Nb_(3)Sn超导磁体绝缘用HS/6玻璃纤维改性实验研究

为提高HS/6高强玻璃纤维复合材料的电绝缘性能以满足Nb_3Sn超导磁体的使用要求,对HS/6高强玻璃纤维进行除碳和表面改性处理。研究发现,经过500℃/4h的除碳工艺后,HS/6高强玻璃纤维表面的碳含量降低了约80%,随后采用质量比为8:100的棕榈酸溶液进行表面改性处理,改性处理后的HS/6高强玻璃纤维表面的碳含量较除碳纤维的提高了26.93%。改性处理后的HS/6高强玻璃纤维的力学性能比仅经过除碳处理的得到了显著提升,其中,拉伸强度提高约10%,层间剪切强度提高约40%,且耐压强度较好,能够满足Nb_(3)Sn超导磁体的使用需求。

高场磁体用Nb_3Al超导线材研究进展

Nb3Al超导体的超导转变温度(Tc)和上临界磁场(Hc2)与Nb3Sn类似,但具有更好的应力应变容许特性和高场临界电流密度(Jc)。因此,被认为是下一代高场磁体应用的理想材料。目前国际上报道的Nb3Al超导线材单根长度可以达到2.6 km;在4.2 K和15 T条件下,Jc达到1 000 A/mm2;但是由于制备工艺的复杂性,目前仍然无法实现大规模工业化应用。首先阐述了Nb3Al超导材料的基本特性,如Nb/Al扩散间距小、二者硬度匹配性小和低温热处理导致Al含量偏离化学计量比等,以及由此带来的材料加工和热处理方面的难点;系统介绍了近年来针对Nb3Al超导长线性能提升,在前驱体制备工艺、热处理工艺和表面覆Cu工艺方面的研究进展,并对不同的工艺进行了比较分析,重点讨论了线材制备过程中存在的关键性难点问题;最后,对Nb3Al超导材料的发展趋势进行了展望。

力学反作用下Nb_(3)Sn高场超导线圈磁-热不稳定性研究现状和挑战

Nb_(3)Sn线圈是高场磁体的关键核心部件,在高能物理、先进医疗、磁约束核聚变等方面有重要应用.然而国内外在Nb_(3)Sn高场磁体制备后的测试过程中,遇到大量磁通跳跃,导致超导载流能力急速下降,严重影响失超保护,容易诱发过早失超.另外,超导线圈在强磁场、大电流环境下发生明显力学变形,而且超导电磁性能对力学变形很敏感,所以力学应变下Nb_(3)Sn线圈磁-热不稳定性成为研制高场超导磁体亟待解决的难题之一.在造价高昂和后期很难修补和改造的背景下,发展Nb_(3)Sn超导线圈磁-热不稳定性数值模拟方法,揭示电磁力对磁通跳跃和失超的影响机制,对抑制超导线圈磁通跳跃的优化设计和加快高场Nb_(3)Sn磁体研制进度有重要意义.本文回顾了Nb_(3)Sn高场磁体应用中涉及的力-电-磁-热多场耦合问题的研究现状,梳理了Nb_(3)Sn超导线圈在应用中涉及的复杂本构关系、超导线圈磁-热稳定性和力学反作用这三个亟待解决的关键科学问题,并探讨了其中的困难和挑战.

高场磁体用RRPNb_3Sn股线的研制

采用Rod Restack Process(RRP)研制了单根线长大于1500m的高场磁体用Nb3Sn股线,股线选用Nb作为扩散阻隔层,分布于各亚组元周围。在热处理时Nb阻隔层不但可以阻止Sn向稳定体Cu区的扩散,防止稳定体的Sn扩散污染,确保股线具有较高的剩余电阻率(RRR),同时,靠近Sn源内侧的Nb参与固态扩散反应生成A15相Nb3Sn,贡献临界电流。在股线的制备过程中,采用Nb-47%Ti(质量分数)芯代替部分Nb芯的方式添加元素Ti,达到了Ti元素添加目的,该方法因为使用了已经商业化的Nb-47%Ti而有效控制了制作成本。对该股线进行热处理以及超导性能测试研究表明:640℃,60h热处理条件下,股线在12T,4.2K,0.1μV/cm下的Ic为514A,股线的RRR为148,具有良好的绝热稳定性;在650℃,100h下股线的Ic为599A,RRR=3.77。股线扩散阻隔层以及添Ti方式的成功选择,为获得长线打下了基础,为股线性能的初步研究及后续的实验提供了直接参考。

超导磁体绝缘用玻璃纤维真空热处理前后性能研究

Nb_(3)Sn超导磁体需要长时间640℃真空热处理才能形成超导相,对不同超导磁体绝缘结构使用的国产耐辐照玻璃纤维、HS/6高强玻璃纤维、美国S-2高强玻璃纤维在640℃真空热处理前后分别进行真空压力浸渍(VPI),探究国产玻璃纤维在640℃真空热处理后能否达到美国S-2高强玻璃纤维性能,满足Nb_(3)Sn超导磁体使用要求。测试其在室温下的拉伸、层间剪切强度,直流耐压击穿强度。真空热处理后,三种玻璃纤维增强树脂基复合材料拉伸、层间剪切强度都有大幅下降,HS/6高强玻璃纤维在热处理前后力学性能最好,保留率最高,满足使用要求;但HS/6高强玻璃纤维增强树脂基复合材料的电气强度比S-2高强玻璃纤维增强树脂基复合材料电气强度至少低40%,不能满足使用要求,耐辐照玻璃纤维增强树脂基复合材料丧失绝缘性能。

15T NbTi/Nb_(3)Sn超导磁体的设计

提出了一个冷孔直径150 mm、中心磁场为15 T的NbTi/Nb_(3)Sn超导磁体电磁结构。分析了超导磁体各线圈中磁场的分布规律,结合超导材料临界性能,得到了超导磁体的运行电磁裕度。针对线圈结构组份材料的机械性能,采用平均有限元法仿真了超导磁体的应力/应变,最大环向应力和应变分别为112 MPa和0.297%。该结果表明了超导Nb_(3)Sn线圈中的应力/应变处于合理水平。

基于有限元分析的Nb_(3)Sn磁体失超传播速度研究

针对Nb_(3)Sn超导材料在高场超导磁体应用过程中存在失超的安全性问题,对该超导材料的失超传播速度展开深入研究。从失超传播过程中存在电场、磁场和温度场多物理场耦合的特点出发,提出了一种基于COMSOL多物理场耦合有限元分析的失超传播速度研究方法,得到Nb_(3)Sn超导磁体失超传播速度随电场、温度和磁感应强度的变化规律。研究结果表明,当磁场为10 T时,所提出的有限元法与Wilson解析法得到的失超传播速度具有很好的一致性,其相关系数达到99%。