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感应屏蔽型高温超导故障电流限制器是高温超导体强电应用的重要方向之一,Bi-2212高温超导圆筒是感应屏蔽型限流器的核心部件。本文研究了烧制高温超导块材的部分熔化成型工艺,并用这种工艺成功烧结出可用于感应屏蔽型高温超导故障电流限制器的Bi-2212圆筒。超导圆筒直径为φ60mm,圆筒外表光滑,厚度均匀,临界电流达到420A,临界电流密度最高的超过500A/cm2(0T场下),起始转变温度为85K。这种Bi-2212高温超导圆筒是国内目前能烧制出尺寸最大的,性能最好的Bi-2212超导圆筒。
本文研究了影响部分熔化成型工艺制备Bi-2212超导圆筒性能的各种因素。本工艺中初始粉的最佳名义配比为标准配比,即Bi:Sr:Ca:Cu=2:2:1:2。最佳的前驱粉热处理温度为740℃-780℃。碳含量对材料的临界电流密度影响很大,本文对影响碳含量的多种因素进行了分析,认为热处理温度,热处理次数以及研磨时的吸附作用是影响碳含量的主要因素。随热处理温度提高及次数的增多,材料中的碳含量有规律的减少。研磨时产生的新鲜Bi-O面对碳的有较强的吸附作用,在纯氧或者纯氮气氛中研磨可以解决这个问题。本文探讨了前驱粉中相含量与热处理工艺的关系。实验结果表明随热处理次数增多及热处理温度提高,前驱粉中的Bi-2212相含量有规律的增多,杂相量减少。实验验证了超导材料的临界电流密度与微观结构是密切相关的。超导相的取向越好,非超导相含量和材料缺陷越少,超导材料的临界电流密度越高。当前驱粉热处理温度较低时,材料中碳含量较高,容易出现气泡和杂相聚集区,打断了Bi-2212晶粒的生长,影响超导材料的取向。当前驱粉热处理温度较高时,取向杂乱。本文认为随着热处理次数增加,前驱粉化学活性降低,当达到部分熔化温度时生成的液相减少,原有的Bi-2212相可能分解不完全,生成的核方向各异,这些都影响了超导材料生长时的取向,不利于生成具有一致取向的高性能超导材料。
论文探索了部分熔化成型工艺,在转动状态下,将Bi-2212超导前驱粉与乙醇混合在旋转状态下充入银模中,在氧气氛中升温到部分熔化温度,使超导前驱粉呈部分熔化状态,由于离心力的作用坚实地附着到银模上,然后降温到成相温度,以形成超导相,在富氮气氛中退火,炉冷,最终得到致密的超导圆筒。
本文根据单匝环路感应法的基本原理,改进了单匝环路感应法,设计研制了测试系统,并对Bi-2212超导筒的临界电流进行了研究,给出了超导筒的实验结果。该方法对于超导筒的临界电流具有比传统的“四引线法”无法比拟的优点。
本文根据电磁积分法交流损耗测试原理,建立了一套可以测试超导圆筒交流损耗的实验装置,对Bi-2212超导筒进行了性能研究。实验结果与理论分析值基本符合。当扫描磁场小于超导圆筒的穿透磁场(Hp)时,超导圆筒交流损耗功率与磁场强度峰值成立方关系适于用Bean-London模型来解释;随着扫描磁场的不断增加,幂函数的系数也不断增加,最大值达到了4,我们提出了使用Kim-Anderson模型来解释;当磁场强度比穿透磁场(Hp)大时,超导圆筒交流损耗功率与磁场强度峰值成线性关系。通过测试超导圆筒的交流损耗,可以计算出感应屏蔽型高温超导故障电流限制器在额定状态下的交流损耗。按照我们制备的Bi-2212超导圆筒交流损耗功率计算得到的交流损耗水平是可接受的。
为了研究Bi-2212超导圆筒的限流性能,进行了限流性能研究。实验结果验证了我们利用部分熔化成型工艺烧制的Bi-2212圆筒是适用于感应屏蔽型超导故障电流限制器。Bi-2212超导圆筒的限流性能研究表明,限流器的电抗Z随I变化可分为三段。