二代高温超导带材的机械特性研究进展

以YBCO(YBa₂Cu₃O_7-δ)为代表的二代高温超导带材因具有高临界转变温度、高临界磁场和强载流能力,受到了国际学界高度关注,在各个领域具有广泛的应用前景.二代高温超导带材在绕制、冷却和运行过程中会受到不同来源的外力作用,且超导带材的韧性、延展性较差,因此其机械性能是影响安全性与设备运行可靠性的关键.本文基于二代超导带材各向异性的特点,对超导带材轴向、横向、弯曲三个方向的静态机械性能及疲劳性能进行了介绍.同时,也对超导带材各方向机械性能的测试方法、影响因素及机理进行了总结.     

高温超导带材临界电流角度依赖性测量分析

第二代高温超导带材与第一代相比,有着载流能力强、交流损耗低、无需贵金属等优点,在超导电力应用中有广阔前景。高温超导带材临界电流在外磁场的影响下会发生衰减,超导带材临界电流的角度依赖性是超导电力装备设计必不可少的参数。实验选取温度50～77 K、磁场0～3.5 T、磁场角度0～360°区间,分别测量了上海超导、苏州新材料等厂家生产的市面主流第二代高温超导带材的临界电流,分析了不同背景磁场大小及角度下超导带材的各向异性。结果表明,各厂家生产的超导带材具有明显的各向异性。     

窄丝化工艺对第二代高温超导带材临界电流特性的影响

超导带材应用于超导电力设备时,其临界电流特性受外界交变磁场大小和方向的影响,展现出明显的各向异性.为了减小外场对超导带材的影响,本文通过窄丝化工艺将4 mm宽的高温超导带材分切成2 mm宽的高温超导细丝.本文通过冷热循环疲劳测试实验和带材显微观察两个角度相互验证,对2 mm超导细丝临界电流性能做了具体评估.创新性地提出...     

高温超导磁体临界电流影响因素的研究

临界电流值是描述Bi2223高温超导带材性能的一个基本参数,在一定的温度条件下,Bi2223高温超导带材的临界电流是带材所在位置磁场大小和磁场方向的函数,其短样的临界电流值可以通过四引线法测量,单根超导带材的自场很小,磁场对临界电流的影响可以忽略.高温超导磁体的临界电流被定义成引发该磁体失超的最小电流,高温超导磁体的自场比单根超导带材的自场要大得多,磁体各个位置的磁场大小和方向各不相同,很难用理论的方法准确计算磁体的临界电流.对于高温超导磁体而言,除了磁场的影响因素以外,绕制磁体所用的超导带材自身的均匀性也是影响其临界电流的一个重要因素.本文对这两个因素进行探讨,并着重讨论高温超导带材自身的均匀性对临界电流大小的影响,本文的结论可以为高温超导磁体的设计、磁体绕制时带材的选择、磁体运行时安全工作电流的确定提供帮助.     

高温超导带材临界电流各向异性的试验研究

二代高温超导带材因其机械和磁场下的性能优于一代带材,近年来受到广泛关注。文中针对高温超导带材的特点,结合实验室的现有设备,设计了超导带材临界电流的测试平台,对三种二代高温超导带材在77K、不同磁场、不同角度下的临界电流进行了测量,分析了其在不同背景磁场和磁场角度下的各向异性,并用插值法拟合出了其临界电流与磁场及其角度的关系曲面,为超导磁体设计中高温超导带材临界电流的计算提供依据。     

电镀铜对YBCO超导带材临界电流影响的研究

钇系超导带材(YBCO)由于载流能力强、不可逆场高,是近年来高温超导材料领域的研究热点,并在电力行业实现示范应用。YBCO超导带材由基底、缓冲层、超导层和保护层组成,可通过电镀铜工艺实现保护层的制备。目前,有关电镀铜对YBCO超导带材临界电流的影响还鲜有报道。因此,本研究对比了镀铜前后YBCO超导带材的表面形貌和临界电流。实验结果表明:电镀铜在提高带材机械强度的同时,对其超导电性并无明显影响。     

YBCO在热冲击条件下的失超特性研究

在实际的超导电力装置运行过程中,超导带材可能由于电力系统中诸如系统短路故障等各种动态过程,承受短路大电流、不平衡电流的冲击,以及由此而产生的电磁、机械应力、热量的作用而失超,因此,研究热冲击对超导材料性能的影响对超导电力装置失超保护非常重要.本文以第二代高温超导(YBCO)带材为样品,模拟实际超导电力装置中带材的绝热环境,通过外加电源对超导带材进行热冲击,研究YBCO带材在不同情况的热冲击条件下的失超过程以及带材温度和超导性能的变化.试验结果表明:对于美国Superpower公司生产的YBCO工程带材,瞬时温度超导300K后,带材的临界电流下降,瞬时温度超过500K,带材可能出现烧断现象.     

直流背场下高温超导带材临界电流及n值的分析

本文在77 K温度下,采用四引线法就超导带材,分别在0～100 mT不同的外界磁场强度和0～90°不同的磁场方向下进行测量,分析第二代高温超导带材的临界电流和n值对直流背景磁场的依赖性。结果表明,随着外界磁场强度的增大,超导带材的临界电流逐渐衰减,当磁场由0°平行方向转向90°垂直方向的过程中,临界电流逐渐衰减,且衰减逐渐严重;随着磁场强度的增大,超导带材的n值减小;随着磁场与带材夹角由0°变为90°,超导带材的n值不断减小,但减小的程度逐渐缓慢。     

第二代高温超导带材在不同搭接方式下的电流转移长度

第二代高温超导带材YBCO由多层材料构成,超导层在基带上制备,带材的横截面结构是不对称的。高温超导带材的不对称结构使带材接头有不同的搭接方式,电流转移至超导层有不同的路径,导致接头处的电流转移长度不同。由此,选取了YBCO超导带材之间搭接和YBCO超导带材与铜带间搭接两种接头,分析了超导带材在不同搭接方式下的电流转移长度,并进行了实验测量。结果显示,铜带与超导带搭接时,分铜-正、铜-反两种搭接方式,两种方式下的电流转移长度分别是15和25mm;超导带与超导带搭接时,分正-正、正-反、反-反三种方式,三种方式下的电流转移长度分别是5、10和15mm。     

YBCO带材低熔点焊接接头研究进展

以YBa_(2)Cu_(3)O_(7)(YBCO)带材为代表的二代高温超导带材被广泛应用于各类超导装备中,由于YBCO超导带材生产长度的限制,其接头技术将在带材的实用化发展中起到至关重要的作用,其中低熔点焊料焊接接头技术由于其工艺简单且能够满足目前二代高温超导材料的应用需求,成为现阶段接头制备的主流技术.本文基于YBCO基本属性,结合目前国内外的YBCO带材生产现状,系统全面地调研了低熔点焊料焊接接头技术的制作工艺及其性能的影响因素,明确了低熔点焊料焊接接头的关键影响因素,梳理了二代高温超导带材接头的焊接工艺流程,为二代高温超导带材接头的制备提供参考。     

国产MOCVD-YBCO带材高温超导线圈研制与磁场温度特性研究

超导磁体的场强与超导材料的载流能力、磁体口径和低温环境有密切关系.为了在中高温区域实现高磁场强度的超导磁体,采用国产第二代高温超导带材,成功绕制出内直径为100 mm的高温超导线圈.该超导线圈在77,65,55和46 K不同温区下进行了性能测试,其最大运行电流分别为65,147,257和338 A,对应的中心磁场强度分别为0.78,1.77,3.1和4.08 T.所研制的超导线圈的中平面上磁场基本一致.     

Investigation of Bi-2223 high temperature superconducting tape as the material for gradient coil in MRI

The use of Bi-2223 high temperature superconducting (HTS) tape as a material for gradient coils in MRI is evaluated in this paper. Bi-2223 tapes have a very high critical current and a very low power loss. A HTS tape gradient coil is expected to provide much higher gradient strength and generate much lower heating than a copper coil. Measurements of the AC power loss of Bi-2223 tapes at typical operating frequencies for gradient coils are presented. The degradation of the critical current and its effect on the increase of AC power loss is analyzed. Practical technical issues such as resistance, gradient strength and mechanical performance are also discussed. A prototype Bi-2223 HTS tape gradient coil is evaluated to verify the concept.     

Current-carrying element based on second-generation high-temperature superconductor for the magnet system of a fusion neutron source

Application of current-carrying elements (CCEs) made of second-generation high-temperature superconductor (2G HTS) in magnet systems of a fusion neutron source (FNS) and other fusion devices will allow their magnetic field and thermodynamic stability to be increased substantially in comparison with those of low-temperature superconductor (LTS) magnets. For a toroidal magnet of the FNS, a design of a helical (partially transposed) CCE made of 2G HTS is under development with forced-flow cooling by helium gas, a current of 20–30 kA, an operating temperature of 10–20 K, and a magnetic field on the winding of 12–15 T (prospectively ~20 T). Short-sized samples of the helical flexible heavy-current CCE are being fabricated and investigated; a pilot-line unit for production of long-sized CCE pieces is under construction. The applied fabrication technique allows the CCE to be produced which combines a high operating current, thermal and mechanical stability, manufacturability, and low losses in the alternating modes. The possibility of fabricating the CCE with the outer dimensions and values of the operating parameter required for the FNS (and with a significant margin) using already available serial 2G HTS tapes is substantiated. The maximum field of toroidal magnets with CCEs made of 2G HTS will be limited only by mechanical properties of the magnet’s casing and structure, while the thermal stability will be approximately two orders of magnitude higher than that of toroidal magnets with LTS-based CCEs. The helical CCE made of 2G HTS is very promising for fusion and hybrid electric power plants, and its design and technologies of production, as well as the prototype coils made of it for the FNS and other tokamaks, are worth developing now.     

Bi—2223带材在拉伸应力下的临界电流

研究了不锈钢加强的Bi-2223/Ag高温超导带材在不同的拉伸应力下临界电流的变化情况。采用改造后的拉伸设备,在温度77K下对超导带材施加拉伸应力的同时,利用四引线法测量带材的临界电流,得到了超导带材的应力—应变曲线以及临界电流—应变曲线。利用理论公式计算了应力对超导带材临界电流的影响,与实验结果进行对比,并对两者的差别进行了分析。     

二代高温超导带材耐高温性能研究

通过有限元软件对由20层高温超导带材所制成的超导叠带在覆铝时的温度分布进行模拟,模拟结果表明在覆铝过程中两侧带材均会经历420°C以上的高温.对几种高温超导带材在不同温度和持续时间下,对其ReBCO侧、哈氏合金侧和双侧分别加热进行高温实验,测试得出了各带材临界电流的退化情况.实验结果表明,高温对带材造成了性能退化,不同...     

铋系超导前驱粉末的制备工艺评述

前驱粉末装管法(PIT)是目前铋系高温超导带材制备的主要方法．要工程化生产超导带材，需要运行成本低，产品质量高，生产批量大，稳定可靠的粉末生产工艺．由于铋系超导前驱粉末特性，在带材制备过程中具有的重要影响，使得国内外非常重视制备高性能的超导前驱粉末．不同的粉末具有不同的化学成分、相组成和形貌粒度，这取决于采用的起始公称化学成分，制备方法，和后处理烧结工艺．本就铋系超导体的主要的制粉方法，进行了较为详细的讨论、评述，并提出了适合于工程化制备铋系前驱体粉末的工艺路线，认为喷雾热解法制备超导前驱粉末将有利于铋系超导线材批量化的实现．     

脉冲磁化下高温超导带叠层导体的力学特征分析

第二代(RE)BCO 高温超导带可以进行切割和堆叠以形成叠层状的复合导体结构, 具备磁化后捕获强磁场的潜力. 脉冲磁化条件下, 叠层导体会受到电-磁-热多物理场作用, 易对高温超导带的力学稳定性造成不利影响.本文基于电磁场 H 格式和热传导方程对叠层导体进行了多场耦合建模分析, 同时结合有限元方法, 分析了圆柱形叠层导体脉冲磁化过程中的应力分布特性. 结果显示, 环向拉应力是叠层导体的主要破坏因素. 环向应力的主导成分为热应力, 其变化趋势与热应力变化高度吻合. 热应力在叠层内部处于较低水平, 表现为拉应力, 沿半径逐渐变更为压缩应力, 在边缘区域达到峰值-34 MPa, 随后转变为拉应力, 并在边界处达到峰值38 MPa, 峰值时间点都位于升磁阶段, 降磁阶段峰值不断降低     

拉伸应力下的高温超导带材临界电流特性研究

针对在低温、拉伸应力共同作用下,高温超导带材临界电流测量困难的问题,详细介绍了一种独立改造后的简便拉伸设备,利用四引线法对两种具有代表性的高温超导带材的临界电流进行了测量,并对结果进行了一系列的验证,证明了此设备能较好的完成测量任务。最后,结合带材的物理结构,简要分析了临界电流产生变化的原因。对今后的测量工作和超导磁体的设计与制备有一定的指导意义。     

Electro-mechanical behavior of single twisted high-temperature superconducting tape under transverse Lorentz force

In recent years, several cabling methods of high temperature superconducting (HTS) cable have been proposed; e.g., the conductor on a round core cable (CORC), the Roebel assembled coated conductor cable, the helical twisted stacking-tape cable (TSTC) and the twisted-stack slotted core HTS cable (TSSC). These cabling methods allow the high temperature superconducting tapes widely used in the high-field magnets. The single superconducting tape performance under applied loads directly relates to the transport performance of the cable and the choice of the cabling method. In this paper, we investigate the effect of twisting morphology on the electro-mechanical properties of HTS tapes. Particular attention is given to the transverse Lorentz force of a pre-twisted HTS tape. The analytical solution of the deflection of the HTS tape under transverse Lorentz force is derived. Then, the current distribution and AC loss of the tape are calculated by using H-formulation. The effects of twist angle and loading conditions are examined for different HTS tape lengths. The results show that the stiffness resistance ability to Lorentz force of the HTS tape can be increased in several ranges by increasing the twist angle. The twisting structure can also reduce current degradation and AC loss, and thus enhance the transport capacity of HTS tape. This study helps understand the electro-mechanical properties of pre-twisted HTS tapes and provides theoretical reference for the design of novel HTS cable structures.