本文關鍵詞：高溫超導復合帶材力學行為及變形對臨界特性影響的研究

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【摘要】：高溫超導材料因其在高能物理、高載流輸電、強磁場等現(xiàn)代高新科學和技術領域表現(xiàn)出的卓越性能,得到了廣泛關注并逐漸進入商業(yè)化應用。但由于高溫超導材料在熱處理、加工、冷卻、線圈繞制、磁體結構運行等過程中不可避免地受到機械力以及強電磁力作用,進而引起其超導性能的改變,甚至導致超導臨界特性的不可逆退化,嚴重制約了高溫超導帶材的工程應用。這些問題直接關聯(lián)到力學變形對超導多場性能的影響機制和工程實際應用,成為超導科學界和技術應用領域的熱點課題。圍繞高溫超導復合帶材的力學分析以及力學變形對超導帶材臨界特性影響,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高溫超導涂層復合帶材應力/應變狀態(tài)以及對Bi系超導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涂層復合超導帶材多層結構的應力/應變狀態(tài),結合結構特征建立了高效的3D/2D混合維度有限元數(shù)值模型,實現(xiàn)了從超導帶材熱處理加工到外荷載作用下的全過程彈塑性力學行為分析。研究結果表明:YBCO涂層超導帶材熱處理加工過程中,各層材料熱膨脹系數(shù)的不匹配導致強的殘余熱應力,并使得超導薄層處于壓縮狀態(tài);單軸拉伸與彎曲變形下,復合帶材各層包括銀覆蓋層、銅包裹層、哈氏合金基底、超導層和緩沖層依次達到屈服極限,計算結果與實驗結果吻合良好。進一步,基于內(nèi)聚力模型建立了YBCO涂層復合超導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)了對超導復合帶材在橫向拉伸荷載作用下的剝離力學行為的定量仿真。結果表明:層間剝離過程中出現(xiàn)兩個應力集中區(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)生位置與界面結合強度有關;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系高溫超導帶材在不同變形模式:拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)三種基本力學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-電耦合超導測試系統(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。結果顯示:存在臨界應變值,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,當材料內(nèi)部應變大于該值時,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。在此基礎上,從實驗觀測的電流退化現(xiàn)象及復合超導帶材橫截面的芯絲破壞微觀機制出發(fā),基于超導脆性纖維-金屬基復合材料損傷理論以及Weibull分布函數(shù),我們建立了統(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)三種變形模式下應變-電流退化行為的揭示,理論預測結果與實驗結果吻合良好,并有望推廣應用于超導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變形對超導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特性和臨界溫度影響的微觀機理研究。從第一性原理計算出發(fā),結合材料微觀鍵價計算和空穴濃度分析,研究了靜水壓下YBCO高溫超導材料微觀結構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)鍵角直接關聯(lián)于超導臨界溫度;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而影響超導臨界特性�；谶@些微觀機制的刻畫,提出了一自摻雜過程中YBCO臨界溫度隨壓強變化的修正模型,揭示了臨界溫度隨壓強的非對稱關系,預測結果與實驗結果吻合良好。
【學位授予單位】：蘭州大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TM26

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