應用分享 | 三維X射線顯微鏡在第二代高溫超導體失效分析研究中的應用

更新時間：2023-09-15

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三維X射線顯微鏡在第二代高溫超導體失效分析研究中的應用

超導材料具有在一定低溫下具有電阻為零、抗磁性和量子隧穿效應的特性，其種類包括低溫超導材料和高溫超導材料。低溫超導材料發現較早并已開始廣泛應用，不過其需要在液氦中工作，而高溫超導材料則可以在液氮中工作，因為液氦資源稀缺且價格昂貴，而相比之下，液氮價格更低，因此，高溫超導材料可以很大的降低使用成本，更有市場潛力。

在高溫超導材料中，鉍鍶鈣銅氧BSCCO 是一代產品，研究和應用都比較成熟，目前應用占比較高，釔鋇銅氧(YBC0) 是二代高溫超導材料。與前者相比，二代高溫超導材料的載流量等性能便優異，應用范圍更廣，構造相對簡單，并易于批量生產，所以具有更大的發展空間。

鋇銅氧高溫超導材料目前已被廣泛應用于核磁共振成像、超導儲能、超導計算、磁浮等技術領域和通訊、電子、電力、儲能、醫療、交通等行業。目前，高溫超導材料的市場正在逐漸擴大，具有廣闊的市場前景。

而作為一種全新的結構信息表征手段，三維X射線顯微鏡（XRM或MicroCT）得益于其能夠在無損檢測情況下用于表征樣品內部真實三維結構的優勢，可以應用于用于二代高溫超導材料（2G-HTS）研究的多個方面，包括從研究超導帶材本身到其構成的復雜，甚至是為了達到優化工藝本身而用于檢測其生產制造過程中可能涉及的其他設備組件等。

近日，來自美國休斯敦大學的先進制造研究所超導研究中心的Goran Majkic教授就借助德國布魯克的多量程納米級三維X射線顯微鏡（Nano XRM或NanoCT）SkyScan2214針對圓形超導線在外加磁場大電流下的失效機制進行了相關研究。

Goran Majkic教授的實驗對象是專門應用于高能物理研究的圓形超導線，在實驗過程中，帶材在30T時顯現出了維持很高電流的優異的能力，并在>2500A時失效。為了了解失效機理，研究人員對失效后的超導線材進行了三維成像。

圖 1

從圖1的圖像結果中，我們很清楚地看到超導導線整個組件的內部結構，超導體線固定在G10支架上并整體彎曲成15mm直徑。整個組件在4.2K和高達30T的NHMFL下進行了測試，樣品經受了2500A的電流直到失效。故障點在圖1的整體視圖中清晰可見。

而從以上切片圖結果中我們也可以看到中間部分銅芯明顯的塑性形變，超導帶材的開裂、變平以及其中焊料的分布變化。而引起這一系列變化的原因就是由于組件超導性能的局部損失導致超過2500A的電流分流到銅芯和金屬部分，從而導致其在過度受熱后的軟化。而在這樣的高溫下，產生的洛倫茲力則高到足以使結構發生塑性形變。

而在圖2的三維圖像中，清楚地向我們展示了導線失效區域和其更前端的形貌，其中，前端雖然在銅芯處并未發生明顯形變，但是在外層帶材由于洛倫茲力的影響而出現了明顯的解繞和更大程度的彎曲，從而對組件整體造成了持續的損壞。顯然，從失效區域傳遞來的熱量軟化了這一區域的焊料，從而使超導體線材出現了移動和形變。

圖 2

我們從另一個角度更直觀地來觀察一下不同位置的結構變化，從圖3所展示的結構中可以看到，由遠離失效區區域向失效區域逐漸靠近的過程中，線材的移動，焊料的回流以及銅芯等其他金屬部分的塑性形變都可以被清晰地展示了出來。

圖 3

而在另外一個應用案例中，研究人員對一個填充焊料的超導電纜進行了掃描并得到了下圖中的兩組圖像。左邊的視圖顯示了樣品內部導線和焊料的三維分布，而右邊的視圖是對于焊料的單獨表征，此測試的目標是用于優化電纜外殼以及焊料填充技術，以實現焊料在線材終端外殼之間的滲透。