CN112098468B - 一种高温超导带材液氮浸泡耐压力实验方法及实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温超导带材液氮浸泡耐压力实验方法及实验装置，其涉及高温超导带材的性能检测领域。其技术方案要点包括S200，将超导带材样品浸水后取出测试其临界电流值，重复多次测试，取平均值记lc(s2)；S300，将超导带材样品置于密封容器的液氮中，对密封容器加压并设置保压时间，达到保压时间后对密封容器进行泄压，泄压完成后将超导带材样品移出液氮，静置待超导带材样品恢复至常温，然后将超导带材样品再次浸入液氮，测试临界电流值，重复多次测试，取平均值记lc(n)。本发明可以有效模拟超导带材在工作环境下面临的影响因素，来判断超导带材包覆是否存在虚焊缝隙之类的缺陷，并检测超导带材的抗疲劳性和使用寿命。

Description

一种高温超导带材液氮浸泡耐压力实验方法及实验装置

技术领域

本发明涉及高温超导带材的性能检测领域，更具体地说，它涉及一种高温超导带材液氮浸泡耐压力实验方法及实验装置。

背景技术

高温超导材料是第二代超导技术材料，相对于低温超导材料，其工作温区在液氮下就可以进行，试验成本低廉，具有实验室大量应用的优势。超导带材的临界电流lc是应用中最重要的性能指标之一。决定高温超导材料载流大小的是功能层，也就是超导层，厚度在微米级，如果受到一定外力拉扯很容易破坏其膜层状超导结构，导致在工作状态时会降低其临界电流甚至带材过载完成烧毁损坏。所以，高温超导带材在大规模应用时需要测试其临界电流来评估带材性能。

例如授权公告号为CN106371043B的中国专利，公开了一种超导带材测试装置，该装置集成了固定、拉伸、扭转带材的功能，能够完成拉伸、扭转组合应力下的临界电流测试。

高温超导包覆带材采用锡焊方式使用不锈钢带、铜带或其他材质的金属带材包覆高温超导镀银裸带，这种方式对其焊接处的密封性有很高的要求。具有锡焊缺陷的超导带材可能在工作状态时受到损坏，从而影响带材工作性能和使用寿命，所以对于高温超导包覆带材也是有必要检测其是否存在虚焊缝隙的缺陷。

同时，大部分高温超导包覆带材在实际应用时可能会面临较为复杂的环境，例如在超导带材安装和使用过程中，会反复从空气中到液氮环境下，造成带材所处的温度和湿度环境均有剧烈的变化等，这些影响因素都对带材的抗疲劳性和使用寿命造成影响。

但是，现有技术中还没有一种实验方法能够模拟高温超导包覆带材在工作环境下面临的影响因素，来检测高温超导包覆带材的抗疲劳性能。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的之一在于提供一种高温超导带材液氮浸泡耐压力实验方法，其可以有效模拟高温超导带材在工作环境下面临的影响因素，来检测高温超导包覆带材的抗疲劳性和使用寿命，同时能够判断超导带材包覆是否存在锡焊缝隙的缺陷。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种高温超导带材液氮浸泡耐压力实验方法，包括以下步骤：

S100，取超导带材样品，测试其临界电流值，重复多次测试，取平均值记lc(s1)；

S200，将超导带材样品浸水后取出测试其临界电流值，重复多次测试，取平均值记lc(s2)；

S300，将超导带材样品置于密封容器的液氮中，对密封容器加压并设置保压时间，达到保压时间后对密封容器进行泄压，泄压完成后将超导带材样品移出液氮，静置待超导带材样品恢复至常温，然后将超导带材样品再次浸入液氮，测试临界电流值，重复多次测试，取平均值记lc(n)；

S400，重复步骤S300，完成试验次数为n；

S500，计算电流保留率K= lc(n)/{[ lc(s1)+ lc(s2)]/2}，以试验次数n为横坐标，以电流保留率K为纵坐标，得到电流保留率衰减曲线。

进一步地，还包括以下步骤：

S600，将超导带材样品浸水后取出测试其临界电流值，重复多次测试，取平均值记lc(E)，计算最终电流保留率K(E)=lc(E)/{[ lc(s1)+ lc(s2)]/2}。

进一步地，在步骤S300中，在保压时间内，多次测量超导带材样品的临界电流值，记lc(ni)，其中i为批次测试序号。

进一步地，对于临界电流值lc(ni)，相邻两次的时间间隔均相同。

进一步地，在步骤S100中，在超导带材样品上焊接电流导带，通过电流导带连接超导带材样品和用于测试的电极，来降低接触电阻。

进一步地，在步骤S100中，同时取多个超导带材样品进行实验，并对多个超导带材样品进行编号。

本发明的另一目的在于提供一种用于上述高温超导带材液氮浸泡耐压力实验方法的实验装置，其包括：

用于承载液氮的杜瓦罐；

与所述杜瓦罐为可拆卸连接的密封盖；

设置于所述密封盖上的升降装置，所述升降装置包括伸入所述杜瓦罐内的升降杆；

设置于所述升降杆端部、用于承载超导带材样品的临界电流测试模块；

设置于所述密封盖上的压力调节控制器；以及，

穿设于所述密封盖上的进液管，所述进液管上设置有进液阀。

进一步地，所述压力调节控制器上设置有增压阀、减压阀以及压力示数计数器。

进一步地，所述临界电流测试模块包括与所述升降杆连接的升降载台，所述升降载台上设置有用于与超导带材样品接触的绝缘载板，以及用于压紧超导带材样品的电流测试夹具；所述电流测试夹具上设置有电流电极，所述电流电极连接有穿过所述密封盖的电流引线；所述升降载台上设置有电压测试夹具，所述电压测试夹具上设置有电压电极，所述电压电极连接有穿过所述密封盖的电压引线。

进一步地，所述升降载台上设置有多个所述绝缘载板，所述电流测试夹具上设置有多个分别与绝缘载板相对的所述电流电极，所述电压测试夹具上设置有多个分别与绝缘载板相对的所述电压电极，且所述电流测试夹具能够同时压紧多个超导带材样品。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、本发明可以有效模拟超导带材在工作环境下面临的影响因素，来判断超导带材包覆是否存在虚焊缝隙之类的缺陷，并检测超导带材的抗疲劳性和使用寿命；

2、本发明可以采用电子控制方式实现实验程序自动化，设备系统可以按照流程设置自动完成实验步骤，实验人员不需要接触液氮，安全性高，而且同时检测多个超导带材样品。

附图说明

图1为实施例1中一种高温超导带材液氮浸泡耐压力实验方法的流程图；

图2为实施例2中实验装置的整体结构示意图；

图3为实施例2中实验装置的部分组件结构示意图；

图4为实施例2中临界电流测试模块的结构示意图。

图中：1、杜瓦罐；2、密封盖；21、固紧螺杆；3、升降装置；31、升降杆；41、升降载台；42、绝缘载板；43、电流测试夹具；44、电流电极；45、电压测试夹具；46、电压电极；47、电流引线外转接头；48、电压引线外转接头；5、压力调节控制器；51、压力示数计数器；52、增压阀；53、减压阀；54、安全阀内爆胆；61、进液管；62、进液阀；7、超导带材样品。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

实施例1：

一种高温超导带材液氮浸泡耐压力实验方法，参照图1，其包括以下步骤：

S100，取若干超导带材样品，并做好编号，其中超导带材样品的长度不小于两个电流电极的间距；使用助焊剂在超导带材样品两端焊上同样宽度的金属银电流引带，来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，其中焊点要求无虚接、气泡等缺陷；测试超导带材样品的临界电流值，重复三次测试，取平均值记lc(s1)。

S200，所有超导带材样品测试完成后放入干净的水中浸泡1h再取出，然后测试超导带材样品的临界电流值，重复三次测试，取平均值记lc(s2)。

S300，将超导带材样品置于密封容器的液氮中，对密封容器加压至设定值并设置保压时间，达到保压时间后对密封容器进行泄压，泄压完成后将超导带材样品移出液氮，静置5min待超导带材样品恢复至常温，然后将超导带材样品再次浸入液氮，测试超导带材样品的临界电流值，重复三次测试，取平均值记lc(n)。

其中在保压时间内，多次测量超导带材样品的临界电流值，记lc(ni)，其中i为批次测试序号，对于临界电流值lc(ni)，相邻两次的时间间隔均相同，即每隔设置时间就进行测试；临界电流值lc(ni)的测试有助于对衰减过程进行分析。

S400，重复步骤S300，完成试验次数为n。

S500，计算电流保留率K= lc(n)/{[ lc(s1)+ lc(s2)]/2}，以试验次数n为横坐标，以电流保留率K为纵坐标，得到电流保留率衰减曲线，通过电流保留率衰减曲线可进行样品的抗疲劳性和使用寿命分析。

S600，完成步骤S300的循环试验后，取出超导带材样品，放入干净的水中浸泡1h取出，测试超导带材样品的临界电流值，重复三次测试，取平均值记lc(E)，计算最终电流保留率K(E)=lc(E)/{[ lc(s1)+ lc(s2)]/2}。

最后在同压下判定超导带材样品性能；不同种类的超导带材样品其耐压力性能是不同的； 对于超导带材样品，其K值越大表示经过液氮温度冲击后所测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；而K值越小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，包覆存在缺陷；本实施例中，电流保留率K判定值取95%，即K＜95%则判定超导带材样品不合格。

对于通过浸泡水之后的超导带材样品，液态水可能透过焊缝渗入带材内部包覆层结构，在遇到低温状况时，液氮汽化后在密闭罐体内产生压力，压力压缩液氮进入包覆缝隙，内部的液态水迅速结冰膨胀破坏超导带材，在取出后，液氮也会汽化膨胀，破坏超导层结构，两种疲劳性实验共同放大的缺陷在通直流电流测试临界电流时高温发热会造成临界电流降低或者带材损坏。

本实施例的实验方法可以有效模拟超导带材在工作环境下面临的影响因素，来判断超导带材包覆是否存在虚焊缝隙之类的缺陷，并检测超导带材的抗疲劳性和使用寿命。

实施例2：

一种应用于上述高温超导带材液氮浸泡耐压力实验方法的实验装置，参照图2至图4，包括：

用于承载液氮的杜瓦罐1；

与杜瓦罐1为可拆卸连接的密封盖2，本实施例中密封盖2通过四个固紧螺杆21与杜瓦罐1连接，且连接处设置有密封圈（附图中未示出）来提高气密性；

设置于密封盖2上的升降装置3，升降装置3包括伸入杜瓦罐1内的升降杆31，升降杆31与密封盖2连接处同样设置有密封圈，升降杆31下降后密封圈会锁死来防止气体泄出，保证气密性；本实施例中升降装置3采用电子控制方式，属于现有技术，例如丝杆升降机等；

设置于升降杆31端部、用于承载超导带材样品7的临界电流测试模块；

设置于密封盖2上的压力调节控制器5；以及，

穿设于密封盖2上的进液管61，进液管61上设置有进液阀62。

参照图2，压力调节控制器5上分别设置有增压阀52、减压阀53、压力示数计数器51以及安全阀内爆胆54；本实施例中压力调节控制器5采用电子控制系统，可以设置目标压力、保压时间和重复次数，通过增压或泄压方式来精确控制杜瓦罐1内的压力，同时通过安全阀内爆胆54采用爆破内胆方式释放超过临界值的压力，与电子控制方式配合，来提高仪器安全性；同时，所有的阀门除了电子控制方式外也可以手动打开或者关闭。

参照图2至图4，临界电流测试模块包括与升降杆31连接的升降载台41，升降载台41上设置有用于与超导带材样品7接触的绝缘载板42，以及用于压紧超导带材样品7的电流测试夹具43；电流测试夹具43上设置有电流电极44，电流电极44连接有穿过密封盖2的电流引线（附图中未示出）；升降载台41上设置有电压测试夹具45，电压测试夹具45上设置有电压电极46，电压电极46连接有穿过密封盖2的电压引线（附图中未示出）。

参照图2至图4，本实施例中升降装置3侧壁分别设置有电流引线外转接头47和电压引线外转接头48，电流引线穿过密封盖2后与电流引线外转接头47连接，电压引线穿过密封盖2后与电压引线外转接头48连接，且电流引线和电压引线均采用内密封式结构，来防止气体泄出；本实施例中对临界电流采用四引线测量法，即两个电流引线外转接头47通过导线连接直流电流源，给超导带材样品7提供连续变化的电流，两个电压引线外转接头48通过导线连接纳伏表，来测量电流在超导带材样品上所形成的连续变化的电势差。

参照图4，本实施例中升降载台41上设置有两个绝缘载板42，电流测试夹具43上设置有两个分别与绝缘载板42相对的电流电极44，电压测试夹具45上设置有两个分别与绝缘载板42相对的电压电极46；电流测试夹具43和电压测试夹具45均通过螺栓与升降载台41连接，电流测试夹具43能够同时压紧两个超导带材样品7 ，其中电压电极46为银弹簧探针。

工作原理如下：

使用本实施例的实验装置进行实验时，实验方法包括以下步骤：

步骤1，取两个超导带材样品7，并做好编号，超导带材样品7的长度不小于两个电流电极44的间距；

步骤2，使用助焊剂在超导带材样品7两端焊上同样宽度的金属银电流引带，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，检测超导带材样品7的临界电流值，重复三次测试，取平均值记lc(s1)，此处临界电流值的测量不需要采用实验装置，采用常规装置就可以；

步骤4，两个超导带材样品7均检测完成后放入干净的水中浸泡1h再取出；

步骤5，检测超导带材样品7的临界电流值，重复三次测试，取平均值记lc(s2)；

步骤6，将超导带材样品7整齐放置在临界电流测试模块的绝缘载板42上，再压入电流电极44，使电压电极46充分压接超导带材样品7表面，并旋紧电流测试夹具43上的螺栓完成超导带材样品7的固定，注意检查电压电极46必须压接接触超导带材样品7表面；

步骤7，将装有超导带材样品7的临界电流测试模块安装固定至升降杆31底端；

步骤8，将密封盖2安装至杜瓦罐1上，通过四个固紧螺杆21将密封盖2与杜瓦罐1紧固连接，控制升降杆31下降至最低处，检测气密性，检查电路正常工作；

步骤9，将增压阀52、减压阀53和进液阀62管路分别接入相应的气液供给源；

步骤10，打开进液阀62，向杜瓦罐1中灌入液氮，可以设置液位警戒装置，当液位没过临界电流测试模块后达到警戒液位后会有提示，然后关闭进液阀62；

步骤11，在压力调节控制器5上输入设置实验目标压力值a Mpa，保压时间f min，试验次数n次；

步骤12，增压阀52自动打开，罐体内持续吸入氮气，当压力示数计数器51达到设置目标压力值时，增压阀52自动关闭；计时器开始计时，在预设值保压时间内，杜瓦罐1内压力过低或过高，会相应打开增压阀52或者减压阀53来控制罐内压力稳定保持设置值；电流测试装置会每隔设置时间通电对超导带材样品测试临界电流值lc(ni)，i为批次测试序号；达到预设保压时间后，减压阀53打开，放空杜瓦罐1内高压氮气至常压，罐内气体为空气成分；

步骤13，升降杆31带动电流测试模块上升并脱离液氮液位，静置5min待超导带材样品7恢复至常温，升降杆31再次带动电流测试模块下降至液氮液位下，测试临界电流值重复三次，取平均值记lc(n)，第一次循环次数结束；

步骤14，自动重复步骤12-步骤13，直至完成预设的试验次数n；

步骤15，完成试验次数后，升降杆31带动临界电流测试模块上升出液氮液位，打开减压阀53泄压并排空液氮，打开密封盖2，取出超导带材样品7；

步骤16，将超导带材样品7再次放入干净的水中浸泡1h取出；

步骤17，检测超导带材样品7临界电流值，重复三次测试，取平均值记lc(E)；

步骤18，根据临界电流测试值计算电流保留率K= lc(n)/{[ lc(s1)+ lc(s2)]/2}，以试验次数n为横坐标，以电流保留率K为纵坐标，得到电流保留率衰减曲线，并计算最终电流保留率K(E)=lc(E)/{[ lc(s1)+ lc(s2)]/2}。

Claims (10)

1.一种高温超导带材液氮浸泡耐压力实验方法，其特征在于：包括以下步骤：

S100，取超导带材样品，测试其临界电流值，重复多次测试，取平均值记lc(s1)；

S200，将超导带材样品浸水后取出测试其临界电流值，重复多次测试，取平均值记lc(s2)；

S300，将超导带材样品置于密封容器的液氮中，对密封容器加压并设置保压时间，达到保压时间后对密封容器进行泄压，泄压完成后将超导带材样品移出液氮，静置待超导带材样品恢复至常温，然后将超导带材样品再次浸入液氮，测试临界电流值，重复多次测试，取平均值记lc(n)；

S400，重复步骤S300，完成试验次数为n；

S500，计算电流保留率K= lc(n)/{[ lc(s1)+ lc(s2)]/2}，以试验次数n为横坐标，以电流保留率K为纵坐标，得到电流保留率衰减曲线。

2.根据权利要求1所述的高温超导带材液氮浸泡耐压力实验方法，其特征在于：还包括以下步骤：

S600，将超导带材样品浸水后取出测试其临界电流值，重复多次测试，取平均值记lc(E)，计算最终电流保留率K(E)=lc(E)/{[ lc(s1)+ lc(s2)]/2}。

3.根据权利要求1所述的高温超导带材液氮浸泡耐压力实验方法，其特征在于：在步骤S300中，在保压时间内，多次测量超导带材样品的临界电流值，记lc(ni)，其中i为批次测试序号。

4.根据权利要求3所述的高温超导带材液氮浸泡耐压力实验方法，其特征在于：对于临界电流值lc(ni)，相邻两次的时间间隔均相同。

5.根据权利要求1所述的高温超导带材液氮浸泡耐压力实验方法，其特征在于：在步骤S100中，在超导带材样品上焊接电流导带，通过电流导带连接超导带材样品和用于测试的电极，来降低接触电阻。

6.根据权利要求1所述的高温超导带材液氮浸泡耐压力实验方法，其特征在于：在步骤S100中，同时取多个超导带材样品进行实验，并对多个超导带材样品进行编号。

7.一种应用于权利要求1-6中任一项所述高温超导带材液氮浸泡耐压力实验方法的实验装置，其特征在于：包括：

用于承载液氮的杜瓦罐；

与所述杜瓦罐为可拆卸连接的密封盖；

设置于所述密封盖上的升降装置，所述升降装置包括伸入所述杜瓦罐内的升降杆；

设置于所述升降杆端部、用于承载超导带材样品的临界电流测试模块；

设置于所述密封盖上的压力调节控制器；以及，

穿设于所述密封盖上的进液管，所述进液管上设置有进液阀。

8.根据权利要求7所述的实验装置，其特征在于：所述压力调节控制器上设置有增压阀、减压阀以及压力示数计数器。

9.根据权利要求7所述的实验装置，其特征在于：所述临界电流测试模块包括与所述升降杆连接的升降载台，所述升降载台上设置有用于与超导带材样品接触的绝缘载板，以及用于压紧超导带材样品的电流测试夹具；所述电流测试夹具上设置有电流电极，所述电流电极连接有穿过所述密封盖的电流引线；所述升降载台上设置有电压测试夹具，所述电压测试夹具上设置有电压电极，所述电压电极连接有穿过所述密封盖的电压引线。

10.根据权利要求9所述的实验装置，其特征在于：所述升降载台上设置有多个所述绝缘载板，所述电流测试夹具上设置有多个分别与绝缘载板相对的所述电流电极，所述电压测试夹具上设置有多个分别与绝缘载板相对的所述电压电极，且所述电流测试夹具能够同时压紧多个超导带材样品。

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