应变对高温超导体内临界电流密度影响的本构关系研究

Constitutive relation of the critical current denstiy is the key study of the magnetic flux capture, the AC power loss and the mechanical response in the high temperature superconductor. While the strain strongly reduces the critical current density in superconductors and its effect has not been described explicitly and physically. Hence, in this proposal, the strain effect will be coupled into the constitutive relation of the critical current density for the high temperature superconductor based on the mechanism of the flux pinning. Using the phenomenological theory, the influences including the grain size and shape, the grain boundary width and direction on the flux pinning force are discussed, then the analytical expression of the force is developed. Finally, the coupling relationship between the critical current density and the strain is established with the grain size effect and the deformation of the microstructure considered. Thus, this work will reveal the physics of the critical current density reduction induced by the strain and then contribute to the research of electro-magneto-elastic coupling characteristics in high temperature superconductors.

高温超导体内临界电流密度的本构关系是研究磁通俘获、交流损耗及力学响应特性的基础和关键。本项目基于超导体的磁通钉扎机制，针对应变引起的临界电流密度退化，开展临界电流密度-应变耦合本构关系研究。探讨微结构晶粒尺寸和形态、晶界宽度及方向改变对磁通钉扎力的影响，从唯象理论出发，计算磁通钉扎力解析表述。结合临界态理论及微结构变形，建立虑及尺寸效应的临界电流密度-应变耦合本构关系模型。本项目研究可揭示应变引起临界电流密度退化的物理机制，为高温超导体的电-磁-力多场耦合行为特性研究提供理论基础。

高温超导材料的临界参数，诸如临界电流密度、临界温度、临界磁场等，是其发展和应用的关键因素，而在实验研究中发现，超导体的力学属性与其电学属性密切相关，结构的形变将会引起临界电流密度的退化。为了寻找超导材料结构内电学和力学属性之间的关联，本项目研究了应变引起临界电流密度退化的相关因素，主要完成了如下四方面的研究内容：. 1）临界电流密度的微结构晶粒尺寸及应变效应研究。结合超导体俘获磁通线的微观机理及磁通线钉扎机制，建立了虑及晶粒尺寸效应和应变效应的临界电流密度表述关系。. 2）实验验证研究。开展了高温超导带材的埋入式光纤测量方法研究，得到并分析了两种超导带材在不同变形下，其力学性能对临界电流密度的影响规律。 . 3）多场激励下长矩形超导薄板及涂层超导结构内的力学响应问题。通过计算电流、磁场同时激励下，长矩形薄板的磁化过程，获得了电流磁场同时激励下超导薄板内的电流分布规律及俘获磁场分布规律的解析表述关系式，给出了薄板内的应力、应变及磁致伸缩分布规律；并计算了考虑残余应力在内的涂层超导薄膜结构内的力学响应，获得了涂层结构超导薄膜层内的正应力随外部激励场变化的规律，给出了超导层与基体层接触表面的剪切力分布关系。. 4）外界束缚结构对超导体内磁弹性响应及孔洞处应力集中的影响。通过研究虑及孔洞效应的圆柱状超导体在外界束缚作用下的磁弹性响应，获得了外界场变化对超导体内应力、应变及磁致伸缩变化的影响规律。. 本项目研究初步给出了临界电流密度的尺寸效应及应变对其的影响规律，并在此基础上，分析了多场作用下不同超导结构内的电磁力学响应，为高温超导体的发展和应用提供了一定的理论基础。