超导体的热稳定性及其力学响应研究

发布时间：2020-11-19 05:00

　　超导体因其优异的电磁性能,在能源、通讯、生物医学和交通运输等领域具有广阔的应用前景。然而,这类材料通常在低温、高磁场等极端环境下运行,其工程应用长期面临两项主要的挑战:一是超导体内的损耗将会引起其局部位置的温升,严重影响超导运行时的热稳定性;二是超导体的力学变形不仅影响其载流能力,而且可能会造成超导设备的力学失效以及破坏。因此,研究超导体的热稳定性行为和力学特性是确保各类超导设备安全稳定运行的基础。本论文结合超导运行的真实工况环境,基于理论分析和数值计算研究了超导体的热稳定性及其力学响应。首先,针对超导块体磁化过程中的磁通跳跃行为,研究了磁通跳跃期间超导块体的力学行为。通过建立MgB_2圆柱形超导体一维电-磁-热-力模型,给出了其在外磁场动态加载过程中温度和电磁体力的变化规律,分析了磁通跳跃过程中超导块体内的应力和应变,结果表明应变跳跃和温度跳跃基本一致,而应力跳跃的峰值规律有所不同。此外,温度变化产生的热应变跳跃对总应变跳跃的贡献远大于电磁应力。其次,考虑到YBCO带材的终端电阻会改变堆叠带材内电流的分布,从而影响其失超行为。通过耦合电路方程、磁场方程和热传导方程,建立了四根堆叠带材的二维失超模型;分析了在不同的通电流方式、热源大小和位置下,终端电阻对堆叠带材失超行为的影响。研究了整个失超期间堆叠带材的力学响应。然后,研究了MgB_2超导线圈从缠绕到冷却,以及洛伦兹力共同作用下的力学响应。对于经过热处理后缠绕的线圈,为了准确分析线圈的力学行为,需要考虑缠绕、冷却以及洛伦兹力产生的应力。计算结果表明:在缠绕过程中,芯轴材料会影响缠绕过程中线圈应力和应变。在冷却过程中产生的热应变在总应变中占主要部分,并且中间芯轴的材料以及尺寸会影响热应变;在低场条件下,洛伦兹力对线圈的力学变形贡献比较小。最后,结合细杆理论和二尺度法,推导了CICC导体中三元组间的接触力,并给出了三元组之间的紧缩电阻。将三元组间的接触简化为一系列的点接触,对Hertz接触和AF接触模型进行估算并假设微凸体与微凸体之间的接触为完全塑性变形,从而得到接触点的接触半径,结合接触力给出了三元组间紧缩电阻的值。数值结果表明,表面粗糙度和股线的材料属性都是影响紧缩电阻和膜电阻的关键因素。此外,CICC制备过程中的不同布线方式会影响紧缩电阻的大小。
【学位单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：O511.4
【部分图文】：

超导材料,临界电流,磁场

从超导现象发现以来，科学家一直在尝试发现新材料来提升超导材料的临界温度。在1986年以前，已发现的超导体的临界温度均低于30K。瑞士苏黎世研究所的物理学家Bednorz和Muller[5]首次实验测试发现铜氧化物La-Ba-Cu-O陶瓷材料的超导电性，并且其临界转变温度达到35K，从此拉开了高温超导材料研究的序幕。随后大量的新型超导材料被发现。然而受到物理特性以及制备工艺等因素的影响，能够进入商业应用的超导材料是非常有限的。Nb3Sn，NbTi，BSCCO，REBCO和MgB2超导体是当下以及未来最具有潜在工程应用前景的超导材料[6]。图1-1给出了液氦温度下，实用化超导线材或带材的临界电流随外磁场变化的曲线[7]。图1-1各类实用化超导材料的临界电流随外加磁场的变化[7]低温超导Nb3Sn和NbTi股线是目前制备技术和商业应用最为成熟的超导材料。其中，NbTi股线具有大约9.2K的临界温度[8]。基于自身上临界磁场的限制，其在液氦温区可达到的最高磁场为10T[9]。由于NbTi股线的机械加工性能较好，故而在核磁共振、磁光成像和高能粒子加速器等领域被广泛的应用[10-12]。Nb3Sn股线不仅具有18K的临界温度[13]，而且液氦温区可实现的最高磁场为25T[14]，因此可以制备更高磁场的超导磁体。然而，Nb3Sn超导材料属于脆性材料，无法将其直接拉拔成超导细丝，所以Nb3Sn超导股线的制备工艺更加的复杂。经过数十年的发展，低温超导Nb3Sn和NbTi股线的加工工艺已经相当的成熟。由于Bi系高温超导材料通常采用银基底[15-18]，所以成本花费较高，并且它的力学性能相对比较差，这很大程度上限制了其在未来高场领域的发展。然而，第二代高温超导REBCO涂层导体不仅在高场下具有良好的载流能力，而且它的力学性能也非常优越。目前，在高温超导材料中，REBCO涂层导

高温超导,导体,涂层

兰州大学博士学位论文超导体的热稳定性及其力学响应的研究3泛，也是高场磁体发展的首选之一[19]。图1-2展示了一个典型的层压复合结构的REBCO带材[20]。图1-2高温超导REBCO涂层导体[20]从图中可以看到它是由五部分组成：铜稳定层、银覆盖层、REBCO超导层、缓冲层和哈氏合金基底，其中REBCO超导层仅有1m的厚度，并且带材的总厚度小于0.1mm。由于REBCO超导体带材的制备工艺较为复杂[21-26]，同时作为是扁平状带材，其临界电流也依赖于磁场的方向。目前通常采用高强度的哈氏合金基底，使得REBCO带材具有较高的机械稳定性，能够在高磁场环境下运行。与铜氧化物超导体相比较，金属间化合物MgB2超导材料具有明显的优势：晶体结构简单、原料价格低廉和化学性能稳定[27]。此外，由于它的临界温度可达到39K，可以在液氢环境中运行，从而导致后期的运行成本花费比较低，在核磁共振领域其有着广阔的应用前景。图1-3高温超导块体横截面示意图：REBCO（左）[28]，MgB2（右）[29]实用化超导体除了具有带材和线材结构外，高温超导块体也是目前广泛研究的超导结构。磁化高温超导块体可以俘获较高的磁场，从而充当永磁体[30]。相比传统的永磁体，高温超导块体可以产生更高的磁场，因此其在核磁共振、磁光成像、电动机和粒子加速器等领域有着潜在的应用前景[31-33]。图1-3展示了两类实用化高温超导块体，分别是REBCO块体和MgB2块体[28,29]。2014年，剑桥大学超导块体研究小组首次采用场冷的磁化方式在不锈钢REBCO超导块体中俘获了

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