發(fā)布時間：2018-03-16 08:37

  本文選題：高溫超導帶材　切入點：YBCO　出處：《蘭州大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：高溫超導材料具有高的臨界轉(zhuǎn)變溫度、高的上臨界磁場及在高磁場環(huán)境下優(yōu)越的載流性能,在電力運輸、強磁場科學、交通領(lǐng)域等展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。在以上應(yīng)用中,超導材料均處在低溫、強磁場及大電流復(fù)雜多場環(huán)境中,其熱應(yīng)力、電磁力會導致超導材料發(fā)生變形,進而降低其臨界電流,給超導器件帶來巨大的安全隱患,因此研究高溫超導材料在極低溫-力-電-磁多場環(huán)境下的臨界電流特性成為優(yōu)化材料制備工藝、進一步推動其工程實用化的關(guān)鍵科學問題。另外,受目前高溫超導材料可制備長度限制,接頭成為其應(yīng)用中關(guān)鍵組成部件,開展接頭制備工藝及其在多場復(fù)雜環(huán)境下的力學、電學特性研究具有重要的科學意義和工程應(yīng)用價值。本論文針對這兩類問題開展研究,取得的主要成果如下:首先,研制了一套液氮直接冷卻、力-電-磁多場環(huán)境超導材料臨界電流測試系統(tǒng)(第一代)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)超導材料臨界電流的多環(huán)境場、及其載流穩(wěn)定性的測試,具有較高的測試精度。在此基礎(chǔ)上對YBCO涂層導體(YBCO CC)和Bi系第一代帶材(Bi-2223)開展了多場環(huán)境下臨界電流測試,得到了77K自場環(huán)境下的臨界電流、力-電-磁特性、不可逆應(yīng)變、穩(wěn)定性等重要參數(shù)。接著,在第一代儀器基礎(chǔ)上設(shè)計了一套研究橫向壓縮引起超導材料臨界電流變化的測試夾具。對YBCO CC開展了橫向壓縮特性測試,并通過n值揭示了臨界電流衰減的原因。同時,研制了一套液氮環(huán)境、電、磁多環(huán)境場超導材料層間剝離強度的測試設(shè)備。對YBCO CC開展了常溫、液氮溫度機械剝離強度測試及77K環(huán)境下力-磁、力-電等特征測試,并借助三維有限元的方法分析揭示了YBCO CC的剝離位置及剝離機制。然后,提出一種的新的超導接頭焊接工藝,當焊接長度為8cm時,接觸電阻為8.35n?,成為目前文獻報道中的最小值。實驗發(fā)現(xiàn),采用該種新的焊接工藝所獲得的焊接接頭具有較優(yōu)越的力-電性能,與完整帶材基本相當。接著對制備工藝過程參數(shù)如焊接預(yù)壓力、焊接長度等關(guān)鍵參數(shù)對接頭性能的影響開展了系統(tǒng)研究,獲得了最優(yōu)的工藝流程參數(shù)。最后對橫向壓縮和剝離過程中接頭端部效應(yīng)引起臨界電流的衰減進行了研究,揭示出這兩個過程中臨界電流衰減的本質(zhì)原因為端部的應(yīng)力集中導致YBCO超導層損壞。最后,提出了相應(yīng)的接頭強化方案,并給予了實驗證實。最后,設(shè)計一種新的高溫超導二流引線,成功解決了密閉空間大電流引入及傳輸焦耳熱等技術(shù)難題,自主研制了一套采用G-M制冷機直接冷卻的力-熱-電-磁多場環(huán)境、且具有可視化功能的測試裝置(第二代)。該設(shè)備在超高真空、極小空間內(nèi)可實現(xiàn)6.59K至300K連續(xù)變溫控制,最大測試電流可達600A,最大拉伸應(yīng)變20%,外加垂直磁場0~5T,具備多場環(huán)境下的超導材料力學、電磁學性能測試的功能。另外,結(jié)合磁光系統(tǒng)實現(xiàn)了超導材料內(nèi)部損傷的原位、實時觀測,這使得對超導材料在變形過程中內(nèi)部損傷機制及其對臨界電流的影響研究成為可能。最后,利用該設(shè)備對YBCO CC和Bi-2223展開了變溫環(huán)境下的多場性能測試,并根據(jù)測試數(shù)據(jù)對已有的理論預(yù)測模型的合理性進行了分析。
[Abstract]:High temperature superconducting materials with high critical temperature, high critical magnetic field in high magnetic field environment and superior carrier performance, strong magnetic field in the power transportation, science, transportation and other fields show a broad application prospects. In the above applications, superconducting materials are in low temperature, strong magnetic field and high current complex multi field in the environment, the thermal stress, the electromagnetic force will cause deformation of superconducting materials, thereby reducing the critical current, bring great hidden troubles in superconducting devices, so the research of high temperature superconducting materials at extremely low temperature force electric critical current characteristics of magnetic field environment into the preparation process optimization of materials, to further promote the the key scientific problems in practical engineering. In addition, the high temperature superconducting material can be prepared by the length limit, joint has become the key components in the application, to carry out joint preparation process and mechanics in a multi field under complex environment Study on electrical properties, it has important scientific significance and engineering application value. This thesis focuses on the two types of research, the main results are as follows: firstly, we developed a set of direct liquid nitrogen cooling, magneto electro field critical current superconducting material environment test system (first generation). The system can realize multi field critical current of superconducting materials, and the current carrying stability test, with high precision. On the basis of YBCO coated conductor (YBCO CC) and Bi is the first generation of strip (Bi-2223) to carry out critical current field test, obtained the 77K critical current self field environment. Electro - magnetic properties, irreversible strain, stability and other important parameters. Then, in the first generation of instrument is designed based on the transverse compression test fixture caused by changes in the critical current of superconducting materials. A research on YBCO CC carried out a transverse compression characteristic measurement Try, and through the n value revealed the critical current attenuation. At the same time, developed a set of liquid nitrogen environment, electrical test equipment, peel strength magnetic environment field superconducting material layer. The YBCO CC was carried out at room temperature and liquid nitrogen temperature mechanical peeling strength test and 77K environment stress magnetic force electric, etc. characteristics of the test, and with the analysis of three-dimensional finite element method to reveal the position and YBCO CC stripping stripping mechanism. Then, put forward a kind of new superconducting joint welding process, when the welding length is 8cm, the contact resistance is 8.35n?, has become the minimum value reported in the literature. The experimental results showed that, by using welding joints the new welding process has superior mechanical electrical properties, and the complete strip is quite basic. Then the preparation process parameters such as welding pressure, welding length of key parameters on joint properties studied, obtained The optimal process parameters. At the end of the end of the joint effect caused by attenuation of critical current of transverse compression and stripping process, reveals the essential reason of the two critical current attenuation in the process of concentrating stress caused YBCO superconducting layer damage. Finally, put forward the corresponding joint strengthening scheme, and given the experimental results. Finally, the design of a new high temperature superconducting second lead, successfully solved the technical problem of large current into the confined space and transmission of Joule heat, developed by a G-M cryocooler directly cooled by a thermo electric magnetic field environment, the test device and with the visualization function (the second generation). The equipment in ultra high vacuum, small space can be realized within 6.59K to 300K continuous temperature control, the maximum test current is 600A, the maximum tensile strain 20%, perpendicular magnetic field 0~5T with multi field environment super Guide the material mechanics, electromagnetism performance test function. In addition, combined with the magnetic optical system in situ, internal damage of superconducting materials and real-time observation, which makes the superconducting material in the deformation process of internal damage mechanism and its influence on the critical current as possible. Finally, the multi field performance test under varying temperature of YBCO CC and Bi-2223 with the equipment, and according to the test data prediction model has analyzed the rationality of the existing theory.

【學位授予單位】：蘭州大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TM26

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本文編號：1619140