YGdBCO高温超导带材接头的连接工艺及机电性能研究

摘要

由于在液氮温区具有高的临界电流密度和上临界磁场以及优异的力学性能，YGdBCO涂层导体即第二代高温超导带材在电力、交通、医疗和军事等领域有广泛的应用前景。在超导材料的诸多应用中，超导磁体是目前最大的工程应用。为满足不同类型超导磁体的运行需求，如不同磁场形状和场强及闭环持续电流模式等，接头制作是研发过程中不可避免的一项关键技术。本文重点研究了稳定、重复制作YGdBCO低阻接头的无铅焊接技术，并提出了基于纳米银烧结的新型连接技术。　　采用自主搭建的程控焊接设备，本文强化了焊台平行度、粗糙度和压力控制的均匀性对焊接过程的影响，系统研究了焊料种类、加载压力、加压速度和搭接长度对YGdBCO接头的临界电流Ic(77K，自场)、电阻以及n值的影响，获得了具有高稳定性和重复性的钎焊工艺，对YGdBCO带材的实际应用具有积极的推进作用。结果表明，采用SnBi焊料和优化的焊接技术，在12.5MPa的压强和50N/s的加压速度下可重复获得与母材Ic相当的低阻接头，其中接头长度为25cm，接头电阻为4.35~5.58nΩ(电阻率43.5~55.8nΩ·cm2)。通过SEM和光镜观察，发现焊料在带材表面均匀铺展，且焊料厚度和接头电阻均随压力增大逐渐减小，并在压力增大到12.5MPa时接头电阻达到最小值。接头电阻随加压速度和接头长度的增加逐渐减小，在加压速度50N/s和接头长度25cm的情况下接头电阻取得最小值，但接头长度对接头的临界电流和n值几乎没有影响。基于优化的钎焊工艺，本文制作了一系列低阻接头并对其力学特性进行了研究。液氮温区的轴向拉伸测试结果表明，接头的轴向拉伸强度与非接头部分相当，分别为213N和212N。分层强度测试发现，室温下接头和母材的分层强度小于液氮温度下的分层强度，且接头的分层强度更小。　　本文提出基于纳米银低温烧结的接头技术，通过热重分析初步确定了纳米银颗粒的烧结温区，探索了烧结温度和压力对母材电学特性的影响。采用自制模具和粉末压片机两种加压方式制作YGdBCO接头，77K、自场下的通过自制模具制备的接头电阻率为52.9nΩ·cm2，通过粉末压片机制备的接头电阻率为44.2nΩ·cm2。通过光镜观察，在烧结温度200℃、压强40MPa的连接条件下，采用粉末压片机加压的接头其纳米银层烧结更致密、孔隙率更低、连接性更好。粉末压片机加压与钎焊技术相比，该方法没有引入增大接头电阻的焊料，通过纳米银的低温烧结直接连接带材的银层，方法简单易行且有利于进一步降低接头电阻，但是其连接工艺还有待进一步优化，烧结机理需要深入研究。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 超导材料

1.1.1 超导材料发展历程

1.1.1 超导材料特性及分类

1.2 YBCO高温超导带材

1.2.1 YGdBCO晶体结构

1.2.2 YGdBCO带材结构及性能

1.2.3 YGdBCO带材接头研究现状

1.3 论文内容及论文结构

1.3.1 论文内容

1.3.2 论文结构

第二章 实验方案及表征手段

2.1 实验方案

2.1.1 YGdBCO带材焊接接头

2.1.2 YGdBCO带材纳米银接头

2.2 表征手段

2.2.1 YGdBCO超导带材临界电流测试

2.2.2 轴向拉伸测试

2.2.3 横向拉伸测试

2.2.4 热分析

2.2.5光学显微镜

2.2.6 扫描电子显微镜

第三章 YGdBCO 高温超导带材低阻接头的焊接工艺及机电性能

3.1引言

3.2焊接装置压力均匀性测试

3.3 YGdBCO带材低阻接头的焊接工艺

3.3.1 焊料

3.3.2 压力

3.3.3 施压速度

3.3.4 搭接长度

3.4 YGdBCO带材及接头的力学性能

3.4.1 YGdBCO母材及接头的轴向拉伸特性

3.4.2 YGdBCO母材及接头的横向拉伸特性

第四章 YGdBCO 高温超导带材纳米银接头实验研究

4.1 引言

4.2 连接装置

4.3压力均匀性测试

4.4 纳米银膏热动力学特性

4.4.1 热分析

4.4.2 烧结形貌

4.5 基于单根带材的纳米银低温烧结工艺探索

4.5.1纳米银涂敷

4.5.2 温度及压强对带材的影响

4.6 YGdBCO带材纳米银接头制备

4.6.1 接头组装

4.6.2 接头性能及结构

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果