2019.09.16, Понедельник, 05:20

Грант РНФ 17-19-01527

Наименование проекта: "Физические принципы создания, функционирования и оптимизации магнито-левитационных систем нового поколения на основе гибких ВТСП лент"

Продолжительность: 2017-2019 гг.

Цель проекта: Разработка высокоэффективных магнито-левитационных систем, предназначенных для использования в безфрикционных подшипниках, бесконтактных подвесах и высокоскоростном транспорте.

Аннотация результатов 2017 г.


С целью выбора наиболее подходящих производителей ВТСП лент второго поколения для дальнейшего создания магнито-левитационных систем, проведен комплексный экспериментальный анализ магнитных, транспортных и тепловых характеристик современных ВТСП лент ведущих европейских и азиатских производителей, а именно SuNam (Южная Корея), SHANGHAI SUPERCONDUCTOR (Китай), THEVA (Германия), SuperOx (Россия). ВТСП ленты второго поколения указанных фирм-производителей рассматривались как наиболее приемлемые для последующего использования в реальных магнито-левитационных системах. На полученных образцах ВТСП лент измерялись следующие характеристики: зависимости критического тока от величины (магнито-полевые) и направления (угловые) внешнего приложенного магнитного поля при температуре кипения жидкого азота и поле до 6 Тл; зависимости намагниченности от приложенного поля в диапазоне температур от 5 до 80 К (максимальное поле до 8 Тл), в том числе остаточная намагниченность; зависимости силы левитации от левитационного зазора при Т=77 К, теплоемкость вблизи температуры кипения жидкого азота. Полученные результаты показали, что наиболее приемлемыми лентами являются SuNam и SuperOx.

Построена комплексная мультифизическая модель левитационной системы массив ВТСП лент – постоянный магнит, которая заключается в следующем: с помощью метода конечных элементов в среде моделирования Comsol Multiphysics выполняется расчет поля постоянных магнитов, производится решение уравнений Максвелла для массива ВТСП лент с учетом нелинейной вольтамперной зависимости сверхпроводника и зависимости критического тока от магнитного поля. Рассчитываются кривые намагничивания и зависимости силы левитации от расстояния между массивом и постоянным магнитом. Также моделируются тепловые процессы в материалах при охлаждении в нулевом поле (ZFC) и в присутствии внешнего магнитного поля (FC). Кроме того выполняется моделирование динамических процессов при движении массива ВТСП лент к/от постоянного магнита. Дополнительно выполняется расчет механических характеристик системы.

В рамках разработанной модели проведены расчеты простых магнито-левитационных систем методом конечных элементов с учетом реальных параметров различных ВТСП лент, в том числе с учетом механических и тепловых характеристик. Получены следующие важные результаты: исследованы процессы намагничивания массива ВТСП лент в однородном и градиентном магнитном поле, а также при механическом перемещении массива лент к/от постоянного магнита для левитационных систем различных геометрий. Получены зависимости намагниченности массива лент от внешнего магнитного поля и зависимость максимальной силы левитации от числа ВТСП лет для стопок лент от 1 до 100 штук. Проанализированы особенности процессов нагрева массива лент при намагничивании во внешнем поле при охлаждении жидким азотом и с использованием безжидкостной системы охлаждения (криокулера). Показано наличие оптимальных размеров массива лент для левитационной системы.

Разработана методика и создано программное обеспечение для решения ряда задач, связанных с численным определением плотности токов, наведенных в ВТСП ленте и стопки лент, численным определением силы взаимодействия наведенных токов с магнитным полем, определение влияния режима ввода магнитного поля (предыстория намагничивания) на силу взаимодействия. Проведение этих расчетов выполнено в математической задаче, которая включает систему квазистационарных уравнений Максвелла и материальных уравнений, характерных для сверхпроводника. С помощью разработанной методики решены задачи тестирования однородности ВТСП проводника второго поколения и расчета силы левитации стопки из нескольких лент в поле постоянного магнита.

Выполненные работы 2017 года и полученные результаты дают хороший задел для успешного выполнения проекта в целом.

Аннотация результатов 2018 г.


В ходе выполнения плана работ 2018 годы проведены масштабные экспериментальные и теоретические исследования, направленные на получение новых данных, характеризующих параметры левитационных систем различных композиций из ВТСП лент второго поколения с учетом магнитных полей сложной формы, данных по влиянию на левитационные характеристики температуры, механических вибраций и переменного поля, разработку методов оптимизации геометрических и масс-габаритных параметров левитационных систем, исследование способов повышения критического тока ВТСП лент и силы левитации путем модификации поверхности ВТСП с помощью пико- и фемто-секундного лазерного воздействия, выяснение на уровне системы вихрей Абрикосова физических механизмов и процессов, происходящих в ВТСП лентах в неоднородном магнитном поле и напряженном состоянии.

А именно, получены следующие новые результаты:

1. Получены экспериментальные данные, характеризующие левитационные характеристики различных конфигураций ВТСП лент над сборками магнитов, сложенных различными способами, в том числе над сборками из элементов сверхпроводящих катушек градиентного поля. Установлено, что массив противоположно ориентированных магнитов усиливает силу левитации по сравнению с массивом магнитов с одной ориентацией. Найдено, что значение силы левитации зависит от латерального положения стопки ВТСП лент. Показано, что максимальное значение силы левитации и высота стабильной левитации зависит от ширины противоположно намагниченных областей (в данном случае число рядом лежащих магнитов, намагниченных одинаково). Установлено, что функции зависимости максимума силы отталкивания (режим охлаждения в нулевом поле) от толщины стопки лент имеют нелинейный характер, что позволяет сделать оптимальный выбор геометрических параметров стопки при сохранении необходимых значений силы левитации. Получен широкий набор экспериментальных данных, характеризующих латеральные и вертикальные силы при латеральных смещениях. Показано, что характер экспериментальных зависимостей, в частности гистерезис латеральной силы при латеральном смещении, совпадает с результатами численных расчетов, проведенных как на основе уравнений Максвелла, так и в среде Comsol Multiphysics.

2. Выполнены расчеты методом конечных элементов левитационных характеристик композиций из ВТСП лент, а также проведено сравнение с экспериментальными данными. Получены зависимости отталкивающей силы от числа лент в стопке для намагничивания стопки ВТСП лент в градиентном магнитном поле постоянного Ne-Fe-B магнита в режиме ZFC. При стопках высотой до 40 лент зависимость носит практически линейных характер, а при дальнейшем увеличении числа лент начинает насыщаться. Это указывает на малую эффективность дальнейшего увеличения высоты стопки для достижения большего значения захваченного магнитного потока и отталкивающей силы. Показано, что сила левитации нелинейно растет с увеличением высоты стопки и с уменьшением температуры. Установлено, что определяющим фактором для охлаждения лент являются тепловые характеристики металлической подложки. Показано, что до 90% тепла отводится из ВТСП слоя ВТСП ленты массивным слоем Хастелоя. В то время как при возникновении локальных «горячих пятен» в сверхпроводнике медный слой отвечает за быстрое рассасывание пятна и, таким образом, дополнительно выполняет помимо функции шунтирующего материала, функцию термической стабилизации. Проведено исследование левитационных характеристик стопок ВТСП лент в магнитных полях сложных конфигураций, получающихся в результате различных магнитных сборок. Установлено, что для стопок лент небольшой высоты (до ~15 лент) сила левитации меняется несущественно при изменении геометрии магнитных сборок. В то же время найдено, при дальнейшем увеличении числа лент в стопке сила левитации зависит от варианта сборки. Показано, что во внешнем магнитном поле сборки Халбаха стопка из 30 ВТСП лент показывает прирост в силе левитации более чем на 30% по сравнению с другими конфигурациями магнитных сборок. При моделировании системы «разрезные ВТСП кольца−постоянный магнит» установлено, что сила левитации в такой системе в 2 раза больше по сравнению с плоским ВТСП диском с аналогичным объемом сверхпроводящего материала. Исследование влияния ширины ВТСП ленты и диаметра кольца на величину захваченного потока и силу левитации показало, что увеличение ширины ленты или диаметра кольца приводит к большей степени захвата потока (степень захвата потока определяется как отношение максимального захваченного поля к приложенному внешнему магнитному полю). Расчет карты распределения наведенных токов в сверхпроводящем кольце показал существование области растекания токов на краях ВТСП ленты, из которой формируется кольцо. Найдено, что c увеличением ширины ленты, продольный размер области растекания тока уменьшается.

3. Спроектирован, изготовлен и испытан стенд для исследований влияния внешних факторов на левитационные характеристики: температуры, переменного магнитного поля, знакопеременных механических вибраций.

Стенд имеет следующие технические характеристики:
  • Размеры исследуемых образцов – стопки из лент 12х12 мм, толщиной до 20 мм.
  • Диапазон изменения температур – от 30 до 300 К.
  • Точность измерения силы – 0.1 Н
  • Шаг перемещения при измерении силы – 2 мкм
  • Частота механических вибраций – до 10 Гц, с возможностью увеличения частоты
  • Амплитуда переменного магнитного поля - до 80 Эрстед

Данный экспериментальный стенд использован для проведения экспериментальных исследований по влиянию различных внешних факторов на левитационные свойства стопок из ВТСП-лент.

4. С использованием описанного в пункте 3 стенда получены уникальные экспериментальные данные, характеризующие влияние на левитационные характеристики внешних факторов: температуры, знакопеременных механических перемещений (вибраций), переменного магнитного поля. В качестве образцов использовались стопки ВТСП лент от различных мировых производителей. Стопки состояли набора одиночных квадратных лент, вырезанных из длинной ленты шириной 12 мм. Количество слоев в стопке варьировалось от 5 до 100. В качестве источника магнитного поля использовалась сборка из 4х круглых постоянных NdFeB магнитов. В результате измерений, проведенных в FC и ZFC режимах охлаждения, установлено влияние температуры на левитационные характеристики стопок ВТСП-лент. Найдено, что в случае FC охлаждения (а именно такой режим используется на практике в левитационных системах для достижения стабильной левитации), охлаждение ниже температуры кипения жидкого азота дает выигрыш в силе левитации менее 10%, что не является существенным значением с учетом сложности системы охлаждения и поддержания температуры ниже 77 К. С учетом новых полученных данных по температурным свойствам ВТСП-лент различных производителей наиболее эффективными для применения в левитационных системах являются ленты производства фирмы СуперОкс. Проведенные экспериментальные исследования влияния латеральных циклических перемещений показали, что сила левитации, как и латеральная возвращающая сила, зависят от количества циклов движения и спадают с каждым циклом. Скорость затухания первоначально увеличивается с количеством лент в стопке до максимума на 30 лентах, после чего скорость затухания уменьшается и становится постоянной для стопок более 40 слоев. Установлено наличие гистерезиса вертикальной и горизонтальной составляющих силы левитации при циклических латеральных смещениях (что указывает на наличие потерь энергии при вибрациях). Показано, что площадь петли гистерезиса уменьшается с количеством элементов в стопке. В результате исследования влияния переменного магнитного поля показано, что переменное магнитное поле, направленное перпендикулярно направлению действия силы левитации, приводит к снижению силы левитации. Величина подавления линейно возрастает с увеличением амплитуды переменного поля. С увеличением частоты переменного магнитного поля подавление значительно уменьшается. Найдено, что подавление силы левитации в скрещенном поле до 80 Э в целом не превышает 1,4%.

5. Проведены исследования и выработаны обоснованные рекомендации по оптимизации левитационных систем двух типов: линейная и аксиально симметричная. Для реализации лабораторного прототипа левитационной системы были выбраны магнитные сборки на основе постоянных магнитов (прямоугольных и секторальных). Показано, что оптимальным является максимально плотное размещение магнитов в сборке. Зависимость максимальной силы левитации от расстояния между магнитами является монотонной и спадает с увеличением расстояния. Определено расстояние между ВТСП композицией и магнитной сборкой для достижения большой силы левитации и уменьшения потерь на перемагничивание ВТСП лент. Показано уменьшение неоднородности в 3 раза (до 4.5%) на расстоянии 2 мм от постоянных магнитов сборки при этом амплитуда поля уменьшается на 32%. Показано возникновение тормозящей силы при плотной укладке магнитов в сборке для многослойной сборки равной 8.1 10-8 Н. Определены оптимальные размеры ВТСП композиций и величины магнитных полей для достижения высокой силы левитации при минимальных масс-габаритных параметрах. Разработаны, спроектированы и реализованы концепции лабораторных прототипов линейной и аксиальной левитационных систем с использованием ВТСП лент второго поколения.

6. Предложен и реализован метод создания искусственных дефектов микронного диапазона в ВТСП лентах второго поколения с помощь ультракоротких (фемто- и пико-сеундных) лазерных импульсов. Проведено исследование локальных и интегральных магнитных и транспортных характеристик исходных и модифицированных ВТСП лент. Показан рост транспортного тока на 7%, локального тока на 49% в нулевом магнитном поле. Выполнены измерения намагниченности и критического тока в широком интервале магнитных полей при различных температурах исходных и модифицированных лент. Получено улучшение критического тока в магнитном поле до 10 Тл в ориентации H||c после воздействия. Установлено повышение критического тока модифицированной ленты в магнитных полях различной ориентации. Найдены оптимальные параметры воздействия, приводящие к повышению магнитных, транспортных и левитационных характеристик ВТСП лент второго поколения: длительность импульса - 25 пс, длина волны - 870 нм, шаг сетки массива - 50 мкм. Повышение критического тока на 49% наблюдалось для условий: отверстие глухое, радиус-7 мкм, энергия - 2000 нДж, одноимпульсный режим. Повышение критического тока на 15,6% наблюдалось для условий: отверстие сквозное, радиус 1-1.5 мкм, энергия 150 нДж, многоимпульсный режим, серия из 20-ти импульсов в точку.

7. Методом Монте-Карло выполнено моделирование вихревой решетки в слоистом ВТСП, помещенном в неоднородное магнитное поле. Получены вихревые конфигурации, возникающие в стопке сверхпроводящих плоскостей, помещенных в градиентное магнитное поле. Проведен анализ для случаев бездефектного и дефектного сверхпроводника. Оценена предельная толщина, при которой образец ведет себя в неоднородном поле как тонкая пленка. Рассчитаны зависимости энергии сверхпроводника в магнитном поле в зависимости от расстояния до магнита, показано наличие минимумов на данных зависимостях, соответствующих устойчивым положениям образца. Проведено численное исследование влияние деформаций на динамику вихревой решетки, критическую плотность тока и крутизну вольтамперных характеристик материала ВТСП методом континуального Монте-Карло. Степень деформации моделировалась посредством введения в образец микротрещин, возникающих в реальных материалах в эксперименте. Для трех концентраций точечных дефектов рассчитаны серии вольтамперных характеристик образца при различных степенях деформации. Получены качественно согласующиеся с экспериментом спадающие зависимости критической плотности тока и показателя степени вольтамперной характеристики от степени деформации. Определены границы применимости модели расчетов. Впервые обнаружена ступенчатость вольтамперных характеристик деформированных образцов, связанная с чередованием процессов заморозки и разморозки вихревой решётки. Процесс заморозки заключается в практически полной остановке движения вихрей, которое приводит к незначительному увеличению напряжения при увеличении плотности пропускаемого через образец транспортного тока. Данное явление было продемонстрировано на усредненных вихревых конфигурациях образца при различных степенях деформации в различных точках вольтамперной характеристики. Показано, что наличие трещин создает каналы для движения вихрей, из-за чего происходит снижение критической плотности тока.

Выполненные работы 2018 года и полученные результаты дают хороший задел для успешного выполнения проекта в целом.