一种无骨架铌三锡超导线圈制作方法

摘要

一种无骨架铌三锡超导线圈制作方法，用螺母固定使圆柱形石英管(1)与两端板法兰(2)装配为绕线的骨架。将石英骨架安装在绕线机上绕制铌三锡超导线。层间换线时，在上一层铌三锡超导线表面铺垫一层玻璃丝布。铌三锡超导线圈(4)绕制完成后，在端板的出线孔(9)处出线。在铌三锡超导线圈(4)的最外层半叠包绕制玻璃丝布。然后在最外侧绕制绑扎层(5)。绑扎层(5)绕制完成后，将带工装的铌三锡超导线圈放入真空热处理炉中进行真空热处理和真空压力浸渍，最后进行环氧树脂的固化工艺。固化后去除石英管(1)，得到不含骨架的铌三锡超导线圈(4)。

说明书

技术领域

本发明涉及一种超导线圈制作方法。

背景技术

超导线在一定的临界温度下电阻为零，将超导线绕制成超导线圈后，在临界温度下可以承受较大的电流，从而产生强磁场。基于超导线圈的这个特性可以设计制造出超导磁体，根据所需的磁场大小、均匀度等设计超导线圈的层数、匝数等。超导磁体是由各种形状的超导线圈组成，最常见的超导线圈是螺线管形超导线圈，是将超导线绕制在圆柱形的骨架上面。一般产生强磁场的超导磁体是通过不同直径的超导线圈嵌套组合成内插磁体，然后串联通电后产生强磁场。

目前，低温超导线圈中常用的为铌钛超导线圈和铌三锡超导线圈。这两种超导线圈制备工艺相对简单，使用性能优良，在强磁场领域得到了广泛的应用。铌三锡超导线圈临界温度较高，为18.1K，临界电流密度大，所以较铌钛线圈，能够产生更高的磁场。但铌三锡超导线圈的制备工艺相对较为复杂。一般铌三锡超导线圈的制备在线圈绕制完成后，需要经过长时间的高温热处理，通过高温扩散反应产生铌三锡超导相，最后进行真空压力浸渍，将环氧树脂与超导线浸渍成一个整体。但是一般铌三锡超导线圈的层数不宜过大，层数过大的超导线圈不利于真空浸渍，环氧树脂难以浸渍到线圈内层，容易造成环氧浸渍不充分，部分区域没有与环氧树脂充分接触，这将在超导线圈励磁通电过程中造成严重的后果。如超导线圈浸渍不完全，在超导线通过强大电流时，在强磁场下会受到强大的电磁力产生运动，继而引发超导线圈失超，不能达到预计的电流值和中心磁场。所以一般铌三锡超导线圈的层数较少，需要较高层数的铌三锡超导线圈需要多个低层数的超导线圈内插嵌套，组合成高层数的超导线圈。而每个超导线圈都需要绕制在一个骨架上，这对空间要求严格的超导线圈是一个不利的因素。所以需要在有限的空间里尽可能提高超导线的排布密度，从而提高超导线总体的电流密度，进而提高中心磁场。

目前，铌三锡超导磁体一般是将导线绕制在金属骨架上，该金属骨架需承受一定的绕制预紧力，并能够在高温下保持良好的力学性能，并且不能具有磁性。铌三锡超导线主要有两种，一种为内锡法制造的铌三锡超导线，另一种为青铜法制造的铌三锡超导线。内锡法的铌三锡超导线热处理工艺中需要在700℃以下高温热处理，总热处理时间高达20天以上。青铜法的铌三锡超导线热处理温度更高，需要在接近1000℃的高温下热处理进行高温扩散反应，生成A15超导相。因此铌三锡超导线圈的骨架要求具有长期耐高温不变形的能力，很多用于铌钛超导线圈的骨架材料如铝合金、铜合金等材料都不能满足如此严格的热处理条件。

铌三锡超导线圈常用的金属骨架一般为304，316不锈钢等。不锈钢的骨架设计时，壁厚的设计是一个关键的参数，壁厚太薄，在高温下长时间热处理会产生变形，壁厚太厚，则会占用超导线的体积，降低总的电流密度，并且在超导线圈降温过程中影响线圈的冷却效果。因此很难设计出最优化的骨架厚度来充分利用骨架的支撑作用和尽可能小的影响总的电流密度。

此外，铌三锡超导线圈的不锈钢骨架表面需要热喷涂耐高温的绝缘涂层，来避免铌三锡超导线与不锈钢骨架短路，绝缘涂层需要在骨架的边缘与拐角处谨慎处理，否则在这些关键部位会成为线圈绝缘的脆弱点，在铌三锡超导线圈通电过程中，超导线在强大的电磁力作用下很容易在这些脆弱点上引发失超，造成严重的后果。同时，在对铌三锡超导线圈降温到液氦温度时，绝缘涂层不利于铌三锡超导线圈的冷却效果。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术采用不锈钢骨架绕制的铌三锡超导线圈在长时间高温热处理时发生的变形问题，以及骨架本身会降低铌三锡超导线圈的总电流密度问题，以及现有铌三锡超导磁体骨架存在短路隐患的问题，提出一种无骨架铌三锡超导线圈的制作方法。本发明能够使铌三锡超导线圈在长时间高温热处理后基本不发生变形，线圈真空浸渍处理后可去除骨架，提高超导线的排布密度，进而提高超导线圈总的电流密度。同时，本发明铌三锡超导线圈结构简单，制作成本低廉，易于产业化。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明将未经热处理的铌三锡导线绕制在石英骨架上，然后经过高温热处理反应，经环氧树脂的真空浸渍后去除石英骨架，得到无骨架的铌三锡超导线圈。

本发明在圆柱形的石英管两端通过螺杆分别紧固两个端板法兰，作为铌三锡超导线圈的骨架。圆柱形石英管通过两个端板法兰上的定位槽进行中心定位。绕制前，在石英管上半叠包绕制两层玻璃丝布，使最终成型的铌三锡超导线圈内侧表面平整平滑。然后将未反应的铌三锡导线均匀、紧密地绕制在石英管上。

在铌三锡超导线圈的端板法兰上开有进线孔和出线孔，进线孔的位置与石英骨架的表面相切，使第一匝导线通过进线孔绕制在石英骨架上。出线孔的位置与铌三锡超导线的最外层表面相切，线圈绕制完成后通过出线孔出线。

在铌三锡超导线绕制过程中，在每层间铺垫一层玻璃丝布，有利于超导线圈的层间绝缘和环氧树脂的真空浸渍，能够增加环氧树脂的结合强度和超导线圈整体的强度。

铌三锡超导线绕制完成后，在最外层绕制绑扎层。在铌三锡超导线圈通电过程中，在电磁力的作用下会受到向外的径向力而扩张，最外层的绑扎层会限制铌三锡超导线圈的扩张，降低铌三锡超导线圈失超的可能。

将绕制完成的带有工装的铌三锡线圈进行高温热处理，由于热处理温度较高，所有工装配件应使用耐温700℃至1000℃的材料。石英管的热膨胀系数较低，约为0.51E-7，远低于不锈钢的热膨胀系数，约为16E-6。在高温热处理过程中，石英的热变形远低于不锈钢的热变形，最终制成的铌三锡超导线圈基本不会发生变形，保持原有的形状。

本发明无骨架铌三锡超导线圈的制作步骤如下：

1、将圆柱形石英管与两个端板法兰连接，在与圆柱形石英管结合处的两个端板法兰上分别开一个圆环形的槽，圆柱形石英管嵌入圆环形槽内，作为铌三锡超导线圈的石英骨架。两个端板法兰的中心开有通孔，通孔处安装一根螺杆，通过该螺杆将石英骨架安装在绕线机上进行精确密排绕线。两个端板法兰与石英管内表面相切处各开有周向的一圈通孔，通孔个数为3到8个。所述通孔用于安装定位与夹紧螺杆，使圆柱形石英管与两个端板法兰的中心对正并且紧固连接。

2、将装配好的石英骨架安装在绕线机上。在圆柱形石英管的外表面半叠包绕制2层玻璃丝布，增大圆柱形石英管表面绕线时的摩擦力，同时保证后续铌三锡超导线圈在真空浸渍环氧树脂后，内侧表面平整光滑，同时增大铌三锡超导线圈的结合力与整体强度。

3、在铌三锡超导线圈的端板进线孔进线，进线后开始第一层铌三锡超导线的紧密排列绕制。层间换线时，在上一层铌三锡超导线表面铺垫一层玻璃丝布，用于增大层间超导线的强度，改善后续的真空浸渍环氧树脂的浸渍效果。

4、铌三锡超导线绕制完成后，在端板的出线孔处出线。在铌三锡超导线的最外层半叠包绕制2至10层玻璃丝布。

5、玻璃丝布绕制完成后，最外侧绕制绑扎层。绑扎层的材料选用铜线或无磁不锈钢线，并且绑扎层的材料不能含绝缘漆等不耐高温的物料，绑扎层的层间不需要铺垫玻璃丝布。绑扎层的层数为2至6层。

6、绕制完成后，将带有工装的铌三锡超导线圈放入真空热处理炉中进行真空热处理。真空热处理的真空度低于1E-4Pa。真空热处理完成后对铌三锡超导线圈进行真空压力浸渍，浸渍真空度低于10Pa.使环氧树脂浸渍到铌三锡超导线的层间与匝间，通过环氧树脂与玻璃丝布的结合使得铌三锡超导线圈成为一个整体，最后进行环氧树脂的固化。

7、固化完成后取出铌三锡超导线圈，清理多余的环氧树脂后，拆装石英骨架两端的法兰。用玻璃刀划破中心的石英管，慢慢去掉中心的整个石英管，最后得到不含骨架的铌三锡超导线圈。

本发明采用的石英管具有耐高温的性能，石英玻璃的软化点约为1730℃，能够在1200℃长时间使用，对于铌三锡超导线圈的热处理温度来说，无论是内锡法铌三锡超导线需要的700℃以下的高温，还是青铜法铌三锡超导线需要的1000℃以下的高温，都可以适应。同时，石英管的热稳定性优良，石英的膨胀系数低，约为0.51E-7，能承受住剧烈的温度变化，高低温热冲击石英管也不会炸裂。此外，石英的电绝缘性能优越，是良好的绝缘材料，解决了铌三锡超导线与金属骨架的绝缘易损的问题。

本发明制备的无骨架铌三锡超导线圈，在去除石英骨架后，只剩下铌三锡和环氧树脂复合成的光滑的圆柱形超导线圈。采用本发明容易制备出多个无骨架铌三锡超导线圈，然后按照直径大小依次嵌套内插，组合成大型的多层铌三锡超导线圈，解决了传统铌三锡超导线圈难以做成多层结构，传统的不锈钢骨架的易变形，绝缘易损的问题，能够在有限的空间充分发挥铌三锡超导线的电流密度，同时减少制冷量，特别适合需要产生高临界磁场的强磁场领域。

所述的石英管在高温下热膨胀系数小，约为0.51E-7，约为不锈钢骨架的三十分之一，经过长时间高温热处理后基本不会发生变形，并且能够承受一定的压应力，因此本发明制备铌三锡超导线圈采用石英骨架，经过长时间高温热处理后不会影响最终超导线圈的形状。而采用不锈钢骨架绕制的铌三锡超导线圈，经过长时间高温热处理后骨架在导线预紧力的作用下在骨架中部会产生一定程度的内凸变形，这在多个线圈内插配合过程中将难以装配。

此外，本发明方法制作的无骨架铌三锡超导线圈降低了超导磁体的总体冷重，不需要对超导线圈的骨架降温到规定的温度区间。同时，采用石英管作为铌三锡超导线圈的骨架，在线圈绕制过程中，不会遇到铌三锡超导线与骨架的短路问题，不需要对骨架做绝缘处理，工艺简单，成本低廉。

附图说明

图1本发明的铌三锡超导线圈示意图；

图2本发明的铌三锡超导线圈骨架示意图；

图3本发明的铌三锡超导线圈端板示意图；

图4本发明的铌三锡超导线圈带工装骨架示意图；

图5本发明的无骨架铌三锡超导线圈示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明制作的无骨架铌三锡超导线圈包括圆柱形石英管1、端板法兰2、玻璃丝布层3、铌三锡超导线圈4、绑扎层5、中心螺杆6、紧固螺杆7等。圆柱形石英管1通过两个端板法兰2上的圆环形的槽10，与两端板法兰2连接。在两端板法兰2中心安装一根螺杆6，并在螺杆两端用螺母固定。在两端板法兰上中心螺杆6周围安装螺杆7，用螺母固定，使圆柱形石英管1与两端板法兰2装配成为一个绕线的骨架。将装配好的石英骨架安装在绕线机上。在圆柱形石英管1的外表面半叠包绕制两层玻璃丝布。在端板法兰2的进线孔8进线，进线后开始第一层铌三锡超导线的紧密排列绕制。在进行层间换线时，在上一层铌三锡超导线表面铺垫一层玻璃丝布。铌三锡超导线圈4绕制完成后，在端板的出线孔9处出线。在铌三锡超导线圈4的最外层半叠包绕制玻璃丝布。玻璃丝布的层数为2至10层。绕制完成玻璃丝布后，最外侧绕制绑扎层5。绑扎层5的材料选用铜线或无磁不锈钢线，并且不能含有绝缘漆等不耐高温的元素。绑扎层的层间不需要铺垫玻璃丝布。绑扎层的层数为2至6层。

实施例一

将圆柱形石英管1与两端板法兰2连接，两端板法兰2与圆柱形石英管1结合处开一个圆环形的槽，圆柱形石英管1卡进圆环形槽10内。两端板法兰2中心开有通孔，通孔中安装一根M6螺杆6。两端板法兰2与圆柱形石英管1内表面相切处各开有周向一圈通孔，通孔数量为3个。3个通孔安装3个M4螺杆7，用于定位与夹紧，使圆柱形石英管1与两端板法兰2中心对正并且紧固连接。将装配好的石英骨架安装在绕线机上。在圆柱形石英管的外表面半叠包绕制2层玻璃丝布3。在端板的进线孔8进线，进线后开始第一层铌三锡超导线的紧密排列绕制。在进行层间换线时，在上一层铌三锡超导线表面铺垫一层玻璃丝布。铌三锡超导线绕制完成后，在端板法兰2的出线孔9处出线。在铌三锡超导线的最外层半叠包绕制2层玻璃丝布。绕制完成玻璃丝布后，最外侧绕制绑扎层5。绑扎层5的材料选用无磁不锈钢线，绑扎层的层间不需要铺垫玻璃丝布。绑扎层的层数为6层。绕制完成后，将带工装的铌三锡超导线圈4放入真空热处理炉中进行真空热处理。真空热处理完成后对铌三锡超导线圈4进行真空压力浸渍，最后进行环氧树脂的固化工艺。

固化完成后取出铌三锡超导线圈4，清理掉多余的环氧树脂后，拆装石英骨架两端的法兰2。用玻璃刀划破中心的石英管1，小心去掉整个石英管1，最后得到不含骨架的铌三锡超导线圈4。

实施例二

圆柱形石英管4通过两端板法兰2上的圆环形的槽10，与两端板法兰2连接。在两端板法兰中心安装一根螺杆6，并在两端用螺母固定。两端板法兰中心开有通孔，通孔中安装一个M20螺杆7。两端板2与圆柱石英管1内表面相切处各开有周向一圈通孔，通孔个数为6个。通孔位置安装6个M4螺杆7用于定位与夹紧，使圆柱形石英管1与两端板法兰2中心对正并且紧固连接。将装配好的石英骨架安装在绕线机上。在圆柱形石英管的外表面半叠包绕制2层玻璃丝布3。在端板的进线孔8进线，进线后开始第一层铌三锡超导线的紧密排列绕制。在进行层间换线时，在上一层铌三锡超导线表面铺垫一层玻璃丝布。铌三锡超导线圈4绕制完成后，在端板的出线孔9处出线。在铌三锡超导线圈4的最外层半叠包绕制6层玻璃丝布。绕制完成玻璃丝布后，最外侧绕制绑扎层5。绑扎层5的材料选用铜线。绑扎层的层数为2层。绕制完成后，将带工装的铌三锡超导线圈放入真空热处理炉中进行真空热处理。真空热处理完成后对铌三锡超导线圈4进行真空压力浸渍，最后进行环氧树脂的固化工艺。

固化完成后取出铌三锡超导线圈4，清理掉多余的环氧树脂后，拆装石英骨架两端的端板法兰2。用玻璃刀划破中心的石英管1，小心去掉中心的整个石英管1，最后得到不含骨架的铌三锡超导线圈4。