超导焊接全球首次取得成功,可永久通电的强磁场电磁铁实现在即

新技术 2018年05月31日
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日本物质材料研究机构对拥有优异磁场超导特性的稀土氧化物超导线材(高温超导材料)成功进行超导焊接,并在保持超导状态的情况下进行了通电实验,这在全球还是首次。

使用超导线材制作电磁铁电阻为零,能流过大电流,并产生强磁场,因此被应用于新药开发不可或缺的核磁共振(NMR)等装置。如果超导线材之间能进行“超导接合”,理论上就可以永久地持续流过电流,有望降低能耗并消除电源噪声。

在超导接合技术中,利用低熔点 “超导焊锡” 金属的接合技术比其他超导接合技术更简便,得到了广泛利用。不过,在有实用前景的超导线材中,强磁场特性十分优异的稀土氧化物超导线材是目前唯一无法利用超导焊锡进行接合的。

在进行超导焊接时,为避免超导层暴露在空气中,会用锡合金置换保护层,此次研究人员详细分析了这一初期工序,发现锡合金容易会腐蚀稀土氧化物超导层,破坏超导状态,另外,即使置换时间非常短,也无法获得良好的电气耦合,对此,研究人员优化了锡合金的置换时间,并在两个接合面贴合在一起的状态下实施加压热处理,利用薄铜箔固定接合部分,由此首次成功实现了稀土氧化物高温超导线材的超导焊接(图1)。

本研究由日本物质材料研究机构功能性材料研究基地的主任研究员伴野信哉等人的研发小组完成,相关研究成果将在2018年春季低温工学与超导学会(2018年5月28日~30日举行)及2018年国际应用超导会议(Applied Superconductivity Conference, Oct.28 – Nov.2, 2018, Seattle)上发表。

<研究内容与成果>

研发小组首先利用化学腐蚀法去除稀土氧化物超导线最外侧的铜(Cu)层,使超导层变成只有银(Ag)保护膜的状态。然后将其浸入保持200℃以下某一恒定温度的熔融锡(Sn)合金中,精细确定时间,利用熔融锡合金进行置换处理,并观察了反应界面。观察结果如图2所示,10几分钟后锡合金就开始腐蚀稀土超导层(该实验使用的线材为GdBCO层)。另外还发现,在银保护膜完全融化后的熔融锡合金处理中,即使浸入时间非常短,超导层与超导焊锡之间也无法获得良好的电气耦合性。

研发小组根据以上实验结果,对各个环节的处理条件进行了优化,结果如图3所示,成功在超导层上均匀涂布了铅铋(Pb-Bi)超导焊锡层。关于接合结构,为了避免平坦的超导层上的焊接剥落,研发小组提出了在两个接合面贴合在一起的状态下实施加压热处理、并用薄铜箔直接固定接合部分的方法。图4和图5是稀土氧化物超导线之间以及稀土超导线材与铌钛(NbTi)超导线的超导接合的测试结果。虽然接头部分只有5~10mm,但两种实验材料都在温度为4.2K、且没有外部磁场的情况下成功获得了170A以上的超导临界电流特性(0.1μV/cm电压基准)。

<参考图>

进行超导焊接的稀土超导线材

图1:进行超导焊接的稀土超导线材

锡合金腐蚀超导层

图2:锡合金腐蚀超导层

接合部EDX(能量色散型X射线分析)图谱 GdBCO层被干净地保留下来

图3:接合部EDX(能量色散型X射线分析)图谱 GdBCO层被干净地保留下来。

GdBCO-GdBCO超导接合测试结果

图4:GdBCO-GdBCO超导接合测试结果

GdBCO-NbTi 超导接合测试结果

图5:GdBCO-NbTi 超导接合测试结果

文 客观日本编辑部

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