高溫超導(dǎo)帶材低/變溫疲勞性能測(cè)試系統(tǒng)的研制

潘遠(yuǎn)洲，何天虎，辛燦杰，關(guān)明智

(1. 蘭州理工大學(xué)理學(xué)院，甘肅，蘭州 730050；2. 中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所，甘肅，蘭州 730000)

超導(dǎo)材料作為20 世紀(jì)的最偉大的發(fā)現(xiàn)之一，其零電阻、邁斯納效應(yīng)是在極端低溫的超導(dǎo)態(tài)條件下才能得以實(shí)現(xiàn)。超導(dǎo)材料具有的優(yōu)異特性使其從1911 年被發(fā)現(xiàn)之日起，就展示出了誘人的應(yīng)用前景。目前超導(dǎo)材料以及相關(guān)技術(shù)正在越來(lái)越多地應(yīng)用于科研、交通、電力、能源、生物醫(yī)學(xué)、國(guó)防軍事等諸多領(lǐng)域；據(jù)統(tǒng)計(jì)，這其中約有95%為低溫超導(dǎo)系統(tǒng)(如NbTi/Cu、Nb3Sn/Cu 磁體)，全球市值超過(guò)上千億美元[1 ? 3]。然而，由于受極端低溫工作環(huán)境的制約和高成本(低溫冷卻的液氦價(jià)格昂貴)，以及核心原材料供給問(wèn)題(鈮材全球供應(yīng)量正在逐年銳減)，低溫超導(dǎo)與應(yīng)用正在面臨著越來(lái)越顯著的危機(jī)與挑戰(zhàn)[4]。

近年來(lái)，隨著高溫超導(dǎo)帶材的實(shí)用化進(jìn)程進(jìn)一步加快(年產(chǎn)值達(dá)到幾十萬(wàn)米，成本降低到幾美元)，世界上許多高科技公司、研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)實(shí)驗(yàn)室相繼開(kāi)展了基于高溫超導(dǎo)帶材繞制超導(dǎo)磁體的項(xiàng)目，如在高溫、高場(chǎng)超導(dǎo)磁體應(yīng)用方面，2017 年12 月8 日美國(guó)佛羅里達(dá)國(guó)家高場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室(NHMFL)宣布研制出中心場(chǎng)為32 T 的超導(dǎo)磁體，打破了該類磁體的世界紀(jì)錄[5]。該內(nèi)插磁體系統(tǒng)是在由低溫超導(dǎo)(LTS)線材繞制的磁體中內(nèi)插能產(chǎn)生17 T 磁場(chǎng)的ReBCO 磁體，通過(guò)磁場(chǎng)疊加而實(shí)現(xiàn)32 T 的中心場(chǎng)。而隨著無(wú)絕緣技術(shù)的提出以及高溫超導(dǎo)帶材性能的快速提升，美國(guó)MIT 弗朗西斯比特實(shí)驗(yàn)室也正在研制30.5 T 的低/高溫混合高精度超導(dǎo)NMR 磁體系統(tǒng)[6]，與此同時(shí)，日本理化技術(shù)研究所[7]、韓國(guó)SuNAM 公司[8]、日本東北大學(xué)HFLSM 實(shí)驗(yàn)室[9]、我國(guó)的中國(guó)科學(xué)院電工研究所等研究機(jī)構(gòu)在基于高溫超導(dǎo)材料的高場(chǎng)磁體技術(shù)(>20 T)研究方面也開(kāi)展了一系列卓有成效的工作[10]。除了在高場(chǎng)超導(dǎo)線圈方面的應(yīng)用，高溫超導(dǎo)磁體也由于其寬泛的工作裕度、抗輻照特性、超導(dǎo)電性等在高能加速器和探測(cè)器、散射中子源、磁約束聚變和重離子加速器等大科學(xué)裝置中得到了逐步的應(yīng)用，并成為了該領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題[11]。然而，進(jìn)一步的大量工程實(shí)踐與研究表明[12 ? 16]：高溫超導(dǎo)材料在外界機(jī)械壓力或變形情形下，會(huì)出現(xiàn)其臨界溫度Tc或臨界磁場(chǎng)Hc的改變，通電超導(dǎo)體出現(xiàn)臨界電流Ic的退化現(xiàn)象，甚至失去超導(dǎo)性。可見(jiàn)高溫超導(dǎo)材料的特性不但受到其物理性能的影響，還受到其力學(xué)性能的顯著影響。而在實(shí)際應(yīng)用中，外界的機(jī)械載荷、內(nèi)部的電磁力載荷等，甚至制備過(guò)程中的加工機(jī)械荷載等均是無(wú)法避免的。因此，極端多場(chǎng)條件下的力學(xué)問(wèn)題和多場(chǎng)耦合特性直接關(guān)系到高溫超導(dǎo)磁體的安全設(shè)計(jì)和穩(wěn)定運(yùn)行，亟需發(fā)展相應(yīng)的可以提供極端多場(chǎng)環(huán)境并能表征高溫超導(dǎo)電磁材料熱學(xué)、電磁學(xué)和力學(xué)宏微觀性能的測(cè)試平臺(tái)和評(píng)估手段等。目前，可以表征超導(dǎo)材料相關(guān)多物理場(chǎng)性能的測(cè)試平臺(tái)大致可以分為以下兩類。

第一類極端測(cè)試平臺(tái)主要針對(duì)具體的工程項(xiàng)目，可以實(shí)現(xiàn)固定溫度(如液氮、液氦溫度)下的力學(xué)加載。如SULTAN[17 ? 18]是目前國(guó)際上最重要也是最大的高載流超導(dǎo)體、線纜檢測(cè)與評(píng)估平臺(tái)，為包括ITER 等眾多國(guó)際項(xiàng)目中的超導(dǎo)線纜樣品進(jìn)行專業(yè)的檢測(cè)與認(rèn)證。除此之外，許多發(fā)達(dá)國(guó)家研究機(jī)構(gòu)基于承建的大型科學(xué)工程也分別建立起各自的超導(dǎo)檢測(cè)裝置，如歐洲CERN 研究中心FRESCA 超導(dǎo)性能測(cè)試裝置[19]，德國(guó)KIT 的低溫力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)[20]等。在國(guó)內(nèi)，中科院等離子研究所、中科院理化技術(shù)研究所等也根據(jù)中國(guó)航空航天和應(yīng)用超導(dǎo)領(lǐng)域大科學(xué)工程的背景需求，在低溫環(huán)境下的材料與結(jié)構(gòu)力學(xué)性能測(cè)量平臺(tái)建設(shè)方面圍繞工程需要研制了相關(guān)的急需測(cè)量設(shè)備[21]。主要用于特殊鋼材料在固定低溫下的拉、壓、彎測(cè)試等。

第二類極端測(cè)試平臺(tái)主要針對(duì)超導(dǎo)材料與結(jié)構(gòu)多場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)表征研究，可以實(shí)現(xiàn)低溫/變溫環(huán)境、背景磁場(chǎng)和力學(xué)的多場(chǎng)共同加載。如近些年，蘭州大學(xué)電磁固體力學(xué)研究組在超導(dǎo)結(jié)構(gòu)多物理場(chǎng)測(cè)量?jī)x器研發(fā)方面率先開(kāi)展了一系列卓有成效的工作，該研究組研發(fā)了超低溫/變溫超導(dǎo)線材力學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)變溫下(77 K～室溫)的力-熱耦合行為測(cè)試，并開(kāi)展了低溫/變溫環(huán)境下的高、低超導(dǎo)材料拉伸力學(xué)性能隨溫度的依賴關(guān)系的研究，獲得了包括拉伸強(qiáng)度、斷裂拉伸百分比、屈服強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)特性相關(guān)的一些有意義的結(jié)果[22 ? 23]。新近，該研究組與中科院近代物理研究所研制成功了國(guó)際首臺(tái)極端多場(chǎng)下超導(dǎo)材料力學(xué)性能的全背景場(chǎng)測(cè)控大型儀器[24]，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)超導(dǎo)線/帶材準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能和材料參數(shù)隨溫度、磁場(chǎng)、載流、力學(xué)加載等變化的全測(cè)控。

近年來(lái)，隨著高溫超導(dǎo)磁體技術(shù)在大型粒子加速器等科學(xué)工程中的廣泛應(yīng)用，其高溫超導(dǎo)復(fù)合材料在疲勞等動(dòng)態(tài)載荷(包括交變荷載、熱循環(huán)、繞制荷載等)下的力學(xué)、熱學(xué)和電磁學(xué)等行為引起了國(guó)際上大量的關(guān)注。美國(guó)MIT 超導(dǎo)磁體研究組對(duì)其在建的1.3 G 高/低溫混合超導(dǎo)NMR 磁體項(xiàng)目中18.7 T 高溫超導(dǎo)YBCO 非絕緣磁體結(jié)構(gòu)外部綁扎層厚度及其張力效應(yīng)進(jìn)行較詳細(xì)的數(shù)值優(yōu)化分析，并給出了多場(chǎng)環(huán)境對(duì)其電磁-力行為的影響以及降低層間摩擦的具體有效措施等，基于動(dòng)態(tài)荷載下測(cè)得的力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)，提出了其優(yōu)化分析強(qiáng)度的判斷準(zhǔn)則[25]。此外，隨著歐洲強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)超導(dǎo)磁體改造項(xiàng)目的進(jìn)展，針對(duì)所使用的YBCO、Bi 系等高溫超導(dǎo)帶材，特別是YBCO、Bi系等高溫超導(dǎo)電纜在交變動(dòng)態(tài)荷載作用下超導(dǎo)臨界特性的退化行為，各國(guó)研究機(jī)構(gòu)相應(yīng)研制出簡(jiǎn)易的適用于交變荷載下高溫超導(dǎo)帶材測(cè)試設(shè)備，并利用這些設(shè)備，開(kāi)展了一系列疲勞荷載下高溫超導(dǎo)結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的相關(guān)研究[26 ? 31]，并指出，疲勞荷載下的高溫超導(dǎo)材料分層、裂紋、剝離等是其臨界電流退化的可能原因。因此，極端環(huán)境下動(dòng)態(tài)荷載作用下超導(dǎo)材料的低溫多場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)逐漸受到人們的關(guān)注。

綜上所述，目前各類相關(guān)極端環(huán)境下的超導(dǎo)材料性能測(cè)試系統(tǒng)大多僅限于固定低溫環(huán)境下的物理量測(cè)試技術(shù)，以及少量的極端變化環(huán)境下的多場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)與技術(shù)。由于極端環(huán)境的限制，這些測(cè)量系統(tǒng)的機(jī)械加載部分大多只能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)運(yùn)行模式。而對(duì)于低/變溫或大幅變溫等極端條件下受疲勞荷載作用后高溫超導(dǎo)帶材的力學(xué)、電學(xué)等多場(chǎng)耦合性能的實(shí)驗(yàn)研究及其相關(guān)測(cè)試設(shè)備的研發(fā)尚且較少涉及，這些也已成為制約我國(guó)大型加速器高溫超導(dǎo)磁體研發(fā)與建造的重要瓶頸。

本文采用了基于微機(jī)控制的電子式疲勞試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)和非線性PID 控制系統(tǒng)，成功研制出高溫超導(dǎo)帶材低/變溫疲勞性能測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)各類實(shí)用高溫超導(dǎo)材料實(shí)現(xiàn)疲勞荷載下的力電多場(chǎng)耦合測(cè)試，此外，在低溫箱體設(shè)置有直徑3 mm 的光學(xué)觀察窗，可以結(jié)合非線性CCD 全場(chǎng)變形測(cè)試技術(shù)，對(duì)低溫環(huán)境下高溫超導(dǎo)帶材的疲勞與變形行為開(kāi)展基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)表征。最后，基于所研制的低/變溫疲勞性能測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)受拉-壓疲勞荷載下的YBCO 超導(dǎo)帶材的力學(xué)行為、載流特性開(kāi)展了初步的實(shí)驗(yàn)研究等。該設(shè)備的成功研制對(duì)于進(jìn)一步深入高溫超導(dǎo)材料低溫疲勞及其多物理場(chǎng)特性研究提供了基礎(chǔ)保障。

1 高 溫 超 導(dǎo) 帶 材 低/變 溫 疲 勞 性 能測(cè)試系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由五大部分組成，分別為基于計(jì)算機(jī)控制的電子式疲勞試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)、基于非線性PID 控制的低/變溫環(huán)境系統(tǒng)、強(qiáng)電流加載和控制系統(tǒng)、非接觸光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)、強(qiáng)背景磁體系統(tǒng)(預(yù)留空間設(shè)計(jì)，未安裝)，整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 高溫超導(dǎo)帶材低/變溫疲勞性能測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of cryogenic fatigue testing systems for high temperature superconducting tapes

1)基于計(jì)算機(jī)控制的電子式疲勞試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研制。

電子疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2 所示，采用PD-5 微控電子式疲勞試驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試樣品交變(低頻疲勞)力學(xué)的加載，主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。該系統(tǒng)采用全數(shù)字交流低慣量伺服電動(dòng)機(jī)與超精密行星齒輪減速機(jī)采用脹套連接，實(shí)行無(wú)間隙傳動(dòng)，并安裝在移動(dòng)橫梁的上表面。減速機(jī)的輸出軸與精密滾珠絲杠副采用脹套連接驅(qū)動(dòng)，滾珠絲杠絲母與導(dǎo)向筒精密配合導(dǎo)向，可將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無(wú)間隙傳動(dòng)，以及良好的抗失穩(wěn)性能。此外，考慮到疲勞機(jī)械加載部分與低溫控制箱、超導(dǎo)磁體等的集成，實(shí)現(xiàn)了加高、加寬型的試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)；疲勞試驗(yàn)機(jī)采用無(wú)級(jí)變速的位移加載方式，加載速度大幅范圍內(nèi)可控以提供不同的加載需求(如靜態(tài)加載和疲勞加載等)；整機(jī)的設(shè)計(jì)采用門式預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)和高精度測(cè)力系統(tǒng)，配備以低溫、抗磁夾具實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試樣品拉伸、壓縮、彎曲多種變形模式加載。

圖2 電子疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)Fig. 2 Electronic fatigue testing systems

表1 電子疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Parameters of electronic fatigue testing systems

2)基于非線性PID 控制的低變溫環(huán)境系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研制。

本系統(tǒng)采用低溫、真空控制箱體，實(shí)現(xiàn)兩階段制冷的方式：對(duì)于室溫～77 K 溫區(qū)采取液氮噴淋制冷；對(duì)于77 K～20 K 溫區(qū)采用GM 制冷機(jī)制冷。因此，箱體采用雙重真空模式，即內(nèi)部空間為高真空度的真空室、箱體外殼采用真空、內(nèi)部采用鈦合金冷屏隔熱模式，最大限度地保證了在長(zhǎng)時(shí)間的疲勞試驗(yàn)過(guò)程中低溫腔內(nèi)無(wú)對(duì)流傳熱損失。此外，低溫箱體內(nèi)的溫度控制采用非線性PID 調(diào)控單元和微熱源的方式，以實(shí)現(xiàn)低變溫的高精度控制與測(cè)量，測(cè)量精度達(dá)到1 K。

3)強(qiáng)電流加載和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研制。

對(duì)于高溫超導(dǎo)材料，其電流載流能力高并伴隨電流、磁場(chǎng)、變形場(chǎng)因素存在臨界電流的退化現(xiàn)象，為此需要配備具有相應(yīng)的失超檢測(cè)與反饋功能的大功率電源；為了實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣的強(qiáng)電流加載，設(shè)計(jì)和采用具有承載高電流的高溫超導(dǎo)材料制成的電流引線；設(shè)計(jì)并提供針對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品所需電流大小的調(diào)換使用功能。此外，在本測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將正極固定，負(fù)極與導(dǎo)冷板之間做燕尾形滑軌，保證下凸輪在推動(dòng)負(fù)極時(shí)，可以使其活動(dòng)，樣品正負(fù)極塊裝夾平面可加工成不同角度的斜面，從而實(shí)現(xiàn)在長(zhǎng)時(shí)間疲勞機(jī)械-電共同加載下夾具的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能(如圖3 所示)。

圖3 電流加載內(nèi)部關(guān)鍵部件示意圖Fig. 3 Illustration of key current lead parts

4)非接觸光學(xué)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研制。

圖4 非接觸光學(xué)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)示意圖Fig. 4 Schematic diagrams of non-contact optical strain measurement systems

如圖4 所示，非接觸光學(xué)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)由CCD 攝像頭、分離鏡、濾光鏡、前述低變溫環(huán)境系統(tǒng)組成，通過(guò)在該環(huán)境系統(tǒng)前方設(shè)置的直徑3 mm的光學(xué)觀察窗，可以實(shí)現(xiàn)在低溫環(huán)境下對(duì)高溫超導(dǎo)帶材的疲勞與變形行為開(kāi)展非接觸實(shí)驗(yàn)研究。此外，在進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量時(shí)將多組聚焦鏡放到低溫真空部，可實(shí)現(xiàn)低溫真空環(huán)境下高精度的三維應(yīng)變場(chǎng)測(cè)量。

1.2 系統(tǒng)的總體裝配與測(cè)試

高溫超導(dǎo)帶材低/變溫疲勞性能測(cè)試系統(tǒng)的研制將分為兩階段進(jìn)行，第一階段采用液氮噴淋制冷方式，可實(shí)現(xiàn)室溫～77 K 溫區(qū)下通電試樣的疲勞試驗(yàn)，第二階段采用GM 制冷機(jī)制冷方式，可實(shí)現(xiàn)室溫～10 K 溫區(qū)下的大載流試樣的疲勞試驗(yàn)。目前，已完成室溫～77 K 溫區(qū)疲勞測(cè)試系統(tǒng)的總體裝配與調(diào)試，圖5 為完成全部裝配的儀器實(shí)物圖。

圖5 高溫超導(dǎo)帶材低/變溫疲勞性能測(cè)試裝置實(shí)物圖Fig. 5 Actual equipment of cryogenic fatigue testing systems for high temperature superconducting tapes

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)樣品與實(shí)驗(yàn)過(guò)程

基于上述自主研制的高溫超導(dǎo)帶材低/變溫疲勞性能測(cè)試系統(tǒng)，開(kāi)展了拉-壓疲勞荷載后YBCO超導(dǎo)帶材的力學(xué)行為、載流特性初步的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)樣品采用上海超導(dǎo)科技股份有限公司提供的YBCO 高溫超導(dǎo)帶材，厚度約為0.25 mm，長(zhǎng)度150 mm，寬度12 mm。由于本實(shí)驗(yàn)的測(cè)試溫度環(huán)境為室溫～77 K，應(yīng)變測(cè)量采用的是日本共和低溫應(yīng)變片，內(nèi)設(shè)半橋路溫度補(bǔ)償電路[32]，其測(cè)量溫度范圍為：293 K～4.2 K，采用CC-3A 將工作應(yīng)變片貼至加載試樣的表面，溫度補(bǔ)償片貼至參考試樣的表面(不受機(jī)械載荷作用)。疲勞載荷的測(cè)量由安裝于作動(dòng)器下方的美國(guó)世銓機(jī)密級(jí)拉壓傳感器完成；在作動(dòng)器的兩側(cè)，安裝了絕對(duì)式光柵尺，以進(jìn)行位移高精度的測(cè)量與控制。此外，考慮到疲勞加載過(guò)程中的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由SOC 芯片控制系統(tǒng)組成，內(nèi)部有多個(gè)DSP 系統(tǒng)，并可自定義CPU，其數(shù)據(jù)采集速度最高可達(dá)5000 Hz。

此外，實(shí)驗(yàn)的誤差分析也是測(cè)試過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)前，對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試各子系統(tǒng)的機(jī)械誤差進(jìn)行了分析，在本測(cè)試系統(tǒng)中，電阻應(yīng)變儀的誤差是±0.5×10?6，高精度力學(xué)傳感器誤差是±1.5 N，疲勞機(jī)的控制誤差是<1%FS(量程)，電壓測(cè)量的誤差是±1×10?4μV，而由于溫度的波動(dòng)所產(chǎn)生的力學(xué)測(cè)量誤差為±1×10?2N。為保證實(shí)驗(yàn)測(cè)試的精度，盡量減少測(cè)試系統(tǒng)誤差的產(chǎn)生，實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)每組樣品進(jìn)行4 次～6 次實(shí)驗(yàn)，對(duì)多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行平均處理也可以避免實(shí)驗(yàn)中隨機(jī)誤差的產(chǎn)生。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在本文的疲勞試驗(yàn)中，初始疲勞載荷中的位移量是參照單向拉/壓實(shí)驗(yàn)的結(jié)果確定的，研究表明：載荷循環(huán)的頻率對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響很小，可忽略不計(jì)，所以本文選用的實(shí)驗(yàn)頻率是5 Hz。而疲勞試驗(yàn)中的應(yīng)力比是指試件循環(huán)加載時(shí)的最小荷載與最大載荷之比，在加速器磁體的應(yīng)用中，由于需要實(shí)時(shí)地控制粒子運(yùn)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)路徑，超導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)時(shí)常處于變應(yīng)力比的循環(huán)加載環(huán)境，因此，基于筆者自主研發(fā)的高溫超導(dǎo)帶材低/變溫疲勞性能測(cè)試裝置，考察1 萬(wàn)次、5 萬(wàn)次和10 萬(wàn)拉壓循環(huán)加載時(shí)應(yīng)力比效應(yīng)下YBCO 高溫超導(dǎo)帶材力學(xué)性能和電學(xué)性能對(duì)于其磁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是非常必要的。

2.2.1 屈服強(qiáng)度

YBCO 高溫超導(dǎo)帶材的屈服強(qiáng)度是其磁體力學(xué)分析的一個(gè)重要參考指標(biāo)。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，屈服強(qiáng)度也是設(shè)計(jì)人員主要關(guān)心的問(wèn)題。通常，屈服強(qiáng)度是指材料發(fā)生屈服現(xiàn)象時(shí)的屈服極限，亦即抵抗微量塑性變形的應(yīng)力。而對(duì)于YBCO 高溫超導(dǎo)復(fù)合材料，它們沒(méi)有明顯的屈服極限，因此，規(guī)定以產(chǎn)生0.2%的殘余變形的應(yīng)力值為其屈服極限[33 ? 34]。圖6 分別是室溫下1 萬(wàn)次、5 萬(wàn)次、10 萬(wàn)次疲勞荷載后YBCO 高溫超導(dǎo)帶材屈服強(qiáng)度與應(yīng)力比的關(guān)系。一方面，該樣品在其他設(shè)備下測(cè)量的靜態(tài)屈服強(qiáng)度為528 MPa[35]，而本文設(shè)備測(cè)量的拉伸強(qiáng)度為529 MPa，相對(duì)誤差小于1%，表明該設(shè)備的力學(xué)功能具有很好的穩(wěn)定性，完全滿足后續(xù)實(shí)驗(yàn)要求。隨著應(yīng)力比逐漸的變小，YBCO 高溫超導(dǎo)復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度緩慢的提高，且與疲勞荷載應(yīng)力比成非線性關(guān)系。在1 萬(wàn)次疲勞荷載下的樣品，當(dāng)疲勞荷載應(yīng)力比降低至0.1 時(shí)，其相比靜態(tài)載荷實(shí)驗(yàn)測(cè)得的屈服強(qiáng)度提高了約5%，這是由于其內(nèi)部的位錯(cuò)力隨應(yīng)力比的下降而增大，而使材料中位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)更加困難，表現(xiàn)出在屈服階段強(qiáng)度的提高。此外，隨著疲勞次數(shù)增加，缺陷密度逐漸增大，當(dāng)應(yīng)力比變小時(shí)，屈服強(qiáng)度呈先增大后下降的趨勢(shì)。

圖6 室溫下不同次數(shù)疲勞荷載YBCO 高溫超導(dǎo)帶材屈服強(qiáng)度與應(yīng)力比依賴關(guān)系Fig. 6 Yield strength-stress ratio curves of a YBCO tape under different fatigue cycles at room temperature

2.2.2 彈性模量

圖7 是室溫下1 萬(wàn)次、5 萬(wàn)次、10 萬(wàn)次疲勞荷載后YBCO 高溫超導(dǎo)帶材彈性模量與應(yīng)力比的依賴關(guān)系。

由于其彈性段很短，通過(guò)初始段確定其彈性模量離散性較高。因此，本試驗(yàn)中，通過(guò)塑性段的回載曲線的斜率來(lái)確定材料的彈性模量。從圖中可以看出，其彈性模量與循環(huán)載荷應(yīng)力比之間存在一定的線性關(guān)系，通過(guò)線性擬合，可得出其復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的彈性模量與循環(huán)載荷應(yīng)力比之間的關(guān)系，進(jìn)而方便工程設(shè)計(jì)人員靈活使用。從圖7還可以看出，隨著應(yīng)力比逐漸的變小，其彈性模量也在減小，在1 萬(wàn)次疲勞荷載下的樣品，相比于應(yīng)力比1 時(shí)的彈性模量，當(dāng)應(yīng)力比達(dá)0.1 時(shí)，測(cè)量值下降了約10%，這表明隨著應(yīng)力比降低，超導(dǎo)樣品的疲勞缺陷密度在提高。而在沒(méi)有形成位錯(cuò)環(huán)之前，高密度的缺陷分布會(huì)一定程度上降低YBCO 高溫超導(dǎo)帶材的力學(xué)性能。此外，隨著疲勞次數(shù)的增加，應(yīng)力比對(duì)彈性模量的影響呈明顯的非線性趨勢(shì)。這說(shuō)明應(yīng)力比與疲勞次數(shù)疊加效應(yīng)將共同影響其彈性模量。

圖7 室溫下不同次數(shù)疲勞荷載YBCO 高溫超導(dǎo)帶材彈性模量與應(yīng)力比的依賴關(guān)系Fig. 7 Young’s modules-stress ratio curves of a YBCO tape under different fatigue cycles at room temperature

2.2.3 臨界電流

圖8 室溫下1 萬(wàn)次疲勞荷載YBCO 高溫超導(dǎo)帶材臨界電流與應(yīng)力比的依賴關(guān)系Fig. 8 Critical current-stress ratio curves of a YBCO tape after 10000 fatigue cycles at room temperature

圖8 給出了YBCO 高溫超導(dǎo)帶材在液氮環(huán)境下的臨界電流隨疲勞加載的應(yīng)力比的衰減規(guī)律，從圖中可以看出，當(dāng)應(yīng)力比達(dá)到0.4，疲勞荷載的最大應(yīng)力提高到屈服強(qiáng)度的80%時(shí)，臨界電流衰減了大約4%，這表明，當(dāng)應(yīng)力比減小時(shí)，會(huì)引起YBCO 超導(dǎo)帶材內(nèi)部的微裂紋[36 ? 37]，進(jìn)而引起臨界電流降低，當(dāng)應(yīng)力比繼續(xù)降低時(shí)，內(nèi)部的裂紋間相互制約，造成相對(duì)的平衡態(tài)，裂紋不再擴(kuò)展，臨界電流相對(duì)保持不變。此外，當(dāng)疲勞荷載的最大應(yīng)力提高到屈服強(qiáng)度的95%時(shí)，臨界電流衰減了達(dá)到5%以上，這說(shuō)明疲勞荷載的最大應(yīng)力提高可以加速帶材內(nèi)部的微裂紋的擴(kuò)展，從而使臨界電流衰減速率加快。

2.2.4n值

圖9 是n值與應(yīng)力比之間的關(guān)系，當(dāng)應(yīng)力比為0.7，最大應(yīng)力為屈服強(qiáng)度的80%時(shí)，n值為41，而應(yīng)力比不變，最大應(yīng)力為屈服強(qiáng)度的90%時(shí)，n值為40.6，只有一些小的波動(dòng)。當(dāng)應(yīng)力比達(dá)到0.4 時(shí)，兩種工況下的n值快速下降；而當(dāng)應(yīng)力比達(dá)到0.1 時(shí)，最大應(yīng)力為屈服強(qiáng)度的80%的工況變化很小，最大應(yīng)力為屈服強(qiáng)度的90%的工況下降了約5%，這說(shuō)明，當(dāng)最大應(yīng)力強(qiáng)度提高，且應(yīng)力比降低時(shí)，帶材中的預(yù)應(yīng)變會(huì)相應(yīng)的提高，帶材可能出現(xiàn)過(guò)度的分層現(xiàn)象，進(jìn)一步地影響了n值的變化?？偟膩?lái)說(shuō)，n值的變化與臨界電流的變化大體相似，說(shuō)明在疲勞荷載時(shí)，YBCO 高溫超導(dǎo)帶材的超導(dǎo)層中會(huì)出現(xiàn)裂紋，并且隨著應(yīng)力比的減小，裂紋逐漸向外延伸傳播，破壞超導(dǎo)層，使得電流進(jìn)入銀層和銅穩(wěn)定層，電壓逐漸增加，最終造成一定的分流現(xiàn)象。

圖9 室溫下1 萬(wàn)次疲勞荷載YBCO 高溫超導(dǎo)帶材n 值與應(yīng)力比的依賴關(guān)系Fig. 9 n value-stress ratio curves of a YBCO tape after 10000 fatigue cycles at room temperature

3 結(jié)論

本文介紹了一種適用于高溫超導(dǎo)帶材低/變溫疲勞性能測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在低/變溫環(huán)境下對(duì)疲勞載荷和各種應(yīng)變引起超導(dǎo)材料臨界電流的改變進(jìn)行深入研究，同時(shí)具有高精度的靜動(dòng)態(tài)力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)測(cè)量功能。該裝置的成功研制將為我國(guó)加速器用高溫超導(dǎo)材料與磁體結(jié)構(gòu)的研發(fā)提供相關(guān)的基礎(chǔ)。此外，在本測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段，通過(guò)預(yù)留設(shè)計(jì)位置，研制成功了大空間的低溫真空箱，為未來(lái)的超導(dǎo)背景磁體安裝提供了相應(yīng)的空間，為系統(tǒng)的進(jìn)一步指標(biāo)提升和電磁功能實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

基于所搭建的測(cè)試系統(tǒng)，本文對(duì)受拉-壓疲勞荷載下的上海超導(dǎo)YBCO 高溫超導(dǎo)帶材的力學(xué)行為、載流特性開(kāi)展了初步的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在1 萬(wàn)次、5 萬(wàn)次、10 萬(wàn)次拉壓疲勞荷載的工況下，YBCO 高溫超導(dǎo)帶材的力學(xué)性能與載流特性與其應(yīng)力比成明顯的非線性關(guān)系，其中，在1 萬(wàn)次疲勞荷載工況下，材料的彈性模量隨著應(yīng)力比的降低而降小，其屈服強(qiáng)度隨著應(yīng)力比的降低而增大，臨界載流特性隨著應(yīng)力比的降低而降小，并且隨著疲勞次數(shù)的增加，應(yīng)力比對(duì)于材料力學(xué)性能的非線性效應(yīng)越明顯，而疲勞荷載最大應(yīng)力會(huì)加劇其臨界載流特性的退化，這些性能的變化與其疲勞荷載下微觀損傷機(jī)制是直接相關(guān)的。未來(lái)，將會(huì)增加樣品的種類及數(shù)目，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，使其能在低變溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)材料在疲勞變形過(guò)程中電磁、機(jī)械等特性的非接觸測(cè)量。為我國(guó)粒子加速器用高溫超導(dǎo)磁體的設(shè)計(jì)與研發(fā)提供基礎(chǔ)測(cè)試平臺(tái)，相關(guān)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的研究也將為YBCO 超導(dǎo)帶材的機(jī)械和電磁特性研究及交變載流高溫超導(dǎo)磁體的設(shè)計(jì)分析奠定基礎(chǔ)。