超導體的熱穩(wěn)定性及其力學響應(yīng)研究

發(fā)布時間：2020-11-19 05:00

　　超導體因其優(yōu)異的電磁性能,在能源、通訊、生物醫(yī)學和交通運輸?shù)阮I(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而,這類材料通常在低溫、高磁場等極端環(huán)境下運行,其工程應(yīng)用長期面臨兩項主要的挑戰(zhàn):一是超導體內(nèi)的損耗將會引起其局部位置的溫升,嚴重影響超導運行時的熱穩(wěn)定性;二是超導體的力學變形不僅影響其載流能力,而且可能會造成超導設(shè)備的力學失效以及破壞。因此,研究超導體的熱穩(wěn)定性行為和力學特性是確保各類超導設(shè)備安全穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)。本論文結(jié)合超導運行的真實工況環(huán)境,基于理論分析和數(shù)值計算研究了超導體的熱穩(wěn)定性及其力學響應(yīng)。首先,針對超導塊體磁化過程中的磁通跳躍行為,研究了磁通跳躍期間超導塊體的力學行為。通過建立MgB_2圓柱形超導體一維電-磁-熱-力模型,給出了其在外磁場動態(tài)加載過程中溫度和電磁體力的變化規(guī)律,分析了磁通跳躍過程中超導塊體內(nèi)的應(yīng)力和應(yīng)變,結(jié)果表明應(yīng)變跳躍和溫度跳躍基本一致,而應(yīng)力跳躍的峰值規(guī)律有所不同。此外,溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)變跳躍對總應(yīng)變跳躍的貢獻遠大于電磁應(yīng)力。其次,考慮到Y(jié)BCO帶材的終端電阻會改變堆疊帶材內(nèi)電流的分布,從而影響其失超行為。通過耦合電路方程、磁場方程和熱傳導方程,建立了四根堆疊帶材的二維失超模型;分析了在不同的通電流方式、熱源大小和位置下,終端電阻對堆疊帶材失超行為的影響。研究了整個失超期間堆疊帶材的力學響應(yīng)。然后,研究了MgB_2超導線圈從纏繞到冷卻,以及洛倫茲力共同作用下的力學響應(yīng)。對于經(jīng)過熱處理后纏繞的線圈,為了準確分析線圈的力學行為,需要考慮纏繞、冷卻以及洛倫茲力產(chǎn)生的應(yīng)力。計算結(jié)果表明:在纏繞過程中,芯軸材料會影響纏繞過程中線圈應(yīng)力和應(yīng)變。在冷卻過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)變在總應(yīng)變中占主要部分,并且中間芯軸的材料以及尺寸會影響熱應(yīng)變;在低場條件下,洛倫茲力對線圈的力學變形貢獻比較小。最后,結(jié)合細桿理論和二尺度法,推導了CICC導體中三元組間的接觸力,并給出了三元組之間的緊縮電阻。將三元組間的接觸簡化為一系列的點接觸,對Hertz接觸和AF接觸模型進行估算并假設(shè)微凸體與微凸體之間的接觸為完全塑性變形,從而得到接觸點的接觸半徑,結(jié)合接觸力給出了三元組間緊縮電阻的值。數(shù)值結(jié)果表明,表面粗糙度和股線的材料屬性都是影響緊縮電阻和膜電阻的關(guān)鍵因素。此外,CICC制備過程中的不同布線方式會影響緊縮電阻的大小。
【學位單位】：蘭州大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：O511.4
【部分圖文】：

超導材料,臨界電流,磁場

從超導現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)以來，科學家一直在嘗試發(fā)現(xiàn)新材料來提升超導材料的臨界溫度。在1986年以前，已發(fā)現(xiàn)的超導體的臨界溫度均低于30K。瑞士蘇黎世研究所的物理學家Bednorz和Muller[5]首次實驗測試發(fā)現(xiàn)銅氧化物La-Ba-Cu-O陶瓷材料的超導電性，并且其臨界轉(zhuǎn)變溫度達到35K，從此拉開了高溫超導材料研究的序幕。隨后大量的新型超導材料被發(fā)現(xiàn)。然而受到物理特性以及制備工藝等因素的影響，能夠進入商業(yè)應(yīng)用的超導材料是非常有限的。Nb3Sn，NbTi，BSCCO，REBCO和MgB2超導體是當下以及未來最具有潛在工程應(yīng)用前景的超導材料[6]。圖1-1給出了液氦溫度下，實用化超導線材或帶材的臨界電流隨外磁場變化的曲線[7]。圖1-1各類實用化超導材料的臨界電流隨外加磁場的變化[7]低溫超導Nb3Sn和NbTi股線是目前制備技術(shù)和商業(yè)應(yīng)用最為成熟的超導材料。其中，NbTi股線具有大約9.2K的臨界溫度[8]。基于自身上臨界磁場的限制，其在液氦溫區(qū)可達到的最高磁場為10T[9]。由于NbTi股線的機械加工性能較好，故而在核磁共振、磁光成像和高能粒子加速器等領(lǐng)域被廣泛的應(yīng)用[10-12]。Nb3Sn股線不僅具有18K的臨界溫度[13]，而且液氦溫區(qū)可實現(xiàn)的最高磁場為25T[14]，因此可以制備更高磁場的超導磁體。然而，Nb3Sn超導材料屬于脆性材料，無法將其直接拉拔成超導細絲，所以Nb3Sn超導股線的制備工藝更加的復(fù)雜。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，低溫超導Nb3Sn和NbTi股線的加工工藝已經(jīng)相當?shù)某墒臁Ｓ捎贐i系高溫超導材料通常采用銀基底[15-18]，所以成本花費較高，并且它的力學性能相對比較差，這很大程度上限制了其在未來高場領(lǐng)域的發(fā)展。然而，第二代高溫超導REBCO涂層導體不僅在高場下具有良好的載流能力，而且它的力學性能也非常優(yōu)越。目前，在高溫超導材料中，REBCO涂層導

高溫超導,導體,涂層

蘭州大學博士學位論文超導體的熱穩(wěn)定性及其力學響應(yīng)的研究3泛，也是高場磁體發(fā)展的首選之一[19]。圖1-2展示了一個典型的層壓復(fù)合結(jié)構(gòu)的REBCO帶材[20]。圖1-2高溫超導REBCO涂層導體[20]從圖中可以看到它是由五部分組成：銅穩(wěn)定層、銀覆蓋層、REBCO超導層、緩沖層和哈氏合金基底，其中REBCO超導層僅有1m的厚度，并且?guī)Р牡目偤穸刃∮?.1mm。由于REBCO超導體帶材的制備工藝較為復(fù)雜[21-26]，同時作為是扁平狀帶材，其臨界電流也依賴于磁場的方向。目前通常采用高強度的哈氏合金基底，使得REBCO帶材具有較高的機械穩(wěn)定性，能夠在高磁場環(huán)境下運行。與銅氧化物超導體相比較，金屬間化合物MgB2超導材料具有明顯的優(yōu)勢：晶體結(jié)構(gòu)簡單、原料價格低廉和化學性能穩(wěn)定[27]。此外，由于它的臨界溫度可達到39K，可以在液氫環(huán)境中運行，從而導致后期的運行成本花費比較低，在核磁共振領(lǐng)域其有著廣闊的應(yīng)用前景。圖1-3高溫超導塊體橫截面示意圖：REBCO（左）[28]，MgB2（右）[29]實用化超導體除了具有帶材和線材結(jié)構(gòu)外，高溫超導塊體也是目前廣泛研究的超導結(jié)構(gòu)。磁化高溫超導塊體可以俘獲較高的磁場，從而充當永磁體[30]。相比傳統(tǒng)的永磁體，高溫超導塊體可以產(chǎn)生更高的磁場，因此其在核磁共振、磁光成像、電動機和粒子加速器等領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用前景[31-33]。圖1-3展示了兩類實用化高溫超導塊體，分別是REBCO塊體和MgB2塊體[28,29]。2014年，劍橋大學超導塊體研究小組首次采用場冷的磁化方式在不銹鋼REBCO超導塊體中俘獲了

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