CN110993248B - 一种高温超导线圈及其固化方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及高温超导线圈的技术领域，尤其涉及一种高温超导线圈及其固化方法。本申请提供了一种高温超导线圈，包括：多个饼式高温超导线圈和环氧树脂层；各个所述饼式高温超导线圈对齐排列形成线圈体；所述线圈体的外周固定设置环氧树脂层，且所述线圈体的内部的相邻的高温超导带材之间无环氧树脂填充。本申请提供了一种高温超导线圈，有效解决传统环氧树脂固化方法制得的高温超导线圈存在的性能退化的技术问题。

Description

一种高温超导线圈及其固化方法

技术领域

本申请涉及高温超导线圈的技术领域，尤其涉及一种高温超导线圈及其固化方法。

背景技术

高温超导材料，是具有高临界转变温度(Tc)能在液氮温度条件下工作的超导材料。第二代YBCO高温超导材料有着更高的临界电流密度和更优异的磁场特性，被视为工业界更具有应用前景的高温超导材料。目前日本、美国、德国、韩国、中国已经生产出km量级具有高电流密度、较好机械性能的YBCO涂层导体，应用于大型超导电缆、大功率发电机、电动机、限流器、储能器、特别是强磁体等工业产品的研制。

但是，在研制过程发现YBCO涂层导体在实际应用中处在力-电-磁-热多场耦合的复杂环境下，其临界性能会出现比较复杂的变化，主要表现为临界电流在外力作用下出现不同程度的退化。同时，由于其具有典型的层合结构，在采用绝缘材料固化后，不同材料层热膨胀系数失配导致层间热应力，加之电磁力等外载荷的作用，也会对YBCO涂层导体的临界性能产生较大的影响。所以，对YBCO涂层导体的临界性能在固化后的力-电-磁-热多场耦合环境下的行为进行研究就显得十分必要，对其以后的大规模应用和由其制成的超导设备的正常、稳定、安全的运行都有着非常重要的意义。

传统的制造方法一般为采用单一的固化方式，将高温超导线圈浸渍在环氧树脂直接进行固化，但是多篇文献及实际经验表明，现有的高温超导线圈经过多次冷热循环后其线材的通电性能退化明显，导致传统的高温超导线圈的电化性能差。

发明内容

本申请提供了一种高温超导线圈及其固化方法，有效解决传统环氧树脂固化方法制得的高温超导线圈存在的性能退化的技术问题。

有鉴于此，本申请第一方面提供了一种高温超导线圈，包括：

多个饼式高温超导线圈和环氧树脂层；

各个所述饼式高温超导线圈对齐排列形成线圈体；

所述线圈体的外周固定设置环氧树脂层，且所述线圈体的内部的相邻的高温超导带材之间无环氧树脂填充。

作为优选，所述线圈体的外周固定设置环氧树脂层具体为：所述线圈体沿轴向外周的第一预置位置固定设置环氧树脂层，所述线圈体的轴向的第二预置位置固定设置环氧树脂层，所述第一预置位置与所述第二预置位置相对齐。

作为优选，所述环氧树脂层的外表面还设有导热层。

作为优选，所述导热层选自无氧铜片、铝片或氮化铝陶瓷片。

本申请第二方面还提供了一种高温超导线圈的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、将多个饼式高温超导线圈对齐排列形成线圈体；

步骤2、将所述线圈体外周设置环氧树脂半固化片，形成线圈体固化前体；

步骤3、将所述线圈体固化前体进行固化，得到高温超导线圈。

作为优选，所述环氧树脂半固化片的含胶量大于50％。

作为优选，步骤2具体为：将所述线圈体沿轴向外周的第一预置位置固定设置环氧树脂半固化片，所述线圈体的轴向的第二预置位置固定设置环氧树脂半固化片，所述第一预置位置与所述第二预置位置相对齐。

作为优选，步骤2还包括：将所述线圈体固化前体的外表面设置导热片。

作为优选，步骤3还包括加压处理，步骤3具体为：将所述线圈体固化前体的环氧树脂半固化片进行加压固化，得到高温超导线圈。

作为优选，所述导热片选自无氧铜片、铝片或氮化铝陶瓷片。

从以上技术方案可以看出，本申请具有以下优点：

本申请创造性设计了一种新型的高温超导线圈，在各个饼式高温超导线圈对齐排列形成线圈体后，然后在线圈体的外周固定设置环氧树脂层，且线圈体的内部的相邻的高温超导带材之间无环氧树脂填充。因此，环氧树脂只固化在线圈体的外周形成整体，并未填充在线圈体的内部的相邻的高温超导带材之间，使得线圈体的内部的相邻的高温超导带材不会受到环氧树脂在不同温度下冷缩不一致导致的撕裂内力，可彻底解决由于低温冷缩的撕裂内力导致的线圈在多次测试冷热循环后的退化问题，同时保证了线圈体的机械强度。

此外，本申请不采用传统的环氧树脂等浸泡真空压力浸渍方法制得高温超导线圈，采用环氧树脂半固化片设置在多个饼式高温超导线圈对齐排列形成线圈体的外周，然后进行固化，避免导致线圈体退化的环氧树脂流入线圈体的内部的相邻的高温超导带材之间，在不同温度下，带材本身不会受到撕裂的内力，这样避免由于环氧树脂冷缩不同导致的线圈体的内部的相邻的高温超导带材性能退化问题。

附图说明

图1为本申请实施例提供的第一种高温超导线圈的结构分解图；

图2为本申请实施例提供的第二种高温超导线圈的结构分解图；

图3为本申请实施例制得的高温超导线圈的临界电流测试结果；

图4为采用传统的环氧树脂真空压力浸渍方法制得的高温超导线圈的临界电流测试结果。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请实施例中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请实施例保护的范围。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

应理解，本申请应用于高温超导线圈的固化方法中，本申请发现，传统的真空压力浸渍的固化方式，导致高温超导线圈中相邻高温超导带材层间流入环氧树脂，而传统的环氧树脂有着非常高的机械强度，当在低温不同温度下，环氧树脂由于在不同温度下的冷缩不一致，导致高温超导线圈中相邻高温超导带材层间的冷缩不匹配，所以不可避免的出现了不平衡的内应力，导致了高温超导线圈中相邻高温超导带材层间的撕裂和脱层，最终性能出现了严重的性能退化。也就是说导致高温超导线圈中相邻高温超导带材层间的撕裂和脱层的原因是环氧树脂在高温超导线圈中相邻带材层间的冷缩不匹配。

本申请发现现有高温超导线圈的性能退化原因后，创造性制备一种高温超导线圈。请参阅图1，图1为本申请实施例提供的第一种高温超导线圈的结构分解图，如图1所示，包括多个饼式高温超导线圈1和环氧树脂层2；各个饼式高温超导线圈1对齐排列形成线圈体；线圈体的外周固定设置环氧树脂层2，且线圈体的内部的相邻的高温超导带材之间无环氧树脂填充。

其中，饼式高温超导线圈1为现有常规的以饼式绕制的高温超导线圈。各个饼式高温超导线圈对齐排列形成圆筒状的线圈体。

本申请不采用传统的环氧树脂或石蜡等浸泡真空压力浸渍方法制得高温超导线圈，本申请创造性设计了一种新型的高温超导线圈，在各个饼式高温超导线圈1对齐排列形成线圈体后，然后在线圈体的外周固定设置环氧树脂层2，且线圈体的内部的相邻的高温超导带材之间无环氧树脂填充。因此，环氧树脂只固化在线圈体的外周形成整体，并未填充在线圈体的内部的相邻的高温超导带材之间，使得线圈体的内部的相邻的高温超导带材不会受到环氧树脂在不同温度下冷缩不一致导致的撕裂内力，可彻底解决由于低温冷缩的撕裂内力导致的线圈在多次测试冷热循环后的退化问题。

将本申请实施例制得的高温超导线圈与采用传统的环氧树脂真空压力浸渍方法制得的高温超导线圈进行性能测试，结果如图3-4所示，图3为本申请实施例制得的高温超导线圈的临界电流测试性能，图4为采用传统的环氧树脂真空压力浸渍方法制得的高温超导线圈的临界电流测试性能。图3显示采用本实施例制作的线圈性能无明显退化，图4显示采用传统的环氧树脂真空压力浸渍的线圈性能出现了退化。

为了增强高温超导线圈的导热性能，环氧树脂层2的外表面还设有导热层32，为了便于理解，请参阅图2，图2为本申请实施例提供的第二种高温超导线圈的结构分解图，如图2所示，环氧树脂层2的外表面还设有导热层3，具体的，导热层3可以为无氧铜片。同时，将高导热的无氧铜片固定在环氧树脂层的外表面，从而提高高温超导线圈的机械强度和提升高温超导线圈的传热能力，起到高温超导线圈保护目的。

本申请提供的高温超导线圈的环氧树脂层可以根据实际情况进行调整，环氧树脂层可以完全设置在高温超导线圈的外周，环氧树脂层也可以设置在线圈体沿轴向外周的预置位置。

进一步的，本申请实施例中，线圈体的外周固定设置环氧树脂层2具体为：线圈体沿轴向外周的第一预置位置固定设置环氧树脂层2，线圈体的轴向的第二预置位置固定设置环氧树脂层2，第一预置位置与第二预置位置相对齐，其中，第一预置位置与第二预置位置可以根据实际情况进行调整。

本申请实施例还提供了一种高温超导线圈的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、将多个饼式高温超导线圈对齐排列形成线圈体；

步骤2、将线圈体外周设置环氧树脂半固化片，形成线圈体固化前体；

步骤3、将线圈体固化前体进行固化，得到高温超导线圈。

其中，步骤3中固化温度根据环氧树脂半固化片的固化温度设置，环氧树脂半固化片为现有常规的环氧树脂半固化片，环氧树脂半固化片为环氧树脂与固化剂发生固化反应，形成环氧树脂半固化，环氧树脂半固化在室温条件下可稳定存在，在高温高压或光照等特定条件下，可使线圈体固化，同时，环氧树脂半固化片固化过程中不会填充在线圈体的内部的相邻的高温超导带材之间。

进一步的，本申请实施例的制备方法中，环氧树脂半固化片的性能参数为含胶量大于50％，含胶量大使得环氧树脂半固化片能牢固贴服在线圈体的外周，由于是环氧树脂半固化片，环氧树脂半固化片在固化时不会将环氧树脂填充至线圈体的内部的相邻的高温超导带材之间的间隙。

进一步的，本申请实施例的制备方法中，步骤2具体为：将线圈体沿轴向外周的第一预置位置固定设置环氧树脂半固化片，线圈体的轴向的第二预置位置固定设置环氧树脂半固化片，第一预置位置与第二预置位置相对齐。

具体的，本申请实施例的制备方法具体包括：

首先绕制完成饼式高温超导线圈1；根据饼式高温超导线圈1的大小进行不锈钢模具制作，模具制作外径与饼式高温超导线圈1外径一致，将1mm厚的环氧树脂半固化片按照线圈体的长度进行裁剪后放入模具，然后，多个饼式高温超导线圈1放置在模具中，饼式高温超导线圈1对齐排列形成线圈体，使得环氧树脂半固化片设置在线圈体沿轴向外周的第一预置位置，线圈体的沿轴向的两个端部距离模具预留1mm间隙；在线圈体的沿轴向外周的第二预置位置放入另外一片1mm厚的同样长度和大小环氧树脂半固化片，封上模具。对线圈体进行120℃的高温热固化处理，环氧树脂半固化片与线圈体沿轴向外周的端部完全贴合在，使得线圈体的内部的相邻的高温超导带材之间无环氧树脂填充。

进一步的，本申请实施例的制备方法中，为了使得环氧树脂半固化片与线圈体能充分贴合，可以对环氧树脂半固化片施加一定的预应力，步骤3还包括加压处理，步骤3具体为：将线圈体固化前体的环氧树脂半固化片进行加压固化，得到高温超导线圈。

其中，加压固化为现有常规的加压固化操作，本申请实施例不作具体描述。

进一步的，本申请实施例的制备方法中，为了提高高温超导线圈的机械强度和提升高温超导线圈的传热能力，起到高温超导线圈保护目的，步骤2还包括：将线圈体固化前体的环氧树脂半固化片的外表面设置导热片，使得在步骤3的固化处理后，导热片能紧密贴合在高温超导线圈的外表面；将高导热的导热片固定在高温超导线圈的外表面，从而提高高温超导线圈的机械强度和提升高温超导线圈的传热能力，起到高温超导线圈保护目的；导热片选自无氧铜片、铝片或氮化铝陶瓷片。

本申请的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种高温超导线圈，其特征在于，包括：

多个饼式高温超导线圈和环氧树脂层；

各个所述饼式高温超导线圈对齐排列形成线圈体；

所述线圈体的外周固定设置环氧树脂层，且所述线圈体的内部的相邻的高温超导带材之间无环氧树脂填充；所述线圈体的外周固定设置环氧树脂层具体为：所述线圈体沿轴向外周的第一预置位置固定设置环氧树脂层，所述线圈体的轴向的第二预置位置固定设置环氧树脂层，所述第一预置位置与所述第二预置位置相对齐。

2.根据权利要求1所述的高温超导线圈，其特征在于，所述环氧树脂层的外表面还设有导热层。

3.根据权利要求2所述的高温超导线圈，其特征在于，所述导热层选自无氧铜片、铝片或氮化铝陶瓷片。

4.权利要求1所述的高温超导线圈的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将多个饼式高温超导线圈对齐排列形成线圈体；

步骤2、将所述线圈体外周设置环氧树脂半固化片，形成线圈体固化前体；将所述线圈体沿轴向外周的第一预置位置固定设置环氧树脂半固化片，所述线圈体的轴向的第二预置位置固定设置环氧树脂半固化片，所述第一预置位置与所述第二预置位置相对齐；

步骤3、将所述线圈体固化前体进行固化，得到高温超导线圈。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述环氧树脂半固化片的含胶量大于50%。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤2还包括：将所述线圈体固化前体的外表面设置导热片。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述导热片选自无氧铜片、铝片或氮化铝陶瓷片。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤3还包括加压处理，步骤3具体为：将所述线圈体固化前体的环氧树脂半固化片进行加压固化，得到高温超导线圈。

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