CC BY
7
УДК 537.39; 538.945
ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОПРОВОДЯЩЕГО ЭПОКСИДНОГО ПОКРЫТИЯ НА ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ ПРОВОДОВ ПРИ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДАХ В. А. Мальгинов
В данной работе исследовалось влияние эпоксидного покрытия на характеристики сверхпроводящих проводов в различных фазовых состояниях. Установлено, что слой эпоксидного компаунда с высокой теплопроводностью не снижает критический ток и повышает термическую устойчивость ВТСП ленты к локальным возмущениям, по этой причине при переходе ее в резистивное и нормальное состояние тепловыделение происходит по всей длине сверхпроводника. В нормальном состоянии при токе до 700 A и электрических полях до 10 V/m тепловыделение в проводе полностью отводится в жидкий азот, а перегрев провода имеет установившийся характер и не превышает 80 K. При повышении электрического поля теплоотвод переходит в малоэффективный пленочный режим, что приводит к росту температуры и термическому разрушению образца.
Ключевые слова: многослойные ВТСП провода, медный стабилизатор, композитный эпоксидный компаунд, теплопередача, термическая стойкость ВТСП проводов.
Введение. В настоящее время высокотемпературные сверхпроводящие (ВТСП) провода используются при создании электрооборудования, в элементах которого возникают большие пондермоторные силы. При этом механическая стабилизация в ВТСП элементах достигается с помощью заполнения пустот в каркасе эпоксидным компаундом, который обладает высокой механической прочностью и низкой чувствительностью
ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: malginovva@lebedev.ru.
к быстрым перепадам температур. В первых ВТСП катушках, из-за различия в тепловом расширении между эпоксидными смолами и ВТСП лентами [1], наблюдалось сильное снижение токонесущей способности сверхпроводящего провода. Показано, что уменьшить этот эффект можно с помощью добавления в эпоксидную смолу такого наполнителя, который увеличивает теплопроводность и уменьшает тепловое расширение композита [2, 3]. В настоящее время в криогенном диапазоне температур широко используется эпоксидный компаунд Б1уеа81 2850ЕТ, теплопроводность которого значительно превышает теплопроводность пластиковых (полиимидных) пленок, используемых для электроизоляционного покрытия ВТСП проводов [4]. Если вопрос о влиянии параметров эпоксидного покрытия на критический ток ВТСП проводов довольно широко освещен, то проблема термической стойкости компаундированных проводов при переходе ВТСП устройств в нормальное состояние в литературе отражена слабо. Изучение этой проблемы осложняется тем, что разогрев провода происходит при теплоотводе через эпоксидное покрытие, а температурная зависимость теплового потока в жидкий азот имеет особенности и нелинейный характер. Из справочных данных [5] известно, что при повышении температуры поверхности образца Тк на 1 К от температуры жидкого азота Т0 = 77 К в теплоотводе существует тепловая неустойчивость, при которой во время перехода от конвективного к пузырьковому теплоотводу происходит перегрев провода [6]. При повышении температуры Тк — Т0 до 15 К существует эффективный пузырьковый режим теплоотвода. Затем теплоотдача снижается и при Тк — Т0 > 30 К падает более чем в 20 раз, а охлаждение переходит в малоэффективный пленочный режим. В этих условиях, для изучения термоэлектрических характеристик ВТСП элементов на всех стадиях перехода их из сверхпроводящего в нормальное состояние и их количественной оценки, требуется экспериментальное исследование. Этому вопросу и посвящена данная работа.
Образцы и методика. Для проведения исследований изготавливались два типа образцов, основу которых составляла композиционная ВТСП лента фирмы СуперОкс [7, 8]. Образцы без эпоксидного покрытия изготавливались из ленты с критическим током 380 А, шириной 12 шш и толщиной медных стабилизирующих слоев в 20 ^ш. Для образцов с эпоксидным покрытием с двух сторон ленты на толщину й = 0.5 • 10-3 ш (такая толщина эпоксидного изолятора характерна для ВТСП обмоток) наносились слои компаунда из эпоксидной смолы Б1уеа81 2850ЕТ с добавлением в качестве наполнителя медного порошка. Медный порошок составлял 8% от объема компаунда, при этом сохранялся диэлектрический характер сопротивления компаунда, а теплоемкость
и теплопроводность повышались на 20-30%. При испытаниях была применена методика измерений на переменном токе частотой 50 Иг [9, 10]. Образцы находились в жидком азоте, и на них подавалось переменное напряжение как с медленным повышением амплитуды, так и при скачкообразном ее изменении.
AC current amplitude, А
Рис. 1: Амплитудная ВАХ стабилизированного ВТСП образца без эпоксидного покрытия: 1 - медленный ввод тока до 508 А; 2 - скачок тока до 597 А; 3 - скачок тока до 642 А; 4 - скачок тока до 685 А; 5 - скачок тока до 725 А; 6 - граница нормальной зоны.
Результаты и их обсуждение. Амплитудная ВАХ для образца без эпоксидного покрытия приведена на рис. 1. Из рис. 1 можно оценить длительность электротепловых процессов, поскольку время между двумя соседними точками на кривых составляет 20 шя. Момент фазового перехода в нормальное состояние и достижение образцом полного омического сопротивления (кривая 6) определяется по характеру изменения осциллограмм напряжения [11].
Как видно из рис. 1, для проводов без эпоксидного покрытия на тепловой неустойчивости при скачках тока до 685 А (кривые 2-4) за 40-100 шя происходит обратимый переход из резистивного в нормальное состояние (пересечение кривыми 2-4 кривой 6, рост и спад сопротивления показан стрелками на кривой 4). При этом установившееся резистивное состояние существует до токов 685 А и электрических полей до 1.9 У/ш. При токовой перегрузке в 725 А происходит переход провода в нормальное состояние
(кривая 5) с необратимой потерей его сверхпроводящих свойств. Разрушение образца связано с тем что, ВТСП лента с малой толщиной является неустойчивой к локальным тепловым возмущениям и, независимо от длины образца, нормальная зона возникает и существует на ограниченном участке [9]. В этом случае напряжение и тепловыделение сосредоточены в этой области и при напряжениях более 1 V (при электрическом поле в 4 V/m для наших образцов) происходит термическое разрушение сверхпроводящего и стабилизирующего слоев [10].
AC current amplitude, А
Рис. 2: Амплитудная ВАХ ВТСП образца с эпоксидным покрытием при медленном вводе тока: 1 - ввод тока до 604 A; 2 - ввод тока до 706 A; 3 - граница нормальной зоны.
Картина фазовых переходов существенно меняется для ВТСП лент, покрытых эпоксидным компаундом - рис. 2. Как видно из рис. 2, провод необратимо переходит в нормальное состояние на протяженной тепловой неустойчивости, связанной со сменой режима теплоотвода. При этом критический ток не снижается, но значительно сужается область существования устойчивого резистивного состояния (его максимальное электрическое поле 0.7 V/m и максимальный ток 500 А).
В нормальном состоянии образца протяженность несверхпроводящего участка и температуру провода Tm можно оценить с помощью его сопротивления r(Tm), которое определяется Cu/Ag стабилизатором и имеет известную температурную зависимость [9].
Для наших образцов эта зависимость приобретает следующий вид: r(Tm)/L = (4.7 + 0.15(Tm — To)) • 10-3 П/ш (L - длина образца). Также в установившемся режиме, при равенстве тепловыделений и теплоотвода, можно оценить температуру Tk внешней поверхности компаунда и перепад температуры по эпоксидному покрытию: Tm — Tk = E0I0d/4SA, где E0 - амплитуда электрической напряженности, I0 - амплитуда тока, S = 12 • 10-3 m2 - площадь 1 ш ВТСП ленты, А = 1.2 W/Km - теплопроводность компаунда при Tk = 100 К. Из рис. 2 видно, что при медленном вводе тока до 604 A и электрическом поле до 7 V/m (кривая 1) и последующем выводе тока ВАХ имеет установившийся и обратимый характер (гистерезис наблюдается только вблизи перехода в сверхпроводящее состояние). При этом перегрев провода Tm — T0 не превышает 50 K, а перегрев на поверхности образца Tk — T0 не более 10 K при пузырьковом режиме тепло-отвода. Это означает, что слой компаунда повышает термическую устойчивость ВТСП ленты к локальным возмущениям и переход в нормальное состояние происходит по всей длине образца (этот факт подтверждается и визуально по характеру кипения азота на поверхности образца). После ввода тока до 706 A и остановки ввода при электриче-
Рис. 3: ВАХ покрытого компаундом ВТСП образца при скачкообразном вводе тока: 1 - скачок тока до 463 А; 2 - скачок тока до 593 А; 3 - скачок тока до 704 А; 4 -скачок тока до 779 А; 5 - скачок тока до 879 А; 6 - скачок тока до 945 А; 7 - граница нормальной зоны.
>
AC current amplitude, А
ском поле 10 V/m (кривая 2) в течение первых 2.0 s идет медленный рост температуры перегрева ленты с65Кдо85К,а перегрев поверхности образца составляет 10-20 K. Затем рост сопротивления ускоряется и при перегреве провода в 170 К начинается его лавинный рост и происходит термическое разрушение провода.
На рис. 3 показано поведение покрытого компаундом образца при скачкообразных токовых перегрузках, длительность которых составляла около 1 s. Как видно из рис. 3 при скачках тока до 879 A резистивное состояние существует только в динамическом режиме и время его существования определяется пересечением кривых 1-5 с кривой 7.
При переходе в нормальное состояние рост сопротивления нормальной зоны с течением времени замедляется и при электрическом поле до 12 V/m переходит в квазиуста-новившийся режим. При перегрузке тока в 945 A (кривая 6) сопротивление (температура) монотонно растет и создается опасность разрушения образца.
Расчетные значения перегрева ленты Tm — T0 и перегрев поверхности эпоксидного компаунда Tk — T0 в зависимости от уровня электрического поля представлены на рис. 4.
АС voltage amplitude per unite length, V/m
Рис. 4: .Зависимость перегрева Tm — T0 ВТСП ленты и перегрева Tk — To поверхности эпоксидного покрытия от уровня электрического поля.
Из рис. 4 видно, что до уровня поля в 12 V/m перегрев провода не превышает 80 К, а перегрев поверхности образца находится на уровне 10-12 К. Это означает, что при скачкообразной перегрузке тока и электрического поля в879 Aи12V/m тепловыделения в
проводе полностью отводятся в жидкий азот за счет высокого теплового потока при пузырьковом режиме теплоотвода [5]. При этом элементы с высокой теплопроводностью эпоксидного покрытия являются термически защищенными, если нормальное состояние в них существует не более 1 s. При дальнейшем повышении электрического поля температура поверхности образца повышается, теплоотвод переходит в малоэффективный пленочный режим и возникают условия для термического разрушения провода.
Заключение. В данной работе обнаружено, что слой эпоксидного компаунда с высокой теплопроводностью не снижает критический ток и повышает термическую устойчивость ВТСП ленты к локальным возмущениям, по этой причине при переходе в резистивное и нормальное состояние тепловыделения распределяется по всей длине сверхпроводника. При медленном вводе тока до 700 A и электрических полях менее 10 V/m тепловыделения в проводе полностью отводятся в жидкий азот за счет высокого теплового потока при пузырьковом режиме теплоотвода, при этом перегрев покрытого эпоксидным компаундом элемента имеет установившийся характер и не превышает 80 К. При дальнейшем повышении электрического поля теплоотвод переходит в малоэффективный пленочный режим, что приводит к росту температуры и термическому разрушению образца. Установлено, что при скачкообразной перегрузке тока и электрического поля до 870 A и 12 V/m элементы с высокой теплопроводностью эпоксидного покрытия являются термически защищенными, если нормальное состояние в них существует не более 1 s. Полученные характеристики позволяют оценить безопасный уровень напряжения и максимальное время существования нормальной зоны в длинномерных проводах с эпоксидным покрытием.
Работа выполнена в рамках государственного задания АААА-А19-119083090048-5.
ЛИТЕРАТУРА
[1] C. Barth, N. Bagrets, K.-P. Weiss, et al., Supercond. Sci. Technol. 26(5), 055007 (2013).
https://doi.Org/10.1088/0953-2048/26/5/055007.
[2] M. Pekarchikova, M. Drienovskii, J. Krajcovich, et al., Journal of Thermal Analysis and
Calorimetry 138, 4375 (2019). https://doi.org/10.1007/s10973-019-08309-2.
[3] Yu. Dongmin, S. Yajie, Z. Huiming, et al., Materials 11(4), 573 (2018). https://doi.org/
10.3390/ma11040573.
[4] S. Nakamura, T. Fujii, S. Matsukawa, et al., Cryogenics 95, 76 (2018). https://doi.org/ 10.1016/j.cryogenics.2018.09.001.
[5] В. А. Григорьев, Ю. М. Павлов, Е. В. Аметистов, Кипение криогенных жидкостей (М., Энергия, 1977).
[6] S. S. Fetisov, V. S. Vysotsky, V. V. Zubco, IEEE Trans. Appl. Supercond. 21(3), 1323
(2011). DOI: 10.1109/TASC.2010.2093094.
[7] S. Samoilenkov, A. Molodyk, S. Lee, et al., Supercond. Sci. Technol. 29(2), 024001
(2016). DOI: 10.1088/0953-2048/29/2/024001.
[8] A. Molodyk, S. Samoilenkov, A. Markelov, et al., Sci. Rep. 11, 2084 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41598-021-81559-z.
[9] А. В. Мальгинов, А. Ю. Кунцевич, В. А. Мальгинов и др., ЖЭТФ 144(6), 1225
(2013). https://doi.org/10.1134/S106377611314015X.
[10] В. А. Мальгинов, А. В. Мальгинов, Д. А. Горбунова, ЖТФ 88(5), 733 (2018).
https://doi.org/10.1134/S106378421805016X.
[11] V. A. Malginov, L. S. Fleishman, D. A. Gorbunova, Sci. Technol. 33(4), 045008 (2020).
https://doi.org/10.1088/1361-6668/ab7470.
Поступила в редакцию 3 февраля 2022 г.
После доработки 20 мая 2022 г. Принята к публикации 23 мая 2022 г.
