專利名稱：超導(dǎo)電線及其制造方法以及由其形成的產(chǎn)品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超導(dǎo)電線及其制造方法以及由其形成的產(chǎn)品。
背景技術(shù)：
包含有多根細(xì)絲的超導(dǎo)電線常被用于各種電磁裝置中，如磁體、發(fā)動機(jī)和變壓器。最近發(fā)現(xiàn)二硼化鎂(MgB2)具有超導(dǎo)性能。人們認(rèn)為二硼化鎂可以在20-30K和0-3T范圍內(nèi)替代普通的超導(dǎo)體，如鈦化鈮或鉍、鍶、鈣、銅和氧(BSCCO)而制成導(dǎo)電帶或?qū)Ь€。制造二硼化鎂的方法是將硼細(xì)絲暴露在鎂蒸汽中。這個方法并不能形成很長(大于500米)的超導(dǎo)電線。因此需要獲得一種制造長度大于或等于約350,000英尺的二硼化鎂電線的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種制造電線的方法，包括將鎂填充到金屬管的孔中；密封管的端部；使管變形以增加其長度；使管與硼接觸以使鎂和硼反應(yīng)而形成超導(dǎo)的二硼化鎂。
本發(fā)明還公開了一種制造超導(dǎo)電線的方法，包括使硼細(xì)絲、硼帶、或者包含硼細(xì)絲或硼帶的組合與熔融的鎂接觸，以形成二硼化鎂電線。
本發(fā)明還公開了一種制造電線的方法，包括使第一超導(dǎo)電線的第一端與第二超導(dǎo)電線的第二端接觸，其中超導(dǎo)電線包括含有超導(dǎo)組合物的超導(dǎo)細(xì)絲，該超導(dǎo)組合物包括二硼化鎂；在一點將第一超導(dǎo)電線的第一端和第二超導(dǎo)電線的第二端一起加熱以形成焊接部位，其中在形成焊接部位之后，含有超導(dǎo)組合物的超導(dǎo)細(xì)絲與超導(dǎo)細(xì)絲的其它任何部分都有連續(xù)的電接觸。
本發(fā)明還公開一種制造電線的方法，包括擠壓包含金屬基質(zhì)和至少一個細(xì)絲的預(yù)制坯；其中細(xì)絲包括含有二硼化鎂的超導(dǎo)組合物以形成經(jīng)擠壓的預(yù)制坯；拉絲或旋鍛(swaging)經(jīng)擠壓的預(yù)制坯以形成超導(dǎo)線。
本發(fā)明還公開了使用上述方法和上述電線制造出的產(chǎn)品。


下面參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的其它特征。附圖中類似的元件由相同的附圖標(biāo)記表示。
圖1是超導(dǎo)電線的橫截面示意圖；圖2是由超導(dǎo)電線形成的多根電線電纜的側(cè)面和橫截面的剖面圖；和圖3是由超導(dǎo)電線構(gòu)成的扁平帶的橫截面示意圖。
具體實施例方式
上面描述了較長的超導(dǎo)電線的制造方法，其中所述電線包含二硼化鎂細(xì)絲。該細(xì)絲通常被焊接在一起以形成長度大于或等于約350,000英尺，優(yōu)選大于或等于約500,000英尺的電線，更優(yōu)選形成大于或等于約1,000,000英尺的電線。它們連接的優(yōu)選方法是電子束焊接和激光束焊接。
所述電線可有利地形成其它類似的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，例如扁平帶和纏繞的多股電纜。超導(dǎo)電線被應(yīng)用于電磁裝置中，如超導(dǎo)磁體，、發(fā)動機(jī)、變壓器和發(fā)電機(jī)。這些電磁裝置可以被裝在較大的系統(tǒng)中，例如裝入磁共振成像系統(tǒng)。
圖1是超導(dǎo)電線100的一個實施例的橫截面示意圖。超導(dǎo)電線100包括至少一個具有超導(dǎo)組合物的細(xì)絲110。盡管圖1中示出了七根這種細(xì)絲110，但本發(fā)明對超導(dǎo)電線100中包含的細(xì)絲數(shù)量沒有限制。在圖1所示的一個實施例中，至少一部分細(xì)絲被封閉在任選的金屬基質(zhì)120中，這有助于形成連續(xù)長度的超導(dǎo)細(xì)絲。在另一實施例中(未示出)，超導(dǎo)電線100不具有金屬基質(zhì)，并且基本由一個或多個包含超導(dǎo)組合物的細(xì)絲110組成。
如上所述，細(xì)絲110包含有超導(dǎo)組合物。該超導(dǎo)組合物主要包括具有約39K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度(TC)的二硼化鎂(MgB2)。二硼化鎂所具有的超臨界傳導(dǎo)溫度TC比任何已知的無氧和無C60基化合物的傳導(dǎo)溫度幾乎高2倍。二硼化鎂超導(dǎo)組合物優(yōu)選包含鎂和硼的第一超導(dǎo)相，但可任意包含其它攙雜物，如金屬相載體。在一個實施例中，第一超導(dǎo)相為二硼化鎂。另外，第一超導(dǎo)相可以是介于二硼化鎂和其它組合物之間的固溶體，如硼化鈦和/或二硼化鈦。所述超導(dǎo)組合物也可任意包括第二超導(dǎo)相，該相具有與二硼化鎂相同或相關(guān)的晶體結(jié)構(gòu)，并且具有可比的超導(dǎo)特性。
攙雜物除了提供金屬相載體以外，還可以改變晶格構(gòu)形或間距，和/或提高超導(dǎo)特性。根據(jù)第一超導(dǎo)相的化學(xué)組成，可以加入的有用攙雜物包括銅、金、銀、鎂、鋅、鉛、鎘、錫、鉍、鎵、汞和銦，或者是包含上述攙雜物中至少一個的組合物。在一個實施例中，二硼化鎂包含附加的元素鎂。元素鎂通常是由于其惰性被加入其中的。
不考慮超導(dǎo)組合物中的其它成分，該超導(dǎo)組合物具有一定體積比的超導(dǎo)相，該體積比在可操作的臨界溫度可有效提供超導(dǎo)特性。在一個實施例中，超導(dǎo)相的體積占總超導(dǎo)組合物的體積百分?jǐn)?shù)為大于或等于約19。一般優(yōu)選第一超導(dǎo)相占總超導(dǎo)組合物的的體積百分?jǐn)?shù)大于或等于約25，更優(yōu)選大于或等于約35，更優(yōu)選大于或等于約50，更優(yōu)選大于或等于約75。通常當(dāng)短距離發(fā)射電流并且對磁性性能感興趣時應(yīng)用低體積比的第一超導(dǎo)相。
超導(dǎo)電線包括至少一個具有細(xì)絲特征尺寸的細(xì)絲，其中所述細(xì)絲是連續(xù)的，并且包含大量二硼化鎂顆粒，而且大量二硼化鎂顆粒的平均顆粒尺寸小于或等于細(xì)絲特征尺寸的約10％。超導(dǎo)電線還包含圍繞并接觸該至少一個細(xì)絲的金屬基質(zhì)，其中該金屬基質(zhì)在低于約20K的溫度下導(dǎo)電，并且其熱膨脹系數(shù)具有基本等于或大于二硼化鎂的熱膨脹系數(shù)。特征尺寸是細(xì)絲的最小尺寸，例如具有圓形橫截面的細(xì)絲的直徑，或者具有橢圓形橫截面細(xì)絲的短軸。
在一個實施例中，超導(dǎo)組分中的二硼化鎂顆粒的平均尺寸小于或等于約500納米，優(yōu)選小于等于約300納米，更優(yōu)選小于等于約200納米，更優(yōu)選小于等于約100納米。所述尺寸是二硼化鎂顆粒的最大尺寸。
金屬基質(zhì)材料120是任選的，但使用時更適宜在深冷溫度(例如低于約77K)時導(dǎo)電。為了避免電線100在室溫和深冷溫度之間循環(huán)的過程中破損，金屬基質(zhì)具有與形成至少一個細(xì)絲110的大量超導(dǎo)組合物顆粒一致的熱膨脹系數(shù)。當(dāng)金屬基質(zhì)120具有與超導(dǎo)組合物基本相同的熱膨脹系數(shù)時，至少一個細(xì)絲110被施加零應(yīng)力。當(dāng)金屬基質(zhì)120的熱膨脹系數(shù)大于超導(dǎo)組合物的熱膨脹系數(shù)時，至少一個細(xì)絲110被施加可增加至少一個細(xì)絲110和超導(dǎo)電線100的臨界電流的壓縮應(yīng)力。如果金屬基質(zhì)120的熱膨脹系數(shù)小于超導(dǎo)組合物的，至少一個細(xì)絲110被施加可降低至少一個細(xì)絲110和超導(dǎo)電線100的臨界電流的拉伸應(yīng)力。這樣，金屬基質(zhì)120應(yīng)該具有與超導(dǎo)組合物的熱膨脹系數(shù)基本相同或大于其的熱膨脹系數(shù)。金屬基質(zhì)一般包括能夠承受熱處理過程中的高溫的材料。金屬基質(zhì)優(yōu)選是導(dǎo)電的。金屬基質(zhì)包括銅或銅合金，或者金屬基質(zhì)選自不銹鋼、鉭、鎂或者氧化物散布強(qiáng)化銅和鎳合金。
金屬基質(zhì)還可以是具有孔的管子，鋼坯等，不論是超導(dǎo)組合物還是超導(dǎo)組合物的前體(例如鎂和硼)都可以沉淀在孔中。在任選的實施例中，金屬基質(zhì)由銅或銅合金和設(shè)置于超導(dǎo)組合物和銅之間的第二金屬層構(gòu)成。第二金屬層是阻擋層或高電阻層。在一個實施例中，阻擋層選自鉭、鈮、鎳、鎳合金、鐵、鎢、鉬和其組合。在另一實施例中，電阻層選自鈷、錳、鎳鉭合金或鎳鋯合金。
如果管子具有多個孔，則一般希望孔具有相同的平均半徑。但單個孔的半徑不必彼此相同。另外，孔也可以具有任何所需要的幾何形狀。例如當(dāng)一個孔的橫截面幾何形狀是圓形時，另一個孔可以是橢圓形，等等。任何一個孔的半徑與管子的半徑比值約為0.1-約0.99。在這個范圍中，所希望的比值是大于或等于約0.15，優(yōu)選的是大于或等于約0.2，更優(yōu)選是大于或等于約0.25。
具有超導(dǎo)組合物的細(xì)絲也可以由多個不同的方法制造。在將超導(dǎo)組合物形成電線的制造方法的一個實施例中，貫穿其長度帶有至少一個圓柱形孔的金屬管由超導(dǎo)組合物填充，隨后經(jīng)過變形處理，以減少管的橫截面積，同時增加其長度。在一個實施例中，超導(dǎo)組合物包括二硼化鎂。所述超導(dǎo)組合物也可基本由二硼化鎂組成。金屬管可具有任意數(shù)量的非交叉孔，這些孔從管的第一端貫穿延伸到管的第二端，并且這些孔的至少一個孔在拉伸過程之前由超導(dǎo)組合物填充。管的第一端和第二端分別位于管的直徑橫截面上。一般，構(gòu)成超導(dǎo)組合物的微粒在進(jìn)行變形過程之前與至少一種其它粉末微?？蛇M(jìn)行電連通是被期望的。
在變形之前密封含有二硼化鎂的金屬管。所述變形可包含擠壓、鍛造、軋制(rolling)、旋鍛(swaging)、拉伸等方法，還可以是包含至少一個上述方法的組合方法。進(jìn)行變形是為了延伸管子的長度和減少其橫截面積。通常期望在每一變形過程中的長度變化都大于或等于約5％的管子原始長度。一般期望管子長度的變化是原始管子長度的大于或等于約10％，優(yōu)選為大于或等于約50％，更優(yōu)選為大于或等于約100％。通常以這樣的方式對管子進(jìn)行變形構(gòu)造，以使孔中的超導(dǎo)組合物微粒與另一微粒有連續(xù)的電連通，以形成細(xì)絲110。
管子通常經(jīng)變形以形成橫截面積約0.1mm2-約5mm2的超導(dǎo)電線。在此范圍中，可以采用大于或等于約0.2的橫截面積，優(yōu)選的是采用大于或等于約0.3的橫截面積，更優(yōu)選是大于或等于約0.5的橫截面積。在此范圍中，橫截面積也希望小于或等于約4.5，優(yōu)選小于或等于約4.2，更優(yōu)選小于或等于約3.5。通常，金屬基質(zhì)所占超導(dǎo)電線的橫截面積約為20％-80％。在此范圍中，金屬基質(zhì)占超導(dǎo)電線橫截面積大于或等于約25，優(yōu)選大于或等于30，更優(yōu)選大于或等于約35。金屬基質(zhì)也可占超導(dǎo)電線橫截面積的小于或等于約75，優(yōu)選小于或等于約70，更優(yōu)選小于或等于約65％。如果需要，還可將電線壓扁為帶或膜。
在變形過程之后，可對線，帶或膜進(jìn)行加熱處理以改善其超導(dǎo)性能和/或機(jī)械性能。熱處理過程包括將電線加熱到大于或等于約600℃，優(yōu)選是大于或等于約800℃，更優(yōu)選是大于或等于約900℃。熱處理的時間為約1-約6小時。優(yōu)選的熱處理時間大于或等于約2小時。通常，經(jīng)冷卻的電線因具有復(fù)合結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)組合物而顯示出有效的超導(dǎo)性能。
在另一個制造超導(dǎo)電線的方法實施例中，一個至少帶有一個孔的金屬管由鎂和硼連同任何其它所需攙雜物填充。鎂與硼的示范性比值大于1∶2?？梢圆捎玫臄v雜物是銅、金、銀、鎂、鋅、鉛、鎘、錫、鉍、鎵、汞、銦或至少包含上述一種金屬的組合物。隨后如上所述管子被密封并經(jīng)過變形處理，以制成超導(dǎo)電線。隨后超導(dǎo)電線被加熱到大于或等于約700℃，以在電線中形成二硼化鎂。如上所述，可以將超導(dǎo)電線拉伸成膜， 帶等。
在另一個制造超導(dǎo)電線的方法實施例中，一種適宜的具有至少一個孔的條狀金屬管被填充鎂棒、鎂球、鎂粉、鎂顆粒、鎂片等。如上面所列出的攙雜物也可以連同鎂棒、鎂球、鎂粉、鎂顆粒、鎂片等加入到孔中。金屬管優(yōu)選為當(dāng)暴露于硼時不能形成硼化物的金屬。另外金屬管優(yōu)選是在合理的時間段內(nèi)允許穿過的硼擴(kuò)散的金屬。用于制造超導(dǎo)電線的金屬管(條)中使用的金屬的合適實例為銅合金、不銹鋼、鉭、鎂或氧化物散布強(qiáng)化銅和鎳合金。
隨后密封含有鎂的金屬管，并對其進(jìn)行變形處理，以制造減小了橫截面積且增加了長度的電線。期望電線中鎂的存在形式為與電線等長的連續(xù)的細(xì)絲。這樣可允許當(dāng)電線暴露于硼時，形成貫穿電線整體長度的具有超導(dǎo)組合物的細(xì)絲。
為了形成超導(dǎo)組合物，將含有鎂細(xì)絲的電線與硼接觸，使硼擴(kuò)散到金屬中，最后對鎂電線進(jìn)行熱處理，以形成含有二硼化鎂的超導(dǎo)組合物。使電線與硼接觸的優(yōu)選方法是使其暴露于硼或暴露于含硼化合物中。在達(dá)到這些目的的一個方法中，將含有鎂細(xì)絲的電線裝到金屬盒子(如鐵盒)中，該盒子中含有含釋放硼的物質(zhì)，活性物質(zhì)和任意耐火補(bǔ)充劑的粉末混合物。這個方法被稱之為滲硼(boronizing)。將密封的盒子熱處理一段時間，其中在擴(kuò)散整個金屬基質(zhì)的硼和鎂之間進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，最終形成所期望的二硼化鎂。可被用作滲硼劑的硼釋放物質(zhì)是非晶和結(jié)晶的硼、硼鐵、碳化硼和硼酸鹽，如硼砂。適用的活性物質(zhì)有氯化物或釋放氟化物的化合物，如堿金屬、堿土金屬氯化物或氟化物。氟硼酸鹽，特別是四氟硼酸鉀已被廣泛地用作活性物質(zhì)。通常在約800℃-約1,100℃進(jìn)行滲硼，尤其是在約850℃-約950℃。通常期望能夠使大量硼擴(kuò)散到金屬基質(zhì)中以使鎂與硼的比值大于1∶2。
當(dāng)硼最終擴(kuò)散進(jìn)入金屬基質(zhì)，并且在接觸步驟期間與鎂細(xì)絲發(fā)生反應(yīng)，為了促進(jìn)硼進(jìn)一步擴(kuò)散到鎂細(xì)絲中，可進(jìn)行任意額外的熱處理。硼通常穿透基質(zhì)擴(kuò)散到鎂細(xì)絲中，并與其發(fā)生反應(yīng)，以制造超導(dǎo)組合物。通常需要在大于或等于約600℃的溫度下熱處理大于或等于約1小時，以形成連續(xù)的含有超導(dǎo)組合物的超導(dǎo)細(xì)絲。通常希望超導(dǎo)電線從第一端到第二端具有連續(xù)的超導(dǎo)電流的能力，并且超導(dǎo)細(xì)絲的長度一般都至少等于或大于從超導(dǎo)電線第一端到第二端的距離。在另一個制造超導(dǎo)電線的方法實施例中，可以組合上述任何制造電線的方法以制造電線或提高其性能。
如上所述，也可以將沒有金屬基質(zhì)的超導(dǎo)電線焊接成總長大于或等于約350,000英尺長的延展段。為了達(dá)到此目的，首先制造形成沒有金屬基質(zhì)的含超導(dǎo)組合物的超導(dǎo)電線。在該制造超導(dǎo)電線的方法中，在適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)器中將硼基質(zhì)暴露在鎂蒸汽或熔融的鎂中，以形成主要含二硼化鎂的超導(dǎo)組合物。在一個實施例中，超導(dǎo)組分基本由二硼化鎂組成，而在另一個實施例中，超導(dǎo)組分由二硼化鎂組成。
如上所述，在一個沒有金屬基質(zhì)的超導(dǎo)電線制造方法中，將可從市場上購買到的細(xì)絲、帶、膜等形狀的硼基質(zhì)放置到反應(yīng)器中，或者持續(xù)送入含有鎂蒸汽的反應(yīng)器中。這個過程可以是分批處理過程，也可以連續(xù)處理過程。在一個實施例中，如果需要，硼基質(zhì)可包含適量的攙雜物，或者通過使基質(zhì)與鎂蒸汽接觸而將攙雜物導(dǎo)入到硼基質(zhì)中。在另一個實施例中，硼基質(zhì)可以包含一些攙雜物，而另一些攙雜物可以通過基質(zhì)與攙雜物蒸汽接觸以蒸汽的形式導(dǎo)入到基質(zhì)中。在另一個實施例中，硼基質(zhì)不含攙雜物，或者僅含有少量所需濃度的攙雜物，而基質(zhì)間隔地與蒸汽形式的鎂或攙雜物接觸，以形成超導(dǎo)組合物。鎂蒸汽與硼的重量比優(yōu)選至少大于或等于約1∶2。當(dāng)鎂與硼接觸時發(fā)生反應(yīng)以形成超導(dǎo)組合物。隨后從反應(yīng)器中取出超導(dǎo)組合物，再進(jìn)行焊接。
通過上述方法制造超導(dǎo)電線的方法實施例中，鎂蒸汽在壓力下被導(dǎo)入到反應(yīng)器，或者在導(dǎo)入反應(yīng)器之后被壓縮。壓力的施加盡管是任選的，但其通常有助于鎂有效擴(kuò)散，并且也可防止鎂在蒸汽狀態(tài)時由于低蒸汽壓力而損失。反應(yīng)器中的壓力可在約1-約100千克每平方厘米(kg/cm2)之間變化。根據(jù)壓力，反應(yīng)器中的溫度優(yōu)選保持在約800℃-約1,550℃。當(dāng)反應(yīng)在約800℃發(fā)生時，通常采用較低壓力(即低于大氣壓)，而在約1550℃的溫度時，通常采用與周圍大氣壓力相同的壓力。
在另一個制造超導(dǎo)電線的方法中，在至少一種熔融的鎂液中將細(xì)絲、膜、帶等形狀的硼基質(zhì)與液態(tài)鎂接觸。液態(tài)鎂與硼基質(zhì)可以在約650℃-約1090℃的溫度下接觸。在一個實施例中，液態(tài)鎂可與硼基質(zhì)連續(xù)接觸，也可與硼基質(zhì)間歇接觸。換言之，形成超導(dǎo)組合物的過程可以是一個分批處理過程，也可以是一個連續(xù)處理過程。在另一個實施例中，硼基質(zhì)或熔融的鎂都可以包含其量有利于提高基質(zhì)的超導(dǎo)電性的附加攙雜物。如果需要可以向熔融浴加壓，該熔融浴還可以包含如氬、氮等惰性氣體，以防止鎂或硼氧化。
在另一個實施例中，關(guān)于用鎂蒸汽或熔融的鎂制造超導(dǎo)電線，可以將硼基質(zhì)導(dǎo)入到一系列反應(yīng)器中，其中每個反應(yīng)器都可以根據(jù)需要包含鎂蒸汽、熔融的鎂、攙雜物蒸汽或熔融的攙雜物中的一種或多種。例如，可以將一部分硼基質(zhì)導(dǎo)入到包含有鎂蒸汽的第一反應(yīng)器，隨后再將相同部分的基質(zhì)導(dǎo)入到含有熔融的鎂的第二反應(yīng)器。這里所述的“第一”和“第二”并不表示接觸的次序，而是表示采用不同的反應(yīng)器。上述采用一系列反應(yīng)器制造超導(dǎo)電線的方法也可以以分批的過程處理，或者以連續(xù)的過程處理。
盡管上述任一方法中的硼基質(zhì)可以是所需的任何長度，并且具有任何所需要的特征尺寸，通常希望基片長度大于或等于約1,000英尺，優(yōu)選大于或等于約12,5000英尺，更優(yōu)選大于或等于約15,000英尺。適當(dāng)?shù)奶卣鞒叽鐬榧s1-約1000微米。在這個范圍中，通常希望特征尺寸為大于或等于約2，優(yōu)選是大于或等于約5，更優(yōu)選大于或等于約8微米。在這個范圍中，也希望特征尺寸小于或等于約900，優(yōu)選小于或等于約800，更優(yōu)選小于或等于約500微米。
依照上述任何方法和其它已知方法制造出超導(dǎo)電線后，將電線焊接或使其擴(kuò)散接合，以形成具有連續(xù)長度的超導(dǎo)電線，該超導(dǎo)電線的長度至少等于被焊接在一起的各個超導(dǎo)電線的長度之和。在一個實施例中，將第一超導(dǎo)電線和第二超導(dǎo)電線連接在一起，從而形成長度大于等于第一超導(dǎo)電線或第二超導(dǎo)電線的超導(dǎo)電線。
擴(kuò)散接合是一個固相過程，該過程通過原子遷移而進(jìn)行，待接合超導(dǎo)電線部分卻沒有宏觀的變形。超導(dǎo)電線的初始清潔是必要的。表面粗糙度需要小于0.4微米，在接合之前樣品必須在丙酮中清潔過。如果需要可以采用壓力以改善擴(kuò)散接合。
在一個實施例中，連接包括使第一超導(dǎo)電線的第一端與第二超導(dǎo)電線的第二端接觸，其中超導(dǎo)電線包括具有含二硼化鎂的超導(dǎo)組合物的超導(dǎo)細(xì)絲；加熱第一超導(dǎo)電線的第一端與第二超導(dǎo)電線的第二端的接觸點以形成一條電線，其中具有超導(dǎo)組合物的超導(dǎo)細(xì)絲與超導(dǎo)細(xì)絲的其它任意部分有連續(xù)的電接觸。被加熱的兩條電線上的點可以是單個點，也可以是兩條電線疊交的部分。接合點可以是點焊或?qū)雍?butt weld)，或者其它需要的焊接形式。
在一個實施例中，通常希望以這樣的方式連接超導(dǎo)電線，即至少具有一個長度大于或等于所連接后的超導(dǎo)電線長度的電連通的超導(dǎo)細(xì)絲。在另一個實施例中，希望以這樣的方式連接超導(dǎo)電線，即至少具有一個長度小于或等于所連接后的超導(dǎo)電線長度的電連通的超導(dǎo)細(xì)絲。
一般使用至少一個能量源進(jìn)行連接，如由光束提供能源，其中由能源提供的能量直接作用在要被連接在一起的超導(dǎo)組合物部分上。超導(dǎo)組合物與能量的相互作用促進(jìn)組合物的加熱，并且溫度增加也便于超導(dǎo)組合物的連接。優(yōu)選的連接方法是電子束焊接、激光焊接、超聲波焊接、等離子弧焊接、電阻焊接等。
在連接帶有金屬基質(zhì)的超導(dǎo)電線的過程中，首先除去金屬基質(zhì)以暴露要連接的超導(dǎo)電線中的超導(dǎo)組合物。也可以由下列方法除去金屬基質(zhì)，如化學(xué)蝕刻、機(jī)械磨蝕，如拋光和碾磨、熱處理，如降解熔融等，或者包括上述至少一個方法的組合方法。在除去金屬基質(zhì)之后，如果需要可任選用溶劑清潔超導(dǎo)細(xì)絲的暴露端。隨后通過用如電子束、激光束、等離子弧、電阻加熱等能量源接觸該暴露部分而對其加熱。超導(dǎo)細(xì)絲被加熱的部分便連接在一起，并且冷卻形成焊接部位。在一個實施例中，加熱的超導(dǎo)細(xì)絲在壓力下連接在一起。在另一個實施例中，通常在惰性氣體中進(jìn)行連接，以防止超導(dǎo)細(xì)絲中的超導(dǎo)組合物被氧化。
在另一個實施例中，在將金屬基質(zhì)從要連接的超導(dǎo)電線端部除去后，將兩個端部放置在一起以形成超導(dǎo)電線的交疊段。將含二硼化鎂粉末或鎂粉和/或硼粉的組合物的填料放置在超導(dǎo)電線的交疊段上。可任選在交疊段部分加入攙雜物。隨后用上述一個連接方法連接交疊段，以形成超導(dǎo)細(xì)絲的連續(xù)部分。
在又一個實施例中，電阻加熱交疊段，該交疊段包括超導(dǎo)細(xì)絲的暴露端以及含鎂粉和硼粉的填料。加熱促使鎂和硼的化學(xué)反應(yīng)以形成二硼化鎂。二硼化鎂可用于促進(jìn)超導(dǎo)電線的連接。
在一個實施例中，通常在約650℃-約1000℃的溫度下進(jìn)行連接。在這個范圍中，可以采用大于或等于約700，優(yōu)選大于或等于約725，更優(yōu)選大于或等于約750℃。也希望溫度小于或等于約950，優(yōu)選是小于或等于約900，更優(yōu)選小于或等于約875℃。一個示例溫度為約795℃-850℃。
通常需要以某種方式進(jìn)行連接以在第一超導(dǎo)電線的第一端和第二超導(dǎo)電線的第二端之間獲得“橋超導(dǎo)橫截面(bridge superconducting cross section)”。當(dāng)橋超導(dǎo)橫截面小于細(xì)絲或帶的橫截面時，橋超導(dǎo)橫截面限制連接在一起的超導(dǎo)元件中的載流量。由此，橋超導(dǎo)橫截面積優(yōu)選至少等于細(xì)絲或帶的超導(dǎo)橫截面積。
通過錫焊在超導(dǎo)細(xì)絲兩側(cè)的電壓探針測試被焊接成形的接點的載流量。接點被冷卻到超導(dǎo)的臨界溫度下，并增加流過焊縫的電流值，同時監(jiān)控到探針之間的電壓變化。在探測到的足夠電壓變化，如約0.02微伏時的電流為臨界電流。如果焊縫中的載流量小于細(xì)絲和/或帶中的載流量，則連接點中的橋數(shù)量或橋尺寸將被增加，以形成較大的橋超導(dǎo)橫截面積。
例如通過這種方法使預(yù)定數(shù)量的點焊用于形成超導(dǎo)接點。如果接點具有低于相鄰帶的載流量，則增加接點中的點焊數(shù)量，以提供較高的超導(dǎo)橋橫截面積。形成足夠的點焊數(shù)量，以使接點中的載流量超過相鄰超導(dǎo)細(xì)絲和/或帶中的載流量。
優(yōu)選的橋形狀是斜跨暴露部分。例如當(dāng)電阻焊縫形成的橋橫跨暴露部分的寬度時，電阻焊縫優(yōu)選沿對角跨過暴露部分的寬度。結(jié)果，當(dāng)形成超導(dǎo)連接時，電流從一個帶沿橫跨帶寬的多個點傳遞到其它帶。這樣不必使電流通過單個點傳遞并橫跨帶寬，在該點的超導(dǎo)橋橫截面積至少為所連接的帶的超導(dǎo)橫截面積，或者所述接點將限制整個導(dǎo)體的載流量。
可任選使用壓力以實現(xiàn)連接，并且壓力大小一般取決于接點的幾何形狀。超導(dǎo)電線中已被連接的細(xì)絲也可以經(jīng)受附加的柱式接點熱處理，以提高接點的超導(dǎo)性能。柱式接點熱處理在大于或等于約600℃，優(yōu)選大于或等于約700℃，更優(yōu)選在900℃的溫度下進(jìn)行約1-約6小時。
如上所述，可以有效地采用這些連接方法以制造出超導(dǎo)電線的延展部分，該超導(dǎo)電線可以有利地用于導(dǎo)電結(jié)構(gòu)中，該導(dǎo)電結(jié)構(gòu)包括，但不僅僅限于扁平帶，由多個電線形成的層狀電線，及多個電線纏繞成的電纜。圖2和3分別示意出由超導(dǎo)電線100形成的多根電線的電纜200、扁平帶300和層狀電線400?？蓱?yīng)用超導(dǎo)電線100電磁裝置包括，例如但不僅僅限于發(fā)動機(jī)、變壓器和發(fā)電機(jī)的超導(dǎo)磁體。這些電磁裝置可依次組裝于較大的系統(tǒng)中，例如磁共振成像系統(tǒng)。
在參照實施例描述本發(fā)明的同時，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員還應(yīng)該理解在不脫離本發(fā)明范圍的基礎(chǔ)上有多種變化和元件的等同替換。另外，在不脫離基本范圍的情況下本發(fā)明還有許多適于特殊情況或材料的一些變形。由此本發(fā)明不僅僅限于按預(yù)期的最好方式實施本發(fā)明所披露的特殊實施方案，而是包含了在所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有實施方案。
權(quán)利要求
1.一種制造電線的方法，其包括將鎂填充到金屬管的孔中；密封管的端部；使管變形以增加管長；和使管與硼接觸，以使鎂和硼反應(yīng)形成超導(dǎo)二硼化鎂。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中鎂的形態(tài)為鎂棒、鎂球、鎂粉、鎂顆粒、鎂片或其組合，并且其中該金屬管含銅、銅合金、不銹鋼、鉭、鎂或鈮合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在變形之前，孔的半徑與金屬管的半徑比為約0.1-約0.99，并且其中金屬管不與硼反應(yīng)，并且進(jìn)一步其中金屬管允許硼擴(kuò)散。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中金屬管還包括從金屬管的第一端貫穿到金屬管的第二端的附加的非交叉的孔，并且其中在變形之前至少一個該孔由鎂填充。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中通過擠壓、鍛造、軋制、旋鍛、拉伸或包含上述至少一種方式的組合方式進(jìn)行變形，并且其中該變形導(dǎo)致金屬管的單位長度在變形后增加大于或等于約10％。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中硼的形態(tài)為蒸汽或液體。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其進(jìn)一步包括在大于或等于約600℃的溫度下熱處理電線大于或等于約1小時。
8.一種制造超導(dǎo)電線的方法，其包括使硼細(xì)絲，帶或者細(xì)絲和帶的組合與熔融的鎂接觸以形成二硼化鎂電線。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中使硼基質(zhì)與熔融的鎂在約650℃-約1090℃的溫度下接觸，并且其中熔融的鎂還包含攙雜物，其中所述攙雜物為銅、金、銀、鎂、鋅、鉛、鎘、錫、鉍、鎵、汞、銦或者包含至少一種上述攙雜物的組合。
10.一種制造電線的方法，其包括使第一超導(dǎo)電線的第一端和第二超導(dǎo)電線的第二端接觸，其中所述超導(dǎo)電線包括含有超導(dǎo)組合物的超導(dǎo)細(xì)絲，所述超導(dǎo)組合物包含二硼化鎂；在一點加熱第一超導(dǎo)電線的第一端和第二超導(dǎo)電線的第二端以形成一個接點，其中在該接點形成之后，含有超導(dǎo)組合物的超導(dǎo)細(xì)絲與超導(dǎo)細(xì)絲的任何其它部分處于連續(xù)的電接觸。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中通過電子束、超聲波、激光束、等離子弧、電阻加熱或者包含上述加熱方法中的至少一個的組合方法完成加熱。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中該方法還包括在加熱之前，將金屬基質(zhì)從超導(dǎo)電線中除去。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中該方法還包括在第一超導(dǎo)電線的第一端和第二超導(dǎo)電線的第二端的接觸點加入二硼化鎂或鎂和硼的組合，再加熱該點以形成焊接部位。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中該方法還包括對該接點進(jìn)行加熱處理以提高超導(dǎo)性。
15.一種產(chǎn)品，其由權(quán)利要求1，8或10的方法制造。
16.一種電磁裝置，其由用權(quán)利要求1，8或10的方法制造的產(chǎn)品構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制造電線的方法，包括使第一超導(dǎo)電線的第一端與第二超導(dǎo)電線的第二端接觸，其中該超導(dǎo)電線包括含有超導(dǎo)組合物的超導(dǎo)細(xì)絲，該超導(dǎo)組合物包含二硼化鎂；加熱第一超導(dǎo)電線的第一端和第二超導(dǎo)電線的第二端的接觸點以形成一個接點，其中該接點形成之后，含有超導(dǎo)組合物的超導(dǎo)細(xì)絲與超導(dǎo)細(xì)絲的其它任何部分都有連續(xù)的電接觸。
文檔編號H01B12/10GK1619713SQ200410103808
公開日2005年5月25日 申請日期2004年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月22日
發(fā)明者T·R·拉伯, J·S·馬特, E·T·拉斯卡里斯, S·M·勞雷羅, R·J·扎巴拉, B·A·克努德森, K·M·阿姆, B·C·阿姆, J·W·布拉伊 申請人:通用電氣公司