二代高溫超導帶材的機械特性研究進展*

謝蓬陽龔天勇周鵬博王瑞晨李松林馬光同

1.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室,成都 610031;2.西南交通大學電氣工程學院,成都 610031

1 引言

超導材料憑借其獨特的零電阻和邁斯納效應在醫(yī)療、交通運輸、可控核聚變、前沿科學裝置等領域發(fā)揮著不可替代的作用[1-4].相較于低溫超導材料和一代高溫超導材料,以YBCO(YBa2Cu3O7-δ)為代表的二代高溫超導材料具有臨界磁場高、載流能力強、成本低等優(yōu)勢,受到了極大的關注[5-7].近年來,美國、韓國、日本、德國等發(fā)達國家先后突破了二代高溫超導帶材的長線制備工藝瓶頸,公里級帶材的生產工藝日漸成熟.國內方面,在國家的大力扶持下,上海超導科技股份有限公司、上海上創(chuàng)超導科技有限公司、蘇州新材料研究所等高新技術民營企業(yè)也發(fā)展起來,其帶材性能逐步逼近國際一流水準[4].隨著超導帶材承載電流和外加磁場的不斷增大,其機械性能的重要性日益凸顯.在實際應用中,超導帶材不可避免的要受到各種來源的外力作用,比如超導帶材繞制導致的預應力、溫差導致的熱應力、外磁場導致的電磁力等.YBCO材料本身是一種陶瓷氧化物,各向異性強,韌性、延展性較差.這些外力作用于超導帶材時可能會使其微觀結構產生變化,進而影響超導帶材的載流能力,甚至對帶材造成不可逆的破壞.并且在實際工況中,上述各個外力往往都不是恒定的.例如:超導帶材會反復處于室溫和液氮溫區(qū)之間,受到變化的熱應力、在交變磁場下受到的交變電磁力等.因此,只關注靜態(tài)下超導帶材的機械性能是具有局限性的,應該對超導帶材的疲勞特性及其影響因素進行綜合研究.

基于上述原因,本文將結合近年來的相關文獻,基于超導帶材的軸向(axial)、橫向(transverse)、彎曲(bending)三個方向(圖1)探討超導帶材的靜態(tài)機械性能和疲勞性能.

圖1 超導帶材變形方向示意圖

2 軸向機械性能

2.1 軸向機械性能基本介紹

高溫超導帶材的軸向機械性能主要指軸向的拉伸性能.軸向拉伸也是超導帶材在工作過程中最常見的形變狀態(tài)之一.要探究第二代高溫超導帶材的軸向機械性能,首先要了解其基本的力學性質.比如,第二代高溫超導帶材受拉時,其應力-應變曲線中沒有明顯的屈服極限.對于這種材料,一般以發(fā)生0.2%塑性變形時的應力值作為其條件屈服極限.一般來說,在探究帶材的軸向機械性能前,都要進行應力-應變關系的測量.具有代表性的,文獻[5,6]中分別測量了不同寬度帶材和不同溫區(qū)帶材的應力-應變曲線.其中,帶材的寬度對應力-應變曲線幾乎沒有影響,而液氮溫區(qū)超導帶材的屈服極限明顯優(yōu)于室溫溫區(qū).

高溫超導帶材軸向具有四種極限應力強度,分別是:屈服極限、不可逆應力極限、機械疲勞極限和電學疲勞極限.其中,屈服極限是超導帶材發(fā)生0.2%塑性變形時的應力;不可逆應力極限是卸載后超導帶材載流能力下降達到1%(或5%)的應力;機械疲勞極限是在106次循環(huán)后帶材仍不出現機械斷裂的應力;電學疲勞極限是在106次循環(huán)后帶材仍不出現電學失效的應力.這四種應力極限之間的關系是:屈服極限＞不可逆應力極限＞機械疲勞極限＞電學疲勞極限[5].且?guī)Р牡碾妼W疲勞極限主要取決于超導層,機械疲勞極限主要取決于帶材基底.

2.2 軸向機械性能測試裝置

為了測量超導帶材在低溫下的靜態(tài)機械性能或疲勞性能,必須要進行實驗裝置的設計.大部分論文中都基于疲勞機進行了實驗裝置的設計.其中具有代表性的,蘭州理工大學和中國科學院近代物理研究所聯合設計了高溫超導帶材低溫疲勞性能多場測試系統(tǒng),并使用該系統(tǒng)對高溫超導材料開展低溫疲勞載荷環(huán)境下臨界特性的實驗研究.系統(tǒng)由五大部分組成,分別為基于計算機控制的電子式疲勞試驗機系統(tǒng)、基于非線性PID控制的低/變溫環(huán)境系統(tǒng)、強電流加載和控制系統(tǒng)、非接觸光學測量系統(tǒng)和強背景磁體系統(tǒng),整體系統(tǒng)設計如圖2所示[8].

圖2 高溫超導帶材低溫疲勞性能測試系統(tǒng)結構示意圖[8]

2.3 軸向靜態(tài)機械性能

超導帶材的軸向靜態(tài)機械性能主要表現為超導帶材軸向的靜應力/應變對其載流能力(臨界電流)和超導特性(n值)的影響.圖3為超導帶材軸向應變對歸一化臨界電流(施加應力/應變后的臨界電流與初始臨界電流的比值)的影響[9].可以看出,在超導帶材應變達到一個閾值之前,其歸一化臨界電流基本為1,當超過閾值后,歸一化臨界出現明顯下降.

圖3 77 K下YBCO超導帶材應力應變曲線與臨界電流隨應變的變化關系[9]

超導帶材的軸向靜態(tài)機械性能與很多因素有關.除了超導帶材的類型之外,還與生產帶材廠家的制造工藝、超導帶材的寬度、哈氏合金基底的厚度、超導層的厚度等因素有關.

YBCO超導帶材作為一種應用前景廣闊的導體,目前可以從多家工業(yè)制造商處獲得.由于制造工藝不同,這些制造商的帶材在性能方面會存在差異.為了便于磁體設計者根據實際情況選用合適的帶材,Barth C等人對不同廠家?guī)Р牡臋C械性能進行了探究.圖4為不同廠家生產帶材歸一化臨界電流和n值隨應變的變化曲線[10].可以看出,Super Power和Su NAM的帶材歸一化臨界電流變化曲線近乎重疊,并且它們的n值曲線具有相似的形狀.Bruker的帶材歸一化與臨界電流曲線較為圓滑,表明其臨界電流與n值受應變影響較大.Fujikura和Super Ox的帶材則在可逆區(qū)與不可逆區(qū)之間有一個“階梯狀”轉變.

圖4 不同廠家生產的帶材(a)歸一化臨界電流(b)n值隨應變的變化曲線[10]

超導帶材具有不同的寬度,其機械性能可能有差異.為了探究帶材寬度對其軸向靜態(tài)機械性能的影響,Shin H S等人使用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡等設備對其機械性能進行表征,得出4 mm與12 mm寬帶材的不可逆應力分別為660 MPa和689 MPa,無較大差別[5].4 mm寬超導帶材的不可逆應力略低可能是因為制造過程中的切割環(huán)節(jié)引入了微裂紋.綜上,帶材寬度對其軸向靜態(tài)機械性能的影響較小.

由于基底層是超導帶材中最厚的層,因此,減小基底層的厚度可以顯著增大帶材電流密度.因此,研究不同基底厚度對超導帶材機械性能的影響十分重要.Fujita S等人通過實驗得出基底厚度為75μm與50μm帶材的不可逆應力分別為804 MPa和693 MPa[11].可以看出,基底厚度對帶材的軸向靜態(tài)機械性能影響較大,且基底厚的帶材不可逆應力更高,靜態(tài)軸向機械性能更強.

為了揭示超導層厚度與機械性能的影響,文獻[11,12]對超導層厚度與不可逆應變的關系進行了探究.可以看出,超導層厚度的增加會使帶材的不可逆應變降低.原因可能是超導層厚度的增加使得帶材整體的脆性增加.

2.4 軸向疲勞性能

超導帶材的軸向疲勞性能主要表現為超導帶材軸向的循環(huán)應力/應變對其載流能力(臨界電流)和超導特性(n值)的影響.圖6為超導帶材在不同應變循環(huán)下的歸一化臨界電流[9],可以看出隨著最大應變的增加,超導帶材的疲勞性能逐漸降低.

圖5 77 K下不同厚度超導帶材歸一化臨界電流隨應變的變化關系.

圖6 77 K下超導帶材的歸一化臨界電流隨應變循環(huán)周數的變化關系[9]

除了最大應力/應變之外,超導帶材的軸向疲勞性能還與很多因素有關,例如:疲勞循環(huán)的應力/應變比、超導帶材的寬度、是否有背景磁場、是否具有銅穩(wěn)定層和疲勞循環(huán)時的溫度等.

應變比也是疲勞循環(huán)的重要參數之一.A.L.Mbaruku等人研究了液氮溫區(qū)下疲勞循環(huán)時不同應變比對超導帶材疲勞性能的影響,并分別在應力尺度和應變尺度根據實驗數據研究超導帶材疲勞行為的影響因素[9].研究發(fā)現,隨著應變比的減小,超導帶材臨界電流隨循環(huán)次數降低的速度加快.這可能是疲勞循環(huán)時施加應變的幅值增大導致的.

根據測量的數值,分別使用Basquin公式和Manson-Coffin公式進行擬合后,得到結果如圖7,8所示.其中,Basquin公式可以通過應力尺度來反映材料的疲勞性能,公式如下:

其中,σa為應力幅值,2Nf為帶材電學失效時的循環(huán)次數,σ′f為疲勞強度系數,b為疲勞強度指數.σ′f和b為材料的固有屬性.

Manson-Coffin公式則通過塑性應變尺度反映材料的疲勞性能,公式如下:

其中,εa為塑性應變幅值,2Nf為帶材電學失效時的循環(huán)次數,ε′f為疲勞延性系數,c為疲勞延性指數.ε′f和c同樣為材料的固有屬性.

通過圖7和圖8的擬合結果可以看出:超導帶材電學失效的疲勞強度系數為417.7,疲勞強度系數與材料的真實斷裂強度大致相等[13-15],這意味著超導帶材在軸向應力為417.7 MPa時會出現電學失效的情況;超導帶材電學失效的疲勞強度指數為-0.0855,金屬材料的疲勞強度指數位于-0.04和-0.15之間,超導帶材的疲勞強度指數位于金屬材料的范圍內,這意味著超導材料的疲勞強度指數主要由超導帶材中的金屬層決定;超導帶材電學失效的疲勞延性系數為0.0035,材料的疲勞延性系數與材料的斷裂韌性大致相等[13,14],斷裂韌性表征材料阻止裂紋擴展的能力,一般韌性材料的斷裂韌度較高,脆性材料的斷裂韌度較低,這意味著超導帶材的延展性主要由超導帶材中的脆性材料決定;超導帶材電學失效的疲勞延性指數為-0.110,而金屬材料的疲勞延性指數一般位于-0.3和-1.0之間,這意味著超導帶材的延展性行為受其中金屬材料的影響較小.

圖8 循環(huán)次數與真塑性應變的對數關系圖[9]

綜上所述,超導帶材的疲勞強度指數在金屬的常規(guī)范圍內,但疲勞延性指數和疲勞延性系數均表明材料是脆性的.因此,導致超導材料電學失效的疲勞行為受韌性金屬基底和脆性陶瓷材料超導層的共同影響.在應力尺度下,超導帶材的絕大部分應力都被金屬基底承擔,金屬對超導帶材疲勞行為的貢獻較大.在應變尺度下,超導帶材抵抗塑性變形的能力主要由脆性陶瓷超導層決定,陶瓷材料對超導帶材疲勞行為的貢獻較大.

超導帶材的寬度除了對靜態(tài)機械性能有影響,還會影響帶材的疲勞性能.H.S.Shin等人研究了液氮溫區(qū)超導帶材寬度對超導帶材軸向疲勞性能的影響[5].圖9為4 mm高溫超導帶材和12 mm高溫超導帶材的歸一化臨界電流與疲勞循環(huán)次數的關系.可以看出,4 mm高溫超導帶材在最大應力為0.94σy時就在高周出現了明顯的臨界電流下降的現象,而12 mm高溫超導帶材在最大應力為1.0σy時還沒有明顯的臨界電流下降現象.這說明12 mm高溫超導帶材的軸向疲勞性能明顯優(yōu)于4 mm高溫超導帶材.

圖9 (a)4 mm寬度帶材和(b)12 mm寬度帶材歸一化臨界電流與疲勞循環(huán)次數的關系[5]

為了探究上述現象的機理,Shin對兩種寬度高溫超導帶材的超導層進行了觀察.將帶材的銅層和銀層蝕刻后,使用SEM(掃描電子顯微鏡)進行觀察,結果如圖10所示.可以看出,4 mm帶材的邊緣存在以大約45°角向內傳播的微裂紋,其平均長度為60μm,并且距邊緣20μm內的超導層都已發(fā)生損壞.而12 mm帶材邊緣的超導層并無明顯破壞.隨后Shin對進行了一定次數疲勞實驗的兩種寬度帶材的超導層進行觀察,發(fā)現同應力水平下4 mm帶材超導層的破壞程度明顯高于12 mm的超導帶材.這說明4 mm超導帶材的疲勞性能劣于12 mm帶材的疲勞性能,原因可能是制造過程中的切割過程在帶材邊緣引入了微裂紋,疲勞過程中微裂紋發(fā)生擴展,導致臨界電流的快速下降.

圖10 (a)4 mm高溫超導帶材和(b)12 mm高溫超導帶材超導層的表面微結構[5]

超導帶材的絕大部分工況都位于一定的磁場中,因此磁場對超導帶材機械性能的影響亟待研究.W.Chen等人研究了外加磁場對超導帶材疲勞性能的影響[6].圖11為R=0.7,σy=600 MPa加載時不同循環(huán)次數下歸一化臨界電流與外加磁感應強度的關系.可以看出,高溫超導帶材的歸一化臨界電流隨著外磁場的增加而減小.當外加磁感應強度較小時,高溫超導帶材的歸一化臨界電流隨循環(huán)次數的增加迅速減小;當外加磁感應強度較大時,高溫超導帶材的歸一化臨界電流趨于平穩(wěn).并且隨著疲勞循環(huán)次數的增加,超導帶材的歸一化臨界電流對磁場的變化更不敏感.

圖11 不同循環(huán)次數下歸一化臨界電流與外加磁感應強度的關系[6]

超導帶材中的銅穩(wěn)定層可以增加帶材運行過程中的熱穩(wěn)定性以及電穩(wěn)定性,同時,與不含銅穩(wěn)定層的帶材相比,額外的銅層還會對超導帶材的疲勞性能產生影響.Y.Yoshida等人研究了銅穩(wěn)定層對YBCO高溫超導帶材疲勞性能的影響[16,17].在對含銅穩(wěn)定層與不含銅穩(wěn)定層的YBCO高溫超導帶材進行疲勞測試后,發(fā)現含銅穩(wěn)定層的YBCO帶材的疲勞極限增加了19%,而靜強度只增加了5%.這說明銅穩(wěn)定層可以有效提升超導帶材的疲勞性能.在帶材斷裂后,使用SEM對兩種帶材的斷面進行觀察,結果如圖12所示.可以看出,兩種帶材的裂紋都萌生于基底層,含銅穩(wěn)定層的YBCO帶材裂紋主要萌生于基底層的下表面,不含銅穩(wěn)定層的YBCO帶材裂紋則萌生于基底層的邊緣.特別的,當疲勞循環(huán)的最大應力接近于疲勞極限時,銅層也會有裂紋的萌生.

圖12 (a)含銅層和(b)不含銅層的YBCO超導帶材斷裂面(箭頭代表裂紋擴展方向)

溫度也是影響材料疲勞性能的重要因素之一.大部分高溫超導帶材的疲勞實驗都是在液氮溫區(qū)進行的,為了探究室溫下超導帶材的疲勞性能,Rogers S等人測量了在室溫下YBCO帶材歸一化臨界電流與循環(huán)次數的關系[18],并將實驗數據與文獻[9]中的實驗數據進行了對比,發(fā)現室溫下的疲勞測試與液氮溫區(qū)相比具有更強的保守性.理由可能是:1.對于相同的拉伸應變,室溫下帶材的凈應變要高于77 K下的應變,因為77 K下帶材會產生收縮.2.哈氏合金的疲勞壽命隨溫度的升高而降低,而哈氏合金中裂紋的產生會向超導層中傳遞,導致帶材臨界電流降低.

3 橫向機械性能

3.1 橫向機械性能基本介紹

高溫超導帶材的橫向機械性能包括超導帶材的橫向拉壓性能.在超導帶材工作過程中,由于約束或者匝與匝之間的相互作用,帶材會受到橫向的拉壓載荷,且超導帶材的橫向拉應力極限明顯小于橫向壓應力極限[19,20].為了探究橫向拉壓載荷對超導帶材臨界電流的影響,各個研究機構對超導帶材的靜態(tài)橫向拉壓特性及橫向拉壓疲勞特性進行了深入研究.

3.2 橫向機械性能測試裝置

超導帶材橫向機械性能的測試裝置主要分為兩類:超導帶材的橫向壓縮測試裝置和橫向拉伸測試裝置.其中,橫向壓縮的測試裝置大致相同,其結構如圖13所示.該裝置由頂部和底部組成,底部在支撐試樣的同時限制了其側向移動,頂部對尖銳的邊角區(qū)域進行了平滑處理,使壓力更加均勻,垂直的施加在樣品表面.橫向拉伸的測試裝置根據夾具的不同,可分為砧式夾具和銷式夾具,其結構如圖14所示.砧式夾具由銅制的上下砧座組成,使用時將帶材基底面向下砧座進行焊接,并且在冷卻至室溫后將阻焊劑涂至上砧側面和上砧周圍的帶材處以防焊料流出.銷式夾具是Quad Group Inc公司的市售夾具[21],由鋁合金制成的螺柱銷和涂有半固化環(huán)氧涂層的陶瓷背板組成.使用時將帶材的基底面向下放置在背板上,螺栓銷放置在帶材中心,然后通過熱處理將環(huán)氧樹脂固化.由于這兩種測試裝置接觸帶材的面積不同,根據材料的尺寸效應,測試出的疲勞強度可能會有所不同[22].

圖13 橫向壓縮測試裝置示意圖[23]

圖14 橫向拉伸測試夾具(a)砧式夾具(b)銷式夾具[23]

3.3 橫向靜態(tài)機械性能

橫向靜態(tài)機械性能主要分為橫向壓縮機械性能和橫向拉伸機械性能.其中,影響橫向壓縮機械性能的因素主要有:橫向壓應力、帶材基底、壓頭寬度、壓頭接觸的金屬層、銅穩(wěn)定層的厚度等.而橫向拉伸機械性能(即分層強度)主要由組成層之間的粘合強度決定.

Ekin J W等人早在2002年就進行了超導帶材橫向壓縮機械性能的研究[25].結果表明,帶材的臨界電流密度對橫向壓應力不敏感,在橫向壓應力為120 MPa時衰減小于1%.Cheggour N等人研究了橫向壓應力對具有磁性基底(例如:純鎳軋制雙軸織構基底)的帶材臨界電流密度的影響[27][28].但結果表明,具有磁性基底帶材的臨界電流密度受橫向壓應力影響十分顯著.

考慮到帶材的尺寸效應,T.Takao等人于2007年研究了不同寬度壓頭和壓頭接觸的金屬層對超導帶材橫向壓縮機械性能的影響[26].圖15為使用不同寬度壓頭時超導帶材歸一化臨界電流與壓應力的關系,其中白色圓圈代表壓頭與銀層接觸,黑色圓圈代表壓頭與哈氏合金接觸.可以看出,當壓頭寬度為0.5 mm時,帶材從銀層進行壓縮的機械性能要明顯好于從哈氏合金層進行壓縮.當壓頭寬度為1 mm時,此現象明顯改善,但趨勢仍然存在.

圖15 使用不同寬度壓頭時超導帶材歸一化臨界電流與壓應力的關系(a)0.5 mm(b)1 mm[26]

L.Shen等人使用一種大面積加載裝置研究了不同厚度的銅穩(wěn)定層對YBCO超導帶材橫向壓縮機械性能的影響,以避免因為應力集中造成的誤差.實驗結果如圖16所示[24].可以看出,在施加的壓力較小時,大部分帶材的臨界電流均有所上升.這可能是因為小壓力加載可能會使帶材中的電流密度分布更均勻.當壓縮應力超過21.25 MPa時,Bi2223帶材首先發(fā)生臨界電流退化.帶材的銅保護層厚度為40μm,50μm,115μm時,臨界電流下降的橫向壓應力分別為131.21 MPa,100 MPa,137.57 MPa.綜上所述,銅穩(wěn)定層厚度與帶材的臨界橫向壓應力之間并不是一個單調的關系,并且部分含有銅穩(wěn)定層厚度的帶材臨界電流并非先上升再下降.關于不同厚度銅保護層的超導帶材在橫向壓力加載下行為差異的根源還需要進一步研究.

在高場磁體中,脫層是一種常見的帶材破壞形式.蘭州大學張興義等人研究了室溫和液氮溫區(qū)下超導帶材的分層強度,即超導帶材的橫向拉伸機械性能[29].文獻中對機械分層強度和機電分層強度進行了定義,前者是帶材在橫向拉伸力下出現物理分層的應力值,后者是帶材在橫向拉伸力下臨界電流下降5%時的應力值.圖17(a)為YBCO帶材的分層強度結果,其中每組包含30個數據,星號表示其平均值.可以看出,機械分層強度范圍在77 K時為22.5 MPa至54.8 MPa,平均值為35.3 MPa.在室溫下為24.7 MPa至54.3 MPa,平均值為36.0 MPa.電學分層強度最大值為68.1 MPa,最小值為20.6 MPa,平均值為35.5 MPa.從平均值來看,三組實驗結果并沒有顯著差異.圖17(b)(c)(d)所表示的概率密度分布不能很好的用正態(tài)分布來描述,這并不是因為實驗誤差或者樣品的非均勻性,而是超導層陶瓷材料的脆性斷裂特性導致的.綜上所述,超導帶材機械分層強度和電學分層強度相差不大,并且在液氮溫區(qū)使用時分層強度不會降低,這對于具有較小分層強度裕度的YBCO帶材來說是一個積極的結果.

圖17 (a)YBCO帶材不同情況下的分層強度(b)室溫機械分層時不同分層強度的概率密度分布(c)77 K機械分層時不同分層強度的概率密度分布(d)77 K機電分層時不同分層強度的概率密度分布.

3.4 橫向疲勞性能

J.W.Ekin等人對超導帶材的橫向壓縮疲勞特性進行了研究[25].文章主要針對超導帶材的橫向低周疲勞,這種疲勞主要是由于設備開啟關閉等因素導致的.圖18為122 MPa壓應力下兩個YBCO短樣臨界電流密度與疲勞循環(huán)次數的關系.從圖中可以看出,在2000個循環(huán)內兩個樣品的臨界電流分別下降了1%和2%,這說明超導帶材橫向壓縮疲勞特性較為優(yōu)秀.

圖18 橫向壓應力下YBCO超導帶材電流密度于疲勞循環(huán)次數的關系

Shogo Muto等人研究了超導帶材的分層疲勞特性,即超導帶材的橫向拉伸疲勞特性[23].文中進行了超導帶材的靜態(tài)疲勞和動態(tài)疲勞實驗.其中,靜態(tài)疲勞實驗是指在持續(xù)載荷的作用下,測試發(fā)生斷裂破壞的最短時間,再通過所得時間計算出疲勞壽命.動態(tài)疲勞測試是指在恒定的應力加載率下,測試斷裂時的斷裂強度,再通過應力加載率和斷裂強度計算出疲勞壽命.圖19為室溫下靜態(tài)疲勞測試的實驗結果.從圖中可以看出,最短的斷裂失效時間為30分鐘,而最長斷裂失效時間長達18天.這使得施加的靜應力與斷裂時間關系的變化趨勢不易被發(fā)現.因此,文章對結果進行了weibull統(tǒng)計處理[30],最后得出結論:室溫下由靜態(tài)疲勞測試得出的N值為20,且施加的靜應力越高,在較短時間內斷裂的可能性越大,其中,N值是一個表征疲勞壽命的無量綱值,且N值越大,疲勞壽命越長.圖20為室溫下和液氮溫區(qū)下動態(tài)疲勞測試的實驗結果.由中值可以看出,在室溫下,斷裂強度隨加載速率α的增加而增加,而在液氮溫區(qū)下,斷裂強度幾乎不發(fā)生變化.在進行weibull統(tǒng)計處理后,得到室溫下和液氮溫區(qū)下的N值分別為20和153.

圖19 室溫下靜態(tài)疲勞測試結果圖

圖20 (a)室溫下和(b)液氮溫區(qū)下動態(tài)疲勞測試結果圖

綜上所述,無論使用哪種疲勞測試方法,室溫下測出的帶材N值都為20.這在驗證了兩種疲勞實驗方法一致性的同時,證明了超導帶材的橫向拉伸疲勞行為是陶瓷材料的亞臨界裂紋擴展導致的.這是因為通過疲勞實驗測試出的N值與普通的陶瓷材料的N值相當[30].此外,液氮溫區(qū)超導帶材的N值高達153,這意味著超導帶材在液氮溫區(qū)幾乎可以不考慮橫向拉伸疲勞,這無疑是一個積極的結果.

4 彎曲機械性能

4.1 彎曲機械性能基本介紹

超導帶材的彎曲機械性能主要指超導帶材在不同彎曲模式下,臨界電流與超導層彎曲應變的關系.超導帶材的彎曲模式主要分兩種:面內彎曲和面外彎曲.其中,面內彎曲是沿帶材寬度側彎曲的一種彎曲模式,面外彎曲是沿帶材厚度側彎曲的一種彎曲模式.圖21為兩種彎曲模式的示意圖.這兩種彎曲模式在使用超導帶材繞制磁體時較為常見.在繞制單餅線圈時,帶材沿內徑的常規(guī)繞制方式為面外彎曲.在繞制雙餅線圈時,上下餅之間連接處的超導帶材在面外彎曲的同時會沿寬度方向彎曲[35].因此,研究面內、面外彎曲特性對磁體的繞制有重要的指導意義.

圖21 超導帶材的兩種彎曲模式(a)面外彎曲(b)面內彎曲[32]

4.2 彎曲機械性能測試裝置

超導帶材彎曲機械性能的測試裝置大致分為兩種,分別針對面外彎曲和面內彎曲進行測試.針對帶材面外彎曲的測試裝置如圖22所示.該裝置環(huán)氧圓柱體和空心圓柱體的內徑相同,但外徑不同.進行實驗時可以通過安裝不同外徑的空心圓柱體來改變超導帶材的彎曲半徑.針對帶材面內彎曲的測試裝置如圖23所示.該裝置可以通過安裝不同曲率半徑的樣品夾來控制超導帶材的彎曲應變及彎曲半徑.除了上述兩種測試裝置之外,也有很多研究機構為了滿足特殊的測量需求設計了較為特別的實驗裝置[33,34].

圖22 超導帶材面外彎曲測試裝置[31]

圖23 超導帶材面內彎曲測試裝置[32]

4.3 靜態(tài)彎曲機械性能

超導帶材的靜態(tài)彎曲機械性能是彎曲機械性能的主要部分.由于超導帶材的彎曲應變主要發(fā)生于線圈或磁體的繞制階段,且在繞制完成后不會進行反復的拆裝,所以大部分研究機構都以超導帶材的靜態(tài)彎曲機械性能作為研究重點.

Shin H S等人通過實驗研究了兩種彎曲模式下帶材彎曲應變與臨界電流的關系[32].在相同的彎曲應變下,面外彎曲的臨界電流衰減小于面內彎曲,且面外彎曲的臨界電流恢復性也強于面內彎曲.這可能是因為面內彎曲造成了帶材的永久變形.除此之外,在總應變相同的情況下,面內彎曲應變與拉伸應變的組合加載比軸向拉應變更容易使帶材電學失效[39].綜上所述,超導帶材的面外彎曲機械性能優(yōu)于面內彎曲.

面外彎曲機械性能的影響因素有很多,例如:銀層厚度,超導層厚度,有無銅層,哈氏合金厚度等.Y.Sutoh等人通過實驗探究了不同銀層厚度和超導層厚度對面彎曲性能的影響[36].實驗發(fā)現銀層為20μm和30μm時,其拉壓彎曲性能要明顯好于銀層為10μm時,并且當超導層厚度低于1μm時,不同超導層厚度的帶材彎曲性能無較大差別.J.W.Ekin等人研究了銅層對面外彎曲機械性能的影響[34].實驗發(fā)現,無銅層超導帶材臨界電流對彎曲半徑的依賴性要強于有銅層的超導帶材.Ekin認為這種現象是因為銅層改變了超導帶材中性軸的位置,使得相同彎曲半徑下含銅層超導帶材的超導層應變較小.Fujita S等人研究了哈氏合金厚度對超導帶材面外彎曲機械性能的影響[11].實驗表明,哈氏合金厚度較小帶材的臨界彎曲半徑較小,彎曲機械性能較好.除了上述超導帶材結構方面的影響因素之外,超導帶材廠家的制造工藝也會影響超導帶材的面外彎曲機械性能[38,11].例如,Bruker公司生產的帶材具有很強的可逆效應,而Super Power、Super Ox、和Su NAM等公司的帶材中,這種可逆效應要弱得多,而Fujikura公司的帶材幾乎沒有可逆效應.綜上所述,超導帶材的面外彎曲機械性能與超導帶材各個層的厚度和制造工藝有關.其中,銅層、銀層厚度的增加會使中性軸更靠近超導層,使帶材的機械性能得到提升;哈氏合金層厚度的減小同樣會改變中性軸的位置,并且會提升帶材的彎曲靈活性,從而提升帶材的機械性能.

文獻[37]中研究了傳輸電纜及雙餅線圈工況下面內彎曲的影響因素.文章對不同超導層厚度的帶材和有無銅層的帶材進行了機械性能研究.結果表明不同超導層厚度的帶材臨界電流與彎曲半徑的關系大致相同,并且有銅層和無銅層超導帶材的面內彎曲機械性能也幾乎一致.并且通過提出一種超導帶材臨界電流密度對面內彎曲的依賴性模型,得出了超導帶材的面內彎曲性能僅取決于臨界電流對軸向應變和樣品寬度依賴性的結論.

4.4 彎曲疲勞性能

超導帶材在實際應用中很少出現疲勞彎曲的現象,因此關于疲勞彎曲機械性能的研究較少.文獻[40]對超導帶材的疲勞彎曲機械性能作了初步的探討.圖24為超導層循環(huán)拉伸狀態(tài)下和循環(huán)拉壓狀態(tài)下超導帶材的疲勞彎曲機械性能.可以看出,在循環(huán)拉伸疲勞狀態(tài)下,超導帶材可在彎曲直徑15 mm時進行100次循環(huán)后臨界電流都不會下降.而循環(huán)拉壓疲勞狀態(tài)下超導帶材在彎曲直徑20 mm僅進行五次循環(huán)就出現了臨界電流下降的現象.綜上所述,超導層循環(huán)拉伸狀態(tài)比循環(huán)拉壓狀態(tài)具有更好的疲勞性能.

圖24 (a)循環(huán)拉伸狀態(tài)下和(b)循環(huán)拉壓狀態(tài)下歸一化臨界電流與不同彎曲直徑的關系[40]

5 總 結

文中對二代高溫超導帶材的軸向、橫向、彎曲狀態(tài)下機械性能的測試方法及其影響因素進行了總結.超導帶材某一參數的改變有可能會導致多個方向機械性能的改變,并且目前大部分機械性能的研究都基于超導帶材單一方向的應力或應變,關于帶材的多維度機械性能的研究較少.

高溫超導帶材的機械性能在實際應用過程中具有復雜性,需要結合實際工況進行具體分析.例如,在高場磁體應用中,超導帶材會受到繞制、冷卻、運行過程中不同來源的外力,并且磁體的繞制方式及浸漬情況會影響帶材的應力分布.由于超導帶材的銀層、銅層、哈氏合金層的厚度等因素會同時影響多個方向的機械性能,所以在實際應用中要進行各個方向的強度校核并選擇合適的帶材.在未來,隨著二代高溫超導帶材制造工藝的完善,帶材的機械性能也將不斷得到提升,進一步推動高溫超導技術在高場磁體、磁懸浮技術、儲能系統(tǒng)等領域的應用.