MgB2超导线圈的交流损耗仿真和实验研究

本文采用MgB2/Fe/Cu单芯复合线材制作了一个小型实验线圈,并以此为基础,对用MgB2线、带材制成的线圈在承载较大电流情况下的交流损耗特性进行了仿真和实验研究,结果表明,为使MgB2/Fe/Cu复合线材适于电力应用,应设法大幅降低基体损耗.     

MgB2超导线拉伸性能研究

MgB2 是一种新型超导材料, 它具有较高的临界温度和较低的原料价格. 随着磁约束核聚变实验技术的发展, 未来的托卡马克磁体系统的低场部分磁体有希望使用 MgB2 CICC 导体绕制. CICC 导体的有限元分析需要以超导线的应力-应变函数为基础. 本文中, 来自西部超导公司( WST) 及 Hyper Tech 公司的两种 MgB2 超导线被测试了抗拉强度与弹性模量. 未反应的超导线在室温下的拉伸曲线被用多项式及指数函数拟合. 实验发现西部超导公司的 MgB2 线材在各种条件下的拉升强度都高于 Hyper Tech 线材. 室温下未反应的 MgB2 超导线的应力-应变关系可以用指数函数恰当地拟合, 并且表达式比多项式函数的拟合结果更简单. 超导线的应力-应变函数可以为CICC 导体数学模型的建立提供参考.     

高温超导YBCO线圈交流损耗实验研究与分析

交流损耗是高温超导YBCO线圈设计的一个重要参数,直接关系到高温超导装置的运行成本和稳定性。文中利用热测法实现对高温超导YBCO线圈交流损耗的准确测量,并给出了高温超导YBCO线圈的理论数值计算模型,通过理论计算值与实验结果的比较分析,两者结果基本相符。研究结果为开展1MJ高温超导储能-限流磁体的研制具有十分重要的指导意义。     

MgB2超导圆线基底交流损耗的计算分析

二硼化镁(MgB2)超导体在非铜氧化物陶瓷超导体中具有最高临界转变温度,给超导应用带来了新的契机.铁与镁不反应,且价格低廉,在需要热处理的超导成材工艺中,常常采用铁作MgB2的基底;然而,这种高磁导率的材料有可能增大基底的损耗.本文采用有限元分析软件ANSYS计算了工频下不同材料基底超导圆线传输交流的基底损耗,分析了基底损耗与电流大小、基底厚度之间的关系,对双层基底的损耗也进行了研究.本文的结果对于适当选取截面尺寸、基底材料和工作电流以期减小交流损耗,具有一定参考意义.     

TiB2掺杂MgB2超导线材临界电流密度和显微结构研究

以低碳钢管为包套材料,采用原位粉末套管法制备出5 mol%TiB2掺杂的MgB2超导线材.利用X射线衍射、扫描电子显微镜、能谱分析和标准的直流四电极电阻法分别测试了线材的物相组成、显微结构、化学组成和临界电流密度(Jc).结果显示,TiB2掺杂能够提高MgB2线材的Jc,使其达到了9960 A/cm2(6K,4.5T)和1110 A/cm2(6K,7T),比未掺杂线材分别提高了14%和26%.TIB2掺杂引起的MgB2晶粒减小,晶界面积增加和晶粒连结性改善,是Jc提高的主要原因.在未掺杂MgB2线材中还发现了微裂纹、MgO晶须等不利于超导性能的特殊显微结构.     

IMD-MgB2超导线材的研究进展

中心镁扩散技术(IMD)自2003年被Giunchi等人首创以来,国内外学者系统地揭示了Mg与B反应机制,MgB_(2)烧结成相过程及掺杂物的影响;IMD-MgB_(2)线材具有致密的MgB_(2)层,J_(e)远高于同等条件下传统PIT法制备的线材.目前IMD-MgB_(2)百米级线材已被成功制备,为IMD-MgB_(2)超导线材的生产应用奠定了基础.本文首先简要介绍了IMD-MgB_(2)超导线材的发展历程,其次讨论了对线材超导性能影响的相关因素,包括B粉和C掺杂、有效的MgB_(2)层密度、晶粒尺寸、粉末填充系数、线材直径、热处理条件及线材的交流损耗,最后简述了IMD-MgB_(2)超导线材目前存在的技术难题及未来的工作重心.     

MgB2超导线I-V曲线的测量

2001年1月MgB2的超导电性被发现以来,这种临界温度达到40 K左右的超导材料引起了国际超导界广泛的兴趣,短时间内就对其进行了深入的研究.MgB2属于传统的电子-声子耦合的BCS超导体,它的临界温度大于或者接近BCS理论所预言的临界温度的上限,因此,这种材料在理论研究上具有重要的意义.本文对MgB2超导线的I-V关系进行了初步的测量,我们测量的超导线样品的MgB2层厚度大约只有0.5μm,截面积约1.5×10-6cm2,实验得到了许多有意义的实验结果.     

超导故障限流器螺旋线圈交流损耗特性的研究

超导故障限流器(SFCL)是超导电力应用的一个重要器件,本文采用Bi-2212和YBCO材质的高温超导体来制作SFCL,其具有大容量电流和高电场的优点。作为22. 9kV/25MVA配电系统中SFCL的初期应用阶段,为减少SFCL的交流损耗,制备几种形状线圈的故障电路限制元器件,通过实验研究导体排列和电力方向对故障限流线圈交流损耗特性的影响。经测试,单线型和双线型螺旋线圈的交流损耗均依赖于导体的排列和电流方向,双线型螺旋线圈在导体排列相同的情况下,其交流损耗取决于电流方向。     

MgB2超导线和不同电极材料之间接触电阻的研究

我们用四引线法测量了MgB2超导线和不同电极材料之间的接触电阻,电极材料包括金,铟和银胶,实验数据显示,用热蒸发镀膜的方法制备上的金属材料电极和超导线之间有较小的接触电阻,对电极材料进行后期的退火处理可以有效的降低接触电阻的大小。     

YBCO线圈交流损耗的有限元分析与实验验证

随着高温超导YBCO带材载流能力的不断提高和成本的逐渐降低,YBCO线圈及磁体的应用将日益广泛。文中利用有限元方法研究了YBCO线圈的交流损耗特性,计算了50Hz下线圈的瞬时交流损耗,分析了每匝带材中的电流和磁场分布。仿真结果表明,线圈内侧承受的磁场最大,但线圈中部每周期的交流损耗最大,且线圈中始终存在未被磁场穿透的区域。除此之外,文中实验测量了YBCO线圈的临界电流和交流损耗,实验结果良好地验证了仿真方法的正确性。     

热处理和添加元素对MgB2晶畴尺寸和微观应变的影响

用X射线衍射仪和扫描电镜研究了热处理温度和添加元素(Ti, Zr)对单相MgB2粉末样品的晶畴尺寸和微观应变的影响.结果表明,无论是没添加的还是添加了合金元素的MgB2样品,随热处理温度的升高晶畴尺寸明显增大.在同样处理制度下,添加元素样品的晶畴尺寸明显小于不添加的样品.随热处理温度的升高,微观应变有降低的趋势.晶畴尺寸的测试结果与扫描电镜的观测结果表现出很好的一致性.实验说明,添加元素(Ti, Zr)MgB2样品临界电流密度的提高,与晶格畸变增加,晶畴尺寸变小,晶界增多,导致钉扎力增加有关.     

拓扑指数与掺杂二硼化镁体系超导电性的关系

构建了电性连接性指数mF和价电子能级连接性指数mE,计算了二硼化镁体及掺杂二硼化镁体系的0阶拓扑指数0F和0E,发现与超导转变温度Tc之间有良好的规律性,因此,本文提出以电性连接性指数mF和价电子能级连接性指数mE作为掺杂二硼化镁体系超导电性的新判据.     

化学气相沉积-后退火法制备MgB2超导薄膜

本文提出在高真空镀膜系统中通过化学气相沉积(CVD)的方法沉积高纯度的先驱B膜,再经过后退火工艺,Mg扩散进入先驱膜而反应生成了MgB2超导薄膜.经过多种实验方法检测,这种薄膜具有较为优异的超导性能,是一种和传统微电子工艺兼容、适宜于工业化大规模生产MgB2超导薄膜的方法.     

MgB2超导体参量的理论研究

在各向同性的双带GL理论的框架内,研究了块体MgB2的一些超导态参量:包括关联长度ξ(T),临界Cooper对速度υc(T),London穿透深度λ(T)以及临界电流密度jc(T)随温度的变化关系;并将穿透深度λ(T)和临界电流密度jc(T)的理论计算结果和实验数据作了比较,符合得较好.     

采用扩散法制备高临界电流密度的MgB2块材研究

采用一种新的Mg扩散方法,在常压下成功制备出致密的MgB2超导块材,样品密度最高达1.95 g/cm3,并得到了最佳的热处理条件.采用X射线衍射仪(XRD),扫描电镜(SEM)和超导量子干涉仪(MPMS)分别对样品的物相,微观结构和超导性能进行了表征.结果表明:纯的MgB2在5×10-3 T的外场下,起始超导转变温度(Tc)为38.1 K,转变宽度仅0.9 K;10 K自场下临界电流密度(Jc)值达0.53 MA/cm2.此外,纳米Pr6O11或C掺杂能显著改善MgB2的实用化性能,其中15at.%C掺杂的MgB2(MgB1.85C0.15)在10 K,6 T下,Jc高达104 A/cm2.     

石墨掺杂MgB2线材制备及其超导性能研究

利用原位粉末套管法制备出石墨掺杂的MgB2-xCx/Fe (x= 0.00, 0.05, 0.10)超导线材,采用两种工艺制度对线材进行了最终热处理.结果显示,石墨掺杂可以有效地提高MgB2线材的临界电流密度(Jc)和磁通钉扎力(Fp).常规热处理线材的Jc(B)和Fp(B)性能均优于快速热处理的,其主要原因是不同热处理制度导致的显微结构差异.     

先位粉末套管法制备MgB2/Fe线材的超导性能研究

采用先位法将MgB2粉装入纯铁管中,制备出MgB2/Fe超导线材.用X射线衍射仪和扫描电子显微镜分析了样品的物相组成和显微结构;用SQUID测量了样品的超导转变温度;用标准四引线法测量了短样的临界电流.结果显示,超导样品的临界转变温度约为38.3 K,在4.2 K/4 T下MgB2/Fe线材的临界电流密度为～104A/cm2.研究结果表明,高温退火有效地减少了冷加工过程中产生的应力,改善了晶粒连接性,提高了芯材的致密度,可以显著地提高先位法制备线材的临界电流密度.     

晶格常数与掺杂MgB2体系超导电性及硬度均衡值ηcp的关系

依据现有的MgB2掺杂实验,通过对掺杂MgB2体系超导电性与其晶格常数的研究,发现具有较好的规律性.因此本文提出用晶格常数作为掺杂MgB2超导电性的一个判断标准.为了得到晶格常数随掺杂元素及掺杂比例的变化规律,我们又研究了晶胞体积与掺杂MgB2体系硬度均衡值ηcp的关系,发现也具有较好的规律性.这些结果对掺杂二硼化镁超导电性的研究工作及今后实验工作者掺杂元素和掺杂比例的选取都有很好的指导意义.     

热处理对MgB_2超导体超导电性和显微结构的影响

采用固相反应法常压下制备MgB2超导块材,研究两种不同的热处理工艺(淬火、预热)对MgB:超导电性和显微结构的影响.结果显示淬火有助于细化晶粒,提高样品的临界电流密度;预热在一定程度上提高MgB2样品的致密度和磁通钉扎力,其中随炉升温600℃预热1 h再升至750℃保温0.5 h后淬火的样品自场Jc达到0.586 MA/cm2,不可逆场超过7 T,20 K下在0.8T达到最大钉扎力Fpumax.