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Nat. Commun.: 蘭大團隊在超導帶材損傷演化檢測技術方面取得突破性進展

2021-06-22 15:49:01 作者：知社學術圈來源：知社學術圈分享至：

YBCO二代高溫超導帶材因其具有高臨界轉變溫度、高不可逆磁場和高載流能力，已成為國際學界高度關注并競相開發應用的一類高性能超導材料，以期用于提升如REBCO高場磁體（如圖1（a））、超導電機、超導電纜等電磁裝置的更高性能。

圖1. YBCO二代高溫超導帶材（b）制備的典型超導磁體（a）和蘭州大學提出的極端加載環境下超導帶材原位磁光法損傷檢測的示意圖（c）。

由于YBCO二代高溫超導帶材是一典型的層合材料，如圖1（b）所示，其脆性超導薄層通過沉積在具有較高力學性能的哈氏合金基底上、然后用金屬銀和銅層進行包覆來保證其在使役環境下的力學變形與載流需求。然而，這些超導電磁裝置在極端使役環境下（即極低溫、強電流和高磁場）的力學變形不可避免地存在熱失配應力和強電磁應力等因素的材料損傷破壞行為，進而制約著這類超導材料及其磁體性能的提升與穩定運行。為此，如何有效檢測出極端低溫和強磁場受力條件下的材料損傷起源與裂紋演化就成為當前這類材料獲得所期待的有效工程應用的一重要環節。

由于金屬包覆層阻止了對超導層裂紋的直接觀測和損傷的定位，通常的實驗測量手段均難以直接應用于這一觀測研究。為此，建立新的有效實驗檢測方法對于弄清這類先進超導材料內部損傷特征并揭示其破壞模式就一直成為提升YBCO二代超導材料性能有效設計與性能評估的挑戰性研究課題。

蘭州大學超導力學研究團隊在周又和教授的領導與指導下，團隊主要成員張興義、劉聰等人自2016年以來就針對這一難題開展攻關研究，提出了模擬極端使役環境條件下超導帶材的磁光與拉伸耦合的原位測量方法（見圖1（c）；實現了YBCO超導帶在不同環境溫度、不同環境磁場下的高清晰度磁光圖像隨拉伸應力的變化特征，即隨著應變值的升高，超導帶材的磁光測量圖像從穿透起源及其發展的全過程演化（如圖2所示），這一演化過程為認知超導帶材內部損傷與裂紋擴展的定量研究提供了基本的關聯信息特征。

圖2. 在40K、63mT實驗環境條件下，磁通穿透圖像隨拉伸應變升高的磁光圖像演化過程。a-f: 外加應變值分別為0%, 0.40%, 0.72%, 0.75%, 0.78%, 0.80%。

圖3. 點狀磁通運動的時間尺度圖。

圖4. 不同的速度分布。

依照磁光法的磁通圖像演化過程特征，進一步提出了對磁通運動與損傷機制認知研究的新途徑，取得的主要成果有：

發現了如圖3所示的一種點狀磁通運動的新模式及其運動時間尺度的變化特征，即隨著環境溫度從40K升高到60K和77K，運動時間尺度從 30ms增加至60ms和100ms；

隨著應變的增大，磁通運動由點狀結構變化為紡錘狀的穿透模式，其速度分布具有多級特征（如圖4所示），位于（6 μm/s，1059.3 μm/s）區間。

提出了磁光穿透圖像與內部損傷關聯的研究途徑。亦即，將實驗樣品采用逐層化學腐蝕處理，由磁光圖像定位出穿透位置處的SEM掃描結果進行對比（見圖5），由此得到了帶材內部損傷與裂紋擴展的特征規律。

基于這一新的實驗研究途徑及其實驗結果，發現了YBCO二代超導材料在使役環境下材料損傷的磁場敏感性，即穿透深度遠大于貫穿裂紋，進而揭示出這種損傷模式完全不同于傳統推測的貫穿裂紋破壞模式。其次，通過逐層腐蝕和SEM掃描，還發現了這種YBCO二代帶材從基底向上傳播的新破壞模式，且損傷尖端存在一種非晶化現象，如圖6所示。

圖5. 損傷與磁光圖像的對應。

圖6. 自下而上的破壞模式和裂尖非晶化

近日，上述研究成果以“Probing of the internal damage morphology in multilayered high-temperature superconducting wires”為題在國際知名期刊 Nature Communications上發表，周又和教授與張興義教授分別為論文第一作者和通訊作者，團隊成員劉聰副教授和博士生沈磊為其余作者。該論文研究得到了國家自然科學基金青年項目（No. 11902130）、面上項目（No. 11872196）和國家111引智項目（No.B14044）的資助。

論文評閱人認為對于YBCO二代超導帶材破壞檢測是一具有挑戰性的課題：

“The detection of real-time damage morphology of the YBCO layer （2G HTS） under tension strain is a challenging issue and it is crucial to their applications”，

并高度肯定本論文發現了系列新現象和新機制（“series of new phenomena”和“a new mechanism”），以及這一研究顯著提升了對電-力特性的理解，并可直接用于改進CCs機械性能的評價等：

“This work significantly enhances the understanding of electro-mechanical behavior, and also be directly useful to improve the mechanical performance of CCs, and thus, it could attract more people who involve in superconducting materials and/or related industrial fields”， “With this device, the authors first observed the point-like flux nucleation and spindle shape flux penetration induced by the stretching strain in the 2G HTS wires. The behaviors are indeed different from the flux avalanche triggered by traditional magnetic and thermal instability, which help us to understand the vortex dynamics of type-II superconductors.”

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