CN112542269B - 一种铌三锡超导线拉伸应变临界电流测试样品制备方法 - Google Patents

一种铌三锡超导线拉伸应变临界电流测试样品制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种铌三锡超导线拉伸应变临界电流测试样品制备方法，包括：步骤1、将铌三锡超导线绕制到具有预设的第一直径尺寸的热处理骨架上，经热处理后制备得到测试样品；所述热处理骨架的第一直径尺寸小于标准临界电流测试样品骨架的第二直径尺寸；步骤2、通过锥度过渡块将热处理骨架连接到标准临界电流测试样品骨架上；步骤3、利用锥度过渡块将热处理后的铌三锡超导线转移到标准临界电流测试样品骨架上，制备成临界电流测试样品；步骤4、利用标准临界电流测试装置测试不同应变条件下铌三锡超导线的临界电流，获得不同应变与临界电流的关系，所述不同应变是指由于绕制骨架尺寸变化导致铌三锡超导线圆弧内外侧超导芯丝上产生不同的拉伸/压缩应变。

Description

一种铌三锡超导线拉伸应变临界电流测试样品制备方法
技术领域
本发明涉及超导线性能测试领域，尤其是一种铌三锡超导线不同拉伸应变临界电流测试样品的制备方法。
背景技术
在热核聚变反应堆、交通、电力、医疗、电子等科学技术领域，低温超导材料，尤其是铌三锡、铌钛超导材料，已经得到了广泛的运用。随着超导磁体技术的不断发展，以及对于更高磁场的需求，相对于铌钛超导材料而言，具有更高临界性能的铌三锡超导材料在高场领域的应用日益广泛。
铌三锡超导材料需要经过高温热处理以形成铌三锡超导态，热处理之后的铌三锡超导线脆性大，受力发生形变容易导致超导芯丝断裂而引起临界电流的衰退，严重的情况下将导致不可逆的性能退化。实际应用中，由于热胀冷缩、电磁力等原因引起的应变不可避免，因此必须对铌三锡超导线临界电流与应变的关系进行重点评估，以满足超导磁体的设计需求。国内外科研机构相继开发了Walters-Spring、U-Spring、Pacman、C-Ring等装置对铌三锡超导线临界电流与应变关系进行测试评定。研究表明，铌三锡超导线对于压缩应变不敏感，而拉伸应变，一般超过0.3％，将会导致严重的退化现象。这些装置主要是针对铌三锡超导线等对于应变敏感的超导材料进行测试，均设计有复杂的传动机构对铌三锡超导线施加拉伸、压缩应力，测试不同应变条件下铌三锡超导线的临界电流变化，测试装置结构复杂，同时通用性不强。
目前国际通用的超导线临界电流测试方法参照标准IEC 61788-1，样品测试骨架使用9-24mm直径，节距角度7°的钛合金测试样品骨架，该样品骨架可用于铌钛、铌三锡等超导线样品的临界电流测试。在此基础上，国际热核聚变实验堆(ITER)规定了标准的铌钛、铌三锡超导线样品临界电流测试样品骨架，可实现在变温、变磁场环境下的超导线材临界电流测试，对于铌三锡超导线样品，该标准骨架仅实现热处理后无应变条件下的超导线临界电流测试。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种不同拉伸应变铌三锡超导线临界电流测试样品的制备方法，利用标准临界电流测试骨架对不同应变下铌三锡超导线的临界电流进行测试，无需复杂的专用测试装置，样品制备简单，测试过程与标准临界电流样品测试一致。
本发明利用改变弯曲直径在热处理后的铌三锡超导线圆弧内外侧超导芯丝上产生不同的拉伸/弯曲应变的原理制备不同应变的铌三锡超导线；将热处理后的铌三锡超导线转移到标准临界电流测试样品骨架上制备成不同应变的临界电流测试样品；利用标准临界电流测试装置测试不同应变条件下铌三锡超导线的临界电流，获得应变与临界电流的关系。
本发明的技术方案为：一种铌三锡超导线拉伸应变临界电流测试样品制备方法，包括如下步骤：
步骤1、将铌三锡超导线绕制到具有预设的第一直径尺寸的热处理骨架上，制备得到测试样品；所述热处理骨架的第一直径尺寸小于标准临界电流测试样品骨架的第二直径尺寸；
步骤2、通过锥度过渡块将热处理骨架连接到标准临界电流测试样品骨架上；
步骤3、利用锥度过渡块将其转移到标准临界电流测试样品骨架上，制备成临界电流测试样品；
步骤4、利用标准临界电流测试装置测试不同应变条件下铌三锡超导线的临界电流，获得不同应变与临界电流的关系，所述不同应变是指由于绕制骨架尺寸变化导致铌三锡超导线圆弧内外侧超导芯丝上产生不同的拉伸/压缩应变。
进一步的，所述的应变根据公式或者表格确定热处理骨架的直径，所述公式为：应变εt＝(Φ/2)(1/D1-1/D2)，铌三锡超导线芯丝直径为Φ，热处理样品弯曲直径为D1，改变弯曲直径至D2；
进一步的，所述的预设的第一直径尺寸的热处理骨架上，其尺寸长度、螺旋槽节距、深度及角度与标准临界电流样品骨架一致。
进一步的，所述步骤2包括：热处理后的热处理骨架通过夹紧工装以及锥度过渡块与标准临界电流测试骨架对接，热处理骨架及标准临界电流测试骨架之间通过锥度过渡块从热处理骨架外表面过渡到标准临界电流测试骨架外表面。
进一步的，所述步骤3包括：将热处理后的铌三锡超导线旋转到标准临界电流测试骨架的螺旋槽内；标准临界电流测试骨架两端铜环位置的铌三锡超导线用焊锡焊接固定，从而完成不同拉伸应变的铌三锡超导线标准临界电流测试样品的制备。
有益效果：
本发明提出了铌三锡超导线变应变计算公式，计算出所需应变的热处理骨架的尺寸，绕制在热处理骨架上的铌三锡超导线经过热处理之后，再利用特制工装转移到较大尺寸的标准临界电流测试骨架上，从而在铌三锡超导线上获得所需的拉伸应变值，进而利用标准临界电流测试骨架对不同应变下铌三锡超导线的临界电流进行测试，以获得不同拉伸应变条件下的铌三锡超导线的临界性能。根据计算公式可以设计不同尺寸的热处理骨架，以获得多个不同拉伸应变铌三锡超导线样品。本发明利用改进的热处理骨架与标准临界电流测试骨架对不同应变下铌三锡超导线的临界电流进行测试，无需复杂的专用测试装置，样品制备简单，测试过程与标准临界电流样品测试一致，方便快捷，方法具有兼容性。
附图说明
图1为本发明改进的热处理骨架示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
根据本发明的一个实施例，提出一种改进后的热处理骨架，如图1所示，分为三段，包括热处理骨架2、锥形过渡锥度过渡块4、标准临界电流测试骨架5，三段依次连接；
热处理骨架2的长度、螺旋槽节距、深度及角度等与标准临界电流样品骨架5一致，但是热处理骨架2的直径小于标准临界电流样品骨架5；将铌三锡超导线3绕制在热处理骨架2上，根据铌三锡超导线3热处理工艺进行热处理；将热处理后的骨架2通过夹紧工装1以及锥度过渡块4与标准临界电流测试骨架5对接，热处理骨架2及标准临界电流测试骨架5之间通过锥度过渡块4从热处理骨架2外表面过渡到标准临界电流测试骨架5外表面；将热处理后的铌三锡超导线3旋转到标准临界电流测试骨架5的螺旋槽内；标准临界电流测试骨架5两端铜环6位置的铌三锡超导线用焊锡焊接固定，从而完成不同拉伸应变的铌三锡超导线标准临界电流测试样品的制备。
进一步的，根据本发明的实施例，基于上述改进后的热处理骨架，提出一种铌三锡超导线拉伸应变临界电流测试样品制备方法，具体包括：
步骤1、将铌三锡超导线绕制到具有预设的第一直径尺寸的热处理骨架上，制备得到测试样品；所述热处理骨架的第一直径尺寸小于标准临界电流测试样品骨架的第二直径尺寸；
步骤2、通过锥度过渡块将热处理骨架连接到标准临界电流测试样品骨架上；
步骤3、利用锥度过渡块将其转移到标准临界电流测试样品骨架上，制备成临界电流测试样品；
步骤4、利用标准临界电流测试装置测试不同应变条件下铌三锡超导线的临界电流，获得不同应变与临界电流的关系，所述不同应变是指由于绕制骨架尺寸变化导致铌三锡超导线圆弧内外侧超导芯丝上产生不同的拉伸/压缩应变。
根据本发明的实施例，具体应变产生原理阐述如下：
铌三锡超导线芯丝直径为Φ，热处理样品弯曲直径为D1，改变弯曲直径至D2。当D2>D1时，在圆弧外侧及内侧分别产生压缩和拉伸应变；当D2<D1时，在圆弧外侧及内侧分别产生拉伸和压缩应变。由于铌三锡超导芯丝为一定节距的扭绞结构，在超过一个节距长度上外侧铌三锡超导线芯丝上将间隔产生最大的拉伸/压缩应变值，因而可以模拟评估热处理后铌三锡超导线在线圈绕制过程中改变弯曲半径导致不同应变值时的临界电流。
考虑到更容易固定临界电流测试样品而不会损伤超导线，因而选择D2>D1，即将小直径热处理样品转移到大直径的标准临界电流测试样品骨架上固定，然后进行应变下临界电流测试。
在弯曲直径为D2的铌三锡超导线圆弧内侧将产生拉伸应变εt，当Φ与D1、D2相比可以忽略时有εt＝(Φ/2)(1/D1-1/D2)。对于直径1mm的高场铌三锡超导线，标准临界电流样品骨架上的弯曲直径D2＝31.41mm，计算得到不同拉伸应变εt对应的热处理样品弯曲直径D1如表1所示。
表1拉伸应变及弯曲直径对照表(部分)
Figure BDA0002808270250000041
Figure BDA0002808270250000051
根据应变计算公式或者表1中列出的应变与弯曲直径的关系，确定需要制备样品的数量及对应的热处理样品直径D1；再根据D1确定缩小直径的样品热处理骨架2的尺寸。
将热处理后的铌三锡超导线3旋转到标准临界电流测试骨架5的螺旋槽内；标准临界电流测试骨架5两端铜环6位置的铌三锡超导线用焊锡焊接固定，从而完成不同拉伸应变的铌三锡超导线标准临界电流测试样品的制备。
根据计算公式可以设计不同尺寸的热处理骨架2，以获得多个不同拉伸应变铌三锡超导线样品；同时，锥度过渡块4有利于小直径的铌三锡超导线从热处理骨架2转移到大直径的标准临界电流骨架5上，防止对铌三锡超导线造成损伤。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种铌三锡超导线拉伸应变临界电流测试样品制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、将铌三锡超导线绕制到具有预设的第一直径尺寸的热处理骨架上，经热处理后制备得到测试样品；所述热处理骨架的第一直径尺寸小于标准临界电流测试样品骨架的第二直径尺寸；
步骤2、通过锥度过渡块将热处理骨架连接到标准临界电流测试样品骨架上；
步骤3、利用锥度过渡块将热处理后的铌三锡超导线转移到标准临界电流测试样品骨架上，制备成临界电流测试样品；
步骤4、利用标准临界电流测试装置测试不同应变条件下铌三锡超导线的临界电流，获得不同应变与临界电流的关系，所述不同应变是指由于绕制骨架尺寸变化导致铌三锡超导线圆弧内外侧超导芯丝上产生不同的拉伸/压缩应变；
所述的应变根据公式确定热处理骨架的直径，所述公式为：应变εt＝(Φ/2)(1/D1-1/D2)，铌三锡超导线芯丝直径为Φ，热处理样品弯曲直径为D1，改变弯曲直径至D2。
2.根据权利要求1所述的一种铌三锡超导线拉伸应变临界电流测试样品制备方法，其特征在于：所述的预设的第一直径尺寸的热处理骨架上，其尺寸长度、螺旋槽节距、深度及角度与标准临界电流样品骨架一致。
3.根据权利要求1所述的一种铌三锡超导线拉伸应变临界电流测试样品制备方法，其特征在于：所述步骤2包括：热处理后的热处理骨架通过夹紧工装以及锥度过渡块与标准临界电流测试骨架对接，热处理骨架及标准临界电流测试骨架之间通过锥度过渡块从热处理骨架外表面过渡到标准临界电流测试骨架外表面。
4.根据权利要求1所述的一种铌三锡超导线拉伸应变临界电流测试样品制备方法，其特征在于：所述步骤3包括：将热处理后的铌三锡超导线旋转到标准临界电流测试骨架的螺旋槽内；标准临界电流测试骨架两端铜环位置的铌三锡超导线用焊锡焊接固定，从而完成不同拉伸应变的铌三锡超导线标准临界电流测试样品的制备。
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