适用于无绝缘线圈的超导带材、无绝缘线圈及其制备方法
阅读说明：本技术 适用于无绝缘线圈的超导带材、无绝缘线圈及其制备方法 (Superconducting tape suitable for uninsulated coil, uninsulated coil and preparation method thereof ) 是由 朱佳敏 张超 程春生 甄水亮 张智巍 吴蔚 陈思侃 赵跃 于 2019-10-08 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种适用于无绝缘线圈的超导带材、无绝缘线圈及其制备方法,所述超导带材的外侧包覆有保护层,所述保护层的表面粗糙度大于预设的值。本发明的带材在外层设置的具有一定粗糙度的保护层,使得在绕制无绝缘线圈预紧过程中,通过各匝保护层之间相互的摩擦力作用,有效防止带材发生轴向滑动偏移的情况；通过物理气相沉积或者封装的方式,避免了带材的截面出现“骨头型”结构,无需进行打磨工艺。(The invention provides a superconducting tape suitable for an uninsulated coil, the uninsulated coil and a preparation method thereof. The protective layer with certain roughness is arranged on the outer layer of the strip, so that the strip is effectively prevented from axially sliding and deviating under the action of mutual friction force between the turns of the protective layer in the pre-tightening process of winding the uninsulated coil; through the mode of physical vapor deposition or encapsulation, the section of the strip is prevented from generating a bone-shaped structure, and a grinding process is not needed.)
技术领域
本发明涉及超导材料领域，具体地，涉及一种适用于无绝缘线圈的超导带材、无绝缘线圈及其制备方法。
背景技术
2011年，哈恩提出了超导无绝缘线圈的概念。在这种线圈中，取缔了线圈匝间绝缘，即制备线圈的超导带材表面不喷涂绝缘物质。这种匝间无绝缘的超导线圈避免了绝缘超导磁体伴有的失超现象给磁体带来的潜在危害。在无绝缘超导线圈制备过程中，在相邻超导带材间填充了带有一定导电性的非绝缘材料。无绝缘线圈一旦失超，失超电流可以通过相邻层间流过，从而确保超导线圈能够正常工作。同时，带材间的非绝缘材料具有良好的导热性，因此失超点的热量可以快速散发，有效提升了线圈的热稳定性。然而其付出的代价是线圈的充放电时间。线圈的充放电时间取决于整个无绝缘线圈等效的一个RL并联电路。其中的电感为线圈自身的电感，电阻为电流在匝间流动时的等效径向电阻。
超导带材表面“平整”、“光洁”是本领域技术人员的共识以及加工的需求，为此，专利文献CN 105551680A《一种复合超导材料》，以及专利文献CN 108620447A《一种超导基带的加工工艺》都对其进行了研究，对于带材表面需要“平整”、“光洁”的要求进行了进一步限定。尤其用在电力行业的电流设备中，金属体等常会带有一些尖角、毛刺，致使电荷在电场强度的作用下，会集中于尖角或毛刺的位置上，从而导致变压器局部放电因为在高电场强度作用下，电荷容量集中到尖角的地方，从而引起放电。由于超导一大部分用在电力行业，如超导限流器、超导变压器、超导电缆，电力行业的通识和铁律致使大家对超导带材的光洁表面形成了一个强大的规范性要求。在一些电力设备对超导带材的招投标中，这一条通常是直接写明且要给出证明材料。
由于高场磁体的绕制考虑到低温通电的情况，在常温绕制时需要设置较大的预紧力，一般大于3kg。此时，若用传统的高温超导带材绕制无绝缘线圈会带来一个严重的问题：
如图1所示，传统采用电化学镀铜的超导带材1，其横截面的镀铜层2呈现两端较中间部位大的骨头型结构，如图2所示，结合光滑平整的超导带材1表面会使的绕制的无绝缘线圈饼体出现轴向滑动偏移的情况，整体呈现斗笠型，即使带材没有骨头型，也容易出现这样的情形，这种形状的无绝缘线圈无法进行后续的应用。
上文提到表面光滑是带材要追求的目标，但是要在光滑的前提下，还要防止滑动，本身就是矛盾的是个技术难题。目前的解决方法是：如图2所示，绕制过程中，在带材的两侧设置挡板来限位和夹紧，但是容易使带材与挡板接触的边缘部分发送向外弯曲卷边的情况，会对带材带来损伤，此外，卷边后绕制多个相同圈数的线圈所消耗的带材长度也会出现较大的波动，导致批量产品的品质参差不齐。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于无绝缘线圈的超导带材、无绝缘线圈及其制备方法。
根据本发明提供的一种适用于无绝缘线圈的超导带材，所述超导带材的外侧包覆有保护层，所述保护层的表面粗糙度Pa大于预设值，这样的粗糙度能够防止无绝缘线圈中的超导带材在预紧过程中轴向滑动。
优选地，表面粗糙度Pa的预设值取值范围包括：Pa>50nm。
优选地，所述保护层包括：金属镀层或封装层。
优选地，所述金属镀层通过物理气相沉积的方式镀制。
优选地，所述金属镀层包括：铜层。
优选地，所述超导带材包括：基底、缓冲层和超导层；
所述缓冲层设置在所述基底层上侧，所述超导层设置在所述缓冲层上侧。
根据本发明提供的一种无绝缘线圈，包括绕制成线圈的超导带材，在超导带材的外侧设置有保护层，所述保护层的表面粗糙度大于Pa。
优选地，所述保护层包括：金属镀层或封装层；所述金属镀层通过物理气相沉积的方式镀制。
根据本发明提供的一种无绝缘线圈的制备方法，包括：
在超导带材的外侧形成一层保护层，所述保护层的表面粗糙度大于Pa；
将带有保护层的超导带材绕制成无绝缘线圈，并进行预紧。
优选地，所述保护层包括：
通过物理气相沉积的方式镀制在超导带材外侧的金属镀层，或者，封装在超导带材外侧的封装层。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明的带材在外层设置的具有一定粗糙度的保护层，使得在绕制无绝缘线圈预紧过程中，通过各匝保护层之间相互的摩擦力作用，有效防止带材发生轴向滑动偏移的情况；
2、通过物理气相沉积或者封装的方式，避免了带材的截面出现“骨头型”结构，无需进行打磨工艺。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为采用传统带材绕制的无绝缘线圈示意图；
图2为采用挡板防止带材偏移的无绝缘线圈示意图；
图3为本发明的适用于无绝缘线圈的超导带材的截面图；
图4为采用本发明带材绕制的无绝缘线圈示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图3和图4所示，本发明提供的一种适用于无绝缘线圈的超导带材，超导带材1的外侧包覆有保护层3，保护层3的表面粗糙度Pa大于预设值，这样的粗糙度能够防止无绝缘线圈中的超导带材在预紧过程中轴向滑动。表面粗糙度Pa的预设值包括：Pa>50nm。
通过各匝保护层3之间相互的摩擦力作用，有效防止超导带材1在预紧过程中发生轴向滑动偏移的情况。
超导带材包括：基底、缓冲层和超导层，缓冲层包裹在基底层外部，超导层包裹在缓冲层外部。基底的作用是为带材提供优良的机械性能。缓冲层的作用一方面是防止超导层与金属基底发生元素间的相互扩散，另一方面须为超导层的外延生长提供好的模板，提高超导层晶粒排列质量。
在本发明中，保护层3可以通过以下两种方式实现：
实施例一、金属镀层：
保护层3为通过物理气相沉积的方式在超导带材1外侧的金属镀层，金属镀层可以是铜层。
采用中频磁控溅射，功率＝2.5KW，氩气＝40sccm，压强＝5mTorr,靶基距＝7cm的条件下制备Cu层。
得到带材表面Pa约等于200nm。
实施例二、金属镀层：
保护层3为通过电化学的方式在超导带材1外侧的金属镀层，金属镀层可以是铜层。
在原有的化学电镀铜的电镀槽槽内加入表面粗糙剂，进行镀铜。
得到带材表面Pa约等于200nm。
实施例三、封装层：
保护层3为在超导带材外侧的封装形成封装层，封装所采用的设备可参考专利文献CN 201710416026.8《一种超导带材封装装置》。
使用6337焊锡，在220℃的温度下，将上包覆层带材、超导带材和下包覆带材同时拉入锡炉中挤压成型后拉出。
得到带材表面Pa约等于150nm。
本发明还提供的一种无绝缘线圈，包括绕制成无绝缘线圈的超导带材，在超导带材的外侧设置有保护层，保护层的表面粗糙度大于Pa。
保护层包括：金属镀层或封装层，金属镀层通过物理气相沉积的方式镀制。
本发明还提供的一种无绝缘线圈的制备方法，包括：
在超导带材的外侧形成一层保护层，保护层的表面粗糙度大于Pa；
将带有保护层的超导带材绕制成无绝缘线圈，并进行预紧。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。