超导薄膜基底结构中关键力学问题的基础研究

With the development of the field-trapping and the critical current density in the superconductors, superconducting materials have a great potential for applications in biology, medicine and energy. Since the working condition for superconducting materials is extremely low temperature and high magnetic field, the mechanical behavior and instability have become a basic problem for safe operation of the superconducting magnet and structure. Large electromagnetic force restricts the advance of superconducting magnet with high magnetic field. On the other hand, the coupling behavior between the mechanical deformation and the superconductivity is obvious, and the strain will reduce the critical current density. .This proposed project will study the key mechanical problems in the superconducting film-substrate structure using theoretical modeling and quantitative analyzing. We will establish the theoretical models for the interface crack and internal crack problems, and investigate the fracture behavior under the electromagnetic force and thermal stress. Then, the key factor for the crack propagation can be found. In addition, the relationship between the critical current density and the mechanical deformation is established, and the effects of the complex deformation and the magnetic field on the critical current density are investigated. By carrying out this project, the results obtained will provide a theoretical foundation for the research of the mechanical behavior for the film-substrate structure and the design of the superconducting structure.

随着超导体俘获磁场和临界电流密度等性能的不断提升，超导材料在生物、医学和能源等领域有着巨大的应用潜力。由于超导材料的工作环境为低温和强磁场的极端条件，在设计及工作过程中的力学行为及稳定性已经成为超导磁体及结构安全运行的基础性问题。在强磁场作用下超导体内较大的洛伦兹力是限制发展高磁场超导磁体的主要原因之一。另一方面，超导体中力学变形与超导电性具有明显的耦合效应，力学应变会导致临界电流密度的显著退化。.本项目拟通过理论建模和定量分析对超导薄膜基底结构中的关键力学问题展开研究。建立超导薄膜基底结构中界面裂纹和内部裂纹问题的理论模型，探讨洛伦兹力和热应力共同作用下薄膜基底结构中裂纹的断裂行为，揭示影响裂纹扩展的主要因素；建立超导薄膜中临界电流密度与力学变形之间的表征关系，分析复杂变形和磁场对临界电流密度的影响。通过开展本项目的研究，为薄膜基底结构中力学行为的研究和相关超导结构的设计提供了理论基础。

由于超导材料具有较高的临界电流密度，其可以实现在大型磁体中提供强磁场并且已经应用在不同的工业领域。强磁场和电流的相互作用下超导体会承受较大的电磁体力，较大的应力值会影响超导体的力学稳定性。另一方面，超导体中的临界电流密度会随着力学变形的增大出现较为显著的退化。因此，研究极端条件下超导材料中的力电行为可以有效的提升超导结构运行中的稳定性。本项目主要针对超导材料与结构中的力学行为和电磁行为展开了较为全面和细致的研究。首先分析了含裂纹超导薄带在外磁场作用下的断裂行为，基于临界态模型和线弹性断裂力学给出了裂纹尖端的应力强度因子。数值结果发现在磁场下降过程中，应力强度因子会出现正值。对于含有相同裂纹长度的无限超导薄带，临界电流密度会随着厚度增大而减小，从而导致应力强度因子随厚度非单调变化。同时分析了有限厚度超导带材中的斜裂纹问题以及超导薄带与基底结构中界面缺陷对应力分布的影响。其次，本项目研究了不同横截面超导块体中的磁致伸缩行为。横截面为椭圆时超导块体中的磁致伸缩峰值随着椭圆长轴的增大而增大。外磁场条件下超导圆环中的磁致伸缩会出现奇特的翻转现象，这个现象与超导圆柱是不同的。此外，本项目分析了力学变形对超导体中电磁行为的影响。结合超导临界态模型和实验的经验公式，定性地给出了不同磁场下临界电流密度与应变的关系。进一步考虑了超导铁磁结构中的力电耦合行为。由于铁磁材料本身在变形作用下会改变周围的磁场分布，通过给铁磁施加力学载荷间接的改变超导体中的电磁行为。结果表明剪应力方向不同时对超导带材中电流分布的影响也不同。最后，本项目讨论了超导电缆结构中的力学行为。