專利名稱：超導(dǎo)元件以及相關(guān)的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超導(dǎo)元件以及相關(guān)的制備方法。本發(fā)明屬于超導(dǎo)材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在使用超導(dǎo)材料的不同的工業(yè)應(yīng)用中，除特定的電工功能性之外，還必須保證這 些材料具有適當(dāng)?shù)臒岷蜋C械穩(wěn)定性特性。在目前工藝水平中，通常以線、厚或薄的條或者塊狀體(massivebody)形式制備 超導(dǎo)材料。通常具有小于1毫米厚度的線和條與由金屬或電絕緣類型的非超導(dǎo)材料制成的 支座裝配到一起。該支座的功能是為了在必要時除適當(dāng)?shù)碾妼W(xué)和熱學(xué)特性之外還賦予超導(dǎo) 材料適當(dāng)?shù)臋C械強度特性。然而，超導(dǎo)線或超導(dǎo)條與支座的裝配實質(zhì)上減少了可用于超導(dǎo) 電流通過的線或條的截面。在極端情況下，在上述截面與支撐的線或條的總截面之間的比 能夠跌至低于超導(dǎo)線或條的原始值的20-30%，急劇地減小了輸送的超導(dǎo)電流的密度。在文獻中還描述了將由超導(dǎo)插入物組成的故障限流器包括到非超導(dǎo)支座中。然 而，這些故障限流器的應(yīng)用領(lǐng)域限于低電流。它們實際上是基于用超導(dǎo)材料(例如多晶形 式的超導(dǎo)氧化物)生產(chǎn)的超導(dǎo)插入物，由于晶粒之間的勢壘，該超導(dǎo)材料不具有例如還容 許用于其它電工應(yīng)用(例如那些具有高磁場的)的臨界電流密度。具體地說，它們的臨界 電流密度不能夠產(chǎn)生可與用普通電磁體或典型的永久磁體產(chǎn)生的磁場通量密度相比較的 或者比之更好的經(jīng)濟的磁場通量密度，典型地限于低于1特斯拉的值。與線或條不同，超導(dǎo)電流能夠穿過塊狀體形式的超導(dǎo)材料的整個截面。通常以厚 度為不同毫米的板、圓柱、環(huán)或管的形式制備它們。當(dāng)超導(dǎo)材料有延展性時(例如Pb和 Nb (在低于9K的溫度下為超導(dǎo)材料))，還可以薄層或片的形式制備它們。對于溫度高于IOK的應(yīng)用，超導(dǎo)塊狀體可以由以下物質(zhì)組成-陶瓷氧化物，例如基于以下元素的的銅酸鹽基于釔和鋇(直到大約90K的臨界 溫度Tc都是超導(dǎo)的)或基于鍶(例如Sr2CuO3.4, Tc = 95K)或基于鉍、鍶和鈣(Tc = 110K)，-基于鐵的材料，例如FeTe0.5Se0.5 (Tc = 13K)或 Ba0.6K0.4Fe2As2 (Tc = 38K)或 FeAsNdO0.85 (Tc = 51K)，-二硼化鎂(Tc = 39K)，-金屬間化合物，例如Nb3Sn(Tc = 18. 7K)、Nb3Al (Tc = 21. 3K)或 Nb3Ge (Tc = 23. 6K)。通常用高致密形式的塊狀材料獲得最好的性能(就臨界電流密度而言)，特別是 當(dāng)它們處于高晶體完整性的狀態(tài)時(單晶狀態(tài))。然而，制備高致密形式的、單晶狀態(tài)的超導(dǎo)塊狀材料不是輕而易舉的。實際上，晶 粒的生長和取向過程是一個相當(dāng)漫長的和復(fù)雜的過程，其特別要求在結(jié)晶過程期間的精細(xì) 的溫度控制并且使得超導(dǎo)最終產(chǎn)品具有限于幾厘米的最大尺寸。在上述以塊狀形式生產(chǎn)并且具有高于IOK的臨界溫度的超導(dǎo)材料當(dāng)中，二硼化鎂(MgB2)的突出之點在于還能以多晶形式被有效采用。這之所以成為可能是因為在該材料中 的超導(dǎo)電流的通過不會受通過晶粒之間邊界和顆粒本身取向的較大影響。二硼化鎂的進一步的區(qū)別性特征是可以高致密形式制備它。然而，類似于臨界溫度高于IOK的其它超導(dǎo)材料，二硼化鎂是一種脆性材料，因此 也需要足夠的機械強化以便允許它能有效地用于其大部分應(yīng)用。特別是在以存在特別強的 電磁力為特征的應(yīng)用中，足夠的機械強度是必不可少的，例如，在用于高磁場的磁體中，所 討論的電流在數(shù)千安培的量級并且磁場通量密度通常高于1特斯拉。然而，在大多數(shù)應(yīng)用中，無論哪種超導(dǎo)材料，使用具有相當(dāng)大厚度(在厘米或更高 量級)的塊狀超導(dǎo)最終產(chǎn)品是不方便的。一方面，這是因為超導(dǎo)電流趨向于只分布在超導(dǎo) 最終產(chǎn)品的一部分上(通常在表面上)，以及另一方面，這是因為在其運行期間當(dāng)存在從超 導(dǎo)狀態(tài)到正常導(dǎo)電狀態(tài)的轉(zhuǎn)變時，伴有大量熱能的瞬時釋放，而較大的厚度阻止了超導(dǎo)材 料的快速冷卻。在目前工藝水平已知的在剛性支座上有插入物的超導(dǎo)裝置的進一步的技術(shù)問題 在于，利用已知的技術(shù)并不總是能按期望的形式和尺寸生產(chǎn)這些裝置。為了獲得特別致密的陶瓷材料的燒結(jié)體，并且當(dāng)這種材料因為熱力學(xué)的原因阻止 其在大氣壓下自發(fā)燒結(jié)時，可使用熱壓致密化技術(shù)。這些技術(shù)包括在典型燒結(jié)溫度(該材 料的絕對熔化溫度的大約3/4)對預(yù)壓實的陶瓷粉末施加壓力以便幫助燒結(jié)過程。溫度范 圍通常從700°C到1600°C并且壓力可以達到數(shù)百大氣壓。取決于施加壓力的過程，可以有 a)單軸壓縮、b)等靜壓壓縮(isostatic compression)。對于單軸壓縮，使用具有粉末容 器和通常由石墨制成的壓縮活塞的壓力機，其可以通過例如感應(yīng)或用由碳化硅制成的特定 電阻器加熱。該技術(shù)的主要缺點是由于容器的機械阻力，其相當(dāng)大地限制了要被擠壓的塊 的尺寸。因此，單軸壓縮適合于生產(chǎn)在兩個空間方向上尺寸差異顯著的最終產(chǎn)品(例如， 板或片)，使得在垂直于壓力施加方向的方向中沒有大的變形。等靜壓壓縮使用熱氣作為用于傳遞施加于要被燒結(jié)的粉末的壓力的流體。在插入 將要被致密化的塊的大的壓力密封室中實現(xiàn)等靜壓壓縮，所述塊覆蓋有金屬殼或者一層在 高處理溫度下變成塑料的玻璃質(zhì)材料，以便協(xié)助壓力從氣體傳遞到該塊。即使利用該技術(shù)， 能夠生產(chǎn)的超導(dǎo)最終產(chǎn)品的尺寸也限于數(shù)十cm?？紤]到如上所述的技術(shù)限制，顯然這些技術(shù)在制備具有鑲嵌在剛性支座上的超導(dǎo) 插入物的裝置方面沒有多少用處，所述剛性支座由例如金屬或陶瓷材料制成，其呈現(xiàn)高機 械阻力。具體地說，利用單軸技術(shù)無法生產(chǎn)具有非平面幾何結(jié)構(gòu)的支座的裝置。在材料需要熱擠壓的情況下，因為如在非平面襯底上的單軸壓力的情形下那樣， 襯底的結(jié)構(gòu)阻止變形直接傳遞到粉末，所以鑲嵌物的形成阻止了把足夠的壓力簡單地施加 到粉末。此外，在等靜壓的情況中，襯底是粉末上的壓力傳遞的巨大障礙，因為只有覆蓋鑲 嵌物的暴露表面上的粉末的材料在垂直于該暴露表面的方向上的變形是有效的。在目前工藝水平下，為了制備包括在剛性支座上的超導(dǎo)插入物的超導(dǎo)裝置，還求 助于熔融致密化技術(shù)。例如，US 5，426，408描述了一側(cè)由導(dǎo)電材料制成且相對側(cè)由絕緣材 料制成的扁平支座。插入物由基于氧化鉍銅或氧化釔銅的超導(dǎo)材料制成。通過在支座表 面上分布超導(dǎo)材料(絲網(wǎng)印刷)以及后續(xù)的在超導(dǎo)材料熔點的熱處理(熔融致密化)來制備插入物。US 5，426，408還描述了由利用填充有超導(dǎo)材料的支座中的孔彼此連接的多 個上述裝置組成的超導(dǎo)磁性模塊。這些超導(dǎo)連接使第一裝置的插入物與第二裝置的插入 物電接觸。然而，US 5，426，408中描述的裝置和磁性模塊的超導(dǎo)插入物具有很有限的厚 度，在50-200 μ m范圍內(nèi)變化。此外，在基于氧化釔銅的超導(dǎo)體的情況下，在插入物中以及 利用上面描述的技術(shù)的超導(dǎo)連接中可獲得的超導(dǎo)材料的密度最多等于其理論密度的大約 70%。這對本領(lǐng)域的專家是熟知的，例如，根據(jù)J. O.Willis et al. in IEEE TRANSACTIPONS ONMAGNETICS, Vol. 25，No. 2，March 1989，2502-2504 的公開。文獻EP 0503447描述了由非超導(dǎo)剛性支座上的超導(dǎo)插入物構(gòu)成的超導(dǎo)裝置。在 這種情況下，還利用所謂的“熔融致密化”技術(shù)獲得導(dǎo)電的插入物。然而，如已提及的，該技 術(shù)不能獲得具有高密度的超導(dǎo)材料的插入物。因此，在EP 0503447中描述的裝置也具有有 限的輸運高電流密度的能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷。本發(fā)明的第一目的涉及包括由非超導(dǎo)材料制成的剛性支座的超導(dǎo)元件，所述支座 包括由含有超導(dǎo)材料的凹槽形成的至少一個超導(dǎo)軌道，所述超導(dǎo)材料的實際密度等于其理 論密度值的至少85%，優(yōu)選等于至少88%。本發(fā)明的第二目的涉及制備超導(dǎo)元件的方法，該方法包括下列操作步驟a)在由非超導(dǎo)材料制成的剛性支座的表面上制作至少一個凹槽；b)將超導(dǎo)材料的粉末前驅(qū)體插入到凹槽中，并且將其壓實到實際密度值等于理論 密度值的至少50% ；c)定位至少一種固體反應(yīng)物，使其與前驅(qū)體粉末相接觸或者使其位置鄰近其中含 有粉末的凹槽；d)對反應(yīng)物和含有前驅(qū)體的凹槽加熱，直到反應(yīng)物被液化并且隨后滲透到前驅(qū)體 粉末中，從而在凹槽中形成超導(dǎo)軌道。


為了更好地理解本發(fā)明的特征，將參照下列附圖進行描述圖1是從根據(jù)本發(fā)明的超導(dǎo)元件的上面觀察的示意表示；圖2是封入具有可密封的蓋的反應(yīng)容器中的根據(jù)本發(fā)明的超導(dǎo)元件的垂直截面 的示意表示；圖3是從根據(jù)本發(fā)明的超導(dǎo)元件的另一個實施例的上面觀察的示意表示；圖4A是包括利用超導(dǎo)絲彼此連接的兩個超導(dǎo)元件的超導(dǎo)裝置的示意表示，其中 所述超導(dǎo)絲連接屬于兩個不同超導(dǎo)元件的兩個超導(dǎo)軌道；圖4B是在同一超導(dǎo)元件的兩個超導(dǎo)軌道之間利用超導(dǎo)絲的可能的連接模式的示 意表不；圖5是具有螺旋型鑲嵌物的超導(dǎo)元件的示意表示；圖6是示例1的超導(dǎo)元件在4. 2K下測量的臨界電流Ic (以安培表示)關(guān)于磁通 量密度B(以特斯拉表示)的變化趨勢的曲線圖7A是從包含平行交織鑲嵌物的條的形式的超導(dǎo)元件的示意表示的上面觀察的 平面圖；圖7B是根據(jù)圖7A的平面A-A，的截面；圖7C是根據(jù)圖7A的平面B-B，的截面。
具體實施例方式作為本發(fā)明目的的超導(dǎo)元件包括由非超導(dǎo)材料制成的剛性支座，在該剛性支座的 表面上刻蝕截面為若干mm2的超導(dǎo)材料的至少一個導(dǎo)電軌道。參照圖1例示的實施例，作為本發(fā)明目的的超導(dǎo)元件1由支座2構(gòu)成，在本例中是 一個圓盤，其表面上含有以同心環(huán)形式布置的圓形超導(dǎo)軌道3。超導(dǎo)元件1的超導(dǎo)軌道3可以用任何超導(dǎo)材料制造，只要其密度高于或等于其 理論密度值的85%即可。密度優(yōu)選高于88%。優(yōu)選的超導(dǎo)材料如下MgB2、FeNdAsO0.85, FeTe0 5Se0 5、Sr2CuO3 4。本發(fā)明的一個特別優(yōu)選的實施例是其中導(dǎo)電軌道包含MgB2作為超導(dǎo)材料的超導(dǎo) 元件，因為能以高密度形式、按照比現(xiàn)有技術(shù)中其它已知的超導(dǎo)材料更簡單的方式制備含 有MgB2的軌道，并且這些軌道沒有與由于晶界在通常多晶形式中的存在而受限的電流密度 相關(guān)的問題。出于本發(fā)明的目的，術(shù)語“高致密”表示密度高于或等于其理論密度值的85%的材 料。相對于具有用其它類型的較低致密的超導(dǎo)材料制作的軌道的同樣的超導(dǎo)元件，由 高致密形式的超導(dǎo)體的薄鑲嵌物構(gòu)成的導(dǎo)電軌道賦予超導(dǎo)元件更高的電流傳輸特性。此 外，更高的密度導(dǎo)致有效軌道的厚度減小，有利于在轉(zhuǎn)變到正常導(dǎo)電狀態(tài)過程中超導(dǎo)材料 冷卻得更快和超導(dǎo)流(stream)的破壞性散射更少。具有鑲嵌物的超導(dǎo)元件的另一個優(yōu)點是也可以使用具有鑲嵌在支座表面周圍的 螺旋發(fā)展(helicoidal development)的軌道來進行制作。螺旋鑲嵌物允許形成模仿編織 線的卷繞。當(dāng)在充電中或隨交流使用發(fā)生電流瞬變時，超導(dǎo)卷繞的這種形態(tài)對減少在具有 高磁場的磁體中的不穩(wěn)定性現(xiàn)象特別有用。具有鑲嵌物的超導(dǎo)元件的又一個優(yōu)點是能以條的形式制作該超導(dǎo)元件，所述條包 括彼此交疊的多組平行超導(dǎo)軌道的交叉。例如，可以借助支座的凹槽的形成過程(例如裁 剪或激光切割)制作具有超導(dǎo)軌道的條。超導(dǎo)元件的整個制備過程可以連續(xù)地實現(xiàn)，并且 包括以下連續(xù)操作把前驅(qū)體材料填充到凹槽內(nèi)，定位反應(yīng)物以及熱處理。以這種方式，能 制作任何期望長度的條。作為本發(fā)明目的的超導(dǎo)元件的支座是由非超導(dǎo)材料制成的、具有任意幾何形式的 剛性支座。根據(jù)超導(dǎo)元件的預(yù)定用途選擇支座的形式。支座的優(yōu)選形式是厚度范圍從 2mm-30mm，優(yōu)選3_20mm的板、盤、環(huán)、條或空心圓柱。無論其形式如何，都能在支座的整個表 面上制備凹槽，透過(pass-through)或不透過在平面支座(例如板形或盤形)的情況下， 可以在支座的兩個主要側(cè)面(即，在具有較大表面的側(cè)面)上都刻上凹槽；在空心圓柱支座 的情況中，可以在腔的內(nèi)表面和外表面上都鑲嵌軌道。在本發(fā)明的下面描述中，術(shù)語“支座
8的表面”是指支座的可用于鑲嵌凹槽的全部表面。支座的材料是非超導(dǎo)材料，優(yōu)選具有低電導(dǎo)率、高機械特性和熔化溫度比獲得超 導(dǎo)元件的反應(yīng)溫度高出至少400°C的材料。適于制作支座的材料示例為非磁性不銹鋼、鐵/ 鎳合金、鎳和具有高鎳含量(即高于50%)的鎳/銅合金、鈦、這些材料與銅的復(fù)合材料、還 有熔點高于iioo°c的金屬間化合物(例如鋅碲化合物)。在預(yù)定用于電磁應(yīng)用的超導(dǎo)元件的大多數(shù)情況下，支座的材料必須是非磁性的。 在這些情況中，優(yōu)選使用由AISI 316鋼或蒙乃爾型鎳銅合金制成的支座。形成支座的材料必須能抵抗為了獲得在超導(dǎo)材料條中(即超導(dǎo)軌道中)被定位于 凹槽中的前驅(qū)體粉末的轉(zhuǎn)變而施加的處理。前驅(qū)體到超導(dǎo)材料的轉(zhuǎn)變借助于包括在前驅(qū)體 和一個或更多個附加反應(yīng)物之間的高溫化學(xué)反應(yīng)的處理而發(fā)生。粉末形式的前驅(qū)體被插入 到凹槽中，并且其它反應(yīng)物(優(yōu)選塊狀體形式)放置在凹槽外處于這樣的位置一旦由于加 熱發(fā)生液化，它們可以與前驅(qū)體接觸。為了本發(fā)明的目的，術(shù)語“前驅(qū)體”表示粉末形式的固體材料，當(dāng)這種材料受到適 當(dāng)?shù)奈锢砘瘜W(xué)處理時，改變其晶體性質(zhì)，變得致密并且獲得有益于電流通過的超導(dǎo)性質(zhì)。前 驅(qū)體還可以是超導(dǎo)材料的第一成分，其通過與第二成分進行化學(xué)反應(yīng)而轉(zhuǎn)變成超導(dǎo)材料。圖2示意表示了用于獲得根據(jù)本發(fā)明的超導(dǎo)元件的最終產(chǎn)品的垂直截面。以相對 于支座2疊加的固體形式的反應(yīng)物6 (上述轉(zhuǎn)變所必需的)和含有前驅(qū)體的凹槽(軌道3) 被插入到具有蓋5的、密封以實現(xiàn)前驅(qū)體到超導(dǎo)材料的轉(zhuǎn)變處理的容器4(反應(yīng)容器)中。可以通過根據(jù)使用的反應(yīng)物適當(dāng)?shù)剡x擇支座的材料以及通過在支座2上施加惰 性難熔材料的薄涂層膜(圖中未示出)來避免支座和前驅(qū)體之間或者支座和前驅(qū)體轉(zhuǎn)變成 超導(dǎo)材料所必需的其它反應(yīng)物之間的不期望的反應(yīng)。所施加的膜的厚度優(yōu)選等于約0. 5-20 微米。在支座上制作凹槽之后施加涂層膜，使得涂敷支座表面和凹槽的內(nèi)表面。根據(jù)要制作的導(dǎo)電軌道所用的超導(dǎo)材料選擇涂層膜的材料。優(yōu)選使用由氧化物類 型的電絕緣材料制成的涂層膜，優(yōu)選由MgO、SiO2, A1203、NiO、Fe203、TiO2、ZnO, ZrO2, Y2O3或 它們的復(fù)合物構(gòu)成的膜，或者Fe、M或Ti的金屬型的涂層膜?？梢杂矛F(xiàn)有技術(shù)中已知的技術(shù)將膜施加到支座和凹槽的表面。特別優(yōu)選利用氧化 技術(shù)或者氣相中材料沉積(例如稱為化學(xué)氣相沉積(CVD)的技術(shù))來施加涂層膜?？梢允褂矛F(xiàn)有技術(shù)中已知的傳統(tǒng)處理技術(shù)制作支座表面上的凹槽，例如銑削 (milling)、鏇制(turning)、切削或電腐蝕鑲嵌?？梢愿鞣N形式和尺寸制作凹槽。在支座 上制作的凹槽通常具有等于或大于0.5的深度/寬度(D/W)比，優(yōu)選大于1，更優(yōu)選大于2。 對于2-20mm范圍的支座厚度，凹槽的寬度優(yōu)選小于或者等于3mm且其深度在1. 5_9mm間變 化。創(chuàng)建在其線性發(fā)展過程具有可變截面的凹槽有時有助于更好地響應(yīng)超導(dǎo)元件的電磁要 求。然而，在結(jié)束階段，超導(dǎo)軌道的深度可以減小到D/W值低于0. 5，以滿足具體應(yīng)用需求。超導(dǎo)元件的支座可以具有開放或閉合型的超導(dǎo)軌道。“閉合”軌道是從限定了支座 上的閉合線的凹槽開始獲得的超導(dǎo)軌道，例如圖1的軌道3的凹槽或者圖3的軌道3和7 的凹槽的組合?！伴_放”軌道是從限定了支座上的開放線(即兩端在支座的不同點終止的線)的凹 槽開始獲得的導(dǎo)電軌道，例如，圖3中連接軌道3的點8和9或者點8’和9’的線。在優(yōu)選實施例中，開放軌道是螺旋狀的，即具有螺旋發(fā)展。當(dāng)作為本發(fā)明目的的超導(dǎo)元件包括閉合軌道且電流通過所述軌道時，超導(dǎo)元件充 當(dāng)具有隨應(yīng)用的感興趣時間而相當(dāng)恒定的磁化的永磁體。當(dāng)超導(dǎo)元件包括開放軌道且電流通過所述軌道時，超導(dǎo)元件產(chǎn)生與通過軌道的電 流強度相關(guān)的可變磁場。閉合軌道可以具有任何形式。閉合軌道還可以由位于同一支座的表面的不同區(qū)域 (例如扁平支座的兩個相對側(cè))中的開放軌道構(gòu)成，所述軌道通過超導(dǎo)絲彼此連接，或者在 支座的兩個相對側(cè)的情況下，通過填充有超導(dǎo)材料的支座中的孔彼此連接。填充有超導(dǎo)材 料的孔此后也被稱作超導(dǎo)過孔。超導(dǎo)過孔連接屬于兩個不同凹槽的任意兩個點。根據(jù)本發(fā)明的超導(dǎo)元件能同時包含一個或更多個開放和/或閉合導(dǎo)電軌道。在優(yōu)選實施例中，作為本發(fā)明目的的具有閉合軌道的超導(dǎo)元件包含一個或更多個 圓形同心軌道(圖1)。在第二優(yōu)選實施例中，超導(dǎo)元件具有鑲嵌在扁平支座的相對側(cè)或者 沿著圓柱支座的相對壁的螺旋形開放軌道，所述軌道通過兩個超導(dǎo)過孔彼此連接。本發(fā)明的另一個目的涉及包括第一和第二超導(dǎo)元件的超導(dǎo)裝置，每個超導(dǎo)元件具 有至少一個開放軌道，其中第一超導(dǎo)元件的第一開放軌道通過一個或更多個超導(dǎo)絲連接到 第二超導(dǎo)元件的第二開放軌道。形成超導(dǎo)裝置的超導(dǎo)元件的支座可能彼此電連接。超導(dǎo)元件的開放軌道可以通過一個或更多個超導(dǎo)絲彼此連接。通過把絲的末端陷 入到插入凹槽中的超導(dǎo)材料的前驅(qū)體粉末之間，并且在這些絲存在的時候?qū)崿F(xiàn)前驅(qū)體-超 導(dǎo)體轉(zhuǎn)變反應(yīng)，從而使得這些超導(dǎo)絲與軌道的超導(dǎo)材料集成到一起。具體地說，將要連接 的超導(dǎo)軌道可以屬于同一超導(dǎo)元件(圖4B)或?qū)儆诓煌某瑢?dǎo)元件，即形成超導(dǎo)裝置(圖 4A)。在后者的情況下，超導(dǎo)元件可以串聯(lián)或并聯(lián)方式彼此連接。為了賦予本發(fā)明的超導(dǎo)裝置更高的機械強度，超導(dǎo)元件可以通過例如由非超導(dǎo)材 料制成的支座之間的連接臺彼此連接。同樣，為了機械強化連接到超導(dǎo)元件的超導(dǎo)絲，超導(dǎo) 絲可以被插入到位于超導(dǎo)元件的同一支座或附加支座上的特定凹槽中。通過把要被液化的 反應(yīng)物的塊狀體定位在反應(yīng)容器中的一個點可以把超導(dǎo)絲保持在凹槽中，所述點使得反應(yīng) 物不但能滲透到含有前驅(qū)體的凹槽中，而且還滲透到含有超導(dǎo)絲的凹槽中。在前驅(qū)體-超 導(dǎo)體轉(zhuǎn)變反應(yīng)結(jié)束時，已經(jīng)滲透到超導(dǎo)絲的凹槽中的液體反應(yīng)物固化，從而把超導(dǎo)絲牢固 地固定到支座。圖4A示出了作為本發(fā)明目的的超導(dǎo)裝置中的兩個超導(dǎo)元件的第一連接示例。通 過超導(dǎo)絲12連接兩個超導(dǎo)元件ES和ES’，該超導(dǎo)絲12把超導(dǎo)元件ES的開放軌道3的末端 9連接到位于第二超導(dǎo)元件ES’上的開放軌道3’的末端9’。圖4B示出了兩個超導(dǎo)元件的第二連接示例。圖4B示出通過連接位于同一超導(dǎo)元 件ES上的兩個開放軌道3和3’的超導(dǎo)絲12而獲得的連接。圖4A和4B沒有示出用于機 械強化超導(dǎo)絲的連接臺。上述連接僅例示了作為本發(fā)明目的的連接兩個或更多個超導(dǎo)元件的各種可能方 式，因此不能認(rèn)為是對本發(fā)明保護范圍的限制。圖3例示了根據(jù)本發(fā)明的超導(dǎo)元件的又一個優(yōu)選實施例。在圖3的超導(dǎo)元件中， 通過超導(dǎo)絲13連接同一超導(dǎo)軌道3的兩個點8和8’，其中超導(dǎo)絲13充當(dāng)熱超導(dǎo)開關(guān)，其 由一個或更多個比軌道3薄得多(具有比軌道3的總超導(dǎo)截面小至少20%的總超導(dǎo)截面)的超導(dǎo)絲構(gòu)成，優(yōu)選彎曲的并且以抗電感(anti-inductive)模式布置。熱超導(dǎo)開關(guān)13還 可以被具有比軌道3的截面小的適當(dāng)截面的超導(dǎo)軌道所替換。軌道3還在點9和9’與設(shè) 置有兩個開關(guān)10和10’的位于點11和11’的兩個外部電流源連接。當(dāng)熱超導(dǎo)開關(guān)13較熱時(即，其溫度高于構(gòu)成熱超導(dǎo)開關(guān)13的超導(dǎo)材料的臨界 溫度)，其呈現(xiàn)較高的電流阻抗并且軌道3實際表現(xiàn)得像開放軌道。在這些條件下，通過閉 合點11和11’處的電流源的開關(guān)10和10’，軌道3可以從外部饋入電流。當(dāng)熱超導(dǎo)開關(guān)13較冷時(即，其溫度低于臨界溫度)，軌道3和與其連接的熱超導(dǎo) 開關(guān)13表現(xiàn)得像閉合軌道，從而允許電流無間斷地在整個軌道_熱超導(dǎo)開關(guān)回路上循環(huán)。 在這種構(gòu)造中(即，當(dāng)電流在循環(huán)時)，可以通過斷開開關(guān)10和10’來暫停經(jīng)由點11和11’ 處的外部電流源的電流饋入。利用本發(fā)明的超導(dǎo)元件能獲得的連接的多樣性提供了相當(dāng)大的優(yōu)勢。具體地說， 通過兩個或更多個超導(dǎo)元件的串聯(lián)或并聯(lián)連接(也可能在同一支座上具有兩個或更多個 超導(dǎo)軌道且彼此連接)，可以制作具有最適合預(yù)定的具體應(yīng)用的拓?fù)浜烷L度的超導(dǎo)裝置。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，超導(dǎo)元件由具有螺旋鑲嵌軌道的支座構(gòu)成。圖5例示 了具有螺旋型鑲嵌軌道(其在一定數(shù)目的螺旋之后閉合)的超導(dǎo)元件的例子。圖5的超導(dǎo) 元件包括具有矩形截面的環(huán)形支座。相對于中心0的穿過環(huán)的中軸傾斜的直線形式的軌道 (傾斜軌道)鑲嵌在矩形的較大表面上。屬于支座的兩個較大表面之一的傾斜軌道的傾斜 度等于偏移角β ；屬于相對表面的軌道的偏移角等于180-β。傾斜的軌道分別連接兩個系 列的點P1i和P2i，這兩個系列的點分別沿著半徑為A的支座的內(nèi)圓周和沿著半徑為r2的外 圓周。為了獲得必要的軌道螺旋連續(xù)性，點P1i除了與支座的同一表面上的相應(yīng)點P2i連接 之外，還通過超導(dǎo)過孔與支座的相對表面上鑲嵌的相應(yīng)的超導(dǎo)軌道連接。為了保證軌道的螺旋發(fā)展使得以環(huán)形均勻地覆蓋整個支座并且是閉合的(即螺 旋發(fā)展的起始點和到達點重合)，圖5的角α對著由從支座的兩個相對側(cè)上的同一個點 (圖5中的P1tl)出發(fā)的兩個軌道和對應(yīng)的連接過孔構(gòu)成的單個螺線(spire)，角β限定了 軌道相對于環(huán)的中軸的取向，角α和上文限定的角β必須滿足下列關(guān)系
, / r, senia /2)、= arctg (―^；)。
r2 - r\ cos(Gr / 2)可以下列方式表示支座表面上點P1i和P2i的位置。包圍整個環(huán)的單螺旋的螺線數(shù) 目被定義為η，且m表示螺旋的整數(shù)數(shù)目，每個螺旋從前一螺旋偏移重返第一螺旋的起始點 所必須的角α*。角α*與η和m的關(guān)系為a* = 360/[n*m)]。因此，通過軌道連接的每個點P1i和P2i的極坐標(biāo)P (r，θ )被由此定義為P1i = (r1; . (l/2+i/m))，P2i =(巧，i m)，其中 i=0，l，2，...，n*m。以傾斜直線形式的軌道連接的各對點之間的距離等于
r, - r, cos α/2-!---ο
COS β在本發(fā)明的又一個實施例中，以具有期望長度的條的形式制作超導(dǎo)元件。參照圖 7A-7C，條形式的超導(dǎo)元件13包括至少三個疊加層。最外面的層14和16由鑲嵌有位于凹
11槽20中的平行超導(dǎo)軌道3(圖7A中僅示出了存在于支座上的空凹槽20)的支座構(gòu)成。支 座14和16定位為與中心金屬支座15的兩個相對側(cè)接觸，并且被這樣定向，使得第一層14 的超導(dǎo)軌道3沿著相對于第二層16的超導(dǎo)軌道的不同方向發(fā)展。三個層14、15和16的疊 加產(chǎn)生了具有交織超導(dǎo)軌道的超導(dǎo)元件。中心金屬支座15具有用于容納反應(yīng)物材料的腔 17、適當(dāng)?shù)夭贾脼閷?4的超導(dǎo)軌道與層16的超導(dǎo)軌道連接的連接孔18(過孔)、和三個 層的鉚點(riveting point) 19。如已提及的，本發(fā)明的又一個目的涉及制備上述類型的超導(dǎo)元件的方法，所述方 法包括以下操作步驟a)在由非超導(dǎo)材料制成的剛性支座表面上制作至少一個凹槽；b)把超導(dǎo)材料的粉末前驅(qū)體插入凹槽中并且將其壓實到實際密度值等于理論密 度值的至少50% ；c)定位至少一種固體反應(yīng)物，使之與前驅(qū)體粉末接觸，或者定位于臨近含有粉末 的凹槽的位置；d)對反應(yīng)物和含有前驅(qū)體的凹槽加熱，直到反應(yīng)物液化并且隨后滲透到前驅(qū)體粉 末中并在凹槽中形成超導(dǎo)軌道為止。步驟a)包括在剛性支座的表面上形成至少一個凹槽，在插入前驅(qū)體和向超導(dǎo)材 料的相關(guān)轉(zhuǎn)變之后，所述凹槽形成超導(dǎo)材料的軌道。該方法的步驟b)包括使用超導(dǎo)材料的前驅(qū)體填充凹槽并且將其壓實。前驅(qū)體通常由室溫為粉末形式的固體材料構(gòu)成。其被放置在凹槽中，并且在進行 向超導(dǎo)材料的轉(zhuǎn)變反應(yīng)之前，被壓實到其實際密度值等于其理論密度值的至少50%為止。 粉末的壓實使得能從步驟d)的轉(zhuǎn)變反應(yīng)獲得超導(dǎo)材料，該超導(dǎo)材料完全填充凹槽且密度 高于理論值的85 %，優(yōu)選高于88 %。出于本發(fā)明的目的，實際密度表示粉末質(zhì)量和插入凹槽中的粉末占據(jù)的總體積 (包括粉末顆粒之間的空隙)之間的比?？梢愿鶕?jù)本領(lǐng)域中使用的粉末壓實的傳統(tǒng)技術(shù)(例如單軸或等靜壓冷擠壓、軋 制)和壓力儀器來實現(xiàn)壓實。超導(dǎo)材料的前驅(qū)體的例子為-硼粉，可能附加有亞微米碳粉、亞微米SiC粉末、或者Mg-Zn或Mg-Co合金粉末；-Cu-Sr合金粉末和過氧化鍶粉末的混合物；-鐵粉和屬于稀土族(鑭系)的元素(優(yōu)選釹)的粉末的混合物；-Fe和Te粉末的混合物，可能附加有硫；-Fe和Se粉末的混合物，可能附加有硫。一種特別優(yōu)選的前驅(qū)體是機械活化的粉末形式的微晶硼，在液體金屬鎂存在時， 在適當(dāng)反應(yīng)條件下，微晶硼可以轉(zhuǎn)變成超導(dǎo)材料MgB2。該方法的步驟C)包括定位至少一種固體反應(yīng)物(此后也稱作固體)，即能與粉末 前驅(qū)體反應(yīng)以形成超導(dǎo)材料的化合物。一種或更多種固體被定位于支座上的凹槽上方，與 前驅(qū)體粉末接觸或者位于鄰近凹槽的位置，使得一旦這些固體在適當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫l件下 通過加熱變成液態(tài)，液體反應(yīng)物能滲透到凹槽中并且與前驅(qū)體接觸。凹槽中含有的前驅(qū)體 粉末與液體反應(yīng)物之間的化學(xué)反應(yīng)形成了超導(dǎo)材料，并且因此在支座中鑲嵌了超導(dǎo)軌道。
當(dāng)制備具有Sr2CuO3.4的超導(dǎo)軌道的超導(dǎo)元件時，在步驟b)使用由Cu-Sr合金和過 氧化鍶粉末的粉末混合物組成的前驅(qū)體，并且在步驟c)中固體由過氧化鍶組成。當(dāng)制備FeNdAsOa85的超導(dǎo)元件時，在該方法的步驟b)使用Fe和Nd粉末的混合物 組成的前驅(qū)體。在步驟c)所使用的固體反應(yīng)物塊體由AS和氧化砷的復(fù)合物組成。當(dāng)制備具有FeTea5Sea5的超導(dǎo)軌道的超導(dǎo)元件時，在該方法的步驟b)使用由Fe 和Te粉末的混合物或者Fe和Se粉末的混合物組成的前驅(qū)體。在步驟c)，所使用的固體反 應(yīng)物塊體可以由Se、Te或Se-Te合金組成。在密封容器構(gòu)成的封閉環(huán)境中通過使一種或更多種液體反應(yīng)物滲透到包含于支 座的凹槽中的壓實的前驅(qū)體粉末中來實現(xiàn)步驟d)中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。通常通過把包括支 座的整個容器加熱到400°C至1100°C范圍的溫度且持續(xù)30分鐘至30小時來進行反應(yīng)，所 述支座具有填充有前驅(qū)體的凹槽和放置在凹槽外的固體形式的其它反應(yīng)物。在Sr2Cu03.4軌道的情況下，優(yōu)選在400-1000°C范圍的溫度加熱并持續(xù)1小時至20 小時。在該處理之后，在室溫至300°C范圍的溫度和1-10小時的時間內(nèi)在受控氣氛(氧化 或還原)下進行進一步的熱處理，以達到超導(dǎo)材料的期望的化學(xué)計量氧含量。在FeNdAsOa85軌道的情況下，優(yōu)選在900-1200°C范圍的溫度和30分鐘-30小時 范圍的持續(xù)時間內(nèi)進行加熱。在？61^.55%.5軌道的情況下，優(yōu)選在500-900°C范圍的溫度和30分鐘-10小時范 圍的持續(xù)時間內(nèi)進行加熱。通常在將容器內(nèi)的空氣替換成惰性氣體(例如氬)之后密封容器。在一些情況中， 例如當(dāng)要制備超導(dǎo)材料Sr2Cu03.4或FeNdAsOa85時，密封前不必進行容器氣氛的惰性化。為了實現(xiàn)前驅(qū)體向具有超導(dǎo)性質(zhì)的材料的轉(zhuǎn)變(步驟d)，使用具有足夠容納一個 或更多個剛性支座和連接不同支座的可能的超導(dǎo)絲的形狀和尺寸的反應(yīng)容器。根據(jù)所使用的前驅(qū)體類型選擇構(gòu)成容器的材料。容器的材料必須是在步驟d)的 操作條件下不與前驅(qū)體和其它反應(yīng)物發(fā)生反應(yīng)的材料。為了獲得具有MgB2軌道的超導(dǎo)元 件，可以使用能抵抗高達約1000°C溫度的任何材料(例如鋼，優(yōu)選不銹鋼)來制作容器。再者，為了避免步驟d)期間的不期望的反應(yīng)，反應(yīng)容器可以內(nèi)部涂敷有特定惰性 和難熔材料的保護層。為了制作具有Sr2CuO14軌道的超導(dǎo)元件，容器必須由能抵抗高達約 iioo°c溫度的材料(例如鋼、鈦、或基于鎳的合金)構(gòu)成，并且可以通過在氧化氣氛中進行 表面氧化來獲得這些材料的保護。為了制造具有FeNdAsOa85軌道的超導(dǎo)元件，容器必須由 能抵抗高達約1200°C溫度的材料(例如鈦或不銹鋼)構(gòu)成，并且在這種情況下，容器必須內(nèi) 部涂敷有由SiO2或Al2O3構(gòu)成的涂層膜?？梢允褂美鏑VD技術(shù)施加涂層膜。類似地，如果要獲得具有由FeTea5Sea5材料構(gòu)成的超導(dǎo)軌道的超導(dǎo)元件，涂敷有 SiO2薄涂層膜或ZnTe型薄金屬間化合物膜的鋼可以被用作容器的材料，例如通過對形成該 膜的元素進行真空沉積。如已提及的，在本發(fā)明一個特別優(yōu)選的實施例中，超導(dǎo)元件包括含有高致密MgB2 的超導(dǎo)軌道。在具有包含高致密MgB2的超導(dǎo)軌道的超導(dǎo)元件的情況中，使用選自以下材料組的 材料制作剛性支座非磁性鋼(特別是AISI 304和AISI 316型鋼)、鐵/鎳合金、鈦、基于 鎳和銅的合金(例如蒙乃爾銅鎳合金)。支座優(yōu)選由非磁性鋼、鈦或蒙乃爾銅鎳合金制成。
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如果電絕緣保護涂層膜在凹槽內(nèi)和凹槽之間是必需的，其可以真空沉積為氧化物 化合物，例如MgO、氧化鐵、氧化鎳、氧化鈦。例如，這可以是使用銅支座的情況。為了制備含有MgB2的導(dǎo)電軌道，該方法的步驟b)包括使用由機械活化的粉末 形式的晶體或無定形硼構(gòu)成的前驅(qū)體且可能附加地使用亞微米SiC粉末或亞微米碳粉或 Mg-Zn合金或Mg-Co合金粉末來填充在步驟a)中于支座上制作的一個或更多個凹槽。通過 例如利用旋轉(zhuǎn)圓柱體在碾磨機中進行碾磨來獲得無定形硼的機械活化。這種活化操作減小 了晶粒間聚合體的尺寸，使得添加的粉末更好地分散且增大了填充凹槽時的壓實粉末的實 際密度(即封裝密度)?？梢酝ㄟ^重復(fù)碾磨具有不同毫米的尺寸的晶體硼小薄片(優(yōu)選使用純度等于或 大于99. 4% )來獲得機械活化的晶體硼?？梢酝ㄟ^在“幾乎靜止”條件下施加高負(fù)荷的壓縮(例如油壓擠壓)，或者在“動 態(tài)”條件下通過在旋轉(zhuǎn)圓柱體之間的碾磨來實現(xiàn)碾磨。除了獲得具有更精細(xì)顆粒尺寸(小 于100微米，優(yōu)選小于40微米)的粉末之外，該活化還使得硼晶粒的暴露表面更少地受到 雜質(zhì)(例如氧和濕氣)的污染，從而使得粉末對液體鎂的滲透性更好，通過液體鎂與硼的反 應(yīng)獲得MgB2。具體地說，選擇活化的晶體硼粉末使得包括平均體積直徑范圍10-70微米的顆粒。在該方法的步驟b)中，在凹槽中壓實機械活化的硼粉末直到實現(xiàn)實際密度高于 晶體硼的理論密度(斜方六面體晶體硼的理論密度2.35g/cm3)的50%。填充凹槽的粉末形狀的硼還可以混合物的形式包含數(shù)量高達20%鎂原子數(shù)的金 屬鎂。此外，在該情況中，位于支座凹槽中的前驅(qū)體必須滿足上面限定的實際密度要求。作為上述硼和鎂混合物的替代，前驅(qū)體可以由通過機械混合已機械活化的硼粉末 和顆粒尺寸小于30微米(優(yōu)選小于10微米)的MgB2粉末獲得的混合物構(gòu)成。MgB2粉末 的摩爾數(shù)小于或等于硼粉末的摩爾數(shù)，優(yōu)選低于硼粉末的摩爾數(shù)的50%，更優(yōu)選低于硼粉 末的摩爾數(shù)的30%。在支座的凹槽中壓實的硼粉末和MgB2的混合物的實際密度必須高于 1. 2g/cm3，優(yōu)選高于 1. 4g/cm3。為了獲得包含MgB2的超導(dǎo)軌道，在該方法的步驟c)中使用純度大于99%的一塊 或更多塊晶體金屬鎂。一個或更多個鎂塊的位置必須使得在后續(xù)的步驟d)的操作條件下 把鎂液化之后，液體鎂滲透穿過活化的硼粉末或者穿過上述含有硼粉末的其它混合物，與 之反應(yīng)并且在凹槽中形成含有作為超導(dǎo)材料的MgB2的導(dǎo)電軌道。位于靠近填充有硼的凹槽的一個或更多個鎂塊的總質(zhì)量使得原子比Mg/Bym大于 0. 5。在優(yōu)選實施例中，鎂塊是厚度l_5mm的片狀，在凹槽中填充有前驅(qū)體之后，鎂塊相 對于支座疊加在一起(圖2，片6)?？商娲?，還可以使用高純度鎂塊、鎂與一種或更多種熔點低于鎂的金屬(例如 Ga、Sn、In和Zn)的合金塊，所述低熔點金屬可以低于一定重量百分比的任何量存在，該重 量百分比對應(yīng)于與多數(shù)鎂對應(yīng)的合金的共熔點的成分。使用上述鎂合金獲得的基于MgB2的軌道的超導(dǎo)性質(zhì)與使用高純度金屬鎂獲得的 軌道的超導(dǎo)性質(zhì)類似。
使用熔點低于純鎂的熔點的這些合金，允許由超導(dǎo)材料制成的前驅(qū)體的轉(zhuǎn)變反應(yīng) d)發(fā)生得更快和/或在更低的溫度下發(fā)生，因此被證明是減小本發(fā)明目的的超導(dǎo)元件的制 備方法的成本和減小剛性支座的熱膨脹/收縮影響的有用技術(shù)。然后，具有填充有超導(dǎo)材料的前驅(qū)體的凹槽的剛性支座和一個或更多個鎂塊一起 被轉(zhuǎn)移到之前描述的類型的特定容器中。該容器被密封，以使得其內(nèi)部包含惰性氣體氣氛 或者具有低于20%原子數(shù)的氧含量的氣氛。容器內(nèi)的氣壓使得保證在后續(xù)步驟d)的整個 處理過程中鎂以液相存在。使用現(xiàn)有技術(shù)中已知的技術(shù)和裝置實現(xiàn)容器的密封。例如，在 金屬容器的情況中，通過焊接封口蓋(圖2，蓋5)來獲得密封。為了制備具有包含MgB2W軌道的超導(dǎo)元件，用于將前驅(qū)體轉(zhuǎn)變成超導(dǎo)材料的步驟 d)包括在至少700°C的溫度下對容器中密封的支座進行熱處理。熱處理進行至少30分鐘的時間。步驟d)優(yōu)選在750_900°C范圍的溫度中進行1_5 小時。由于容器中存在的氣體氣氛施加的壓力和溫度，固體鎂(塊狀體形式或片形式) 被液化并且滲透穿過存在于凹槽中的前驅(qū)體粉末。液體鎂和活化的晶體硼(可能與鎂粉末 或MgB2粉末混合)之間的反應(yīng)導(dǎo)致在形成于支座上的軌道中形成超導(dǎo)MgB2的鑲嵌。通過對整個容器進行加熱(例如在爐子中)實現(xiàn)獲得作為本發(fā)明目的的超導(dǎo)元件 的支座的熱處理。在階段d)處理結(jié)束時，容器被冷卻且被打開以重新獲得具有MgB2軌道的超導(dǎo)元 件。然后，清除超導(dǎo)元件上的反應(yīng)的殘余材料，特別是支座上重新固化的液體鎂的殘 余物(或者在軌道超導(dǎo)材料不同于MgB2W情況下，清除其它重新固化的液體反應(yīng)物)，并且 通過鏇制、銑削、切削和碾磨操作達到尺寸。作為本發(fā)明目的的方法還可以稍加改動來用于制備使一個或更多個超導(dǎo)軌道連 接到一個或更多個超導(dǎo)絲的超導(dǎo)元件，使得在超導(dǎo)體的臨界溫度以下，連接區(qū)域的電阻小 于10_80hm，優(yōu)選小于10_90hm，并且連接區(qū)域能傳輸至少103A。在連接中可以使用的超導(dǎo)絲 優(yōu)選為從反應(yīng)滲透過程得到的中空纖維形式的MgB2絲。專利MI2002A001004中描述了可 用于該目的的纖維的示例。為了獲得超導(dǎo)軌道和超導(dǎo)絲之間的連接，可能以兩種不同的方式操作。在第一模 式中，從所述超導(dǎo)絲的末端清除涂敷的非超導(dǎo)材料并且插入到凹槽中，所述凹槽填充有超 導(dǎo)材料的前驅(qū)體。在第二模式中，從超導(dǎo)絲的前驅(qū)體線(即，由與粉末前驅(qū)體相同的材料構(gòu) 成的線)的末端清除外部金屬殼直到露出前驅(qū)體粉末，并且插入到凹槽中，所述凹槽填充 有超導(dǎo)材料的前驅(qū)體粉末。具有插入到填充有前驅(qū)體的凹槽中的前驅(qū)體絲或超導(dǎo)絲的支座 隨后被封閉在反應(yīng)容器內(nèi)，所述反應(yīng)容器中為惰性氣體氣氛或氧含量低于20%原子數(shù)的氣 氛。在第一制備方法中，反應(yīng)容器可以具有一個或更多個附加的可密封開口，通過該可密封 開口，超導(dǎo)絲凸出支座外的部分可以被穿過。按照這種方式，只有插入到軌道中的絲的部分 才受到該方法的步驟d)的處理。上述過程允許制備具有基于MgB2和其它能保證傳送高超導(dǎo)電流密度的高密度超 導(dǎo)體的軌道的超導(dǎo)元件。作為本發(fā)明目的的超導(dǎo)元件具有比可用的最終產(chǎn)品的同樣材料、形式和總體積的類似的塊狀超導(dǎo)體更高的電磁、機械和熱學(xué)性能。因為超導(dǎo)材料以高密度形式制備，但是具 有減小的厚度，所以本發(fā)明的超導(dǎo)材料沒有在塊狀體形式的超導(dǎo)材料中通常出現(xiàn)的在表面 上的超導(dǎo)電流的散射問題。此外，厚度減小有助于超導(dǎo)材料在使用過程中的冷卻。含有基 于MgB2的軌道的超導(dǎo)元件的制備還提供了附加的優(yōu)點相對于其它形式的超導(dǎo)材料被更簡 單地實現(xiàn)。本發(fā)明的超導(dǎo)元件的又一個優(yōu)點在具有閉合軌道的超導(dǎo)元件的應(yīng)用中表現(xiàn)出來， 特別適合于獲得靜態(tài)磁場，例如取代經(jīng)典的永磁體。在這種情況中，與超導(dǎo)塊狀體不同，可 以對超導(dǎo)元件充電而不必使其經(jīng)受高激發(fā)磁場。借助于電流發(fā)生器可以更加簡單地對該元 件進行充電，所述電流發(fā)生器像前面描述的那樣通過連接到元件的軌道的熱超導(dǎo)開關(guān)的系 統(tǒng)饋入必要的電流。作為本發(fā)明目的的超導(dǎo)元件(具有實際上零電阻的超導(dǎo)軌道)的使用還提供了允 許制作具有降低了能耗的電磁裝置的優(yōu)點。作為本發(fā)明目的的超導(dǎo)元件在廣范的各種技術(shù)領(lǐng)域都具有許多工業(yè)應(yīng)用。本發(fā)明還涉及根據(jù)本發(fā)明的超導(dǎo)元件的用途_超導(dǎo)系統(tǒng)的電流導(dǎo)線或者電力網(wǎng)絡(luò)之間的高密度電流傳輸桿，-高效電動馬達或發(fā)電機的磁體，-限流器，-積累電能的磁體，_變壓器線圈，_用于凈化廢水或從煤塵清除含硫物質(zhì)的裝置中的磁體，-用于抗磁低溫冷卻的可變場磁體，_高效磁感應(yīng)加熱器，-用于轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的極低摩擦力的懸浮磁軸承，-用于材料的磁分離或用于各向異性抗磁物質(zhì)的定向的高場磁體，-用于懸浮車輛的超導(dǎo)線性馬達，_用于在磁共振設(shè)備中產(chǎn)生靜磁場的磁體，-用于粒子加速器的磁體，_用于研究核聚變的大尺寸的磁體，-用于發(fā)送和接收微波場(microwavefield)中的電磁波的天線。具體地說，在電工領(lǐng)域中，作為本發(fā)明目的的超導(dǎo)元件可以用于通過在定子中定 位具有開放軌道的超導(dǎo)元件和在轉(zhuǎn)子中定位具有封閉軌道的超導(dǎo)元件來制作高效電動馬 達或發(fā)電機。能使用作為本發(fā)明目的的超導(dǎo)元件獲得的高磁場允許制作更緊湊和輕便(相 對于現(xiàn)有技術(shù)當(dāng)前已知的)的具有相同功率的馬達，并且還能更快速地進行加速。利用作為本發(fā)明目的的超導(dǎo)元件，還能制備特別有效的限流器(例如，在控制電 力網(wǎng)絡(luò)的故障電流方面)。在環(huán)境領(lǐng)域中，廢水的凈化處理和含硫物質(zhì)的煤塵的凈化可以有益地利用作為本 發(fā)明目的的超導(dǎo)元件來制作具有幾個特斯拉的磁感應(yīng)的大尺寸永久磁體。下面的具體實施例僅用于例示本發(fā)明的目的并且不應(yīng)當(dāng)理解為對所附權(quán)利要求 定義的保護范圍的限定。
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示例 1按照以下方式制備根據(jù)本發(fā)明的超導(dǎo)元件。在直徑60mm的盤形鋼支座表面上通 過電腐蝕形成寬0. 5-lmm、深4. 5mm的凹槽。所述凹槽被形成如下，其使得以螺旋方式在支 座上創(chuàng)建開放軌道，所述螺旋從20mm的內(nèi)徑開始直到到達54mm的外徑松開(unwind)為7 條螺線。所述凹槽填充有由晶體硼組成的前驅(qū)體粉末。通過在碾磨機中利用旋轉(zhuǎn)圓柱體進 行碾壓來機械活化硼粉末。然后用網(wǎng)眼為40微米的篩子過濾由此碾磨后的粉末。所述粉 末的平均直徑為25微米。借助輥把凹槽中的粉末手動壓實，直到達到等于1. 2g/cm3的實際 密度為止。具有填充有壓實的粉末的凹槽的支座疊加有純度99.9%、厚度7mm的金屬鎂片。 這樣獲得的支座被轉(zhuǎn)移到鋼容器，所述鋼容器內(nèi)部涂敷有一層100微米厚的Nb薄層(總厚 度200微米)。各自具有100微米厚度的兩個Nb片位于鋼容器的底部和蓋的下面。在空氣 中實現(xiàn)支座向容器的轉(zhuǎn)移，并且隨后將氬氣流通入容器中，之后封閉容器(其內(nèi)部具有同 樣的氣氛)。在爐子中加熱容器至900°C并持續(xù)3個小時。一旦冷卻，具有MgB2W開放螺 旋軌道的超導(dǎo)元件被從容器中取出，在4. 2K下通過測量臨界電流Ic與所施加的磁通量密 度B之間的關(guān)系(如圖6所示)來確認(rèn)其超導(dǎo)行為。示例 2使用直徑70mm、厚8mm的盤形鋼支座制備作為超導(dǎo)元件的超導(dǎo)永久磁體，在鋼支 座的兩側(cè)表面上鑲嵌兩個螺旋凹槽(尺寸1. 5mm寬、2. 5-3. Omm深)，所述螺旋凹槽根據(jù)等 方向趨勢以16條螺線從盤的中心發(fā)展到外圍，即兩個螺旋以相同的方向纏繞在支座的法 向軸周圍。兩個凹槽通過位于支座中的直徑3mm的兩個孔連接，以便使兩個中心彼此連接 和連接螺旋凹槽的兩端。在支座的凹槽和孔中插入與示例1相同的晶體硼粉末，并且手動壓實直到實際密 度達到1. 2g/cm3為止。在盤的兩側(cè)彼此面對地在支座上定位與示例1所用類型相同的兩個 鎂片。然后，這樣制備的支座被插入到鋼容器中并且在氬氣氛中、在900°C的溫度下按照示 例1描述的相同過程進行3個小時的熱處理。然后從容器中取出具有閉合螺旋軌道的MgB2 的超導(dǎo)元件。具體地說，通過過孔超導(dǎo)體串聯(lián)連接的兩個凹槽形成的閉合軌道如下在其中 產(chǎn)生電流的等旋轉(zhuǎn)(equi-rotational)趨勢，因此得到等方向磁場。通過把超導(dǎo)元件定位到超導(dǎo)磁體中，在超導(dǎo)元件中感生出即使在關(guān)閉激勵磁體 之后也會保持持續(xù)的電流。在超導(dǎo)軌道中感生的電流是這樣的，其使得可以在12K溫度 下、在距離超導(dǎo)元件表面Imm處與兩個螺旋之一的中心對應(yīng)地測量到1. 15特斯拉的剩余 (entrapped)持續(xù)磁通量密度。作為比較，超導(dǎo)材料的MgB2的塊狀盤具有這樣的尺寸，其含 有的超導(dǎo)材料的量比目前的超導(dǎo)元件大三倍，在類似的溫度和充電類型條件下，保持0. 90 特斯拉的剩余磁通量密度。示例 3由厚8mm、直徑60mm的盤形非磁性AISI 316鋼支座構(gòu)成的超導(dǎo)元件具有鑲嵌在兩 個表面上的同心圓形式的19條MgB2的超導(dǎo)閉合軌道，厚0. 5mm，直徑范圍從52mm到10mm， 深度3-4mm，且中心圓柱體具有5mm的直徑。該超導(dǎo)元件如示例2那樣制備，并且在其中心、 距離表面Imm處測量其剩余磁場通量密度。在溫度21K下表現(xiàn)出1特斯拉的持續(xù)磁通量密度。
權(quán)利要求
一種超導(dǎo)元件，包括由非超導(dǎo)材料制成的剛性支座，所述支座包括由包含超導(dǎo)材料的凹槽形成的至少一個超導(dǎo)軌道，所述超導(dǎo)材料的實際密度等于其理論密度值的至少85％，優(yōu)選等于至少88％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)元件，其中所述超導(dǎo)軌道由選自下組材料的超導(dǎo)材料制 成MgB2、FeNdAsO。. 85、FeTe。. 5Se0.5、Sr2Cu03.4，優(yōu)選 MgB2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超導(dǎo)元件，其中所述超導(dǎo)軌道為(i)閉合的，優(yōu)選具有圓形形狀和/或(ii)閉合的或開放的，具有螺旋延伸和/或(iii)開放的，線性類型和/或(iv)開放的，具有帶狀類型和彎曲延伸。
4.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的超導(dǎo)元件，包括一個或更多個開放螺旋軌道，所述螺 旋軌道鑲嵌于扁平支座的相對面上或者沿著圓柱體支座的相對壁，所述軌道通過支座中填 充有超導(dǎo)材料的孔連接到一起。
5.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的超導(dǎo)元件，其中所述剛性支座的表面和所述凹槽的 表面涂敷有電絕緣材料的涂層膜，優(yōu)選選自下列的材料的膜MgO、Si02、A1203、NiO、Fe203、 Ti02、ZnO、Zr02、Y203，或它們的復(fù)合物，或者Fe、Ni或Ti的膜。
6.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的超導(dǎo)元件，其中制成所述剛性支座的材料選自非磁 性不銹鋼、鐵/鎳合金、鎳和鎳含量超過50%的鎳/銅合金、鈦、這些材料與銅的復(fù)合物、熔 點超過1100°C的金屬間化合物、鋅碲化合物。
7.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的超導(dǎo)元件，其中所述導(dǎo)電軌道的兩個點通過具有熱超 導(dǎo)開關(guān)功能的超導(dǎo)絲相連接。
8.一種超導(dǎo)裝置，包括根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項所述的第一和第二超導(dǎo)元件，每個超 導(dǎo)元件具有至少一個開放軌道，其中所述第一超導(dǎo)元件的第一開放軌道通過一個或更多個 超導(dǎo)絲連接到所述第二超導(dǎo)元件的第二開放軌道。
9.一種磁體，包括根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項所述的超導(dǎo)元件。
10.權(quán)利要求1-7任一項所述的超導(dǎo)元件的用途為_超導(dǎo)系統(tǒng)的電流導(dǎo)線或者電力網(wǎng)絡(luò)之間的高密度電流傳輸桿， -高效電動馬達或發(fā)電機的磁體， -限流器， -積累電能的磁體， -變壓器線圈，_用于凈化廢水或從煤塵清除含硫物質(zhì)的裝置中的磁體，-用于抗磁低溫冷卻的可變場磁體，-高效磁感應(yīng)加熱器，-用于轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的極低摩擦力懸浮磁軸承，-用于材料的磁分離或用于各向異性抗磁物質(zhì)的定向的高場磁體，-用于懸浮車輛的超導(dǎo)線性馬達，-用于在磁共振設(shè)備中產(chǎn)生靜磁場的磁體，-用于粒子加速器的磁體，“用于研究核聚變的大尺寸的磁體， “用于發(fā)送和接收微波場的電磁波的天線。
11.一種用于制備根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)元件的方法，包括以下操作步驟a)在由非超導(dǎo)材料制成的剛性支座的表面上制作至少一個凹槽；b)將超導(dǎo)材料的粉末前驅(qū)體插入到凹槽中，并且將其壓實到實際密度值等于理論密度 值的至少50% ；c)定位至少一種固體反應(yīng)物，使其與前驅(qū)體粉末相接觸或者使其位置鄰近其中含有粉 末的凹槽；d)對反應(yīng)物和含有前驅(qū)體的凹槽加熱，直到反應(yīng)物被液化并且隨后滲透到前驅(qū)體粉末 中，從而在凹槽中形成超導(dǎo)軌道。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求的方法，其中步驟b)包括使用選自下組的超導(dǎo)材料的前驅(qū)體填 充在步驟a)中于支座上制作的一個或者更多個凹槽-硼粉，可能添加有亞微米碳粉、亞微米SiC粉末、或者Mg-Zn或Mg-Co合金粉末； -Cu-Sr合金粉末和過氧化鍶粉末的混合物；-鐵粉和屬于稀土族(鑭系)的元素的粉末的混合物，鑭系元素優(yōu)選為釹； -Fe和Te粉末的混合物，可能附加有硫； -Fe和Se粉末的混合物，可能附加有硫。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中步驟b)包括使用由機械活化的晶體或無定形硼 粉末組成的前驅(qū)體填充在步驟a)中于支座上制作的一個或更多個凹槽。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求的方法，其中在步驟c)中，所述反應(yīng)物是純度大于99%的晶體 金屬鎂的塊體，優(yōu)選片形。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求的方法，其中步驟d)包括在至少700°C的溫度下對插入到支座 中的前驅(qū)體和密封在容器內(nèi)的反應(yīng)物進行至少30分鐘的熱處理，優(yōu)選在750°C到900°C之 間的溫度下持續(xù)熱處理1-5小時。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中在步驟c)，所述反應(yīng)物是以下材料的固體-如果前驅(qū)體是Cu-Sr合金粉末與過氧化鍶粉末的混合物，則所述反應(yīng)物為過氧化鍶， 以獲得Sr2Cu03.4的超導(dǎo)軌道；-如果前驅(qū)體是Fe和Te粉末的混合物或者是Fe和Se粉末的混合物，則所述反應(yīng)物為 碲、硒、或碲硒合金，以獲得FeTea5Se(1.5的超導(dǎo)軌道；-如果前驅(qū)體是鐵和釹粉末的混合物，則所述反應(yīng)物為As和氧化砷的復(fù)合物，以獲得 FeNdAs00.85的超導(dǎo)軌道。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中步驟d)包括在400°C到1100°C之間的溫度下對 插入到支座中的前驅(qū)體和密封在容器中的反應(yīng)物進行熱處理，持續(xù)30分鐘到30小時之間 的可變時間。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中步驟d)包括對插入支座中的前驅(qū)體和密封在容 器中的反應(yīng)物進行熱處理，-為了獲得FeNdAS0a85的超導(dǎo)軌道，在900°C到1200°C之間的溫度下，持續(xù)30分鐘到 30小時之間的可變時間；-為了獲得FeTea5Sea5的超導(dǎo)軌道，在500°C到900°C之間的溫度下，持續(xù)30分鐘到10小時之間的可變時間；-為了獲得Sr2Cu03.4的超導(dǎo)軌道，在400°C到1000°C之間的溫度下，持續(xù)1小時到20 小時之間的時間，隨后在氧化或還原氣氛中在室溫和300V之間的溫度下進行持續(xù)時間在 1小時到10小時之間的第二熱處理。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種超導(dǎo)元件以及一種用于制備所述元件的方法，所述超導(dǎo)元件包括由非超導(dǎo)材料制成的剛性支座，所述支座包括由包含超導(dǎo)材料的凹槽形成的至少一個超導(dǎo)軌道，所述超導(dǎo)材料的密度等于其理論密度值的至少85％。本發(fā)明還涉及超導(dǎo)元件的可能用途，并且還涉及含有所述超導(dǎo)元件的超導(dǎo)裝置。
文檔編號H01L39/04GK101931045SQ20101020827
公開日2010年12月29日 申請日期2010年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月18日
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