高温超导复合带材力学行为及变形对临界特性影响的研究

摘要

高温超导材料因其在高能物理、高载流输电、强磁场等现代高新科学和技术领域表现出的卓越性能，得到了广泛关注并逐渐进入商业化应用。但由于高温超导材料在热处理、加工、冷却、线圈绕制、磁体结构运行等过程中不可避免地受到机械力以及强电磁力作用，进而引起其超导性能的改变，甚至导致超导临界特性的不可逆退化，严重制约了高温超导带材的工程应用。这些问题直接关联到力学变形对超导多场性能的影响机制和工程实际应用，成为超导科学界和技术应用领域的热点课题。　　围绕高温超导复合带材的力学分析以及力学变形对超导带材临界特性影响，综合运用定量化数值模拟，理论建模和实验测试等方法，本论文较为系统地从宏微观角度针对YBCO高温超导涂层复合带材应力/应变状态以及对Bi系超导带材在不同变形模式下临界特性的影响等开展了研究。　　首先，针对YBCO涂层复合超导带材多层结构的应力/应变状态，结合结构特征建立了高效的3D/2D混合维度有限元数值模型，实现了从超导带材热处理加工到外荷载作用下的全过程弹塑性力学行为分析。研究结果表明：YBCO涂层超导带材热处理加工过程中，各层材料热膨胀系数的不匹配导致强的残余热应力，并使得超导薄层处于压缩状态；单轴拉伸与弯曲变形下，复合带材各层包括银覆盖层、铜包裹层、哈氏合金基底、超导层和缓冲层依次达到屈服极限，计算结果与实验结果吻合良好。　　进一步，基于内聚力模型建立了YBCO涂层复合超导带材层间剥离失效和破坏问题的3D/2D混合维度有限元数值模型，实现了对超导复合带材在横向拉伸荷载作用下的剥离力学行为的定量仿真。结果表明：层间剥离过程中出现两个应力集中区域，一个位于加载边界处，另一个位于裂纹尖端附近，剥离层发生位置与界面结合强度有关；带材的横向拉伸加载面以及初始缺陷均对剥离强度产生显著影响等。该3D/2D混合维度模型不仅具有较高的计算精度，而且相比于3D模型计算效率得到很大提高。　　其次，针对Bi系高温超导带材在不同变形模式：拉伸、弯曲、扭转三种基本力学变形下的临界电流退化问题开展了实验与理论研究。自主搭建了低温力-电耦合超导测试系统并实施了不同变形模式下的实验研究，对比研究了三种变形模式下的临界电流特征。结果显示：存在临界应变值，低于此值时临界电流不发生显著退化，并呈现可逆过程，当材料内部应变大于该值时，临界电流发生急剧的不可逆退化行为；相对于另外两种变形模式，轴向变形下的临界电流的不可逆退化更显著。在此基础上，从实验观测的电流退化现象及复合超导带材横截面的芯丝破坏微观机制出发，基于超导脆性纤维-金属基复合材料损伤理论以及Weibull分布函数,建立了统一的变形对临界电流退化影响的唯象模型。其可以实现对单轴拉压、弯曲、扭转三种变形模式下应变-电流退化行为的揭示，理论预测结果与实验结果吻合良好，并有望推广应用于超导带材多种变形模式耦合作用情形。　　为了尝试从微观角度揭示力学变形对超导临界特性的影响机制，论文中还以具有特定组分的YBCO高温超导材料——YBa2Cu3O6.95为研究对象，开展了静水压力作用下的材料变形对其超导特性和临界温度影响的微观机理研究。从第一性原理计算出发，结合材料微观键价计算和空穴浓度分析，研究了静水压下YBCO高温超导材料微观结构变化以及影响临界状态的微观物理量的变化。数值仿真结果表明：随着压强的增大材料内部连接CuO2平面和Cu-O链的氧原子向CuO2平面移动，Cu(2)-O(2,3)-Cu(2)键角直接关联于超导临界温度；CuO2平面的空穴浓度随外加压力的增大而增加，是一种自掺杂过程并进而影响超导临界特性。基于这些微观机制的刻画，提出了一自掺杂过程中YBCO临界温度随压强变化的修正模型，揭示了临界温度随压强的非对称关系，预测结果与实验结果吻合良好。

目录

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第一章 绪论

1.1 高温超导材料概述

1.2 高温超导材料力学相关的研究现状

1.3 本文研究内容

第二章 YBCO超导复合带材热处理与变形过程中的力学分析

2.1 超导复合带材3D/2D混合维度的有限元分析模型

2.2 超导复合带材热加工过程的有限元数值仿真

2.3 超导复合带材简单变形下力学行为数值模拟

2.4 本章小结

第三章 YBCO超导复合带材层间剥离机制与力学分析

3.1复合材料界面的内聚力模型

3.2 超导复合带材内聚力有限元数值模型

3.3 超导带材层间剥离的力学分析与结果

3.4本章小结

第四章 Bi系高温超导带材力学变形对临界电流的退化与影响

4.1 不同变形模式下Bi系超导带材临界电流退化的实验研究

4.2 超导带材轴向变形下的临界电流退化唯象理论模型

4.3 超导带材弯曲变形下的临界电流退化唯象模型

4.4 超导带材扭转变形下临界电流退化唯象模型

4.5 模型的统一

4.6 本章小结

第五章 YBCO高温超导材料压力对临界温度影响的微观机制与数值仿真

5.1 静水压力下的自掺杂YBCO微观结构第一性原理计算

5.2 静水压力下的YBCO微观特征计算

5.3 基于自掺杂效应的YBCO临界温度模型

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

在学期间的研究成果

致谢