永磁轨道磁场不平顺对YBCO高温超导块材温升行为的影响

永磁轨道磁场不平顺激扰下YBCO高温超导块材的内在动态温升行为对高温超导钉扎磁浮热稳定性及列车运行可靠性研究具有重要意义。本文基于自主研制的超导磁浮动态测试装置SCML-03搭建了超导块材温升检测平台,研究了不同运行工况时永磁轨道磁场不平顺激励下YBCO块材内部温升行为规律。实验表明,在不同速度磁轨磁场不平顺的动轨条件下,YBCO块材内部温度均表现出先快速升高而后逐渐趋于稳定的趋势,YBCO块材内部关键点的温升在0~3 K范围内波动;此外建立了永磁体磁化强度与空间磁场的数学关系,实现了对真实永磁轨道磁场波动的模拟,基于Comsol Multiphysics有限元软件构建了真实动轨磁场不平顺下高温超导块材电磁-热-力多物理场耦合仿真模型。实验对比验证了磁轨磁场不平顺模拟方法和多场耦合模型的有效性,为下一步研究高温超导钉扎磁浮磁轨不平顺设计限值标准提供了前期基础。

含单个Ⅰ型裂纹的高温超导块材应力强度因子修正及计算

高温超导块材在外磁场下降过程中会受到拉伸应力的作用,可能导致其断裂,且其在受到拉伸应力作用时裂纹尖端产生小范围屈服,此时用线弹性理论计算应力强度因子将不准确。本文通过统一强度理论对裂纹尖端塑性区的应力强度因子计算公式进行修正。随后基于Bean模型分别讨论了外磁场变化速率和外磁场大小对应力强度因子的影响。结果表明高温超导块材充磁过程中,外磁场以较小速率下降时主要考虑外磁场下降速率对裂纹扩展的影响,当外磁场较大时,主要考虑外磁场大小对裂纹扩展的影响。本文结果对高温超导块材充磁过程中的裂纹扩展和应力强度因子的计算具有一定的参考价值。

BaO掺杂对单畴GdBCO超导块材性能的影响

采用改进后的顶部籽晶熔渗生长(M-TSIG)工艺,通过在固相先驱粉体中掺杂不同含量的BaO来有效地抑制GdBCO样品生长过程中出现的Gd/Ba替换现象,从而成功地制备出了一系列单畴Gd BCO超导块材,并且对样品的宏观形貌、磁悬浮力、捕获磁通密度及临界温度等超导性能进行了研究.结果表明,随着BaO掺杂量的增加,样品的熔化温度(T_m)及包晶反应温度(T_p)均出现逐渐降低的趋势;同时,当样品中BaO的添加量在2wt%—4wt%时,可以在一定的程度上有效提高Gd BCO样品的磁悬浮力、捕获磁通密度及临界温度等超导性能.

高温超导块材磁体悬浮系统的振动特性

指出了非直接场冷磁化产生的高温超导块材磁体在应用磁场中实现了稳定的悬浮或悬挂现象。利用Lakeshore公司的电磁铁和场控仪产生的均匀磁场作为磁化外场时,单块YBCO高温超导块材磁化率为77.8%,在应用外磁场下实现稳定悬浮的磁化外场区间仅为0.057～0.121T。为了验证高温超导块材磁体悬浮系统的稳定性,使用了一个随机信号形式的激励源,其幅值在0～14.5N之间且频率范围为0～400Hz。振动特性分析表明,高温超导块材磁体悬浮系统具有低频共振高频隔振性能;系统共振频率和动态刚度随着磁体俘获磁场的增大而增大;系统的阻尼系数表现出明显的先增后减的非线性特征。当超导磁体俘获磁场为0.091T时,即悬浮间距8mm,HTSMagnet-PM系统表现出最佳的动态特性,抗外界干扰能力最强。因此,这种非直接的场冷磁化方式产生的稳定悬浮现象,使得引入块材磁体成为了高温超导磁悬浮系统中可行的能量储备或改善系统稳定性的方法。

超导块材磁体在高温超导磁悬浮车系统中的两种潜在应用

研究了超导块材磁体在高温超导磁悬浮车系统中的2种潜在应用。高温超导YBCO块材经过Lakeshore恒磁场充磁机充磁之后,利用高温超导磁悬浮测试装置研究了其在永磁轨道上方的悬浮和导向性能;实验发现2种不同充磁方向励磁的块材磁体表现出明显不同的行为,其中一种对悬浮力帮助比较大,另一种则对导向力帮助比较大。这一结果可以为某些特殊需求(如重载、弯道运行等)的高温超导磁悬浮车系统设计提供一定的实验依据。

熔融织构生长强磁浮YBCO超导块材的取向和结构

采用熔融织构生长法结合顶部Ｓｍ１２３籽晶技术，成功地制备了直径为２０ｍｍ的ＹＢＣＯ超导块材。该块材具有极强的磁性能。用Ｘ射线θ／２θ扫描和Φ扫描分析其结构表明，样品在三维方向上具有很强的择优取向，其ｃ、ａ、ｂ轴方向分别与Ｓｍ１２３籽晶的ｃ、ａ、ｂ轴方向一致，并具有类似单晶的结构特点。

BaO掺杂对单畴GdBCO超导块材性能的影响(二)

为了有效地抑制Gd BCO超导块材在生长过程中出现的Gd/Ba替换现象,在前期工作的基础上,本文采用顶部籽晶熔渗生长工艺,通过在固相先驱粉中添加不同含量的Ba O粒子成功地制备出了一系列高性能的单畴Gd BCO超导块材,并且对样品的微观形貌以及临界电流密度进行了研究和分析.结果表明,随着BaO掺杂量的增加,样品中的Gd_(1+x)Ba_(2-x)Cu_3O_(7-δ)固溶体(Gd123ss)相呈现出减少的趋势,并生成了纳米量级的Gd123ss,这对GdBCO超导样品中存在的Gd/Ba替换起到了很好的抑制作用,使得样品中的GdBa_2Cu_3O_(7-δ)(Gd123)超导相有所增加;同时当样品中BaO的添加量在2 wt%—4 wt%之间时,样品的临界电流密度在一定程度上得到了有效提高.

Ca掺杂对YBa_2Cu_3O_(7-δ)超导块材性能影响的研究

用固相反应法制备了掺杂 Ca和不掺杂 Ca的 Y1 - x Cax Ba2 Cu3O7-δ超导块材。主要研究了 Ca掺杂对 Y1 - xCax Ba2 Cu3O7-δ(x≤ 0 .3)超导体性能的影响 ,采用标准四引线法测量了样品的 R - T和 I - V曲线。实验结果表明 :在YBCO超导体中掺杂适量的 Ca后临界温度 TC有所下降 ,样品的临界电流 IC有所增加 ,弱磁场下的 IC- H曲线下降幅度很平稳 ,这表明适量的 Ca掺杂有利于改善

高温超导块材悬浮力测试系统设计

报道高温超导块材悬浮力测试系统中自动控制与数据采集部分的设计与实现。该系统采用了比较先进的 PMAC2电机运动控制卡及功能强大的软件开发平台 L abwindows/ CVI,具有系统稳定性高、可靠性好、易于人机交互等特点 ,在实际应用过程中取到了很好的效果 ,为我国高温超导块材性能的研究及高温超导磁悬浮车的研究提供了一种十分先进的研究。

基于超导块材磁刚度特性的永磁轨道优化设计

目前高温超导磁悬浮实验车使用的是单极永磁轨道(PMG)。为了提高磁悬浮车的运行稳定性,人们做出了大量的研究。磁悬浮刚度是设计优化高温超导磁悬浮车的一项很重要的参数。文中研究了七块YBCO块材阵列在两种结构不同的永磁轨道上方的竖直方向刚度和横向力刚度的特性。通过比较测试结果,得出七块YBCO阵列与双极型永磁轨道组成的磁悬浮系统在系统运行稳定方面性能更优的结论。

无定形碳掺杂对MgB_2超导块材微结构及超导电性的影响

以无定形碳粉末作为掺杂物质,通过固相烧结的方法,在750℃,高纯氩气保护下,热处理2h制备了MgB2-xCx(x=0,0.05,0.10,0.20,0.30)超导块材。用X射线衍射(XRD)仪,扫描电子显微镜(SEM)和物性测试仪(PPMS)对样品的微观结构和超导电性进行了系统分析。结果显示,在750℃热处理条件下,有部分碳进入MgB2的晶格中,其余碳处于MgB2的晶界处。少量碳掺杂可以有效细化MgB2晶粒,并改善MgB2的超导电性。MgB1.9C0.1块材的临界电流密度(Jc)在20K,3T条件下达到8×104A/cm2,表明无定形碳掺杂可有效提高MgB2的磁通钉扎。

纳米Al粉掺杂对MgB_2超导块材超导电性和显微结构影响

以纳米Al粉为掺杂物质,借助超声分散,较好地解决了纳米Al粉的团聚及其与B粉的均匀混合问题,制备出了1mol％、2mol％、5mol％、8mol％纳米Al粉掺杂的MgB2超导块材,并对掺杂效果和机理进行了研究．物相和显微结构分析表明,Al能够替代Mg进入MgB2晶格内,并导致MgB2的晶胞参数a、c逐渐降低,其中c的降低幅度较大．随着Al掺量的增加,MgB2的临界温度TC逐渐降低,由未掺杂时的38．5K降低至掺杂8mol％Al时的35．5K．超导电性研究结果表明,纳米Al粉掺杂,在低温、高场、低掺杂量的条件下可以改善MgB2的超导性能,掺杂量过大反而抑制MgB2的超导性能,2mol％的纳米Al粉掺杂效果最好．

单畴钇系超导块材的扩散连接和钎焊技术

顶部籽晶熔融织构生长法(Top seeded melt-textured growth-TSMTG)制备性能高且大尺寸的单畴钇系(YBCO)块材存在局限性,因而连接高性能小尺寸块材具有重要的应用前景。综述了单畴钇系(YBCO)超导块材的固态扩散连接和钎焊技术,分析了存在的问题,并对今后的研究进行了展望。

用新固相源制备单畴GdBCO超导块材的顶部籽晶熔渗生长方法

以Gd2O3＋xBaCuO2（其中x=1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.2、2.5）配制固相源代替传统的Gd2BaCuO5（Gd211）固相源,用Y2O3、CuO和BaCuO2配制的液相源代替由GdBa2Cu3O7-y和Ba3Cu5O8配制的传统液相源,采用顶部籽晶熔渗生长方法,制备了系列单畴Gd-Ba-Cu-O（GdBCO）超导块材,并对所得样品的生长形貌、磁悬浮力和微观结构进行了分析和研究。结果表明：当新固相源中BaCuO2相的含量x为1.0~2.5时,均可以制备出良好的单畴GdBCO超导块材;样品的磁悬浮力随着x增大呈现先增大后减小的趋势,其中x=1.8的样品,磁悬浮力达到最大值33N,优于用Gd211固相源制备的同尺寸的GdBCO块材。样品的微观形貌表明,在GdBCO超导体内有大量纳米量级粒子,尺寸为2~450nm。使用该新成分固相源制备超导块材只需制备一种先驱粉,简化了实验步骤,缩短了制备周期,提高了制备效率。

Bi_2O_3掺杂对TSMTG法单畴YBCO超导块材性能的影响

本文采用顶部籽晶熔融织构法(TSMTG)成功地将Bi2O3掺杂到YBCO超导块材中,研究了Bi2O3掺杂含量对单畴YBCO超导块材生长形貌和磁悬浮力的影响.结果表明,在YBa2Cu3O7-δ(Y123):Y2BaCuO5(Y211)=1:0.4不变的情况下,掺杂的Bi2O3粉体在样品内部均生成了Y2Ba4CuBiOx纳米粒子.当Bi2O3添加量x≤1.5wt%时,样品均可长成完整的单畴YBCO超导块材,且样品的磁悬浮力随着Bi2O3掺杂量的增加而增大;当x>1.5wt%时,YBCO超导块材的单畴区域随着Bi2O3掺杂量的增加而逐渐减小,且随机成核现象严重,磁悬浮力降低;当x=1.5wt%时,样品的磁悬浮力最大.该结果对缩短样品制备的周期及进一步提高超导块材性能具有十分重要的意义.

不同重叠排列方式的双层高温超导块材在永磁轨道上方的悬浮特性

研究了永磁轨道上方双层高温超导块材两种不同堆叠方式(籽晶生长线对齐方式和籽晶生长线错开方式)的悬浮特性。实验发现:这两种不同的堆叠方式对悬浮性能有不同的影响。随着场冷高度的增加,它们对悬浮性能的增加效应越来越弱,这种现象对于悬浮力来说尤其明显。场冷高度为10 mm和15 mm时,对悬浮力来说,籽晶生长线对齐堆叠方式与错开方式相比,第一次测量时前者减少的百分比为11.588%和0.870%,第二次测量时为12.693%和1.363%,第三次测量时为12.399%和1.370%。导向力也有类似的结论。经实验可以看出,可以通过优化每一块高温超导块材的具体摆放位置,来提高高温超导磁悬浮车的承载能力和稳定性。同时,这一结果对高温超导磁悬浮轴承、飞轮储能等悬浮间距小的场所也具有一定的参考价值。

纳米微粒BaFe12O19掺杂对单畴超导块材GdBa2Cu3O7-δ性能的影响

磁通钉扎性能对GdBa_2Cu_3O_(7-δ)超导块材的实际应用具有重要的影响,而引入合适的第二相粒子可以改善GdBa_2Cu_3O_(7-δ)超导块材的磁通钉扎性能.本文采用顶部籽晶熔融织构法成功地制备出纳米微粒BaFe_(12)O_(19)(<100 nm)掺杂的超导块材,样品的最终组分为Gd123+0.4 Gd211+x BaFe_(12)O_(19)(x=0,0.2 mol%,0.4 mol%,0.8 mol%)+10 wt%Ag_2O+0.5 wt%Pt.通过研究不同掺杂量的BaFe_(12)O_(19)微粒对GdBa_2Cu_3O_(7-δ)超导块材微观结构和超导性能的影响,结果表明当掺杂量为0.2 mol%时,样品的临界电流密度几乎在整个外加磁场下都有明显的提高.在零场下,临界电流密度达到5.5×104A/cm2.纳米微粒BaFe_(12)O_(19)不仅可以保持掺杂前的化学组成,作为有效的钉扎中心存在于超导块材中,并且能够改善Gd_2BaCuO_5粒子的分布和细化Gd_2BaCuO_5粒子,使Gd_2BaCuO_5粒子的平均粒径由未掺杂时的1.4μm减小到掺杂后的0.79μm,进而提高了超导块材的临界电流密度和俘获磁场,明显提高了GdBa_2Cu_3O_(7-δ)超导块材的超导性能.临界温度TC也有所提升,并能够维持在92.5 K左右.该结果为进一步研究纳米磁通钉扎中心的引入并改善GdBa_2Cu_3O_(7-δ)超导块材的性能有着重要的意义.

时变外磁场中高温超导块材导向力性能的数值模拟

基于Bean临界态模型,针对目前的高温超导磁悬浮车系统,提出了一种模拟计算方法,该方法可计算在时变外磁场中块材导向力的衰减变化情况。通过对时变外磁场中块材温度、俘获磁通以及导向力等参数变化情况的实验结果和计算结果的对比,证实了该模拟计算方法的有效性。该模拟计算方法可用于定性研究高温超导块材的导向力性能在时变外磁场作用下的变化情况,为高温超导磁悬浮车的研究和工程实践提供了较为重要的科学依据。

小批量化制备单畴Gd-Ba-Cu-O超导块材

研究了在空气气氛中进行小批量化单畴Gd-Ba-Cu-O块材的生长。实验中,通过调节第二相Gd211的不同配比方法控制Gd-Ba-Cu-O块材的成分。研究了在均温场条件下,单畴Gd-Ba-Cu-O块材的顶部籽晶熔融织构工艺(TSMTG),通过调整生长过程中的热处理参数,基本实现小尺寸单畴Gd-Ba-Cu-O块材的小批量化生产。并讨论了影响单畴Gd-Ba-Cu-O晶体生长的因素。

YbBaCuo钎料钎焊高温超导块材

为了实现YBaCuO超导块材的大尺寸化,采用YbBaCuO钎料对YBaCuO高温超导块材进行了钎焊连接,分别测试了原始超导块材和钎焊接头的磁悬浮力,以评价钎焊接头的超导性能,并用SEM和能谱分析对钎焊接头的微观组织和成分进行了分析。磁悬浮力的测试结果表明,在本文工艺条件下,钎焊接头的磁悬浮力恢复比均可达原始块材的80%以上,甚至可达85.5%。SEM观察和能谱分析结果表明,在钎料和原始块材的界面之间,形成了一个明显的过渡层,过渡层的成分为(Y,Yb)混合相即(Y,Yb)-123相和(Y,Yb)-211相;在钎料的中部存在较多的小孔洞,是影响钎焊接头超导性能的主要因素。