超導材料低溫力學實驗及多場性能測試儀器原型機研制中的若干關鍵技術研究.pdf

1、隨著大科學工程裝置的快速發(fā)展，超導磁體結構及其相關設備呈現(xiàn)出大型化、結構復雜化、高載流與高儲能等特點。超導材料及其結構的設計與運行，磁場、溫度、電流是三個相互制約的主要臨界態(tài)參量，在復雜多場環(huán)境下如何優(yōu)化超導材料的臨界狀態(tài)，使得超導材料與結構安全與穩(wěn)定運行，是超導結構與工程應用關注的熱點基礎問題。由于超導磁體與結構運行于大變電流、強變磁場、極低溫/變溫等復雜多場環(huán)境，多物理場間的相互影響與作用導致超導材料基本物性參數(shù)發(fā)生本質的變化，單純

2、基于單一溫度場下的材料結構參數(shù)的工程設計通常難以滿足高品質超導磁體系統(tǒng)的研發(fā)要求。因此，在極端多物理場環(huán)境下，開展各類實用超導材料結構參數(shù)的實驗表征與檢測方法，以及多場測試儀器平臺的研制均具有極為重要的科學與工程意義。
　　本學位論文運用實驗室已研發(fā)成功的低溫/變溫(77K~室溫)超導材料力學性能測試系統(tǒng)，開展了超導材料的低溫力學性能與溫度的依賴關系的測試，并發(fā)展了極端環(huán)境下的應變測試方法；進一步地，介紹了自主研發(fā)設計的無液氦4.

3、2K多物理場耦合測試系統(tǒng)原型機及其核心部件的研制及優(yōu)化情況，并對該系統(tǒng)最終的各項功能的調試結果進行了實驗測試與分析等。
　　1、開展了低溫環(huán)境下超導材料力學變形的基本測量方法研究。在低溫環(huán)境下超導材料變形低溫應變片和光纖測量方法介紹的基礎上，開展了高溫超導帶材的埋入式光纖測量方法的研究，建立并完善了低溫環(huán)境下應變片測量和布拉格光纖光柵測量技術的溫度補償方法?；趦煞N低溫下的應變測試方法實現(xiàn)了部分超導材料低溫環(huán)境下的變形實驗測量和對

4、比性研究，并詳細給出了低溫環(huán)境下的應變測試實驗誤差分析以及降低誤差的實驗操作環(huán)節(jié)改進技巧等。
　　2、建立了一種基于熱應變的低溫環(huán)境下超導絲材/帶材的低溫區(qū)的熱膨脹系數(shù)測試新方法并實施了實驗研究。從低溫/變溫下超導材料的熱應變測量出發(fā)，采用低溫下力學拉伸方式建立了一種超導材料熱膨脹系數(shù)的測試方法，并對低溫超導材料NbTi/Cu，Nb3Sn/Cu及Bi2212/Ag高溫超導材料的熱膨脹系數(shù)測試結果進行了分析及討論，相關結果與已有文獻

5、中基于物理方法的測量結果吻合良好。
　　3、系統(tǒng)測試了各類現(xiàn)有已進入工程應用的超導材料低溫溫區(qū)下的力學性能，并初步建立了部分超導材料力學參數(shù)基礎數(shù)據(jù)庫。主要是基于實驗室現(xiàn)有的低溫/變溫測試平臺開展了較為系統(tǒng)的測試工作，首先進行了若干典型超導材料在低溫/變溫環(huán)境下的力學性能測試及結果討論，進而從測試樣品準備、重復性驗證測試、對照性測試等先后完成了多達41種不同芯絲、銅超比的超導材料的低溫區(qū)(77K-室溫)的力學性能。經(jīng)過匯總和集成，

6、形成了初步的材料低溫力學性能數(shù)據(jù)庫，這對于超導材料和結構的設計和實際工程應用中選材和性能優(yōu)化等方面具有重要的指導意義。
　　4、參與開展了低溫-電磁多場性能測試儀器原型機的研制工作和若干關鍵技術研究工作，實現(xiàn)了部分核心子系統(tǒng)部件的設計及優(yōu)化，以及完成了原型機各項功能和性能的調試。對于研制的極低溫-電磁多場性能測試儀器的研發(fā)思路及各子系統(tǒng)做了簡要介紹，針對原型機研制過程中的兩個核心子系統(tǒng)部件——低溫真空箱體及冷屏和大電流加載超導引線