“國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃”是我國目前參與最大、影響最深遠(yuǎn)的國際科研合作項(xiàng)目之一,旨在驗(yàn)證磁約束受控核聚變反應(yīng)堆的可能性。該裝置的實(shí)現(xiàn)原理是通過CICC導(dǎo)體(NbTi、Nb3Sn繞制管狀電纜)構(gòu)成的托克馬克(Tokamak)磁體裝置產(chǎn)生強(qiáng)磁場以約束離子體,從而實(shí)現(xiàn)可控的核聚變反應(yīng)。研究表明超導(dǎo)磁體運(yùn)行中受到存在于線圈中的熱殘余應(yīng)力、強(qiáng)磁場產(chǎn)生的洛倫茲力以及上萬次的循環(huán)電磁應(yīng)力等作用使得股線受到力學(xué)變形進(jìn)而產(chǎn)生摩擦及磨損,由于4.2 K下磁體的熱容只有常溫下的1/4000,股線間微小的相對滑動產(chǎn)生的熱量足以使磁體失超,因此研究超導(dǎo)股線在低溫介質(zhì)中的摩擦特性成為大型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵科學(xué)問題。另外,微米尺度NbTi芯絲是構(gòu)成NbTi/Cu超導(dǎo)復(fù)合線的主要部分,其材料的設(shè)計(jì)、制備以及運(yùn)行中其表面產(chǎn)生嚴(yán)重的摩擦及磨損進(jìn)而影響超導(dǎo)材料的力學(xué)及電學(xué)性能,開展微尺度材料的低溫力學(xué)及摩擦特性方面的研究工作具有重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。本文針對股線材料低溫摩擦測試裝置的研制、微尺度NbTi超導(dǎo)材料的摩擦特性、NbTi/Cu超導(dǎo)股線的循環(huán)摩擦特性和粘滑機(jī)理以及YBCO高溫超導(dǎo)材料的摩擦特性開展實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算。本文的研究將對深入了解實(shí)用超導(dǎo)材料的低溫摩擦特性具有重要的意義,能夠?yàn)槌瑢?dǎo)材料的大規(guī)模應(yīng)用提供有力的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。本文取得的主要成果如下:首先,自主研制了一套高精度常、低溫環(huán)境微尺度股線的摩擦測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)微尺度股線材料不同介質(zhì)、不同正壓力及不同滑動速率下的摩擦性能的測試,其中力、位移分辨率分別為0.1 mN和0.03μm。此外,針對NbTi/Cu超導(dǎo)股線的摩擦性能測試需求,發(fā)展了小角度接觸式低溫摩擦測試裝置,該裝置具備超導(dǎo)股線循環(huán)摩擦特性的測試功能。隨后對測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性進(jìn)行標(biāo)定,同時(shí)也對股線與銅管的接觸形式進(jìn)行誤差分析,結(jié)果表明該裝置滿足股線材料的低溫摩擦性能測試要求。其次,對微尺度NbTi超導(dǎo)材料的摩擦特性進(jìn)行研究。首先,通過自行搭建的纖維材料低溫力學(xué)性能測試裝置對NbTi芯絲和微米級銅纖維進(jìn)行測試,結(jié)果表明低溫介質(zhì)中材料的彈性模量、斷裂強(qiáng)度以及屈服強(qiáng)度等均顯著增強(qiáng),并采用非接觸式激光粗糙度儀對常溫和低溫介質(zhì)中的銅管表面分別進(jìn)行測量,發(fā)現(xiàn)低溫介質(zhì)中材料的表面粗糙度顯著增強(qiáng);其次,對NbTi芯絲在不同介質(zhì)(水、空氣及液氮溶液)中的摩擦特性進(jìn)行詳細(xì)的對比研究,發(fā)現(xiàn)液氮中NbTi芯絲的摩擦力明顯高于空氣和水中的值,并有顯著的粘滑現(xiàn)象,而水介質(zhì)中由于浸潤性的存在可以顯著降低摩擦力,此外還發(fā)現(xiàn)在空氣和水中微尺度NbTi芯絲有明顯的尺度效應(yīng),而在液氮中表現(xiàn)不明顯;最后通過改進(jìn)的彈簧-滑塊模型對不同介質(zhì)中NbTi芯絲的摩擦力隨時(shí)間的變化曲線進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合,并對影響低溫摩擦特性的關(guān)鍵因素如模量、粗糙度以及浸潤性分別進(jìn)行了研究,結(jié)果表明材料表面粗糙度及模量的改變使得低溫介質(zhì)中股線的摩擦力曲線出現(xiàn)明顯的粘滑效應(yīng)。再次,對NbTi/Cu超導(dǎo)股線的摩擦特性進(jìn)行研究。首先對低溫介質(zhì)中NbTi/Cu超導(dǎo)股線出現(xiàn)粘滑現(xiàn)象的機(jī)理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析,研究表明材料表面的粗糙度主要影響摩擦力曲線的波動幅值,不改變其粘滑的斜率,而材料的模量主要影響摩擦過程中粘滑的斜率,但不改變摩擦力曲線的波動幅值;其次對材料的循環(huán)摩擦特性展開了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)材料表面的粗糙度隨著循環(huán)次數(shù)的增大而逐漸降低,另外空氣和液氮介質(zhì)中股線的摩擦力振幅隨著循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律不同,隨后提出低溫介質(zhì)中用摩擦力振動幅值來判斷磨損周期的新方法;最后,對超導(dǎo)股線與銅管相對滑動過程中載流、滑動速率及正壓力等影響因素分別進(jìn)行研究。最后,對YBCO高溫超導(dǎo)材料(塊材和薄膜)的摩擦特性進(jìn)行研究。首先采用小角度接觸式摩擦測試裝置對YBCO超導(dǎo)塊材室溫和液氮中分別進(jìn)行測試,發(fā)現(xiàn)YBCO超導(dǎo)塊具有良好的低溫摩擦性能,能有效抑制粘滑現(xiàn)象的發(fā)生,并且當(dāng)超導(dǎo)塊進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)時(shí)施加外磁場,由于磁通渦旋運(yùn)動產(chǎn)生粘滯力的作用使得其摩擦力增高;其次,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)低溫介質(zhì)中當(dāng)配重塊質(zhì)量較小時(shí)材料的摩擦特性主要由浸潤性決定,而當(dāng)配重塊質(zhì)量較大時(shí)由材料表面的性質(zhì)決定;隨后通過Rtec多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對YBCO超導(dǎo)薄膜的宏觀摩擦行為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明該薄膜具有良好的耐磨性能;最后,采用超高真空變溫掃描探針/電子顯微鏡對YBCO超導(dǎo)薄膜的微觀摩擦性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探索,發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)薄膜的摩擦力隨著溫度的降低而增大。
【學(xué)位單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：O511.3;O313.5
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第一章 緒論
    1.1 研究背景
        1.1.1 超導(dǎo)材料發(fā)展簡介
        1.1.2 摩擦學(xué)簡介
        1.1.3 超導(dǎo)材料的應(yīng)用及存在的摩擦學(xué)問題
    1.2 研究現(xiàn)狀
        1.2.1 材料低溫摩擦測試裝置的發(fā)展概況
        1.2.2 微尺度材料的摩擦性能研究概況
        1.2.3 超導(dǎo)材料的摩擦性能研究現(xiàn)狀
    1.3 本文研究內(nèi)容
第二章 股線材料低溫摩擦測試系統(tǒng)的搭建及可靠性分析
    2.1 測試裝置
    2.2 測試原理
    2.3 測試系統(tǒng)穩(wěn)定性及誤差分析
        2.3.1 系統(tǒng)的標(biāo)定
        2.3.2 不同介質(zhì)浮力的影響
        2.3.3 低溫介質(zhì)股線表面結(jié)霜的影響
        2.3.4 接觸形式的誤差分析
    2.4 本章小結(jié)
第三章 微米尺度NbTi超導(dǎo)材料的低溫摩擦性能研究
    3.1 低溫介質(zhì)下的材料力學(xué)性能及表面粗糙度的研究
        3.1.1 微尺度NbTi芯絲和Cu纖維的低溫力學(xué)性能測試
        3.1.2 材料表面粗糙度的測量
    3.2 微尺度NbTi芯絲的摩擦性能實(shí)驗(yàn)研究
        3.2.1 介質(zhì)對摩擦性能的影響
        3.2.2 芯絲直徑對摩擦性能的影響
        3.2.3 懸掛配重塊質(zhì)量對摩擦性能的影響
    3.3 理論計(jì)算
        3.3.1 模型建立
        3.3.2 模型計(jì)算
    3.4 本章小結(jié)
第四章 NbTi/Cu超導(dǎo)股線的低溫摩擦性能研究
    4.1 材料的氧化性能
    4.2 低溫介質(zhì)中股線的摩擦特性
        4.2.1 粘滑特性的實(shí)驗(yàn)研究
        4.2.2 粘滑特性的數(shù)值計(jì)算
    4.3 材料的循環(huán)摩擦及磨損性能研究
        4.3.1 循環(huán)次數(shù)對材料表面粗糙度的影響
        4.3.2 低溫介質(zhì)中股線的循環(huán)摩擦特性實(shí)驗(yàn)研究
        4.3.3 循環(huán)接觸摩擦的理論分析
    4.4 磨粒對股線摩擦性能的影響
    4.5 摩擦力曲線的頻譜分析
    4.6 載流對股線摩擦性能的影響
    4.7 滑動速率對股線摩擦性能的影響
    4.8 配重塊質(zhì)量對股線摩擦性能的影響
    4.9 本章小結(jié)
第五章 YBCO高溫超導(dǎo)材料的摩擦性能研究
    5.1 YBCO超導(dǎo)塊的摩擦性能研究
        5.1.1 YBCO超導(dǎo)帶材的摩擦性能研究
        5.1.2 YBCO超導(dǎo)塊的摩擦性能研究
        5.1.3 外加磁場對YBCO超導(dǎo)塊的摩擦性能研究
        5.1.4 循環(huán)載荷對YBCO超導(dǎo)塊的摩擦性能的影響
        5.1.5 滑動速率對YBCO超導(dǎo)塊的摩擦性能的影響
    5.2 YBCO超導(dǎo)薄膜的摩擦性能研究
        5.2.1 YBCO超導(dǎo)薄膜的宏觀摩擦性能研究
        5.2.2 YBCO超導(dǎo)薄膜的微觀摩擦性能研究
    5.3 本章小結(jié)
第六章 總結(jié)與展望
    6.1 主要結(jié)論
    6.2 研究展望
參考文獻(xiàn)
在學(xué)期間的研究成果
致謝

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