第二代高温超导带材脱层强度研究

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第二代高温超导带材以其在高磁场下高载流能力,高转变温度,高不可逆场等优势,在多种电学场景下具有较高的商业价值和应用前景。基于第二代高温超导带材的商业开发,主要集中在超导限流器、超导电机和储能装置等领域。第二代高温超导带材应用前景广阔,商业价值巨大。随着超导材料的广泛应用,高温超导体的力学研究越来越成为制约着超导科学技术应用推广的因素。高场工况下超导带材受到的洛伦兹力和环氧树脂浸渍下超导线圈受到的热应力都会引起带材脱层。相较于其他的力学性能指标,脱层强度在实际工程应用中极为重要,但其测试过程繁琐,测试结果数据离散,测试过程无统一的行业标准,成为测试和改良超导带材力学性能中的热点问题。同时,由于第二代高温超导带材的应用环境逐步扩展,带材脱层破损时有发生,急需能够应用在生产实践中的提升脱层强度方法。为了进一步分析和解决超导带材的脱层问题,本文改进了脱层强度的测试方法,提出了带材微观缺陷扩展模型和脱层强度影响因素,以此为基础提出了提高超导带材包括脱层强度在内的机械强度方法,并在实验阶段进一步验证了脱层过程机理的模型。本论文第三章改进了原有的脱层强度测试方法,搭建了脱层强度的测试平台。改进的测试操作简单、重复性强、可以测试银带等多种带材在77 K~298 K温区内的脱层强度,已经成为国家第二代高温超导带材脱层强度测试标准的主要备选方案之一。本文提出了从力学分析和微观模型两种角度解释带材脱层过程机理的模型,力学分析解释脱层机理从带材各层力学性能入手,由力学角度解释了脱层过程;微观模型角度解释脱层机理以仅有超导层(内部、界面)会发生断裂与脱层和脱层界面沿垂直于超导层c轴的层间扩展两个重要假设为基础,提出了微观缺陷扩展模型,并将此模型推广到对带材拉伸和转弯两种机械性破损机理的解释中,尝试将机械性破损机理囊括在同一个模型框架内。由力学分析和微观模型推导出了影响带材机械强度的带材材料本征参数(温度)、带材结构(镀铜工艺)、超导层缺陷总数量(超导层厚度)、超导层缺陷尺寸和缺陷扩展行为等五个重要因素。经过理论分析和实验,超导带材在低温条件下有更高的脱层强度;镀铜工艺可以有效提升带材的转弯性能,但对脱层强度的提升几乎没有影响;超导层缺陷越少,缺陷越小,脱层强度越高。其中本征参数(温度)、带材结构(镀铜工艺)、超导层缺陷总数量(超导层厚度)为带材本征特性,超导层缺陷尺寸和缺陷扩展行为可以通过针对性的工艺革新应用在生产实际中。本文第四章由减小超导层内部缺陷尺寸入手,本文以皮秒紫外激光分切工艺代替了传统机械分切工艺,避免了机械分切过程中在切口边缘引入微裂纹(较大缺陷),提升了分切带材的临界电流、脱层强度、转弯性能和拉伸强度。应用激光分切工艺制备的带材,相较于传统机械分切脱层强度提升10%以上,超导面向外的最小转弯直径提升至7 mm。同时皮秒紫外激光分切工艺切口窄、热影响区小,尽可能减小分切过程对带材的损伤,具有极高的工业应用价值。本文第五章由阻挡微裂纹扩展入手,本文提出了用紫外激光刻蚀缓冲层以在超导层引入织构异常的柱状超导晶体方法,用织构异常的超导晶体柱阻拦微裂纹在超导层内的扩展,提高了带材脱层强度、转弯性能和拉伸强度。经过激光刻蚀缓冲层的超导带材较对照组脱层强度提升20%以上,常温下最高脱层强度测试值达80.49 MPa,拥有更广阔的应用前景。
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