临界电流相同时，新型高温超导复合导体的电流密度约大于corc导体电流密度5％。

表1

实施例2：

如图2～3所示为本发明提供的超导复合导体的内超导层和外超导层的示意图。

该超导复合导体包括内超导层和外超导层；内超导层包括设置于金属骨架内的内超导层单元和填充因子；外超导层单元包括缠绕在金属骨架上的外超导单元及外超导单元外部的绝缘层。

如图2所示为本发明提供的超导复合导体的内超导层的示意图，内超导层单元为沿长度方向按照特定节距进行扭转的多根高温超导带材并联结构，以实现超导带材的空间换位，也可采用不用宽度的高温超导带材，提高填充因子，从而提高电流密度。

内超导层单元1和金属骨架3之间的空隙用氮化铝粉末等混合物，导热性能良好，提高内复合导体芯承受应力和应变的能力，增加抵抗机械变形的性能，保障内超导层在大载流运行中不会受到电磁和应力的较大影响。

如图3所示为本发明提供的超导复合导体的外超导层的示意图，外超导层单元为按照特定节距，螺旋排列缠绕在金属骨架上的多根高温超导带材结构，该结构一方面通过多根高温超导带材实现了高载流性能，可以根据载流能力的需要设计并联和螺旋排列根数；另一方面，通过空间换位结构可以实现复合超导体中各个高温超导带材均匀处在环境磁场下，保证了磁场对高温超导带材影响的均匀性。

内超导层产生的磁场和外超导层的螺旋结构产生的轴向磁场，垂直带材表面的磁场分量相互作用，有助于提高高温超导带材的载流率，减少交流损耗。

金属骨架包括按质量百分比计的下述组份构成的材料组成：cu:99.60；al：0.20；fe：0.01；pb：0.01；o：0.18。

绝缘层包括聚酰亚胺薄膜半包绕结构，可以保证超导体的外部绝缘特性，便于应用超导复合缆线开展高载流超导电力装备的研制工作。

表2为上述实施例提供的新型高温超导复合导体的自场临界电流对比值

表2：

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。