第二代ReBCO高溫超導體的接合方法及其接合體的製作方法

2023-05-04 22:30:56 3

第二代ReBCO高溫超導體的接合方法及其接合體的製作方法
【專利摘要】公開一種接合後超導性能優秀的第二代ReBCO高溫超導體的接合方法及其接合體。本發明的第二代ReBCO高溫超導體的接合方法，其特徵在於，分別使兩股第二代ReBCO高溫超導體的高溫超導層直接接觸，並在真空及ReBCO包晶反應溫度以下，藉助固相原子擴散壓接來進行接合，由此接合超導性能優秀的第二代ReBCO高溫超導體，並通過供氧退火處理來恢復在進行接合中由於氧原子的移動擴散而失去的氧而損失的超導性能。
【專利說明】第二代ReBCO高溫超導體的接合方法及其接合體

【技術領域】
[0001]本發明涉及藉助包含如ReBCO (ReBa2Cu307_x，在此Re為稀土材料，x為O ^ 0.6)的超導體的及基於供氧退火恢復超導性能的第二代高溫超導體(2GHTSs)的接合方法，更詳細地，涉及分別使兩股第二代ReBCO高溫超導體的高溫超導層直接接觸，並通過被加壓進行固相原子擴散，從而超導性能優秀的第二代ReBCO高溫超導體的接合方法以及通過供氧退火處理來恢復在進行接合中由於氧原子的移動擴散而失去的氧而損失的超導性能。

【背景技術】
[0002]通常，在以下的製造磁鐵的情況下需要對第二代ReBCO高溫超導體塗層(CC)進行接合。
[0003]第一，進行纏繞線圈時因超導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，為了使纏繞了超導體的線圈相連接，需要對超導磁鐵線圈間進行接合的情況;第三，需要並聯連接用於運行恆定電流模式(PCM)的超導恆定電流開關時，需要對超導磁鐵線圈和超導恆定電流開關間進行接合的情況。
[0004]尤其，必須要運行恆定電流模式的超導熔融機器中，為了連接並使用超導體，需將相連接的超導體連接成如利用單一的完美地連接並物理、化學及技術上都均勻的超導體的狀態。由此該超導體必須應在結束所有的纏繞操作後無任何超導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)、超導石茲儲倉泛(SMES, Superconducting Magnet EnergyStorage)及磁力懸浮(MAGLEV, Magnetic Levitat1n)系統等的超導磁鐵及超導設備中如此。
[0006]然而，超導體間的接合區域通常在各個方面比沒有接合的區域特性低，因此在運行恆定電流模式時臨界電流(Ic)大大取決於超導體間的接合區域。
[0007]因此，提高超導體間的接合區域的臨界電流特性對恆定電流模式型超導設備中很重要。但是與低溫超導體(LTSs)不同，高溫超導體由陶瓷材料形成，因此接合後很難保持超導性能的連續性及均勻性。
[0008]圖1 (a)、圖1 (b)示出典型的第二代ReBCO高溫超導體塗層。
[0009]參照圖1 (a)、圖1 (b)，第二代 ReBCO 高溫超導體 100 包含如 ReBCO (ReBa2Cu307_x，在此Re為稀土材料，X為O < X < 0.6)等的高溫超導材料，並具有由帶層疊的結構。
[0010]如圖1(a)所示，第二代ReBCO高溫超導體100通常至下而上包括銅穩定化層110、銀覆蓋層120、基板130、緩衝層140、高溫ReBCO超導層150、銀覆蓋層120及銅穩定化層110，或如圖1 (b)所示，至下而上包括銀覆蓋層120、基板130、緩衝層140、高溫ReBCO超導層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體塊200來對高溫超導體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高溫超導體，在超導體的超導層的表面A之間填充焊料210或其他常導電層。
[0014]但是，採用這種方式在超導體之間進行接合之後，電流必須經過如填料或焊料210及第二代高溫超導體100等的具有高電阻的常導體(不是超導體)材料，因此很難保持第二代ReBCO高溫超導體的超導性能。利用焊料方式時，根據超導體的類型和接合排列方式，接合區域可具有大概20?2800η Ω的高電阻。


【發明內容】

[0015]本發明的目的在於，提供如下的第二代ReBCO高溫超導體的固相接合方法，利用化學溼式刻蝕或等離子體乾式刻蝕來去除在第二代ReBCO高溫超導體的頂層的穩定化層和/或覆蓋層，使兩個高溫超導層的表面直接接觸，並在真空狀態下，在接合爐的內部加熱來在高溫超導層的表面進行固相原子擴散，且向超導體施加壓力來提高兩個超導層表面接觸及原子相互擴散，由此接合第二代ReBCO高溫超導體。
[0016]並且，本發明提供如下的第二代ReBCO高溫超導體的接合方法，本發明考慮到在接合過程中從第二代ReBCO超導體物質損失氧而失去超導電性質，在用適當溫度重新加熱的狀態下向接合爐的內部供氧來保持第二代ReBCO高溫超導體的超導性能。
[0017]用於達到上述目的本發明的實施例的第二代ReBCO高溫超導體的接合方法，其特徵在於，包括:步驟(a)，作為接合目標，兩股第二代ReBCO高溫超導體分別包括基板、ReBCO(ReBa2Cu307_x，在此Re為稀土材料，x為0<x<0.6)高溫超導層及其它層；步驟(b)，分別在上述第二代ReBCO高溫超導體的接合部位鑽孔；步驟(C)，分別刻蝕上述第二代ReBCO高溫超導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高溫超導層；步驟(d)，向接合爐投入第二代ReBCO高溫超導體後，以使兩個上述第二代ReBCO高溫超導層的露出面直接接觸或使上述第二代ReBCO高溫超導層的露出面與第三個第二代ReBCO高溫超導體的第二代ReBCO高溫超導層的露出面直接接觸的方式，排列第二代ReBCO高溫超導體；步驟(e)，在大氣壓的狀態下，在上述接合爐對ReBCO高溫超導層的露出面的兩側邊緣固相壓接銅(Cu)穩定化層和/或銀覆蓋層，來提高所有第二代ReBCO高溫超導體的接合強度；步驟(f)，使上述接合爐真空化，並將上述接合爐加熱至ReBCO包晶反應溫度以下，來對上述第二代ReBCO高溫超導體的ReBCO高溫超導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高溫超導體間的接合區域進行退火處理，來分別向上述第二代ReBCO高溫超導體塗層間的ReBCO高溫超導層供氧；步驟(h)，在上述第二代ReBCO高溫超導體塗層間的接合區域塗敷銀，以在接合部位發生過電流時，使上述過電流旁通來防止發生淬滅；以及步驟(i)，利用焊料或環氧樹脂來加強第二代ReBCO高溫超導體塗層的接合部位。。
[0018]在本發明的第二代ReBCO高溫超導體的接合方法中，不使用焊料或填料，在使第二代ReBCO高溫超導體的表面直接相互接觸的狀態下，對第二代ReBCO高溫超導體進行固相原子擴散壓接，來相對於常規的正常接合方式，可在沒有接合區域的阻力而製造用於運行恆定電流模式(PCM)時充分長的第二代ReBCO高溫超導體。
[0019]尤其，本發明的第二代ReBCO高溫超導體的接合方法在進行接合之前，對ReBCO高溫超導層進行鑽孔，來在接合後進行供氧退火時提供氧擴散路徑。因此，可減少用於補充氧的退火時間，並在接合第二代高溫超導體後可提供優秀的超導性能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]參照附圖，本發明的以上及其他目的、特徵及優點將通過以下的【具體實施方式】會更加明顯地體現。
[0021]圖1 (a)、圖1 (b)示出通常的第二代ReBCO高溫超導體的結構。
[0022]圖2 (a)、圖2 (b)簡要示出藉助焊料的典型的第二代ReBCO高溫超導體的接合方法。
[0023]圖3 (a)、圖3 (b)、圖3 (C)、圖3 (d)簡要示出本發明的典型的第二代ReBCO高溫超導體的接合方法。
[0024]圖4為簡要示出根據本發明的一實施例的在真空狀態下藉助供氧退火恢復超導性能的ReBCO高溫超導體的接合方法的流程圖。
[0025]圖5 (a)、圖5 (b)示出第二代ReBCO高溫超導體間的接合部位進行鑽孔過程的例。
[0026]圖6為示出進行鑽孔後去除穩定化層和/或覆蓋層的第二代ReBCO高溫超導體的例。
[0027]圖7 (a)、圖7 (b)示出對第二代ReBCO高溫超導體進行鑽孔並去除穩定化層和/或覆蓋層後將第二代ReBCO高溫超導體利用搭接形式排列並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高溫超導體塊等進行鑽孔，去除穩定化層和/或覆蓋層，並在第二代ReBCO高溫超導體鑽孔，去除對接排列的穩定化層和/或覆蓋來使兩個第二代ReBCO高溫超導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)示出能夠接合穩定化層和/或覆蓋層的結構。
[0031]圖12為利用本發明的藉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示出本發明一實施例的利用藉助壓接及供氧退火處理的第二代ReBCO高溫超導體的接合體固相原子擴散的磁場的衰減特性。圖13為示出液態氮中進行實驗的包含接合區域的閉環第二代ReBCO高溫超導體的金屬絲的圖塊，圖14示出在待機狀態下，描繪磁場衰減的結果顯示，該磁場衰變後一旦穩定即使經過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)簡要示出藉助高溫超導層的直接接觸的第二代ReBCO高溫超導體的四種接合方法。
[0035]如圖3(a)所示，將要接合的兩股第二代ReBCO高溫超導體100可以設置為相向並直接相接合(搭接接合)。並且，如圖3 (b)、圖3 (C)、圖3 (d)的例所示，兩股第二代ReBCO高溫超導體可通過第三個兩股第二代ReBCO高溫超導體塊200來相接合。在此例中，兩股第二代ReBCO高溫超導體可利用各種方式通過第三個兩股第二代ReBCO高溫超導體段200來相接合，如圖3 (b)所示，將第三個第二代ReBCO高溫超導體塊200接合於排成一條線的兩股第二代ReBCO高溫超導體100 (架接)，如圖3 (c)所示，將第三個第二代ReBCO高溫超導體塊200接合於排成平行線的兩股第二代ReBCO高溫超導體100 (平行架接)，如圖3 Cd)所示，將第三個第二代ReBCO高溫超導體塊200接合於排成鋸齒形並相互交錯的兩股第二代ReBCO高溫超導體100 (梯形架接)。
[0036]圖4為簡要示出如下的本發明的一實施例的第二代ReBCO高溫超導體的接合方法的流程圖，通過直接接觸於高溫超導層的藉助壓接的固相原子擴散，並通過進行供氧退火處理來恢復在高溫下進行接合時由於氧原子的移動擴散而失去的氧而損失的超導性能。
[0037]如圖4所示，第二代ReBCO高溫超導體的接合方法包括:準備第二代ReBCO高溫超導體的步驟S310 ;為了供氧對接合部位鑽孔的步驟S320 ;藉助刻蝕去除穩定化層和/或覆蓋層的步驟S330 ;根據接合方式(搭接或架接)排列第二代ReBCO高溫超導體並放進接合爐的步驟S340 ;在露出的第二代ReBCO高溫超導體的兩側固相壓接銅(Cu)穩定化層和/或銀(Ag)覆蓋層的步驟S350 ;使接合爐真空化並利用藉助壓接的固相原子擴散來對第二代ReBCO高溫超導層進行接合的步驟S360 ;為了補充氧對第二代ReBCO高溫超導層進行退火處理的步驟S370 ;塗敷銀(Ag)的步驟S380及加強接合部位的步驟S390。
[0038]準備ReBCO高溫超導體
[0039]首先，在準備第二代ReBCO高溫超導體的步驟S310中，準備包括第二代ReBCO(ReBa2Cu307_x，在此R e為稀土材料，x為0.6)超導層的第二代ReBCO高溫超導體及其他層。
[0040]圖5 (a)、圖5 (b)示出對第二代ReBCO高溫超導體間的接合部位進行鑽孔過程的例。圖5 (a)示出在超導層的緊下方進行鑽孔的例，圖5 (b)示出在第二代ReBCO高溫超導體的銅(Cu)和/或銀(Ag)層的底部進行鑽孔的另一例。這些例子在第二代ReBCO高溫超導體的結構描述中會涉及。
[0041]參照圖5(a)、圖5(b)，第二代ReBCO高溫超導體100至下而上包括銀覆蓋層120、基板130、緩衝層140、第二代ReBCO高溫超導層150及其他銀覆蓋層120。
[0042]上述覆蓋層通常通過自動的連續的過程中利用薄膜沉積技術來製造。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]上述緩衝層140可由選自包含Zr02、CeO2、釔穩定氧化鋯(YSZ)、Y2O3> HfO2, MgO,LaMnO3 (LMO)等的組的至少一個材料形成。上述緩衝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高溫超導層150由超導ReBCO (ReBa2Cu3O7^x,在此Re為稀土材料，x為O ^ X ^ 0.6)形成。優選地，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於6.4，則ReBCO會失去超導性能，僅作用為常導體。
[0045]包括ReBCO在內的所有材料中，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]上述穩定化層110和/或上述覆蓋層120堆積於ReBCO高溫超導層150的上表面，用於對超導層150賦予電穩定，由此保護超導層150因過電流而受損等。上述穩定化層110和/或上述覆蓋層120由電阻特別低的的金屬材料形成，用於在發生過電流的情況下保護ReBCO高溫超導層150。舉例說，上述穩定化層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，穩定化層可由不鏽鋼形成。
[0047]對接合部位的鑽孔
[0048]其次，在接合部位鑽孔的步驟S320中，微孔160形成於將要接合的第二代ReBCO高溫超導體的各自的部分來相連接。可利用超精密加工、雷射加工等來形成微孔。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高溫超導層150提供氧擴散路徑，由此使超導體保持超導性能，並減少退火時間。
[0050]鑽孔可從第二代ReBCO高溫超導體塗層的層110?層140貫穿至超導層150的緊下方(圖5的類型I)，或可貫穿至第二代ReBCO高溫超導體所有的層(圖5的類型II)。
[0051]圖6不出鑽孔後的超導層的表面。
[0052]圖9示出以縱向孔間距X橫向孔間距(dvXdh)表示的鑽孔的一例。
[0053]圖9中，左邊的圖示出接合部位的鑽孔從層110?140貫穿至第二代ReBCO高溫超導體的超導層150的緊下方的類型I，右邊的圖示出接合部位的鑽孔貫穿至第二代ReBCO高溫超導體所有的超導層150的類型II。
[0054]實驗結果表示，類型I及類型II都表示與沒有形成孔的狀態的ReBCO (Virgin)相同的電流-電壓特性，尤其，將孔只形成從基板至超導層的緊下方的類型I的情況下更接近於原狀態的第二代ReBCO的電流-電壓特性。
[0055]並且，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果表示，微孔160間的間距越大，電流-電壓特性越優秀。尤其，相對於其他情況微孔的間距為500 μ m的情況下，電流-電壓特性最優秀。
[0056]利用刻蝕去除穩定化層和/或覆蓋層
[0057]接著，利用刻蝕去除穩定化層和/或覆蓋層的步驟S330中，刻蝕第二代ReBCO高溫超導體塗層的上述銅(Cu)穩定化層和/或上述銀(Ag)，來使第二代ReBCO高溫超導層露出。可利用溼式刻蝕或等離子體乾式刻蝕來進行刻蝕。
[0058]第二代ReBCO高溫超導體塗層的情況下，第二代ReBCO位於其內部，為了藉助直接接觸的第二代ReBCO高溫超導層間的接合，利用刻蝕去除穩定化層和/或覆蓋層來使第二代ReBCO高溫超導層露出。
[0059]刻蝕穩定化層和/或覆蓋層時，可使用對穩定化層和/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後進行鑽孔的情況的第二代ReBCO塗層的電流特性的結果，在進行刻蝕工序來去除穩定化層和/或覆蓋層之前進行鑽孔的情況下，相對於在相同的條件下在進行刻蝕工序來去除穩定化層和/或覆蓋層之後進行鑽孔的情況，第二代ReBCO超導體的電流特性更優秀。因此，優選地，鑽孔應在去除穩定化層和/或覆蓋層之前進行。
[0061]此外，與去除銅(Cu)和/或銀(Ag)層之前和之後利用雷射加工進行鑽孔的情況下表面的狀態相比，去除銅(Cu)和/或銀(Ag)層之後利用雷射加工進行鑽孔的情況下表面更乾淨。
[0062]根據ReBCO高溫超導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高溫超導體投入於接合爐的內部，並在接合爐的內部以預定的方式排列。當然，第二代ReBCO高溫超導體可在投入於接合爐的內部之前進行排列。
[0064]根據接合方式，上述第二代ReBCO高溫超導體可排列成架接方式(圖7 (a)、圖7(b))，或兩股超導體塗層架接排列中露出(對接排列並露出第三個超導體塗層段來將兩股半導體塗層重疊)(圖8 (a)、圖8 (b))。圖7 (a)、圖7 (b)及圖8 (a)、圖8 (b)示出在內部形成孔後進行排列的第二代高溫超導體塗層。
[0065]圖7 (a)及圖8 (a)示出鑽孔從第二代高溫超導體的上述層110?140貫穿至超導層150的緊下方的類型I，圖7 (b)及圖8 (b)示出鑽孔貫穿第二代高溫超導體所有塗層的類型II。
[0066]固相壓接銅(Cu)穩定化層和/或銀(Ag)覆蓋層
[0067]參照圖10及圖11，在步驟S350中，一股ReBCO高溫超導體的第二代ReBCO高溫超導層接合於另一股ReBCO高溫超導體的第二代ReBCO高溫超導體塗層之前，一股第二代ReBCO高溫超導體塗層的上述銅(Cu)穩定化層和/或銀(Ag)覆蓋層和另一股第二代ReBCO高溫超導體塗層的上述銅(Cu)穩定化層和/或銀(Ag)覆蓋層直接接觸。上述銅(Cu)穩定化層和/或銀(Ag)覆蓋層可在大氣壓狀態下在接合爐中利用固相壓接相互直接接觸。
[0068]上述銅(Cu)穩定化層和/或銀(Ag)覆蓋層的直接接合長度可為大致2?3_，但不局限於此。
[0069]接合爐的真空化及ReBCO高溫超導層表面間的固相原子擴散壓接
[0070]在本步驟S360中，使接合爐的內部成真空，並在ReBCO包晶反應溫度以下對第二代ReBCO高溫超導體各自的第二代ReBCO高溫超導層的露出面進行藉助壓接的固相原子擴散。
[0071]對銅(Cu)穩定化層和/或銀(Ag)覆蓋層進行壓接後，使接合爐成真空。真空度可為P02 ( 10_5mTorr。使接合爐的內部保持真空的原因是為了只令第二代ReBCO高溫超導體的第二代ReBCO高溫超導層利用藉助壓接的固相原子擴散來彼此間相接合。當氧的分壓特別低的情況下，構成覆蓋層的銀(Ag)相對於第二代ReBCO構成的超導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高溫超導體接合體。
[0073]圖10 (a)、圖10 (b)及圖11 (a)、圖11 (b)示出銅(Cu)穩定化層和/或Ag覆蓋層的第二代高溫超導體塗層體和銅(Cu)穩定化層和/或上述銀覆蓋層。
[0074]使接合爐真空化後，在使第二代ReBCO高溫超導層露出的兩股(利用搭接接合)或三股(利用第三個第二代ReBCO高溫超導體段的對接排列的架接接合)彼此相接觸的狀態下，將上述接合爐加熱至預定溫度，即ReBCO包晶反應溫度以下的溫度，對第二代ReBCO高溫超導層進行藉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移至第二代ReBCO高溫超導體塗層。
[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，可藉助非接觸加熱來對第二代ReBCO高溫超導體塗層進行加熱。並且，第二代ReBCO高溫超導體塗層可利用微波的非接觸方式加熱。
[0078]ReBCO轉熔反應為如下。
[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轉熔反應的情況下，生成BaCuO2及CuO，而這些化合物抑制超導體特性。因此，根據本發明，在小於BaCuO2及CuO的生成溫度下進行藉助壓接的固相原子擴散。
[0082]在此，對第二代ReBCO高溫超導體施加額外的壓力，這是為了促進超導層之間的直接接觸及加速原子擴散，並且防止當接合時在接合區域分會發生的如未熔合等的各種缺陷。
[0083]優選地，接合爐的內部溫度為400°C以上至ReBCO包晶反應溫度以下。接合爐的內部溫度小於400°C的情況下，接合會不夠充分。相反，接合爐的內部溫度大於ReBCO包晶反應溫度的情況下發生液相的ReBCO，並生成有害的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。加壓力小於0.1MPa的情況下，加壓效果不充分。相反，加壓力大於30MPa的情況下，會出現第二代ReBCO高溫超導體的穩定性會下降的問題。
[0085]在本發明的方法中，由於第二代ReBCO高溫超導體ReBCO超導層直接接觸於彼此，且經受藉助壓接的固相原子擴散，因此在第二代ReBCO高溫超導體之間不存在如焊料或填料的常導層，由此能夠防止因在接合區域的接頭阻力的焦耳熱及淬滅(quenching)的發生。
[0086]第二代ReBCO高溫超導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高溫超導體100的表面進行接合，即，使第二代ReBCO高溫超導層的露出面彼此相向的狀態下，對第二代ReBCO高溫超導層直接進行固相原子擴散壓接。
[0088]相反地，如圖8所示，藉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高溫超導層100的末端以對接形式接觸或以預定距離隔開。
[0089]這種狀態下，除去穩定化層和/或覆蓋層的用於接合的單獨的小的ReBCO高溫超導體塊(第三個ReBCO超導體)位於作為接合對象的第二代ReBCO高溫超導體100。之後，第三個第二代ReBCO高溫超導層進行藉助壓接的固相原子擴散，且根據負載情況對第二代ReBCO高溫超導層的接合部位進行壓縮。
[0090]搭接接合的情況下，利用摺疊(lap)排列方式使一個第二代ReBCO高溫超導體的第二代ReBCO高溫超導層與另一個第二代ReBCO高溫超導體的第二代ReBCO高溫超導層相接觸。
[0091]另一方面，ReBCO的藉助壓接的固相原子擴散，接合爐的內部優選地設計為以使氧分壓(PO2)調節為包括真空的各種範圍。
[0092]用於向ReBCO高溫超導層補充氧及恢復超導性能的退火處理
[0093]在本步驟S370中，在氧氣氛下對第二代ReBCO高溫超導層的接合區域進行退火，來向第二代ReBCO高溫超導層供氧。
[0094]藉助壓接的固相原子擴散的步驟S360在真空及高溫(400°C以上)的狀態下進行。但是，這種真空及高溫狀態中，氧(O2)從第二代ReBCO高溫超導層脫離。
[0095]隨著氧從第二代ReBCO高溫超導層脫離，相對於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高溫超導層150會發生由超導體的正斜方晶結構(orthorhombic structure)變為常導體的四方晶體結構(tetragonalstructure)的原子結構變化，由此會失去超導性能。
[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，且通過退火來補償第二代ReBCO的氧損失，由此恢復超導性能。
[0097]可藉助對接合爐持續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的範圍內進行供氧退火，該溫度範圍提供恢復超導性能的最穩定的正斜方晶。
[0098]若對接合區域進行退火的加壓力過低，則供氧發生問題，若加壓力過高，則因過高的壓力對超導體的耐久性造成問題。因此，應在I?30atm下進行退火。
[0099]由於退火是為了補充因藉助壓接的固相原子擴散損失的氧，退火進行至相對於ReBCO的Re (稀土類材料)I摩爾，氧(O2)成為6.4?7摩爾。
[0100]在本發明中，在對接合部位鑽孔的步驟S320中，微孔160形成於第二代ReBCO高溫超導體塗層，由此在退火時在第二代ReBCO高溫超導層中提供用於擴散氧的路徑。結果，恢復第二代ReBCO高溫超導體浮層的超導性能的退火時間將會縮短。
[0101]如上所述，本發明的第二代ReBCO高溫超導體的藉助壓接的固相原子擴散方法中，接合第二代ReBCO高溫超導體之前，微孔事先形成於接合部位，來在退火時在第二代ReBCO高溫超導層中提供氧擴散路徑，從而達到縮短退火時間並接合後保持超導性能。
[0102]在第二代ReBCO高溫超導體的接合區域塗敷銀(Ag)
[0103]對第二代ReBCO高溫超導體進行藉助壓接的固相原子擴散後，上述接合區域不包括銅(Cu)和/或銀(Ag)層。因此，過電流流進接合區域時，上述過電流不繞過(旁通)接合區域，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高溫超導體的接合部位及其周圍塗敷銀(Ag)。
[0105]優選地，銀(Ag)的塗敷厚度為2?40 μ m。銀(Ag)的塗敷厚度小於2 μ m的情況下，儘管塗敷了銀(Ag)，過電流旁通的效果也不充分。相反，銀(Ag)的厚度大於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高溫超導體的接合區域
[0107]在第二代ReBCO高溫超導體的接合區域塗敷銀(Ag)後，在本步驟S390中，利用焊料或填料來加強第二代ReBCO高溫超導體的接合區域，由此保護接合區域免受外部應力損害。
[0108]如上所述，本發明的方法利用第二代ReBCO高溫超導層的直接接觸的固相擴散壓接，且包括對第二代ReBCO高溫超導體的接合部位的鑽孔，由此可提高接合效果能夠確保接合後的超導性能。
[0109]圖12及圖14示出通過本發明的一實施例的藉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，超導體的臨界電流(Ic)特性已100%恢復。
[0111]圖13示出在磁場中液態氮中進行實驗的包含接合區域的閉環第二代ReBCO金屬絲。
[0112]在磁場衰減實驗中，將Nd-Fe-B永久磁鐵插入於兩末端彼此相接合的第二代ReBCO金屬絲的閉環,來在第二代ReBCO金屬絲激發磁場，由此賦予超導性能。之後，去除Nd-Fe-B永久磁鐵並將孔傳感器設於閉環內，由此測定磁場的衰減。
[0113]根據以下的式評價磁場的衰減。
[0114]
[0115]B (t):在t時間內感應的磁鐵(泰斯拉)
[0116]B (to):初期磁場(泰斯拉)
[0117]Rjoint:接頭電阻(Ω )
[0118]L:閉環的磁電感(亨利)
[0119]T:時間(秒)
[0120]圖14為描述磁場衰減結果的圖表。磁場冷卻過程進行了 120秒後，初期感應磁場由2.77mT迅速衰退至2.74mT。初次磁場衰減停在相當於26.61A的超導電流的2.74mT，之後的240天保持穩定。初期磁場之所以衰退，可能是由於超導電流感應而發生的，該超導電流是磁場冷卻超出超導層的容量而從銀穩定化層溢出的。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，該式是用於表示在恆定電流模式中模型線圈包括超導體接頭的。
[0121]以上，參照附圖對本發明的實施例進行了說明，但本發明部局限於上述實施例，而是可變形為其他不同的方式，本發明所屬領域普通技術人員可理解，不變更本發明的技術思想或必須的特徵的情況下，本發明可由其他具體的實現實施。因此，以上記載的實施例在任何情況下也不是用於局限的。
【權利要求】
1.一種第二代ReBCO高溫超導體的接合方法，其特徵在於，包括: 步驟(a)，準備作為接合對象的兩股第二代ReBCO高溫超導體，ReBCO高溫超導體分別包括基板、ReBCO (ReBa2Cu307-x，在此Re為稀土材料，x為O < x < 0.6)高溫超導層及其它層； 步驟(b)，分別在上述第二代ReBCO高溫超導體的接合部位鑽孔； 步驟(C)，分別刻蝕上述第二代ReBCO高溫超導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高溫超導層； 步驟(d)，向接合爐投入第二代ReBCO高溫超導體後，以使兩個上述第二代ReBCO高溫超導層的露出面直接接觸或使上述第二代ReBCO高溫超導層的兩個露出面與第三個第二代ReBCO高溫超導體的第二代ReBCO高溫超導層的露出面直接接觸的方式，排列ReBCO高溫超導體； 步驟(e)，在大氣壓的狀態下，在上述接合爐對第二代ReBCO高溫超導層的露出面的兩側邊緣固相壓接銅穩定化層和/或銀覆蓋層，來提高所有第二代ReBCO高溫超導體的接合強度； 步驟(f)，使上述接合爐真空化，並將上述接合爐加熱至ReBCO包晶反應溫度以下，來對上述第二代ReBCO高溫超導體的ReBCO高溫超導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高溫超導體間的接合區域進行退火處理，來分別向上述第二代ReBCO 高溫超導體塗層間的ReBCO高溫超導層供氧； 步驟(h)，在上述第二代ReBCO高溫超導體塗層間的接合區域塗敷銀，以在接合部位發生過電流時，使上述過電流旁通來防止發生淬滅；以及 步驟(i)，利用焊料或環氧樹脂來加強第二代ReBCO高溫超導體塗層的接合部位。
2.根據權利要求1所述的第二代ReBCO高溫超導體的接合方法，其特徵在於，上述步驟(b)中，在接合部位鑽孔時，以從上述基板貫穿至上述超導層的緊下方或從基板到穩定化層的方式形成孔，各孔的直徑為10~100 μ m，並以I~1000 μ m的間距排列。
3.根據權利要求1所述的第二代ReBCO高溫超導體的接合方法，其特徵在於，上述步驟(c)中，刻蝕第二代ReBCO高溫超導體時，利用溼式刻蝕或等離子體乾式刻蝕來進行刻蝕。
4.根據權利要求1所述的第二代ReBCO高溫超導體的接合方法，其特徵在於，上述步驟(e)中，進行固相壓接時，在400°C以上至ReBCO包晶反應溫度以下的接合溫度下，對上述高溫超導體的接合部位施加0.1~30MPa的壓力，來進行固相壓接。
5.根據權利要求1所述的第二代ReBCO高溫超導體的接合方法，其特徵在於，上述步驟Cf)中，對第二代ReBCO高溫超導體塗層的接合區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.根據權利要求1所述的第二代ReBCO高溫超導體的接合方法，其特徵在於，上述步驟(g)中，對接合區域進行退火處理時，在加壓高豐純氧的氣氛及200~700°C的溫度範圍內向上述接合爐供氧，直到相對於上述第二代ReBCO的稀土類材料I摩爾，氧成為6.4~7摩爾。
7.根據權利要求1所述的第二代ReBCO高溫超導體的接合方法，其特徵在於，上述步驟(h)中，在上述接合區域以2~40 μ m的厚度塗敷銀，以增強過電流旁通效率。
8.—種第二代ReBCO高溫超導體的接合體，其特徵在於，一股第二代ReBCO高溫超導體的第二代ReBCO高溫超導層與另一股第二代ReBCO高溫超導體的第二代ReBCO高溫超導層相接合，在上述高溫超導層間的接合區域的兩側，一股ReBCO高溫超導體的ReBCO高溫超導層的穩定化層和/或覆蓋層也直接接合於另一股ReBCO高溫超導體的ReBCO高溫超導層的穩定化層和/或覆蓋層，來增強第二代ReBCO高溫超導體的塗層的接合能力。
9.根據權利要求8所述的第二代ReBCO高溫超導體的接合體，其特徵在於，上述第二代ReBCO高溫超導體包括: 基板； 緩衝層，在上述基板上形成至少一個； 第二代ReBCO高溫超導 層，形成於上述緩衝層上； 銀覆蓋層，分別形成於第二代ReB⑶高溫超導層上及基板上，用於使第二代ReBCO高溫超導層電穩定；及 銅穩定化層，形成於各銀覆蓋層上。
10.根據權利要求8所述的第二代ReBCO高溫超導體的接合體，其特徵在於，上述第二代ReBCO超導體包括: 基板； 緩衝層，在上述基板上形成至少一個； 第二代ReBCO高溫超導層，形成於上述緩衝層上； 銀覆蓋層，分別形成於第二代ReBCO高溫超導層上及基板上，用於使第二代ReBCO高溫超導層電穩定。
【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 優先權日:2013年3月29日
【發明者】吳榮根, 安熙成, 李明勳 申請人:K·約恩