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一种应用于强 磁场的超导带材或线材

阅读：1022发布：2020-09-08

专利汇可以提供一种应用于强磁场的超导带材或线材专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种应用于强磁场的超导带材或线材，其中的超导材料为稀土钡铜氧材料，分子式为REBa2Cu3O7-δ(缩写REBCO)，其中RE是Yb或包含了Yb的稀土离子组合。含Yb的稀土钡铜氧超导材料在50K以下温度环境中表现出优异的强磁场特性，尤其是在20K以下温度和强磁场中，含Yb的REBCO超导材料比不含Yb的超导材料具有更高的临界电流密度、临界电流密度随磁场强度升高下降更为缓慢。本发明克服了传统的技术偏见，将Yb作为REBCO中的组成元素，优化组合，从而获得了比目前已知的最好的强磁场超导带材产品更优越的强磁场特性。本发明的超导带材或线材可用于任何强磁场强电装置(如磁共振成像、粒子加速器、热核聚变反应堆、托托马克、磁分离选矿、磁分离净化水、电机、发电机、磁储能系统等)中的线圈绕制用超导线。，下面是一种应用于强磁场的超导带材或线材专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种应用于强磁场的超导带材或线材，其特征在于，所述超导带材或线材中含有超导材料，所述超导材料为稀土钡铜氧材料，其通式为REBa2Cu3O7-δ；其中，RE是指Yb或包含了Yb的稀土离子组合。
2.根据权利要求1所述的一种应用于强磁场的超导带材或线材，其特征在于，所述超导材料的通式为：M1-xYbxBa2Cu3O7-δ，0＜x＜1；其中M为选自Gd、Eu、Sm、Nd、Y及Dy中的一种或两种以上的组合。
3.根据权利要求2所述的一种应用于强磁场的超导带材或线材，其特征在于，所述M为Gd或Eu。
4.根据权利要求3所述的一种应用于强磁场的超导带材或线材，其特征在于，其中x＝
0.5，所述超导材料为Gd0.5Yb0.5Ba2Cu3O7-δ或Eu0.5Yb0.5Ba2Cu3O7-δ。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种应用于强磁场的超导带材或线材，其特征在于，所述超导带材或线材包含金属基底层、过渡层、超导材料的薄膜或涂层及银保护层。
6.根据权利要求5所述的一种应用于强磁场的超导带材或线材，其特征在于，所述金属基底层的厚度为20～200μm，所述过渡层的厚度为30～3000nm，所述超导材料的薄膜或涂层的厚度为100nm～10000nm，所述银保护层的厚度为100～10000nm。
7.根据权利要求6所述的一种应用于强磁场的超导带材或线材，其特征在于，还包括铜稳定层，所述铜稳定层位于所述银保护层的表面，铜稳定层的厚度为20～200μm。
8.根据权利要求1-4任一项所述的一种应用于强磁场的超导带材或线材，其特征在于，所述超导带材或线材为磁体绕制用超导导线或强电装置中的线圈绕制用超导导线。
9.根据权利要求1-4任一项所述的一种应用于强磁场的超导带材或线材，其特征在于，所述超导带材或线材为粒子加速器、电动机、发电机、磁储能系统、热核聚变反应堆或托托马克中的线圈绕制用超导导线。

说明书全文

一种应用于强磁场的超导带材或线材

技术领域

[0001] 本发明涉及超导材料技术领域，具体涉及一种强磁场特性优异高温超导线材或带材。

背景技术

[0002] 在大多数强电应用中，超导线材都工作在强磁场中，因此提高超导线材在强磁场中的临界电流，即高场特性(或强磁场特性)，是超导材料领域的一个关键课题。稀土钡铜氧(REBa2Cu3O7-δ,或缩写作REBCO，其中RE为稀土元素，如为Y、Gd、Sm等)高温超导膜是第二带高温超导导线的核心组成部分，它在液氮温度(77K)具有优良的载流性能，同时稀土钡铜氧在已发现的所有超导体中具有最强的上临界磁场，在强磁场应用中表现出最佳潜力。

[0003] 然而，现有的稀土钡铜氧超导材料(REBa2Cu3O7-δ)在磁场中超导性能都会受到影响，其高场特性不足，在制备高场磁体绕制用超导导线、超导电机等应用方面仍不臻理想。目前已知的强磁场特性最好的稀土钡铜氧超导带材产品是SP enhanced AP，但该超导带材的临界电流Ic随磁场强度升高会以很快的速度下降，因而其强磁场特性还存在提升空间。
但是，进一步提高稀土钡铜氧超导材料(REBa2Cu3O7-δ)在实用温度和磁场中的临界电流一直是备受相关研究者所关注的研究重点和难点。自稀土钡铜氧材料诞生以来，相关研究者一直致力于提高其在实用温度和磁场中的临界电流。但即便是该临界电流值获得一个微小的提高，都显得十分难得。

[0004] 现有技术中所提及的稀土钡铜氧高温超导材料时，其中的RE通常都是单一的一种稀土元素，或者为钇(Y)、钆(Gd)、钐(Sm)、钕(Nd)、铕(Eu)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)中的一种或两种以上的组合，其中鲜见有关镱-钡-铜氧材料YbBa2Cu3O7-δ材料在超导带材或线材等方面应用的报道，而含镱(Yb)离子的稀土钡铜氧超导材料的特性和应用方面的研究报道也更几乎未见。这主要是因为：以往对REBCO超导材料中稀土元素RE的优化选择方面的研究大多是在77K温度下进行的，但由于含有镱的稀土钡铜氧材料在临界温度Tc和77K温度下的临界电流密度Jc都比较低，使绝大部分研究者几乎放弃了针对含Yb离子的稀土钡铜氧材料的研究和探索，并导致Yb在稀土钡铜氧超导材料一直没有出现在实际生产应用中。

发明内容

[0005] (一)要解决的技术问题

[0006] 为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种应用于强磁场的超导带材或线材，所述超导带材或线材在一些实用温度和磁场条件下相对于已有稀土钡铜氧带材或线材产品具有更大的临界电流密度Jc；更重要的是，所述超导带材或线材相对于目前已知产品中强磁场特性最好的超导带材SP enhanced AP表现出更优异的强磁场特性：即本发明的超导带材或线材的临界电流Ic更大，且临界电流Ic随磁场强度不断升高的下降速度更慢，因此本发明的超导带材或线材表现出更优的应用性能和更佳的应用前景。

[0007] (二)技术方案

[0008] 为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

[0009] 一种应用于强磁场的超导带材或线材，所述超导带材或线材中含有超导材料，所述超导材料为稀土钡铜氧材料，其通式为REBa2Cu3O7-δ；其中，RE是指Yb或包含了Yb的稀土离子组合。

[0010] 在本发明一个较佳实施例中，所述超导材料的通式为：M1-xYbxBa2Cu3O7-δ，0＜x＜1；其中M为选自Gd、Eu、Sm、Nd、Y及Dy中的一种或两种以上的组合。其中，所述组合包括但不限于GdY、YDy、YSm和GdEu。

[0011] 在本发明一个较佳实施例中，所述M为Gd或Eu。

[0012] 在本发明一个较佳实施例中，其中，x＝0.5，所述超导材料的通式为Gd0.5Yb0.5Ba2Cu3O7-δ或Eu0.5Yb0.5Ba2Cu3O7-δ。

[0013] 研究中发现，Gd0.5Yb0.5Ba2Cu3O7-δ超导材料在20K以下的温度呈现出显著高于不含Yb的REBCO超导材料的临界电流密度Jc。

[0014] 在本发明一个较佳实施例中，所述超导带材或线材包含金属基底层、过渡层、超导材料的薄膜或涂层、及银保护层。

[0015] 优选地，所述金属基底层的厚度为20～200μm，所述过渡层的厚度为30～3000nm，所述超导材料的薄膜或涂层的厚度为100nm～10000nm，所述银保护层的厚度为100～10000nm。

[0016] 在本发明一个较佳实施例中，所述超导带材或线材还可以包括金属稳定层，通常为铜稳定层，其中所述铜稳定层位于所述银保护层的表面，铜稳定层的厚度为20～200μm。

[0017] 优选地，所述金属基底层一般使用合金(如哈氏合金带)或镍或不锈钢，可起到提高超导导线或带材机械性能的作用；所述过度层为金属氧化物薄膜，可起到阻隔超导材料的薄膜或涂层与金属基底层的作用；所述超导材料的薄膜或涂层为超导带材或线材的核心层，用于起到传导超导电流的作用；所述银保护层可以起到保护核心层的作用；所述铜稳定层可以承载瞬间的过载电流。

[0018] 优选地，所述超导带材或线材为磁体绕制用超导导线或强电装置中的线圈绕制用超导导线。所述强电装置例如为粒子加速器、热核聚变反应堆、磁储能系统、电机、发电机等。

[0019] 优选地，所述超导带材或线材还可以被制成超导缆，这样的超导缆再被用来绕制大型磁体或线圈。

[0020] (三)有益效果

[0021] 本发明的有益效果是：

[0022] (1)本发明提供一种应用于强磁场的超导带材或线材，其是以稀土钡铜氧超导材料REBa2Cu3O7-δ的薄膜或涂层为超导带材或线材的核心层，其中稀土元素RE是指Yb或包含了Yb的稀土离子组合。前述稀土钡铜氧超导材料在其对应的实用温度条件下相对于现有稀土钡铜氧材料具有更大的临界电流密度Jc；更重要的是，前述超导带材或线材相对于目前已知的强磁场特性最好的超导带材产品SP enhanced AP表现出更优的强磁场特性：即前者的临界电流Ic更大，并且临界电流Ic随磁场强度不断升高时的下降速度更慢。因此，本发明的超导带材或线材表现出更优异的应用性能和更佳的应用前景。

[0023] (2)研究发现，当稀土离子Yb与其他较大的稀土离子组合的情况下，例如使REBa2Cu3O7-δ中的RE＝Gd1-αYbα时，随着Yb离子与较大的Gd离子的比例变化(α由0变到1)，REBCO材料适用的温度可以从77K变化到4K以下。对于4-77K的整个温区，都可以找到一种含Yb的REBCO超导带材或线材对给定的磁场范围呈现较高的临界电流密度。

[0024] (3)研究证实，Gd0.5Yb0.5Ba2Cu3O7-δ的超导带材在20K以下温度和3T以上磁场中呈现出比不含Yb的任何REBCO的超导带材更高的临界电流密度。

[0025] (4)研究证实，含有Yb的稀土钡铜氧超导带材，在30K以下温度呈现出显著优于SP enhanced AP带材的强磁场特性。如图1所示，同是4mm宽的超导带材，NEU的GdYbBCO比SP Zr:GdYBCO(enhanced AP)具有更高的临界电流Ic，且随磁场强度升高临界电流Ic下降得更缓慢。而实际上大多强磁场或超强磁场所应用的超导带材都需在30K以下的温度环境中工作。这是因为在30K以上的温度环境中目前还没有满足强磁场和超强磁场应用的超导材料，只得通过降低工作温度来获得足够高的临界电流密度。而另一些超强磁场应用甚至需要将超导带材的工作温度设置在20K以下。因而，在较低温度下临界电流密度非常高的Gd0.5Yb0.5Ba2Cu3O7-δ等含Yb的稀土钡铜氧超导材料，具有非常好的实用价值和商业利用前景。总之，本发明提出的稀土钡铜氧超导带材或线材在低温-强磁场中的超导临界电流可以很高，在强磁场超导应用方面具有巨大应用前景。

[0026] 综上所述，本发明克服了传统的技术偏见，将Yb作为稀土钡铜氧材料的组成元素，改善现有的稀土钡铜氧超导材料，从而获得了比目前已知的强磁场特性最好的SP enhanced AP超导带材更优异的强磁场特性，可将其应用在粒子加速器、热核聚变反应堆、磁储能系统、电机、发电机等领域，使稀土钡铜氧超导材料的应用得到进一步发展。附图说明

[0027] 图1为本发明实施例1的Gd0.5Yb0.5Ba2Cu3O7-δ超导带材和对比例1不含Yb的SP enhanced AP(目前已知最好的REBCO强磁场超导带材产品)分别在30K温度和4.2K温度下，磁场强度在1T～10T间不断升高时，临界电流密度IC随磁场强度升高的变化曲线比对图。

[0028] 图2为本发明实施例2的Gd0.5Yb0.5Ba2Cu3O7-δ超导材料薄膜和对比例2不含Yb或仅含Yb单一种稀土离子的稀土钡铜氧超导材料薄膜在3T的磁场强度中，温度在10K～77K之间变化时，临界电流密度JC随温度不断升高的变化曲线比对图。

具体实施方式

[0029] 为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合具体实施方式，对本发明作详细描述。

[0030] 本发明提供一种应用于强磁场的超导带材或线材，所述超导带材或线材中含有超导材料，所述超导材料为稀土钡铜氧材料，其通式为REBa2Cu3O7-δ；其中，RE是指Yb或包含了Yb的稀土离子组合。

[0031] 优选地，所述超导材料的通式为：M1-xYbxBa2Cu3O7-δ，0＜x＜1；其中M为选自Gd、Eu、Sm、Nd、Y及Dy中的一种或两种以上的组合，如组合包括但不限于GdY、YDy、YSm和GdEu。更优选地，所述M为Gd或Eu。

[0032] 优选地，其中x＝0.5，所述超导材料的通式为Gd0.5Yb0.5Ba2Cu3O7-δ或Eu0.5Yb0.5Ba2Cu3O7-δ。所述Gd0.5Yb0.5Ba2Cu3O7-δ超导材料被证实在20K以下的温度呈现出显著高于不含Yb的REBCO超导材料的临界电流密度Jc。

[0033] 本发明以含有Yb离子的稀土钡铜氧超导材料的薄膜或涂层作为核心层所构成的超导带材或线材，可用于绕制各种强磁场超导线圈，在粒子加速器、热核聚变反应堆、高场NMR、磁储能系统、电机、发电机等系统和装置上有重要应用。

[0034] 实施例1

[0035] 本实施例涉及一种以Gd0.5Yb0.5Ba2Cu3O7-δ为组成材料的超导带材，其宽度为4mm。对本实施例的超导带材分别在30K温度和4.2K温度下，磁场强度由1T～10T间不断升高时，测试其临界电流IC随磁场强度升高的变化曲线，结果如图1所示(横坐标表示磁场强度T＝1～10T，纵坐标为4mm宽度超导带材的电流值)。

[0036] 制备方法：

[0037] REBCO超导薄膜的制备可以采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)、脉冲激光沉积(PLD)或反应电子束共蒸发(REC)等方法。含Yb的REBCO超导带材的制备方法与不包含Yb的REBCO超导带材的制备方法实质上完全一样，只不过使用了不同的化学源(MOCVD方法中)或靶材(PLD和REC方法中)：前者制备过程中使用的RE化学源或靶材中含有Yb，后者制备过程中使用的RE化学源或靶材不含Yb。

[0038] 对比例1

[0039] 对比例1为不含Yb的SuperPower的enhanced advanced pinning(SP enhanced AP)超导带材，该超导带材目前已知的低温强磁场特性最好的稀土钡铜氧超导带材产品，宽度为4mm。

[0040] 对本例的SP enhanced AP超导带材分别在30K温度和4.2K温度下，磁场强度由1T～10T间不断升高时，测试SP enhanced AP超导带材的临界电流IC随磁场强度升高的变化曲线，结果如图1所示。

[0041] 如图1比较所示，实验结果证实：

[0042] 本发明含Yb稀土离子的稀土钡铜氧超导带材在50K以下温度呈现出很好的强磁场特性，其临界电流IC在1T～10T的磁场范围内始终高于同带宽的SP enhanced AP超导带材。由此可见，本发明含有Yb的稀土钡铜氧超导带材是一种强磁场性能优异的超导带材，尤其适合用于强磁场应用。

[0043] 实施例2

[0044] 本实施例涉及一种以Gd0.5Yb0.5Ba2Cu3O7-δ为组成材料的超导薄膜，其厚度约为750nm。将本实施例的Gd0.5Yb0.5Ba2Cu3O7-δ超导薄膜置于磁场强度为3T的工作环境中，使温度在10K～77K之间变化，测试其临界电流密度JC随温度不断升高的变化曲线，结果如图2所示。

[0045] 本实施例的以Gd0.5Yb0.5Ba2Cu3O7-δ为组成材料的超导薄膜是用MOCVD方法制备的。

[0046] 对比例2

[0047] 按照实施例2完全相同的制备方法，只是在称取的原料时按照所要制备的超导薄膜的元素组成不同而相应地选用稀土化学源的种类和比例，制备得到厚度约为750nm的HoBa2Cu3O7-δ超导薄膜、YBa2Cu3O7-δ、YbBa2Cu3O7-δ超导薄膜、Dy0.5Y0.5Ba2Cu3O7-δ超导薄膜、DyBa2Cu3O7-δ超导薄膜、Gd0.5Y0.5Ba2Cu3O7-δ超导薄膜、Eu0.5Y0.5Ba2Cu3O7-δ超导薄膜、Sm0.5Y0.5Ba2Cu3O7-δ超导薄膜、GdBa2Cu3O7-δ超导薄膜、Gd0.5Eu0.5Ba2Cu3O7-δ超导薄膜、Gd0.5Eu0.5Ba2Cu3O7-δ超导薄膜、Gd0.5Sm0.5Ba2Cu3O7-δ超导薄膜和EuBa2Cu3O7-δ超导薄膜。前述超导薄膜材料要么是单独仅含Yb单一一种稀土离子的稀土钡铜氧材料，要么是完全不含Yb的稀土钡铜氧材料。

[0048] 对以上所有的超导薄膜在磁场强度为3T，温度在10K～77K之间变化时，测试其临界电流密度JC随温度不断升高的变化曲线，结果如图2所示。

[0049] 如图2比较所示，实验结果证实：

[0050] 实施例2的Gd0.5Yb0.5Ba2Cu3O7-δ超导薄膜，在20K以下的温度的条件下，呈现出显著高于不含Yb或者仅含Yb单一稀土离子的REBCO超导薄膜的临界电流密度Jc。因此，实验结果证实，Gd0.5Yb0.5Ba2Cu3O7-δ超导薄膜在较低温度环境下具有较好的应用价值。

[0051] 综上所述，Gd0.5Yb0.5Ba2Cu3O7-δ超导材料在较低温度的强磁场应用中具有显著的优异特性。

[0052] 虽然本发明实施例仅列举了Gd0.5Yb0.5Ba2Cu3O7-δ超导材料的强磁场特性和温度特性，但由实施例2和对比例2已可证实：含Yb的REBCO超导带材相较于不含Yb的REBCO超导带材，在20K以下具有更高的临界电流密度Jc。并且实施例1和对比例1也可以证实，含有Yb的REBCO超导带材在30K以下温度3T磁场中的临界电流显著高于同宽度SP enhanced AP超导带材的。

[0053] 在Gd1-xYbxBa2Cu3O7-δ中，当取x＝0时，得到77K温度下磁场特性最好的GdBa2Cu3O7-δ；取x＝0.5时得到4-20K温度范围磁场特性最好的Gd0.5Yb0.5Ba2Cu3O7-。由此可推论，对于20-
77K区间的某一温度，可以找到适当x取值(0

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