第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的接合方法及其接合體的制作方法
【專利摘要】公開一種接合后超導(dǎo)性能優(yōu)秀的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的接合方法及其接合體。本發(fā)明的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的接合方法，其特征在于，分別使兩股第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的高溫超導(dǎo)層直接接觸，并在真空及ReBCO包晶反應(yīng)溫度以下，借助固相原子擴散壓接來進行接合，由此接合超導(dǎo)性能優(yōu)秀的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體，并通過供氧退火處理來恢復(fù)在進行接合中由于氧原子的移動擴散而失去的氧而損失的超導(dǎo)性能。
【專利說明】第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的接合方法及其接合體

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及借助包含如ReBCO (ReBa2Cu307_x，在此Re為稀土材料，x為O ^ 0.6)的超導(dǎo)體的及基于供氧退火恢復(fù)超導(dǎo)性能的第二代高溫超導(dǎo)體(2GHTSs)的接合方法，更詳細地，涉及分別使兩股第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的高溫超導(dǎo)層直接接觸，并通過被加壓進行固相原子擴散，從而超導(dǎo)性能優(yōu)秀的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的接合方法以及通過供氧退火處理來恢復(fù)在進行接合中由于氧原子的移動擴散而失去的氧而損失的超導(dǎo)性能。

【背景技術(shù)】
[0002]通常，在以下的制造磁鐵的情況下需要對第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體涂層(CC)進行接合。
[0003]第一，進行纏繞線圈時因超導(dǎo)體的長度短而為了使用為長線材需要相互接合的情況；第二，為了使纏繞了超導(dǎo)體的線圈相連接，需要對超導(dǎo)磁鐵線圈間進行接合的情況;第三，需要并聯(lián)連接用于運行恒定電流模式(PCM)的超導(dǎo)恒定電流開關(guān)時，需要對超導(dǎo)磁鐵線圈和超導(dǎo)恒定電流開關(guān)間進行接合的情況。
[0004]尤其，必須要運行恒定電流模式的超導(dǎo)熔融機器中，為了連接并使用超導(dǎo)體，需將相連接的超導(dǎo)體連接成如利用單一的完美地連接并物理、化學(xué)及技術(shù)上都均勻的超導(dǎo)體的狀態(tài)。由此該超導(dǎo)體必須應(yīng)在結(jié)束所有的纏繞操作后無任何超導(dǎo)性能的損失的方式運行。
[0005]舉例說，在核磁共振(NMR,Nuclear Magnetic Resonance)、磁共振成像(MRI,Magnetic Resonance Imaging)、超導(dǎo)石茲儲倉泛(SMES, Superconducting Magnet EnergyStorage)及磁力懸浮(MAGLEV, Magnetic Levitat1n)系統(tǒng)等的超導(dǎo)磁鐵及超導(dǎo)設(shè)備中如此。
[0006]然而，超導(dǎo)體間的接合區(qū)域通常在各個方面比沒有接合的區(qū)域特性低，因此在運行恒定電流模式時臨界電流(Ic)大大取決于超導(dǎo)體間的接合區(qū)域。
[0007]因此，提高超導(dǎo)體間的接合區(qū)域的臨界電流特性對恒定電流模式型超導(dǎo)設(shè)備中很重要。但是與低溫超導(dǎo)體(LTSs)不同，高溫超導(dǎo)體由陶瓷材料形成，因此接合后很難保持超導(dǎo)性能的連續(xù)性及均勻性。
[0008]圖1 (a)、圖1 (b)示出典型的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體涂層。
[0009]參照圖1 (a)、圖1 (b)，第二代 ReBCO 高溫超導(dǎo)體 100 包含如 ReBCO (ReBa2Cu307_x，在此Re為稀土材料，X為O < X < 0.6)等的高溫超導(dǎo)材料，并具有由帶層疊的結(jié)構(gòu)。
[0010]如圖1(a)所示，第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體100通常至下而上包括銅穩(wěn)定化層110、銀覆蓋層120、基板130、緩沖層140、高溫ReBCO超導(dǎo)層150、銀覆蓋層120及銅穩(wěn)定化層110，或如圖1 (b)所示，至下而上包括銀覆蓋層120、基板130、緩沖層140、高溫ReBCO超導(dǎo)層150、銀覆蓋層120。
[0011]圖2 (a)、圖2 (b)簡要示出典型的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的接合方法。
[0012]圖2 Ca)中圖示的接合方法的情況下，示出對第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體100進行直接相互接合的搭接(lap joint)接合方式。另一方面，圖2 (b)中圖示的接合方法的情況下，利用第三個高溫超導(dǎo)體塊200來對高溫超導(dǎo)體100進行間接接合的架接(重疊式布置的對接，overlap joint with butt type arrangement)接合方式。
[0013]參照圖2 (a)、圖2 (b)，通常，為了接合第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體，在超導(dǎo)體的超導(dǎo)層的表面A之間填充焊料210或其他常導(dǎo)電層。
[0014]但是，采用這種方式在超導(dǎo)體之間進行接合之后，電流必須經(jīng)過如填料或焊料210及第二代高溫超導(dǎo)體100等的具有高電阻的常導(dǎo)體(不是超導(dǎo)體)材料，因此很難保持第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)性能。利用焊料方式時，根據(jù)超導(dǎo)體的類型和接合排列方式，接合區(qū)域可具有大概20?2800η Ω的高電阻。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明的目的在于，提供如下的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的固相接合方法，利用化學(xué)濕式刻蝕或等離子體干式刻蝕來去除在第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的頂層的穩(wěn)定化層和/或覆蓋層，使兩個高溫超導(dǎo)層的表面直接接觸，并在真空狀態(tài)下，在接合爐的內(nèi)部加熱來在高溫超導(dǎo)層的表面進行固相原子擴散，且向超導(dǎo)體施加壓力來提高兩個超導(dǎo)層表面接觸及原子相互擴散，由此接合第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體。
[0016]并且，本發(fā)明提供如下的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的接合方法，本發(fā)明考慮到在接合過程中從第二代ReBCO超導(dǎo)體物質(zhì)損失氧而失去超導(dǎo)電性質(zhì)，在用適當(dāng)溫度重新加熱的狀態(tài)下向接合爐的內(nèi)部供氧來保持第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)性能。
[0017]用于達到上述目的本發(fā)明的實施例的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的接合方法，其特征在于，包括:步驟(a)，作為接合目標(biāo)，兩股第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體分別包括基板、ReBCO(ReBa2Cu307_x，在此Re為稀土材料，x為0<x<0.6)高溫超導(dǎo)層及其它層；步驟(b)，分別在上述第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的接合部位鉆孔；步驟(C)，分別刻蝕上述第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的接合部位來去除銅和/或銀層，來在接合部位中露出第二代ReBCO高溫超導(dǎo)層；步驟(d)，向接合爐投入第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體后，以使兩個上述第二代ReBCO高溫超導(dǎo)層的露出面直接接觸或使上述第二代ReBCO高溫超導(dǎo)層的露出面與第三個第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)層的露出面直接接觸的方式，排列第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體；步驟(e)，在大氣壓的狀態(tài)下，在上述接合爐對ReBCO高溫超導(dǎo)層的露出面的兩側(cè)邊緣固相壓接銅(Cu)穩(wěn)定化層和/或銀覆蓋層，來提高所有第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的接合強度；步驟(f)，使上述接合爐真空化，并將上述接合爐加熱至ReBCO包晶反應(yīng)溫度以下，來對上述第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的ReBCO高溫超導(dǎo)層的露出面進行壓接，由此進行固相原子擴散；步驟(g)，在氧氣氛下，對上述第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體間的接合區(qū)域進行退火處理，來分別向上述第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體涂層間的ReBCO高溫超導(dǎo)層供氧；步驟(h)，在上述第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體涂層間的接合區(qū)域涂敷銀，以在接合部位發(fā)生過電流時，使上述過電流旁通來防止發(fā)生淬滅；以及步驟(i)，利用焊料或環(huán)氧樹脂來加強第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體涂層的接合部位。。
[0018]在本發(fā)明的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的接合方法中，不使用焊料或填料，在使第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的表面直接相互接觸的狀態(tài)下，對第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體進行固相原子擴散壓接，來相對于常規(guī)的正常接合方式，可在沒有接合區(qū)域的阻力而制造用于運行恒定電流模式(PCM)時充分長的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體。
[0019]尤其，本發(fā)明的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的接合方法在進行接合之前，對ReBCO高溫超導(dǎo)層進行鉆孔，來在接合后進行供氧退火時提供氧擴散路徑。因此，可減少用于補充氧的退火時間，并在接合第二代高溫超導(dǎo)體后可提供優(yōu)秀的超導(dǎo)性能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]參照附圖，本發(fā)明的以上及其他目的、特征及優(yōu)點將通過以下的【具體實施方式】會更加明顯地體現(xiàn)。
[0021]圖1 (a)、圖1 (b)示出通常的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)。
[0022]圖2 (a)、圖2 (b)簡要示出借助焊料的典型的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的接合方法。
[0023]圖3 (a)、圖3 (b)、圖3 (C)、圖3 (d)簡要示出本發(fā)明的典型的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的接合方法。
[0024]圖4為簡要示出根據(jù)本發(fā)明的一實施例的在真空狀態(tài)下借助供氧退火恢復(fù)超導(dǎo)性能的ReBCO高溫超導(dǎo)體的接合方法的流程圖。
[0025]圖5 (a)、圖5 (b)示出第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體間的接合部位進行鉆孔過程的例。
[0026]圖6為示出進行鉆孔后去除穩(wěn)定化層和/或覆蓋層的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的例。
[0027]圖7 (a)、圖7 (b)示出對第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體進行鉆孔并去除穩(wěn)定化層和/或覆蓋層后將第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體利用搭接形式排列并相互接合的搭接接合的一實施例。
[0028]圖8 (a)、圖8 (b)示出利用對重疊的第三個ReBCO高溫超導(dǎo)體塊等進行鉆孔，去除穩(wěn)定化層和/或覆蓋層，并在第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體鉆孔，去除對接排列的穩(wěn)定化層和/或覆蓋來使兩個第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體重疊接合的架接的一實施例。
[0029]圖9示出第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的縱向孔的間距dv及橫向孔的間距dh)
[0030]圖10 (a)、圖10 (b)及圖11 (a)、圖11 (b)示出能夠接合穩(wěn)定化層和/或覆蓋層的結(jié)構(gòu)。
[0031]圖12為利用本發(fā)明的借助壓接的固相原子擴散及供氧退火處理的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的接合體的電流-電壓特性的圖表。
[0032]圖13及圖14示出本發(fā)明一實施例的利用借助壓接及供氧退火處理的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的接合體固相原子擴散的磁場的衰減特性。圖13為示出液態(tài)氮中進行實驗的包含接合區(qū)域的閉環(huán)第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的金屬絲的圖塊，圖14示出在待機狀態(tài)下，描繪磁場衰減的結(jié)果顯示，該磁場衰變后一旦穩(wěn)定即使經(jīng)過240天也一點都沒減弱。

【具體實施方式】
[0033]以下，參照附圖，對本發(fā)明的典型的實施例進行詳細的說明。
[0034]圖3 (a)、圖3 (b)、圖3 (C)、圖3 (d)簡要示出借助高溫超導(dǎo)層的直接接觸的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的四種接合方法。
[0035]如圖3(a)所示，將要接合的兩股第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體100可以設(shè)置為相向并直接相接合(搭接接合)。并且，如圖3 (b)、圖3 (C)、圖3 (d)的例所示，兩股第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體可通過第三個兩股第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體塊200來相接合。在此例中，兩股第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體可利用各種方式通過第三個兩股第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體段200來相接合，如圖3 (b)所示，將第三個第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體塊200接合于排成一條線的兩股第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體100 (架接)，如圖3 (c)所示，將第三個第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體塊200接合于排成平行線的兩股第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體100 (平行架接)，如圖3 Cd)所示，將第三個第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體塊200接合于排成鋸齒形并相互交錯的兩股第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體100 (梯形架接)。
[0036]圖4為簡要示出如下的本發(fā)明的一實施例的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的接合方法的流程圖，通過直接接觸于高溫超導(dǎo)層的借助壓接的固相原子擴散，并通過進行供氧退火處理來恢復(fù)在高溫下進行接合時由于氧原子的移動擴散而失去的氧而損失的超導(dǎo)性能。
[0037]如圖4所示，第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的接合方法包括:準(zhǔn)備第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的步驟S310 ;為了供氧對接合部位鉆孔的步驟S320 ;借助刻蝕去除穩(wěn)定化層和/或覆蓋層的步驟S330 ;根據(jù)接合方式(搭接或架接)排列第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體并放進接合爐的步驟S340 ;在露出的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的兩側(cè)固相壓接銅(Cu)穩(wěn)定化層和/或銀(Ag)覆蓋層的步驟S350 ;使接合爐真空化并利用借助壓接的固相原子擴散來對第二代ReBCO高溫超導(dǎo)層進行接合的步驟S360 ;為了補充氧對第二代ReBCO高溫超導(dǎo)層進行退火處理的步驟S370 ;涂敷銀(Ag)的步驟S380及加強接合部位的步驟S390。
[0038]準(zhǔn)備ReBCO高溫超導(dǎo)體
[0039]首先，在準(zhǔn)備第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的步驟S310中，準(zhǔn)備包括第二代ReBCO(ReBa2Cu307_x，在此R e為稀土材料，x為0.6)超導(dǎo)層的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體及其他層。
[0040]圖5 (a)、圖5 (b)示出對第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體間的接合部位進行鉆孔過程的例。圖5 (a)示出在超導(dǎo)層的緊下方進行鉆孔的例，圖5 (b)示出在第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的銅(Cu)和/或銀(Ag)層的底部進行鉆孔的另一例。這些例子在第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)描述中會涉及。
[0041]參照圖5(a)、圖5(b)，第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體100至下而上包括銀覆蓋層120、基板130、緩沖層140、第二代ReBCO高溫超導(dǎo)層150及其他銀覆蓋層120。
[0042]上述覆蓋層通常通過自動的連續(xù)的過程中利用薄膜沉積技術(shù)來制造。上述銀覆蓋層120由銀形成,上述基板130可由如哈氏合金絲的金屬材料形成。
[0043]上述緩沖層140可由選自包含Zr02、CeO2、釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)、Y2O3> HfO2, MgO,LaMnO3 (LMO)等的組的至少一個材料形成。上述緩沖層可通過外延層疊來在基板130上形成為單一的層或多重層。
[0044]上述ReBCO高溫超導(dǎo)層150由超導(dǎo)ReBCO (ReBa2Cu3O7^x,在此Re為稀土材料，x為O ^ X ^ 0.6)形成。優(yōu)選地，Re:Ba =Cu的摩爾比為1:2: 3，氧與稀土材料的摩爾比為6.4或以上。在ReBCO中，如果氧與I摩爾的稀土材料的摩爾比小于6.4，則ReBCO會失去超導(dǎo)性能，僅作用為常導(dǎo)體。
[0045]包括ReBCO在內(nèi)的所有材料中，稀土材料(Re)的一個例為釔(Y)。此外，Nd、Gd、Eu、Sm、Er、Yb、Tb、Dy、Ho、Tm 等可使用為稀土材料。
[0046]上述穩(wěn)定化層110和/或上述覆蓋層120堆積于ReBCO高溫超導(dǎo)層150的上表面，用于對超導(dǎo)層150賦予電穩(wěn)定，由此保護超導(dǎo)層150因過電流而受損等。上述穩(wěn)定化層110和/或上述覆蓋層120由電阻特別低的的金屬材料形成，用于在發(fā)生過電流的情況下保護ReBCO高溫超導(dǎo)層150。舉例說，上述穩(wěn)定化層110和/或上述覆蓋層120可分別由如同銅(Cu)或銀(Ag)等電阻特別低的金屬材料形成。在部分實施例中，穩(wěn)定化層可由不銹鋼形成。
[0047]對接合部位的鉆孔
[0048]其次，在接合部位鉆孔的步驟S320中，微孔160形成于將要接合的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的各自的部分來相連接?？衫贸芗庸?、激光加工等來形成微孔。各孔的直徑可以為10?100 μ m,且各孔可以以I?1000 μ m的間距排列。
[0049]在退火步驟中，給第二代ReBCO補充氧時為了提高退火效率，微孔160向第二代ReBCO高溫超導(dǎo)層150提供氧擴散路徑，由此使超導(dǎo)體保持超導(dǎo)性能，并減少退火時間。
[0050]鉆孔可從第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體涂層的層110?層140貫穿至超導(dǎo)層150的緊下方(圖5的類型I)，或可貫穿至第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體所有的層(圖5的類型II)。
[0051]圖6不出鉆孔后的超導(dǎo)層的表面。
[0052]圖9示出以縱向孔間距X橫向孔間距(dvXdh)表示的鉆孔的一例。
[0053]圖9中，左邊的圖示出接合部位的鉆孔從層110?140貫穿至第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)層150的緊下方的類型I，右邊的圖示出接合部位的鉆孔貫穿至第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體所有的超導(dǎo)層150的類型II。
[0054]實驗結(jié)果表示，類型I及類型II都表示與沒有形成孔的狀態(tài)的ReBCO (Virgin)相同的電流-電壓特性，尤其，將孔只形成從基板至超導(dǎo)層的緊下方的類型I的情況下更接近于原狀態(tài)的第二代ReBCO的電流-電壓特性。
[0055]并且，對縱向孔間距dv及橫向孔間距dh進行如200μπιΧ200μπι、400 μ mX400 μ m、500 μ mX 500 μ m等變更來進行實驗的結(jié)果表示，微孔160間的間距越大，電流-電壓特性越優(yōu)秀。尤其，相對于其他情況微孔的間距為500 μ m的情況下，電流-電壓特性最優(yōu)秀。
[0056]利用刻蝕去除穩(wěn)定化層和/或覆蓋層
[0057]接著，利用刻蝕去除穩(wěn)定化層和/或覆蓋層的步驟S330中，刻蝕第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體涂層的上述銅(Cu)穩(wěn)定化層和/或上述銀(Ag)，來使第二代ReBCO高溫超導(dǎo)層露出?？衫脻袷娇涛g或等離子體干式刻蝕來進行刻蝕。
[0058]第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體涂層的情況下，第二代ReBCO位于其內(nèi)部，為了借助直接接觸的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)層間的接合，利用刻蝕去除穩(wěn)定化層和/或覆蓋層來使第二代ReBCO高溫超導(dǎo)層露出。
[0059]刻蝕穩(wěn)定化層和/或覆蓋層時，可使用對穩(wěn)定化層和/或覆蓋層具有選擇性的刻蝕性的抗蝕劑(resist)或具有與其相反的特性的抗蝕劑。
[0060]分別查看進行刻蝕工序之前和之后進行鉆孔的情況的第二代ReBCO涂層的電流特性的結(jié)果，在進行刻蝕工序來去除穩(wěn)定化層和/或覆蓋層之前進行鉆孔的情況下，相對于在相同的條件下在進行刻蝕工序來去除穩(wěn)定化層和/或覆蓋層之后進行鉆孔的情況，第二代ReBCO超導(dǎo)體的電流特性更優(yōu)秀。因此，優(yōu)選地，鉆孔應(yīng)在去除穩(wěn)定化層和/或覆蓋層之前進行。
[0061]此外，與去除銅(Cu)和/或銀(Ag)層之前和之后利用激光加工進行鉆孔的情況下表面的狀態(tài)相比，去除銅(Cu)和/或銀(Ag)層之后利用激光加工進行鉆孔的情況下表面更干凈。
[0062]根據(jù)ReBCO高溫超導(dǎo)體的排列的接合方式(搭接或架接)及向接合爐的ReBCO高溫超導(dǎo)體的投入
[0063]在步驟S340中，將作為接合對象的上述第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體投入于接合爐的內(nèi)部，并在接合爐的內(nèi)部以預(yù)定的方式排列。當(dāng)然，第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體可在投入于接合爐的內(nèi)部之前進行排列。
[0064]根據(jù)接合方式，上述第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體可排列成架接方式(圖7 (a)、圖7(b))，或兩股超導(dǎo)體涂層架接排列中露出(對接排列并露出第三個超導(dǎo)體涂層段來將兩股半導(dǎo)體涂層重疊)(圖8 (a)、圖8 (b))。圖7 (a)、圖7 (b)及圖8 (a)、圖8 (b)示出在內(nèi)部形成孔后進行排列的第二代高溫超導(dǎo)體涂層。
[0065]圖7 (a)及圖8 (a)示出鉆孔從第二代高溫超導(dǎo)體的上述層110?140貫穿至超導(dǎo)層150的緊下方的類型I，圖7 (b)及圖8 (b)示出鉆孔貫穿第二代高溫超導(dǎo)體所有涂層的類型II。
[0066]固相壓接銅(Cu)穩(wěn)定化層和/或銀(Ag)覆蓋層
[0067]參照圖10及圖11，在步驟S350中，一股ReBCO高溫超導(dǎo)體的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)層接合于另一股ReBCO高溫超導(dǎo)體的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體涂層之前，一股第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體涂層的上述銅(Cu)穩(wěn)定化層和/或銀(Ag)覆蓋層和另一股第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體涂層的上述銅(Cu)穩(wěn)定化層和/或銀(Ag)覆蓋層直接接觸。上述銅(Cu)穩(wěn)定化層和/或銀(Ag)覆蓋層可在大氣壓狀態(tài)下在接合爐中利用固相壓接相互直接接觸。
[0068]上述銅(Cu)穩(wěn)定化層和/或銀(Ag)覆蓋層的直接接合長度可為大致2?3_，但不局限于此。
[0069]接合爐的真空化及ReBCO高溫超導(dǎo)層表面間的固相原子擴散壓接
[0070]在本步驟S360中，使接合爐的內(nèi)部成真空，并在ReBCO包晶反應(yīng)溫度以下對第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體各自的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)層的露出面進行借助壓接的固相原子擴散。
[0071]對銅(Cu)穩(wěn)定化層和/或銀(Ag)覆蓋層進行壓接后，使接合爐成真空。真空度可為P02 ( 10_5mTorr。使接合爐的內(nèi)部保持真空的原因是為了只令第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)層利用借助壓接的固相原子擴散來彼此間相接合。當(dāng)氧的分壓特別低的情況下，構(gòu)成覆蓋層的銀(Ag)相對于第二代ReBCO構(gòu)成的超導(dǎo)層具有更高的熔融點，由此不會造成銀(Ag)的熔融，即可對ReBCO進行固相原子擴散。
[0072]這種情況下，可形成如圖10 (a)、圖10 (b)及圖11 (a)、圖11 (b)中所示的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體接合體。
[0073]圖10 (a)、圖10 (b)及圖11 (a)、圖11 (b)示出銅(Cu)穩(wěn)定化層和/或Ag覆蓋層的第二代高溫超導(dǎo)體涂層體和銅(Cu)穩(wěn)定化層和/或上述銀覆蓋層。
[0074]使接合爐真空化后，在使第二代ReBCO高溫超導(dǎo)層露出的兩股(利用搭接接合)或三股(利用第三個第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體段的對接排列的架接接合)彼此相接觸的狀態(tài)下，將上述接合爐加熱至預(yù)定溫度，即ReBCO包晶反應(yīng)溫度以下的溫度，對第二代ReBCO高溫超導(dǎo)層進行借助壓接的固相原子擴散。
[0075]爐可為任何形式的爐，舉例說直接接觸加熱爐、感應(yīng)加熱爐、微波加熱爐或其他加熱爐形式。
[0076]爐為直接加熱型爐情況下，可使用陶瓷加熱器。這種情況下，熱量將會從陶瓷加熱器直接轉(zhuǎn)移至第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體涂層。
[0077]另一方面，爐為間接加熱型爐的情況下，可使用間接加熱器。這種情況下，可借助非接觸加熱來對第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體涂層進行加熱。并且，第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體涂層可利用微波的非接觸方式加熱。
[0078]ReBCO轉(zhuǎn)熔反應(yīng)為如下。
[0079]ReBa2Cu307_x (Rel23) — Rel23 + (BaCuO2 + CuO) + L (Re,Ba,Cu,O) — Rel23 +Re2Ba1Cu1O7-X (Re211) + L (Re、Ba、Cu、0) — Re211+L (Re, Ba, Cu, 0)
[0080]在此，L是指液相。
[0081]進行ReBCO轉(zhuǎn)熔反應(yīng)的情況下，生成BaCuO2及CuO，而這些化合物抑制超導(dǎo)體特性。因此，根據(jù)本發(fā)明，在小于BaCuO2及CuO的生成溫度下進行借助壓接的固相原子擴散。
[0082]在此，對第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體施加額外的壓力，這是為了促進超導(dǎo)層之間的直接接觸及加速原子擴散，并且防止當(dāng)接合時在接合區(qū)域分會發(fā)生的如未熔合等的各種缺陷。
[0083]優(yōu)選地，接合爐的內(nèi)部溫度為400°C以上至ReBCO包晶反應(yīng)溫度以下。接合爐的內(nèi)部溫度小于400°C的情況下，接合會不夠充分。相反，接合爐的內(nèi)部溫度大于ReBCO包晶反應(yīng)溫度的情況下發(fā)生液相的ReBCO，并生成有害的BaCuO2及CuO化合物。
[0084]可利用重錘(weight)或空氣氣缸來進行加壓。加壓力可為0.1MPa至30MPa。加壓力小于0.1MPa的情況下，加壓效果不充分。相反，加壓力大于30MPa的情況下，會出現(xiàn)第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的穩(wěn)定性會下降的問題。
[0085]在本發(fā)明的方法中，由于第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體ReBCO超導(dǎo)層直接接觸于彼此，且經(jīng)受借助壓接的固相原子擴散，因此在第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體之間不存在如焊料或填料的常導(dǎo)層，由此能夠防止因在接合區(qū)域的接頭阻力的焦耳熱及淬滅(quenching)的發(fā)生。
[0086]第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的接合可利用如圖7所示的搭接接合方式或圖8所示的對接排列的架接接合。
[0087]如圖7所示的架接接合，對將要接合的兩股第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體100的表面進行接合，即，使第二代ReBCO高溫超導(dǎo)層的露出面彼此相向的狀態(tài)下，對第二代ReBCO高溫超導(dǎo)層直接進行固相原子擴散壓接。
[0088]相反地，如圖8所示，借助對接排列的架接接合的情況下，將要接合的兩股第二代ReBCO高溫超導(dǎo)層100的末端以對接形式接觸或以預(yù)定距離隔開。
[0089]這種狀態(tài)下，除去穩(wěn)定化層和/或覆蓋層的用于接合的單獨的小的ReBCO高溫超導(dǎo)體塊(第三個ReBCO超導(dǎo)體)位于作為接合對象的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體100。之后，第三個第二代ReBCO高溫超導(dǎo)層進行借助壓接的固相原子擴散，且根據(jù)負載情況對第二代ReBCO高溫超導(dǎo)層的接合部位進行壓縮。
[0090]搭接接合的情況下，利用折疊(lap)排列方式使一個第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)層與另一個第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)層相接觸。
[0091]另一方面，ReBCO的借助壓接的固相原子擴散，接合爐的內(nèi)部優(yōu)選地設(shè)計為以使氧分壓(PO2)調(diào)節(jié)為包括真空的各種范圍。
[0092]用于向ReBCO高溫超導(dǎo)層補充氧及恢復(fù)超導(dǎo)性能的退火處理
[0093]在本步驟S370中，在氧氣氛下對第二代ReBCO高溫超導(dǎo)層的接合區(qū)域進行退火，來向第二代ReBCO高溫超導(dǎo)層供氧。
[0094]借助壓接的固相原子擴散的步驟S360在真空及高溫(400°C以上)的狀態(tài)下進行。但是，這種真空及高溫狀態(tài)中，氧(O2)從第二代ReBCO高溫超導(dǎo)層脫離。
[0095]隨著氧從第二代ReBCO高溫超導(dǎo)層脫離，相對于I摩爾的稀土材料的摩爾比氧的摩爾比會下降至6.4以下。這種情況下，第二代ReBCO高溫超導(dǎo)層150會發(fā)生由超導(dǎo)體的正斜方晶結(jié)構(gòu)(orthorhombic structure)變?yōu)槌?dǎo)體的四方晶體結(jié)構(gòu)(tetragonalstructure)的原子結(jié)構(gòu)變化，由此會失去超導(dǎo)性能。
[0096]為了解決上述問題，在本退火步驟S370中，在200?700°C的溫度下加壓，且通過退火來補償?shù)诙鶵eBCO的氧損失，由此恢復(fù)超導(dǎo)性能。
[0097]可借助對接合爐持續(xù)地進行供氧來形成氧氣氛。該過程成為供氧退火，尤其，在200?700°C的范圍內(nèi)進行供氧退火，該溫度范圍提供恢復(fù)超導(dǎo)性能的最穩(wěn)定的正斜方晶。
[0098]若對接合區(qū)域進行退火的加壓力過低，則供氧發(fā)生問題，若加壓力過高，則因過高的壓力對超導(dǎo)體的耐久性造成問題。因此，應(yīng)在I?30atm下進行退火。
[0099]由于退火是為了補充因借助壓接的固相原子擴散損失的氧，退火進行至相對于ReBCO的Re (稀土類材料)I摩爾，氧(O2)成為6.4?7摩爾。
[0100]在本發(fā)明中，在對接合部位鉆孔的步驟S320中，微孔160形成于第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體涂層，由此在退火時在第二代ReBCO高溫超導(dǎo)層中提供用于擴散氧的路徑。結(jié)果，恢復(fù)第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體浮層的超導(dǎo)性能的退火時間將會縮短。
[0101]如上所述，本發(fā)明的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的借助壓接的固相原子擴散方法中，接合第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體之前，微孔事先形成于接合部位，來在退火時在第二代ReBCO高溫超導(dǎo)層中提供氧擴散路徑，從而達到縮短退火時間并接合后保持超導(dǎo)性能。
[0102]在第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的接合區(qū)域涂敷銀(Ag)
[0103]對第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體進行借助壓接的固相原子擴散后，上述接合區(qū)域不包括銅(Cu)和/或銀(Ag)層。因此，過電流流進接合區(qū)域時，上述過電流不繞過(旁通)接合區(qū)域，因此引起淬滅(quenching)。
[0104]為了解決該問題，在步驟S380中，在第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的接合部位及其周圍涂敷銀(Ag)。
[0105]優(yōu)選地，銀(Ag)的涂敷厚度為2?40 μ m。銀(Ag)的涂敷厚度小于2 μ m的情況下，盡管涂敷了銀(Ag)，過電流旁通的效果也不充分。相反，銀(Ag)的厚度大于40 μ m的情況下，沒有更好的效果，只會造成接合費用上升。
[0106]加強第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的接合區(qū)域
[0107]在第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的接合區(qū)域涂敷銀(Ag)后，在本步驟S390中，利用焊料或填料來加強第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的接合區(qū)域，由此保護接合區(qū)域免受外部應(yīng)力損害。
[0108]如上所述，本發(fā)明的方法利用第二代ReBCO高溫超導(dǎo)層的直接接觸的固相擴散壓接，且包括對第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的接合部位的鉆孔，由此可提高接合效果能夠確保接合后的超導(dǎo)性能。
[0109]圖12及圖14示出通過本發(fā)明的一實施例的借助壓接的固相原子擴散及供氧退火的電流一電壓特性及磁場衰減特性。
[0110]參照圖12可知，超導(dǎo)體的臨界電流(Ic)特性已100%恢復(fù)。
[0111]圖13示出在磁場中液態(tài)氮中進行實驗的包含接合區(qū)域的閉環(huán)第二代ReBCO金屬絲。
[0112]在磁場衰減實驗中，將Nd-Fe-B永久磁鐵插入于兩末端彼此相接合的第二代ReBCO金屬絲的閉環(huán),來在第二代ReBCO金屬絲激發(fā)磁場，由此賦予超導(dǎo)性能。之后，去除Nd-Fe-B永久磁鐵并將孔傳感器設(shè)于閉環(huán)內(nèi)，由此測定磁場的衰減。
[0113]根據(jù)以下的式評價磁場的衰減。
[0114]
[0115]B (t):在t時間內(nèi)感應(yīng)的磁鐵(泰斯拉)
[0116]B (to):初期磁場(泰斯拉)
[0117]Rjoint:接頭電阻(Ω )
[0118]L:閉環(huán)的磁電感(亨利)
[0119]T:時間(秒)
[0120]圖14為描述磁場衰減結(jié)果的圖表。磁場冷卻過程進行了 120秒后，初期感應(yīng)磁場由2.77mT迅速衰退至2.74mT。初次磁場衰減停在相當(dāng)于26.61A的超導(dǎo)電流的2.74mT，之后的240天保持穩(wěn)定。初期磁場之所以衰退，可能是由于超導(dǎo)電流感應(yīng)而發(fā)生的，該超導(dǎo)電流是磁場冷卻超出超導(dǎo)層的容量而從銀穩(wěn)定化層溢出的。整體電路電阻L=3.44μ H是利用上面的式< 10_17Ω來計算出來的，該式是用于表示在恒定電流模式中模型線圈包括超導(dǎo)體接頭的。
[0121]以上，參照附圖對本發(fā)明的實施例進行了說明，但本發(fā)明部局限于上述實施例，而是可變形為其他不同的方式，本發(fā)明所屬領(lǐng)域普通技術(shù)人員可理解，不變更本發(fā)明的技術(shù)思想或必須的特征的情況下，本發(fā)明可由其他具體的實現(xiàn)實施。因此，以上記載的實施例在任何情況下也不是用于局限的。
【權(quán)利要求】
1.一種第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的接合方法，其特征在于，包括: 步驟(a)，準(zhǔn)備作為接合對象的兩股第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體，ReBCO高溫超導(dǎo)體分別包括基板、ReBCO (ReBa2Cu307-x，在此Re為稀土材料，x為O < x < 0.6)高溫超導(dǎo)層及其它層； 步驟(b)，分別在上述第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的接合部位鉆孔； 步驟(C)，分別刻蝕上述第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的接合部位來去除銅和/或銀層，來在接合部位中露出第二代ReBCO高溫超導(dǎo)層； 步驟(d)，向接合爐投入第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體后，以使兩個上述第二代ReBCO高溫超導(dǎo)層的露出面直接接觸或使上述第二代ReBCO高溫超導(dǎo)層的兩個露出面與第三個第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)層的露出面直接接觸的方式，排列ReBCO高溫超導(dǎo)體； 步驟(e)，在大氣壓的狀態(tài)下，在上述接合爐對第二代ReBCO高溫超導(dǎo)層的露出面的兩側(cè)邊緣固相壓接銅穩(wěn)定化層和/或銀覆蓋層，來提高所有第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的接合強度； 步驟(f)，使上述接合爐真空化，并將上述接合爐加熱至ReBCO包晶反應(yīng)溫度以下，來對上述第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的ReBCO高溫超導(dǎo)層的露出面進行壓接，由此進行固相原子擴散； 步驟(g)，在氧氣氛下，對上述第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體間的接合區(qū)域進行退火處理，來分別向上述第二代ReBCO 高溫超導(dǎo)體涂層間的ReBCO高溫超導(dǎo)層供氧； 步驟(h)，在上述第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體涂層間的接合區(qū)域涂敷銀，以在接合部位發(fā)生過電流時，使上述過電流旁通來防止發(fā)生淬滅；以及 步驟(i)，利用焊料或環(huán)氧樹脂來加強第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體涂層的接合部位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的接合方法，其特征在于，上述步驟(b)中，在接合部位鉆孔時，以從上述基板貫穿至上述超導(dǎo)層的緊下方或從基板到穩(wěn)定化層的方式形成孔，各孔的直徑為10~100 μ m，并以I~1000 μ m的間距排列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的接合方法，其特征在于，上述步驟(c)中，刻蝕第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體時，利用濕式刻蝕或等離子體干式刻蝕來進行刻蝕。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的接合方法，其特征在于，上述步驟(e)中，進行固相壓接時，在400°C以上至ReBCO包晶反應(yīng)溫度以下的接合溫度下，對上述高溫超導(dǎo)體的接合部位施加0.1~30MPa的壓力，來進行固相壓接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的接合方法，其特征在于，上述步驟Cf)中，對第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體涂層的接合區(qū)域進行壓接來進行原子擴散時，進行加熱時利用外部載荷壓縮。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的接合方法，其特征在于，上述步驟(g)中，對接合區(qū)域進行退火處理時，在加壓高豐純氧的氣氛及200~700°C的溫度范圍內(nèi)向上述接合爐供氧，直到相對于上述第二代ReBCO的稀土類材料I摩爾，氧成為6.4~7摩爾。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的接合方法，其特征在于，上述步驟(h)中，在上述接合區(qū)域以2~40 μ m的厚度涂敷銀，以增強過電流旁通效率。
8.—種第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的接合體，其特征在于，一股第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)層與另一股第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)層相接合，在上述高溫超導(dǎo)層間的接合區(qū)域的兩側(cè)，一股ReBCO高溫超導(dǎo)體的ReBCO高溫超導(dǎo)層的穩(wěn)定化層和/或覆蓋層也直接接合于另一股ReBCO高溫超導(dǎo)體的ReBCO高溫超導(dǎo)層的穩(wěn)定化層和/或覆蓋層，來增強第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的涂層的接合能力。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的接合體，其特征在于，上述第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體包括: 基板； 緩沖層，在上述基板上形成至少一個； 第二代ReBCO高溫超導(dǎo) 層，形成于上述緩沖層上； 銀覆蓋層，分別形成于第二代ReB⑶高溫超導(dǎo)層上及基板上，用于使第二代ReBCO高溫超導(dǎo)層電穩(wěn)定；及 銅穩(wěn)定化層，形成于各銀覆蓋層上。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的第二代ReBCO高溫超導(dǎo)體的接合體，其特征在于，上述第二代ReBCO超導(dǎo)體包括: 基板； 緩沖層，在上述基板上形成至少一個； 第二代ReBCO高溫超導(dǎo)層，形成于上述緩沖層上； 銀覆蓋層，分別形成于第二代ReBCO高溫超導(dǎo)層上及基板上，用于使第二代ReBCO高溫超導(dǎo)層電穩(wěn)定。
【文檔編號】H01L39/12GK104078558SQ201410122847
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月29日
【發(fā)明者】吳榮根, 安熙成, 李明勛 申請人:K·約恩