Naukowcy z Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences i Huizhou University dokonali znaczące przełom w zrozumieniu, w jaki sposób materiały nadprzewodzące (HTS) działają po połączeniu poprzez lutowanie. Te materiały HTS, znane jako przewodniki powlekane na teren-tlenku ziem rzadkich, mogą mieć duże ilości prądu elektrycznego przy minimalnej utraty energii, nawet w silnych polach magnetycznych. Jednak w przypadku projektów na dużą skalę, takich jak kable zasilające lub sprzęt naukowy, wiele kawałków tego materiału należy przylutować razem. To badanie, opublikowane w czasopismach, bada, w jaki sposób te lutowane stawy utrzymują się pod właściwościami elektromechanicznymi i zachowaniami mechanicznymi.
Zespół, prowadzony przez profesora Mingzhi Guana we współpracy z Tianfa Liao, dr Wenyuanem Wang i dr Zhiming Chen badali, w jaki sposób długość stawu lutowniczego i grubość materiału lutowania wpływają na jego wytrzymałość i wydajność. „Zrozumienie, w jaki sposób zachowują się te stawy, ma kluczowe znaczenie dla uczynienia nadprzewodników bardziej trwałymi i wydajnymi w praktycznych zastosowaniach”, powiedział profesor Guan.
Aby przeprowadzić swoje badanie, naukowcy zastosowali szczegółowy model komputerowy, który symuluje, w jaki sposób te stawy działają w rzeczywistych sytuacjach. Model ten pomógł im przeanalizować, w jaki sposób różne warstwy materiału rzadkiego-ziemskiego tlenku-tlenku i lutu reagują na stres. Wykazało to, że użycie krótszego złącza z cieńszym lutem sprawiło, że połączenie jest bardziej odporne, zmniejszając naprężenie w obszarach, w których zwykle zaczynają się obrażenia. „Jednym z naszych kluczowych ustaleń jest to, że krótsze stawy z mniejszym lutowaniem mogą pomóc zapobiec wczesnym niepowodzeniu”, wyjaśnił profesor Guan.
Badanie wykazało, że krawędzie stawów lutowych są szczególnie wrażliwe. Stres ma tendencję do koncentracji w tych punktach, co zwiększa szanse na pęknięcie lub pęknięcie. Skracając nakładanie się i za pomocą cieńszego lutu, naukowcy odkryli, że stres jest bardziej równomierny, zmniejszając ryzyko wczesnych uszkodzeń. Jest to ważne, ponieważ gdy staw jest pod zbyt dużym naprężeniem, traci zdolność do przenoszenia tyle prądu elektrycznego, co jest czynnikiem krytycznym dla materiałów nadprzewodzących.
Naukowcy porównali również dwa powszechne sposoby tworzenia tych stawów: twarzą w twarz i na drugim. Chociaż metoda twarzą w twarz jest często preferowana, ponieważ zmniejsza oporność elektryczną, konfiguracja z tyłu na back okazała się silniejsza w obsłudze naprężeń fizycznych. Chociaż podejście twarzą w twarz poprawia połączenie w prowadzeniu energii elektrycznej, metoda pleców może zwiększyć jej trwałość. „Otwiera to nowe możliwości projektowania urządzeń nadprzewodzących, które są zarówno wydajne, jak i dłuższe”, powiedział profesor Guan.
Odkrycia te mają praktyczne implikacje dla branż wykorzystujących nadprzewodniki w zaawansowanych technologiach. Coraz częściej stosuje się przewodniki powlekane na teren-tlenku ziem rzadkich w zastosowaniach, takich jak magazyn energii magnetycznej, maszyny MRI i kable o dużej mocy, które wszystkie wymagają długich długości materiału. Ponieważ taśmy używane dla tych nadprzewodniczących nie są wystarczająco długie, muszą być lutowane razem, co może tworzyć słabe miejsca. „Nasze badania stanowią przewodnik dla projektowania silniejszych, bardziej niezawodnych połączeń, które mogą przedłużyć żywotność urządzeń nadprzewodzących” – dodał profesor Guan.
Podsumowując, badania profesora Guan i współpracowników oferują metodę przewidywania, w jaki sposób te stawy będą działać w rzeczywistych warunkach. Wyniki sugerują, że przy użyciu krótszych połączeń, cieńszego lutu i biorąc pod uwagę metodę wstecz, niezawodność i wydajność systemów nadprzewodzących można znacznie poprawić. To badanie stanowi kluczowy krok w uczynieniu nadprzewodników o wysokiej temperaturze bardziej praktycznymi do powszechnego zastosowania w różnych branżach, które opierają się na najnowocześniejszej technologii.
Referencje dziennika
Liao, T., Wang, W., Chen, Z., i Guan, M. (2024). „Badanie numeryczne dotyczące zachowań mechanicznych i właściwości elektromechanicznych przewodów powlekanych przez Rebco powlekanych lutownikami”. Materiały, 17 (2517). Doi: https://doi.org/10.3390/ma17112517
O autorze
Mingzhi Guan jest badaczem w Institute of Modern Physics, CAS. Został wyróżniony jako wybitny program młodzieży, CAS i kluczowy talent w prowincji Gansu. Prof. Guan uzyskał stopnie doktoranckie na Uniwersytecie Lanzhou w 2012 roku. Dalszy badania jako starszy uczony wizytujący w MIT w USA, University of Strathclyde w Wielkiej Brytanii.
Skoncentrował się na mechanice z wieloma pola i mechanikom nadprzewodnictwa w ekstremalnych środowiskach. Jego badania doprowadziły do ponad 80 opublikowanych artykułów akademickich (z których trzy otrzymały najlepsze nagrody papierowe i wyróżniane artykuły z czasopism międzynarodowych), ponad 10 krajowych patentów na wynalazki (z których cztery zostały pomyślnie skomercjalizowane). Opracował ekstremalne urządzenie pomiarowe i sterujące na pełnym poziomie, którego wersja została udostępniona siedmiu instytucji badawczych. Zdobył różne prestiżowe nagrody, w tym pierwszą nagrodę w wynalazku technologicznym (2019) od Moe, drugiej nagrody w postępach technologicznych (2021) z China Electotechnical Society, drugiej nagrody w wynalazku technologicznym (2024) z Pekinu , Chińska Akademia Nauk o Western Youth Award, The Follow of Youth Innovation Promotion Association.
