Влияние сжимающих механических нагрузок на распределение критического тока в пакетах ВТСП-лент Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 538.945

Статья

Влияние сжимающих механических нагрузок на распределение критического тока в пакетах ВТСП-лент

И. И. Преображенский1,2*, В. В. Гурьев1, Д. Н. Диев1, А. В. Наумов1, А. В. Поляков1, К. В. Мосеев1, М. Н. Макаренко1, С. В. Шавкин1

1 НИЦ «Курчатовский институт», пл. акад. Курчатова, д.1, 123098 Москва, Россия

2 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Ленинские горы, д.1, 119991 Москва,

Россия

* e-mail: preo.ilya@yandex.ru Поступила в редакцию 03.06.24, после переработки 18.06.24, принята к публикации 31.07.24.

В работе методом сканирующей холловской магнитометрии было изучено распределение захваченного магнитного поля в образцах луженых и нелуженых лент из высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) после механического сжатия пакетов лент. На основе полученных данных были рассчитаны значения среднего критического тока для всех исследованных образцов. Деградация токонесущей способности при приложении механической нагрузки в пакетах луженых лентах наступает при меньших значениях нагрузки, чем в пакетах нелуженых лент. Для луженых лент отмечается падение среднего значения критического тока более чем в два раза после приложения механической нагрузки в 400 МПа, чем в исходных лентах; для нелуженых лент при этих нагрузках падение критического тока составляет менее 25%. Полученные данные могут быть полезны при конструировании сильнотоковых токонесущих элементов на основе пакетов ВТСП лент для различных применений.

Ключевые слова: высокотемпературные сверхпроводники; критический ток; токовые характеристики; холловская магнитометрия.

DOI: 10.62539/2949-5644-2024-0-2-31-41

1. Введение

Разработка материалов на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) с большой плотностью тока, высокой критической температурой и большими значениями поля необратимости является актуальной задачей, что объясняется широкой областью применения в энергетике [1-4]. В процессе производства ВТСП материалов применяются различные высокотехнологичные методы, в том числе, при получении буферных текстурированных слоев используются ионные ассистирующие пучки (IBAD), а нанесение ВТСП слоя осуществляется с использованием метода импульсного лазерного осаждения (PLD) [5]. В результате конечный продукт (ВТСП лента) имеет многослойную архитектуру: металлическая лента-подложка с несколькими буферными слоями, ВТСП слой, защитный слой серебра и опциональные слои, такие, как медь, или медь с дополнительным слоем припоя, необходимые для тепловой стабилизации провода и соединения лент между собой. При изготовлении токонесущих элементов из пакетов ВТСП лент в процессе компактирования кабеля внешние механические нагрузки могут вызвать деградацию токовых характеристик лент в результате разрушения хрупких функциональных слоев (буферные и/или ВТСП слои) [6-9]. Поэтому важным аспектом исследования является изучение влияния механических нагрузок на токонесущие свойства ВТСП проводов, в том числе имеющих различную архитектуру слоев.

Одним из удобных экспериментальных методов оценки величины критического тока в ВТСП ленте является измерение распределения захваченного магнитного потока методом сканирующей холловской магнитометрии [10,11]. Это бесконтактный неразрушающий метод, позволяющий проводить измерение как коротких образцов, так и длинномерных ВТСП

лент. При этом абсолютная величина критического тока не играет существенной роли [12]. На сегодняшний день эта методика, реализованная в типовой установке «TapeStar» (компании ТНЕУА) в режиме «с катушки на катушку», является стандартным инструментом выходного контроля коммерческих ВТСП лент. Результаты измерений, полученные на этой установке, как правило, прилагаются к паспорту изделия. Для исследование коротких (до 25 см длиной) образцов ВТСП лент, подвергнутых тому или иному воздействию, в том числе в настоящей работе, удобнее использовать установку, в которой осуществляется двумерное холловское сканирование для построения карт распределения захваченного магнитного поля.

Целью данной работы явилось исследование влияния сжимающих механических нагрузок на пакеты ВТСП лент на величину критического тока и его распределение по длине образцов ВТСП-лент с различной архитектурой.

2. Экспериментальная методика

Образцы ВТСП лент

Для проведения исследований использовались ВТСП ленты с медным покрытием (нелуженые ленты), а также аналогичные ленты с дополнительным заводским лужением припоем ПОС-61. Ленты были изготовлены компанией «С-Инновации», Россия [13]. Толщина нелуженых лент составляла 48 ± 1 мкм, а толщина луженых лент — в среднем 70 мкм (в диапазоне от 61 до 93 мкм на отдельных участках). Лента-подложка толщиной около 40 мкм изготовлена из сплава Хастеллой С-276. В Таблице 1 приведены характеристики образцов, используемых в работе.

Таблица 1. Характеристика ВТСП-образцов

Название Толщина Архитектура слоев Материал стабилизирующего слоя

Нелуженые ВТСП-ленты ~50 мкм Cu/Ag/YBCO/буферные слои/Хастеллой Электрохимически осажденная медь (толщиной около 5 мкм)

Луженые ВТСП-ленты ~70 мкм ПОС-61/СиМ^^ТО/бу-ферные слои/ Хастеллой Припой ПОС-61 (толщиной 10 мкм) + осажденная медь (толщинй около 5 мкм)

Механическая нагрузка

Механическая нагрузка осуществлялась на испытательной машине Instron 8802 с использованием специальной оснастки, изготовленной из твердосплавного материала. Величина нагрузки на сжатие составляла от 50 до 400 МПа с шагом 50 МПа. Испытуемые образцы лент складывались стопками по 10 (для нелуженых лент) и 12 (для луженых) штук. Длина образцов лент составляла 80 мм. Длина пуансона при этом составляла 100 мм в рабочей части. Нагрузка прикладывалась перпендикулярно к плоскости пакета лент. Таким образом, методически исключалось влияние краёв пуансона как концентраторов механического напряжения. Схема оснастки приведена на рисунке 1.

Метод измерения захваченного магнитного поля и оценка распределения критического

тока

Экспериментальные измерения локальной намагниченности были выполнены с использованием установки сканирующей холловской магнитометрии. В работе использовали датчик Холла с чувствительностью 70 мкВ/мТ и размером активной области 0.1 х 0.2 мм2, который позиционировался по осям X-Y: ось Y в направлении ширины ленты, ось X в направлении длины ленты. Система позволяла сканировать область над предварительно намагниченным ВТСП-образцом с шагом сканирования 1 мм. Для намагничивания образцов использовали постоянные магниты NdFeB, установленные парой и встречными полюсами. При измерении образец помещали в криостат, захолаживание ленты производили жидким азотом. Экспери-

ментальная погрешность измерения магнитного поля ВТСП образца не более 2% от величины измеряемого поля.

Рис. 1. Схема оснастки и укладки образцов лент.

Значение критического тока в точке I (х) рассчитывалось по наилучшей аппроксимации экспериментально измеренного профиля В (х,у) к формуле:

В

{х, у )=_ !1п к2+( - А)2 ]

V У) 2А 2п 2 к2 +(у-А)2 2 к2 + у2 -1

(1)

где — магнитная постоянная; Д = 2 мм полуширина ленты; h — высота над ВТСП слоем на которой проводится измерение профиля В2(х,у), является подгоночным параметром; 1с(х) — искомая величина критического тока.

3. Результаты

Распределение захваченного магнитного поля в образцах

Изменения в распределении захваченного магнитного поля по длине ленты для нелуженых ВТСП лент под действием механической нагрузки разного уровня представлены на рис. 2. Из-за большого количества экспериментов на рисунке показаны данные для одного из образцов: 1) до механических испытаний; 2) при нагрузке, при которой наблюдаются видимые нарушения в распределении захваченного магнитного поля (250 МПа); 3) при максимальной нагрузке, равной 400 МПа. После испытаний на образцах визуально не было заметно видимых нарушений поверхности.

Как можно видеть на рис. 2, нелуженые ленты до испытаний не имели дефектных областей с неравномерным распределением магнитного поля. Для нелуженых ВТСП лент на всех участках не происходит заметных нарушений в распределении захваченного магнитного поля при механических нагрузках на пакет вплоть до 250 МПа. При более высоких нагрузках отмечаются заметные изменения в виде неоднородности распределения поля. Появление областей с малыми значениями проникновения магнитного поля можно связать с образованием микротрещин в сверхпроводящем слое, что приводит к уменьшению макроскопического критического тока 1с. Изменения в распределении захваченного магнитного поля с увеличением механической нагрузки для луженых ВТСП-лент представлены на рис. 3.

Для луженых ВТСП-лент значительные нарушения в распределении захваченного магнитного поля по длине сверхпроводящей ленты наблюдаются уже после воздействия при

50 МПа, что подтверждается измерениями на всех лентах в стопке. При увеличении механической нагрузки происходит дальнейшее ухудшение в однородности распределения магнитного поля. Такое различие между нелуженой лентой и лентой с дополнительным лужением можно связать с большой вариацией толщины последней, которая приводит к локальной концентрации напряжений и более быстрой деградации сверхпроводникового слоя.

Нарушение в распределении захваченного магнитного поля происходит синхронно для всех образцов в стопке.

0 МПа 250 МПа 400 МПа

Рис. 2. 3D-визуализация распределения захваченного магнитного поля на различных участках нелуженых ВТСП лент до и после применения механической нагрузки при 250 МПа и 400 МПа.

0 МПа 250 МПа 400 МПа

Рис. 3. 3D-визуализация распределения захваченного магнитного поля на различных участках луженых ВТСП-лент до и после применения механической нагрузки при 50 МПа и 400 МПа.

Определение значений критического тока на основе данных сканирующей холловской магнитометрии

Одной из задач работы являлось определение степени деградации критического тока ВТСП-лент после механических испытаний. Примеры распределения тока по длине образцов представлены на рис. 4.

В случае ВТСП лент с дополнительным лужением наблюдаются существенное увеличение разброса величин критического тока по длине образца.

Рисунок 5 демонстрирует средние значения критического тока для нелуженых и луженых ВТСП лент, в зависимости от положения ленты в пакете, после приложения соответствующей механической нагрузки.

На основе полученных результатов можно сделать вывод, что крайние ленты (медные ленты 1 и 12, луженые ленты 1-1 и 3-4), располагающиеся сверху и снизу стопки, находятся в немного отличающихся деформационных условиях по сравнению с остальными лентами в стопке. Среднее значение критического тока для крайних медных лент снижается быстрее чем для внутренних, напротив для луженых лент среднее значение критического тока падает мед-

леннее с увеличением приложенной нагрузки. В дальнейшем анализе крайние ленты в стопке не учитываются.

(а)

(б)

Рис. 4. Распределение тока в нелуженых (а) и луженых (б) ВТСП-лентах до и после механической нагрузки. (а)

(б)

Рис. 5. Распределение средних значений тока, в зависимости от положения ленты в пакете, при различных механических нагрузках: a) нелуженые ВТСП ленты, б) луженые ВТСП ленты. Снизу указан порядковый номер ленты, сверху - обозначение образца.

При увеличении приложенной механической нагрузки происходит уменьшение значений среднего критического тока. Отметим, что для нелуженых ВТСП лент наблюдается некоторая аномалия: средние значения тока для этих лент после испытаний при 150 МПа оказались больше, чем после испытаний при 100 МПа. Полученные неожиданные результаты сложно связать с ошибками измерений. Для однозначных выводов требуется проведение дополнительных исследований.

Значения среднего критического тока для всех лент кроме крайних в зависимости от приложенного механического напряжения представлены на рис. 6. Из полученных зависимостей видно, что для луженых лент при приложении механической деформации происходит более сильное убывание значений тока, чем для нелуженых. Так, зафиксировано падение среднего значения критического тока более чем в два раза при приложении механической нагрузки 400 МПа, в то время как для нелуженых уменьшение среднего значения критического тока составило около 24%.

1,0-

Медные ВТСП-ленты

Луженые ВТСП-ленты

Р (МПа)

Рис. 6. Изменение значений приведенного среднего критического тока в зависимости от приложенной механической нагрузки для нелуженых (медных) и луженых ВТСП-лент.

Гистограммы распределений критического тока в нелуженых и луженых ВТСП лентах в зависимости от прилагаемой механической нагрузки представлены на рис. 7,8.

Рис. 7. Гистограммы распределения тока для нелуженых ВТСП лент после приложения различных механических нагрузок.

Для луженых лент наблюдаются в среднем более низкие значения критического тока, чем для нелуженых, а с увеличением приложенной механической нагрузки наблюдается более быстрое падение значений тока. При увеличении приложенной механической нагрузки распределение становится более широким как для нелуженых, так и для луженых лент.

Видно, что распределения гистограммы критического тока в лентах для всех механических нагрузок асимметричны (смещены влево). Это соответствует физической ситуации, когда вероятность найти место с критическим током гораздо меньше среднего значения гораздо выше, чем место с критическим током на столько же превышающим среднее значение. Для аппроксимации полученных гистограмм было выбрано двухпараметрическое распределение Вейбулла-Гнеденко:

/ С с )

ь_

р

г I \ь

_с_

Vт У

ехр

г I \ь

с

Vт У

(2)

где Ь и Р безразмерный подгоночный параметр (параметр формы) и токовый подгоночный параметр (параметр масштаба), соответственно. Как было показано в работах [14-17], распределение Вейбулла-Гнеденко является подходящим для описания статистики распределения критического тока в ВТСП-лентах. Для «узких» распределений, когда большая часть данных попадает в диапазон ±15% от медианного значения, распределение Вейбулла-Гнеденко близко к нормальному распределению. Аппроксимация (2) позволяет оценить величину бездиссипа-тивного тока при стремлении длины сверхпроводящего провода к бесконечности [15]:

с,оуг!

V Ь, 0

! при Ь > п при Ь < п

(3)

где Г - гамма-функция, п - параметр нарастания вольт-амперной характеристики (характерное значение от 20 до 40) V(I) = Vc(I/Ic)n, 1с - критический ток, Vc - напряжение, соответствующее критерию напряженности электрического поля.

Таким образом, в случае, если безразмерный параметр Ь формы распределения Вейбулла-Гнеденко меньше параметра нарастания п, то ожидаемый критический ток достаточно длинного единичного куска ВТСП ленты стремится к нулю.

=

Г! О

и

I (А)

Рис. 8. Статистика в распределении тока для луженых ВТСП-лент после приложения различных механических нагрузок.

1

А

Графики изменения параметра Ь формы распределения Вейбулла-Гнеденко, в зависимости от приложенной нагрузки, представлены на рис. 9.

40 38 36 34 32 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 Я 6 4 2

0 -L-i-1-1-1-1-1-1-1-1-.-1-1-1-1-1-1-1—

О SO 100 150 200 2SO 300 350 400

Р (MI la)

Рис. 9. Изменение параметра b распределения Вейбулла-Гнеденко с приложением внешней нагрузки для нелуженых (медных) и луженых ВТСП-лент.

При увеличении проложенной нагрузки происходит почти линейное уменьшение параметров Вейбулла-Гнеденко. При этом при применении даже минимальной нагрузки (от 50 МПа) параметр b меньше n, что говорит о том, что на достаточно длинном куске ленты всегда найдется «слабое» место, приводящее к диссипации при протекании тока близкого к критическому, причем в луженых лентах вероятность обнаружить такие места выше.

4. Выводы

Проведено сравнительное исследование деградации токонесущей способности после воздействия перпендикулярных к плоскости механических нагрузок в пакетах ВТСП лент с различной архитектурой: покрытых гальванической медью, а также дополнительно луженых припоем ПОС-61. Показано, что для луженых ВТСП лент величина критического тока уменьшается, а его однородность по длине ленты ухудшается существенно быстрее при увеличении нагрузки, по сравнению с нелужеными ВТСП лентами. Допустимая нагрузка для луженных лент составляет 50 МПа, для нелуженых - 250 МПа. Проведена оценка среднего критического тока в зависимости от положения образца в пакете. Показано, что крайние ленты в стопке находятся в несколько отличающихся деформационных условиях, чем внутренние.

Построены гистограммы распределения критического тока и аппроксимированы двухпараметрической функцией Вейбулла-Гнеденко. Анализ эволюции параметров распределений от величины нагрузки показал, что для длинномерных ВТСП лент ожидается более высокая вероятность встретить критический дефект с низким значением тока в случае луженых лент, чем для нелуженых.

Было показано, что при воздействии поперечной нагрузки на стопки ВТСП лент, которые характеризуются наличием локальных концентраторов механического напряжения (лужение со случайной толщиной покрытия), происходит достаточно существенное локальное перераспределения плотности тока, что должно учитываться в расчётно-аналитических работах

при проектировании проводников и катушек из ВТСП лент.

Полученные данные необходимо учитывать при проектировании и изготовлении сверхпроводниковых устройств, таких как сильнотоковые токонесущие элементы, где неизбежно появление механического воздействия на пакеты ВТСП лент.

Благодарности

Работа проведена в рамках выполнения государственного задания НИЦ «Курчатовский институт».

Литература

[1] W. Dai, et al., ACS Appl. Mater. & Interf. 14, 49986 (2022). DOI: 10.1021/acsami.2c16293

[2] S. Takayama, et al., IEEE Trans.Appl. Supercond., 32, 1 (2022). DOI: 10.1109/TASC.2022.3160973

[3] M. Ohkubo, J. Appl. Phys., 134 (2023). DOI: 10.1063/5.0151581

[4] Е. П. Курбатова, Сверхпроводимость: фундаментальные и прикладные исследования 1, 40 (2023). DOI: 10.62539/2949-5644-2023-0-1-40-55

[5] M. Diaz, et al., Supercond. Sci. and Techn. 35, 055007 (2022). DOI: 10.1088/1361-6668/ac4d70

[6] H. Miyazaki, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., 25(3), 1-5 (2015). DOI: 10.1109/ TASC.2014.2380783

[7] T. Takematsu, et al., Physica C: Supercond. and its appl. 470, 674 (2010). DOI: 10.1016/j. physc.2010.06.009

[8] K. Katagiri, et al., IEEE Trans.Appl. Supercond. 14, 1046 (2004). DOI: 10.1109/TASC.2004.830390

[9] A. Gorospe, et al., Physica C 494, 163 (2013). DOI: 10.1016/j.physc.2013.04.062

[10] M. Charalambous, et al., Phys. Rev. B 58, 9510 (1998). DOI: 10.1103/PhysRevB.58.9510

[11] I.H. Senevirathne, et al. Rev. Sci. Instruments 93, (2022). DOI: 10.1063/5.0083309

[12] I.A. Rudnev, et al., Phys. Solid State 65, (2023). DOI: 10.21883/PSS.2023.03.55577.540

[13] S. Lee, et al., Superconductor Sci. and Techn. 27, 044022 (2014). DOI: 10.1088/09532048/27/4/044022

[14] S. Ochiai, et al., Materials Transactions 51, 1663 (2010). DOI: 10.2320/matertrans.MAW201501

[15] M. Fee, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 1, 3337 (2001). DOI: 10.1109/77.919777

[16] F. Gomory, et al., Supercond. Sci. Technol. 32,124001 (2019). DOI: 10.1088/1361-6668/ab4638

[17] Y. Wang, et al. Sci. China Techn. Sci. 53, 2239 (2010). DOI: 10.1007/s11431-010-4033-1

The effect of normal mechanical loads on the critical current distribution along the length of the HTS tapes

I. I. Preobrazhenskiy1,2*, V. V. Guryev1, D. N. Diev1, A. V. Naumov1, A. V. Polyakov1, K. V. Moseev1, M. N. Makarenko1, S. V. Shavkin1

1 NRC Kurchatov Institute, pl. akad. Kurchatova, d. 1, 123182, Moscow, Russia

2 Lomonosov Moscow State University, 119991 Moscow, Russia * e-mail: preo.ilya@yandex.ru

The distribution of the trapped magnetic field of untinned and tinned high-temperature superconductors (HTS) tapes after mechanical load on the stack of tapes was studied by the scanning Hall magnetometry method. Based on the obtained data, the values of the average critical current for all the studied samples were calculated. The degradation of the current carry capacity starts with lower mechanical loading on the stack in case of tinned tapes than of untinned ones. For tinned tapes the average value of the critical current drops by more than two times relative to initial state when a mechanical load of 400 MPa was applied; for untinned tapes - a decrease in the critical current is of less than 25%. The obtained data will be useful for further designs of current-carrying part based on stacks of HTS tapes for various applications.

Keywords: high-temperature superconductors, critical current, current characteristics, Hall magnetometry.

Илья Иванович Преображенский - инженер 1 категории, НИЦ «Курчатовский институт», аспирант Факультета наук о материалах МГУ им. М.В Ломоносова

Ilya Ivanovich Preobrazhenskiy - 1st category engineer, National Research Center Kurchatov Institute, PhD student of the Faculty of Materials Sciences of Lomonosov Moscow State University

Валентин Васильевич Гурьев - старший научный сотрудник, НИЦ «Курчатовский институт»

I Valentin Vasilyevich Guryev - Senior Researcher, National Research Center Kurchatov Institute

Дмитрий Николаевич Диев - старший научный сотрудник, НИЦ «Курчатовский институт»

Dmitry Nikolaevich Diev - Senior Researcher, National Research Center Kurchatov Institute

Андрей Викторович Наумов - заместитель начальника лаборатории, НИЦ «Курчатовский институт»

Andrey Victorovich Naumov - Deputy head of Laboratory, National Research Center Kurchatov Institute

Алексей Вячеславович Поляков - научный сотрудник, НИЦ «Курчатовский институт»

Alexey Vyacheslavovich Polyakov - Researcher, National Research Center Kurchatov Institute

Кирилл Владимирович Мосеев - главный специалист, НИЦ «Курчатовский институт»

Kirill Vladimirovich Moseev - Chief specialist, National Research Center Kurchatov Institute

Марина Николаевна Макаренко - заместитель начальника отдела, НИЦ «Курчатовский институт»

Makarenko Marina Nikolaevna - Deputy head of Division, National Research Center Kurchatov Institute

Сергей Викторович Шавкин - начальник отдела, НИЦ «Курчатовский институт»

Sergey Viktorovich Shavkin - Head of Division, National Research Center Kurchatov Institute