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高温超导体及阵列结构机械工程超导体专业在职硕士论文研究

   发布时间:2018-09-05   [点击量:127]  


第一章 序言
 
超导现象于 1911 年初次在试验中发现,尔后一百多年的开展进程中,因为具有一系列与众不同的性质,招引了许多的物理学家和资料科学范畴研讨人员的目光,许多学者在超导的构成机理、新式资料的研发以及超导设备的制备方面进行了许多而详尽的研讨作业,取得了行之有用的效果,超导科学得到了长足的开展。超导资料与一般导电资料不同,具有许多独特性,因而在电力传输、发变电、储能、交通、通讯、医学等各个范畴被广泛使用[1-3]。高温超导技能被认为是 21 世纪十大高新技能之一,高温超导体与后来发现的铁基超导体是超导类资料使用的主力军。在超导科学的开展进程中,研讨人员一直尽力进步资料的临界改动温度和高临界电流密度等物理特色。但因为超导资料在详细工程使用中遇到了许多实践问题,成为超导科学转化为实践生产力的巨大阻力。另一方面,超导技能使用的条件之一是清晰不同环境下资料的各项根本特色,因而越来越多的科学研讨人员及工程师开端重视超导体的热-磁安稳性、机械安稳性等根本特色,随后进行了许多的试验及理论研讨。已有研讨成果标明,对杂乱环境下高温超导资料的磁化、应力散布及磁致弹性等特性进行研讨对超导设备正常运转的条件保证[4],此类理论的研讨对高温超导设备的研发和使用有着非常重要的含义。
 
1.1 超导资料简介
荷兰莱顿大学的Onnes于1908年在试验室成功地将氦气液化,完成了1.04K的极低温环境[5]。1911年,Onnes意外地发现,将汞(Hg)冷却到4.2K以下温度时,Hg的电阻俄然消失,这是人类初次发现某种金属具有无电阻的性质。后来对其他金属和合金进行试验后,连续发现了与汞相类似的无电阻特性[6]。两年后,他初次以“超导电性”这一词来描绘“无电阻”这一物理现象[7]。自此,人们开端以“超导体”这一全新称号称号此类导体。因为液化氦气本钱非常高,因而超导资料在使用上遭到很大约束。自此,寻觅改动温度高于液化氦的超导体成为人们尽力的方针。科学家对许多单一元素进行测验后发现,除汞(Hg)以外,又在铅(Pb)、锡(Sn)、铌(Nb)等许多金属元素中发现超导电性。但除了铌(Nb)临界改动温度挨近10K外,其他元素发作超导改动的临界温度均较低,其使用价值较低,很难完成工业化使用。尔后许多学者将超导元素与其他元素进行结合,又发现了许多化合物具有超导性,其间,临界温度最高的是Nb3Ge薄膜,它的临界改动温度为23.2K[8],这是其时临界改动温度的最高值。此刻,包含Nb3Ge在内的大多超导资料的临界改动温度都低于液氮的沸点,大规模的实践使用仍不能完成。1986年,Bednorz等人发现BaLaCuO氧化物超导资料具有35K的临界改动温度,突破了液氦的温度区[9]。自此,陶瓷类超导氧化物成为超导资料学科研讨范畴的研讨热门,若干临界改动温度在液氦以上的超导资料被制备出来。如1987年,朱经武与赵忠贤相继制备出临界改动温度在90K以上的YBaCuO类超导氧化物,使液氮温区超导资料的使用成为可能[10,11]。尔后一年多的时间里,BiSrCaCuO、TiBaCaCuO以及HgBaCaCuO等具有更高临界改动温度的氧化物超导资料相继呈现[12-16],超导资料的开展进入了高温超导的历史阶段。因为此类组成氧化物超导资料中元素数目多,工艺杂乱本钱高且机械功能和承载电流方面存在缺乏,其大规模的使用依然受限。2001年,Nagamatsu和Nakagawa选用价格低价的硼、镁元素制备出具有超导电性的金属间化合物MgB2,并测定其临界改动温度为39K[17]。比较于高温氧化物超导资料,MgB2具有结构简略、临界电流密度高、制作本钱低价的特色,敏捷成为具有研讨价值的新式超导资料。2008年,一种临界改动温度为26K的氟掺杂镧氧铁砷超导资料在日本被发现[18],这种以铁为首要元素的超导氧化资料被命名为铁基超导。随后我国科学家相继制备出临界温度在50K以上[19-21]的铁基超导资料。
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1.2 研讨现状
 
1.2.1 超导资料的临界态模型
因为高温超导体大多是典型的非抱负第 II 类超导体,具有cJ 、c1H (c2H )、cT 三个根本参量。本节从非抱负第 II 类超导体处在混合态时的磁通运动和钉扎效果动身,介绍临界态理论和临界态模型,论述高温超导体相关的力学性质及根本原理。因为涡旋线间存在洛仑兹力效果,涡旋线从超导体内的高磁场区域向低磁场区域活动。若这种磁通运动遭到阻止效果且该效果足够大,则运动中止。这种阻止效果一般来源于超导体内的钉扎中心。此刻L pF    F ,pF 和LF 别离为钉扎力和洛仑兹力的力密度。外磁场持续升高,进入超导体内的磁通线密度越来越大,效果在磁通线上的洛仑兹力持续添加。当L pF  F 时,磁通涡旋线脱离钉扎中心持续向内部运动,直到遇到更内侧的钉扎中心时再次被钉扎住。以此类推,外磁场不断添加,外部磁通涡旋线就这样连绵不断的进入到超导体内部,直到到达某一平衡条件中止,超导体内部因为磁通线的运动而发生感应电流。
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第二章 高温超导圆环及圆环阵列的磁化及力学特性
 
置于外磁场中的高温超导块材,移在外磁场后仍能抓获一部分磁场成为高温超导磁体,其发生的磁场强度远大于传统永磁体[39,47]。其间,圆环状高温超导体具有较小的自重,在核磁共振、超导储能体系、超导磁悬浮轴承和电流约束器等设备中广泛使用[3]。为了抓获更强的磁场,除了进步外部磁场强度外,还要求超导资料本身具有较高的临界电流密度,现在选用熔融处理办法制备的高温超导块材具有高临界电流密度,但受生产工艺的约束因而块材尺度有限,很大程度约束了超导资料的实践使用。为处理这一问题,超导体系规划中可将多个块材进行组合以增强全体抓获磁场的才能。这方面比较具有代表性的作业有,Kim等人将多个高温超导圆环竖向堆叠模仿NMR磁场,经过试验对抓获场的空间均匀性、安稳性及强度进行测验及剖析,得到了圆环摆放的最佳办法[169,170]。尔后,他们对此NMR磁场中的针状小磁性体接受的悬浮力进行了试验测定并发现,在竖向摆放的组合超导圆环内部因为磁场非均匀散布,小磁体并不能完成安稳悬浮[171,172]。Pardo等人将一平面超导线圈简化为若干独立的超导圆环组合而成,选用临界态模型对其电流及磁场散布进行了数值模仿,最终成果标明,沟通损耗的核算成果与试验测得成果非常契合,阐明该简化办法具有合理性[173-175]。针对多个平面线圈构成的组合超导体,Xia等人相同将其简化为多个超导圆环组合而成,经过H法对各向异性条件下圆环阵列的沟通损耗及其与超导电流和突变率的相关性进行了研讨[176]。因为实践使用中的超导体高度有限,退磁效应的效果不能疏忽,其内部感应电流沿厚度非均匀散布,因而超导体的磁化规则难以描绘。现在,理论核算方面的作业有,Brant等人依据第一性原理,核算有限超导圆柱或圆盘的磁化强度[75,76]。Navau等人选用最小磁能法并结合临界态模型剖析了有限圆柱和圆环的磁化强度[79-81]。在此基础上,Huang和Zhou等人选用相同的办法剖析了有限高超导圆柱和圆环的磁致弹性特性[117]。最近,他们还对含孔洞缺点超导圆柱的磁化特性和力学行为进行了探求,提醒了孔洞缺点对这两项功能的影响[118]。
 
2.1 根本原理和核算模型
Bean模型虽然是超导资料本构联系中最简略的一种,但它由磁通钉扎理论得出,契合超导微观磁通钉扎机制,能较好的描绘外磁场下超导资料的磁化行为。本章假定高温超导资料满意Bean临界态模型,选用最小磁能法体系研讨了均匀磁场下超导圆环组合体的磁化和力学特性。首要,从载流圆环的磁矢势动身,介绍最小磁能法的原理和核算进程。其次,考虑多个超导圆环别离选用径向、轴向及矩阵的方法进行摆放,要点剖析了摆放办法、圆环数量及空隙对全体磁化强度和沟通损耗的影响。最终,考虑到超导资料的不均匀特性,针对临界电流密度沿壁厚梯度改动的超导圆环阵列,给出磁化强度曲线并结合临界电流散布特色对磁化功能进行详细剖析。
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2.2 临界电流密度均匀散布
以往关于超导结构力学特性的研讨作业,大都依据超导资料的均匀性假定,不考虑资料内部详细方位对临界电流密度、应力和变形等特性的影响[86,87]。而超导资料的实践制作进程非常杂乱,往往构成非均匀的各向异性资料。因而与空间方位有关的临界电流密度可以更好地描绘 HTS 的微观电磁功能,使理论剖析成果与实践情况愈加挨近。将图 2-15(a)、(b)中的成果比较可知,当圆环的几许参数和数量相一起,临界电流非均匀性对轴向阵列磁化强度的影响显着大于对径向阵列磁化强度的影响。由图 2-15(c)可见,当多个 HTS 圆环选用矩阵的摆放办法后,到达最大饱和磁化强度时对应的彻底穿透磁场显着大于轴向或径向摆放的圆环阵列,这相同是因为添加圆环个数等效于增大圆环阵列的体积,增强了超导体反抗外磁场的才能,因而更大的外部磁场才能将超导结构彻底穿透。
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第三章 高温超导圆环及圆环阵列的静态悬浮特性........37
3.1 核算模型和根本原理 .............37
3.1.1 核算模型............37
3.1.2 永磁体磁场........38
3.1.3 超导体系磁能和悬浮力........40
3.2 成果与评论 .........42
3.2.1 轴向悬浮体系....42
3.2.2 径向悬浮体系....48
3.3 本章小结 .............52
第四章 含缺点高温超导带材的磁化及力学特性............54
4.1 根本原理和核算模型 .............54
4.2 笔直磁场中含缺点高温超导带材的磁化与力学特性 ...........59
4.3 斜磁场中含缺点高温超导带材的磁化及力学特性 .....68
4.4 本章小结 .............72
第五章 多场效果下高温超导带材的电磁及力学特性....74
5.1 根本原理和核算模型 .............74
5.2 直流电流和交变磁场 .............75
5.3 沟通电流和交变磁场 .............85
5.4 本章小结 .............88
 
第六章 斜磁场下高温超导带材阵列的磁化特性
 
超导线圈和带材广泛使用于传输电缆、交变磁场、变压器等电力设备和其它设备中[194-196],且大都超导带材和线圈的横截面为矩形。这类结构在实践使用中需求重视的一个杰出问题即下降外磁场下的能量损耗,然后下降超导资料和冷却体系的费用。此外,高温超导-永磁悬浮运输体系中,常常将多组超导带材组合使用以增强体系悬浮力和调理悬浮力方向,所以超导带材组合结构的几许形状和详细尺度对磁悬浮体系的优化和安稳至关重要[197,198]。相关报导指出,将超导带材分割为几部分可有用下降带材中由外磁场发生的沟通磁化损耗,关于高磁场下运转的设备,这类损耗占悉数能量损耗的大部分[199,200]。以Ag/Bi-2233带材为研讨目标的核算成果标明,分割为较小高宽比的几部分后,带材的超导功能显着进步[201,202]。以上成果均阐明,对外磁场下超导带材阵列结构的电磁功能进行研讨具有重要的含义。在上述作业的基础上,Pardo和Sanchez等对笔直磁场下超导带材阵列的电磁功能和沟通损耗进行了详细研讨,要点重视了阵列内部感应电流传输办法和阵列距离对磁化强度的影响,他们在文章中指出:研讨阵列的磁化强度具有重要含义,据此可得出带材阵列结构的其他重要性质[189]。本文第四章的研讨效果标明,单根超导带材在必定视点斜磁场下的磁化特性与笔直磁场下有所不同,详细表现为磁化强度的方向不再与外部磁场平行,二者间的夹角随外部磁场的改动而改动。本章依据Pardo[189]和第四章的研讨效果,选用Bean临界态模型和最小磁能泛函法对斜磁场下不同带材阵列的磁化特性进行定量核算,考虑了感应电流传输办法的差异,侧重对阵列摆放办法和距离对磁化强度的影响进行了评论。
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结论
 
依据 Bean 临界态模型和最小磁能原理,数值剖析了不同类型的超导圆环阵列在外磁场中的磁化特性、磁滞损耗以及电磁膂力的散布特色。考虑到资料非均匀性的特色,对临界电流密度沿壁厚线性改动的圆环阵列进行定量剖析,给出了具有不同临界电流密度散布特征的圆环阵列的磁化强度曲线。首要介绍了最小磁能原理的内容和履行进程,将依据本文核算办法得到的成果与已有研讨成果进行比较,二者非常契合。对轴向、径向及矩阵安置的超导圆环阵列在均匀外部磁场下的磁化强度进行了数值核算,给出了特定磁化状态下圆环阵列中的磁通散布及磁化强度随阵列的空隙和圆环数量的改动。成果显现,轴向超导圆环阵列的饱和磁化强度不受轴向空隙和圆环数量的影响,但增大空隙或减小圆环数量会削弱超导圆环间的磁耦合效果,外部磁通更简单进入超导圆环阵列内部。径向超导圆环阵列的磁化强度随径向空隙和圆环数量的不同有较大改动。添加径向空隙或圆环数量使得阵列的饱和磁化强度显着增大。矩阵安置的超导圆环阵列的磁化特性具有径向和轴向阵列的一起特色,即全体磁化强度不因轴向空隙和圆环数量的增减而改动,跟着径向空隙和圆环数量的添加而增大。此外依据超导圆环阵列的磁化强度,文中还给出了不同外磁场下超导圆环阵列的沟通磁化率随外磁场幅值的详细改动。进一步剖析可知,阵列的磁滞损耗也随轴向空隙、径向空隙及阵列中圆环数量的添加而增大。得到圆环阵列中的感应电流散布后,依据 Bio-Savart 规律核算出离散单位处的磁感应强度,使用Lorentz 力核算规律核算圆环阵列内部的电磁膂力。文中给出了特定磁场下不同类型圆环阵列中的电磁膂力散布。成果标明,外磁场从零开端添加后,轴向和径向膂力逐步增大且径向膂力远大于轴向膂力。受退磁效果影响,阵列上下外表及外侧方位膂力较大,内部遍地膂力较小。外磁场到达最大后开端下降的进程中,因为超导体内发生与上升阶段反向的感应电流,阵列的上下外表及外侧不同性质的膂力共存,易发生开裂损坏,需特别重视。假定超导圆环的临界电流密度非均匀散布且沿圆环壁厚线性改动,不同类型圆环阵列的磁化强度曲线标明,外壁处临界电流密度越大,阵列的饱和磁化强度和磁滞损耗越大。
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参考文献(略)

文章标题:《高温超导体及阵列结构机械工程超导体专业在职硕士论文研究》,原文地址:,如有转载请标明出处,谢谢。

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