超导带材损伤演化检测技术获得突破

如何有效检测出材料损伤起源与裂纹演化，直接观测和精确定位损伤部位，建立新的有效实验检测方法，弄清其内部损伤特征，是提升YBCO二代超导材料性能有效设计与性能评估的挑战性研究课题。

近日，以兰州大学土木工程与力学学院教授周又和为主导的超导力学研究团队经过5年的攻关研究，弄清了上述关键问题，相关成果以《层状高温超导内部损伤模式的检测》为题发表在《自然-通讯》杂志上。

YBCO二代高温超导带材(b)制备的典型超导磁体(a)和兰州大学提出的极端加载环境下超导带材原位磁光法损伤检测的示意图(c)

YBCO二代高温超导带材因其具有高临界转变温度、高不可逆磁场和高载流能力，已成为国际学界高度关注并竞相开发应用的一类高性能超导材料，我国上海、苏州等地也将其列为高新技术材料进行研制开发制备。

由于YBCO二代高温超导带材是典型的层合材料，在极低温、强电流和高磁场等极端使役环境下的力学变形不可避免地存在热失配应力和强电磁应力等因素导致的材料损伤破坏行为，进而制约着这类超导材料及其磁体性能的提升与稳定运行。

在64mT和40K零场冷却条件下应变试样局部磁通随加载时间的变化

周又和团队在前期研究中解决了磁光法在低温冷屏介质中的非均匀光照图像标定等技术难题，提出了模拟极端使役环境条件下超导带材的磁光与拉伸耦合的原位测量方法;实现了YBCO超导带材在不同环境温度、不同环境磁场下的高清晰度磁光图像随拉伸应力的变化特征，即随着应变值的升高，超导带材的磁光测量图像从穿透起源及其发展的全过程演化，这一演化过程为认知超导带材内部损伤与裂纹扩展的定量研究提供了基本的关联信息特征。

局部微观层面的MO图像和SEM图像

具有拉伸损伤和人工裂纹的样品之间的磁场响应比较

基于这一特征，团队提出了对磁通运动与损伤机制认知研究的新途径，发现了一种点状磁通运动的新模式及其运动时间尺度的变化特征，即随着环境温度从40K升高到60K和77K，运动时间尺度从30ms增加至60ms和100ms;随着应变的增大，磁通运动由点状结构变化为纺锤状的穿透模式，其速度分布具有多级特征，位于(6μm/s，1059.3μm/s)区间;通过对穿透面积的统计分析，得到了这种应变驱动的磁通运动模式具有自组织临界态(SOC)特征，其特征参数为-1.43±0.27;提出了磁光穿透图像与内部损伤关联的研究途径。即将实验样品采用逐层化学腐蚀处理，由磁光图像定位出穿透位置处的SEM扫描结果进行对比，由此得到了带材内部损伤与裂纹扩展的特征规律。

应变为0.75%后蚀刻样品的SEM图像

团队发现YBCO二代超导材料在使役环境下材料损伤的磁场敏感性，即穿透深度远大于贯穿裂纹，进而揭示出这种损伤模式完全不同于传统推测的贯穿裂纹破坏模式。其次，通过逐层腐蚀和SEM扫描，还发现了这种YBCO二代带材从基底向上传播的新破坏模式，且损伤尖端存在一种非晶化现象。

拉伸应变期间损伤形成过程示意图

a)从基底开始的解理型微裂纹;b)微裂纹随应变的增加传播到缓冲层中;c)当应变进一步增加时，微裂纹沿厚度和宽度方向渗透到超导层中