高温超导材料交流损耗测试方法及应用研究

高温超导材料交流损耗测试方法及应用研究超导体与传统导体的本质区别在于其所具有的无阻载流特性,正是这一特征吸引着众多研究人员的目光,在新型超导材料制备、物理机制揭示及工程实际应用领域开展了不懈探索,取得了重要的研究成果。以具有实用化前景的非理想二类超导体为例,当其承载不超过临界电流的直流电流时,超导体内部没有任何能量损耗,这时该超导体处于稳定运行状态。然而,在超导体实际应用过程中,承载电流变化或所处环境电磁场的变化均不可避免,会给超导体带来能量损耗,通常将其定义为交流损耗。交流损耗的产生会造成超导体内部局部温度升高并伴随着钉扎性能和临界电流的降低,给超导装置带来巨大的安全隐患。如2008年欧洲强子对撞机巨型超导磁体的爆炸事故就是源于超导材料局部失超而引起液氦蒸发所致,造成历时14个月,耗资6千万美元的停机整修。因此,超导材料的交流损耗特征已成为超导器件安全性设计的重要参数之一,相应的超导材料交流损耗的测试方法研究引起了众多学者的关注。另外,对于临界温度高于液氮沸点的氧化物陶瓷类高温超导材料,制备和应用过程中微裂纹的出现不可避免。因此,对于含裂纹超导材料的交流损耗特征也成为前沿问题之一,主要原因在于在裂纹尖端屏蔽电流分布的复杂性导致该区域的能量损耗难以采用传统的方法进行测试。为此,本博士学位论文在开展传统绝热测温法的关键参数、测试误差等研究的基础上,首次获得了高温超导材料焊接接头的交流损耗特征及其内部电流和电阻的变化规律。通过对该方法测试原理的研究将其测试功能扩展,首次得到了含裂纹超导材料的交流损耗。最后采用电测法对这类样品的交流损耗也进行了测试,对比结果表明本文所提出的绝热测温升法的可靠性。主要工作如下:首先,详细介绍了自行组建的绝热测温升法和电测法实验测试系统。接着采用这两种测试方法对YBCO涂层导体的交流损耗进行了测试,并把实验结果与Norris理论计算结果进行了比较,验证了本文自行组建的两套交流损耗测试系统的可靠性。然后针对绝热测温升法的实验影响因素进行了详细研究,获得了测试临界电流和校正曲线所需的最优直流电加载速度和加载区间,并通过对绝热测温升法的实验误差分析得到了最优电流加载时间47s。其次,采用绝热测温升法对YBCO焊接接头和完整超导样品在不同排布方式下的交流损耗进行了测量。通过对超导焊接接头和完整样品的交流损耗进行比较发现接头长度对其损耗影响较小,并且超导接头处的发热量不会影响整个装置运行的稳定性。同时提出了一种超导焊接接头电流分布的实验测试方法和理论模型,其理论计算与实验结果相吻合表明本文提出的理论模型的正确性。通过对实验原理的研究实现了传统绝热测温升法测试功能的扩展,并以此获得了含裂纹超导体交流损耗的特征。实验结果表明随着裂纹长度的增加,裂纹对完整超导样品损耗功率的影响急剧增大,严重影响超导装置运行的安全性。最后,采用电测法对受横向载荷作用和含裂纹超导样品的交流损耗进行了测量。弄清了横向压应力对超导样品交流损耗的影响规律,并将其与轴向拉伸对样品交流损耗的影响进行了对比。随后采用电测发对含裂纹超导样品交流损耗进行测试,并与之前的绝热测温升法结果进行对比。结果显示这两种方法获得的交流损耗随着加载电流和裂纹长度的变化规律一致,证实了扩展后绝热测温升法的可靠性。