摘要
目前，高温超导材料及其相关技术在大科学工程、交通、电力电工、新能源、生物医学、航空航天等领域发挥着重要作用，具有着广阔的应用前景，这与高温超导材料所具有的诸如高临界电流密度，宽泛的温度裕度和较强的抗粒子辐照能力等一系列优良的性能是密不可分的的。特别是在如大型粒子加速器等一些需要产生高强磁场的领域，高温超导材料在通电状态下可以产生超高磁场，能够很好满足大科学装置的物理需求，因此，高温超导磁体在未来大科学装置的研制及升级改造中展现出诱人的应用前景。目前，高温超导材料的技术与应用仍然处于逐步探索阶段，相关理论与实验尚远不能高效地满足其设计要求，这主要与超导材料在实际工作运行时所处的极端复杂的工况有密切关系。以大型粒子加速器中高温超导结构为例，首先，超导材料及其设备需在极低温的严苛环境下工作运行；其次，大型粒子加速器内部的强磁场和高载流的环境会产生强大的电磁力，在其内部工作的超导材料会因此承受各种不同形式的载荷和变形；最后，由于需要控制粒子的偏转路径等实际需要，大型粒子加速器内部的电场和磁场需要高频次的改变方向，超导材料又会不可避免地受到快速变化电磁场产生的交变疲劳荷载。因此，虽然高温超导带材所具有的高强度的哈氏合金基底层能够使带材本身的屈服强度和拉伸强度等重要力学性能大大增强，但是高温超导材料所处的低温—疲劳—电磁等极端多物理场间的相互作用极易导致超导材料基本物性参数发生本质的变化，单一载荷场所进行工程设计已无法完全满足实际工况的要求，需要对高温超导材料在低温—疲劳—电磁多物理场环境下的各种多场性能进行更为深入的研究。 本论文针对以上高温超导材料在实际应用中所面临的问题，主要工作包括如下几方面： (1)在第二章中，介绍了参与研发设计的高温超导带材低/变温疲劳性能测试系统，对各分系统的主要研发思路和各个分系统可以实现的功能进行了详细说明。目前，已经完成了完成该疲劳性能测试系统室温~77K部分的整体装配与关键性能调试，已利用该疲劳性能测试系统进行超导带材的相关疲劳性能实验测试，测试装置各项功能性指标均达到了设计要求。 (2)在第三章中，基于超导材料疲劳性能测试系统，一方面，开展了YBCO高温超导带材在室温和低温环境下的力学拉伸实验，测量了疲劳加载后YBCO高温超导带材的力学特性，包括屈服强度和弹性模量等，研究了疲劳加载后YBCO高温超导带材的力学性能与疲劳应力比间的关系。实验测试结果表明：在疲劳加载次数完全相同的情况下，YBCO带材的室温和低温力学性能均与其疲劳应力比成明显的非线性关系。另一方面，对疲劳加载后YBCO高温超导带材的临界电流以及力电退化行为进行了实验研究。初步掌握了疲劳加载对YBCO高温超导带材的临界载流性能的影响规律，这对于YBCO超导结构的设计具有重要意义。 (4)在第四章中，基于扫描电子显微镜技术，从微观角度开展疲劳加载后YBCO超导材料的微观结构变化及其损伤特征的研究。主要对疲劳加载后带材超导层表面的中心与边缘区域的微结构及Ba，Ni等超导层和哈氏合金层代表元素分布的变化进行了微观表征，探索了超导层表面裂纹和缺陷的大小、形态及超导层损伤区域的面积与超导带材宏观力电多场行为之间的联系。
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