首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 核工业论文 > 核仪器仪表论文 > 试析YBCO带材机械接头的测试与制备

试析YBCO带材机械接头的测试与制备

2020-10-24 205 上传者：管理员

摘要：分段式高温超导磁体可大幅简化聚变堆堆芯的设计､建造与维护,而可拆卸式的低电阻接头是实现磁体分段的重要技术保证｡实验采用YBCO带材制作了机械式可拆卸接头,在液氮温区(77K)下对接头电阻和各层材料的电阻率进行了测量,分析了接头电阻的主要来源,并探究了不同表面处理､压力､降温次数和静置时间对接头电阻的影响｡

关键词：
YBCO
接头电阻
机械接头
核仪器仪表
电阻率
高温超导
加入收藏

1､引言

近年来,分段式高温超导磁体成为了磁约束核聚变磁体的一个重要研究方向｡日本核融合科学研究所(NIFS)与美国麻省理工学院(MIT),采用分段式方案分别设计了仿星器FFHR-d和紧凑型聚变堆ARC中的磁体线圈｡分段式磁体在简化聚变反应堆堆芯的设计､建造和维护方面具有重大优势,但大量的接头会造成磁体冷却功率上升以及安装困难｡因此,低电阻和可拆卸性的高温超导接头是实现分段式磁体的关键技术之一｡现有实用化的YBCO接头一般采用低温钎焊制作,已经不能满足大型分段式磁体中的需求｡为此,NIFS和MIT展开了多种结构的机械式可拆卸高温超导接头研究,包括阶梯式搭接､扇形搭接和楔形搭接等结构,不同工艺制备的接头电阻率为37.5—1088nΩcm2,初步验证了机械式可拆卸高温超导接头的可行性[1,2,3,4,5,6]｡

实验利用YBCO高温超导带材制作了机械式可拆卸接头,测量了77K温度下YBCO带材稳定层电阻率､焊料电阻率､铟箔电阻率､焊接接头电阻和机械接头电阻,根据以上材料的电阻率､接头中各层材料厚度和接头电阻,计算了机械接头中主要电阻来源的阻值范围,最后分析了不同表面处理､压力､降温次数和静置时间对接头电阻的影响｡

2､试验方法

2.1材料电阻率

机械接头制备采用上海超导YBCO镀铜高温超导带材ST-5-E,参数为:宽度5mm,银层厚1.5μm,单面铜层厚23μm,基带厚50μm,自场临界电流(Ic)大于120A｡77—120K温度区间哈氏合金的电阻率大约是铜(RRR=100)的100倍以上,银与铜电阻率相近,而哈氏合金基带截面积与铜银稳定层截面积相近,因此可认为电流基本不从基带流过｡稳定层的电阻率ρst可由公式(1)近似计算,其中Sst为带材稳定层截面面积(~0.25mm2),L为样品长度,U和I分别为测试电压和电流｡铜在77-120K间的电阻率与温度基本成线性关系[7],通过测量带材临界温度(~95K)至120K时带材的电阻率,再利用线性外推计算77K温度下稳定层的电阻率｡

ρst=SstUIL (1)

图1YBCO带材稳定层电阻率-温度曲线

带材稳定层电阻率的测量方法为:首先将高温超导带材浸泡到液氮中,加载2A的恒定电流,然后将带材移出液氮并自然缓慢升温,监测带材电压及电压采样点间的带材温度,直至温度上升到120K以上｡图1为所测YBCO带材样品稳定层在不同温度下的电阻率,根据图中线性拟合结果,稳定层77K时的电阻率分别为2.86×10-9Ωm,2.95×10-9Ωm和2.89×10-9Ωm,电阻率最大相差约3.1%,平均值2.90×10-9Ωm｡样品电阻率的误差来源主要是升温过程中温度分布不均造成,不同位置的最大温差约6K｡

实验所用的焊料为千住Pb37Sn63焊锡膏,其由直径为10—20μm合金粉末和助焊剂组成,熔点为183℃｡因焊锡膏电阻率无法直接测量,故将焊锡膏熔化后拉制成直径1.5mm左右的焊锡丝,浸泡到液氮中测量其电阻率,其值为4.23×10-8Ωm｡此外,还测量了高纯铟箔77K温度下的电阻率,其值为1.86×10-8Ωm｡

2.2接头压力标定

YBCO带材机械接头的结构如图2所示,图中对YBCO带材厚度进行了放大,YBCO带材搭接接头由上下两个316L不锈钢板夹持,由4个ϕ6mm螺栓紧固,搭接接头承受压力通过调节螺栓的扭矩实现｡接头承受压力利用标定的扭矩-压力曲线计算,标定方法为:将膜盒式压力传感器放置在搭接接头位置,在保持不锈钢板平行的条件下,使用扭力扳手逐渐增加螺栓扭矩,直到达到目标扭矩｡图3为同一组螺栓扭矩-压力标定结果,标定重复进行6次,在1—3.5Nm范围内,压力与扭矩基本成线性关系,相同扭矩下压力的浮动范围+7.7%｡

图2机械接头结构

图3扭矩-压力曲线

2.3接头制备与测试

接头制备过程:首先使用砂纸将YBCO带材搭接区域的表面打磨光亮,并用酒精清洁干净;然后使用胶带将YBCO带材搭接对齐,固定在不锈钢板表面;最后用螺栓固定上下不锈钢板,使用扭力扳手将4个固定螺栓逐次加力到设定扭矩｡打磨样品使用了粒径分别为9.5μm､19μm和38μm的Al2O3砂纸,部分接头在带材搭接面之间添加了30μm铟箔,接头样品类型见表1｡为估算YBCO带材稳定层与超导层的接触电阻,使用上述YBCO带材制备了两个焊接接头样品,接头搭接长度15mm｡超导层与稳定层的接触电阻在高温(200℃)下会发生改变,因此选取的焊接温度小于195℃,焊接时间小于20s｡接头电阻测量在液氮浸泡条件下完成,接头两端通过铟箔与铜电流引线压接,电压采样率点远离电流引线,与机械接头的间距为5cm｡

表1接头样品类型

3､接头测试结果

3.1电阻构成

YBCO带材搭接接头的电阻由超导层间的材料电阻和各层材料间的界面电阻组成｡接头样品搭接面积不完全相同,因此定义单位面积电阻率RSJ(nΩcm2)用于比较不同接头的电阻差异｡焊接接头的电阻(RSJ)包括银层电阻(RAg)､铜层电阻(RCu)和焊料电阻(RSolder)等各层材料的电阻,以及超导层与银层界面电阻(RREBCO/Ag)､银与铜界面电阻(RAg/Cu)和铜与焊料界面电阻(RCu/Solder)等各层材料接触面的界面电阻｡其中RCu/Solder与2RAg/Cu极小,银层厚度远小于铜层厚度且电阻率与铜接近,因此焊接接头的电阻可由公式(2)计算[8]｡公式(3)用于嵌入铟箔的搭接机械接头电阻计算,其中RIn为铟箔电阻､RCu/In为铜与铟的界面电阻｡公式(4)用于直接搭接的机械接头电阻计算,其中RCu/Cu为上下超导带之间铜与铜界面电阻｡

RSJ=2RREBCO/Ag+2RCu+RSolder(2)

RSJ=2RREBCO/Ag+2RCu+2RCu/In+RIn(3)

RSJ=2RREBCO/Ag+2RCu+RCu/Cu(4)

焊接接头的焊层厚度和机械接头的铟层厚度通过测量接头厚度估算,其平均值分别为10μm和26μm,根据所测77K下各层材料的电阻率,得到RCu为0.667nΩcm2,RSolder为4.23nΩcm2,RIn为4.84nΩcm2｡

3.2测试结果分析

图4是两个焊接接头的V-I曲线,在超导层开始分流前(0.1uV/cm)接头电阻几乎保持恒定值,接头1与接头2的阻值分别为26.8×nΩ和27.7×nΩ,接头搭接面积均为0.75cm2,因此相应RSJ为20.1nΩcm2和20.8nΩcm2｡由公式(2)可以得到RREBCO/Ag为7.27-7.62nΩcm2,平均值为7.45nΩcm2｡

图4钎焊接头的电阻率

图5是部分样品的V-I曲线,曲线斜率最大的为嵌入30μm铟箔的接头,当电流超过20A以后斜率随电流的增加快速增长,其余接头在100A以内电阻基本为恒定值,因此取V-I曲线斜率恒定时的值为接头的电阻值｡实验过程中发现,接头从室温浸泡到液氮,需要超过1分钟才能进入超导态,这表明在不锈钢钢板的夹持下,接头散热并不充分,造成接头电阻越大,接头区域超导层越提前临界,并随着电流增加逐渐过渡到失超状态｡

图5部分样品V-I曲线

图6接头电阻

图7接头界面电阻

图6是6种类型接头的平均电阻和阻值分布区间,由图中数据可得知:(1)嵌入铟箔的接头(MJ-38-3.5-In)阻值最大;(2)砂纸粒径最大的接头(MJ-38-5)电阻最小;(3)压强越大并不能保证接头电阻越小｡根据公式(3)､(4)和RREBCO/Ag计算了6种类型接头的搭接界面电阻(RCu/In或RCu/Cu),结果如图7所示｡最大搭接界面电阻为122nΩcm2(MJ-38-3.5-In),最小搭接界面电阻为35.8nΩcm2(MJ-38-5)｡根据计算结果可知,机械接头中绝大部分电阻由搭接界面电阻构成,其次为超导层与稳定层的界面电阻(7.45nΩcm2),各层材料电阻贡献最小(1.3—6.2nΩcm2)｡

机械接头的搭接界面电阻由集中电阻和膜面电阻构成,集中电阻即电流通过真实接触面时产生的电阻,膜面电阻即接触表面的膜层及污染物构成的电阻[11]｡降低搭接界面电阻的主要手段是通过改善表面接触条件和压力,刺穿绝缘膜层和污染物的同时增加真实接触面积｡实验中采用嵌入铟箔的方法增大真实接触面积,但电阻不降反增,推测是柔软的铟箔很好的保护了膜层及污染物,因而形成比铜面直接接触更大的膜面电阻｡一般认为压力越大接头接触面积越大,因此电阻随压力增加而降低,但测试中接头电阻的最小值却并不是最大压力的接头,表明较大压强时增大压强对降低接头电阻的效果有限,这与BagretsN.等人的研究结果一致[10,11]｡

3.3测试次数和时间的影响

接头在降温-回温过程中可能因变形､接头缝隙凝水结冰等原因造成接触条件变化,因此对MJ-38-3.5和MJ-38-3.5-In类型接头进行了多次电阻测试,除了第6-7次测试间隔为12.5小时以外,其余测试均间隔2小时,测试过程中液氮浸泡时间均小于20分钟,90%以上时间处于0℃以下｡测试结果如图8所示,MJ-38-3.5相邻测试间的最大电阻差异为约为4%(5nΩ),MJ-38-3.5-In相邻测试间的最大电阻差异为约为0.6%(2nΩ)｡在100A时下测试系统的重复测量精度高于1%,因此可以认为YBCO带材直接搭接的接头会在一定程度上受到降温-回温过程的影响,并且这种影响是随机的｡嵌入铟箔的搭接接头基本不会受到降温-回温过程影响,这可能是因为柔软的铟箔使得搭接带材接触良好,没有可以存储凝结水的空隙｡

图8接头电阻随测试次数变化的曲线

铜在持续的大应力作用下会发生蠕变,随着时间的增加接头界面的接触状态会发生变化,从而改变接头电阻｡实验使用MJ-38-3.5和MJ-38-3.5-In接头进行了较长固定时间间隔下的电阻测试,测试结果如图9所示｡首次测试距离接头制作完成26/28个小时,其余测试间隔48h,每次液氮浸泡时间均小于20min｡测试结果表明两种接头的电阻均随时间增长而明显降低,并且随着时间的增加电阻降低幅度也逐步降低,MJ-38-3.5和MJ-38-3.5-In接头的第1次与最后1次测试电阻分别相差5.1%(5.5nΩ)和5.8%(14nΩ),在样品制作完成170小时以后趋于恒定｡图9中第6-7次测试时两种接头电阻均有明显的降低,MJ-38-3.5和MJ-38-3.5-In降低幅度分别为14.1%(25nΩ)和2.9%(10nΩ)｡第1和第6次接头电阻没有明显的上升或下降趋势,在该测试区间内接头绝大部分时间处于0℃以下,表明接头电阻随时间降低的现象在低温环境中远小于室温环境中｡

图9接头电阻随时间的变化曲线

4､结论

实验利用YBCO带材制作了多个机械式搭接接头,研究了不同表面处理､压力､降温次数和时间对接头电阻的影响,分析了接头电阻的主要组成,总结如下:

(1)接头样品电阻率为52-159nΩcm2,嵌入30μm铟箔的接头电阻最大,38μm砂纸打磨､5Nm扭矩直接搭接接头的电阻最小,接头电阻绝大部分由接头搭接界面电阻构成,其次为超导层与稳定层界面电阻,各层材料电阻贡献较小;

(2)接头电阻与打磨砂纸粒径成反比,在较大压强下(~67MPa)继续增大压强对降低接头电阻的效果有限;

(3)测试次数会明显影响直接搭接接头的电阻,相邻测试次数的接头电阻最大差异为4%;嵌入铟箔的搭接接头基本不受影响,相邻测试次数的电阻差异小于0.6%,;

(4)接头样品的电阻在室温环境中随时间增长而明显降低,在样品制作完成170小时以后趋于恒定,接头电阻随时间降低的速率在低温环境中远小于在室温环境中｡

左佳欣,赖小强,孙林煜,陈辉.YBCO带材机械接头的制备与测试[J].低温与超导,2020,48(10):36-40+48.