应用分享 | 三维X射线显微镜在第二代高温超导体失效分析研究中的应用

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三维X射线显微镜在第二代高温超导体失效分析研究中的应用超导材料具有在一定低温下具有电阻为零、完全抗磁性和量子隧穿效应的特性，其种类包括低温超导材料和高温超导材料。低温超导材料发现较早并已开始广泛应用，不过其需要在液氦中工作，而高温超导材料则可以在液氮中工作，因为液氦资源稀缺且价格昂贵，而相比之下，液氮价格更低，因此，高温超导材料可以很大的降低使用成本，更有市场潜力。超导材料具有在一定低温下具有电阻为零、完全抗磁性和量子隧穿效应的特性，其种类包括低温超导材料和高温超导材料。低温超导材料发现较早并已开始广泛应用，不过其需要在液氦中工作，而高温超导材料则可以在液氮中工作，因为液氦资源稀缺且价格昂贵，而相比之下，液氮价格更低，因此，高温超导材料可以很大的降低使用成本，更有市场潜力。 在高温超导材料中，铋锶钙铜氧BSCCO 是一代产品，研究和应用都比较成熟，目前应用占比较高，钇钡铜氧(YBC0) 是二代高温超导材料。与前者相比，二代高温超导材料的载流量等性能便优异，应用范围更广，构造相对简单，并易于批量生产，所以具有更大的发展空间。钡铜氧高温超导材料目前已被广泛应用于核磁共振成像、超导储能、超导计算、磁浮等技术领域和通讯、电子、电力、储能、医疗、交通等行业。目前，高温超导材料的市场份额正在逐渐扩大，具有广阔的市场前景。 而作为一种全新的结构信息表征手段，三维X射线显微镜（XRM或MicroCT）得益于其能够在无损检测情况下用于表征样品内部真实三维结构的优势，可以应用于用于二代高温超导材料（2G-HTS）研究的多个方面，包括从研究超导带材本身到其构成的复杂，甚至是为了达到优化工艺本身而用于检测其生产制造过程中可能涉及的其他设备组件等。 近日，来自美国休斯敦大学的先进制造研究所超导研究中心的Goran Majkic教授就借助德国布鲁克的多量程纳米级三维X射线显微镜（Nano XRM或NanoCT）SkyScan2214针对圆形超导线在外加磁场大电流下的失效机制进行了相关研究。Goran Majkic教授的实验对象是专门应用于高能物理研究的圆形超导线，在实验过程中，带材在30T时显现出了维持极高电流的优异的能力，并在>2500A时失效。为了了解失效机理，研究人员对失效后的超导线材进行了三维成像。图 1从图1的图像结果中，我们很清楚地看到超导导线整个组件的内部结构，超导体线固定在G10支架上并整体弯曲成15mm直径。整个组件在4.2K和高达30T的NHMFL下进行了测试，样品经受了2500A的电流直到失效。故障点在图1的整体视图中清晰可见。而从以上切片图结果中我们也可以看到中间部分铜芯明显的塑性形变，超导带材的开裂、变平以及其中焊料的分布变化。而引起这一系列变化的原因就是由于组件超导性能的局部损失导致超过2500A的电流分流到铜芯和金属部分，从而导致其在过度受热后的软化。而在这样的高温下，产生的洛伦兹力则高到足以使结构发生塑性形变。而在图2的三维图像中，清楚地向我们展示了导线失效区域和其更前端的形貌，其中，前端虽然在铜芯处并未发生明显形变，但是在外层带材由于洛伦兹力的影响而出现了明显的解绕和更大程度的弯曲，从而对组件整体造成了持续的损坏。显然，从失效区域传递来的热量软化了这一区域的焊料，从而使超导体线材出现了移动和形变。图 2我们从另一个角度更直观地来观察一下不同位置的结构变化，从图3所展示的结构中可以看到，由远离失效区区域向失效区域逐渐靠近的过程中，线材的移动，焊料的回流以及铜芯等其他金属部分的塑性形变都可以被清晰地展示了出来。图 3而在另外一个应用案例中，研究人员对一个填充焊料的超导电缆进行了扫描并得到了下图中的两组图像。左边的视图显示了样品内部导线和焊料的三维分布，而右边的视图是对于焊料的单独表征，此测试的目标是用于优化电缆外壳以及焊料填充技术，以实现焊料在线材终端外壳之间的完全渗透。纳米级三维X射线显微镜（XRM/NanoCT）在第二代高温超导体失效分析研究中的应用 关键词：纳米级三维X射线显微镜； XRM； NanoCT；纳米CT；Micro CT；SkyScan2214；无损检测；三维结构；超导材料，高温超导材料 超导材料具有在一定低温下具有电阻为零、完全抗磁性和量子隧穿效应的特性，其种类包 括低温超导材料和高温超导材料。低温超导材料发现较早并已开始广泛应用，不过其需要 在液氦中工作，而高温超导材料则可以在液氮中工作，因为液氦资源稀缺且价格昂贵，而 相比之下，液氮价格更低，因此，高温超导材料可以很大的降低使用成本，更有市场潜力。 在高温超导材料中，铋锶钙铜氧 BSCCO 是一代产品，研究和应用都比较成熟，目前应用占 比较高，钇钡铜氧 (YBC0)是二代高温超导材料。与前者相比，二代高温超导材料的载流量 等性能便优异，应用范围更广，构造相对简单，并易于批量生产，所以具有更大的发展空 间。 钡铜氧高温超导材料目前已被广泛应用于核磁共振成像、超导储能、超导计算、磁浮等技 术领域和通讯、电子、电力、储能、医疗、交通等行业。目前，高温超导材料的市场份额 正在逐渐扩大，具有广阔的市场前景。 而作为一种全新的结构信息表征手段，三维 X 射线显微镜（XRM 或 MicroCT ）得益于其能 够在无损检测情况下用于表征样品内部真实三维结构的优势，可以应用于用于二代高温超 导材料（2G-HTS ）研究的多个方面，包括从研究超导带材本身到其构成的复杂，甚至是为 了达到优化工艺本身而用于检测其生产制造过程中可能涉及的其他设备组件等。 近日，来自美国休斯敦大学的先进制造研究所超导研究中心的 Goran Majkic 教授就借助德 国布鲁克的多量程纳米级三维 X 射线显微镜（Nano XRM 或 NanoCT ）SkyScan2214针对 圆形超导线在外加磁场大电流下的失效机制进行了相关研究。 Goran Majkic 教授的实验对象是专门应用于高能物理研究的圆形超导线，在实验过程中，带材在 30 T 时显现出了维持极高电流的优异的能力，并在 >2500A 时失效。为了了解失效 机理，研究人员对失效后的超导线材进行了三维成像。 图 1 从图 1的图像结果中，我们很清楚地看到超导导线整个组件的内部结构，超导体线固定在 G10支架上并整体弯曲成 15mm 直径。整个组件在 4.2 K 和高达 30 T 的 NHMFL 下进行了 测试，样品经受了 2500 A 的电流直到失效。故障点在图 1的整体视图中清晰可见。 而从以上切片图结果中我们也可以看到中间部分铜芯明显的塑性形变，超导带材的开裂、变平以及其中焊料的分布变化。而引起这一系列变化的原因就是由于组件超导性能的局部 损失导致超过 2500 A 的电流分流到铜芯和金属部分，从而导致其在过度受热后的软化。而 在这样的高温下，产生的洛伦兹力则高到足以使结构发生塑性形变。 而在图 2的三维图像中，清楚地向我们展示了导线失效区域和其更前端的形貌，其中，前 端虽然在铜芯处并未发生明显形变，但是在外层带材由于洛伦兹力 的影响而出现了明显的 解绕和更大程度的弯曲，从而对组件整体造成了持续的损坏。显然，从失效区域传递来的 热量软化了这一区域的焊料，从而使超导体线材出现了移动和形变。 图 2 我们从另一个角度更直观地来观察一下不同位置的结构变化，从图 3所展示的结构中可以 看到，由远离失效区区域向失效区域逐渐靠近的过程中，线材的移动，焊料的回流以及铜 芯等其他金属部分的塑性形变都可以被清晰地展示了出来。 而在另外一个应用案例中，研究人员对一个填充焊料的超导电缆进行了扫描并得到了图 4中的两组图像。左边的视图显示了样品内部导线和焊料的三维分布，而右边的视图是对于 焊料的单独表征，此测试的目标是用于优化电缆外壳以及焊料填充技术，以实现焊料在线 材终端外壳之间的完全渗透。