高溫超導(dǎo)復(fù)合帶材力學(xué)行為及變形對臨界特性影響的研究.pdf

1、高溫超導(dǎo)材料因其在高能物理、高載流輸電、強磁場等現(xiàn)代高新科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域表現(xiàn)出的卓越性能，得到了廣泛關(guān)注并逐漸進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用。但由于高溫超導(dǎo)材料在熱處理、加工、冷卻、線圈繞制、磁體結(jié)構(gòu)運行等過程中不可避免地受到機械力以及強電磁力作用，進(jìn)而引起其超導(dǎo)性能的改變，甚至導(dǎo)致超導(dǎo)臨界特性的不可逆退化，嚴(yán)重制約了高溫超導(dǎo)帶材的工程應(yīng)用。這些問題直接關(guān)聯(lián)到力學(xué)變形對超導(dǎo)多場性能的影響機制和工程實際應(yīng)用，成為超導(dǎo)科學(xué)界和技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的熱點課題。

2、　　圍繞高溫超導(dǎo)復(fù)合帶材的力學(xué)分析以及力學(xué)變形對超導(dǎo)帶材臨界特性影響，綜合運用定量化數(shù)值模擬，理論建模和實驗測試等方法，本論文較為系統(tǒng)地從宏微觀角度針對YBCO高溫超導(dǎo)涂層復(fù)合帶材應(yīng)力/應(yīng)變狀態(tài)以及對Bi系超導(dǎo)帶材在不同變形模式下臨界特性的影響等開展了研究。
　　首先，針對YBCO涂層復(fù)合超導(dǎo)帶材多層結(jié)構(gòu)的應(yīng)力/應(yīng)變狀態(tài)，結(jié)合結(jié)構(gòu)特征建立了高效的3D/2D混合維度有限元數(shù)值模型，實現(xiàn)了從超導(dǎo)帶材熱處理加工到外荷載作用下的全過程彈塑

3、性力學(xué)行為分析。研究結(jié)果表明：YBCO涂層超導(dǎo)帶材熱處理加工過程中，各層材料熱膨脹系數(shù)的不匹配導(dǎo)致強的殘余熱應(yīng)力，并使得超導(dǎo)薄層處于壓縮狀態(tài)；單軸拉伸與彎曲變形下，復(fù)合帶材各層包括銀覆蓋層、銅包裹層、哈氏合金基底、超導(dǎo)層和緩沖層依次達(dá)到屈服極限，計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好。
　　進(jìn)一步，基于內(nèi)聚力模型建立了YBCO涂層復(fù)合超導(dǎo)帶材層間剝離失效和破壞問題的3D/2D混合維度有限元數(shù)值模型，實現(xiàn)了對超導(dǎo)復(fù)合帶材在橫向拉伸荷載作用下的剝

4、離力學(xué)行為的定量仿真。結(jié)果表明：層間剝離過程中出現(xiàn)兩個應(yīng)力集中區(qū)域，一個位于加載邊界處，另一個位于裂紋尖端附近，剝離層發(fā)生位置與界面結(jié)合強度有關(guān)；帶材的橫向拉伸加載面以及初始缺陷均對剝離強度產(chǎn)生顯著影響等。該3D/2D混合維度模型不僅具有較高的計算精度，而且相比于3D模型計算效率得到很大提高。
　　其次，針對Bi系高溫超導(dǎo)帶材在不同變形模式：拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)三種基本力學(xué)變形下的臨界電流退化問題開展了實驗與理論研究。自主搭建了低溫力

5、-電耦合超導(dǎo)測試系統(tǒng)并實施了不同變形模式下的實驗研究，對比研究了三種變形模式下的臨界電流特征。結(jié)果顯示：存在臨界應(yīng)變值，低于此值時臨界電流不發(fā)生顯著退化，并呈現(xiàn)可逆過程，當(dāng)材料內(nèi)部應(yīng)變大于該值時，臨界電流發(fā)生急劇的不可逆退化行為；相對于另外兩種變形模式，軸向變形下的臨界電流的不可逆退化更顯著。在此基礎(chǔ)上，從實驗觀測的電流退化現(xiàn)象及復(fù)合超導(dǎo)帶材橫截面的芯絲破壞微觀機制出發(fā)，基于超導(dǎo)脆性纖維-金屬基復(fù)合材料損傷理論以及Weibull分布函數(shù)

6、,建立了統(tǒng)一的變形對臨界電流退化影響的唯象模型。其可以實現(xiàn)對單軸拉壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)三種變形模式下應(yīng)變-電流退化行為的揭示，理論預(yù)測結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好，并有望推廣應(yīng)用于超導(dǎo)帶材多種變形模式耦合作用情形。
　　為了嘗試從微觀角度揭示力學(xué)變形對超導(dǎo)臨界特性的影響機制，論文中還以具有特定組分的YBCO高溫超導(dǎo)材料——YBa2Cu3O6.95為研究對象，開展了靜水壓力作用下的材料變形對其超導(dǎo)特性和臨界溫度影響的微觀機理研究。從第一性原理計

7、算出發(fā)，結(jié)合材料微觀鍵價計算和空穴濃度分析，研究了靜水壓下YBCO高溫超導(dǎo)材料微觀結(jié)構(gòu)變化以及影響臨界狀態(tài)的微觀物理量的變化。數(shù)值仿真結(jié)果表明：隨著壓強的增大材料內(nèi)部連接CuO2平面和Cu-O鏈的氧原子向CuO2平面移動，Cu(2)-O(2,3)-Cu(2)鍵角直接關(guān)聯(lián)于超導(dǎo)臨界溫度；CuO2平面的空穴濃度隨外加壓力的增大而增加，是一種自摻雜過程并進(jìn)而影響超導(dǎo)臨界特性?；谶@些微觀機制的刻畫，提出了一自摻雜過程中YBCO臨界溫度隨壓強變