超导多芯圆线复杂微结构对其宏观力-电-热耦合特性的影响

Superconducting Bi2Sr2CaCu2Ox (Bi2212) multi filamentary composite round wires (RWs) are fabricated by the OPIT (Oxide Powder In Tube) to be a composite structure with the Bi2212 filament embedded silver matrix. Due to the distinct superconductivity and physical isotropy, it has an irreplaceable competitive feature in the applications of high magnetic field, especially for superconducting magnet. Most recently, the microstructure analysis found that the microstructure of the Bi2212 is very complicated. Specifically, the surface of the Bi2212 filament is very irregular and jagged. Thus, in this project, from the data of the microstructure analysis, we will construct the rational and effective theoretic model. On this bases, the effect of the microstructure of the Bi2212 multi filamentary RWs on its macro properties of mechanical, electric and thermal coupling will be comprehensively studied. This investigation of the correlation between the microstructure and macro properties is believed to be helpful to the fabrication of the Bi2212 RWs and its relative technical safety design.

超导多芯圆线通常是以超导Bi2Sr2CaCu2Ox(简称Bi2212)为主以银为基体采用粉末管制法制备而成的多芯纤维复合圆线结构。因其优异的导电性能及力学相关特性的各向同性，使得在强电、高场领域凸显不可替代的竞争优势。近来，材料微结构分析发现，热处理之后的超导多芯圆线内部结构非常复杂：超导相向银基体中生长，使得纤维表面呈现极不规则的几何构造，部分甚至与邻近纤维搭接。为此，本项目将从复杂微结构分析出发，以微观结构决定其宏观特性为主线，通过构建既能准确抓住微观几何构造的主要特征，又能有效地研究对其宏观特性影响的理论模型，综合运用理论分析、实验验证与数值计算相结合的手段，着重针对与提升超导多芯圆线"导电能力和载流运行稳定性"密切相关的基础性课题-复杂微结构对其基本力学行为和电-热稳定特性的影响-展开研究，探求其宏观特性对复杂微结构的本质关联，给出影响规律，为材料制备和相关工程设计提供理论依据。

超导Bi2Sr2CaCu2Ox（简称 Bi2212）/Ag多芯复合圆线是是由超导Bi2212纤维与Ag基体复合构成的一种圆线，是目前唯一可在较高背景磁场（通常指 >25Tesla）下保持足够高临界电流密度Jc（~103A/mm2），且能制备成圆线材的一种应用超导材料，应用前景非常广阔。相关实验显微分析发现，热处理后的Bi2212复合圆线微观结构非常复杂，主要特征为，超导Bi2212纤维表面（即Bi2212/Ag交界面）极不规则，邻近纤维之间出现不同形式的桥接，以及纤维内部形成大量孔洞。为此，Bi2212复合圆线复杂微结构对其力-电-热宏观特性的关联及其影响规律构成了本项目的主要研究内容。借助统计和分形数学，对于Bi2212复合圆线中Bi2212/Ag界面和纤维内部的孔隙结构进行了有效、准确地表征。进而数值上重构了包含以上特征结构的复合圆线模型，并与实验显微图片特征结构的统计分析结果进行了对比验证。在此基础上，构建了其微结构对于宏观力-电-热特性的理论框架（基于一般统计意义上和分形-分数阶理论）。主要研究进展和成果为，i）发现了Bi2212/Ag界面和Bi2212纤维中孔隙结构的分形特征；ii）构建了特征微结构对于宏观力-电-热特性的理论框架；iii）在对孔隙结构分形表征基础上，推导并给出了描述超导Bi2212纤维一维热扩散问题的分数阶微分方程，发现了包含孔隙的超导纤维一种奇异的热扩散行为。Iv)研究得到了以上特征微结构对Bi2212复合圆线力学，临界电流密度Jc，电-热失效（Quench）行为以及交流损耗（AC Loss）的影响规律。本项目的研究重要成果不仅对于“超导多芯圆线复杂微结构对其宏观力-电-热耦合特性影响”的科学理解很重要，而且对于相关材料制备，结构设计提供了理论支撑。相关研究成果共发表SCI论文23篇，参加国内外会议交流十余次。同时，以本项目为依托，培养了数十位超导材料力学领域的研究生。