潘远洲，何天虎，辛灿杰，关明智

(1. 兰州理工大学理学院，甘肃，兰州 730050；2. 中国科学院近代物理研究所，甘肃，兰州 730000)

超导材料作为20 世纪的最伟大的发现之一，其零电阻、迈斯纳效应是在极端低温的超导态条件下才能得以实现。超导材料具有的优异特性使其从1911 年被发现之日起，就展示出了诱人的应用前景。目前超导材料以及相关技术正在越来越多地应用于科研、交通、电力、能源、生物医学、国防军事等诸多领域；据统计，这其中约有95%为低温超导系统(如NbTi/Cu、Nb3Sn/Cu 磁体)，全球市值超过上千亿美元[1 − 3]。然而，由于受极端低温工作环境的制约和高成本(低温冷却的液氦价格昂贵)，以及核心原材料供给问题(铌材全球供应量正在逐年锐减)，低温超导与应用正在面临着越来越显著的危机与挑战[4]。

近年来，随着高温超导带材的实用化进程进一步加快(年产值达到几十万米，成本降低到几美元)，世界上许多高科技公司、研究机构和大学实验室相继开展了基于高温超导带材绕制超导磁体的项目，如在高温、高场超导磁体应用方面，2017 年12 月8 日美国佛罗里达国家高场实验室(NHMFL)宣布研制出中心场为32 T 的超导磁体，打破了该类磁体的世界纪录[5]。该内插磁体系统是在由低温超导(LTS)线材绕制的磁体中内插能产生17 T 磁场的ReBCO 磁体，通过磁场叠加而实现32 T 的中心场。而随着无绝缘技术的提出以及高温超导带材性能的快速提升，美国MIT 弗朗西斯比特实验室也正在研制30.5 T 的低/高温混合高精度超导NMR 磁体系统[6]，与此同时，日本理化技术研究所[7]、韩国SuNAM 公司[8]、日本东北大学HFLSM 实验室[9]、我国的中国科学院电工研究所等研究机构在基于高温超导材料的高场磁体技术(>20 T)研究方面也开展了一系列卓有成效的工作[10]。除了在高场超导线圈方面的应用，高温超导磁体也由于其宽泛的工作裕度、抗辐照特性、超导电性等在高能加速器和探测器、散射中子源、磁约束聚变和重离子加速器等大科学装置中得到了逐步的应用，并成为了该领域关注的热点问题[11]。然而，进一步的大量工程实践与研究表明[12 − 16]：高温超导材料在外界机械压力或变形情形下，会出现其临界温度Tc或临界磁场Hc的改变，通电超导体出现临界电流Ic的退化现象，甚至失去超导性。可见高温超导材料的特性不但受到其物理性能的影响，还受到其力学性能的显著影响。而在实际应用中，外界的机械载荷、内部的电磁力载荷等，甚至制备过程中的加工机械荷载等均是无法避免的。因此，极端多场条件下的力学问题和多场耦合特性直接关系到高温超导磁体的安全设计和稳定运行，亟需发展相应的可以提供极端多场环境并能表征高温超导电磁材料热学、电磁学和力学宏微观性能的测试平台和评估手段等。目前，可以表征超导材料相关多物理场性能的测试平台大致可以分为以下两类。

第一类极端测试平台主要针对具体的工程项目，可以实现固定温度(如液氮、液氦温度)下的力学加载。如SULTAN[17 − 18]是目前国际上最重要也是最大的高载流超导体、线缆检测与评估平台，为包括ITER 等众多国际项目中的超导线缆样品进行专业的检测与认证。除此之外，许多发达国家研究机构基于承建的大型科学工程也分别建立起各自的超导检测装置，如欧洲CERN 研究中心FRESCA 超导性能测试装置[19]，德国KIT 的低温力学测试系统[20]等。在国内，中科院等离子研究所、中科院理化技术研究所等也根据中国航空航天和应用超导领域大科学工程的背景需求，在低温环境下的材料与结构力学性能测量平台建设方面围绕工程需要研制了相关的急需测量设备[21]。主要用于特殊钢材料在固定低温下的拉、压、弯测试等。

第二类极端测试平台主要针对超导材料与结构多场的实验基础表征研究，可以实现低温/变温环境、背景磁场和力学的多场共同加载。如近些年，兰州大学电磁固体力学研究组在超导结构多物理场测量仪器研发方面率先开展了一系列卓有成效的工作，该研究组研发了超低温/变温超导线材力学测量系统，实现了连续变温下(77 K～室温)的力-热耦合行为测试，并开展了低温/变温环境下的高、低超导材料拉伸力学性能随温度的依赖关系的研究，获得了包括拉伸强度、断裂拉伸百分比、屈服强度、弹性模量等力学特性相关的一些有意义的结果[22 − 23]。新近，该研究组与中科院近代物理研究所研制成功了国际首台极端多场下超导材料力学性能的全背景场测控大型仪器[24]，可以实现对超导线/带材准静态力学性能和材料参数随温度、磁场、载流、力学加载等变化的全测控。

近年来，随着高温超导磁体技术在大型粒子加速器等科学工程中的广泛应用，其高温超导复合材料在疲劳等动态载荷(包括交变荷载、热循环、绕制荷载等)下的力学、热学和电磁学等行为引起了国际上大量的关注。美国MIT 超导磁体研究组对其在建的1.3 G 高/低温混合超导NMR 磁体项目中18.7 T 高温超导YBCO 非绝缘磁体结构外部绑扎层厚度及其张力效应进行较详细的数值优化分析，并给出了多场环境对其电磁-力行为的影响以及降低层间摩擦的具体有效措施等，基于动态荷载下测得的力学强度参数，提出了其优化分析强度的判断准则[25]。此外，随着欧洲强子对撞机超导磁体改造项目的进展，针对所使用的YBCO、Bi 系等高温超导带材，特别是YBCO、Bi系等高温超导电缆在交变动态荷载作用下超导临界特性的退化行为，各国研究机构相应研制出简易的适用于交变荷载下高温超导带材测试设备，并利用这些设备，开展了一系列疲劳荷载下高温超导结构力学行为的相关研究[26 − 31]，并指出，疲劳荷载下的高温超导材料分层、裂纹、剥离等是其临界电流退化的可能原因。因此，极端环境下动态荷载作用下超导材料的低温多场测试系统逐渐受到人们的关注。

综上所述，目前各类相关极端环境下的超导材料性能测试系统大多仅限于固定低温环境下的物理量测试技术，以及少量的极端变化环境下的多场测量系统与技术。由于极端环境的限制，这些测量系统的机械加载部分大多只能实现准静态运行模式。而对于低/变温或大幅变温等极端条件下受疲劳荷载作用后高温超导带材的力学、电学等多场耦合性能的实验研究及其相关测试设备的研发尚且较少涉及，这些也已成为制约我国大型加速器高温超导磁体研发与建造的重要瓶颈。

本文采用了基于微机控制的电子式疲劳试验机系统和非线性PID 控制系统，成功研制出高温超导带材低/变温疲劳性能测试系统，该系统可实现对各类实用高温超导材料实现疲劳荷载下的力电多场耦合测试，此外，在低温箱体设置有直径3 mm 的光学观察窗，可以结合非线性CCD 全场变形测试技术，对低温环境下高温超导带材的疲劳与变形行为开展基础的实验表征。最后，基于所研制的低/变温疲劳性能测试系统，对受拉-压疲劳荷载下的YBCO 超导带材的力学行为、载流特性开展了初步的实验研究等。该设备的成功研制对于进一步深入高温超导材料低温疲劳及其多物理场特性研究提供了基础保障。

1 高 温 超 导 带 材 低/变 温 疲 劳 性 能测试系统

1.1 系统的总体设计

系统由五大部分组成，分别为基于计算机控制的电子式疲劳试验机系统、基于非线性PID 控制的低/变温环境系统、强电流加载和控制系统、非接触光学测量系统、强背景磁体系统(预留空间设计，未安装)，整体系统设计如图1 所示。

图1 高温超导带材低/变温疲劳性能测试系统结构示意图Fig. 1 Schematic diagram of cryogenic fatigue testing systems for high temperature superconducting tapes

1)基于计算机控制的电子式疲劳试验机系统的设计与研制。

电子疲劳试验系统如图2 所示，采用PD-5 微控电子式疲劳试验机实现对测试样品交变(低频疲劳)力学的加载，主要技术参数如表1 所示。该系统采用全数字交流低惯量伺服电动机与超精密行星齿轮减速机采用胀套连接，实行无间隙传动，并安装在移动横梁的上表面。减速机的输出轴与精密滚珠丝杠副采用胀套连接驱动，滚珠丝杠丝母与导向筒精密配合导向，可将旋转运动变为直线运行，实现无间隙传动，以及良好的抗失稳性能。此外，考虑到疲劳机械加载部分与低温控制箱、超导磁体等的集成，实现了加高、加宽型的试验机的设计；疲劳试验机采用无级变速的位移加载方式，加载速度大幅范围内可控以提供不同的加载需求(如静态加载和疲劳加载等)；整机的设计采用门式预应力结构和高精度测力系统，配备以低温、抗磁夹具实现对测试样品拉伸、压缩、弯曲多种变形模式加载。

图2 电子疲劳试验系统Fig. 2 Electronic fatigue testing systems

表1 电子疲劳试验系统主要技术参数Table 1 Parameters of electronic fatigue testing systems

2)基于非线性PID 控制的低变温环境系统的设计与研制。

本系统采用低温、真空控制箱体，实现两阶段制冷的方式：对于室温～77 K 温区采取液氮喷淋制冷；对于77 K～20 K 温区采用GM 制冷机制冷。因此，箱体采用双重真空模式，即内部空间为高真空度的真空室、箱体外壳采用真空、内部采用钛合金冷屏隔热模式，最大限度地保证了在长时间的疲劳试验过程中低温腔内无对流传热损失。此外，低温箱体内的温度控制采用非线性PID 调控单元和微热源的方式，以实现低变温的高精度控制与测量，测量精度达到1 K。

3)强电流加载和控制系统的设计与研制。

对于高温超导材料，其电流载流能力高并伴随电流、磁场、变形场因素存在临界电流的退化现象，为此需要配备具有相应的失超检测与反馈功能的大功率电源；为了实现对试样的强电流加载，设计和采用具有承载高电流的高温超导材料制成的电流引线；设计并提供针对实验样品所需电流大小的调换使用功能。此外，在本测试系统设计中，将正极固定，负极与导冷板之间做燕尾形滑轨，保证下凸轮在推动负极时，可以使其活动，样品正负极块装夹平面可加工成不同角度的斜面，从而实现在长时间疲劳机械-电共同加载下夹具的自动调节功能(如图3 所示)。

图3 电流加载内部关键部件示意图Fig. 3 Illustration of key current lead parts

4)非接触光学应变测量系统的设计与研制。

图4 非接触光学应变测量系统示意图Fig. 4 Schematic diagrams of non-contact optical strain measurement systems

如图4 所示，非接触光学应变测量系统由CCD 摄像头、分离镜、滤光镜、前述低变温环境系统组成，通过在该环境系统前方设置的直径3 mm的光学观察窗，可以实现在低温环境下对高温超导带材的疲劳与变形行为开展非接触实验研究。此外，在进行应变测量时将多组聚焦镜放到低温真空部，可实现低温真空环境下高精度的三维应变场测量。

1.2 系统的总体装配与测试

高温超导带材低/变温疲劳性能测试系统的研制将分为两阶段进行，第一阶段采用液氮喷淋制冷方式，可实现室温～77 K 温区下通电试样的疲劳试验，第二阶段采用GM 制冷机制冷方式，可实现室温～10 K 温区下的大载流试样的疲劳试验。目前，已完成室温～77 K 温区疲劳测试系统的总体装配与调试，图5 为完成全部装配的仪器实物图。

图5 高温超导带材低/变温疲劳性能测试装置实物图Fig. 5 Actual equipment of cryogenic fatigue testing systems for high temperature superconducting tapes

2 实验研究

2.1 实验样品与实验过程

基于上述自主研制的高温超导带材低/变温疲劳性能测试系统，开展了拉-压疲劳荷载后YBCO超导带材的力学行为、载流特性初步的实验研究。实验样品采用上海超导科技股份有限公司提供的YBCO 高温超导带材，厚度约为0.25 mm，长度150 mm，宽度12 mm。由于本实验的测试温度环境为室温～77 K，应变测量采用的是日本共和低温应变片，内设半桥路温度补偿电路[32]，其测量温度范围为：293 K～4.2 K，采用CC-3A 将工作应变片贴至加载试样的表面，温度补偿片贴至参考试样的表面(不受机械载荷作用)。疲劳载荷的测量由安装于作动器下方的美国世铨机密级拉压传感器完成；在作动器的两侧，安装了绝对式光栅尺，以进行位移高精度的测量与控制。此外，考虑到疲劳加载过程中的数据采集，数据采集系统由SOC 芯片控制系统组成，内部有多个DSP 系统，并可自定义CPU，其数据采集速度最高可达5000 Hz。

此外，实验的误差分析也是测试过程中的一个重要环节，实验前，对实验测试各子系统的机械误差进行了分析，在本测试系统中，电阻应变仪的误差是±0.5×10−6，高精度力学传感器误差是±1.5 N，疲劳机的控制误差是<1%FS(量程)，电压测量的误差是±1×10−4µV，而由于温度的波动所产生的力学测量误差为±1×10−2N。为保证实验测试的精度，尽量减少测试系统误差的产生，实验时，对每组样品进行4 次～6 次实验，对多次实验结果进行平均处理也可以避免实验中随机误差的产生。

2.2 实验结果

在本文的疲劳试验中，初始疲劳载荷中的位移量是参照单向拉/压实验的结果确定的，研究表明：载荷循环的频率对实验结果影响很小，可忽略不计，所以本文选用的实验频率是5 Hz。而疲劳试验中的应力比是指试件循环加载时的最小荷载与最大载荷之比，在加速器磁体的应用中，由于需要实时地控制粒子运动的偏转路径，超导磁体结构时常处于变应力比的循环加载环境，因此，基于笔者自主研发的高温超导带材低/变温疲劳性能测试装置，考察1 万次、5 万次和10 万拉压循环加载时应力比效应下YBCO 高温超导带材力学性能和电学性能对于其磁体结构设计是非常必要的。

2.2.1 屈服强度

YBCO 高温超导带材的屈服强度是其磁体力学分析的一个重要参考指标。在实际工程设计过程中，屈服强度也是设计人员主要关心的问题。通常，屈服强度是指材料发生屈服现象时的屈服极限，亦即抵抗微量塑性变形的应力。而对于YBCO 高温超导复合材料，它们没有明显的屈服极限，因此，规定以产生0.2%的残余变形的应力值为其屈服极限[33 − 34]。图6 分别是室温下1 万次、5 万次、10 万次疲劳荷载后YBCO 高温超导带材屈服强度与应力比的关系。一方面，该样品在其他设备下测量的静态屈服强度为528 MPa[35]，而本文设备测量的拉伸强度为529 MPa，相对误差小于1%，表明该设备的力学功能具有很好的稳定性，完全满足后续实验要求。随着应力比逐渐的变小，YBCO 高温超导复合材料的屈服强度缓慢的提高，且与疲劳荷载应力比成非线性关系。在1 万次疲劳荷载下的样品，当疲劳荷载应力比降低至0.1 时，其相比静态载荷实验测得的屈服强度提高了约5%，这是由于其内部的位错力随应力比的下降而增大，而使材料中位错的运动更加困难，表现出在屈服阶段强度的提高。此外，随着疲劳次数增加，缺陷密度逐渐增大，当应力比变小时，屈服强度呈先增大后下降的趋势。

图6 室温下不同次数疲劳荷载YBCO 高温超导带材屈服强度与应力比依赖关系Fig. 6 Yield strength-stress ratio curves of a YBCO tape under different fatigue cycles at room temperature

2.2.2 弹性模量

图7 是室温下1 万次、5 万次、10 万次疲劳荷载后YBCO 高温超导带材弹性模量与应力比的依赖关系。

由于其弹性段很短，通过初始段确定其弹性模量离散性较高。因此，本试验中，通过塑性段的回载曲线的斜率来确定材料的弹性模量。从图中可以看出，其弹性模量与循环载荷应力比之间存在一定的线性关系，通过线性拟合，可得出其复合材料结构的弹性模量与循环载荷应力比之间的关系，进而方便工程设计人员灵活使用。从图7还可以看出，随着应力比逐渐的变小，其弹性模量也在减小，在1 万次疲劳荷载下的样品，相比于应力比1 时的弹性模量，当应力比达0.1 时，测量值下降了约10%，这表明随着应力比降低，超导样品的疲劳缺陷密度在提高。而在没有形成位错环之前，高密度的缺陷分布会一定程度上降低YBCO 高温超导带材的力学性能。此外，随着疲劳次数的增加，应力比对弹性模量的影响呈明显的非线性趋势。这说明应力比与疲劳次数叠加效应将共同影响其弹性模量。

图7 室温下不同次数疲劳荷载YBCO 高温超导带材弹性模量与应力比的依赖关系Fig. 7 Young’s modules-stress ratio curves of a YBCO tape under different fatigue cycles at room temperature

2.2.3 临界电流

图8 室温下1 万次疲劳荷载YBCO 高温超导带材临界电流与应力比的依赖关系Fig. 8 Critical current-stress ratio curves of a YBCO tape after 10000 fatigue cycles at room temperature

图8 给出了YBCO 高温超导带材在液氮环境下的临界电流随疲劳加载的应力比的衰减规律，从图中可以看出，当应力比达到0.4，疲劳荷载的最大应力提高到屈服强度的80%时，临界电流衰减了大约4%，这表明，当应力比减小时，会引起YBCO 超导带材内部的微裂纹[36 − 37]，进而引起临界电流降低，当应力比继续降低时，内部的裂纹间相互制约，造成相对的平衡态，裂纹不再扩展，临界电流相对保持不变。此外，当疲劳荷载的最大应力提高到屈服强度的95%时，临界电流衰减了达到5%以上，这说明疲劳荷载的最大应力提高可以加速带材内部的微裂纹的扩展，从而使临界电流衰减速率加快。

2.2.4n值

图9 是n值与应力比之间的关系，当应力比为0.7，最大应力为屈服强度的80%时，n值为41，而应力比不变，最大应力为屈服强度的90%时，n值为40.6，只有一些小的波动。当应力比达到0.4 时，两种工况下的n值快速下降；而当应力比达到0.1 时，最大应力为屈服强度的80%的工况变化很小，最大应力为屈服强度的90%的工况下降了约5%，这说明，当最大应力强度提高，且应力比降低时，带材中的预应变会相应的提高，带材可能出现过度的分层现象，进一步地影响了n值的变化。总的来说，n值的变化与临界电流的变化大体相似，说明在疲劳荷载时，YBCO 高温超导带材的超导层中会出现裂纹，并且随着应力比的减小，裂纹逐渐向外延伸传播，破坏超导层，使得电流进入银层和铜稳定层，电压逐渐增加，最终造成一定的分流现象。

图9 室温下1 万次疲劳荷载YBCO 高温超导带材n 值与应力比的依赖关系Fig. 9 n value-stress ratio curves of a YBCO tape after 10000 fatigue cycles at room temperature

3 结论

本文介绍了一种适用于高温超导带材低/变温疲劳性能测试系统，该系统可以在低/变温环境下对疲劳载荷和各种应变引起超导材料临界电流的改变进行深入研究，同时具有高精度的静动态力学、热学、电磁学测量功能。该装置的成功研制将为我国加速器用高温超导材料与磁体结构的研发提供相关的基础。此外，在本测试系统的设计阶段，通过预留设计位置，研制成功了大空间的低温真空箱，为未来的超导背景磁体安装提供了相应的空间，为系统的进一步指标提升和电磁功能实现奠定了基础。

基于所搭建的测试系统，本文对受拉-压疲劳荷载下的上海超导YBCO 高温超导带材的力学行为、载流特性开展了初步的实验研究，实验发现，在1 万次、5 万次、10 万次拉压疲劳荷载的工况下，YBCO 高温超导带材的力学性能与载流特性与其应力比成明显的非线性关系，其中，在1 万次疲劳荷载工况下，材料的弹性模量随着应力比的降低而降小，其屈服强度随着应力比的降低而增大，临界载流特性随着应力比的降低而降小，并且随着疲劳次数的增加，应力比对于材料力学性能的非线性效应越明显，而疲劳荷载最大应力会加剧其临界载流特性的退化，这些性能的变化与其疲劳荷载下微观损伤机制是直接相关的。未来，将会增加样品的种类及数目，改进实验装置，使其能在低变温环境下实现超导材料在疲劳变形过程中电磁、机械等特性的非接触测量。为我国粒子加速器用高温超导磁体的设计与研发提供基础测试平台，相关基础实验的研究也将为YBCO 超导带材的机械和电磁特性研究及交变载流高温超导磁体的设计分析奠定基础。