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超导线材的拉伸测试

日期：2023/8/24 来源：曦合超导

概述

超导物理和低温工程的发展，使得超导磁体技术在能源、军事、医疗以及科学实验等诸多领域都得到了广泛的应用。超导材料作为超导磁体的基本材料，在低温和强磁场下的力学性能及其破坏机理越来越受到工程界和学术界的关注。

判断一种超导材料的性能，主要参数就是临界电流密度，临界温度和临界磁场。但是如果要设计大型超导磁体和导体内的电缆，就必须要考虑超导线材的机械性能。因此对超导线的机械性能，特别是在低温和强磁场下的力学性能的研究，对设计和制造超导电缆提供了十分重要的参数。研究超导材料在低温和强磁场下的力学性能，对了解，超导材料的极限强度与保证超导磁体结构的安全性等,具有非常重要的工程实际意义。国外对超导线的力学性能研究特别是应变对超导线临界性能的影响已经十分深入，例如，Twente大学已利用其研制的PACMAN和TARSIS装置非常系统地研究了应变与Nb₃Sn超导线临界电流衰减之间的关系，所得到的数据可应用于Nb₃Sn超导磁体的临界性能预测以及失超分析等方面研究。接下来将介绍超导材料在低温下的试验数据，对部分NbTi和Nb₃Sn超导线在不同温度下的拉伸性能做一些总结和分析。

NbTi超导线的拉伸性能

试验样品：实验采用NbTi超导线，为铜基NbTi超导线，经过组装、挤压的加工工艺，多次热处理与冷加工拉伸结合，然后扭绞、拉伸和最终热处理等工艺最终制成多芯丝超导线。

试验结果：本次实验对NbTi超导线进行了77K和293K温度下的拉伸测试。由图2拉伸曲线可以看出，随着温度的降低，超导线的强度和伸长率也随之增高。

图1、NiTi超导线

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图2、77K、293K NbTi超导线应力-应变曲线

试验分析：液氮温度下，NbTi超导线的抗拉强度最高。由于NbTi超导线是Cu和NbTi合金组成的复合材料，两种不同的金属具有不同的力学性能，故受到应力后的屈服强度也不相同。

Nb₃Sn超导线的拉伸性能

试验样品：Nb₃Sn超导线，制备方法为内锡法，线径为0.82ｍｍ，工艺特点为直接采用Nb棒和SnTi棒作为主要原料，使用高纯无氧铜作为复合加工的基体材料，通过多次复合和冷热加工而成。

试验结果：Nb₃Sn超导线为以Cu金属和金属间化合物Nb₃Sn为主要组成部分的复合材料。Nb₃Sn为金属间化合物，其力学性能远不及NbTi合金。因而，经过热处理形成Nb₃Sn相后的超导线其临界性能对应变十分敏感。因而为了避免绞缆和导体成型使超导线产生较大应变从而造成临界电流的衰减，一般使用Nb₃Sn超导线的超导体其热处理都在导体成型后进行。本次实验对热处理前的样品进行了室温拉伸测试和77K拉伸测试，试验结果如图4：

图3、Nb₃Sn超导线

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图4、77K、293K温度下，Nb₃Sn超导线应力－应变曲线对比

试验分析：由图4可知，超导线材的拉伸初始阶段的应力应变曲线特征非常相似。金属间化合物的塑形和韧性较差，属于脆性材料，本身力学性能远差于合金。因此，Nb₃Sn线前段应力应变曲线与NbTi线接近，从图中可以看出无论是抗拉强度和最终的应变值，NbTi线都远高于Nb₃Sn线．体现了合金超导材料优越的力学性能。

结论

由实验结果可知，超导线材的拉伸性能跟温度具有高度相关性，对于NbTi超导线，室温下NbTi线的抗拉强度已经达到了800Mpa，正常室温下的抗拉强度在400Mpa左右，因此，导致这种情况的原因可能是在经过多次冷加工和热处理之后，NbTi合金的力学性能有所增强，通过应力应变曲线对比，Nb₃Sn在室温下的抗拉强度也明显不如NbTi线。