（固体力学专业论文）Bi系HTS带材力学性能及损伤演化与超导性能的实验研究.pdf

捅要 厂 f 自从b i 系高温超导带材被发现以来，其优良的超导性能及其非常接近实用 的机械性能吸引了众多研发人员的兴趣。近年来，b i 一2 2 2 3 系高温超导带材的研 制及其应用已经取得了许多可喜的成果，并且f 逐步地走向实际应用，如制成超 导电缆和超导磁体等。在实际应用中，超导带材必然要承受各种力的作用( 如机 械力和电磁力等) 而产生变形，从而导致材料内部结构的变化，如产生裂纹、孔 洞等。材料内部这些损伤的存在影响了材料的超导性能，并且损伤在力的持续作 用下会进一步演化，最终导致材料失去应有的功能。因此，对超导带材不仅要研 究其物理性能，还要研究其机械性能对超导性能的影响。厂才一 本文利用迸堑焦整篮壁选垄和回生揭射盛倦技术，在常温和液氮温度下对不 同包套材料、不同超导芯数的带材进行了应力应变临界电流关系的测试，和 应力应变内部结构的观测，为解释带材的熊坯土里翌和叁塑幽提供了实验依 据。本文中研究方法的创新之处可归结为： ， ( 1 ) 研制了极低温环境下的光纤位移测试系统。f 该系统由激光器、光纤传感 器、光电转换、和数据采集部分组成。位移测量部分可在液氮和液氦温度下工作， 同时可满足在狭小空间( 约1 0 m m 直径火小) 下进行位移测量的要求。位移测量 线性范围1 6 m m ，测试精度达0 2 ，位穆分辨率为2 0 t am 。该研究成果已被 收录进科学技术研究成果公报r ( 2 ) 首次将光纤传感技术应用于低温环境下的超导带材位整测量中。偌合低 。一 - 温小试件加载系统和电流电压测量系统，同时获得带材在液氮温度下的应力 应变关系和临界电流电压关系。从而建立了带材的超导性能与力学性能之间的 联系。， ， ( 3 ) 首次将同步辐射x 射线成像技术应用于带材内部结氇塑笾演化过程的 观测。汾别在常温和液氮温度下，针对包套、超导芯和带材进行了测量，同时获 得应力应变关系和对应的损伤演化图，将内部结构损伤与力学性能联系起来。l 叉一 ( 4 ) 通过2 、3 的实验研究，第一次将带材内部结构损伤状态与超导性能之 问间接联系起来。为带材在拉应力作用下的失超机理研究提供了科学依据。 一一 e x p e r i m e n t a ls t u d y o nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，d a m a g ee v o l u t i o na n d s u p e r c o n d u c t i v i t yo f b i - 2 2 2 3h t s t a p e s a b s t r a c t s i n c eb i s y s t e mh i g h t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o r ( h t s ) w a sd i s c o v e r e d ，i th a s a t t r a c t e dt h e e y e s o fm a n yr e s e a r c h e r sa n dd e v e l o p e r sb e c a u s eo fi t se x c e l l e n t s u p e r c o n d u c t i v i t ya n da c c e p t a b l em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s m a n yv a l u a b l e r e s u l t so f f a b r i c a t i o na n da p p l i c a t i o no fb i 一2 2 2 3h t st a p e sa r eo b t a i n e d i na p p l i c a t i o n i ti s i n e v i t a b l et h a t s u p e r c o n d u c t i n gt a p e s a r ef u n c t i o n e d b ym a n yk i n d s o ff o r c e s i n c l u d i n gm e c h a n i c a lt e n s i o na n de x t r u s i o na n de l e c t r o m a g n e t i cf o r c e s ，w h i c hr e s u l t i nm i c r o c r a c k sa n dm i c r o h o l e si nt h et a p e s t h ed a m a g e sh a v ei m p o r t a n ti n f l u e n c e o nt h ec r i t i c a jc u r r e n t t h e r e f o r e i ti sc r u c i a lt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c to fm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa n dd a m a g e o ni t ss u p e r c o n d u c t i v i t y i nt h i s t h e s i s ，t h e s y s t e m a t i c r e s e a r c ho fm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d s u p e r c o n d u c t i v i t y o fb i 2 2 2 3 t a p - e s i sc a r r i e do u t t h e t a p e s r e l a t i o n s h i p o f s t r e s s s t r a i n i ca n ds t r e s s - s t r a i n d a m a g ee v o l u t i o np r o c e s sa r eo b t a i n e db yu s i n g f i b e r o p t i cd i s p l a c e m e n t s e n s o ra n dx r a yt r a n s m i s s i o n i m a g i n gt e c h n i q u e t h e m e c h a n i s mo ff r a c t u r ea n dl o s eo fs u d e r c o n d u c t i v i t vo f t a p e si sd i s c u s s e d c o m p a r e d w i t ho t h e rs t u d i e s t h ei n n o v a t i o n si r lt h i st h e s i sa r ei i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) t e s ts y s t e mo ff i b e ro p t i cd i s p l a c e m e n ts e n s o ra tc r y o g e n i ct e m p e r a t u r e i sd e v e l o p e d ，t h es y s t e mi sm a d eu 口o fl a s e rs o u r c e f i b e ro p t i cs e n s o r , p h o t o e l e c t r i ct r a n s f o r m a t i o n ，a n dd a t aa c q u i s i t i o n t h et e s t i n gp a r tc a n w o r ka tl i q u i dn i t r o g e na n dl i q u i dh e l i u mt e m p e r a t u r e ，a n dc a l lm e a s u r e i nn a r r o w s p a c e ( d i a m e t e r l0 m m ) t h ei i n e a r r a n g e i s0 1 6 m m a c c u r a c y 0 2 r e s o l u t i o n2 0um t h er e s e a r c h p r o d u c t i o n w a s c o l l e c t e db ys c i e n c ea n d t e c h n o l o g ya c h i e v e m e n tg a z e t t eo f c h i n a f i b e ro p t i cs e n s i n gt e c h n i q u ei s a p p l i e di nc r y o g e n i cc i r c u m s t a n c et o m e a s u r et h ed i s p l a c e m e n to fs u p e r c o n d u c t i n gt a p e sf o rt h ef i r s tt i m e w i t ho t h e rs e t u p s ，t h er e l a t i o n s h i p so fs t r e s s s t r a i na n di va t l i q u i d n i t r o g e nt e m p e r a t u r ea r eo b t a i n e d t h ee f f e c to fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o n s u p e r c o n d u c t i v i t y i sc l e a r l yu n d e r s t o o d s y n c h r o t r o nr a d i a t i o nx r a yt r a n s m i s s i o ni m a g i n gt e c h n i q u ei su s e dt o o b s e r v et h e t a p e s i l i n e r d a m a g ee v o l u t i o n t h es p e c i m e n si n c l u d i n g s h e a t h ，f i l a m e n ta n dt a p ea r em e a s u r e da tr o o mt e m p e r a t u r ea n d7 7 k r e s p e c t i v e l y t h er e l a t i o n s h i po fs t r e s s - s t r a i na n dd a m a g ee v o l u t i o ni s o b t a i n e d ，a n d t h e r e l a t i o n s h i p o fd a m a g eo fi n n e r s t r u c t u r ea n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e si sf o u n d w i t ht h er e s e a r c h s t e p so f ( 2 ) a n d ( 3 ) ，t h er e l a t i o n s h i po fs t r u c t u r e d a m a g e a n d s u p e r c o n d u c t i v i t y o f t a p e i sb u i l tf o rt h ef i r s t t i m e s c i e n t i f i ce v i d e n c ei s p r o v i d e df o rr e s e a r c h i n gm e c h a n i s mo fl o s so f s u p e r c o n d u c t i v i t y o f b i s y s t e mf i t st a p eu n d e rt e n s i l es t r e s s ! 垦翌兰丝查盔兰堡! 堂垡笙苎一竺= ! ! i 鱼 1 1 有关超导的基本概念 第一章绪论 超导的概念来源于实验研究，为了便于读者对超导有一个直观印象，本文首 先对其基本概念作一简单介绍。 临界温度( c r i t i c a lt e m p e r a t u r e ) ：低温条件下物质电阻率突然消失的现象称 为超导电性( s u p e r c o n d u c t i v i t y ) 的零电阻现象。具有这种性质的材料称为超导 体。电阻率消失前的状态叫常导状态，电阻率消失后的状态叫超导状态。从常导 状态转变到超导状态的温度称为超导转变温度，简称为临界温度，用t 。表示。 临界磁场强度( c r i t i c a lm a g n e t i ci n t e n s i t y ) ：当物体处于超导状态后，在其 周围施加一磁场，当磁场强度增加到某一数值后，物体出超导状态转变到常导状 态，这个磁场称为临界磁场强度，用h 。表示。通常这个转变的磁场强度有个范 围，我们用h 。i 表示材料的超导状态丌始转变时对应的下临界磁场，h 。2 表示完 全由超导状态转变为常导状态对应的上临界磁场。 临界电流( c r i t i c a lc u r r e n t ) 和临界电流密度( c r i t i c a lc u r r e n td e n s i t y ) ：超导 体通上电流后，该电流会产生磁场，电流增加时磁场也相应变强。当该电流在超 导体表面产生的磁场强度大于等于h 。时它转变为常导状念，这个电流称为临 界电流，用i 。表示。在实验中通常规定，随着加载电流的升高，在超导体单位长 度上的电压降达到l b t v 时对应的电流称为临界电流。此时超导体单位截而积上通 过的电流称为临界电流密度( c r i t i c a lc u r r e n td e n s i t y ) ，用j 。表示。 超导电流( s u p e r c o n d u c t i n gc u r r e n t ) ：材料处于超导状念时承载的电流，简 称超流。 临界应力应变( c r i t i c a ls t r e s s s t r a i n ) ：当超导体受到的应力，应变达到某 数值时，临界电流消失或大幅下降，此时的应力应变称为临界应力应变，用以 和表示。在实验中，各国的研究小组没有统一的舰定，在本文中，分别取 j 胡。o = 9 0 ，5 0 和2 0 时对应的应力，应变进行分析。 第一类超导体和第二类超导体：按照超导体排磁通的方式，它可分为两类。 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 对于第一类超导材料，在磁场达到h 。之前，磁场全部从试样中排出：而在磁场 高于h 。时，磁场完全进入试样中，材料回复剑常导状念。剥于第二类超导材料， 在磁场低于下临界磁场h 。l 时，虽然存在完全的超导念，但从h 。l 开始，磁场部 分地透入试样中，而且随着磁场增强，透入也增加，直至达到上临界场h 。2 时， 磁场才完全透入试样并回复到常导状态。第一类材料限于t c 和h c 都比较低的材 料，但在技术上有意义的总是第二类材料，它可以在很高的磁场下负载很大的超 流。 1 2 超导研究的发展历史 l ，2 i 传统超导材料研究的简单回顾 1 9 0 8 年氦气被液化，获得了人造液氦的低温条件( 4 2 k ) 。1 9 1 1 年荷兰物理 学家o n n e s 发现水银在液氦中电阻突然降为它在0 。c 时的百万分之- - 1 】。人们称 之为超导电性。这一现象的发现引起了世界各国学者的兴趣，超导材料的数量在 迅速增加，然而最高临界温度仍然在一个很低的温度区域内( 图1 1 ) 。直到1 9 5 4 年发现的n b 3 s n 的临界温度为1 8 k 后 2 ，从1 9 6 1 年到1 9 6 7 年中报道过的临界 温度再没有提高，1 8 k 似乎成了一个壁垒。1 9 6 7 年m a t t h i a s 发现了临界温度为 2 0 0 5 k 的n b 3 ( a 1 08 g e 02 ) 3 。这个温度一卅常接近氢的沸点2 0 3 k ，这在制冷技 术上显得非常重要，因为获得液氢比液氦容易的多，作为冷却剂更为实用和有效。 1 2 2 高温超导体的研究状况 1 9 5 7 年b a r d e e n ，c o o p e r 和s c h r i f f e r 三人提出了系统的超导微观理论( 简称 b c s 理论) 【4 。该理论从微观角度阐明了出现超导电性的原因、超导电子的微 观形态和相关的超导电性微观规律。这一理论的一个论断是：超导电性不可能在 3 0 k 以上的温度出现。但是当b e d n o r z 和m t l l l e r 在1 9 8 6 年发现l a b a c u o 的超 导转变温度为3 6 k 时 5 】，高温超导体的研究进入了个激动人心的历史时刻。 广 中国科学技术大学硕卜学位论文 第一章绪论 从图1 1 中可以看出从1 9 8 6 到1 9 8 8 两q ：t 1j l f r i 界温度被不断刷新的速度。中科院 物理研究所的赵忠贤等人用s r 替换b a ，把t 。提高到4 0 5 0 k 。1 9 8 7 年2 月c w c h u 发现的y 系超导氧化物的t 。约为9 0 k 6 1 ，而且强调测量是在液氮中进行的， 从而真正开创了液氮温区超导体的新时代。接着赵忠贤等人合成了b a y - c u - 0 超导体，其t 。= 1 0 0 k ，并在国际上首次公卸了t 。二一 9 0 k 超导体的组成元素【7 。 紧接着日本学者宣布他们已把b a - y - c u 0 的t 。提高到1 2 3 k 。目前发现的超导体 中，h g b a - c a c u o 系的临界温度最高，超过了1 3 0 k 8 1 。因此高温超导体的发 现，使超导电性的实验研究摆脱了苛刻的液氦、液氢低温条件。 图1 1 超导临界温度随时问提高的历史 f i g u r e1 1 d e v e l o p i n gh i s t o r yo f s u p e r c o n d u c t i n gc r i t i c a lt e m p e r a t u r e 由于液氮的低成本和很容易制备的特点，使得对各类高温超导材料的研究非 常深入，某些材料已经达到了实用阶段。例如，1 9 9 1 年1 0 月日本原子能研究所 和东芝公司共同研制成核聚变堆用的新型超导线圈。该线圈电流密度达到每平方 毫米4 0 安培，为过去的3 倍多，达到世界最高水准。1 9 9 2 年1 月2 7 同第一艘 由日本船舶和海洋基金会建造的超导船“火和”1 号在f i 本神户下水试航。超导船 由船上的超导磁体产生强磁场，船两侧的讲负电极使水中电流从船的一侧向另一 中国科学技术人学硕卜学位论文 笫一帝绪论 侧流动，磁场和电流之恻的洛仑兹力驱动船舶高速前进。这种高速超导船直到目 i i f 尚未进入实用化阶段，但实验证明，这种船舶有可能引发船舶工业爆发一次革 命，就像当年富尔顿发明轮船最后取代了帆船那样。同年一个以巨型超导磁体为 主的超导超级对撞机特大型设备，于美国得克萨斯州建成并投入使用，耗资超过 8 2 亿美元。1 9 9 6 年改进高温超导电线的研究工作取得进展，制成了第一条地下 输电电缆。欧洲电缆巨头皮雷利电缆公司、美国超导体公司和旧金山的电力研究 所的职员，共同把6 0 0 0 米长的b i s 卜c a c u 0 制成的线缠绕到根保持超导温 度的液氮的空管子上。 l _ 3b i 系高温超导材料的发现及其研究现状 1 3 1 b i 系高温超导材料的发现 1 9 8 7 年法国的m i c h e l 发现了b i s r - c u o ，其t c 在7 2 2 k 之间 9 】。随后 m a e d a 将c a 掺入其中，获得了b i s r - c a c u o 超导体，它有两个超导相， b i 2 s r 2 c a l c u 2 0 x ( 简称2 2 1 2 相或b i 2 2 1 2 ) 和b i 2 s r z c a 2 c u 3 0 。( 简称2 2 2 3 相或 b i 2 2 2 3 ) ，前者的t c 为8 5 k ，后者的t c 为1 1 0 k 。后来g r e e n 用p b 部分代替b i 后，首次获得t 。为1 0 8 k 的超导体。目前大多数研究小组使用的b i 系超导材料 中都含有少量的p b 。 1 3 2b i 2 2 2 3 高温超导带材的制备 目前被研究较多的b i 一2 2 2 3h t s 都是带材样品。2 2 2 3 相的制备有大混合法 【1 0 】和分步法【1 1 】。1 9 8 9 年h e i n e 用p i t ( p o w d e ri nt u b e ) 法，将a g 套管填充 b i 系超导氧化物，首次成功制备出b i 系h t s 带材 1 2 1 。经过几年的研究后p i t 法制各工艺已趋成熟，其制备过程简述如下( 图1 2p i t 法制各超到带材) 。将充 分热处理过的超导粉末( 熟粉) 或未热处理的粉末( 生粉) 填充到金属管中( 通 常是a g 管) ，拉拔成细线后，可以直接压扎成薄带，此即为单芯超导带材；也 可以将拉成的细线重新排列后再装进另一个会属套管中( a g 管或者a g 合龠管) ， - - - - 一4 一 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 再进行拉拔，然后压扎成薄带，这可以得到多芯超导带材。在拉拔过程中通过粉 末的破碎和滑移实现连续变形。然后在9 0 0 9 4 0 。c 下热处理1 0 1 0 0 个小时， 并在氧气内随炉冷却，以便进彳亍含氧量的控制【1 3 】。 剀1 2p i t 法制街超导带材 f i g u r e1 2 f a b r i c a t i o no f s u p e r c o n d u c t i n gt a p e sb ym e a n so f p i t 这样得到的多芯带材一般有两层包套，内层通常为a g 包套，外层为a g 或 a g 合金，其表示方法为i n n e r o u t e r ，例如b i - 2 2 2 3a g a g m n 表示b i 一2 2 2 3 带材内 层a g 、外层a g m n 包套，由于内层都是a g ，一般只写出外层包套，表示成 b i 一2 2 2 3 a g m n 。 1 3 3b i 2 2 2 3 机械性能研究现状及不足 自从b i 2 2 2 3 被发现以来，其优良的超导性能及其非常接近实用的机械性能 吸引了众多研发人员的兴趣。人们对b i 系高温超导带材的深入研究为其实用化 提供了基础。而在实际应用中，超导带材必然要承受各种力的作用( 如机械力和 电磁力等) 而产生变形，从而导致材料内部结构的变化，如产生裂纹、孔洞等。 材料内部这些损伤的存在影响了材料的超导性能，并且损伤在力的持续作用下会 进一步演化，最终导致材料失去应有的功能。因此，对超导带材不仅要研究其物 理性能，还要研究其机械性能对超导性能的影响。 由于b i 。2 2 2 3 属于脆性的陶瓷复合材料，因此在应用过程中存在韧性化的问 题。众多学者对其力学性能进行了研究。g o r e t t a 和y a u 等人 1 4 1 6 1 研究了超导 里型堂垫查盔兰堡! ! 兰垡垦兰 堡二! ! i 鱼 氧化芯的力学性能，m a r t i n e z f e r m a n d e z 研究了超导多品的蠕变行为【1 7 。 s n e n a g a 1 8 2 3 等人研究了b i 一2 2 2 3 a g 带材的力学性能及其对超导性能的影响。 m i i y o s h i 2 4 等研究了力学性能对超导电缆临界电流的影响。l i ，【2 5 c h e n 2 6 和 g u o f 2 7 】等人研究了机械变形对超导体相变以及临界电流密度的影响。 r o u e s s a c 2 8 等人研究了烧结一锻造( s i n t e r - f o r g i n g ) 过程对大块超导体( b u l k c e r a m i c s ) 机械性能的影响。r o n a l d 2 9 等人研究了多芯b i 一2 2 2 3 a g 带材的横向 力学性能。t a k a n o b u k i s s 3 0 l 弄gp o l y a n s k i i 3 l 】进行了应变对带材传输性能影响的 研究。h y u n gs a n gp a r k 3 2 ，r e y n a l dp a s s e r i n i 3 3 午l lp a r r e l l 3 4 等人对包套的力 学性能进行了研究。同时k i n g l 3 5 j 和h i s h i n u m a 3 6 分别对带材的机械稳定性和 如何提高线材的力学性能和临界电流密度进行了有益的探索。这些研究取得了可 喜的成果，p i t 法制各的b i 系高温超导线、带材可望是液氮温度低场条件下的 第一代实用化高温超导材料 3 7 ，3 8 。 这些研究成果主要来自u n i v e r s i t yo fw i s c o n s i na tm a d i s o n 的应用超导中心 ( a p p l i e ds u p e r c o n d u c t i v i t yc e n t e r ：a s c ) ，u n i v e r d i t yo f w o l l o n g o n g 的超导与电 子材料研究所( i n s t i t u t ef o rs u p e r c o n d u c t i n g & e l e c t r o n i cm a t e r i a l s ：i s e m ) 以及 u n i v e r s i t yo f h o u s t o n 的得克萨斯超导中心( t e x a sc e n t e rf o rs u p e r c o n d u c t i v i t y ) 等研究机构。他们对b i 系高温超导材料的力学性能研究的实验结果在一定程度 上有很好的吻合，但是由于各小组制备样品时组分配比以及处理工艺的细微差别 导致各组数据仍然存在很大差别。我国的西北有色金属研究院和北京有色金属研 究院开展过类似的工作。 从目前的文献检索中发现，测试带材拉伸性能的手段通常是在试件上贴应变 片和或夹引伸仪。由于带材结构的特殊性，前者的缺点显而易见，这种方法只能 获得包套的应变信号；带材的尺寸般都比较小，因此后一种方法会不可避免的 对材料带来损伤。现有的文献中，还未发现对带材损伤演化和超导性能之间的关 系进行研究。因此，运用新的测试手段来状得带材整体的应变信号，以及观测试 件的在拉伸载荷下的损伤演化过程是非常有意义的。同时，由于样品成分的细微 差别，国外的实验数据并不能直接被我们应用，这【乜使得测试我们国家生产的 b i 系超导样品的力学性能及其对超导性能的影n 向具有很重要的研究价值。 r ! 里! ! 堂丝查奎兰塑主兰笪堡苎 一一丝二里! i 堡 1 4 本文的工作以及研究方法的创新性 1 4 1 本文的主要工作 本文首先介绍t n 试技术的原理和实验装置的工作方式。研制了用于极低温 环境和狭小空间( 1 0 m m ) 进行位移测量的光纤位移传感器( f i b e ro p t i c d i s p l a c e m e n ts e n s o r ) 。利用中国科学院低温中心自行研制的极低温环境下的低维 小试件加载装罱和光纤位移传感器，在液氮温度下对不同包套材料、不同超导芯 数的h t s 带材进行了应力应变关系测试和实时的临界电流电压关系的测 试，获得了h t s 带材的应力l 临界电流关系曲线，定量地获得了拉应力对带材 超流的影响，分析了试样在拉应力作用下的失超机理，为b i 系高温超导带材的 进一步研制以及走向实际应用提供了科学依据。 同时依托北京同步辐射装罱( b e i j i n gs y n c h r o t r o nr a d i a t i o nf a c i l i t y ：b s r f ) ， 采用自行研制的计算机控制加载系统对带材进行加载，应用x 光成像技术( x r a y i m a g i n g t e c h n i q u e ) ，观察了h t s 带材、分离的包套材料和超导芯在室温和液氮 温度下的内部结构，及其在拉应力下内部结构损伤、断裂演化的过程。实时地获 得了样品的应力应变内部结构图，为解释带材的破坏机理和失超机理提供了 实验依据。 1 4 2 研究方法的创新之处 本文中研究方法的创新之处可归结为： 1研制了极低温环境下的光纤位移测试系统。该系统由激光器、光纤传感 器、光电转换和数据采集部分组成。位移测量部分可在液氮和液氦温度下工作， 同时可满足在狭小空问( 约1 0 m m 直径人小) 下进行位移测量的要求。位移测量 线性范围1 6 r a m ，测试精度达o 2 ，位移分辨率为2 0um 。该研究成果已被 收录进科学技术研究成果公报。 2 首次将光纤传感技术应用于低温环境下的超导带材位移测量中。结合低 温小试件加载系统和电流电压测量系统，同时获得带材在液氮温度下的应力 应变关系和临界电流电压关系。从而建立了带材的超导性能与力学性能之问的 - 0 i ，_ - ，一一一一一一 中国科学技术人学硕l 学位论文 第一帝绪论 联系。 3首次将同步辐射x 射线成像技术应用于带材内部结构损伤演化过程的观 测。分别在常温和液氮温度下，针对包套、超导芯和带材进行了测量，同时获得 应力应变关系和对应的损伤演化图，将内部结构损伤与力学性能联系起来。 4 通过2 、3 的实验研究，第一次将带材内部结构损伤状态与超导性能之间 间接联系起来。为带材在拉应力作用下的失超机理研究提供了科学依据。 1 5 本章小结 文中首先介绍了涉及到的有关超导的堆本概念，简要介绍了超导研究的历史 和b i 系高温超导体的制备工艺。详细叙述了b i 系高温超导体研究现状以及研究 中的不足。同时明确了本文的主要工作和研究方法的创新之处。 、 中国科学技术大学硕 j 学位论文 第一章光纤位移传感器测试系统的坩f 制 第二章光纤位移传感器测试系统的研制 测试的试件是包套型复合材料，用传统的贴应变片的方法只能获得包套的应 变信号，而材料整体表现出来的力学性能无法得知，在液氮温度下测试就更为困 难。因此必须另辟蹊径，寻求别的手段来获得这类材料整体的应力应变曲线 【3 9 。为了克服这些困难，我们将光纤传感技术 4 0 4 2 j f 立用于低温环境下。采用 了基于强度调制的光纤传位移感器( f i b e ro p t i cd i s p l a c e m e n ts e n s o r ：f o d s ) 的方 案，这类传感器具有结构简单、设计和制造方便、线性度好、不受电磁场干扰以 及各种辐射的影响，可在非常恶劣的条件f 工作等一系列优点，并且可达到相当 的测试精度，因此在光纤传感领域具有重要的地位。本章首先分析了传感器的工 作原理，测试了光纤在低温下的传输特性、静念准静念位移特性，并进行了标 定。同时，采取参考光强度补偿的措施，消除了光源、光纤衰减等波动对测试结 果的影响。利用这套系统并配合使用低温加载系统和电流电压测试系统，测试 出b i 2 2 2 3 单芯和多芯超导带材在液氮温度1 f 的应力应变曲线及应力临界电 流的关系。 2 1 系统原理 2 1 1 强度调制型光纤位移传感器( f o d s ) 原理【4 3 如图2 1 所示。首先作如下假设和近似： i 两根光纤的材料，半径，和数值孔径n a 大小一样 i i ，光纤出射光强度在所照平面内均匀分布； i i i 两根光纤平行放置，且与反射面垂直。 、 r 中国科学技术人学硕：学位论文 帮一帝光纤位移传感器测试系统的研制 ( b ) ( c ) ( d 】 强度凋制型光纤何移传感器原理示意剀 s c h e m a t i cd i a g r a mo fi n t e n s i t ym o d u l a t e df o d s 由于光纤数值孔径的存在，我们认为接收光纤2 在其光锥范围内探测到的光 为输出信号。当反射面移动时，光纤2 探测到的光信号见图2 1 ( a ) ( d ) 中 的阴影部分。 图2 1 中，d 为两光纤纤芯外径间距；x 为光纤端面到反射面之间的距离；口 是光纤的最大出射角；光纤1 的光斑半径和光纤2 的最大受光半径相同，均为r 。 下面讨论当反射面相对于光纤移动时，输出量p 和间距x 的关系。 光纤的最大出射角臼为： 曰= a r c s i n n a f 2 1 1 ( i ) 当x 南时，光纤2 的受光范；i 在光纤1 的光锥之外，光强没有耦合， 如图2 1 ( a ) 所示。此时输出： p = 0 ( 2 - 2 ) ( j j ) 当生。工 里去笋时，光纤1 的有效光斑已经完全进入光纤2 的受光范围， 此时有： s = 丌月2 f 2 1 i ) 输出： p = 舢，邓2 = ( 鬻) 2 ( 2 1 2 ) ，十x f 从推导结果来看，光信号输出p 与间距x 成一定关系。此后p 经p i n 光电二 极管转换成电压信号，由a d c 进行数据采集。图2 2 是单根光纤( 一根发射、 一根接收) 的理论曲线。其中，n a = 0 4 2 ，r = o 1 2 5 m m ，d ：0 0 4 5 m 。由图 2 2 可以看出，理论曲线前坡的线性度优于后坡线性度，前坡斜率为1 3 5 1 4 m m i ， 其标准误差为0 0 1 7 4 r a m ，而且线性范围可达0 2 5 m m 。在实际实验中我们采用 皇垦型堂垫查_ 犬兰堡兰丝堡奎 丝= 里堂堑丝堡生堕竖型曼墨皇型! ! ! 盟 光纤束来发射和接受，这样可以获得较大的光强，为后继的光电转换以及数据采 集带来方便；而且由于光纤的叠加作用，其测得的线性范围也比单根光纤时大。 03 5 03 0 02 5 o 0 5 00 0 o0 5 0 0051015202 530 xd i s p l a c e m e n t ( m m ) 幽2 2 两根光纤时的何移输出理论曲线 f i g u r e2 2 t h e o r e t i c a lg r a p ho f d i s p l a c e m e n t o u t p u tb yt w of i b e r sm o d e 2 1 2 实验装置原理 如图2 3 所示。我们采用准直性非常好的h e n e 激光器作为光源。入射光经 分光镜后，一束耦合进入射光纤，经反射两后再祸合进出射光纤；另一束作为参 考光。这两束光经过光电转换并经放大、降噪处理，电信号经由数据采集系统进 行采集，最后由计算机进行处理。 由于光源存在不同程度的波动，这会对测量结果带来不利影响。我们在数据 处理时，采用测试信号与参考信号相比的方法，可以消除光源波动带来的不利影 响 4 4 4 5 。 传感器头部见图2 4 ( a ) 所示，传感器与试件的装配图如图2 4 ( b ) 所示。刀口 底部分别固定在传感器头部的套筒和固定环上，且刀口之问的距离可以改变。这 样刀口可以根据需要选择不同的试件部位进行测试。 实验时，液氮浸没了整个试件和传感器头部。 主曼登兰苎查查兰塑：! 兰丝堡兰 一二生三羔_ ! ! 兰坠塑塑塑墅塑坠堕至! ! ! ! ! 塑 2 1 3 参考光强度补偿原理 实验时，会伴随有光源、光纤衰减和光电二极管不同程度的波动，这种波动 会给测试结果带来不利影响【4 0 】。为此，我们采取了参考光强度补偿的措施来消 除这种波动。 对于强度型光纤位移传感器，信号光和参考光可分别表示为： l = l ( i o ，厶( z ) ，a 。，x ) = 五( j 。i ，( i ) ，a ) f a x ) ( 2 - 1 3 ) j ，= g a l 0 2 ，厶( t ) ，a ：，x ) = 岛( 矗：，2 ( 瓦) ，a z ) g 一( x ) ( 2 一1 4 ) 式中，下标1 ，2 分别代表信号光和参考光；j ，和j ，分5 3 1 5 为信号光和参考光的强 度；j 表示光源的强度，孔，咒为环境参数，如温度等；l 一) ，l z 7 z ) 代表 光的传输系数，它们和环境参数有关；。，也表示光电二极管的响应。出此可得 方程( 2 1 3 ) 对方程( 2 1 4 ) 的比值为： ，；生：厶! 生! ：刍堡21 鱼! ：五! 苎2( 2 1 5 ) ，g o ( t 0 2 ，厶( 7 j ) ，a 2 ) 矾( z j 此时，如果有： 无( j 0 1 ，厶( 五) ，a ，) = 如( ，厶( 瓦) ，a ：) ( 2 - 1 6 ) 中国科学技术大学顺十学位论文 讹一币兜纤位移传感 测试系统的砌f 制 方程( 2 - 1 5 ) 可简写为： r = a ( x ) g a x ) = h ( x ) ( 2 1 7 ) 式中，比值，仅是被测位移x 的函数，而与光源、光纤衰减以及光电二极管无关。 这仅是理想情况，在实验中，我们使用一个光源，利用分光镜产生入射光和参考 光，并且使两束光处于相同的环境中；仅使信号光调制被测量工。这样可以使 瓯o ) ，l o ，o ：和厶( 7 ：) 厶( 正) 为常量。同时我们选用相同型号和参数的光电二极 管来检测信号光和参考光，这样可以使比值4 a ：对结果的影响减到最小范围。 2 2 常温液氮环境下光纤静态传输特性的比较 为了确定光纤是否可以在液氮温度下手常工作，我们测试了该传感器系统在 液氮温度( 7 7 k ) 下的传输特性，并和室温下的传输特性进行了比较。传输特性曲 线如图2 5 所示，光纤输出对参考输出的比值曲线主要参数见表2 3 。从实验曲 线看出，在9 0 0 秒的测量时间内，光纤输出曲线和参考输出曲线都有定程度的 波动，光纤在两种温度下的传输特性没有明显改变。这表明，光纤可以在低温环 境中正常工作，利用光强作为传感信号在低温环境下是可行的。由于传感器头部 是完全浸没在液氮中的，因此实验同时表明，激光在液氮中传输是可行的。 时问( 3 0 s )时阅( 3 0 s ) ( a ) ( b ) 幽2 5 光纤的传输特性：( a ) 室湍2 9 3 k 羽i ( b ) 液氮湍度7 7 kf f i g u r e2 5t r a n s m i s s i o np r o p e n yo ff i b e r ：( a ) r o o mt e m p e r a t u r e2 9 3 ka n d ( b ) l i q u i dn i t r o g e nt e m p e r a t u r e7 7 k i f ：选曲个霞验址在不同h l l 觉成竹，比湃的把妊过千i t 髑裕，州h 一帖m 甜州晌数曲： l | “小| 1 1 ， 埘扎r t 旺的 m 述小埕蟛响 mm苎喜喜詈嚣售罾 甜捧 中困科学技术人学硕卜学位论文 豫一常光纤位移传感器测试系统的够m 4 表2 3 两个比值曲线棚芙参数的比较 ls l o p e ( s “)s e ( s “) m a x m i nv a l u e 7 7 k - 2 0 4 7 6 5 e 47 3 5 3 4 7 e 50 0 1 3 l2 9 3 k6 3 8 0 2 1e 41 5 4 6 6 1 e 40 0 3 7 2 3 传感器的标定 实际实验中，我们采用两根光纤束：一根发射、一根接收。将光源精确地和 入射光纤定位，固定分光镜的分光比，使得参考光和耦合进入射光纤的光强固定。 该传感器系统在液氮温度下进行了标定，柄；定曲线及其主要参数分别见图2 , 6 和 表2 4 。 标定方程的形式设为： r = a + h ( 2 - 1 8 ) 式中，r 为信号输出对参考输出的比值；“，6 分别为标定方程的截距和斜率；x 为液氮温度下所测的位移，利用机械式千分表( 其最小刻度2 1 0 。r a m ) 测得。 从图2 6 中得到标定曲线的形式为： 4 ，= o 0 5 + o 0 5 7 5 x ( 2 1 9 ) 表2 4 标定曲线的主要参数 t a b l e2 4p a r a m e t e r so f c a i i b r a t i o nf i n e p a r a m e t e rv a l u e e r r o r i 目 0 0 5 0 02 7 8 7 7 e - 4 b0 0 5 7 52 9 9 4 5 e 一4 r0 9 9 8 1 s d8 f 9 0 e 4 r a n g e 0 i 6 m m 位移( 咖) 图2 6 标定曲线 f i g u r e2 6c a l i b r a t i o nl i n