一种制造具有高电流密度的超导带材的方法 【技术领域】
本发明涉及一种通过由加工机构提供的机械变形制造超导体的方法，特别是，通过机械加工制成具有较高的临界电流密度的超导体带材的方法，该加工机构包括可移动的夹紧装置、铰接支架和与所述夹紧装置相连的偏心臂，该超导带材的形成方式是使得最终产品的各处具有相同的厚度。
背景技术
众所周知，高温超导带材可通过将金属氧化物粉末混合物填充到金属管中，然后将该管通过拉制成圆线而变形并随后通过挤压、轧制或压制成扁带而制成。然后，将该带以下述方式进行热处理，使得粉末被烧结并形成凝结地超导体。为了改善超导特性包括临界电流密度，可重复进行这些机械加工和热加工。
金属氧化物粉末，例如以多晶形式的YBa2Cu3O7、Bi2-xPbxSr2Ca2Cu3Oy、Tl2Ba2Ca2Cu3Oy，其中它们略有塑性并很脆。金属覆层可以由Ag或Ag合金制成，它们与上述粉末不同，具有很大的塑性并且很脆。由于该材料具有不同的材料流动性，所以难以控制由这些材料制成的复合体的机械变形。然而，陶瓷超导体必须具有预定的结构特性以便获得高临界电流密度。必须提供尽可能少的微裂纹，同时使平行于电流方向的超导Cu-O面具有高织构度，并且相对于密度具有高均匀度，以及在超导颗粒之间具有良好的电相互作用。为了获得这些特性，重要的就在于，可以控制和优化在机械变形过程中作用在物体上的力。
已经示出在一小段超导体带(即2至8cm)上，假定在第一次轨制和热处理之后使该超导体经受一个或多个涉及一个在垂直于该电流方向上施加的单轴力的循环以及一个烧结过程，其临界电流密度将提高3～4倍。然而，通过连续步骤难以获得这种工序，而其对于使用超导体以制成带状线材来说是十分必要的。
在将线材轧制成带的过程中，变形力可分为压制力和移位力。在轧制过程中，这两个力非均匀地分布于带上，结果使超导陶瓷被非均匀地压缩。另外，在释放可能的剩余张力的轧制或其后的烧结期间内，移位力会引起在带的平面内与电流方向横切的微裂纹。由轧制所引起的变形会导致带在纵向上比在横向上具有较高的材料流动性。由此使已开发出的陶瓷晶体在连续轧制过程中会破裂，从而不幸地导致在横方向上会产生微裂纹。
单轴压制提供了一非常均匀的力作用，其在线材纵向上设有明显的移位力。这种压制基本上只是在横向上使材料液化。另外，这种变形减少了横截于电流方向的微裂纹的形成。然而，单轴压制不是连续地进行的。
发明简述
本发明的目的就是提供一种使超导体连续地变形而在纵方向上基本上不变形的方法。
按照本发明，上述型式的方法的特征在于，机械变形是连续地或分段连续地进行，并且夹紧爪和铰接支架以及相连的偏心臂可这样来制成，使得在变形过程中相同的相对轴适用于纵方向，由此，使纵向上的变形可以忽略。
由此得到的变形方法与单轴压制很相似。
保证上述步骤的加工机构可以是一个连续地驱动的多部件机构，但只是使被加工的对象在有限的加工周期过程中进行加工。该机构是以下述方式移动夹紧爪的，它使得在预定的时间之前只有部分夹紧爪与被加工的对象相接，并且使被加工的对象的压制逐步进行，即被加工的对象的加工长度是逐步增加的。通过夹紧爪夹住已完成压制的被加工的对象部分同时使未完成压制的部分经受压制可获得准单轴压制。由此使被加工的对象在其纵向的弯曲变形达到最小。
再者，按照本发明，夹紧爪和铰接支架以及相连的偏心臂可这样来制成，通过在动力传输达到最大时偏心臂与相连的铰接支架之间的角接近0°或180°而使传输到该夹紧爪的动力得到优化。每个臂均同步地经受输入力矩和角速度。为了使转矩传递尽可能地有效，机构可以用下述方式制成，只要该被加工的对象，即超导线，经受该夹紧爪的操作，该转矩的传递角在至少一个臂上是良好的。动力传递可以进一步地通过将动力在能增强所述构架的方向上由加工设备传递给构架的机构而得到改善。
另外，按照本发明，加工机构可以由可得到最大刚性的方式来形成，这是通过使在夹紧爪和构架之间的元件做得尽可能短来达到这一点。然而，元件必须能够提供所需的曲线。
进而，按照本发明，夹紧爪和铰接支架以及相连的偏心臂的形成方式是使得在每单位时间内处理最大可能的长度。实际上，可以选择一种加工机构，该机构在输入侧的角度转动中进行测量时为夹紧爪显示出最长的近似线性部分提供一移动曲线。
下面将参照附图对发明加以更为详细的描述，其中
图1表示一种以超导带材形式制成带状制品的方法；
图2表示一加工机具，用以连续地使带状制品变形，它包括两个铰接支架移动机构；
图3表示用作加工机具的一部分的铰接支架移动机构；
图4是图3机具部分的透视图；
图5是整个机具的侧视图；
图6是图5机具的截面图；
图7是表示绕在圆筒形线圈架上的圆线；
图8表示经受平面静压制的图7的圆线；
图9表示绕成扁平线圈结构的圆线；
图10表示经受了单轴压制的图9的圆线；和
图11表示绕成扁平线圈结构并经受平面静压制的圆线。
下面描述用于制造带状的被加工的对象如超导带材的加工机具。将一种机械技术用来处理一种由各种材料组成的线材。线材连续地经受机械变形加工，此种加工可与单轴压制相比。整个生产加工过程可以由图1来表示。
将陶瓷超导材料粉末填充到银管中，将管进行拉制以便减少直径，然后在大约830℃下进行烧结。烧结过后进行压制或轧制以形成带材。
超导带材的制造涉及许多因素，这些因素意味着对于机械加工过程以及对于加工机具必须要有预定的要求。最重要的要求就是基于下列需求
-所需的结构组成；
-粉末的均匀分布；
-连续制造工艺；和
-工艺过程中的主供能。
前两个要求是关于带材超导特性的，而后两个要求是关于必需的时间以及生产成本的。
最终的超导带材必须具有在垂直于带材纵向的方向上不产生破裂的结构。因此，重要的就在于，在制造过程中，带材不经受会引起在带材纵向上移位张力的力。
在由线材制造长带材的过程中，重要的是，使线材的所有截面经受相同的力，并且使该力在线材的所有截面上都相同。
制造工艺过程必须是连续的或分段连续的以便制造长带材，并且是具有可控参数的可靠工艺。最后，连续的制造工艺会缩短生产周期。
为了减少生产周期，并且也的确为了避免使超导粉末受到强压缩，在生产工艺过程中提供相对高的能量是十分重要的。
以前，制造基于陶瓷粉末的超导制品包括两个加工步骤，即压制和轧制。
通过压制来进行带材的制造会使其可以获得在线材所有截面上均匀的力。另外，力垂直于线材的纵向起作用，这样会改善粉末的取向。然而，压制会由于下述缺点而受到妨碍，即被加工的对象要在一个步骤内进行加工，这意味着，机械加工必须在一个步骤内而完成。这样的步骤会增加对于加工机具的要求，并且限制了工艺的适用性。另外，压制是一非连续工艺。
先前使用常规的轧辊来制造超导带材。在轧制过程中，线材要经受一种机械作用，该机械作用包括移位张力和压制张力。轧制会影响结构，即取决于方向的材料特性，特别是其中陶瓷材料中的晶格取向是最重要的。
移位张力会引起通过辊子的运动。已进行了各种尝试，用以通过各种拉辊来减小移位张力，由此，可使轧制在没有明显移位张力的情况下完成。然而，被加工的对象会由于拉辊而经受一定的移位张力，并使最后得到的结构没有得到改善。
轧制工艺是连续的，并且可以用于制造任意长度的带材。轧辊的形成方式是给线材提供相对高的能量。然而，线材的移位张力也会相应地增加。轧辊适用于制造薄的被加工的对象和适用于借助强的力作用制造被加工的对象。由于用轧辊来制造超导带材，所以必须使所述轧辊的半径尽可能地大，以便减小移位力。然而，大轧辊直径限制了刚性和生产长的带材的可能性。
按照本发明的方法进行了尝试，借助于夹紧爪2外形的特定形状的机具部件，该方法结合了轧制和压制的优点，同时避免了一些缺点。夹紧爪2的移动型式可允许半连续的制造加工、大长度的生产、力的均匀分布、能量的均匀分布以及提供高的功率和能量。
线材制成过程是半连续的，这是因为只限定线材的一部分在某一时刻经受处理，原则上可以制成极长的带材。
在制造加工过程中，与线材或带材相接的夹紧爪的运动型式和曲线形状的适当选择可使得在被加工的对象的所有截面上获得力的均匀分布。另外，当被加工的对象的所有截面在若干步骤中进行加工时，在被加工的对象的整个长度上可以获得均匀的能量供给。
线材的加工处理可以同使用很大的直径轧辊的轧制工艺相比较。但当通过常规的轧制加工方法使用相应的轧辊直径时，由于轧制材料向外弹性弯曲超过必须获得塑变所必要的变形，故只能制成厚度较厚的被加工的对象。
线材通过机具部件的夹紧是以与轧制加工过程中相同的方式完成的，结果线材截面不经受比相邻截面大的移位张力。虽然夹紧爪2不一直与线材相接触，但已避免了压制的缺陷。
由此，半连续的线材制造是一种可为长线材等的加工对象提供高均匀供能的加工方法。
为了获得机械刚性结构，可将机器设计成在构架和线材之间的距离尽可能短。已获得的该距离小于与具有相应轧辊直径的轧辊相连时的距离的1/50。
由驱动单元给夹紧爪2的能量的供给必须使传递角在机具部件对线材进行加工的周期过程中是有利的。因此，已选择了一种移动机构，它通过若干旋转驱动轴来供能。采用这样的方式，可在移动机构中使用象肘节连接那样的元件，并且由此在传递强力的同时获得有利的传递角。
该移动机构包括九个元件，并且存在三个自由度。因此，该机构必须包括三个同步驱动轴以便确定供能。该加工机具包括两个单独的移动机构，其带有彼此操作的夹紧爪2，但通过相同的驱动单元对它供能，并由此使其同步地移动。一旦计算出移动型式，就可以确定夹紧爪最后的曲线形状。
移动机构的模拟涉及只能借助于计算机完成的计算。为此目的已有若干程序，例如CADME。程序中机构的基本结构最初是借助于该程序通过结合编于程序中的数据库的标准机构而确定的。接着，确定驱动轴、构架等的位置。CADME可以分析并合成该机构。在这里只用于分析。分析可以采用在屏幕上的模拟的形式或是采用将数据变换成文件的形式。程序的使用包括：
1)各种定量机构的图象模拟，以便确定提供下列范围内的优选特性的参数结合：
a)在夹紧爪表面上的感兴趣点的轨迹曲线；
b)力和力矩的分布；
c)从结构的观点考虑在齿轮和运动机构方面所希望有的结构。
2)在为由用户确定的感兴趣点运行程序的过程中计算坐标位置。将这些坐标在一个正文文件中进行编码，并将其用于确定每个夹紧爪的曲线形状。
可改进的参数是：
α)在构造坐标系中转动中心A、B和C的坐标，参照图3；
β)偏心臂的长度b1、b2和b3；
γ)偏心臂的相移α1、α2和α3；
δ)在构造坐标系中夹紧爪的点D、E和F。
固定点是D、E和F必须具有对时间t＝0相同的x坐标，这一点是确定的。然后以几何方式确定在点D、E和F处与夹紧爪2相连的铰接支架b4、b5和b6的长度。
加1a)当夹紧爪2要送进线材4时，夹紧爪表面上的各点必须呈现出具有基本上是水平主轴的椭圆形轨线，参照图3。轨迹曲线的外形呈现出夹紧爪2的水平和垂直运动ΔX和ΔY。ΔX可设定为3mm，ΔY可设定为0.5mm。
加1b)希望加到夹紧爪2上的强力只需要每个驱动轴上的较小的转矩。后者是通过以下述的方式确定加工机具的尺寸而获得的：使得最大负载驱动轴包括最小的偏心臂，反之亦然，并且使得偏心臂心与铰接支架之间的夹角Φ1，Φ2和Φ3在施加最大力时接近0°或180°。
加1c)为了给足够尺寸的轴和可能的齿轮提供空间，最大临界距离必须极大而不改变图示特性。临界距离是BE、CF和由臂b5到转动中心B的距离。
借助于程序CADME所提供的特定实例的结果对应于时间t＝0的转动中心的坐标如下：
D＝(45，25)
E＝(80，25)
F＝(140，25)
A＝(0，0)
B＝(95，-15)
C＝(125，-75)
偏心臂的长度为：
b1＝3.5mm
b2＝0.5mm
b3＝1.0mm
偏心臂的相移为：
α1＝280°
α2＝0°
α3＝0°
由此按照本发明提供加工机具，它能够通过半连续压制而减小线材4的厚度，这意味着，超导线材可以连续地通过相应于具有约3m轧辊直径轧制的压制而制成。这种轧辊直径可以使线材的晶粒结构和相关的超导特性与压制的线材性质相比较。
加工机具最重要的特性如下：
-它能够借助于约3m直径的轧辊来模拟轧制工艺；
-它能够用100KN以上的力来压制，
-它能够制成厚度达8mm宽度达15mm的线材；
-它能够用宽的夹紧装置来操作，以这样的方式可加工宽度达35mm的线材；
-夹紧爪之间的距离可以用小于5μm的精度来调整，
-每分钟可以完成高达120次的压制，在每次压制中，线材可以前进约4mm，这意味着，与每分钟120次压制相联系，每分钟可以制成长达1/2m的线材。
加工机具具有特殊的刚性，并且可获得优良的重现性。
通过单轴压制可改善与电流相关的特性，这一事实可以用于制造特定的结构，如线圈结构，图7至11表示了其实例。金属管可填充以原材料粉末并控制成长细圆线，然后，使其经受机械变形，将线材制成线圈形结构，随后进行热处理。
图7表示圆线沿螺线绕于圆柱形线圈架上成为圆柱形线圈结构。然后使线圈结构经受图8的平面静压制。该筒形线圈的最后所得到的磁场垂直于压制方向。
图9表示圆线绕成扁平的几乎成螺旋状的线圈结构，然后，在整个结构上进行单轴压制(参照图10)，由此使线圈磁场平行于压制方向而延伸。
图11表示细线绕成的扁平线圈结构，将其代替经受平面静压制，以便使线圈变形。由此得到的该线圈的磁场垂直于压制方向。