Electromechanical properties investigations of high temperature superconductor (HTS) tapes

Dizon, John Ryan C 안동대학교 2008 국내박사

Development of new industrial technologies like superconductivity will play a major role in addressing problems regarding the proper management and efficient use of the world’s energy resources. In the past years, superconductivity technologies have been making remarkable progress, and it is expected that the new superconductivity industry will appear in the very near future in various industrial fields. From the discovery of High Temperature Superconductivity in 1986, high temperature superconductor (HTS) compounds have offered new and exciting possibilities for power applications at 77 K. Unfortunately, the industrialization and commercialization of these HTS materials have still not yet been realized due to issues including low critical current density (Jc), critical magnetic field (Hc), and critical temperature (Tc), as well as other application issues including AC losses, critical tolerance strain (c), cooling method/cost, reliability, availability in long lengths, material cost, stability, etc. For large-scale industrial applications of HTS materials such as cables, coils and transformers, the expected mechanical loads are needed to be evaluated at the design stage. And therefore, the effect of mechanical strain on the HTS material should be understood. Mechanical strain is not a fundamental parameter to achieve superconductivity, but its importance can be seen when the superconducting material is used for device applications. The critical current, Ic, in the superconductor depends sensitively on the different stresses/strains induced during fabrication/operation, and that just a little mechanical strain can cause a large drop in the current carried by HTS materials. This Ph.D. dissertation contains the condensed results of several years of experimental research on the electro-mechanical property evaluation of HTS tapes. Particularly, this work resulted from Ic measurements on HTS tapes as a function of mechanical strain which has been performed at the Materials Behavior Measurement and Evaluation Laboratory in Andong National University. Most of the research has been done within the framework of the Development of Advanced Power system by Applied Superconducting technologies (DAPAS) program of the Center for Applied Superconductivity Technology under the 21st Century Frontier R & D Program funded by the Ministry of Science and Technology, Republic of Korea. This study, which focuses on the electro-mechanical property evaluation and reliability assessment of HTS tapes, has been divided into four main topics. Chapter two focuses on the electro-mechanical property evaluation of ReBCO coated conductor (CC) HTS tapes. The electro-mechanical property evaluation of ReBCO CC tapes is still scarce, and considering the various emerging materials used as superconductor, buffer and substrate layers, a comprehensive study on the electro-mechanical properties of CC tapes under various strain modes is needed. In this chapter, the electro-mechanical properties of CC tapes were investigated under tensile and bending strains. The tensile strain dependence of Ic in two kinds of commercially available YBCO CC tapes and another one fabricated at KERI, which were processed by the rolling-assisted biaxially textured substrate (RABiTS) and the ion-beam assisted deposition (IBAD) techniques, have been investigated. The mechanical properties including the Young’s modulus and 0.2% offset yield stress at 77 K have been derived. Also, the irreversible strain/stress limits of Ic have been investigated. The influence of stabilizer on the Ic degradation behaviour in YBCO CC tapes with IBAD substrates was discussed. Under easy bending, hard bending, and torsional bending strains, a reversible behaviour of Ic has been found up to 1.6%, 0.6% and 1.6%, respectively, for the RABiTS/MOD processed YBCO CC sample with copper reinforcement. Under repeated easy bending, the Ic showed a 95% Ic retention up to 100 cycles for bending strains of 1.0% or less. Under the hard bending case local buckling occurred. Under torsional bending strain, the Ic degradation in YBCO CC tape under torsional strains occurred gradually. Chapter three focuses on the electro-mechanical property evaluation of jointed HTS tapes. Jointing of HTS tapes is needed during device manufacturing, installation and field repair. These joints should have high strength, low AC loss and low joint resistance. In this study, manual and mechanically-controlled lap jointing of YBCO CC tapes have been employed achieving good electrical and mechanical properties which means that jointed CC tapes with stabilizers can be applied to electric power devices. In the cases of non-symmetric 2G tapes, having different architectures, different joint configurations have been studied, namely, a) face-to-face b) back-to-back and c) face-to-back. The joint resistance and strength of the jointed HTS tapes have been evaluated. Electro-mechanical properties of the joint sample under tension and bending have been examined and compared with the case of the single tapes. For YBCO tapes evaluated, the electro-mechanical properties are similar with single tapes. Chapter four focuses on the reliability assessment of HTS tapes under a pressurized cryogen environment. The influence of pressurization of LN2 and thermal cycle of HTS on its Ic degradation and ballooning characteristics have been investigated. Accelerated reliability tests of HTS tapes under bending deformation were performed using a newly-devised -shaped sample holder and a cryostat for pressurization. Six kinds of multifilamentary Bi-2223 superconducting tapes and one YBCO CC tape were used as samples. For all samples, the Ic at the unstrained state of the sample, Ic0, decreased with the increase of applied pressure, but the Ic degradation behaviours with bending strain were similar. But when the vessel was depressurized to atmospheric pressure from 1 MPa, the Ic completely recovered to its initial value. When the samples were warmed up to room temperature after pressurization tests, ballooning damage occurred in all samples except for the Bi-2223 which has been pressurized during the sintering process, and YBCO CC tapes. Ballooning is usually located at the straight or less bent regions of the samples. It was observed that ballooning caused a severe degradation of Ic. Ballooning was suppressed at larger bending strain regions where the mandrel gives a structural constraint to the tape. Chapter five focuses on the development of a new bending technique for standardization. In this study, a -shaped sample holder which gives a series of bending strains to HTS tapes in just single mounting was devised. The Ic degradation behaviours under bending strain in Bi-2223 tapes were investigated using a -shaped sample holder. In order to make the data obtained by the newly developed sample holder and its testing procedure reliable, the results using the -shaped sample holder was compared with the conventional and other bending test procedures. The data obtained by the FRP sample holder/mechanical fixing and the -shaped sample holder showed a very close irreversible bending strain values. Also, the data obtained using the -shaped sample holder has low scattering, and thus it can be considered as a candidate standard test method. 초전도와 같은 새로운 산업기술의 발달은 세계 에너지 자원의 적절한 관리와 효율적인 사용 측면에서 중요한 역할을 담당하게 된다. 지난 수년 동안, 초전도 기술은 현저한 발전을 이루어 왔고, 가까운 미래에 여러 산업분야에서 새로운 초전도 산업이 나타날 것으로 기대되고 있다. 1986년 고온초전도체(HTS) 발견 이래로, HTS는 77K에서 전력분야 응용이라는 새로운 가능성을 제시해 오고 있다. 그러나 불행히도, 이들 HTS의 산업화 및 상용화는낮은 임계전류밀도(Jc), 임계자기장(Hc), 임계온도(Tc) 뿐만 아니라 교류손실, 임계허용 변형률, 냉각방법/비용, 신뢰성, 장선재 가용성, 비용, 안정성 등을 포함하는 이슈 때문에 아직 실현되지 못하고 있다. 케이블, 코일 및 변압기와 같은 대형 적용분야에서는, 초전도선재에 걸리는 예상되는 기계적 하중을 설계단계에서 평가하는 것이 필요하다. 따라서, HTS선재에 미치는 기계적 변형률의 영향을 알고 있어야 한다. 기계적 변형률이 초전도체의 필수 고려 변수는 아니지만, 초전도체의 장치 적용시에는 그 중요성이 고려되어야 한다. 초천도체의 임계전류(Ic)는 제조/운전하는 동안 걸리는 다양한 응력/변형률에민감하게 의존한다. 그리하여 작은 기계적 변형률에서도 HTS 재료에 흘릴 수 있는 전류를 크게 감소시키는 원인을 제공하게 된다. 본 논문은 몇 년에 걸쳐 안동대 재료거동 측정 및 평가연구실(MBMEL)에서 수행되어온 HTS테이프의 전기-기계적 특성을 평가한 연구결과를 압축 하고 있다. 따라서 연구의 대부분은 본 연구실에서 수행중인 21C프로티어사업인 응용초전도 기술개발 프로그램(DAPAS)의 사업 계획을 통해 수행되었다. 본 연구내용은 HTS테이프의 전기-기계적 특성 평가 및 신뢰성 평가에 초점이 맞추어서 크게 4개 영역으로 나눌 수 있다. 제2장은 ReBCO CC테이프의 전기-기계적 특성 평가에 초점을 맞추고 있다. ReBCO CC테이프의 전기-기계적 특성 평가는 아직 미비하며 또한 기층 및 버퍼층에 여러 가지 새로운 물질을 사용하는 것을 고려하면, 여러 가지 변형률 모더하에서 CC테이프의 전기-기계적 특성에 관한 광범위한 연구가 필요하다. 이 장에서는, 다양한 CC테이프의 인장 및 굽힘 변형률하에서 전기-기계적 특성을 조사하였다. RABiTS 및 IBAD기법으로 제조한 두 종류의 시판 YBCO CC테이프 및 KERI에서 시작한 YBCO CC테이프의 임계전류(Ic)의 인장변형률 의존성을 조사하였다. 77K에서, 영률과 0.2% 항복응력을 포함한 기계적 특성을 구하였다. 또한, Ic의 비가역 변형률/응력 한계를 조사하였다. IBAD기판의 YBCO CC테이프에서 Ic 열화거동에 미치는 안정화층의 영향을 고찰하였다. 구리로 외부보강한 RABiTS/MOD-YBCO CC시료에 대하여 쉬운 굽힘, 힘든 굽힘, 비틀림 굽힘변형률 모더 하에서, Ic의 가역적 거동은 각각 1.6%, 0.6%, 1.6%에 이르는 것을 알 수 있었다. 반복된 쉬운 굽힘 모더하에서, Ic는 ≤1.0%에서 100사이클까지 95%의 Ic유지를 나타내었다. 힘든 굽힘 모더의 경우, 국부적 좌굴이 발생하였다. 비틀림 굽힘 모더의 경우, YBCO CC테이프의 임계전류의 열화는 다른 변형률 모더의 경우보다서서히 발생하였다. 제3장은 접합된 HTS테이프의 전기-기계적 특성 평가에 초점을 맞추고 있다. HTS 테이프의 접합은 장치 제작, 설치 및 현장 수리 과정에서 요구된다. 이러한 접합은 높은 강도, 낮은 교류 손실 그리고 낮은 접합저항을 가져야 한다. 마그네트 응용을 위하여, 초전도체 접합부는매우 낮은 접합저항이 요구된다. 그러나 전력장치 응용에서는 어느 정도의 접합저항이 허용되어 납땜 접합으로 충분하다. 본 연구에서는, 수작업 및 기계적 제어방법을 사용한 YBCO CC테이프의 겹치기접합 작업은 우수한 전기적 및 기계적 특성을 갖추면서 적용될 수 있었다. 즉 안정화층을 갖는 접합된 CC테이프를 전력 장치에 적용할 수 있다는 것을 의미한다. 2G테이프는 비대칭 단면 구조를 가져, 다른 구조의 접합형상 즉 a) 앞면과 앞면의 접합 b) 뒷면과 뒷면의 접합, c) 앞면과 뒷면의 접합에 대하여, HTS테이프의 접합부 저항과 강도를 평가하였다. 인장과 굽힘하에서 접합된 시험편의 전기-기계적 특성을 단일 시험편의 경우와 비교하였다. YBCO CC테이프의 경우, 겹치기 접합부는 접합하지 않은 테이프의 전기-기계적 특성과 유사하였다. 제4장은 가압 냉매 환경하에서 HTS테이프의 신뢰성 평가에 초점을 맞추고 있다. HTS테이프의 Ic 열화거동과 배불림(ballooning) 특성에 미치는 가압 액체질소 및 열사이클의 영향에 대하여 조사하였다. HTS 테이프의 가속 신뢰성 시험을 위해 새로 고안한 �자 형상의 시험편 홀더와 가압용 저온 유지 장치를 사용하였다. 6 종류의 다심 Bi-2223테이프와 한 종류의 YBCO CC 테이프를 시험편으로 사용하였다. 가압하에서 모든 시험편의 Ic0는 가압과 더불어 감소하였으나, 굽힘변형률에 따른 Ic열화거동은 비슷하였다. 그러나 압력을 1 MPa에서 대기압으로 감압하였을 때, Ic는 완전히 초기 값으로 회복하였다. 가압시험후 시험편을 상온으로 승온 하였을 때, HIP처리한 Bi-2223 및 YBCO CC 테이프를 제외한 모든 Bi-2223시험편에서 배불림 손상이 발생하였다. 베불림은 대체로 시험편의 곧은 부분 또는 약간 굽은 부분에서 발생하였다. 배불림 현상이 심각한 Ic의 현저한 열화 원인이 되었다는 것을 알 수 있었다. 배불림 현상은 맨드릴이 테이프에 구조적 구속을 제공하는 큰 굽힘변형률을 갖는 영역에서는 억제되었다. 제5장은 새로운 표준화를위한 굽힘시험기술의 개발에 초점을 맞추고 있다. 본 연구에서는, 한번의 장착으로 HTS테이프에 연속적인 굽힘변형률을 부가할 수 있는 �자형상의 FRP 시료홀더를 고안하였다. �자 형상의 시료 홀더를 사용하여 굽힘변형률 하에서 Bi-2223테이프의 Ic 열화거동을 조사하였다. 새로 개발된 시료홀더와 시험절차를 사용하여 얻어진 데이터를 신뢰성을 위해서 종래의 다른 굽힘시험 절차로서얻어진 데이터와 비교하였다. � 자 형상FRP 시료홀더/기계적 장착을 통해 얻어진 데이터는 매우 근사한 Ic 열화거동과 비가역적 굽힘변형률 값을 나타내었다. 또한, �자 형상의 시료홀더를 사용하여 얻어진 데이터는 낮은 분산을 나타내었으므로, 이것은 하나의 표준시험법 후보로 고려할 수 있다. 전체적으로, 본 연구는 실제적인 HTS테이프의 전기-기계적 특성과 신뢰성의 보다 나은 이해를 추구한다.

Electro-Mechanical property evaluation and reliability assessment of Bi-2223 Superconducting Tapes for practical applications

John Ryan C. Dizon Graduate school Andong national University 2005 국내석사

Electromechanical properties investigations of high temperature superconductor (HTS) tapes

Dizon, John Ryan Cortez Andong National Univ. 2008 국내박사