應(yīng)用分享 | 三維X射線顯微鏡在第二代高溫超導(dǎo)體失效分析研究中的應(yīng)用

更新時(shí)間：2023-09-15

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三維X射線顯微鏡在第二代高溫超導(dǎo)體失效分析研究中的應(yīng)用

超導(dǎo)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(yīng)的特性，其種類包括低溫超導(dǎo)材料和高溫超導(dǎo)材料。低溫超導(dǎo)材料發(fā)現(xiàn)較早并已開始廣泛應(yīng)用，不過(guò)其需要在液氦中工作，而高溫超導(dǎo)材料則可以在液氮中工作，因?yàn)橐汉べY源稀缺且價(jià)格昂貴，而相比之下，液氮價(jià)格更低，因此，高溫超導(dǎo)材料可以很大的降低使用成本，更有市場(chǎng)潛力。

在高溫超導(dǎo)材料中，鉍鍶鈣銅氧BSCCO 是一代產(chǎn)品，研究和應(yīng)用都比較成熟，目前應(yīng)用占比較高，釔鋇銅氧(YBC0) 是二代高溫超導(dǎo)材料。與前者相比，二代高溫超導(dǎo)材料的載流量等性能便優(yōu)異，應(yīng)用范圍更廣，構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，并易于批量生產(chǎn)，所以具有更大的發(fā)展空間。

鋇銅氧高溫超導(dǎo)材料目前已被廣泛應(yīng)用于核磁共振成像、超導(dǎo)儲(chǔ)能、超導(dǎo)計(jì)算、磁浮等技術(shù)領(lǐng)域和通訊、電子、電力、儲(chǔ)能、醫(yī)療、交通等行業(yè)。目前，高溫超導(dǎo)材料的市場(chǎng)正在逐漸擴(kuò)大，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

而作為一種全新的結(jié)構(gòu)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(wú)損檢測(cè)情況下用于表征樣品內(nèi)部真實(shí)三維結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，可以應(yīng)用于用于二代高溫超導(dǎo)材料（2G-HTS）研究的多個(gè)方面，包括從研究超導(dǎo)帶材本身到其構(gòu)成的復(fù)雜，甚至是為了達(dá)到優(yōu)化工藝本身而用于檢測(cè)其生產(chǎn)制造過(guò)程中可能涉及的其他設(shè)備組件等。

近日，來(lái)自美國(guó)休斯敦大學(xué)的先進(jìn)制造研究所超導(dǎo)研究中心的Goran Majkic教授就借助德國(guó)布魯克的多量程納米級(jí)三維X射線顯微鏡（Nano XRM或NanoCT）SkyScan2214針對(duì)圓形超導(dǎo)線在外加磁場(chǎng)大電流下的失效機(jī)制進(jìn)行了相關(guān)研究。

Goran Majkic教授的實(shí)驗(yàn)對(duì)象是專門應(yīng)用于高能物理研究的圓形超導(dǎo)線，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，帶材在30T時(shí)顯現(xiàn)出了維持很高電流的優(yōu)異的能力，并在>2500A時(shí)失效。為了了解失效機(jī)理，研究人員對(duì)失效后的超導(dǎo)線材進(jìn)行了三維成像。

圖 1

從圖1的圖像結(jié)果中，我們很清楚地看到超導(dǎo)導(dǎo)線整個(gè)組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，超導(dǎo)體線固定在G10支架上并整體彎曲成15mm直徑。整個(gè)組件在4.2K和高達(dá)30T的NHMFL下進(jìn)行了測(cè)試，樣品經(jīng)受了2500A的電流直到失效。故障點(diǎn)在圖1的整體視圖中清晰可見。

而從以上切片圖結(jié)果中我們也可以看到中間部分銅芯明顯的塑性形變，超導(dǎo)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(dǎo)性能的局部損失導(dǎo)致超過(guò)2500A的電流分流到銅芯和金屬部分，從而導(dǎo)致其在過(guò)度受熱后的軟化。而在這樣的高溫下，產(chǎn)生的洛倫茲力則高到足以使結(jié)構(gòu)發(fā)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(dǎo)線失效區(qū)域和其更前端的形貌，其中，前端雖然在銅芯處并未發(fā)生明顯形變，但是在外層帶材由于洛倫茲力的影響而出現(xiàn)了明顯的解繞和更大程度的彎曲，從而對(duì)組件整體造成了持續(xù)的損壞。顯然，從失效區(qū)域傳遞來(lái)的熱量軟化了這一區(qū)域的焊料，從而使超導(dǎo)體線材出現(xiàn)了移動(dòng)和形變。

圖 2

我們從另一個(gè)角度更直觀地來(lái)觀察一下不同位置的結(jié)構(gòu)變化，從圖3所展示的結(jié)構(gòu)中可以看到，由遠(yuǎn)離失效區(qū)區(qū)域向失效區(qū)域逐漸靠近的過(guò)程中，線材的移動(dòng)，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(lái)。

圖 3

而在另外一個(gè)應(yīng)用案例中，研究人員對(duì)一個(gè)填充焊料的超導(dǎo)電纜進(jìn)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(nèi)部導(dǎo)線和焊料的三維分布，而右邊的視圖是對(duì)于焊料的單獨(dú)表征，此測(cè)試的目標(biāo)是用于優(yōu)化電纜外殼以及焊料填充技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)焊料在線材終端外殼之間的滲透。