[发明专利]超导多芯坯料的结构和超导多芯导线的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超导多芯坯料的物理结构和超导多芯导线的制造方法，其中本发明的超导多芯坯料的结构允许将其中复合的超导材料加工成具有符合要求的形状的细丝。

背景技术

由于超导导线传送大电流而不会损失电力或产生铁磁场的能力，所以超导导线已应用到各个领域。例如，在以下新技术领域中发现超导导线：通过将超导系统引入电力系统例如发电机和输电电缆的节能系统开发领域；新能源系统开发例如核聚变和磁流体动力学(MHD)的发生；以及在利用铁磁领域的新技术开发例如高能加速器和医疗应用的磁共振成像(MRI)。

超导导线技术一直积极发展以推进超导应用技术。到目前为止，铌-钛(NbTi)合金族导线已得以开发用于低于8T或9T的磁场，铌-锡(Nb₃Sn)化合物族导线或钒-镓(V₃Ga)化合物族导线已得以开发用于在此强度之上的磁场。

这些超导导线具有许多直径为数十个微米或更小的超导细丝嵌入具有优良的热传导金属如铜的基质中的结构，其中超导细丝的材料为例如NbTi或Nb₃Sn。该类结构的超导导线被称为细多芯导线。

以下是关于使用NbTi合金作为其超导细丝的超导导线的制造方法的大体说明(参考非专利文献“超导工程，修订版”，Ohmsha有限公司，pp 74-76，(1988年))。首先，NbTi合金经冷加工成圆棒。然后，将该棒插入铜管之后经面积缩小工序以获得单芯导线。然后，单芯导线被切割成适当的长度。将由此切割的多个单芯导线包装在铜容器，经过排气，接着盖焊接以密封，由此形成复合坯料。此后，复合坯料重复经挤压工序和面积缩小工序直到获得所需的复合导线。为制造大电流容量导线，将因此获得的许多复合导线包装入另外的铜管之后进行另一个面积缩小工序是可行的。通常，NbTi合金导线的临界电流密度会根据剧烈加工(面积缩小率为10⁴或更多)与时效处理(在350～450℃的热处理)条件的结合而大大增加。因此，细多芯导线通常是通过施加用冷加工的多次时效处理，接着施加加捻工序而获得的。

在制造超导导线中的最重要工序是通过将铜(Cu)、铜/铌-钛(Cu/NbTi)或铜/铌(Cu/Nb)的单导线包装在铜容器中制造复合坯料。该工序几乎最终确定细多芯导线的形状。因此，毫不夸张地说，该工序的完成质量将控制该导线的超导性能。

然而，在上述的实施中，复合坯料通过将单芯导线手工插入铜容器中，需要调动许多手工而得以制造，因为切割成合适长度用于插入的单芯导线从几十到一千和几百，其中计数是非常大的。因此，不得已地消耗大量的人力和工时以满足加工精度如单芯导线的线性的要求，造成增加制造成本。

在常规实施中还有另一个问题，单芯导线的包装密度具有限制。这意味着容纳更多增加数量的单芯导线和将超导细丝细化对于更高性能的超导导线的未来需求是重要的。为此，制造复合坯料以增加将包装在铜容器中的单芯导线的数量，或相反增加复合工序的重复数量成为必需的。因此，由于常规实施具有限制，所以一直期望良好的可加工能力。

提高将容纳的单芯导线的数量意味着细多芯导线中的超导细丝之间的距离将变得比以前更短。因此，由于在部分超导细丝或几乎所有超导细丝上因物理耦合和相邻效应而出现的超导耦合所引起的交流电流损耗的增加，所以其性能退化。由此，当在制造复合坯料中除了将单芯导线包装在铜容器中之外的简单方法是可实施的时，不仅简化制造方法并降低生产成本，而且还改善超导性能就成为可行的。

JP 54-222758A，JP 2868966B2和JP 3445307B2描述了用于制造复合坯料的改进方法。根据它们的描述，用于挤压的坯料是通过如下工序来制造的：提供每个在其中具有多个纵孔的若干铜束(copper blocks)的束块(pile)，将超导材料棒插入束块中的铜束的孔，将盖放置在铜束的两端，以及在真空中用电子束焊接铜束的束铁的周边。

在JP 2868966B2描述的现有技术中，超导坯料通过在圆铜棒上制作孔，和将超导材料如铌(Nb)棒插入该孔中来形成，其中孔的数量为，例如337、313、73、246、222和232。此后，如此形成的超导坯料经历热挤压、拉丝以及热处理，之后直径缩小以制造具有预定的最后直径导线的超导多芯导线。