高溫超導帶材臨界電流不均勻性及其對失超傳播特性的影響研究.pdf

1、相比傳統(tǒng)低溫超導材料，高溫超導帶材在高磁場下具有較大的電輸運能力，因此成為了制作25T以上高磁場磁體的重要材料，但是其電輸運特性容易受到機械應(yīng)變的影響而發(fā)生性能退化，并可能引發(fā)局部過熱失超。為預(yù)防超導設(shè)備中的局部熱點產(chǎn)生，對高溫超導帶材的臨界電流不均勻性研究已經(jīng)成為目前國際應(yīng)用超導界所關(guān)心的重要問題之一。目前在機械應(yīng)變條件下高溫超導帶材臨界電流不均勻性的研究中，大多數(shù)是以四引線法作為臨界電流的測量手段，但由于四引線法較低的分辨率，帶材中

2、的缺陷容易被平均化，從而造成局部熱點仿真中過于樂觀的計算結(jié)果。本學位論文基于分辨率較高的磁測法，通過對YBCO高溫超導帶材在機械彎曲應(yīng)變，原位軸向張力下臨界電流不均勻性的研究，結(jié)合YBCO高溫超導帶材的熱電耦合特性展開建模和仿真，以期對YBCO高溫超導帶材局部熱點產(chǎn)生和失超傳播特性提供合理預(yù)測。
　　本文研制了一臺基于霍爾元件的磁測法設(shè)備，以研究高溫超導帶材在機械應(yīng)力應(yīng)變條件下的臨界電流不均勻性。該設(shè)備通過掃描超導帶材表面的剩余磁

3、場或屏蔽磁場，結(jié)合逆運算算法，得到臨界電流在超導帶材內(nèi)部的分布情況，同時能夠在原位條件下為高溫超導帶材施加應(yīng)變。空間分辨率為0.4mm，測量速度為10mm/s。在測量穩(wěn)定性方面，提出一種計算偏移量的方法有效消除了因機械擾動帶來的測量誤差?；诖艤y法測量了常用高溫超導線/帶材如YBCO帶材，Bi2223帶材和Bi2212線/帶材的臨界電流不均勻性分布，并驗證了設(shè)備的重復性和可靠性。提出了通過橫向差異系數(shù)表征高溫超導帶材臨界電流的橫向不均勻

4、性，并用于高溫超導帶材中人工缺陷的識別。將有限元法引入到磁測法對高溫超導帶材臨界電流的反算中，有效減少了因鐵磁性基底造成的測量誤差。
　　本文分析了YBCO高溫超導帶材在帶有扭矩時的彎曲應(yīng)變計算方式，只有當?shù)刃澢霃匠^帶材的最小彎曲半徑后，超導體的臨界電流出現(xiàn)退化?；诖艤y法測量了YBCO高溫超導帶材在0～0.7％的彎曲應(yīng)變和0～250N原位軸向張力條件下的臨界電流分布。結(jié)果顯示YBCO高溫超導帶材的臨界電流均勻性隨著彎曲應(yīng)變

5、的增大而減小，當彎曲應(yīng)變大于0.6％時，超導層中出現(xiàn)裂紋。超導層的結(jié)構(gòu)改變是臨界電流退化的主要原因。在YBCO高溫超導帶材臨界電流不均勻性的原位軸向張力測試中，當軸向張力超過221N后，帶材局部進入塑性變形階段，超導層出現(xiàn)明顯裂紋，導致帶材臨界電流不均勻性增加，采用預(yù)加壓縮應(yīng)變的方法能夠減少因軸向張力造成的缺陷。通過磁測法數(shù)據(jù)建立了YBCO高溫超導帶材在機械應(yīng)力應(yīng)變下臨界電流的三參數(shù)威布爾分布模型，并使用蒙特卡洛方法有效模擬了帶材的整體

6、臨界電流。
　　本文將不同機械應(yīng)力應(yīng)變條件下的YBCO高溫超導帶材臨界電流分布，引入到Y(jié)BCO高溫超導帶材熱電耦合模型中，對帶材的熱點溫度、正常區(qū)傳播速度和最小失超能等參數(shù)進行了研究。結(jié)果顯示隨著YBCO高溫超導帶材臨界電流不均勻性的增加，在臨界電流衰減的區(qū)域容易產(chǎn)生熱點，當彎曲應(yīng)變超過0.6％或者軸向張力超過221N時，熱點溫度達到失超點所需的時間迅速減小。這種情況下在超導磁體的耗能失超保護中，需要更小的衰減時間常數(shù)以保證熱點溫