高温超导复合线材的多场耦合多尺度力电行为及细观机制研究

The high-temperature superconducting（HTS） wire (i.e., Bi2212 ) is not only the basic structure for fabricating of superconducting magnets, but also the candidate wire for the new generation of the thermo-nuclear fusion reactor, as DEMO or CFERT (Chinese Fusion Engineering Test Reactor) . The mechanical, thermal and electromagnetic behaviors of the wires in operating conditions are the key issues both in the optimized design and in the safe operation and evaluation of superconducting magnets. It is necessarily vital for improving the process technique and the current transport capability to study systemically the mechanical-thermal-electric coupling behaviors and reveal the relation between the coupling behaviors and the micro-structures of HTS wires. The involved theoretical modeling and quantitative analysis on this kind of multi-scale interaction, multi-field coupling and multi-fold nonlinearity problem have become an important topic or hotspot in the present mechanics area. Based on these considerations, some researches will be conducted in this project, such as: the evolution of the micro-structure and the characterization of the effective mechanical, thermal and electric properties of wires, the strain-sensitive superconducting performance and the micro-structure dependent transport theory of the wire; the multi-stage mechanical modeling of HTS cables and some basic experiments on the mechanical properties of wires, etc. After that, A multi-fold coupling, multi-scale theoretical frame of the electromagnetic behaviors of high-temperature superconducting materials and structure will be built, and the effective quantitative analysis approach and code will be developed. All these will provide a theoretical support for promotion of the manufacture process, the current transport capability of HTS wires and the optimized design or safe operation of the HTS cables，coils and magnets.

高温超导复合线材是绕制超导磁体的基本结构，也是新一代热核聚变装置磁体系统的备选线材。其在实际工况下的力、热、电、磁、输运性能不仅是超导磁体设计的基础，也是其安全运行和可靠性评估的前提。系统的研究其在制备和应用过程中的力-热-电-磁耦合行为，探讨这些耦合行为与其细观结构和特征之间的关联，是优化其加工工艺，提升其力、电、超导性能的关键环节。所涉及的具有随机、多场耦合、强非线性特征问题的理论建模和定量分析也是目前力学学科的前沿课题。基于此本项目拟展开对高温超导线材：微结构演化和力、热、电有效性能的表征；超导性能的应变敏感特征及微结构依赖的输运理论；以及高温超导电缆多层级力-电行为建模等方面的研究。通过这些研究以期建立和完善高温超导线材及结构力电行为分析的多场耦合多尺度理论框架和有效定量分析程序，为我国高温超导线材的制备工艺水平的提升、超导电缆、线圈和磁体系统的优化设计和安全运行提供理论参考。

本项目紧密围绕高温超导电缆和磁体在制备、运行中的关键力学问题展开研究。在超导股线和带材层级，针对高温超导Bi2212线材、结合Bi2212线材的显微结构，考虑了初始热残余应力、断裂演化等因素，建立了Bi2212超导线材的三维有限元模型，预测了其在拉伸和循环载荷作用下的有效力学性能和应力应变分布特征；针对二代高温超导带材，建立了其剥离模型，探讨了影响其剥离强度的关键因素，给出了带材最优的基体层厚度。在超导电缆层级，针对应用超导领域广泛关注的CORC电缆，发展了单层电缆绕制的有限元仿真程序，探讨了放线张力、绕制角度、中心棒材直径、带材宽度等关键绕制参数对其力-电性能的影响；针对另一类典型的高温超导电缆TSTC，建立了力-电-热耦合有限元模型，分析了其电磁、热应力分布特征，给出了优化的“阶梯型”构型。针对铠装式电缆CICC，提出了与冷却效率相关的渗透率和压降的分形多孔介质模型，该模型首次考虑了电缆的迂曲度、聚集程度、布线角度等几何特征，相较此前的模型，具有预测精度高的优点。在磁体层级，针对两类概念设计的对撞机磁体，研究了其在失超过程中的应力演化特征，探讨了不同的失超保护系统对磁体失超应力的影响。表明失超应力分析在该类磁体设计中必不可少。此外课题组还搭建了超导带材性能测试的实验平台，展开了超导带材间的表面接触电阻、临界电流退化等实验研究，揭示出不同环境温度下超导带材接触电阻的力学依赖和滞回特征。通过以上的研究，课题组建立和完善了磁体结构不同层级的理论分析框架、有效定量分析手段和基础实验测试平台，揭示出力学与超导性能相互作用的规律，为高温超导电缆的制备和安全运行提出了若干有益工程建议，可为我国新型超导电缆和大型超导磁体的研发提供必要的理论支撑。在本项目支持下，课题组总计发表超导及相关领域SCI论文22篇，获批专利4项。培养从事超导力学研究的博士3名，硕士1名；在读博士研究生7名，硕士研究生2名。完成了课题的各项研究内容和预设目标。