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ReBCO二代高温超导带材脱层强度测试与数据分析方法研究

ReBCO二代高温超导带材脱层强度测试与数据分析方法研究

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作者：孙策兰州大学

学位级别：硕士

ReBCO(Re指Y,Gd,Dy等稀土元素)二代高温超导带材(简称:ReBCO超导带)相比低温超导线(包括Nb Ti或Nb3Sn)具有更高的不可逆磁场、高场下优异的载流能力,跟一代高温超导带(泛指Bi系超导材料)相比成本更低、使用温度范围更宽,在超导磁体、超... 详细信息

ReBCO(Re指Y,Gd,Dy等稀土元素)二代高温超导带材(简称:ReBCO超导带)相比低温超导线(包括Nb Ti或Nb3Sn)具有更高的不可逆磁场、高场下优异的载流能力,跟一代高温超导带(泛指Bi系超导材料)相比成本更低、使用温度范围更宽,在超导磁体、超导电缆、超导电机等领域具有重要的应用前景,已成为未来超导材料发展的主要方向。但是ReBCO超导带是一个典型的层合材料,在运行过程中由于电磁力和热应力的作用会出现层间剥离(也称脱层)现象。已有的研究结果表明,脱层已成为ReBCO超导带最主要破坏形式,一旦发生脱层,引起超导材料临界电流的迅速降低,给超导装置运行带来安全隐患。对于超导材料的生产厂商,该脱层强度成为评价其制备工艺和产品性能的关键指标之一,而对于超导装置的设计单位,脱层强度值更为关键,是结构安全性和功能性设计的核心指标。考虑到ReBCO超导带具有的极低温、强磁场、大电流极端使役环境,针对其脱层强度的研究既具有重要的科学意义又有宽广的工程应用背景。对于ReBCO超导带脱层强度的实验测量,主要有以下几种方法:剥离测试(Peeling test)、针拉测试(pin-pull tensile test)、砧拉测试(anvil tensile test)等,相比前面的两种方法,砧拉法的优点在于操作方便、易于实现常、低温测试,且工况最接近超导装置中带材的真实受力特性,是目前国内外应用最广泛的一种脱层强度的测试方法。但是该方法的难点在于夹具难以保证垂直于样品表面,这样在剥离测试过程中,易出现倾斜剥离,导致测量结果偏小。因此如何从剥离夹具的设计中避免出现倾斜剥离成为ReBCO超导带脱层强度测量面临的第一个难点。在ReBCO超导带中,由于超导层和缓冲层(Buffer)均为陶瓷材料,其断裂韧性较低且离散性非常大,这就使得实验所得ReBCO超导带的脱层强度数据离散性很大。采用传统的数据处理方法,即平均值和标准差的方式难以对脱层的特征进行有效描述,导致实验结果难以对材料制备和工程设计提供指导性建议。需要一种全新的数据处理模式,既能够表征ReBCO超导带的脱层强度特征,又能够便于工程应用。此外,目前国际上将ReBCO的脱层强度分为两大类,其一为机械脱层强度,定义为常、低温(主要指液氮温度)、没有电磁环境时的脱层强度;其二为电机械脱层强度,主要是指液氮温度下超导材料载流时的脱层强度。相比于机械脱层强度,电机械脱层强度测试过程需要耗费大量的样品、导致实验成本偏高,同时在载流过程中进行加载存在电学判据与力学判据不同步的问题,因此,如果能简化电机械脱层强度的测量过程或者实现机械脱层强度和电脱层强度的统一将极大的推动超导材料脱层强度的研究。最后,ReBCO超导带材作为目前国际上公认的最具有应用前景的超导材料,其脱层强度的测试与数据表征尚无相应的国家标准,一方面导致不同实验室的测量结果难以进行对比,另一方面极大的限制超导材料的工程应用。本硕士学位论文针对以上问题,开展的研究工作如下:1,设计并研制了一套砧拉法垂直焊接夹具,消除了以往砧拉过程中难以避免的倾斜剥离现象,提高了测试数据的可靠性。对ReBCO超导带的机械脱层强度和载流脱层强度进行了实验测试,并对单次脱层强度测试进行了不确定度分析,从实验数据上看,确实存在数据离散特征,其标准差可达数据平均值的1/3左右。2,提出了一种三参数威布尔分析的数据处理模式对大范围离散的脱层强度测试结果进了有效的统计分析,并给出了可直接为工程设计起到指导性作用的可靠度函数,进而提出许可应力的概念,实现了ReBCO超导带脱层强度的有效评估。随后,对砧头宽度和该统计方法的样本容量进行了研究,给出了最小的样本容量便于实验测量。3,形成了ReBCO超导带脱层强度测量的国家标准草案,已经通过了全国超导标准化技术委员会的投票,正在向国家市场监督管理总局标准化管理委员会提交立项申请。4,通过力学分析,发现在脱层实验过程中若满足实验夹具始终垂直于样品表面的情形,电机械脱层强度与机械脱层强度可以统一,通过实验结果对比后可以看出机械脱层强度和电机械脱层强度相差不超过5%,这样极大的降低了实验的成本和实验难度。

关键词： ReBCO 二代高温超导带材脱层强度离散三参数威布尔分布样本容量尺寸依赖性

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复合应力状态下YBCO超导带材脱层强度实验研究

复合应力状态下YBCO超导带材脱层强度实验研究

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作者：吴海铭兰州大学

学位级别：硕士

YBCO二代高温超导带材(简称:YBCO超导带)相比低温超导线具有更高的临界转变温度和不可逆磁场及高磁场下优异的载流能力,跟一代高温超导带(主要指Bi系超导材料)相比成本更低、使用温度范围更宽,在超导电缆、超导电机、特别是高场内插磁... 详细信息

YBCO二代高温超导带材(简称:YBCO超导带)相比低温超导线具有更高的临界转变温度和不可逆磁场及高磁场下优异的载流能力,跟一代高温超导带(主要指Bi系超导材料)相比成本更低、使用温度范围更宽,在超导电缆、超导电机、特别是高场内插磁体等领域具有重要的应用前景,已成为未来超导材料应用的最主要形式。YBCO超导带是一个典型的层合材料,在运行过程中由于电磁力和热应力的作用会出现层间剥离(也称脱层)现象。现有的研究表明,脱层已成为YBCO超导带最主要破坏形式,一旦发生脱层,将引起超导材料临界电流的迅速降低,给超导装置运行带来安全隐患。已有的针对YBCO超导带材脱层强度的研究,不论是实验测量还是数值模拟,均仅考虑简单应力状态(主要是横向拉伸)下的脱层强度,而YBCO超导带在服役过程中,极低温、强电磁场及磁体支撑相互作用引起这一材料的构型发生改变,导致其真实的应力状态是同时承受拉伸和剪切应力的共同作用,增大了材料发生脱层的概率。本硕士学位论文以复合应力状态下的YBCO超导带材的脱层强度为研究对象,通过实验测试和数值模拟,给出了这种复合应力状态下该材料的脱层强度特征。同时,还考虑了剪切作用对YBCO超导带的临界电流退化的影响,主要成果有:首先,设计并研制了对YBCO超导带材进行复合应力状态(倾斜)条件下脱层强度测量的砧头以及相应的焊接固定夹具。以商业化的YBCO超导带为测试对象,开展了室温环境下YBCO超导带倾斜脱层强度的实验测量,实验过程中倾斜角度包括30度,37度,45度,60度四个角度,每组重复30次实验。采用三参数Weibull分布的数据处理方法对实验结果进行统计分析,得到了倾斜角度对YBCO超导带材脱层强度的影响规律。以99%可靠度为判据,给出了不同实验角度下该材料的许可应力。其次,设计了可对YBCO超导带材进行剪切加载的条形砧头和夹具,借此开展了YBCO超导带材在剪切应力作用下临界电流退化的规律研究,通过16组实验给出了剪切作用对该材料临界电流退化的影响特征,同时还用Weibull分布的方法统一表征了样品的剪切破坏强度,同样给出了该材料在99%可靠度下的许可剪应力。最后,基于Abaqus软件,建立了以上两类实验的数值模型,并开展了有限元分析。通过模型计算,给出了YBCO超导带材各层的应力分布特征,弄清了YBCO超导带材在倾斜脱层和剪切破坏过程中的应力演化及分布情况。

关键词： YBCO高温超导带材脱层强度复合应力状态临界电流退化剪切有限元分析

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