多晶超导薄膜电流-应变本质依赖关系的多尺度研究

YBCO superconducting coated conducotor (YBCO cc), as a second superconducting materials, is identified as the most potential candidate in superconducting applications due to its competitive capacity of current-carrying, especially in higher magnetic field. previuos researhes show that, the critical current density strongly depends on the strain in the YBCO cc. Such a critical current - strain relation in the reversible range is closely relatd to the polycrystalline microstructure of the YBCO cc, and thus to be intrinsic. Thus, from the polycrystalline microstructure, researches on multi scales will be proposed in this proposal. i) on the scale of polycrystalline microstructure, we will construct 2D polygon lattice model, from the mechanism of the current percolation, and ii) on the atomic scale, we will construct a atomatic model including single superconducting grain boundary (GB) by using the Molecular dynamics (MD), to study the mechanism of strain, the polycrystalline microstructure including GBs and critical current. And, we also investigate the effect of magnetic filed on the critical current - strain relation on the scale of polycrystalline microstructure. Furthemore, the corelation of the critical current - strain relation and main parameters on the two different scales is also an imprtant content in this proposal. Studies in this proposal is very signficant for deep understanding the critical current - strain relation and related engineering applications.

超导薄膜作为新一代高温超导材料，因其优异的载流能力已凸显出非常广阔的应用前景。研究发现，承受外加应变的超导薄膜，其临界电流密度（衡量载流能力）会发生显著变化，且在一定的应变范围内是可逆的。而且，此可逆范围内的临界电流密度-应变（简称电流-应变）关系与超导薄膜多晶微观结构密切相关，被认为是一种“内在本质”意义上的特性。为此，与以往经验、唯象的理论研究不同，本项目从超导薄膜多晶微结构出发，分别在i)微观尺度上建立任意多边形网格模型，基于电流逾渗机理,并采用优化方法，和ii)纳观原子尺度上建立仅含单条晶界的模型，采用分子动力学方法，着力探究应变、多晶结构及电流之间的作用机理及变化规律。同时，在微观尺度上,考虑磁场对电流-应变关系的影响。并且，通过构建主要参数之间的关系并对照，获得两种不同尺度上的关联。本项目以超导薄膜多晶微结构为基础的多尺度研究，为深入理解电流-应变关系及相关工程应用奠定了基础。

超导薄膜作为新一代高性能导电功能材料，是一种以化学涂层方式制备而成的一种超导多层薄膜结构（超导层厚度仅1微米），性能优异，不仅具相对较高的载流能力（通常以临界电流来衡量），而且在较高外部磁场下（特别是>25T）没有明显的降低。然而，针对超导薄膜结构，对于临界电流密度-应变关系的作用机理至今仍然认识不清。本项目针对这种超导薄膜，从多晶微结构出发，分别在i) 微观尺度上建立多晶网格模型，基于电流逾渗机理，并采用优化方法，和ii) 纳观原子尺度上建立仅含单条晶界的原子晶格模型，采用分子动力学方法，着力探究应变、多晶结构及电流之间的作用机理及变化规律。所取得主要研究成果为，1)从包含应变的修正含时间金兹堡-朗道方程出发，得到了外加应变和外加磁场耦合作用对超导体中磁通分布的影响。2) 建立了包含晶界的微观模型，研究得到了晶界对磁通涡旋运动以及超导临界电流密度的影响规律。3）在纳观尺度(Nanoscale)上，着重关注超导薄膜晶界区域的力-电作用行为。研究发现，晶界结构对氧扩散有促进作用，并随晶界角增大而增强。提出了以氧扩散活化能作为表征超导电流的敏感参数，并建立了晶界结构及其氧空位与宏观超导电性之间的联系。4）为了准确研究超导薄膜层间界面体系的物理特性，基于键价（Bond-Valance)理论，采用智能优化算法，构建了针对ABO3构型晶体（如缓冲层材料LaMnO3）通用势函数的优化计算模式，并获得了通用势函数。本项目所构建的势函数优于传统的势函数，特别是对于研究超导层与缓冲层界面的界面热导和电磁特性方面，要更加准确。根据项目计划书，主要研究内容和目标均已完成。以上研究成果不仅对理解多晶超导薄膜电流-应变关系奠定了基础，而且将对相关超导材料结构的材料制备，结构设计及安全运行提供必要的理论支撑。