Выпуски бюллетеня

ТомНомер
13 1
12 1 2 3 4 5 6
11 1 2 3 4 5 6
10 1 2 3 4 5
9 1 2 3 4 5
8 1 2 3 4 5
7 1
6 1 2 3 4
5 1 2 3 4 5 6
4 1 2 3 4 5 6
3 1 2 3 4 5 6
2 1 2 3 4 5
1 1 2
0 0

Тематический указатель

Исследование процесса расслоения ВТСП проводников 2-го поколения

2013, Tом 10, выпуск 2
Тематика: ВТСП материалы 2-го поколения

Одной из основных проблем при создании устройств из ВТСП проводников 2-го поколения является деградация критического тока при термоциклировании. Этот эффект в наибольшей степени проявляет себя в обмотках, пропитанных эпоксидным компаундом. В работе [1] приводятся результаты сравнительного анализа свойств пропитанных и не пропитанных обмоток. Критический ток для пропитанных обмоток после нескольких циклов охлаждения-отогрева может уменьшаться до 0,3 – 0,4 от значения критического тока короткого образца ВТСП ленты. Степень деградации критического тока обмотки коррелирует со значением поперечного усилия, возникающего в начале расслоения в одиночном ВТСП проводнике под действием радиальных механических напряжений при охлаждении обмотки до рабочей температуры. Проводник подвергается частичному расслоению из-за различия в коэффициентах температурной деформации ВТСП ленты, эпоксидного компаунда и материала каркаса, что существенным образом снижает его токонесущую способность. Необходимо отметить, что поперечные механические напряжения, приводящие к расслоению, более чем на порядок ниже предельно допустимых продольных растягивающих напряжений для ВТСП-лент.

Существует несколько способов борьбы с деградацией обмотки. Первый, и наиболее очевидный – полный отказ от пропитки эпоксидной смолой. Обмотка без пропитки не подвержена деградации при термоциклировании, однако, ее свойства также могут со временем ухудшиться. Это вызвано тем, что при отсутствии пропитки, витки обмотки могут смещаться друг относительно друга под действием пондеромоторных сил, термоусадки и т. п., подвергаясь изломам, вызывающим падение параметра «n» и локальные тепловыделения.

Также позволяет уменьшить степень деградации критического тока обмотки при термоциклировании добавление между обмоткой и каркасом способных легко деформироваться компенсаторных слоев (например, из каптона). При наличии компенсатора исчезает прямой механический контакт между обмоткой и каркасом. Таким образом, температурная усадка каркаса никак не отражается на обмотке. При этом витки, находящиеся на внутреннем радиусе катушки, при охлаждении будут смещаться к центральным виткам, а не в сторону каркаса, что вызовет перераспределение усилий, возникающих в обмотке, и ВТСП-лента будет подвергаться расслаиванию в существенно меньшей степени.

Наконец, еще одним путем решения проблемы деградации обмотки может стать ее частичная пропитка эпоксидной смолой. Подобный подход подразумевает покрытие смолой только торцевых поверхностей катушки. При этом степень проникновения пропитки между витками обмотки определяется свойствами конкретного компаунда. В результате обмотка, с одной стороны, гарантированно защищена от смещения витков друг относительно друга, и в меньшей степени подвержена воздействию радиальных усилий. Данная методика намотки, согласно экспериментальным результатам, является достаточно эффективной.

Однако перечисленные технические решения дают возможность лишь частично обойти проблему деградации критического тока в ВТСП проводниках 2-го поколения, а не устранить ее полностью. Кардинальным решением станет разработка ВТСП-лент с высокой сопротивляемостью к расслоению, что потребует проведения детальных исследований механических свойств ВТСП-лент

Коллективом авторов [2] была проведена серия экспериментов по исследованию процесса расслоения ВТСП-лент 2-го поколения. Использовалась методика растяжения проводника в поперечном направлении. Образцы в виде полосок шириной по 10 мм и 4 мм вырезались из YBCO-ленты шириной 40 мм. Также исследовались YBCO-ленты с исходной шириной 10 мм. Таким образом, можно было определить влияние процедуры резки на свойства ВТСП-ленты. На часть образцов наносился дополнительный медный стабилизатор - фольга толщиной 50 мкм. Образцы лент припаивались к специальным наковальням из Ni-W сплава. Для обеспечения достаточной прочности спайки с образцом на его рабочую поверхность был нанесен слой меди. Образцы, не имеющие медного стабилизатора, закреплялись смешанным способом - путем спайки с нижней наковальней и склейки эпоксидной смолой с верхней наковальней. На узких образцах наковальня располагалась продольно к оси образца, на широких образцах - продольно или поперечно.

На образец подавался ток, величина которого соответствовала критическому току (критерий 1 мкВ/cм), образец находился в сверхпроводящем состоянии, механические напряжения на нем отсутствовали. В процессе растяжения в поперечном направлении измерялось электрическое напряжение на образце, которое оставалось постоянным вплоть до начала падения  критического тока. Поперечное растягивающее механическое напряжение на образце увеличивалось с шагом 0,08 МПа.

На Рис. 1 показаны результаты исследований по расслоению ВТСП ленты исходной ширины 10 мм (без процедуры вырезки) при комнатной температуре. Левый столбец соответствует положению наковальни по центру образа, правый – поперек образца с захватом границ. Максимальное механическое напряжение, при котором начинается расслоение, достигает 18,0 МПа (17,0 МПа в поперечном положении), среднее – 14,3 МПа (13,7 МПа в поперечном положении).

Рис. 1. Результаты испытаний ВТСП ленты шириной 10 мм при комнатной температуре.

Рис. 2. Результаты исследований расслоения различных образцов ВТСП лент при температуре жидкого азота

На Рис. 2а представлены результаты исследования расслоения образцов ВТСП лент без медного стабилизатора при температуре жидкого азота. Левый столбец на Рис. 2а соответствует образцам лент без медного стабилизатора шириной 10 мм с продольным расположением наковальни. Максимальное напряжение расслоения для этой конфигурации составляет 39,0 МПа, среднее – 26,5 МПа. Правый столбец соответствует разрезанным образцам лент шириной 4 мм. Максимальное напряжение расслоения для этой конфигурации составляет 22,0 МПа, среднее – 17,3 МПа. На Рис. 2b представлены результаты испытаний вырезанных образцов лент со стабилизатором. Для этой серии экспериментов была изготовлена партия образцов лент шириной 4,4 мм. Таким образом, появлялась возможность расположить наковальню без захвата границ ленты (см. левый столбец Рис. 2b). Стрелкой указано максимальное напряжение разрушения спая между ВТСП лентой и наковальней, поскольку в этой серии экспериментов расслоение не было достигнуто. Уменьшение прочности спая образца с наковальней в этих двух сериях экспериментов объясняется тем, что его площадь была уменьшена для защиты соединения между ВТСП лентой и медным стабилизатором.

Рис. 3. Зависимости нормализованного значения критического тока от поперечного напряжения для различных образцов.

На Рис. 3 показана зависимость нормализованного критического тока образцов от поперечного механического напряжения. Сплошные точки на графике (strong) соответствуют образцу лент шириной 4,4 мм со стабилизатором. Точки без закраски (weak) соответствуют образцу лент шириной 4 мм без стабилизатора. Очевидно, что наличие дополнительных стабилизирующих слоев положительно сказывается на токонесущей способности образцов ВТСП лент.

По аналогичной методике выполнены эксперименты, описанные в работе [3]. Образцы ВТСП лент длиной 50 мм напаивались оловянно-свинцовым припоем на рабочие поверхности медных наковален. Пятно контакта для обеих наковален представляло собой квадрат 4×4 мм. Таким образом, при спае границы образцов были захвачены. Поскольку все эксперименты проводились при комнатной температуре, критические свойства образцов не измерялись. Результат испытаний одного из образцов приведен на рис. 4. Как видно, механические напряжения, при которых начинается расслоение, составляют приблизительно 33 МПа, что хорошо согласуется с результатами работы [2] для ВТСП-лент с медным покрытием. На рис. 5 приведены сводные результаты испытаний всех образцов.

Рис. 4. Опыт по расслоению ВТСП ленты.

Рис. 5. Сводная диаграмма результатов испытаний ВТСП лент на расслоение.

Другой распространенной методикой исследования процесса расслоения ВТСП-лент является отрыв слоя. При этом образец ленты закрепляется на металлической пластине по всей поверхности образца посредством приклеивания или припаивания (в зависимости от материала пластины и специфики конкретного образца). Пластина закрепляется под некоторым углом. На нижнем конце образца закрепляется присоединенный к испытательной машине захват. Затем к захвату прикладывается направленное вертикально вверх усилие. Таким образом, происходит отрыв слоев, составляющих ВТСП-ленту. Данный метод достаточно прост, однако его существенным недостатком является невозможность измерения электрических свойств образца в процессе эксперимента. Результаты экспериментов, выполненных по данной методике, а также сопутствующих исследований, изложены в [4]. Основным результатом подобного эксперимента (Рис. 6) является кривая динамики расслаивания образца ленты.

Рис. 6. Результаты механических испытаний на отрыв слоя.

Полученные результаты были использованы для оценки стойкости к термоциклированию пропитанных эпоксидной смолой ВТСП обмоток. Как было установлено, значение критического тока обмотки может существенно деградировать. При этом, отмечается корреляция между степенью деградации и значением усилия отрыва слоя для проводника обмотки. Результаты этого анализа приведены на Рис. 7.

Рис. 7. Зависимость деградации критического тока компаундированной обмотки от усилия отрыва слоя для соответствующего ВТСП проводника.

Еще одной распространенной методикой является исследование расслоения образца ВТСП-ленты со свободным концом. В этом случае, образец также закрепляется на двух наковальнях, однако они располагаются не по центру, а с края образца. Другой конец образца остается незакрепленным. При этом основным результатом данного эксперимента является наблюдение динамики развития трещины в образце. Для обеспечения повторяемости результата образцы, как правило, рассекаются с торца в месте закрепления наковален. Эксперименты, выполненные по данной методике, описаны в работах [5], [6] и [7]. В данных работах в качестве экспериментальных образцов использовались ВТСП ленты на основе GdBCO с односторонним медным покрытием. Одна из наковален припаивалась к медному слою на ленте, другая приклеивалась к ВТСП слою с другой стороны образца через дополнительную прокладку из хастеллоя. Следует отметить, что методы обработки результатов, примененные в данных работах, включают в себя достаточно большое количество аппроксимаций. Как следствие, итоговый результат, приведенный в указанных статьях, не обладает достаточной наглядностью, поскольку демонстрирует изменение расчетных параметров для каждого образца во время эксперимента.

 

1. H. Song, P. Brownsey, Y. Zhang, J. Waterman, T. Fukushima, D. Hazelton “2G HTS coil technology development at SuperPower”, IEEE/CSC & ESAS European superconductivity news forum, N. 22, October/November 2012.

2. D. C. van der Laan, J. W. Eckin, C. C. Clickner, T. C. Stauffer “Delamination strength of YBCO coated conductors under transverse tensile stress”, Supercond. Sci. Technol., Vol. 20 (2007), pp. 765-770.

3. H. Jeong, H. Park, S. Kim, M. Park, I. Yu, S. Lee, T. Park, K. Sim, H. S. Ha, S. S. Oh, S. H. Moon “De-lamination characteristics of coated conductor for conduction cooled HTS coil”, IEEE Transaction on applied superconductivity, Vol. 22, No. 3, June 2012.

4.Y. Zhang, J. Duvall, A. Knoll, D. Hazelton, P. Brownsey, S. Repnoy, S. Soloveichik, A. Sundaram, R. McClure, G. Majkic, V. Selvamanickam “Development of testing method for adhesion strength characterization of 2G HTS wire”, The 15th Japan – US Workshop on Advanced Superconductors, 27 – 29 October 2011, Osaka, Japan.

5. T. Myazato, M. Hojo, M. Sugano, T. Adachi, Y. Inoue, K. Shikimachi, N. Hirano, S. Nagaya “Mode I type delamination fracture toughness of YBCO coated conductor with additional Cu layer”, Physica C 471 (2011), pp. 1071 – 1074.

6. G. Nishijima, H. Kitaguchi “Transport and Mechanical Property Evaluation for Cu

Stabilized PLD-GdBa CuO Coated Conductor”, IEEE Transactions on applied superconductivity, Vol. 22, No. 3, June 2012

7. Y. Yanagisawa, H. Nakagome, T. Takematsu, T. Takao, N. Sato, M. Takahashi, H. Maeda “Remarkable weakness against cleavage stress for YBCO-coated conductors and its effect on the YBCO coil performance”, Physica C 471 (2011), pp. 480 – 485. 

Д.Н.Диев

Главная | Новости | Бюллетень | Конференции | Поиск публикаций в базе данных | Новое в базе данных
Российские организации | Энциклопедия | Цели сайта | Контакты | Полезные ссылки | Карта сайта | Помощь

© Copyright 2006-2012. Использование материалов сайта возможно только с обязательной ссылкой на сайт.
Свои замечания и пожелания вы можете направлять по адресу perst@isssph.kiae.ru
Техническая поддержка Alexey, дизайн Teodor.