超导材料低温力学实验及多场性能测试仪器原型机研制中的若干关键技术研究

发布时间：2018-05-01 10:24

本文选题：超导材料 + 复杂多场环境　；参考：《兰州大学》2017年博士论文

【摘要】：随着大科学工程装置的快速发展,超导磁体结构及其相关设备呈现出大型化、结构复杂化、高载流与高储能等特点。超导材料及其结构的设计与运行,磁场、温度、电流是三个相互制约的主要临界态参量,在复杂多场环境下如何优化超导材料的临界状态,使得超导材料与结构安全与稳定运行,是超导结构与工程应用关注的热点基础问题。由于超导磁体与结构运行于大变电流、强变磁场、极低温/变温等复杂多场环境,多物理场间的相互影响与作用导致超导材料基本物性参数发生本质的变化,单纯基于单一温度场下的材料结构参数的工程设计通常难以满足高品质超导磁体系统的研发要求。因此,在极端多物理场环境下,开展各类实用超导材料结构参数的实验表征与检测方法,以及多场测试仪器平台的研制均具有极为重要的科学与工程意义。本学位论文运用实验室已研发成功的低温/变温(77K~室温)超导材料力学性能测试系统,开展了超导材料的低温力学性能与温度的依赖关系的测试,并发展了极端环境下的应变测试方法;进一步地,介绍了自主研发设计的无液氦4.2K多物理场耦合测试系统原型机及其核心部件的研制及优化情况,并对该系统最终的各项功能的调试结果进行了实验测试与分析等。1、开展了低温环境下超导材料力学变形的基本测量方法研究。在低温环境下超导材料变形低温应变片和光纤测量方法介绍的基础上,开展了高温超导带材的埋入式光纤测量方法的研究,建立并完善了低温环境下应变片测量和布拉格光纤光栅测量技术的温度补偿方法。基于两种低温下的应变测试方法实现了部分超导材料低温环境下的变形实验测量和对比性研究,并详细给出了低温环境下的应变测试实验误差分析以及降低误差的实验操作环节改进技巧等。2、建立了一种基于热应变的低温环境下超导丝材/带材的低温区的热膨胀系数测试新方法并实施了实验研究。从低温/变温下超导材料的热应变测量出发,采用低温下力学拉伸方式建立了一种超导材料热膨胀系数的测试方法,并对低温超导材料NbTi/Cu,Nb3Sn/Cu及Bi2212/Ag高温超导材料的热膨胀系数测试结果进行了分析及讨论,相关结果与已有文献中基于物理方法的测量结果吻合良好。3、系统测试了各类现有已进入工程应用的超导材料低温温区下的力学性能,并初步建立了部分超导材料力学参数基础数据库。主要是基于实验室现有的低温/变温测试平台开展了较为系统的测试工作,首先进行了若干典型超导材料在低温/变温环境下的力学性能测试及结果讨论,进而从测试样品准备、重复性验证测试、对照性测试等先后完成了多达41种不同芯丝、铜超比的超导材料的低温区(77K-室温)的力学性能。经过汇总和集成,形成了初步的材料低温力学性能数据库,这对于超导材料和结构的设计和实际工程应用中选材和性能优化等方面具有重要的指导意义。4、参与开展了低温-电磁多场性能测试仪器原型机的研制工作和若干关键技术研究工作,实现了部分核心子系统部件的设计及优化,以及完成了原型机各项功能和性能的调试。对于研制的极低温-电磁多场性能测试仪器的研发思路及各子系统做了简要介绍,针对原型机研制过程中的两个核心子系统部件——低温真空箱体及冷屏和大电流加载超导引线的设计及优化开展了具体实施;最后针对原型机整体功能完成了初步的测试工作,测试结果显示该原型机系统各项功能性指标均能实现并达到设计了要求,为进一步的正式测试仪器研发积累了科学经验并提供了理论指导价值。
[Abstract]:In this paper , a new method for measuring the thermal expansion coefficient of superconducting material under low temperature environment has been developed . At last , the preliminary test work is completed for the whole function of the prototype , and the test results show that all the functional indexes of the prototype system can be realized and meet the design requirements , and the scientific experience is accumulated and the theoretical guidance value is provided for further formal testing instrument research and development .

【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM26

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