超导带材电流均匀性测试装置及标定方法与流程

本发明涉及超导技术领域，具体地，涉及一种超导带材电流均匀性测试装置及标定方法。

背景技术：

1911年荷兰莱顿大学的卡末林·昂纳斯教授在实验室首次发现超导现象以来，超导材料及其应用一直是当代科学技术最活跃的前沿研究领域之一。1986年1月在美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎世实验室中工作的科学家柏诺兹和缪勒，首先发现钡镧铜氧化物是高温超导体，很快在1-2年的时间里，超导体的临界转变温度被世界上各个研究组提高到了液氮温度以上，从而摆脱了超导体对昂贵液氦制冷的需求。在过去的十几年间，以超导为主的超导电力设备的研究飞速发展，在超导储能、超导电机、超导电缆、超导限流器、超导变压器、超导同步调相机等领域取得显著成果。

目前进入商业化的高温超导带材分为铋系和钇系。铋系超导体即第一代超导材料，也称bscco超导体；钇系超导体即第二代超导材料，也称ybco或rebco超导体。

以bscco为材料的第一代超导带材，采用银包套生产工艺，具有较高的超导转变温度(tc～110k)。特别是其层状的晶体结构导致的片状晶体很容易在应力的作用下沿铜－氧面方向滑移。所以，利用把铋－2223先驱粉装入银管加工的方法(pit法)，经过拉拔和轧制加工，就能得到很好的织构。另外，在铋－2223相成相热处理时，伴随产生的微量液相能够很好地弥合冷加工过程中产生的微裂纹，从而在很大程度上克服了弱连接的影响。正由于这两个基本特性，使人们通过控制先驱粉末、加工工艺及热处理技术，成功地制备出了高性能长带。

以rebco(re为稀土元素)为材料的第二代超导带材，也被称为涂层导体，因其具有相比铋系带材更强的载流能力、更高的磁场性能和更低的材料成本，在医疗、军事、能源等众多领域具备更广更佳的应用前景。第二代超导带材，由于其作为超导载流核心的rebco本身硬且脆，所以一般是在镍基合金基底上采用多层覆膜的工艺生产，所以又被称为涂层导体。第二代超导带材一般由基带、缓冲层(过渡层)、超导层以及保护层组成。金属基底的作用是为带材提供优良的机械性能。过渡层的作用一方面是防止超导层与金属基底发生元素间的相互扩散，另一方面最上方的过渡层需为超导层的外延生长提供好的模板，提高ybco晶粒排列质量。制备超导性能优良的涂层导体，需要超导层具有一致的双轴织构。双轴织构是指晶粒在a/b轴和c轴(c轴垂直于a/b面)两个方向均有着近乎一致的排列。由于ybco薄膜在a/b轴方向的排列程度(面内织构)相对较难实现，而面内织构较差会严重降低超导性能。因此需要ybco超导薄膜在已经具有双轴织构和匹配晶格的过渡层上外延生长。制备实现双轴织构有两种主流的技术路线，一种是轧制辅助双轴织构基带技术，另一种为离子束辅助沉积技术。rebco超导层制备的常见技术分为多种，有脉冲激光沉积、金属有机物化学气相沉积、反应共蒸发等。保护层主要是用来保护超导膜层，一般在超导带材表面镀1-5um的银层。随后进行镀铜或后续的封装加强处理。

2001年日本科学家秋光纯(akimitsu)发现二硼化镁超导体(mgb2)，临界温度tc为39k。mgb2超导材料具有十分简单的化学组成和晶体结构，晶界能承载较高的电流，原材料成本低廉。同时，mgb2相干长度比钙钛矿型结构的铜氧化物超导体相干长度大，这就意味着mgb2中更容易引入有效磁通钉扎中心。目前采用粉末装管法(pit法)、连续粉末装管成型工艺(ctff)或中心镁扩散工艺(imd)制备mgb2长带。

2008年，日本科学家细野秀雄(yoichikamihara)团队发现含铁的新型超导体(laofeas)，临界转变温度为26k，这种超导体被人们称为铁基超导体。之后的几个月之内，中国的科学家在就将铁基超导体的临界温度tc提高到55k。2016年马衍伟团队在铁基超导材料的成相物理化学、元素掺杂、线带材成材、热处理工艺、微观结构等方面开展了大量研究，掌握了采用成本较低的粉末装管法制备高性能铁基超导线带材的一整套关键技术，同时开展了铁基超导线材规模化制备工艺的探索研究，通过对超导长线的结构设计和加工技术的试验优化，成功解决了铁基超导线规模化制备中的均匀性、稳定性和重复性等技术难点，最终制备出了长度达到115米的(sr，k)fe2as2铁基超导长线。

目前铋系高温超导带材已经实现了产业化生产，铋系超导带材的长度大于500米。近年来，欧美日等技术发达国家先后突破了第二代高温超导带材的长线带材制备技术，世界上已有多家公司可生产第二代高温超导长带。技术发达国家主要是美国，日本，欧洲和韩国。生产和研发水平的主要标志是单根长度、77k下的单位宽度临界电流值。如日本的fujikura公司制备出长度为1040米、临界电流(ic)为582a/cmgdbco超导带材，韩国的sunam公司2016年底制备出长度为1000米、平均ic接近1000a/cm以上gdbco超导带材。国内近年来组织了二代高温超导产业化关键技术重大项目攻关，培育战略性新兴产业。在上海市政府、苏州市政府等地方政府的有力支持下，上海超导科技股份有限公司、上海上创超导科技有限公司、苏州新材料研究所有限公司等高新技术民营企业脱颖而出，有力的推动了二代高温超导技术的快速发展。上述三家产业化公司为代表的国内超导带材生产单位，能够年生产100公里以上高性能二代高温超导带材。

超导带材的最关键的两个指标在于单根长度和临界电流。临界电流是反映超导带材载流能力的最基本的参数。普遍采用的方法是四引线法，即在样品两端加载电流，测试带材上电压信号。随着电流的增加，通过观测电压的增加，用每厘米带材长度上产生1微伏作为失超判据，确定超导带材的临界电流。这种方法原理简单，广泛的应用于实验室级别长度小于10cm的样品测量，可参考专利文献cn104965113a公开的一种用于高温超导带材力学性能测试的装置及其检测方法。然而随着生产带材的单根长度稳定在500-1000米，传统的四引线法测试则不能满足对带材临界电流和临界电流分布测试的需要。

作为一种接触式的测量方法，四引线法应用于长超导带材整体性能中有很多局限性。1、在测试中电流引线和电压引线需要与带材接触，会对超导带材造成机械损伤2、其次测试效率也十分低下，虽然有一些科研机构发明了诸如基于连续四引线的长带临界电流测试装置，但实际对产品的测试意义不大,因为基于该装置测试的速度远远小于带材生产的速度。3、固定的步长(通常为0.5m-4m)测试超导长带的临界电流性能分布，在该步长内的临界电流分布数据将会丧失。4、接触式测试对带材的过流特性有一定要求，因此只能测试部分镀铜或封装后的带材，对于镀完银的超导带材、镀铜较薄的超导带材或不锈钢封装的超导带材进行测试有大概率因为带材承受不了接触点的过流而烧毁带材。

目前对于超导长带的临界电流检测，除了科研使用接触式的测量方法，在生产过程中的检测大家普遍采用磁测法来测试超导长带的临界电流分布。参考专利文献cn101788594a公开的一种非接触式超导带材临界电流测量装置，利用了测量超导带材剩余磁场在空间的磁感应强度再反算临界电流。用这种方法让超导带材首先通过一个背景磁场，通常背景磁场需要大于两倍的最大穿透长，然后将经过此话后的超导带材样品移出背景磁场，此时在超导带材内部会干生出类似涡流的环形电流，由于超导材料自身电阻很小，该环形电流会长时间存在，并产生一个磁场，通常称该磁场为剩余磁场，剩余磁场在空间具有一定的分布。在于带材表面相对位置固定点放置磁场探测元件，通常为霍尔探头，测量带材表面某点的磁感应强度。探头与带材相对位置固定时，测量到剩余磁场的磁感应强度幅值与带材临界电流具有正比关系，可反算带材对应的电流。这种方法可以测得超导长带的临界电流分布，并且具有较高的分辨率。

图3展示了接触式测量法和磁测法对同一根超导长带测试结果的对比。接触式测量利用连续临界电流测试系统，每米停下测出得到一个临界电流值，在图中用圆点的形式标明。磁测法测试结果以连续曲线形式标明。大家可以清楚的看到，两种测试方法得到的超导长带的临界电流分布的趋势基本一致。然而接触式测量法的测试时间是磁测法的10倍以上，接触式测量法不能得到超导带材在步距之内的电流的均匀性信号。

然而磁测法只能得到超导长带的临界电流分布，是一个相对值，具体带材的临界电流值，需要对其进行标幺后确定。标幺的方式通常在长带的端部剪取短样，对短样进行四引线法测试，用测试的绝对数值对长带的临界电流相对值进行标幺。在实际操作过程中，我们通常会发现，磁测法测试得到的超导带材的临界电流是有较大波动的即使是在每厘米的范围内，这跟超导带材本身的特性有关，超导带材微分成每个小段，每个小段的临界电流都不一样。四引线法测试得到的超导带材的临界电流为一个确定值，这一个值是该段被测超导带材的综合的临界电流性能。

即使一根临界电流和均匀性较好的超导带材的临界电流为500a，±10％的波动，最低点的临界电流与最高点的临界电流就相差100a。此时用四引线法测到的端部短样临界电流可能是450a-550a中的某一个数字。如图4所示，长带右端剪样10cm测试的临界电流为89a，反应到最右侧的磁测法数据，89a不知是恰好测到了高点还是低点。因此用这个数字来标幺磁测法测到的整根带材的临界电流分布，非常困难。采用多测几次取平均值得做法，一来浪费材料和时间，二来也不一定完全准，其原因在于临界电流的波动频率很高。如果标不准确，那对于超导带材的低点判断都会存在问题，会大大影响超导带材的使用，阻碍超导应用的推进。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种超导带材电流均匀性测试装置及标定方法。

根据本发明提供的一种超导带材电流均匀性测试装置，用于测试超导带材的电流均匀性，包括临界电流测试架、导电片以及电压引线探针；

所述导电片包覆在临界电流测试架两端；

所述超导带材两端分别与设置在电流测试架两端的导电片电连接；

所述电压引线探针的一端压接在超导带材表面。

优选地，所述超导带材电流均匀性测试装置还包括电流负载引线和电压引线支撑架；所述电压引线支撑架与电流测试架固定相连，所述电压引线探针设置在电压引线支撑架上；所述电流负载引线与导电片电连接。

优选地，所述电压引线探针包括弹簧机构；电压引线探针通过弹簧机构压接在超导带材表面。

优选地，多个所述电压引线探针沿超导带材长度方向等间距设置，电压引线探针与超导带材的压接点位于超导带材宽度方向的中点。

优选地，所述超导带材电流均匀性测试装置还包括冷却介质，所述弹簧机构不与冷却介质直接接触。

根据本发明提供的一种超导带材电流均匀性标定方法，包括如下步骤：

步骤1：将电压引线探针拉开，将超导带材安置于电压引线探针与临界电流测试架之间，两头均覆盖导电片上，放开电压引线探针，使其正好压接在超导带材宽度方向的中点上；

步骤2：将超导带材焊接在导电片上；

步骤3：测得超导带材临界电流分布；

步骤4：调整磁测法得到的相对的临界电流分布，与本装置测得的超导带材临界电流分布对应上，并取得标定系数；

步骤5：用标定系数对磁测法得到的相对的临界电流分布进行标幺，得到长带的临界电流值。

优选地，步骤3包括如下子步骤：

步骤3.1：给超导带材通入电流，取最两端的电压引线探针采集的电压信号，测得整段样品的临界电流值；

步骤3.2：给超导带材通入临界电流，采相邻两端的电压引线探针电压信号，控制电流源输出电流的升降，使电压稳定在1uv/cm。得到该小段临界电流；

步骤3.3：采集电压切换到下一组相邻两端的电压引线探针，重复步骤3.2继续测试下一小段临界电流；

步骤3.4：重复步骤3.3直至测出所有小段的临界电流，得到实测的超导带材临界电流分布。

优选地，步骤3包括如下子步骤：

步骤3.10给超导带材通入电流，取最两端的电压引线探针采集的电压信号，测得整段样品的临界电流值；

步骤3.20：给超导带材通入临界电流，采相邻两端的电压引线探针电压信号，通过公式反算得到该小段临界电流；

步骤3.30：采集电压切换到下一组相邻两端的电压引线探针，重复步骤3.2继续测试下一小段临界电流；

步骤3.40：重复步骤3.30直至测出所有小段的临界电流，得到实测的超导带材临界电流分布。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的超导带材电流均匀性测试装置，结构简单、成本低、测试效率高，能够简易快速的在不破坏超导带材的情况下能实现对带材短样上临界电流分布的测试；

2、本发明提供的超导带材电流均匀性测试装置及标定方法，能够快速的准确的标定出真实的超导带材的临界电流，如图5所示，用该方法测试得到的临界电流分布与磁测法非常对应，有效提升了测试效率、简化了测试过程的耗时和人力资源成本。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的超导带材电流均匀性测试装置示意图；

图2为典型的四引线测试i-v曲线示意图；

图3为接触式测量法和磁测法对同一根超导长带测试结果的对比示意图；

图4为典型的磁测法得到的超导长带临界电流分布示意图；

图5为本发明提供的超导带材电流均匀性测试装置对超导短样测试的临界电流分布和磁测法得到的临界电流分布对应示意图；

图中示出：

临界电流测试架1

电流负载引线2

导电片3

超导带材4

电压引线支撑架5

电压引线探针6

弹簧机构7

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的一种超导带材电流均匀性测试装置，用于测试超导带材4的电流均匀性，包括临界电流测试架1、导电片3以及电压引线探针6；所述导电片3包覆在临界电流测试架1两端；所述超导带材4两端分别与设置在电流测试架1两端的导电片3电连接；所述电压引线探针6的一端压接在超导带材4表面。

具体地，所述超导带材电流均匀性测试装置还包括电流负载引线2和电压引线支撑架5；所述电压引线支撑架5与电流测试架1固定相连，所述电压引线探针6设置在电压引线支撑架5上；所述电流负载引线2与导电片3电连接。所述电压引线探针6包括弹簧机构7；电压引线探针6通过弹簧机构7压接在超导带材4表面。多个所述电压引线探针6沿超导带材4长度方向等间距设置，电压引线探针6与超导带材4的压接点位于超导带材4宽度方向的中点。所述超导带材电流均匀性测试装置还包括冷却介质，所述弹簧机构7不与冷却介质直接接触。

根据本发明提供的一种超导带材电流均匀性标定方法，包括如下步骤：

步骤1：将电压引线探针6拉开，将超导带材4安置于电压引线探针6与临界电流测试架1之间，两头均覆盖导电片3上，放开电压引线探针6，使其正好压接在超导带材4宽度方向的中点上；

步骤2：将超导带材4焊接在导电片3上；

步骤3：测得超导带材4临界电流分布；

步骤4：调整磁测法得到的相对的临界电流分布，与本装置测得的超导带材4临界电流分布对应上，并取得标定系数；

步骤5：用标定系数对磁测法得到的相对的临界电流分布进行标幺，得到长带的临界电流值。

更具体地，步骤3包括如下子步骤：

步骤3.1：给超导带材4通入电流，取最两端的电压引线探针6采集的电压信号，测得整段样品的临界电流值；

步骤3.2：给超导带材4通入临界电流，采相邻两端的电压引线探针6电压信号，控制电流源输出电流的升降，使电压稳定在1uv/cm。得到该小段临界电流；

步骤3.3：采集电压切换到下一组相邻两端的电压引线探针6，重复步骤3.2继续测试下一小段临界电流；

步骤3.4：重复步骤3.3直至测出所有小段的临界电流，得到实测的超导带材4临界电流分布。

或者，步骤3包括如下子步骤：

步骤3.10给超导带材4通入电流，取最两端的电压引线探针6采集的电压信号，测得整段样品的临界电流值；

步骤3.20：给超导带材4通入临界电流，采相邻两端的电压引线探针6电压信号，通过公式反算得到该小段临界电流；

步骤3.30：采集电压切换到下一组相邻两端的电压引线探针6，重复步骤3.2继续测试下一小段临界电流；

步骤3.40：重复步骤3.30直至测出所有小段的临界电流，得到实测的超导带材4临界电流分布。

进一步地，本发明的优选例技术方案包括临界电流测试架1、电流负载引线2、导电片3、超导带材4、电压引线支撑架5、电压引线探针6、弹簧机构7；所述导电片3采用导电紫铜片，包覆在临界电流测试架1两端，所述电流负载引线2焊接在导电片3上；所述超导带材4焊接在导电片3上；所述电压引线支撑架5安装于临界电流测试架1上方，其装有若干个电压引线探针6，每个电压引线探针6包含弹簧机构7。电压引线探针6最终压接在超导带材4表面。每个电压引线探针6沿超导带材4长度方向等间距设置，并正好压接在超导带材4宽度方向的中点上。在不破坏超导带材4性能的情况下，电压引线探针6端部面积越小越好。弹簧机构7在测试时置于冷却介质的外侧，防止因冻住失去弹性。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。