Nb3Sn高场复合超导体临界性能力学变形效应的多尺度模拟

A15型Nb₃Sn超导体是制造高场( > 10 T)超导磁体线圈的主要材料, 被广泛应用于磁约束可控核聚变、高能物理等强磁场超导磁体装备制造领域. 力学变形诱导的Nb₃Sn超导临界性能退化给高场超导磁体装备的电磁性能指标和安全稳定运行造成了极其不利的影响. 鉴于Nb₃Sn超导体具有复杂的多尺度结构特征, 不同尺度下变形与超导电性能耦合行为是相互关联的, 本文建立了考虑微/细/宏观关联的非线性力电磁耦合本构模型, 提出了从原子尺度A15晶体结构到超导体微结构到宏观非均质Nb₃Sn复合超导体的多尺度模拟模型. 基于多晶体有限元方法, 对静水压加载条件下Nb₃Sn多晶体超导临界温度衰退和单轴拉压加载条件下Nb₃Sn复合多晶体临界性能衰退行为进行了模拟预测, 预测结果与实验观测结果定性吻合. 该模型揭示了Nb₃Sn复合超导体变形-超导电性能多尺度耦合机理, 实现对高场超导体力、电、磁、热耦合行为的预测, 有助于提高对A15型金属间化合物高场超导复合材料力、电、磁、热多尺度耦合行为的认识和描述能力, 为强磁场超导磁体的设计与制造提供有力的理论支撑.      

静水压作用下Nb3Sn多晶体超导临界温度退化的耦合模型

Nb3Sn超导材料主要用于强磁场超导磁体的制造。力学变形诱导的其超导临界性能退化给强磁场超导磁体装置的电磁性能指标和安全运行造成了极其不利的影响。针对静水压作用下,Nb3Sn单晶体和多晶体表现出的不同退化行为,本文基于Maki De Gennes（MDG）关系式,建立了描述Nb3Sn单晶体变形-超导临界温度耦合响应的本构关系,并借助于多晶体有限元方法,对静水压作用下Nb3Sn多晶体超导临界温度退化响应进行了预测,预测结果与实验结果定性吻合。模型实现了从Nb3Sn单晶体到Nb3Sn多晶体变形-超导临界温度退化响应曲线的一致性预测。研究结果有助于提高对Nb3Sn高场超导材料变形-超导电性能耦合行为的认识,为发展描述运行工况下Nb3Sn超导材料力-电磁-热多物理场多尺度耦合行为的建模与数值计算方法提供了一定的基础;同时,相关结果对于特殊工况下高场超导磁体性能的评估和高应变耐受性超导材料的制备也具有一定的指导作用。     

静水压作用下Nb3Sn多晶体超导临界温度退化的耦合模型

Nb3Sn超导材料主要用于强磁场超导磁体的制造。力学变形诱导的其超导临界性能退化给强磁场超导磁体装置的电磁性能指标和安全运行造成了极其不利的影响。针对静水压作用下，Nb3Sn单晶体和多晶体表现出的不同退化行为，本文基于Maki De Gennes（MDG）关系式，建立了描述Nb3Sn单晶体变形-超导临界温度耦合响应的本构关系，并借助于多晶体有限元方法，对静水压作用下Nb3Sn多晶体超导临界温度退化响应进行了预测，预测结果与实验结果定性吻合。模型实现了从Nb3Sn单晶体到Nb3Sn多晶体变形-超导临界温度退化响应曲线的一致性预测。研究结果有助于提高对Nb3Sn高场超导材料变形-超导电性能耦合行为的认识，为发展描述运行工况下Nb3Sn超导材料力-电磁-热多物理场多尺度耦合行为的建模与数值计算方法提供了一定的基础；同时，相关结果对于特殊工况下高场超导磁体性能的评估和高应变耐受性超导材料的制备也具有一定的指导作用。     

高温超导带材超导涂层局部脱黏后的电磁力学行为分析

高温超导带材因其高载流z能力、低交流损耗等优点, 在超导领域得到了广泛的关注, 然而在带材的应用中出现的力学问题严重阻碍了其应用. 基于此, 本文分析了受外部磁场激励YBCO高温超导带材在超导层局部脱黏后的电磁力学响应. 基于超导临界态Bean模型和弹性力学平面应变方法, 给出了超导薄膜内正应力与基底界面处切应力相关联的控制方程, 基于数值方法研究了超导薄膜内的正应力及基底界面处的切应力随外部磁场的变化规律. 结果显示: 在脱黏区域附近, 超导薄膜内的正应力和基底$\!-\!$薄膜界面处的切应力急剧增大, 该正应力及切应力极易引起超导层的进一步脱黏. 同时, 剪切应力在结构边缘处出现极值. 基底材料的属性, 特别是杨氏模量对结构内的应力影响显著, 在软基底材料结构中, 超导薄膜内将出现较大的正应力, 而基底材料较硬时, 在基底$\!-\!$薄膜界面处将出现较大的剪切应力, 这些因素均会引起超导涂层结构的力学及电学性能的退化. 本文研究可望为超导带材的加工制备及脱黏的处理提供一定的理论指引.      

超磁致伸缩换能器耦合磁弹性模型与振动特性分析

针对应用于非圆车削加工的超磁致伸缩换能器,建立了其耦合磁弹性动力学模型与复系数动力学微分方程,基于实验建立的激励电流磁致伸缩材料轴向位移-磁场强度三者之间的关系式,得到了换能器磁力-位移关系的磁动方程的解析解,分析了系统的频响特性及不同频率下,激励电流与换能器输出位移之间的滞回关系,对现有磁场-电流公式进行了修正,讨论...     

磁电复合材料中拓扑磁结构的力学调控

磁性斯格明子是在一些铁磁材料中存在的一种重要拓扑磁结构,由于其具有独特的磁-电-力-热多场耦合特性,在未来新型自旋电子器件中有着广泛的应用前景。然而,磁性斯格明子一般需要在外加磁场下才能稳定存在,极大地限制了其在自旋电子器件中的实际应用。本文基于实空间下磁电材料的相场模拟,发现铁电和铁磁复合薄膜中铁电斯格明子可以通过界面变形来稳定铁磁斯格明子。由于力电耦合效应,铁电层中铁电斯格明子的非均匀分布极化在界面产生周期性的非均匀界面变形。界面变形通过力磁耦合效应,使铁磁层中的磁性斯格明子在没有外加磁场的条件下能够稳定存在。本文的研究结果表明,基于磁电复合材料中的力-电-磁耦合效应,通过优化设计复合材料中不同组元的结构,可以实现拓扑磁结构的力学调控,从而为设计基于拓扑磁结构的新型自旋电子器件提供了新思路。     

磁电复合材料中拓扑磁结构的力学调控

磁性斯格明子是在一些铁磁材料中存在的一种重要拓扑磁结构,由于其具有独特的磁-电-力-热多场耦合特性,在未来新型自旋电子器件中有着广泛的应用前景。然而,磁性斯格明子一般需要在外加磁场下才能稳定存在,极大地限制了其在自旋电子器件中的实际应用。本文基于实空间下磁电材料的相场模拟,发现铁电和铁磁复合薄膜中铁电斯格明子可以通过界面变形来稳定铁磁斯格明子。由于力电耦合效应,铁电层中铁电斯格明子的非均匀分布极化在界面产生周期性的非均匀界面变形。界面变形通过力磁耦合效应,使铁磁层中的磁性斯格明子在没有外加磁场的条件下能够稳定存在。本文的研究结果表明,基于磁电复合材料中的力-电-磁耦合效应,通过优化设计复合材料中不同组元的结构,可以实现拓扑磁结构的力学调控,从而为设计基于拓扑磁结构的新型自旋电子器件提供了新思路。     

高温超导体时效与记忆效应实验研究

熔融织构的钇钡铜氧化物(YBCO)高温超导块材具有较高的临界电流密度和较好的力学性能,在制作高场磁体、悬浮列车等方面具有重要的应用。本文首先在恒定的液氮温度下,通过对不同等待时间, 场冷和零场冷条件下悬浮力特征的测试, 发现高温超导块材在液氮温度表现出较强的时效性;接着,对于不同温度循环引起的悬浮系统悬浮力时间弛豫特征研究显示出高温超导块材在低温下具有鲜明的记忆特性,随着温度的升高,其记忆效应逐渐消失,且正、负温度循环对其记忆效应影响表现出不一致性。所有这些特性表明,高温超导块材具有和自旋玻璃类似的性质,其根源为超导体内部复杂的微观结构。     

超磁致伸缩材料多场耦合非线性力学行为的理论研究

超磁致伸缩材料由于具有位移大、响应快、驱动简单等性能优势,在智能系统中具有广阔的应用前景。对于其力学行为的研究,在理论上涉及的关键科学问题是多场耦合问题的理论建模与定量模拟,而其应用需求则涉及对超磁致伸缩器件性能的定量预测及优化。目前超磁致伸缩材料在工业上最广泛的应用是作为换能器的核心制动元件,其磁学、力学行为与工况密切相关。应力、外磁场、环境温度都会改变材料的磁化强度和应变状态,在交变磁场作用下磁致伸缩棒截面上产生涡电流,该损耗使材料的磁化和应变曲线出现洄滞。针对这些问题已有很多学者[1]-[4]进行了研究,这些工作揭示了外部条件对超磁致伸缩材料磁学、力学性质的单向联合作用,如图1中虚线所示。然而对于超磁致伸缩材料力学行为的准确刻画还需要考虑更深层次的多物理场耦合关系（图1中实线所示）：由于超磁致伸缩材料被外场磁化而产生磁致应变的同时,被磁化的介质也可以充当一种源而改变其周围的磁场,改变的程度依赖于介质的变形,因此需要考虑介质对周围磁场的反作用;棒截面上的涡电流除了会带来磁滞损耗外还会产生大量的热,改变周围温度,进而因为热膨胀、热磁效应等改变超磁致伸缩棒的磁学、力学输出,所以涡电流的热效应也不可忽略;此外,超磁致伸缩棒在交变磁场下的振动响应使其应力状态发生改变,在建模时不能只考虑所施加的预应力,材料的实时应力状态必须加以考虑。图1中虚线和实线所指向的过程共同构筑了超磁致伸缩材料的多物理场耦合框架,综合考虑这些因素才能准确描述超磁致伸缩材料多场耦合非线性力学行为。本文围绕上述内容逐步深入,针对这一在理论和应用上具有重要意义的问题,开展了理论建模和数值模拟研究。     

《固体材料的多尺度与多场耦合力学》专辑序言

正随着现代科技的迅速发展,固体材料的服役环境愈加严苛,从而引发了力学理论和分析方法的变革。固体材料经常承受多场耦合作用,产生了如力-热耦合、力-磁-热耦合、力-电-热耦合、力-磁-电耦合、力-化耦合等问题。在实际分析中,不仅要解决这些物理场的叠加问题,还经常要考虑不同物理场之间的交互作用。各种物理场通常可通过偏微分方程来描述,求解多物理场问题的本质是联立这些偏微分     

Electric-magnetic-force characteristics of rare earth barium copper oxide superconductor high-field coils based on screening effect and strain sensitivity

Rare earth barium copper oxide (REBCO) is the most researched and commercialized second-generation high-temperature superconducting material. Due to the anisotropic structure, strong deformation sensitivity, and central field errors caused by screening current effects, it is still a challenge for commercialization applications. In this study, the transversely isotropic constitutive relationship is selected as the mechanical model based on the structural characteristics of REBCO tapes, and suitable microelements are selected to equate the elastic constants using their average stress-strain relationships. Then, a two-dimensional axisymmetric model for coils wound by single-layer tapes is constructed to analyze the dependence of the electric-magnetic-force distribution in the tape on the strain. Finally, the anisotropic approximation of the homogenized bulk method is used to equate large-turn high-field coils, and the electric-magnetic-force distribution characteristics of the coils with/without screening effects and mechanical strain conditions are investigated, respectively. The results reveal that the mechanical strain has a weakening effect on the electromagnetic field distribution of superconducting tapes, but causes a significant enhancement in the force field distribution. In the presence of 0.5% mechanical strain, the maximum weakening of the peak value of the current density and the critical current density inside the high-field coil can reach about 8% and 13%, respectively, with a nearly 5 times increase in the peak stress. The screening current makes the current field distribution inside the coil improve by about 10 times. The screening current induced magnetic field can reach up to 0.8 T, making the relative error of the high-field coil center up to 7.8%.     

高温超导带材多场特性测试系统研制进展(Ⅱ)

考虑到第一代高温超导带材多场特性测试系统采用液氮浸泡的方式进行材料冷却,这极大地限制了其应用范围。另外,封闭的杜瓦结构对于超导材料在变形过程中的电磁特征难以实现有效观测,这成为弄清超导材料变形导致其载流能力下降物理机制的主要瓶颈。为此,我们采用制冷机直接冷却方式,获得了最低6.59K的样品温度。采用PID温度控制,实现了从6.59K至300K样品温度的精确控制,控温精度为0.1K。采用外置式的加载装置,通过机械传动实现对试样的准静态拉伸,其最大拉伸应变可达20%。自行设计了一种高温超导导线,采用制冷机一级冷头直接冷却,实现了密闭杜瓦容器中最大可达600A的电流输入。最后,在杜瓦瓶设置直径50mm的光学观察窗,采用磁光镜像的方法实现了超导材料电磁特性的原位观测。     

Analytic calculation of magnetic force between two current-carrying coils

Current-carrying coils are basic elements in electromagnetic equipments, for example, in high field magnets from high temperature superconducting wires or tapes. In the assembly of these systems and their current-carrying operation, unavoidable mis-alignment and shift from the original position can be induced by disturbances such as the imbalance of magnetic force due to safety problems. For two current-carrying coils with non-coplanar axes, the analytic expression of the magnetic force between the two coils is presented according to the rule of Ampere circulation and the Biot-Savart law. Based on the expression, the dependence of the magnetic force on the size and the relative position of each other is further investigated, and the variation of the magnetic force is obtained with the above parameters.     

A MAGNETO-MECHANICAL FULLY COUPLED MODEL FOR GIANT MAGNETOSTRICTION IN HIGH TEMPERATURE SUPERCONDUCTOR

This paper presents a fully coupled model to account for the flux pinning induced giant magnetostriction in type-II superconductors under alternating magnetic field The superconductor E-J constitutive law is characterized by power law where the critical current density is assumed to depend exponentially on the flux density. The governing equations of the two-field problem(i.e., the interactions of elastic and magnetic effects) are formulated in a two-dimensional model. The magnetostriction curves and magnetization loops are calculated over a wide range of parameters. The effects of applied magnetic field frequency f and amplitude B0 and critical current density on magnetostriction and magnetization are discussed. Results show that the critical current density of high temperature superconductor(HTS) YBCO has a significant effect on the magnetization and magnetostriction. The pinning-induced magnetostriction which has been observed in experiment can be qualitatively simulated by this model.     

Electrothermal stress in conductive body with collinear cracks

The temperature and stress field in a thin plate with collinear cracks interrupting an electric current field are determined. This is accomplished by using a complex function method that allows a direct means of finding the distribution of the electric current, the temperature and stress field. Temperature dependency for the heat-transfer coefficient, coefficient of linear expansion and the elastic modulus are considered. As an example, temperature distribution is calculated for an alloy (No. GH2132) plate with two collinear cracks under high temperature. Relationships between the stress, temperature, electric density and crack length are obtained. Crack trajectories emanating from existing crack are predicted by application of the strain energy density criterion which can also be used for finding the load carrying capacity of the cracked plate.     

Nb3Sn超导线圈力学性能精确分析的双向均质化方法

Nb₃Sn超导磁体运行时产生很高磁场, Nb₃Sn超导线圈会受到很强电磁体力的作用, 从而会产生很大的力学应变. 由于Nb₃Sn超导材料的应变敏感性, 会使得Nb₃Sn磁体线圈的临界性能退化, 这对磁体的安全稳定运行造成极大影响, 所以精确计算超导磁体在电磁体力下的力学行为具有重要的科学意义. Nb₃Sn超导磁体主要是由超导线绕制成线圈结构再经过环氧树脂固化而成, Nb₃Sn超导线是主要由多根微米级的超导芯丝、铜形成的复合结构, 所以从超导芯丝到超导磁体其尺寸跨越了几个数量级, 从而给精确分析超导线圈力学变形带来挑战. 本文首先采用代表性单元均质化方法分析了整体线圈的等效力学参数, 通过对比等效均质化模型与线圈真实结构的计算结果, 发现等效均质化模型存在很大的误差. 因此, 提出一种高精度而且计算代价低的双向均质化分析方法, 研究超导线圈内各组分材料(Nb₃Sn芯丝、铜和环氧树脂)应力-应变分布. 该方法不需要进行大规模的数值建模, 并且与真实复合线圈下的结果对比吻合很好, 由此验证了该方法的有效性和准确性. 最后基于提出的双向均质化分析方法, 详细讨论了Nb₃Sn超导线圈各层材料在电磁力作用下应力-应变随匝数和层数的变化规律.