[发明专利]全陶瓷高温超导线圈及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种全陶瓷高温超导（HTS）线圈, 尤其涉及一种应用于电工电子技术,电子信息领域和储能技术领域的超导线圈结构及其增材制造方法。

背景技术

氧化物高温超导（HTS）材料于1986年代被发现，因为其重大的科学意义和它在电子科学技术中的重要应用价值，翌年，发现者德国物理学家J.G.Bednorz与瑞士物理学家K.A.Muller就被授予了1987年度诺贝尔物理学奖。30多年来，高温氧化物超导材料在电工电子、储能和通讯方面的应用研究一直在深入进行中。

超导材料的一项重要应用是用来制造超导线圈和磁体。用超导线绕制成线圈和磁体与传统的金属线绕制的线圈和磁体相比，具有重量轻、体积小、励磁磁场强等优点。但是，氧化物高温超导材料的陶瓷脆性特性，决定了它们的线加工性能很差，因此高温氧化物超导材料的线材制造遇到很大挑战。氧化物高温超导材料无法像传统金属材料导线和低温超导线那样被用来绕制线圈。

直到2005年，美国Superpower超导技术公司才实现100 m窄带线材的突破，并开展了线圈和电机的示范性应用（Physica C 426–431 (2005) 849–857）。

为了克服氧化物高温超导材料的陶瓷脆性缺点，目前采用金属管包覆法（PIT，powder in tube），或者将氧化物超导材料涂覆在有机材料薄膜上制成带材，然后再绕制线圈。例如，1996年，Demarmels等提交的美国专利（US005689223A）给出一种HTS线圈的制作方法。使用的是环氧树脂或塑料增强的氧化物超导带材。2006年，Lee等提交的美国专利（US20070056158Al），给出了一种高温超导氧化物带材的制作方法与其制作线圈的应用。中国实用专利（CN203631223 U）给出的一种高温超导线圈，也是采用聚酰亚胺膜绝缘的超导带材绕制。

这些绕制方法在超导磁体制作中遇到许多难题：1）制作的线圈高温处理时，金属管的氧化问题严重；2）金属管的熔点远远低氧化物超导材料，热处理的温度受限制；3）金属管与氧化物超导材料的膨胀系数差别太大，容易导致金属管中超导线的不连续；4）用这些方法制作的线材或者带材制作磁体线圈时的绕线半径大，不能制作小型线圈；5）现有的高温超导磁体的线圈多采用多个饼型叠加串联，在两个饼型线圈的接头处不可避免地引入电阻，从而影响磁体的稳定性。

自高温超导体被发现以来，人们一直在探索应用它来制造运行在液氮温区的超导磁体。但是，氧化物超导材料的韧性差，制备线材极其困难，因此，高温超导线圈制作和应用困难。

3D打印技术又称增材制造技术，它将传统材料的“去除”制造变化为“增加”制造。首先在三维造型软件中生成物件的三维模型，然后对其进行切片处理，把每层的信息输入到制造装备，通过材料的逐层堆积获得最终具有复杂结构的三维实体物件。

高温超导材料和绝缘陶瓷材料都可以很方便地研磨成固体粉末状材料，溶胶凝胶或者湿化学方法可以方便地直接制备粒度在纳米和微米级的高温超导粉末材料。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种全陶瓷高温超导线圈及其制造方法。

本发明中的全陶瓷高温超导线圈，至少有一匝绝缘陶瓷材料包覆的高温超导线圈；超导线用的氧化物高温超导材料、匝间的绝缘材料和线圈骨架材料均为陶瓷材料，全陶瓷高温超导线圈的工作温度在80 K以下。

所述的高温超导材料为YBa₂Cu₃Ox（YBCO）或Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_X (Bi2223)中的一种。

所述的匝间的绝缘材料为Al₂O₃，MgO，BN，AlN或ZrO₂中的一种。

所述的线圈骨架材料为Al₂O₃，MgO，BN，AlN或ZrO₂中的一种。

本发明直接采用高温超导粉末材料制作绕线，不需要先制作线材或带材再绕制线圈。高温超导线和绝缘包覆层采用双喷头打印的方法,同时制作在陶瓷线圈骨架上。陶瓷线圈骨架也可以采用打印方式制作。

制造上述全陶瓷高温超导线圈的方法，包括以下步骤：