本文件描述了一种测量单根长度不小于10 m的第二代高温超导（2G-HTS）长带的直流临界电流及其沿长度方向分布的方法。 本文件适用于测量宽度2 mm~15 mm、厚度0.1 mm~0.5 mm、临界电流小于500 A、n-值大于5、液氮温度下的过流能力不小于其标称临界电流的1.5倍的铜及铜合金封装带材。 本文件不适用于测量表面涂覆绝缘层的2G-HTS带材。

ICS 17.220.20;29.050
CCS K 10
中华人民共和国国家标准
GB/T41640—2022
临界电流测量
第二代高温超导长带
临界电流及其沿长度方向均匀性测量Critical current measurementMeasurement of critical current and itsuniformity along the length of 2G-HTS long tapes2022-10-12 发布
国家市场监督管理总局
国家标准化管理委员会
2023-05-01实施
GB/T41640—2022
规范性引用文件
术语和定义
卷对卷系统
低温系统
测试系统
预热烘干系统和氮气氛保护
临界电流测量
四引线组件各段长度（测试段及相关各段长度）样品准备
测量过程
样品存放
7结果计算
临界电流判据
n-值（选测）
长带临界电流的确定及其沿长度方向均匀性评估测量不确定度
测试报告
被测试样带详情
测试结果
测试条件，
附录A（资料性）第1章～第9章的补充信息附录B（资料性）
附录C（资料性）
参考文献
非接触测量方法
不确定度评定
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本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则」第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。
请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国科学院提出。
本文件由全国超导标准化技术委员会（SAC/TC265）归口。本文件起草单位：上海上创超导科技有限公司、上海超导科技股份有限公司、苏州新材料研究所有限公司、上海电缆研究所有限公司、中国船舶重工集团公司第七一二研究所、中国科学院电工研究所、中国科学院物理研究所、西部超导材料科技股份有限公司、中国科学院等离子体物理研究所、中国电力科学研究院有限公司、清华大学、华北电力大学、广东电网有限责任公司电力科学研究院、上海大学、上海交通大学。
本文件主要起草人：蔡传兵、张永军、赵跃、朱佳敏、熊旭明、李洁、宗曦华、郑军、张国民、刘志勇、李敏娟、闫果、刘华军、丘明、顾晨、王银顺、程军胜、陈思侃、胡南南、王玉山。I
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自1987年Y-Ba-Cu-O(YBCO)发现以来的30年里，RE-Ba-Cu-O（REBCO，RE：稀土元素）超导体的实用化取得了重大发展，带材制备长度达到百米、甚至千米量级。为了区分以Bi-2223为代表的铋系第一代高温超导带材，通常称REBCO超导带材为第二代高温超导（2G-HTS）带材，也被称为涂层导体。现阶段2G-HTS带材已实现商业化生产。2G-HTS带材具有低损耗、高载流密度的优越性，但相对于常规导体或低温超导材料，由于REBCO超导体属于陶瓷材料，机械性能比较脆弱，极易受到损坏，而局部缺陷将影响整根带材的性能。临界电流是表征2G-HTS带材超导性能的重要技术指标之一。传统的低温超导线材采用四引线法测量，是在线材首、尾两端取短样进行测量，而对于2G-HTS长带而言，其结果并不能代表线材整体的性能。因此，对2G-HTS长带进行临界电流及其均匀性的连续测量是十分必要的。目前，2G-HTS长带的临界电流的连续测量方法种类繁多，如传输法和感应法（又可细分为多种）等。不同厂家采用的测量方法不一样，测量标准的不统一不利于2G-HTS带材的规模化应用。因此，对临界电流及其沿长度方向均匀性测量进行规范，建立标准的测量方法十分必要且具有重大意义据此，本文件对测量装置、测量方法及结果计算等进行了规范。本文件的实施将有效促进2G-HTS带材的产业化发展。
临界电流测量第二代高温超导长带临界电流及其沿长度方向均匀性测量GB/T41640—2022
重要提示：本文件的应用可能涉及某些有危险性的材料和操作。但并未对此有关的所有安全问题都提出建议。用户在使用本文件之前有责任制定相应的安全和保护措施，并明确其受限制的适用范围。1范围
本文件描述了一种测量单根长度不小于10m的第二代高温超导（2G-HTS）长带的直流临界电流及其沿长度方向分布的方法（见第4章）。本文件适用于测量宽度2mm～15mm、厚度0.1mm～0.5mm、临界电流小于500A、n-值大于5、液氮温度下的过流能力至少是其标称临界电流的1.5倍的铜及铜合金封装带材。本文件不适用于测量表面涂覆绝缘层的2G-HTS带材注1：本方法可用于测量临界电流超过500A的带材，但直流恒流源需能够提供足够高的电流，并且需要更加谨慎地设计保护电路，以防止测量过程中带材受损。注2：本方法的测量条件为一个标准大气压和自场，且测量部分全部浸人到液氮浴内，并处于稳定状态。在测量过程中大气压力出现偏离或有磁场存在的情况下，根据需要可以对测量结果进行修正。注3：其他的一些具体限制和辅助的测量方法，在附录A和附录B中给出。2规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
GB/T2900.100一2017电工术语超导电性3术语和定义
GB/T2900.100一2017界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1
临界电流critical current
在超导体中，可视为几乎是无阻流动的最大直流电流。注：I。是磁场强度、温度和应变的函数［来源：GB/T2900.100—2017,815-12-013.2
临界电流判据critical current criterionI。判据I。criterion
根据电场强度E或电阻率β确定临界电流I。的判据。注：常用的电场判据为E=10μV/m或E=100μV/m，电阻率判据为p=10-14α·m，或p=10-13α·m。L来源：GB/T2900.100—2017815-12-021
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testingsection
测试段
四引线法测量直流临界电流时，两电压引线之间带材的节段。3.4
步进检测模式step-by-steptestingmode种走带一检测一走带·…交替进行的四引线长带临界电流及其均匀性测量方式注：步进检测模式通常是给带材测试段输人一随时间线性增大的直流电流，同时记录测试段上的电压变化，得到每测试段的U-I曲线，从而根据I。判据确定各段临界电流值。其优点是可以获得各测试段的n-值，缺点是检测效率相对较低。
steplength
采用步进检测模式时，带材每步向前移动的长度。注：L。的设置与电压引线间距（L）有关，推荐步长为1m～5m3.6wwW.bzxz.Net
Eoverlaplength
重叠长度
采用步进检测模式时，为防止出现漏测，相邻两个测试段之间设置的重叠部分的长度，即电压引线间距（L2）与步长（L）的差值。3.7
长带临界电流及其沿长度方向均匀性critical currentanditsuniformityalongthelengthof longtape长带各测试段测得的临界电流数值，沿长度方向均匀性采用各测试段临界电流数值的标准偏差表征。
注：沿长度方向均匀性数据与步长有关，3.8
reel-to-reel system
卷对卷系统
为了实现连续走带，并保证长带的连续性和完整性，将带材从放卷盘释放，经导向轮传动并在一定的张力下同步缠绕到收卷盘上的装置。3.9
n-值（超导体）n-value在特定的电场强度或电阻率区间，超导体的电压-电流曲线U(I)可近似表示为Uoc\，其中I的幂指数就是超导体的n-值。
［来源：GB/T2900.100—2017,815-12-10]3.10
恒定速率升流法
constant sweep rate method
以恒定升流速率为样品提供直流电流，在电流从零升到略大于临界电流I.值的过程中，以一定的采样频率采集U-I数据的方法
L来源：GB/T21546—2008，3.8
升流-恒流-升流法
ramp-and-holdmethod
根据测试需求，沿U-I曲线设定多个恰当分布的点，电流从一个设定点升流到另一个设定点后再保持一定时间的恒流，同时记录若干相应的电流和电压值，然后继续升流到后续设定点。T来源：GB/T21546—2008.3.9
4原理
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2G-HTS长带临界电流及其沿长度方向均匀性测量是以四引线为基础，采用步进检测模式进行的动态传输法测量。使测试段冷却到液氮温度，在一个标准大气压下，输人随时间线性增大的直流电流，同时记录测试段上的电压变化，得到每一测试段的U-I曲线。在特定电压引线间距下，达到电场判据（E。)对应的临界电压值（U。)时的电流值即当前测试段的临界电流（I）。完成一个测试段的测量后，通过卷对卷系统走带一个步长，进行下一个测试段的测量，以此类推，直至测量覆盖整个带材长度。当整根长带完成测量后，根据各测试段I。值来评估长带的临界电流及其沿长度方向的均匀性。5装置
5.1总则
采用图1所示步进检测模式的动态传输法测量装置，主要包括以下四部分：卷对卷系统；
低温系统；
测试系统（包括四引线组件等）；预热/烘干系统。
数据采集
烘干箱
超导带材
液面（根据液面位置手动或自动补充液氮）液氮
电压引线电极
放卷装置
标引序号说明：
电流引线电极
低温槽
电压引线电极
电流引线电极
液面（根据液面位置手动或自动补充液氮）电压引线电极
电流引线电极
超导带材
低温槽
电流引线电极
电流引线电极/电压引线电极采用滚轮的形式，与带材成曲面接触电流引线电极/电压引线电极采用平面压接的形式，与带材成平面接触，b
注：图示为电流、电压引线电极的两种常见形式，电极材料均为纯铜。步进检测模式测量装置结构示意图图1
收卷装置
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5.2卷对卷系统
卷对卷系统使2G-HTS长带在恒张力的作用下，间歇或连续通过低温介质（即实现走带），以测量各测试段的U-I曲线，同时保证长带的连续性和完整性。卷对卷系统宜采用自动化控制，在卷对卷系统中，应实现带材的恒张力控制，以保证均匀放卷和收卷。恒张力数值的设定应参照带材厂商提供的性能参数，确保带材承受的机械应变小于0.1%。装置中所采用的导向轮（包括采用滚轮形式接触的电流引线电极和电压引线电极），其外径不小于3cm。
卷对卷系统应包含可以准确测量长度的编码器/计米器等部件，并在显示屏上显示长度数据，注1：若张力不足，滚轮形式的电极与带材接触电阻增加，容易造成烧带；若张力过大，造成带材的拉伸变形，则影响超导性能。
注2：2G-HTS带材存在临界弯曲直径，当导轮的直径小于临界弯曲直径时，会影响带材的超导性能。5.3低温系统
通过低温槽内液氮浸没的方式实现长带待测试段的冷却。低温槽应满足以下条件：
具有较好的绝热和恒温效果：
一容积保障整个四引线组件完全浸没到液氮浴中；一方便手动或自动补充液氮。
低温槽宜满足以下条件：
一安装液氮液面监测装置：
一底部内壁上设有加热系统。
加注液氮前，宜加热烘干低温槽中的水汽，防止加注液氮时水汽凝结；测试完成后，宜加热促进液氮挥发以保持设备干燥。
注：低温槽内腔和外壳通常采用无磁不锈钢，内腔和外壳之间填充隔热层材料。5.4测试系统
测试系统主要包括直流恒流源、电压表（纳伏表），以及读取数据、处理数据、显示结果的计算机，包括测试软件，
电流和电压引线电极宜选用纯铜材料，采用增大通流接触面积的方式来减小接触电阻，或增大电极体积以增加热容，或采用铜编织带作为电流引线提高散热效率等电极与长带的接触有两种形式可选：电极采用滚轮形式，与带材的接触面为曲面，通过设置带材张力来调节接触电阻，宜采用三引线方法监测电极的接触电阻；
一一电极采用平面形式，与带材的接触面为平面，测量时调整装置施加压力来调节接触电阻，走带时释放压力。
采用滚轮形式电极时，应注意控制带材所受恒张力，以确保带材承受的机械应变小于0.1%；采用平面形式电极时，应注意控制电极与带材之间的压强不大于35MPa，以保障带材不发生明显的形变或弯曲，避免损坏超导带材或影响测量结果。宜采用失超保护电路防止样品受到损坏。4
5.5预热烘干系统和氮气氛保护
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预热/烘干系统可以是一个烘干箱，烘干箱内应保持50℃～150℃的温度。待测量带材首先应进人烘干箱进行预热烘干，防止水汽进入液氮后结冰，影响测量电流加载等。经预热烘干的带材应进人氮气氛保护段，利用蒸发的冷氮气预冷带材。带材完成测量后也应进入烘干箱，在收卷之前充分回温烘干，防止水汽在带材表面凝结对后续带材存放或绝缘处理造成不利影响。6临界电流测量
6.1四引线组件各段长度（测试段及相关各段长度）完全浸没到液氮浴中的四引线组件各段长度参数（见图2），总长度L应满足如下公式：L=L,+2L4
L1=L2+2L5+2Ls
式中：
（2）
电流引线间距，采用滚轮作为电流、电压电极时，电流引线间距为图2a）中线段CGK的长度；
电压引线间距，即测试段长度，采用滚轮作为电流、电压电极时，电压引线间距为图2a)中线L2
段FGH的长度；
电流引线电极与电压引线电极间的最小距离，采用滚轮作为电流、电压引线电极时，表现为图2a）中线段CD和线段JK的长度：L4—一电流引线电极与带材的接触长度，采用滚轮作为电流、电压引线电极时，表现为图2a)中曲线ABC和KLM的长度：
电压引线电极与带材的接触长度，采用滚轮作为电流、电压引线电极时，表现为图2a)中曲线DEF和HIJ的长度。
本文件对L,不作限定；L2应不大于带材长度的1/10，且不超过10m；L3应不小于带材宽度，当电流电极接触电阻或封装层的电阻较大时，或测得的U-I曲线呈现“爬坡”现象，表明存在明显的电流转移，此时电流电极与电压电极的最小距离L3应相应增加；L4的设定应满足接触电阻要求，应大于带材的宽度。
此外，为避免长带中某段被跳过而出现漏测，相邻两个测试段之间应设置一个重叠部分，重叠长度L≥2L，步长L。=L2L6，应小于L2。电流、电压引线电极为滚轮形式（与样带接触面为曲面）图2四引线组件各段长度参数示意图5
GB/T41640—2022
标引序号说明：
A、C、D、F、H、J、K、M
B、E、G、I、L
6.2样品准备
6.2.1引导带连接
b）电流、电压引线电极采用平面压接形式（与样带接触面为平面）电流引线电极；
电压引线电极；
带材和滚轮接触切点；
带材与滚轮水平切点；
电流引线间距，或线段CGK的长度；电压引线间距，或线段FGH的长度；电流引线电极与电压引线电极间的最小距离，或线段CD(JK)的长度；-电流引线电极与带材的接触长度，或曲线ABC(KLM)的长度；电压引线电极与带材的接触长度，或曲线DEF和HIJ的长度。图2四引线组件各段长度参数示意图（续）本测试方法采用卷对卷的走带方式，为保证测试覆盖整个带材长度，在进行测试前，待测样品的首、尾端部应连接一引导带，用于牵引待测样品。同时可准确确定检测开始和结束的参考点引导带应与待测带材牢固连接，避免在张力作用下断开。通常采用点焊方式或钎焊方式进行连接，焊接部分长度建议为1cm～5cm，宜根据实际焊接效果确定焊接部分长度，且焊接部分厚度应确保带材缠绕在卷轴上时，不会引起带材不可恢复的应力形变。引导带应具有与待测长带相近的宽度和厚度，或在满足机械强度的前提下，引导带的厚度可以小于待测长带的厚度。首尾引导带长度应根据测试装备的实际情况设置，保证待测带材首尾都可检测到。采用点焊方式连接，引导带宜采用电阻比较大和高强度材料，如不锈钢带；采用钎焊方式连接，引导带宜采用易焊接材料，如铜及铜合金带材。6.2.2非接触测量方法预检
在采用本文件规定的方法测量之前，宜采用非接触测量方法对待测带材进行预检（见附录B），探知带材临界电流低点的位置等，在测量过程中特别加以注意。6.2.3样品安装
将两端均连接好引导带的待测长带样品缠绕在放卷盘上，牵引放卷盘外侧的引导带通过烘干箱内-侧的导向轮，再依次通过四引线组件，包括电流引线电极、电压引线电极等，之后通过烘干箱内另一侧的导向轮，最后缠绕在收卷盘上。启动收卷装置，当待测长带样品的首测试段经过四引线组件时，停止走带。放卷盘和收卷盘的尺寸应与待测带材的宽度和长度相匹配。穿带过程中，应注意避免样带受到刮擦，造成损伤。
6.3测量过程
6.3.1预干燥及冷却
GB/T41640—2022
在向低温槽注人液氮前宜预先加热烘干使其保持干燥：测量开始前，宜预先开启烘干箱并升至设定温度，建议温度为50℃～150℃。向低温槽注入液氮，直至液面浸没过整个四引线组件不小于3cm，并等待液氮液面平稳3min~5min后，测量液氮冷剂的温度，应在76.5K≤T≤77.8K区间。如果冷剂温度过高，也可进行测量，但是应在报告中标明测量温度。在测量过程中，应随时注意液氮液面高度，确保液氮液面高于四引线组件最高点不小于3cm，必要时及时补充液氮。电流引线电极与超导带材之间不可避免地会存在接触电阻，实际测试中会产生焦耳热，将引起局部温升，影响测量结果，甚至造成带材局部失超并烧毁。为防止这种现象发生，在实际测量过程中，应在电流引线电极附近加装温度探头，由于接触电阻引起的温升应小于1K。一旦出现异常情况，及时停止测量并对装置进行调整，待恢复后继续测量。6.3.2U-I曲线测量
当采用恒定速率升流法采样时，电流从零升到I.的时间应大于10s；当采用升流-恒流-升流法采样时，在设定点之间的升流速率应低于相应在3S内将电流从0升到I。所对应的速率。在每个电流设定点处，电流漂移应小于I。值的1%。当带材临界电流值范围不明时，建议采用小于5A/s的升流速率，对首测试段进行测试，在确定临界电流后，再选择适当的升流速率。记录每个测试段的位置信息，测量并记录其完整U-I曲线。测量U-I曲线时可适当设置截止电压，防止电流过冲烧毁带材。通常情况下，截止电压可取值1.0U。1.5U。。测量过程中，如果出现U-I曲线异常，或当前测试段临界电流小于相邻已测试段临界电流值的50%时，宜重新设定合适测量参数（如升流速率等）对该测试段进行复测，确认数据无误后，再恢复原参数继续测量，
6.3.3长带I.分布测量
从带材的测试起点开始，对每一个测试段的临界电流进行测量，完成一个测试段的数据采集之后，通过卷对卷系统走带一个步长，待下一个测试段完全浸人液氮10s后再开始测量，测量过程按照6.3.2的要求进行，记录其完整U-I曲线，并计算I。和n-值。以此类推，直至测量覆盖整个带材长度测量完成后，应确保带材回到室温，并按照6.4要求对样品进行保存。6.4样品存放
样品存放应遵循以下要求：
存放在干燥环境，远离潮气和水分；避免接触不受控热源，如热风枪、火源和高温焊枪等；一避免将重物尤其是尖锐物体置于超导带材上，避免过多带材堆叠存放；一避免挤压、锤击、刺伤、刮擦或磨损带材表面，避免过度弯曲、扭曲产生塑性变形。7结果计算
7.1临界电流判据
确定临界电流时，既可使用电场判据（E。），也可用电阻率判据（p。）。本文件使用电场判据为10μV/m或100μV/m，电阻率判据为10-14Q·m或者10-13Q·m。如果测试采用Lz不小于4m，宜使用其中较小的判据。
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