CN110850343A - 一种用于高温超导带材的温度冲击检测方法及检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高温超导带材的温度冲击检测方法及检测装置，包括样品固定机构、临界电流检测机构、储液机构和驱动机构；样品固定机构包括操作台、液体箱和样品固定架；液体箱设置在操作台上；至少一个样品固定架设置在液体箱内部的侧壁上；临界电流检测机构包括电流线和电压线；样品固定架两端分别与电流线连接；储液机构与液体箱连通；驱动机构驱动储液机构上下运动。检测方法是通过对超导带材的温度冲击试验检测其临界电流并计算电流保留系数。本案实现对高温超导带材进行温度冲击处理并直接进行临界电流检测；操作简单，设备简单，成本低，可重复性高，适用性强；减少操作人员的安全隐患；对超导带材的应用可靠性进行验证和包覆的密封性验证。

Description

一种用于高温超导带材的温度冲击检测方法及检测装置

技术领域

本发明属于超导带材的超导性能检测领域，具体涉及一种用于高温超导带材的温度冲击实验方法及实验装置。

背景技术

超导材料需要在一定的温度环境下才能由正常态转变为超导态，高温超导材料的转变温度在液氮温度区，因此高温超导带材在使用的过程中需要在液氮温度区的环境下工作。超导带材的临界电流Ic是其应用时的重要性能指标。若超导带材的超导层被破坏后，其电阻会大大增加，再经过相对大的电流冲击，超导带材就容易烧带。所以一般情况下，我们通过测试超导带材的临界电流Ic的大小来判断超导带材的超导性能。

大部分高温超导带材需要在液氮温度和室温经历多次的变换，对其温度循环的疲劳性提出了较大的挑战。由于超导带材可能存在某些缺陷，多次通流后，其超导性能也会有一定程度的衰减。另一方面，超导带材在锡焊包覆过程中易产生缺陷，会不同程度地影响超导带材的工作性能。其一，超导带材在工作时环境液渗入虚焊处，环境液汽化后因温度不同产生热胀冷缩现象，这就容易造成包覆层的开裂、鼓包。超导带材的超导层表面镀有Ag保护层，且Ag层与包覆层、超导层的结合力比超导层与隔离层的结合力大，当包覆层产生开裂时容易破坏超导层，使超导层产生不可逆的物理损伤，从而使超导带材失去超导性能。其二，超导带材包覆层开裂，使超导层失去外保护层裸露在外，在湿度较大的环境下超导层发生潮解，这样也会使超导带材的超导性能发生衰减。随着高温超导带材产业化进程的不断推进，对超导带材的应用性能要求不断提出挑战。

但是在现有的技术中还没有一种专门的实验方法来检验高温超导带材在液氮温度区重复工作后对其临界电流产生的影响。这就需要根据高温超导带材的工作环境设计实验，对超导带材的应用可靠性进行验证，并对其在液氮温度区重复工作的性能进行检测，并可用于验证高温超导带材包覆的密封性，这对高温超导带材的产业化具有重要的参考价值。

发明内容

本发明目的是：提供一种用于高温超导带材的温度冲击检测方法及检测装置，该方法能通过设计好的温度冲击实验，检验超导带材的疲劳性、稳定性、及包覆的完整性。

本发明的技术方案是：一种用于高温超导带材的温度冲击检测装置，包括样品固定机构、临界电流检测机构、储液机构和驱动机构；所述样品固定机构包括操作台、液体箱和样品固定架；所述液体箱设置在操作台上；所述液体箱上端开口；至少一个所述样品固定架设置在液体箱内部的侧壁上；所述临界电流检测机构包括电流线和电压线；所述样品固定架两端分别与电流线连接；通过电压线和电流线对超导带材样品带进行加压和通流；所述储液机构与液体箱连通；所述驱动机构驱动储液机构上下运动。

优选的，所述储液机构包括储液罐、导流管和进液口；所述导流管连接储液罐和液体箱；所述储液罐上部设置有进液口，进液口既可当作从外部将环境液灌入的进液口，又可当作平衡储液罐内部气压的排气口。

优选的，所述驱动机构包括气缸杆、气缸和气缸台；所述储液机构设置在气缸台上；所述气缸驱动气缸杆带动气缸台上下运动，调整储液机构的高度，进而改变液体槽中的液位。

优选的，所述液体箱上设置有阀门，控制液体进出液体箱。

优选的，所述阀门为阀门活块；所述阀门活块在竖直方向上运动遮挡液体箱的液流口，且阀门是可拆装的。

优选的，所述电压线末端设置有电压线夹。

一种用于高温超导带材的温度冲击检测方法，具体检测步骤包括：

步骤1：在同一超导带材上，剪切若干的超导带材样品，每段长度保持一致，并保证每段超导带材样品长度足以进行检测；

步骤2：使用助焊剂在超导带材样品两端焊上电流引带，以降低电极和超导带材样品间的接触电阻，避免临界电流实验时，接触电阻过大造成在电极附近烧毁；

步骤3：分别在焊有电流引带的超导带材样品上夹持电压电极和电流电极；

步骤4：将超导带材样品放入液氮中，使得超导带材样品完全浸没，并浸泡；

步骤5：利用四引线法检测超导带材样品在液氮环境下的临界电流Ic_S；

步骤6：将超导带材样品从液氮中取出，自然恢复至室温；

步骤7：重复步骤4将超导带材样品放入液氮中，使得超导带材样品完全浸没，并浸泡；重复步骤6将超导带材样品从液氮中取出，自然恢复至室温；形成一次温度冲击；重复液氮温度冲击过程为n次；

步骤8：重复步骤5，对步骤7中液氮温度冲击后的超导带材样品进行临界电流检测，并记录；

步骤9：重复步骤7至步骤8，重复m次，每重复一次得到一个临界电流Ic_i，其中i≤m的正整数；

步骤10：将经过液氮温度冲击后的超导带材样品放入室温的水中浸泡，观察超导带材样品的周围是否有气泡冒出并记录；

步骤11：浸泡过后，从室温水中取出超导带材样品，擦拭其表面水渍，立刻重复步骤4、步骤5检测超导带材样品的临界电流Ic_E；

步骤12：根据临界电流Ic_S和Ic_E计算电流保留率δ，绘制临界电流保留率衰减曲线，横坐标为冲击次数（n * i），纵坐标为电流保留率δ，公式为：δ=（Ic/Ic_S）*100%；

步骤13：当出现以下情况时实验终止：

一、实验完成；

二、带材失去超导性能且不可逆；

三、电流保留率低于电流保留系数K值。

本发明的优点是：

1、实现对经过温度冲击后的高温超导带材直接进行临界电流检测；

2、操作简单，设备简单，成本低，可重复性高；

3、适用性强，可用于各类高温超导带材的温度冲击实验；

4、减少操作人员在操作过程中的安全隐患；

5、可同时对多组超导带材进行温度冲击试实验；

6、对超导带材的应用可靠性进行验证，并对其在液氮温度区重复工作的性能进行检测，并可以用于验证高温超导带材包覆的密封性。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本案所述的一种用于高温超导带材的温度冲击检测装置的结构示意图；

图2为本案所述的一种用于高温超导带材的温度冲击检测装置的样品固定机构和临界电流检测机构的结构示意图；

图3为本案所述的一种用于高温超导带材的温度冲击检测装置的超导带材样品装配的结构示意图；

图4为本案所述的一种用于高温超导带材的温度冲击检测方法的具体流程图；

图5为本案所述的一种用于高温超导带材的温度冲击检测方法的检测的临界电流保留率曲线图。

具体实施方式

实施例：

如附图1-5所示，一种用于高温超导带材的温度冲击检测装置，包括样品固定机构1、临界电流检测机构2、储液机构3和驱动机构4；所述样品固定机构1包括操作台11、液体箱12和样品固定架13；所述液体箱12设置在操作台11上；所述液体箱12上端开口；至少一个所述样品固定架13设置在液体箱12内部的侧壁上；所述临界电流检测机构2包括电流线21和电压线22；所述样品固定架13两端分别与电流线21连接；通过电压线22和电流线21对超导带材样品5进行加压和通流；所述储液机构3与液体箱12连通；所述驱动机构4驱动储液机构3上下运动；所述液体箱12上设置有阀门14，控制液体进出液体箱12；所述阀门14为阀门活块；所述阀门活块在竖直方向上运动遮挡液体箱12的液流口；所述电压线22末端设置有电压线夹23。

所述储液机构3包括储液罐31、导流管32和进液口33；所述导流管32连接储液罐31和液体箱12；所述储液罐31上部设置有进液口33。

所述驱动机构4包括气缸杆41、气缸42和气缸台；所述储液机构3设置在气缸台上；所述气缸42驱动气缸杆41带动气缸台上下运动，调整储液机构3的高度。

使用合适的助焊剂在超导带材样品5两端焊上电流引带15，本例采用银电流引带，将焊有电流引带15的超导带材样品5用夹子夹在样品固定架13上，为了保证良好的导电性，所述样品带固定架13用Cu材料制成，将电压线22连接在电压线夹23上，电压线夹23夹在超导带材样品5的中部，两个电压线夹23的间距为30mm，通过上述步骤实现对超导带材样品5进行加压通流，然后用利用四引线法测试10超导带材样品在液体环境下的临界电流Ic_S，液氮从进液口33灌入储液罐31，同时也可以作为平衡储液罐内部气压的排气口，所述导流管32连接储液罐31和液体箱12，利用连通器的原理，气缸42驱动储液罐31上下移动，进而改变液体箱12的液位，阀门14也可以控制液体进出，达到固定在样品固定架13上超导带材样品5浸没和露出液面动作，完成超导带材样品5的温度冲击。

一种用于高温超导带材的温度冲击检测方法，采用上述温度冲击检测装置的具体检测步骤包括：

步骤1：在同一超导带材上，取用待测12mm宽不锈钢包覆高温超导带材样品5，样品长度23cm，数量15，三根为一组，共五组；

步骤2：使用助焊剂在超导带材样品5两端焊上同样宽度的银电流引带15，以降低电极和带材间的接触电阻，避免临界电流实验时，接触电阻过大造成在电极附近烧毁；焊点要求无虚接、气泡等缺陷；

步骤3：将步骤2中焊有银电流引带15的超导带材样品5居中夹在液体箱12内部的侧壁上的样品固定架13上，将电压线夹23夹在导带材样品5中间，两个电压线夹23之间的距离为30mm；

步骤4：从储液罐31上方的进液口33处将所需液体灌入储液罐31中；调节储液罐31下方的气缸42来改变储液罐31的高度，打开液体箱12中的阀门活块，利用连通器原理，进而改变液体箱12中液面的上升，使超导带材样品5完全浸没在液体环境中，并浸泡5min；

步骤5：利用四引线法及短样载流测试系统检测超导带材样品5在液氮环境下的临界电流Ic_S；

步骤6：调节气缸42使液体箱12中的液体全部流回储液罐31中，关闭液体箱12壁上的阀门活块，让超导带材样品5离开液面，自然恢复至室温；

步骤7：重复步骤4将超导带材样品5放入液氮中，使得超导带材样品5完全浸没，并浸泡5min；重复步骤6将超导带材样品5从液氮中取出，自然恢复至室温；形成一次温度冲击；重复液氮温度冲击过程n次，n为正整数，本例中n=10；

步骤8：重复步骤5，对步骤7中液氮温度冲击后的超导带材样品5进行临界电流检测，并记录；

步骤9：重复步骤7至步骤8，重复m次，m为正整数，本例中m=10；重复10次得到10个临界电流Ic_i其中i≤10的正整数，临界电流Ic_i分别为：重复1次得到Ic₁、重复2次得到Ic₂、重复3次得到Ic₃、重复4次得到Ic₄、重复5次得到Ic₅、重复6次得到Ic₆、重复7次得到Ic₇、重复8次得到Ic₈、重复9次得到Ic₉和重复10次得到Ic₁₀；

步骤10：打开阀门活块调节气缸42使液体箱12中的液体全部流回储液罐31中，关闭阀门活块，向液体箱12中注入室温的水；将经过液氮温度冲击后的超导带材样品5放入注入室温水的液体箱12中浸泡24小时，观察超导带材样品5的周围是否有气泡冒出，并记录；

步骤11：浸泡过后，取下导流管32与2液体箱12之间的连接接头，打开阀门活块将2液体箱12中的水放出；从室温水中取出超导带材样品5，擦拭其表面水渍，立刻将导流管32重新连接在液体箱12壁上，重复步骤4、步骤5检测超导带材样品5的临界电流Ic_E；

步骤12：根据临界电流Ic_S和Ic_E计算电流保留率δ=（Ic_E/Ic_S）*100%，绘制临界电流保留率衰减曲线，横坐标为冲击次数（n * i），纵坐标为电流保留率δ=（Ic_i/Ic_S）*100%，最后一点δ=（Ic_E/Ic_S）*100%；

步骤13：当出现以下情况时实验终止：

一、实验完成；

二、带材失去超导性能且不可逆；

三、电流保留率低于电流保留系数K值。

如图5所示，曲线a-d为几种典型的超导带材临界电流保留率与冲击次数的关系曲线。曲线a表示经过液氮温度冲击后所测超导带材临界电流几乎无衰减，说明该样品耐温度冲击性能良好，包覆无缺陷；曲线b表示经过液氮温度冲击后所测超导带材临界电流具有明显衰减，说明该样品耐温度冲击性能较差，包覆无缺陷；曲线c表示测试超导带材经过室温水浸泡24h后，测临界电流时带材失去超导性能，说明该样品包覆存在缺陷；异常曲线d表示超导带材还未经过室温水浸泡之前测临界电流时发生烧带；当临界电流保留率

大于电流保留系数K时，则认为该样品耐温度冲击性能较差，此实施例中，电流保留系数K值取95%，不同带材的电流保留系数K值不同。所述实施例中应保证电流引带与带材焊接部分足够长（通常不低于3倍带材宽度）从而避免接触电阻过大造成带材烧毁。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明的。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明的所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种用于高温超导带材的温度冲击检测装置，其特征在于：包括样品固定机构、临界电流检测机构、储液机构和驱动机构；所述样品固定机构包括操作台、液体箱和样品固定架；所述液体箱设置在操作台上；所述液体箱上端开口；至少一个所述样品固定架设置在液体箱内部的侧壁上；所述临界电流检测机构包括电流线和电压线；所述样品固定架两端分别与电流线连接；通过电压线和电流线对超导带材样品带进行加压和通流；所述储液机构与液体箱连通；所述驱动机构驱动储液机构上下运动。

2.根据权利要求1所述的一种用于高温超导带材的温度冲击检测装置，其特征在于：所述储液机构包括储液罐、导流管和进液口；所述导流管连接储液罐和液体箱；所述储液罐上部设置有进液口。

3.根据权利要求1所述的一种用于高温超导带材的温度冲击检测装置，其特征在于：所述驱动机构包括气缸杆、气缸和气缸台；所述储液机构设置在气缸台上；所述气缸驱动气缸杆带动气缸台上下运动，调整储液机构的高度。

4.根据权利要求1所述的一种用于高温超导带材的温度冲击检测装置，其特征在于：所述液体箱上设置有阀门，控制液体进出液体箱。

5.根据权利要求4所述的一种用于高温超导带材的温度冲击检测装置，其特征在于：所述阀门为阀门活块；所述阀门活块在竖直方向上运动遮挡液体箱的液流口。

6.根据权利要求1所述的一种用于高温超导带材的温度冲击检测装置，其特征在于：所述电压线末端设置有电压线夹。

7.一种用于高温超导带材的温度冲击检测方法，其特征在于：具体检测步骤包括：

步骤1：在同一超导带材上，剪切若干的超导带材样品，每段长度保持一致，并保证每段超导带材样品长度足以进行检测；

步骤2：使用助焊剂在超导带材样品两端焊上电流引带，以降低电极和超导带材样品间的接触电阻；

步骤3：分别在焊有电流引带的超导带材样品上夹持电压电极和电流电极；

步骤4：将超导带材样品放入液氮中，使得超导带材样品完全浸没，并浸泡；

步骤5：利用四引线法检测超导带材样品在液氮环境下的临界电流Ic_S；

步骤6：将超导带材样品从液氮中取出，自然恢复至室温；

步骤7：重复步骤4将超导带材样品放入液氮中，使得超导带材样品完全浸没，并浸泡；重复步骤6将超导带材样品从液氮中取出，自然恢复至室温；形成一次温度冲击；重复液氮温度冲击过程n次；

步骤8：重复步骤5，对步骤7中液氮温度冲击后的超导带材样品进行临界电流检测，并记录；

步骤9：重复步骤7至步骤8，重复m次，每重复一次得到一个临界电流Ic_i，其中i≤m；

步骤10：将经过液氮温度冲击后的超导带材样品放入室温的水中浸泡，观察超导带材样品的周围是否有气泡冒出并记录；

步骤11：浸泡过后，从室温水中取出超导带材样品，擦拭其表面水渍，立刻重复步骤4、步骤5检测超导带材样品的临界电流Ic_E；

步骤12：根据临界电流Ic_S和Ic_E计算电流保留系数δ，公式为：δ=（Ic/Ic_S）*100%。

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