具有合金金屬鍍膜的高溫超導帶的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明是有關于一種超導材料，且特別是有關于一種超導帶及其制造技術。
【背景技術】
[0002]基于高溫超導(hightemperature superconducting，HTc)材料的臨界溫度(critical temperature，TC)可高于77K，超導線(superconducting wire)或超導帶(tape)已被開發(fā)，其利于在由液態(tài)氮冷卻的低溫系統(tǒng)(cryogenic system)中使用。在某些應用中，例如在超導故障電流限制器(superconducting fault current limiter，SCFCL)中的使用，如果發(fā)生故障，高溫超導(high temperature superconducting，HTS)帶會經(jīng)歷高溫驟增(excurs1n)，其超導層會進行轉變而至非超導狀態(tài)。
[0003]在SCFCL正常操作下，電流幾乎只經(jīng)由超導層傳遞。當在SCFCL中發(fā)生故障時，由于從超導層獲取有限電阻(finite resistance)，金屬層一般較超導層的現(xiàn)有電阻(now-resistive)呈現(xiàn)較低的電阻，電流會轉向進入與超導層接觸的金屬層。在故障條件期間，經(jīng)過金屬層的電流可能造成電阻加熱(resistive heating)，而引起HTS帶內溫度上升至400C或更高。高溫的結果使金屬表面粗糙化(roughening)，也使局部位置(local spot)或在金屬層界面處發(fā)生氧化(oxidat1n)，導致金屬層的劣化(degradat1n)以及減少HTS帶的壽命O
[0004]另一方面，為了沿著超導帶的長度產(chǎn)生顯著的電壓降(voltagedrop)，可期望增加HTS帶內金屬層的片電阻(sheet resistance)。雖然此方法原則上可藉由減少金屬層(例如銅)的厚度來達成，但減少的厚度可能導致結塊(agglomerat1n)或其他劣化的感受性(susceptibility)增加，而可能縮短HTS帶的壽命。因這些方面以及其他考量，本發(fā)明的改良是需要的。

【發(fā)明內容】

[0005]本內容提供簡化的形式介紹選擇性的概念，其更進一步的描述在后面的詳述內。本內容并非用來限定權利要求中專利標的的主特征或必要特征，也不是用來協(xié)助決定權利要求中專利標的范圍。
[0006]在一實施例中，超導帶包括:基底，其包括多個層;定向(oriented)超導層，位于基底上；以及合金涂層(alloy coating)，位于超導層上，合金涂層包括一層或更多層的金屬層，其中至少一層金屬層包括金屬合金。
[0007]在另一實施例中，形成超導帶的方法包括形成超導層，其包括位在帶基底(tapesubstrate)上的定向超導材料，其中帶基底及超導材料在其之間定義第一界面。上述方法還包括在超導層上形成合金涂層，其中合金涂層及超導層定義與第一界面相對的第二界面，且合金涂層包括一層或更多層的金屬層，其中至少一層金屬層包括金屬合金。
【附圖說明】
[0008]圖1是依照一實施例所示出的電流限制系統(tǒng)。
[0009]圖2A是具合金涂層的涂層超導帶的實施例。
[0010]圖2B是圖2A的實施例的變化。
[0011]圖2C是圖2A的實施例的另一變化。
[0012]圖3A是雙層合金涂層的實施例。
[0013]圖3B是雙層合金涂層的另一實施例。
[0014]圖3C是雙層合金涂層的另一實施例。
[0015]圖4A是示出在正常條件下具雙層合金涂層的涂層超導帶的操作方案。
[0016]圖4B是在故障條件期間圖4A的涂層超導帶內形成導電氧化物的方案。
[0017]圖4C是在故障條件期間圖4A的涂層超導帶內形成導電氧化物的另一方案。
[0018]圖5是示出銀-鋯(Ag-Zr)系統(tǒng)的二元相圖。
【具體實施方式】
[0019]以下將參考附圖更完整地描述本發(fā)明的實施例，其圖中將顯示出本發(fā)明的一些實施例。然而，本發(fā)明可用許多不同的形式予以實施，因此不應視為局限于在此所述的實施例。更確切地說，提供這些實施例將使本發(fā)明的揭示更齊全，且將更完整地傳達本發(fā)明的觀念給任何所屬技術領域中具有通常知識者。在圖中，相同的參考數(shù)字表示相同的元件。
[0020]為了解決一些前述提及的超導帶缺陷，在此將描述實施例以提供超導帶的改良結構以及形成超導帶的改良技術。這些實施例可特別適用于超導帶受交流電(AC voltage)支配的超導帶應用，包括在故障電流限制器內及其他應用。
[0021]為了解決此情況，本案的實施例特別提供超導帶的結構，其包括合金涂層，合金涂層包括一層或更多層的金屬合金層。更特別的是，金屬合金(在此簡化為合金)涂層與超導層接觸。如下詳述，在合金涂層內的合金層提供超導帶改良堅固性(robustness)、在故障條件期間對于燒毀(burnout)的改良電阻、增加的片電阻(sheet resistance)以及在下層的超導層的改良性質。
[0022]在此使用的“合金”名詞表示金屬與一種或更多其他元素的混合物，例如一種或更多另外的金屬元素。合金可由兩種或更多種的元素的固態(tài)溶液(形成單一相)構成;可由二相或更多相的混合物構成，其中每一相可為兩種或更多種的元素的固態(tài)溶液;可由一種或更多種的介金屬化合物(intermetallie compound)構成；或由上述任何組合的混合物構成。介金屬化合物可以是組成元素比例不變動的線性(line)化合物，但也可以是組成元素比例可變動的化合物。在下述的討論中，將顯示如何藉由適當選擇合金元素可形成所需的超導帶性質的組合。以下所揭示的合金涂層包括至少一層合金層，且可包括單一合金層、單一合金層和另外的非合金層、多層合金層及多層非合金層等。在遵循與單一元素合金的銀層或銅層的實例的實施例中提供不同的合金元素。然而，本案實施例包括兩種或更多種的此類合金元素與例如銅或銀的材料合金的合金。
[0023]圖1示出超導故障電流限制器(SCFCL)系統(tǒng)100的結構，其與揭示的實施例一致。SCFCL系統(tǒng)100包括SCFCL 102，其為傳統(tǒng)的SCFCL，除非在此有其他方面的描述注記可遵循。SCFCL系統(tǒng)100還包括保護元件106，其包含根據(jù)不同實施例配置的超導帶。SCFCL 102與傳遞線(transmiss1n line)108為串聯(lián)配置，其設計為傳遞負載電流(load current)。在正常操作模式下，負載電流可周期性(per1dicalIy )、偶發(fā)性(occas1nalIy)或持續(xù)性(continuous Iy)經(jīng)過SCFCL系統(tǒng)100。在正常操作模式中的負載電流表現(xiàn)使超導元件104維持在超導態(tài)的電流位準(current level)，因此當負載電流經(jīng)過SCFCL 102時，在零電阻下經(jīng)由超導元件104傳送負載電流。于是，負載電流傳送經(jīng)過SCFCL時，電阻相對較低，SCFCL包括電阻點(resistive point)以及連接點(connect1n point)，而電阻點包括常態(tài)金屬(normal state metal)。
[0024]超導元件104是使用HTc帶制造。根據(jù)先前技術背景，HTc帶是使用在例如SCFCL的裝置冷卻至典型的液態(tài)氮沸點(77K)時的情況下，此溫度低于用于制造HTc帶的超導材料的臨界溫度。當電流小于臨界電流(criticaI current，Jc)時，SCFCL在無電阻下經(jīng)HTc帶傳送電流，上述臨界電流為超導材料的含述，經(jīng)由此超導材料，制造超導帶和形成超導帶的幾何結構。在故障條件下，傳遞經(jīng)過SCFCL 102的電流會經(jīng)歷驟增(surge)，如注意到的，超過Jc并造成超導材料改變至有限狀態(tài)電阻，且電流轉向經(jīng)過金屬接觸層。在傳統(tǒng)HTc帶結構內，在故障期間當電流轉向經(jīng)過金屬接觸層時所散出的高溫可能改變金屬層的微結構，造成金屬原子擴散、晶粒成長、熱誘發(fā)應力(thermally induced stress)，這些過程可能導致層結塊、空隙產(chǎn)生及裂痕。此外，當故障發(fā)生時，視周圍環(huán)境而定，可能發(fā)生金屬層氧化。這些現(xiàn)象的集合在此表示為“燒毀”，且可能發(fā)生在單一次故障事件或多次故障事件之后。
[0025]與本案的實施例一致，用來制造超導元件104的金屬涂層包括至少一層合金層，其對于燒毀具有改良的電阻。在不同的實施例中，合金層形成具有金屬層的涂層半導體結構的一部份，所述金屬層圍繞超導帶的內超導層。圖2A示出超導帶200的一實施例，其中超導層204位于基底202上，超導帶200包括如下所述的多數(shù)層。憑借著基底202的組成層，基底202形成高度定向超導層長成的基板(template)。在此使用的名詞“定向”或“高度定向”表示具有高度晶體方向的性質，例如高