华中科技大学 硕士学位论文 高温超导带材机械特性实验研究 姓名：杨捷 申请学位级别：硕士 专业：电机与电器 指导教师：李亮 2011-01-07 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 随着超导技术的发展，超导材料已经应用到了许多领域，机械特性是影响高温 超导带材应用的一个重要特性。高温超导带材在使用过程中，可能会受到拉、压、 弯曲、疲劳等载荷的作用，从而产生相应的应变，若应变超过一定的范围就会导致 超导材料产生裂纹甚至断裂，使带材的临界电流发生衰减，影响到超导带材的应用。 因此研究超导材料临界电流与应变的关系有重要的实际意义。 本文设计了高温超导带材的机械特性实验平台，实验平台采用的是四点弯曲的 方法进行载荷加载，四引线的方法测量超导带材的临界电流，并对实验平台载荷加 载精度和临界电流的测量误差进行了分析，表明该实验平台可以有效的进行超导带 材的机械特性实验。与一般两点拉伸加载的实验平台相比，本实验平台更容易实现 压应变与疲劳加载；与采用其它各种弯曲加载的实验平台相比，本实验平台具有操 作方便、试样所受应变均匀的优势。 利用本实验平台测量了两种铋系高温超导带材在拉、压、弯曲和疲劳等载荷形 式作用下的临界电流，并对应变对临界电流的影响进行了分析，实验表明：铋系高 温超导带材存在一个临界应变，其抗压性能优于抗拉性能；疲劳载荷能使铋系高温 超导带材的临界电流进一步衰减；铋系高温超导带材存在最小弯曲半径。 关键词关键词：高温超导带材 机械性能 临界电流 四点弯曲 应变 疲劳 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract With the development of superconducting technology, superconducting materials have been applied in many areas. The mechanical property of HTS tapes is an important feature in specific applications. High-temperature superconducting tapes may be subject to tension, compression, bending and fatigue load effects, which will result in a corresponding strain. If the strain exceeds a certain range, the superconducting materials will crack or even break and the band material critical current decay will be occurred, which affect the application of superconducting tapes. Therefore, the critical current of superconducting material relationship with the strain has important practical significance. The experimental platform for measuring the mechanical propertied of high-temperature superconducting tapes is designed .The method of four-point bending is used to load and the four-lead method is to measure the critical current of superconducting tapes. Meanwhile, the loading precision for the experimental platform and the critical current measurement errors are analyzed, which indicate that the experimental platform can effectively carry out the mechanical properties of superconducting tapes experiment. Compared with the general tensile loading with the two points, the experimental platform is easier to achieve compressive strain and fatigue loading. And compared with other kinds of bending loads experimental platform, our platform has the advantages for operating easily and making the sample suffered strain more uniform. The critical current of the two Bi-2223 tapes are measured using this experimental platform in tension, compression, bending and fatigue loading. On this basis, the effects of the strain on the critical current are analyzed. The results show that: (1) High-temperature Bi Superconducting tapes have a critical strain and the compression performance is better than tensile performance; (2) Fatigue load can make the critical current of Bi HTS tapes further decay; (3) Bi-2223 tapes have minimum bend radius. Keywords: HTS tapes Mechanical properties Critical current Four-point bend Strain Fatigue 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪绪 论论 本章首先介绍了超导材料的基本特性、高温超导带材的发展和应用情况，进而 说明高温超导带材的机械特性在其应用中的重要性，在此基础上阐述了国内外高温 超导带材机械特性的研究方法和研究内容，最后给出本文的主要内容。 1.1 超导材料概述超导材料概述 1.1.2 超导基本现象超导基本现象 1 零电阻现象零电阻现象 1908年，荷兰莱顿大学低温物理学家卡茂林昂尼斯首次成功液化世界上最后 一种气体氦，获得了4.2K的低温。1911年，卡茂林昂尼斯利用液氦把汞冷却至4.2K 左右时发现其电阻急剧的下降，几乎为零。之后卡茂林昂尼斯和美国麻省理工学 院的科林斯分别做了同一个的实验，实验如图1-1所示，将超导环置于磁场中，使之 冷却转变为超导态，然后再撤去磁场，由于电磁感应的作用，超导环内会感生一个 电流，若超导环的电阻为零，这个电流就会就长期无损的存在下去，科林斯发现这 一电流在持续两年半的后并没有明显的衰减，而且至今为止尚没有证据表明第一类 超导体在超导态时具有有限的电阻。 图1-1 持续电流实验 TTc, 在 超 导圆环上施 加磁场 T90A 约150A 厚度 0.23mm 宽度 4.2mm 缺 图3-2 基底 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 32 （3）胶水 胶水使用的3M公司生产的3MDP-460， 这是一 种能经受的起长时间操作的坚韧型环氧树脂胶， 并且在低温下可以保持良好性能，完美的符合实 验要求。使用此胶水粘贴的试样在液氮下面经受 上万次疲劳实验后没有发生有脱胶现象。 （4）电流引线 电流引线使用的是铜编织线软。铜编织线具 有通流能力强，柔软度好，散热快等优点，通流 能力强可以满足电流引线对大电流的要求，柔软 度好能避免电流引线焊点在试样循环扰动过程中 受到力的用作而松动，散热快有利于改善电流引 线接触电阻引起的发热问题。 （5）电压引线 电压引线需要柔软度特别好，避免扰动过程中 脆弱的电压引线焊点脱落，而且采用较细的线做电 压引线也有助于降低热电势对电压测量的影响。 2.试样的制作过程 试样的制作流程见下图3-6所示， （1）首先将超导带材固定在平面支撑物上面， 用细砂纸小心的磨掉超导带材表面的绝缘层。 （2）然后用酒精将超导带材和基底表面擦拭干净，在超导带材表面均匀的涂上 混合好了的胶水，将带材粘贴在基底表面，轻轻的压紧，在载荷加载处缠绕一层特 氟龙薄膜带。 （3）最后待胶水凝固后，焊接电流引线和电压引线。 图3-3 胶水 图3-4 铜编织线 图3-5 漆包线 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 33 （a）去绝缘表面 （b）粘贴 （c）焊接电流引线 （d）焊接电压引线 图3-6 试样的制作流程图 制作完成的试样尺寸见下表3-2所示。 表3-2 试样的几何尺寸 试样长度 250mm 试样宽度 7mm 试样厚度 4mm 电压引线间距 50mm 电流引线间距 220250mm 3.1.2 实验过程实验过程 1.实验软件介绍 该控制软件主要有两大功能，一个是控制位移加载，一个是测量V-I曲线，两大 功能可相互独立，也可相互关联。软件界面见下图3-7所示。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 34 图3-7 单步执行控制程序 （1）控制位移载荷 通过设置位移加载速度和位移目标值实现载荷控制，见下图3-8所示，设置完成 速度和目标值后，点击“运行到目标”即可。软件窗口中可以显示位移时间曲线以 及实时位移值。 图3-8 位移加载控制 （2）控制测量V-I曲线 首先设置电流源Aglient 6671A的最大输出电压，然后转换成电流模式，再设置 电流值的采集点，完