超导材料的低温摩擦性能研究

发布时间：2020-10-17 04:54

　　 “国际热核聚变实验堆(ITER)计划”是我国目前参与最大、影响最深远的国际科研合作项目之一,旨在验证磁约束受控核聚变反应堆的可能性。该装置的实现原理是通过CICC导体(NbTi、Nb3Sn绕制管状电缆)构成的托克马克(Tokamak)磁体装置产生强磁场以约束离子体,从而实现可控的核聚变反应。研究表明超导磁体运行中受到存在于线圈中的热残余应力、强磁场产生的洛伦兹力以及上万次的循环电磁应力等作用使得股线受到力学变形进而产生摩擦及磨损,由于4.2 K下磁体的热容只有常温下的1/4000,股线间微小的相对滑动产生的热量足以使磁体失超,因此研究超导股线在低温介质中的摩擦特性成为大型结构稳定运行的关键科学问题。另外,微米尺度NbTi芯丝是构成NbTi/Cu超导复合线的主要部分,其材料的设计、制备以及运行中其表面产生严重的摩擦及磨损进而影响超导材料的力学及电学性能,开展微尺度材料的低温力学及摩擦特性方面的研究工作具有重要的科学意义和工程应用价值。本文针对股线材料低温摩擦测试装置的研制、微尺度NbTi超导材料的摩擦特性、NbTi/Cu超导股线的循环摩擦特性和粘滑机理以及YBCO高温超导材料的摩擦特性开展实验和数值计算。本文的研究将对深入了解实用超导材料的低温摩擦特性具有重要的意义,能够为超导材料的大规模应用提供有力的实验依据。本文取得的主要成果如下:首先,自主研制了一套高精度常、低温环境微尺度股线的摩擦测试系统。该系统可实现微尺度股线材料不同介质、不同正压力及不同滑动速率下的摩擦性能的测试,其中力、位移分辨率分别为0.1 mN和0.03μm。此外,针对NbTi/Cu超导股线的摩擦性能测试需求,发展了小角度接触式低温摩擦测试装置,该装置具备超导股线循环摩擦特性的测试功能。随后对测试系统的稳定性和可靠性进行标定,同时也对股线与铜管的接触形式进行误差分析,结果表明该装置满足股线材料的低温摩擦性能测试要求。其次,对微尺度NbTi超导材料的摩擦特性进行研究。首先,通过自行搭建的纤维材料低温力学性能测试装置对NbTi芯丝和微米级铜纤维进行测试,结果表明低温介质中材料的弹性模量、断裂强度以及屈服强度等均显著增强,并采用非接触式激光粗糙度仪对常温和低温介质中的铜管表面分别进行测量,发现低温介质中材料的表面粗糙度显著增强;其次,对NbTi芯丝在不同介质(水、空气及液氮溶液)中的摩擦特性进行详细的对比研究,发现液氮中NbTi芯丝的摩擦力明显高于空气和水中的值,并有显著的粘滑现象,而水介质中由于浸润性的存在可以显著降低摩擦力,此外还发现在空气和水中微尺度NbTi芯丝有明显的尺度效应,而在液氮中表现不明显;最后通过改进的弹簧-滑块模型对不同介质中NbTi芯丝的摩擦力随时间的变化曲线进行数值计算,与实验结果相吻合,并对影响低温摩擦特性的关键因素如模量、粗糙度以及浸润性分别进行了研究,结果表明材料表面粗糙度及模量的改变使得低温介质中股线的摩擦力曲线出现明显的粘滑效应。再次,对NbTi/Cu超导股线的摩擦特性进行研究。首先对低温介质中NbTi/Cu超导股线出现粘滑现象的机理进行实验和数值分析,研究表明材料表面的粗糙度主要影响摩擦力曲线的波动幅值,不改变其粘滑的斜率,而材料的模量主要影响摩擦过程中粘滑的斜率,但不改变摩擦力曲线的波动幅值;其次对材料的循环摩擦特性展开了系统的实验研究,发现材料表面的粗糙度随着循环次数的增大而逐渐降低,另外空气和液氮介质中股线的摩擦力振幅随着循环次数的变化规律不同,随后提出低温介质中用摩擦力振动幅值来判断磨损周期的新方法;最后,对超导股线与铜管相对滑动过程中载流、滑动速率及正压力等影响因素分别进行研究。最后,对YBCO高温超导材料(块材和薄膜)的摩擦特性进行研究。首先采用小角度接触式摩擦测试装置对YBCO超导块材室温和液氮中分别进行测试,发现YBCO超导块具有良好的低温摩擦性能,能有效抑制粘滑现象的发生,并且当超导块进入超导态时施加外磁场,由于磁通涡旋运动产生粘滞力的作用使得其摩擦力增高;其次,实验发现低温介质中当配重块质量较小时材料的摩擦特性主要由浸润性决定,而当配重块质量较大时由材料表面的性质决定;随后通过Rtec多功能摩擦磨损试验机对YBCO超导薄膜的宏观摩擦行为进行实验研究,结果表明该薄膜具有良好的耐磨性能;最后,采用超高真空变温扫描探针/电子显微镜对YBCO超导薄膜的微观摩擦性能进行实验探索,发现超导薄膜的摩擦力随着温度的降低而增大。
【学位单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O511.3;O313.5
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 研究背景
        1.1.1 超导材料发展简介
        1.1.2 摩擦学简介
        1.1.3 超导材料的应用及存在的摩擦学问题
    1.2 研究现状
        1.2.1 材料低温摩擦测试装置的发展概况
        1.2.2 微尺度材料的摩擦性能研究概况
        1.2.3 超导材料的摩擦性能研究现状
    1.3 本文研究内容
第二章 股线材料低温摩擦测试系统的搭建及可靠性分析
    2.1 测试装置
    2.2 测试原理
    2.3 测试系统稳定性及误差分析
        2.3.1 系统的标定
        2.3.2 不同介质浮力的影响
        2.3.3 低温介质股线表面结霜的影响
        2.3.4 接触形式的误差分析
    2.4 本章小结
第三章 微米尺度NbTi超导材料的低温摩擦性能研究
    3.1 低温介质下的材料力学性能及表面粗糙度的研究
        3.1.1 微尺度NbTi芯丝和Cu纤维的低温力学性能测试
        3.1.2 材料表面粗糙度的测量
    3.2 微尺度NbTi芯丝的摩擦性能实验研究
        3.2.1 介质对摩擦性能的影响
        3.2.2 芯丝直径对摩擦性能的影响
        3.2.3 悬挂配重块质量对摩擦性能的影响
    3.3 理论计算
        3.3.1 模型建立
        3.3.2 模型计算
    3.4 本章小结
第四章 NbTi/Cu超导股线的低温摩擦性能研究
    4.1 材料的氧化性能
    4.2 低温介质中股线的摩擦特性
        4.2.1 粘滑特性的实验研究
        4.2.2 粘滑特性的数值计算
    4.3 材料的循环摩擦及磨损性能研究
        4.3.1 循环次数对材料表面粗糙度的影响
        4.3.2 低温介质中股线的循环摩擦特性实验研究
        4.3.3 循环接触摩擦的理论分析
    4.4 磨粒对股线摩擦性能的影响
    4.5 摩擦力曲线的频谱分析
    4.6 载流对股线摩擦性能的影响
    4.7 滑动速率对股线摩擦性能的影响
    4.8 配重块质量对股线摩擦性能的影响
    4.9 本章小结
第五章 YBCO高温超导材料的摩擦性能研究
    5.1 YBCO超导块的摩擦性能研究
        5.1.1 YBCO超导带材的摩擦性能研究
        5.1.2 YBCO超导块的摩擦性能研究
        5.1.3 外加磁场对YBCO超导块的摩擦性能研究
        5.1.4 循环载荷对YBCO超导块的摩擦性能的影响
        5.1.5 滑动速率对YBCO超导块的摩擦性能的影响
    5.2 YBCO超导薄膜的摩擦性能研究
        5.2.1 YBCO超导薄膜的宏观摩擦性能研究
        5.2.2 YBCO超导薄膜的微观摩擦性能研究
    5.3 本章小结
第六章 总结与展望
    6.1 主要结论
    6.2 研究展望
参考文献
在学期间的研究成果
致谢

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本文编号：2844303