СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ПРОВОД И СВЕРХПРОВОДЯЩАЯ КАТУШКА
SUPERCONDUCTING WIRE AND SUPERCONDUCTING COIL

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к сверхпроводящему проводу и сверхпроводящей катушке.
Настоящая заявка притязает на приоритет на основании японской патентной заявки №2017-095548 и японской патентной заявки №2017-095696, поданных 12 мая 2017 года, содержание которых посредством ссылки включается в настоящий документ.
Уровень техники
Сверхпроводящий провод (например, сверхпроводящую проволоку из оксида на основе Y) используют в качестве силового кабеля питания, магнитной катушки и т.п. вследствие малости потерь по току (см., например, патентный документ 1). Сверхпроводящий провод может оказаться поврежденным вследствие напряжения отслаивания, обусловленного различием коэффициентов теплового сжатия импрегнированного материала и провода во время охлаждения после изготовления катушки. Кроме того, в вышеуказанном сверхпроводящем проводе в части слоя ламинированной структуры, в краевой части, может возникать повреждение, такое как отслаивание, в результате контакта с ребром намоточной рамы, ребром размоточного (или намоточного) барабана и т.п. в технологическом процессе изготовления катушки. От поврежденной части повреждение может развиваться дальше.
Документ предшествующего уровня техники
Патентный документ
[Патентный документ 1] Японская нерассмотренная патентная заявка, первая публикация №2010-212134
Раскрытие изобретения
Проблемы, решаемые изобретением
Настоящее изобретение сделано с учетом вышеупомянутых обстоятельств и обеспечивает получение сверхпроводящей проволоки и сверхпроводящей катушки, которые с пониженной вероятностью оказываются поврежденными вследствие отслаивания слоев.
Первый аспект настоящего изобретения характеризует сверхпроводящий провод, содержащий сверхпроводящий ламинат, в котором сверхпроводящий слой сформирован на материале основы, имеющей вид ленты, через промежуточный слой, и стабилизационный слой, покрывающий по меньшей мере часть сверхпроводящего ламината, при этом остаточное напряжение в стабилизационном слое является напряжением растяжения.
Второй аспект настоящего изобретения характеризует сверхпроводящий провод, соответствующий первому аспекту, в котором остаточное напряжение на боковой поверхностной части стабилизационного слоя, покрывающей боковую поверхность сверхпроводящего ламината, является напряжением растяжения вдоль направления толщины сверхпроводящего ламината.
Третий аспект настоящего изобретения характеризует сверхпроводящий провод, соответствующий первому или второму аспектам, в которой остаточное напряжение составляет 0,2 МПа и более.
Четвертый аспект настоящего изобретения характеризует сверхпроводящий провод, соответствующий любому одному из аспектов от первого до третьего, в котором стабилизационный слой является металлизирующим слоем.
Пятый аспект настоящего изобретения характеризует сверхпроводящую катушку, содержащую сверхпроводящий провод, соответствующий одному из аспектов от первого до четвертого, при этом сверхпроводящий провод наслоен в направлении толщины сверхпроводящей катушки, остаточное напряжение в боковой поверхностной части стабилизационного слоя, покрывающей боковую поверхность сверхпроводящего ламината, является напряжением растяжения вдоль направления толщины сверхпроводящего ламината, и остаточное напряжение является большим, чем максимальное прикладываемое напряжение в радиальном направлении сверхпроводящей катушки.
Эффекты от изобретения
В соответствии с вышеупомянутыми аспектами настоящего изобретения, поскольку остаточное напряжение в стабилизационном слое является напряжением растяжения, в сверхпроводящем ламинате создается сила «отталкивания» в противоположном направлении по отношению к остаточному напряжению. Поэтому, например, напряжение отслаивания сверхпроводящего ламината может быть улучшено и можно избежать возникновения повреждения, такого как отслаивание оксидного сверхпроводящего слоя.
Кроме того, в соответствии с вышеупомянутыми аспектами настоящего изобретения остаточное напряжение в стабилизационном слое оксидного сверхпроводящего провода, является напряжением растяжения, и остаточное напряжение является большим, чем максимальное прикладываемое напряжение в радиальном направлении сверхпроводящей катушки. Поэтому под воздействием силы «отталкивания» в направлении, противоположном по отношению к остаточному напряжению, может быть уменьшено напряжение отслаивания сверхпроводящего ламината, и можно избежать возникновения повреждения, такого как отслаивание оксидного сверхпроводящего слоя.
Таким образом, может быть предотвращено ухудшение качества, обусловленное наличием повреждения.
Краткое описание чертежей
Фигура 1 представляет структуру оксидного сверхпроводящего провода согласно варианту осуществления изобретения.
Фигура 2 представляет поперечное сечение оксидного сверхпроводящего провода с фигуры 1.
Фигура 3 представляет сверхпроводящую катушку, содержащую оксидный сверхпроводящий провод, согласно варианту осуществления изобретения.
Варианты осуществления изобретения
Ниже настоящее изобретение будет описываться на основании предпочтительных вариантов осуществления с ссылкой на чертежи.
Фигура 1 представляет структуру оксидного сверхпроводящего провода (сверхпроводящий провод) согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Фигура 1 схематически показывает структуру поперечного сечения, перпендикулярного продольному направлению оксидного сверхпроводящего провода 10.
Как это продемонстрировано на фигуре 1, оксидный сверхпроводящий провод 10 содержит сверхпроводящий ламинат 15 и стабилизационный слой 16.
Сверхпроводящий ламинат 15 имеет структуру, в которой на материале основы 11 сформирован оксидный сверхпроводящий слой 13 и защитный слой 14, через промежуточный слой 12. В частности, сверхпроводящий ламинат 15 имеет конфигурацию, в которой на одну поверхность материала основы 11 в виде ленты наслоен промежуточный слой 12, оксидный сверхпроводящий слой 13 и защитный слой 14 в данном порядке следования.
Ниже в настоящем документе каждое направление по мере надобности будет описываться на основании координатной системы XY. Направление Y является направлением толщины оксидной сверхпроводящего провода 10 и является направлением, в котором укладывают в стопку слои, такие как материал основы 11, промежуточный слой 12, оксидный сверхпроводящий слой 13 и защитный слой 14. Направление Х является направлением ширины оксидного сверхпроводящего провода 10 и является направлением, перпендикулярным продольному направлению и направлению толщины оксидного сверхпроводящего провода 10.
Материал основы 11 имеет вид ленты, и его формируют, например, из металла. Конкретные примеры металла, составляющего материал основы 11, включают никелевый сплав, представляемый продуктом Hastelloy (зарегистрированная торговая марка); нержавеющую сталь; ориентированный сплав Ni-W, в котором в никелевый сплав вводится текстура, и т.п. Толщина материала основы 11 может быть надлежащим образом откорректирована в соответствии с назначением и, например, находится в диапазоне от 10 до 500 мкм.
Промежуточный слой 12 располагают между материалом основы 11 и оксидным сверхпроводящим слоем 13. Промежуточный слой 12 формируют на одной основной поверхности 11а материала основы 11. Промежуточный слой 12 может иметь многослойную структуру и может включать, например, слой, предотвращающий диффундирование, подстилающий слой, ориентационный слой, покровный слой и т.п. в порядке следования от материала основы 11 до оксидного сверхпроводящего слоя 13. Данные слои необязательно располагают один за другим, и некоторые слои могут быть опущены, или два и более слоя, относящихся к одному и тому же типу, могут быть наслоены неоднократно.
3
4
2
3
2
2
7
Слой, предотвращающий диффундирование, выполняет функцию подавления диффундирования и смешивания части компонентов материала основы 11 в качестве примеси на стороне оксидного сверхпроводящего слоя 13. Слой, предотвращающий диффундирование, изготавливают, например, из SiN, AlO, GZO (GdZrO) и т.п. Толщина слоя, предотвращающего диффундирование, находится, например, в диапазоне от 10 до 400 нм.
2
3
2
3
2
2
3
2
3
2
3
2
3
Подстилающий слой может быть сформирован на слое, предотвращающем диффундирование, в целях уменьшения реакции на поверхности раздела между материалом основы 11 и оксидным сверхпроводящим слоем 13 и улучшения ориентации слоя, сформированного на нем. Примеры материала подстилающего слоя включают YO, ErO, CeO, DyO, EuO, HoO, LaO и т.п. Толщина подстилающего слоя, например, находится в диапазоне от 10 до 100 нм.
2
2
7
2
2
3
3
2
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
Ориентационный слой формируют из материала, который является двухосно ориентированным, для контролирования кристаллической ориентации перекрывающего покровного слоя. Примеры материала ориентационного слоя включают оксиды металлов, такие как GdZrO, MgO, ZrO-YO (YSZ), SrTiO, CeO, YO, AlO, GdO, ZrO, HoO, NdO и т.п. Ориентационный слой предпочтительно формируют при использовании метода ионно-лучевого осаждения (ИЛО).
2
2
3
2
3
2
3
2
2
3
2
3
3
Покровный слой формируют на поверхности указанного ориентационного слоя и выполняют из материала, способного обеспечить самоориентацию кристаллических зерен в направлении в плоскости. Примеры материала покровного слоя включают CeO, YO, AlO, GdO, ZrO, YSZ, HoO, NdO, LaMnO и т.п. Толщина покровного слоя может быть в диапазоне от 50 до 5000 нм.
2
3
Оксидный сверхпроводящий слой 13 изготавливают из оксидного сверхпроводника. На оксидный сверхпроводник конкретных ограничений не накладывается, и его примеры включают оксидный сверхпроводник на основе RE-Ba-Cu-O с общей формулой REBaCuOX (RE123). Примеры редкоземельного элемента RE включают одного или нескольких представителей, выбираемых из Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb и Lu. В их числе предпочтительными являются Y, Gd, Eu, Sm или комбинация из двух и более этих элементов. В общем случае Х составляет 7 - х (х-дефицит кислорода: приблизительно от 0 до 1). Толщина оксидного сверхпроводящего слоя 13 находится в диапазоне, например, приблизительно от 0,5 до 5 мкм и предпочтительно является однородной в продольном направлении.
Оксидный сверхпроводящий слой 13 формируют на основной поверхности 12а промежуточного слоя 12 (поверхность напротив указанной стороны материала основы 11).
Защитный слой 14 исполняет функцию шунтирования при перегрузке по току, возникающей во время аварии, или подавления химической реакции, протекающей между оксидным сверхпроводящим слоем 13 и слоем, расположенным на защитном слое 14. Примеры материала защитного слоя 14 включают серебро (Ag), медь (Cu), золото (Au), сплавы золота и серебра, другие сплавы серебра, сплавы меди, сплавы золота и т.п. Защитный слой 14 покрывает, по меньшей мере, основную поверхность 13а оксидного сверхпроводящего слоя 13 (поверхность, напротив указанной стороны промежуточного слоя 12).
Защитный слой 14 может покрывать область, которая составляет часть или всю боковую поверхность оксидного сверхпроводящего слоя 13, боковую поверхность промежуточного слоя 12 и боковой поверхности и задней поверхности материала основы 11. Защитный слой 14 может быть образован из двух и более типов металлических слоев или металлического слоя, включающего два и более слоев. На толщину защитного слоя 14 конкретных ограничений не накладывается, и она может находиться в диапазоне, например, приблизительно от 1 до 30 мкм.
Профиль поперечного сечения, перпендикулярного продольному направлению сверхпроводящего ламината 15, является прямоугольным. Сверхпроводящий ламинат 14 имеет прямоугольное поперечное сечение, то есть поперечное сечение с плоским углом, ширина которого больше его толщины. На фигуре 1 позиция 15а обозначает первую основную поверхность сверхпроводящего ламината 15 (основную поверхность 14а защитного слоя 14: поверхность, напротив стороны оксидного сверхпроводящего слоя 13). Позиция 15b обозначает боковую поверхность сверхпроводящего ламината 15 (боковую поверхность материала основы 11, боковую поверхность промежуточного слоя 12, боковую поверхность оксидного сверхпроводящего слоя 13 и боковую поверхность защитного слоя 14). Позиция 15с обозначает вторую основную поверхность сверхпроводящего ламината 15 (поверхность, противоположную основной поверхности 11а материала основы 11).
Стабилизационный слой 16 формируют для покрытия сверхпроводящего ламината 15. Стабилизационный слой 16 покрывает часть или всю поверхность области, выбираемой из поверхности (основной поверхности 14а) защитного слоя 14, боковой поверхности защитного слоя 14, боковой поверхности оксидного сверхпроводящего слоя 13, боковой поверхности промежуточного слоя 12, боковой поверхности материала основы 11 и задней поверхности материала основы 11 (поверхности, противоположной основной поверхности 11а материала основы 11). На толщину стабилизационного слоя 16 конкретных ограничений не накладывается, и она может быть в диапазоне, например, приблизительно от 10 до 300 мкм.
Стабилизационный слой 16 выполняет функцию шунтирующей части, которая отводит электрический ток при перегрузке по току, создаваемой при переводе оксидного сверхпроводящего слоя 13 в состояние отсутствия сверхпроводимости. Примеры материала, составляющего стабилизационный слой 16, включают металлы, такие как медь, сплав меди, алюминий, сплав алюминия и серебро.
В случае использования оксидного сверхпроводящего провода 10 для ограничителя тока сверхпроводимости будет необходимо моментально подавлять перегрузку по току, создаваемую при переходе в состояние отсутствия сверхпроводимости. Поэтому для стабилизационного слоя 16 может быть использован металл, характеризующийся высоким электрическим сопротивлением. Примеры металлов, характеризующихся высоким электрическим сопротивлением, включают сплавы на основе Ni, такие как Ni-Cr.
Стабилизационный слой 16 улучшает электрическое соединение между оксидным сверхпроводящим слоем 13 и стабилизационным слоем 16. Поскольку стабилизационный слой 16 покрывает боковую поверхность оксидного сверхпроводящего слоя 13, улучшаются характеристики предотвращения отслаивания и водонепроницаемость оксидного сверхпроводящего слоя 13.
Часть стабилизационного слоя 16, покрывающая первую основную поверхность 15а сверхпроводящего ламината 15, далее называется «первой основной поверхностной частью 16А». Часть стабилизационного слоя 16, покрывающая боковую поверхность 15b сверхпроводящего ламината 15, далее называется «боковой поверхностной частью 16В». Часть стабилизационного слоя 16, покрывающая вторую основную поверхность 15с сверхпроводящего ламината 15, далее называется «второй основной поверхностной частью 16С».
Фигура 2 схематически демонстрирует поперечное сечение оксидного сверхпроводящего провода 10. Как это продемонстрировано на фигуре 2, F1 и F2 представляют остаточные напряжения в стабилизационном слое 16. В частности, F1 представляет остаточное напряжение первой основной поверхностной части 16А и второй основной поверхностной части 16С. F2 представляет остаточное напряжение боковой поверхностной части 16В.
Остаточные напряжения F1 и F2 являются напряжениями в направлении растяжения (напряжение растяжения). То есть остаточное напряжение F1 является напряжением растяжения в направлении, в котором расширяется ширина (размерность в направлении Х) в первой основной поверхностной части 16А и второй основной поверхностной части 16С. Остаточное напряжение F2 является напряжением растяжения в направлении, в котором увеличивается размерность толщины (размерность в направлении Y) в боковой поверхностной части 16В. В сверхпроводящем ламинате, как это показано пунктирными стрелками на фигуре 2, возникают силы «отталкивания» в противоположном направлении по отношению к остаточным напряжениям F1 и F2.
Остаточные напряжения F1 и F2 предпочтительно составляют 0,2 МПа и более.
В сверхпроводящей катушке возможно ослабить внешнее напряжение в результате антиадгезионной обработки поверхности провода и т.п. Однако во время охлаждения катушки в соответствии с представленным выше описанием изобретения нелегко избежать возникновения напряжения отслаивания. С другой стороны, напряжение отслаивания может быть полностью устранено, когда остаточное напряжение F1, F2 составляет 0,2 МПа и более, и может быть предотвращено отслаивание.
В оксидном сверхпроводящем проводе 10 оба остаточных напряжения, F1 и F2, являются напряжениями растяжения. Однако напряжением растяжения может быть по меньшей мере остаточное напряжение F2.
Предпочтительно, чтобы по меньшей мере часть стабилизационного слоя 16 представляла бы собой металлизирующий слой, сформированный в результате металлизации на наружной периферийной поверхности сверхпроводящего ламината 15. В случае стабилизационного слоя 16 в виде металлизирующего слоя будет облегчено корректирование остаточных напряжений F1 и F2.
Стабилизационный слой 16 может быть сформирован в результате электролитической металлизации. По меньшей мере часть стабилизационного слоя 16 может быть сформирована методом формирования металлической пленки в результате электролитической металлизации на металлической пленке, сформированной в результате напыления или неэлектролитной металлизации.
Для формирования стабилизационного слоя 16 в результате электролитической металлизации возможным, например, является следующий способ. Сверхпроводящий ламинат 15 погружают в ванну для металлизации и на наружной периферийной поверхности сверхпроводящего ламината 15, в результате электролитической металлизации, формируется стабилизационный слой 16 при одновременном вытягивании вверх сверхпроводящего ламината 15. В данный момент времени остаточные напряжения F1 и F2 стабилизационного слоя 16 могут быть откорректированы в результате проведения корректирования, такого как в отношении (i) типов и концентраций добавок, добавляемых в ванну для металлизации, (ii) температуры ванны для металлизации, (iii) значения рН ванны для металлизации, (iv) плотности электрического тока при металлизации и (v) времени металлизации. Например, в случае омеднения (Cu) остаточное напряжение для стабилизационного слоя 16 будет иметь тенденцию к приобретению вида напряжения сжатия в щелочной ванне (такой как ванна с цианидом) и напряжения растяжения в кислотной ванне (такой как ванна с сульфатом меди).
Взаимозависимость между остаточным напряжением в металлическом слое, сформированном в результате металлизации, и условиями металлизации широко известна в области технологии обработки поверхности. Например, это описывается в ссылках, таких как ссылка 1: Practical surface technology, Vol. 22 (1975) No. 2, «Introduction to easy plating theory (6)»; и ссылка 2: Surface technology Vol. 43, No. 7, 1992, «Internal stress of coating film formed by electroplating».
При измерении остаточных напряжений F1 и F2 стабилизационного слоя 16 могут быть использованы известные методы измерения напряжений при электроосаждении на полосу. Метод измерения напряжений при электроосаждении на полосу описывается в ссылке 2. Для измерения остаточного напряжения при использовании метода измерения напряжений при электроосаждении на полосу, например, может быть использовано устройство для испытания на напряжение при электроосаждении, относящееся к полосовому типу, («683 EC analyzer», производства компании Fuji Kasei Co., Ltd.).
В качестве метода измерения остаточных напряжений F1 и F2 стабилизационного слоя 16 также могут быть использованы метод спирального контрактометра, метод рентгеновской дифракции и т.п.
Фигура 3 представляет сверхпроводящую катушку 100, которая является примером сверхпроводящей катушки, имеющей оксидный сверхпроводящий провод по настоящему изобретению.
Сверхпроводящая катушка 100 сформирована в результате группирования ряда катушечных блоков 101. Катушечный блок 101 представляет собой плоскую катушку, и оксидный сверхпроводящий провод 10, показанный на фигуре 1, уложен и намотан в направлении толщины. Плоская катушка представляет собой катушку, сформированную путем наматывания оксидного сверхпроводящего провода в виде ленты с перекрыванием. Катушечный блок 101 сверхпроводящей катушки 100, показанной на фигуре 3, является кольцевым. Катушечный блок 101 покрывают импрегнированным слоем смолы (не показано). Импрегнированный слой смолы выполняется из эпоксидной смолы, фенольной смолы и т.п. Друг с другом может быть электрически соединено множество катушечных блоков 101. Сверхпроводящая катушка 100 может быть использована для сверхпроводящего устройства (не показано).
В сверхпроводящей катушке 100 остаточное напряжение F2 стабилизационного слоя 16 предпочтительно больше, чем максимальное прикладываемое напряжение в радиальном направлении катушки. В соответствии с данной конфигурацией сила отталкивания в направлении, противоположном по отношению к остаточному напряжению F2, ослабляет напряжение отслаивания сверхпроводящего ламината 15, и можно избежать возникновения повреждения, такого как отслаивание оксидного сверхпроводящего слоя 13 и т.п. Поэтому может быть предотвращено ухудшение качества, обусловленное повреждением.
Максимальное прикладываемое напряжение в радиальном направлении катушки, может быть установлено в результате корректирования отношения между внутренним диаметром и наружным диаметром сверхпроводящей катушки. Соотношение между отклонением внутреннего диаметра к наружному диаметру катушки и приложенным напряжением в радиальном направлении катушки описывается, например, в следующих ссылках от i) до iii).
i) Generalized plane strain analysis of superconducting conducted solenoids, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS vol. 86, number 12.
ii) Degradation-Free Impregnated YBCO Pancake Coils by Decreasing Radial Stress in the Windings and Method for Evaluating Delamination Strength of YBCO-Coated Conductors, IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL. 24, NO. 3, JUNE 2014.
iii) Delamination Strengths of Different Types of REBCO-Coated Conductors and Method for Reducing Radial Thermal Stresses of Impregnated REBCO Pancake Coils, DOI 10.1109/TASC.2014.2372048, IEEE Transactions on Applied Superconductivity.
Для получения сверхпроводящей катушки 100 может быть использован способ фиксирования оксидного сверхпроводящего провода 10, такого что после формирования многослойной намотанной катушки в результате наматывания оксидного сверхпроводящего провода 10 вокруг намоточной рамы для получения необходимого количества слоев вслед, затем импрегнируют смолу, такую как эпоксидная смола таким образом, чтобы покрыть намотанный оксидный сверхпроводящий провод 10.
В оксидном сверхпроводящем проводе 10 остаточные напряжения F1 и F2 в стабилизационном слое 16 являются напряжениями растяжения. Кроме того, остаточное напряжение F2 больше, чем максимальное прикладываемое напряжение в радиальном направлении сверхпроводящей катушки.
В случае сверхпроводящей катушки, в которой оксидный сверхпроводящий провод наматывается для получения катушки и импрегнируется смолой, такой как эпоксидная смола, например, в случае охлаждения, вследствие различия коэффициента теплового расширения между оксидным сверхпроводящим проводом и смолой может действовать напряжение в направлении, в котором отслаиваются слои сверхпроводящего ламината, (напряжение отслаивания). Кроме того, в оксидном сверхпроводящем проводе часть слоя в краевой части (боковой поверхностной части) может быть повреждена таким образом, как в результате отслаивания, вследствие контакта со щекой намоточной рамы, щекой размоточного (или приемного) барабана и т.п. в технологическом процессе изготовления катушки.
В оксидном сверхпроводящем проводе 10 согласно настоящего изобретения вследствие наличия остаточных напряжений F1 и F2 в стабилизационном слое 16 в виде напряжения растяжения в сверхпроводящем ламинате 15 образуется сила отталкивания в противоположном направлении по отношению к остаточным напряжениям F1 и F2, как это показано пунктирными стрелками на фигуре 2. Поэтому, например, ослабляется напряжение отслаивания для сверхпроводящего ламината 15, и можно избежать возникновения повреждения, такого как отслаивание оксидного сверхпроводящего слоя 13 и т.п. Кроме того, в сверхпроводящей катушке 100 по настоящему изобретению остаточное напряжение F2 больше, чем максимальное прикладываемое напряжение в радиальном направлении сверхпроводящей катушки. Поэтому сила отталкивания в направлении, противоположном остаточному напряжению F2, уменьшает напряжение отслаивания сверхпроводящего ламината 15, и можно избежать возникновения повреждения, такого как отслаивание оксидного сверхпроводящего слоя 13 и т.п.
Поэтому может быть предотвращено ухудшение качества вследствие повреждения.
В частности, если остаточное напряжение F2 в боковой поверхностной части 16В стабилизационного слоя 16 является напряжением растяжения вдоль направления толщины сверхпроводящего ламината 15, отслаивание может быть надежно предотвращено в результате силы отталкивания против указанной силы в направлении отслаивания.
ПРИМЕРЫ
Ниже описываются результаты испытаний для сверхпроводящей катушки, сформированной с использованием оксидного сверхпроводящего провода 10, показанного на фигуре 1. Настоящее изобретение не ограничивается примерами, приведенными ниже.
Примеры испытаний 1-4
Получен материал основы в виде ленты шириной 12 мм, длиной 300 м и толщиной 75 мкм, изготовленный из HASTELLOY С-276 (торговое наименование) компании Haynes International, USA. Поверхность материала основы полировали с абразивом (средний диаметр частиц: 3 мкм), изготовленным из оксида алюминия, и затем обезжиривали и промывали органическим растворителем (этанолом или ацетоном).
На основной поверхности материала основы был сформирован промежуточный слой. Промежуточный слой имеет конфигурацию, в которой наслоены слой, предотвращающий диффундирование, подстилающий слой, ориентационный слой и покровный слой в указанном порядке.
2
3
2
3
2
На материале основы при использовании способа ионно-лучевого напыления сформировали слой, предотвращающий диффундирование, изготовленный из AlO, толщиной 100 нм. Затем на слое, предотвращающем диффундирование, методом ионно-лучевого напыления сформировали подстилающий слой из YO, толщиной 30 нм. Затем на подстилающем слое методом ИЛО сформировали ориентационный слой из MgO, толщиной 5-10 нм. Далее на ориентационном слое методом импульсного лазерного осаждения (ИЛО) сформировали покровный слой из CeO, толщиной 500 нм.
2
3
7 - x
На покровном слое методом ИЛО сформировали оксидный сверхпроводящий слой из GdBaCuO толщиной 2 мкм.
Далее на оксидном сверхпроводящем слое методом напыления при постоянном токе сформировали защитный слой из Ag, толщиной 2 мкм, для получения сверхпроводящего ламината (исходного материала шириной 12 мм).
Сверхпроводящий ламинат (исходный материал) подвергали отжигу (500°С, 10 часов) в атмосфере кислорода в нагревательной печи, охлаждению в печи на протяжении 26 часов, и затем извлекли из нагревательной печи.
Сверхпроводящий ламинат (исходный материал) разделяли на три сверхпроводящих ламината (шириной 4 мм).
На наружной периферийной поверхности (задней поверхности исходного материала и боковой поверхности сверхпроводящего ламината) сверхпроводящего ламината методом напыления при постоянном токе сформировали пленку из меди (пленку толщиной 1 мкм на задней поверхности материала основы, и пленку толщиной 0,3 мкм на боковой поверхности сверхпроводящего ламината).
Сверхпроводящий ламинат длиной 300 м разрезали по центру в продольном направлении для получения сверхпроводящего ламината длиной 150 м.
На наружных периферийных поверхностях нескольких сверхпроводящих ламинатов в результате электролитической металлизации сформировали стабилизационный слой из Cu, толщиной 20 мкм, для получения оксидного сверхпроводящего провода. Таблица 1 показывает условия металлизации (материалы стабилизационного слоя и ванны для металлизации) при формировании стабилизационного слоя.
Оксидный сверхпроводящий провод наматывали вокруг намоточной рамы с внутренним диаметром 30 мм для получения катушечного блока. Катушечный блок импрегнировали в вакууме эпоксидной смолой для получения сверхпроводящей катушки.
Для каждого из примеров испытаний 1-4 было изготовлено десять сверхпроводящих катушек, различных по максимальному приложенному напряжению в радиальном направлении катушки, и зарегистрировано количество сверхпроводящих катушек, ухудшенных по качеству.
- 5
- 6
Определение ухудшения качества было основано на результате измерений величин n (в диапазоне от 10 до 100 В/см), проведенных в жидком азоте. Величина n представляет собой коэффициент при представлении аппроксимируемой кривой для характеристики I - V при использовании коэффициента мощности и является показателем для определения локального генерирования напряжения от провода в катушке (то есть ухудшения качества оксидной сверхпроводящего провода) при изменении величины n. Ухудшение качества оксидной сверхпроводящего провода определяла измеренная величина n, составляющая 20 и менее.
Максимальное прикладываемое напряжение в радиальном направлении катушки было установлено путем регулирования отношения между внутренним диаметром и наружным диаметром сверхпроводящей катушки.
Остаточное напряжение стабилизационного слоя (остаточные напряжения F1 и F2, показанные на фигуре 2) было измерено. Остаточное напряжение измерялось методом измерения напряжения при электроосаждении на полосу, используя вышеуказанное устройство для испытания на напряжение при электроосаждении, относящееся к полосовому типу, компании Fuji Kasei Co., Ltd..
«Сжатие» в таблице 1 означает напряжение сжатия, а «растяжение» означает напряжение растяжения. Что касается остаточного напряжения, то напряжение сжатия выражено отрицательным числом, а напряжение растяжения выражено положительным числом.
(Таблица 1)
Примериспы-тания
Стабили-зационныйслой
Ванна метал-Лизации
Остаточ-ное напря-жение (МПа)
Сжатие/напряжение
Макси-мальноеприклады-ваемое напряже-ние в радиальном направлении катушки
Количествоповрежден-ных катушек
1
Cu
Ванна с цианидом
- 10
Сжатие
0,21
6
1,85
9
6,9
9
2
Cu
Ванна с сульфатом меди
0,25
Растяжение
0,21
0
1,85
9
6,9
9
3
Cu
Ванна с сульфатом меди
2
Растяжение
0,21
0
1,85
0
6,9
9
4
Cu
Ванна с сульфатом меди
73
Растяжение
0,21
0
1,85
0
6,9
0
Как это показано в таблице 1, в примерах испытаний 2-4, в которых остаточное напряжение стабилизационного слоя является напряжением растяжения, подтверждается, что повреждения катушки не происходит в отличие от примера испытания 1, в котором остаточное напряжение является напряжением сжатия.
Кроме того, подтверждается, что не происходит повреждения катушки и в примере испытания, в котором остаточное напряжение стабилизационного слоя (остаточное напряжение F2, показанное на фигуре 2) является напряжением растяжения и остаточное напряжение больше, чем максимальное прикладываемое напряжение в радиальном направлении сверхпроводящей катушки.
Несмотря на представленное описание настоящего изобретения на основании предпочтительных вариантов осуществления, настоящее изобретение не ограничивается описанными выше вариантами, и могут быть реализованы различные модификации без отклонения от объема настоящего изобретения.
В оксидном сверхпроводящем проводе 10, показанном на фигуре 2, остаточное напряжение F1 и остаточное напряжение F2 являются напряжением растяжения, однако напряжением растяжения может быть и только остаточное напряжение F2.
Стабилизационный слой может быть сформирован методом, отличным от металлизации, (например, напылением), но предпочтительно его формируют металлизацией.
Несмотря на предпочтительное покрытие стабилизационным слоем всех поверхностей (первой основной поверхности, боковой поверхности и второй основной поверхности) сверхпроводящего ламината, стабилизационный слой может покрывать по меньшей мере боковые поверхности сверхпроводящего ламината.
Например, стабилизационный слой может быть сформирован для покрытия первой основной поверхности и обеих боковых поверхностей сверхпроводящего ламината.
Описание ссылочных позиций
10: Материал оксидного сверхпроводящего провода
11: Материал основы
12: Промежуточный слой
13: Оксидный сверхпроводящий слой
14: Защитный слой
15: Сверхпроводящий ламинат
16: Стабилизационный слой
16В: Боковая часть
F1, F2: Остаточное напряжение.