一种高温超导涂层导体的绝缘方法.pdf

本发明涉及一种高温超导涂层导体的绝缘方法，主要是在高温超导涂层导体上直接涂覆电绝缘漆，包括如下步骤：对涂覆电绝缘漆之前的高温超导涂层导体进行预处理，对经过处理的高温超导涂层导体进行涂覆电绝缘漆的步骤，以及对电绝缘漆进行固化处理。利用本发明制备的高温超导涂层导体的绝缘层厚度均匀，避免了超导导线绝缘层局部裸露的现象，并具有良好的电绝缘性能和很好的机械性能。

权利要求书1.  一种高温超导涂层导体的绝缘方法，主要是在高温超导涂层导体上直接涂覆电绝缘漆，主要包括如下步骤：(1)对涂覆电绝缘漆之前的高温超导涂层导体进行预处理；(2)对经过处理的高温超导涂层导体进行涂覆电绝缘漆；(3)对电绝缘漆进行固化处理。2.  根据权利要求1所述的高温超导涂层导体的绝缘方法，所述的高温超导涂层导体具有多层结构，尤其是指Re钡铜氧(Re为稀土元素)超导涂层材料，所述的稀土元素包括：钪、钇、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥。3.  根据权利要求1所述的高温超导涂层导体的绝缘方法，所述的高温超导涂层导体可以使用加强材料进行加强。4.  根据权利要求1所述的高温超导涂层导体的绝缘方法，所述的高温超导涂层导体厚度为50-500微米，宽度为1-30毫米，宽厚比大于10。5.  根据权利要求1所述的高温超导涂层导体的绝缘方法，对所述的高温超导涂层导体进行预处理主要包括以下几种方式：在制备高温超导涂层导体的过程中有针对性的对导线的横截面形状进行优化，使得导线的横截面更加光滑，避免尖角或凹面的出现；或是采用物理或化学的方法对高温超导涂层导体进行处理，以去除高温超导涂层导体的尖角或凹面；或是对高温超导涂层导体表面进行电镀、物理或化学沉积等处理，以在导体表面形成一层圆滑、致密的无尖角和凹面的金属层。6.  根据权利要求1所述的高温超导涂层导体的绝缘方法，所述的在高温超导涂层导体上涂覆电绝缘漆的方法，包括使用毛毡法，模具法，印刷法等工艺。7.  根据权利要求1所述的高温超导涂层导体的绝缘方法，所述的电绝缘漆，包括但不限于缩醛、聚酯、改性聚酯、聚氨酯、聚酯亚胺、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺等，可以是其中的一种或几种电绝缘漆的配合使用，所述的涂覆过程至少为一次。8.  根据权利要求7所述的高温超导涂层导体的绝缘方法，所述的毛毡法包括以下方式：两块毛毡分别在高温超导涂层导体两个宽面上同时进行涂漆；毛 毡在高温超导涂层导体的某一宽面上进行涂漆；两块毛毡分别在高温超导涂层导体两个窄面上同时进行涂漆；毛毡在高温超导涂层导体的某一窄面上进行涂漆；在涂漆时，可以是单独采用上述方式的某一种，也可以是混合采用几种不同的方式进行一次或多次涂覆。9.  根据权利要求7所述的高温超导涂层导体的绝缘方法，所述的模具法涂漆的的模具由模心和模套两部分组成，模芯是碳化钨等硬质合金制成，模套用普通钢、黄铜或不锈钢制成。10.  根据权利要求7所述的高温超导涂层导体的绝缘方法，所述的印刷法，可以采用单面印刷的方式，每次印刷导线的某个宽面或窄面；也可以采用双面印刷的方式，每次同时印刷导线的两个宽面或窄面；各种方式的印刷也可以配合在一起使用。11.  根据权利要求1所述的高温超导涂层导体的绝缘方法，所述的电绝缘漆固化方法，包括热固化、紫外线(UV)固化、自干固化等方式。12.  根据权利要求11所述的高温超导涂层导体的绝缘方法，所述的热固化方法，烘焙温度不高于600℃，特别的对于使用锡焊接的加强型高温超导涂层导体，烘焙温度不高于锡的熔点温度。13.  根据权利要求11所述的高温超导涂层导体的绝缘方法，所述的自干固化的固化方式包括挥发干燥、氧化干燥、常温固化干燥等几种。14.  根据权利要求1所述的高温超导涂层导体的绝缘方法，所述的绝缘方法可进行多次的“涂漆-固化”过程，可以采用所述涂覆方式中的一种或几种进行一次或多次的绝缘漆涂覆后再进行固化，所述的多次的“涂漆-固化”可以采用同一种电绝缘漆和同一种固化方式，也可以采用不同的电绝缘漆和不同固化方式。15.  根据权利要求1所述的高温超导涂层导体的绝缘方法，所述的绝缘方法也可以不对高温超导涂层导体进行预处理的步骤，直接对高温超导涂层导体进行“涂漆-固化”的过程。

说明书一种高温超导涂层导体的绝缘方法
技术领域
本发明涉及高温超导材料领域，特别是关于一种高温超导涂层导体的绝缘方法。
背景技术
高温超导技术发展至今已经取得了很大的进展，已有很多实际应用。目前，以钇钡铜氧涂层导体为代表的高温超导导线(又称为高温超导涂层导体，二代高温超导导线)的应用越来越广泛。高温超导涂层导体具有多层结构，具有很大的临界电流密度，并且在低温、强磁场下也具有良好的临界电流密度性能。
在不少应用场合，需要高温超导导线的表面有电绝缘层。目前通常采用自粘性聚酰亚胺薄膜带对高温超导导线进行绕包电绝缘处理(国内专利CN200510032515)。但这种电绝缘方式有以下几个问题。(1)绕包电绝缘有两种方式。一种是沿高温超导导线的长度方向粘上自粘性聚酰亚胺薄膜带，再纵向将自粘性聚酰亚胺薄膜带包扎在高温超导导线上。另一种是沿高温超导导线的纵向绕包上自粘性聚酰亚胺薄膜带。第一种方式将使得在自粘性聚酰亚胺薄膜带重叠的地方导线厚度较大，导致导线整体不平整。第二种方式也会使得导线在长度方向上周期性出现不平整。如果自粘性聚酰亚胺薄膜带重叠度较小，则当高温超导导线的宽度或厚度，或者长度方向的直线度发生变化时容易发生“漏包”的现象，从而使得超导导线裸露出来，起不到绝缘的效果。(2)自粘性聚酰亚胺薄膜带与超导导线之间并不能保持很好的接触，特别是在长时间浸泡在液氮或液氦的情况下，自粘性聚酰亚胺薄膜带容易因为失去粘性等原因而与高温超导导线之间发生分离。如果发生分离，则增大了液氮或液氦进入高温超导导线的可能性，这将可能降低导线的电流性能或者使得导线发生开裂。这种分离还会使得导线周围出现可自由活动的空间，对导线的固定、保护和制冷等也都有不利影响。(3)自粘性聚酰亚胺薄膜带比较柔软，力学性能较差，不能对具有多层结构的高温超导涂层导体起到很好的保护和固定作用。(4)聚酰亚胺对于环氧树脂的浸润性很低，这也不利于后续固化过程中环氧树脂固化在高温超导导线上。(5)目前普通使用的自粘性聚酰亚胺薄膜带的厚度较大(一般不小于50微米)，这会相当于降低了超导电流的密度。这就造成了在使用中容易 出现绝缘较差的问题，在很大程度上限制了该高温超导材料的应用发展。
发明内容
本发明所涉及的高温超导涂层导体绝缘方法，是在高温超导涂层导体上直接涂覆电绝缘漆。利用本发明制备的高温超导涂层导体的绝缘层厚度均匀，避免了超导导线绝缘层局部裸露的现象，并具有良好的电绝缘性能和很好的机械性能。
本发明所涉及的高温超导涂层导体具有多层结构。典型的高温超导涂层导体，是在不锈钢、Ni-W合金等基底材料上，在通过物理或化学的方法生长阻隔层、缓冲层等多层材料后，在其上面再生长具有超导性能的高温超导材料，例如ReBCO(Re为稀土元素)，典型的为钇钡铜氧(YBCO)超导涂层材料。在高温超导材料的制备过程中，还可以引入掺杂元素或人工钉扎中心以提高高温超导材料在磁场下的性能。随后再在高温超导材料层上覆盖银、金等保护材料。典型的高温超导涂层导体截面图如图1所示。目前已经工业化生产的YBCO高温超导涂层导体的厚度为50-500微米，宽度为1-30毫米，常见的YBCO高温超导涂层导体尺寸厚度为100微米，宽度为4-12毫米。高温超导涂层导体的厚度很小，但宽度要大得多，因此，高温超导涂层导体具有很大的宽厚比，宽厚比通常大于10。
由于高温超导涂层导体厚度比较小，在使用中容易损伤，为了提高高温超导涂层导体的机械性能，通常会在高温超导涂层导体使用加强材料进行加强。一种方式是在高温超导涂层导体的外表面通过电镀等方法覆盖上一层金属材料，例如铜。另一种方式是通过焊接的方式将加强材料覆盖在高温超导涂层导体的宽面上，例如使用黄铜、不锈钢等。还有一种方式是同时采用上述两种加强方式。各种加强方式的结构示意图如图2所示。为了达到良好的加强效果，加强材料层的厚度一般达5-500微米，常见的加强材料层的厚度一般达5-50微米。
综上所述，高温超导涂层导体具有很大的宽厚比，这使得对导体窄面的绝缘处理变得很困难。同时高温超导涂层导体的横截面接近矩形，在导体上存在尖角。对于加强型的高温超导涂层导体，加强材料的使用使得窄面具有更加不规则的形状，甚至还有凹面的存在。在涂覆电绝缘漆的过程中，相比于平面，在尖角或凹面部分，电绝缘漆很难均匀地涂覆上去，从而影响到最终的绝缘性 能。因此，尖角和凹面的存在也增加了绝缘漆处理的难度。本发明针对具有这么大的宽厚比的导体，提出了一种涂覆绝缘漆的方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种高温超导涂层导体的绝缘方法，主要是在高温超导涂层导体上直接涂覆电绝缘漆，主要包括如下步骤：
1.对涂覆电绝缘漆之前的高温超导涂层导体进行预处理。
高温超导涂层导体进行预处理主要包括以下几种方式：
(1)在制备高温超导涂层导体的过程中对导线的横截面形状进行优化，使得导线的横截面更加光滑，避免尖角和凹面的出现。例如，采用横截面为跑道形或圆角矩形的基底材料取代现在普遍使用的横截面为矩形的基底材料。在制备加强型高温超导涂层导体的过程中，使用的加强材料(如黄铜、不锈钢等)的宽度小于高温超导涂层导体的宽度，避免凹面的出现。
(2)采用物理或化学的方法对高温超导涂层导体进行处理。采用机械打磨、激光切割等方法去除高温超导涂层导体横截面的尖角或凹面。或者采用电腐蚀或化学腐蚀的方式去除高温超导涂层导体横截面的尖角或凹面。
(3)对高温超导涂层导体表面进行电镀、物理或化学沉积等处理，通过调整处理工艺在导体表面形成一层圆滑、致密的无尖角和凹面的金属层。
2.对经过处理的高温超导涂层导体进行涂覆电绝缘漆的步骤。
高温超导涂层导体的工作温度为液氮温度(77K)或液氮温度以下的低温。这要求所采用的电绝缘漆在多次“室温-低温”的冷热过程中能保持良好的机械性能、电气性能等。而且，在实际应用中，还会对由高温超导涂层导体制作的线圈等装置用环氧树脂等固化材料进行固化处理，这要求电绝缘漆与环氧树脂之间有很好的亲和性。环氧树脂可以很好地固化在电绝缘漆上，从而对高温超导涂层导体起到支撑、固定和保护等。这也限制了所使用的电绝缘漆的种类的选择。
本发明所涉及的电绝缘漆，包括但不限于缩醛、聚酯、改性聚酯、聚氨酯、聚酯亚胺、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺等，可以是其中的一种或几种电绝缘漆的配合使用，例如聚酯亚胺+聚酰胺酰亚胺等。所述的涂覆过程至少为一次。
本发明所述的在高温超导涂层导体上涂覆电绝缘漆的方法，包括使用毛毡法，模具法，印刷法等工艺。
所述的毛毡法涂漆的方法，主要是用毛毡夹板将毛毡与高温超导带材的宽 面或侧面接触在一起，将漆均匀的涂覆在导线上。由于毛毡具有松、软、有弹性、多毛孔的特点，会形成模孔，并刮去导线上多余的漆。另外，毛毡还有通过毛细现象吸收、储存、输送、弥补漆液的作用。毛毡法涂漆结构简单，操作方便。毛毡法涂漆包括但不限于以下这些方式：两块毛毡分别在高温超导涂层导体两个宽面同时进行涂漆；毛毡在高温超导涂层导体的某一宽面上进行涂漆；两块毛毡分别在高温超导涂层导体两个窄面上同时进行涂漆；毛毡在高温超导涂层导体的某一窄面上进行涂漆。在涂漆时，可以是单独采用上述方式的某一种，也可以是混合采用几种不同的方式进行一次或多次涂覆。通过毛毡夹板的夹力可以调节导线上的漆液量。
所述的模具法涂漆的方法，模具法涂漆的模具由模心和模套两部分组成，模芯是碳化钨等硬质合金制成，模套用普通钢、黄铜或不锈钢制成。模心和模套要紧密地结合在一起，之间绝对不能渗漏漆液。模具法涂漆时，配模很重要。配模的尺寸与导线的尺寸、漆的固体含量、漆的粘度、所需漆膜厚度、涂漆次数等相关。模具法一般适用于粘度比较大的电绝缘漆，并且对漆的粘度变化适应性强。模具法涂漆时，带漆的导线穿过模具，依靠导线与模芯孔之间的间隙使漆液保持一定厚度。当被涂制导线逐次经过逐渐扩大孔径的模具，就能达到所要求的漆膜厚度。
所述的印刷法涂漆的方法，主要是先把漆通过印刷的方法涂到导线上。印刷的方式有多种，可以是直接把漆直接印刷到导线上，也可以是通过一个或多个转印部件把漆印刷到导线上。印刷板或印刷轮可以是平板、凹版和凸版。可以采用单面印刷的方式，每次印刷导线的某个宽面或窄面。也可以采用双面印刷的方式，每次同时印刷导线的两个宽面或窄面。各种方式的印刷也可以配合在一起使用。通过调节上漆量、涂漆压力等参数可以控制漆膜的质量。
3.高温超导涂层导体在涂覆电绝缘漆步骤后，需要对电绝缘漆进行固化处理的步骤。
本发明所述的电绝缘漆的固化，包括热固化、紫外线(UV)固化、自干固化等固化方式。
所述的热固化的固化方式，烘焙的温度、温度曲线和烘焙时间的控制对于涂漆后导线表面光洁度、色泽和机械性能、热性能以及电气性能有至关重要的影响。在烘焙过程中首先是将漆液中的溶剂蒸发，然后是固化，形成一层漆膜。固化过程中发生的是漆的化学变化，即漆基的交联固化。交联度对漆膜的性能 起着决定性的影响。一般来说，烘焙温度越高，交联固化反应越快。烘焙时间对交联固化也有决定性的影响。但是对于高温超导涂层导体，如果烘焙温度过高，会影响高温超导涂层导体的性能。一般来说，烘焙温度不高于600℃。特别是对于某些使用锡焊接的加强型高温超导涂层，更是要求烘焙温度必须在锡的熔点以下，否则会对导体造成破坏性的影响。
所述的紫外光固化的固化方式，主要是通过适当波长的紫外光的照射，分解漆里的光引发剂形成游离基，进而引发漆里的不饱和树脂和活性稀释剂交链固化。紫外光固化时间极快。紫外光固化漆多用于导线表面涂覆，并于加热固化漆配合使用。
所述的自干固化的固化方式，是指涂覆后的漆自己干燥成膜。自干固化方式包括挥发干燥、氧化干燥、常温固化干燥等几种。自干固化的固化时间一般都比较长，而且相比于另两种固化方式，固化后漆的耐热、耐溶剂、耐化学性能、机械性能以及电气性能要差一些。
要达到所需要的各方面的性能需求，对高温超导涂层导体的绝缘方法往往需要进行多次的“涂漆-固化”过程。可以采用上面涂覆方式中的一种或几种进行一次或多次的绝缘漆涂覆后再进行固化。多次的“涂漆-固化”可以采用同一种电绝缘漆和同一种固化方式，也可以采用不同的电绝缘漆和不同固化方式。
也可以不对高温超导涂层导体进行预处理的步骤，直接对高温超导涂层导体进行“涂漆-固化”的过程，以达到解决尖角或凹面的涂漆问题。
通过采用本发明所述的涂覆电绝缘漆的绝缘方法，可以解决采用绕包绝缘处理所遇到的局部绝缘薄弱的问题。使用本发明的绝缘方法具有如下优点，电绝缘漆可以实现对高温超导涂层导体的全覆盖，从根本上避免了导线裸露的可能性。电绝缘漆的厚度均匀，几微米的电绝缘漆膜就可以实现很好的电绝缘效果，击穿电压可达到1000V以上，并且还具有很好的机械性能，可以对高温超导涂层导体起到保护作用。电绝缘漆膜和高温超导涂层导体之间紧密接触在一起，从而不会有分离的现象的发生。电绝缘漆膜还具有很好的耐热、耐溶剂、耐化学性能，并且与环氧树脂有很好的亲和性。对于已经进行了电绝缘处理的高温超导涂层导体，可直接绕制线圈等，也适宜用环氧树脂进行固化。
附图说明
图1为高温超导涂层导体结构示意图
图2为加强型高温超导涂层导体结构示意图
图3为横截面形状经过优化的高温超导涂层导体结构示意图
图4为高温超导涂层导体的尖角经过机械打磨处理后示意图
图5为加强型高温超导涂层导体电镀铜处理后示意图
图6为毛毡法涂漆和热固化示意图
图7为模具法涂漆和紫外线固化示意图
图8为涂漆时模具模心示意图
图9为自干固化漆转印式印刷法示意图
其中，1为高温超导涂层导体基底材料，2为高温超导涂层导体阻隔层、缓冲层，3为高温超导材料，4为银保护层，5为铜层，6为加强材料，7为锡，8为高温超导涂层导体，9为尖角机械打磨处理后的高温超导涂层导体，10为电镀铜层，11为未涂电绝缘漆高温超导涂层导体所用线盘，12为涂电绝缘漆后高温超导涂层导体所用线盘，13为进行电绝缘漆涂覆的高温超导涂层导体，14为毛毡，15为烘干炉，16为涂漆模具，17为紫外线烘干设备，18为模具模心，19为模具开孔，20为储漆槽，21为上漆轮，22为转印轮。
具体实施例
实施例1：
使用聚酰亚胺电绝缘漆，用两块毛毡在钇钡铜氧高温超导涂层导体的两个宽面进行涂覆，然后在200℃烘干2分钟。反复“涂漆-烘干”这一过程5次。
实施例2：
先使用聚酯亚胺电绝缘漆，用两块毛毡在钇钡铜氧高温超导涂层导体的两个宽面进行涂覆，然后在200℃烘干2分钟。反复“涂漆-烘干”这一过程5次。然后再使用聚酰胺酰亚胺电绝缘漆，用两块毛毡在钇钡铜氧高温超导涂层导体的两个宽面进行涂覆，然后在200℃烘干2分钟。反复“涂漆-烘干”这一过程3次。
实施例3：
使用聚酰亚胺电绝缘漆，用模具法对钇钡铜氧高温超导涂层导体进行涂覆。钇钡铜氧高温超导涂层导体宽4mm，厚0.1mm。所使用的模具的模心开孔尺寸依次为4.01mm*0.11mm，4.02mm*0.12mm，4.02mm*0.12mm，4.03mm*0.13mm，每次都在200℃烘干1分钟。
实施例4：
通过机械打磨去除钇钡铜氧高温超导涂层导体边缘的尖角后，使用紫外光固化电绝缘漆，通过印刷法进行涂覆，紫外光固化时间为10秒，反复涂覆3次。
实施例5：
对经过黄铜加强型的钇钡铜氧高温超导涂层导体进行铜电镀，镀层厚度5微米。使用自干固化电绝缘漆，用毛毡法进行涂覆。先用两块毛毡夹住涂层导体的两个窄面进行涂覆，在200℃烘干2分钟。反复“涂漆-烘干”这一过程5次。然后再用两块毛毡夹住涂层导体的两个宽面进行涂覆，在200℃烘干2分钟。反复“涂漆-烘干”这一过程5次。
上述各实施例仅是本发明的优选实施方式，在本技术领域内，凡是基于本发明技术方案上的变化和改进，不应排除在本发明的保护范围之外。