基于埋入与分布式光纤的低温-电磁多场环境下超导结构力学性能测试技术与实验研究

The design and operation of such structures not only demands the good superconducting materials, but also invloves the properties of electromagnetic, thermal conduction and mechanics under extrem working conditions. And plenty of thorny and basic mechanical issues are encountered due to the multi-field coupling and nonlinear effects. There are few thoery, methodology and measurement technology reprted in the literatures from the view of multi-field coupling, which is still in the initial stage of exploration. The present proposal is focussed on the mechanical properties and behaviors with basic experiments on the complicated superconducting structures under cryogenic-electromagnetic environment based on the embedded and distributed fibers. The main research contents include, the mechanisim of strain transformation and measurement mothodology of the embedded and distributed fibers, characterizing mechanical properties and experiments for the superconducting composite materials and structures, detection of internal mechanical deformation state in the superconducting magnets during excitation and quench. The goal of the project research is to establish the thermal and strain measurement technology and platform with fibres under cryogenic-electromagnetic environment. It will be helpful for improving the research level in the forefront of the superconducting magnets related to the self-design, manufacture, detection and measurement.

超导结构的设计与安全运行不但涉及到优异电磁性能的超导材料研发，更关联到超导材料与结构极端服役环境下的电磁学、传热学和力学特性，以及它们之间的相互耦合和非线性效应等一系列棘手的基础力学问题。目前国际上从多场耦合角度开展的实验表征的理论、方法及检测技术尚极为匮乏、处于初期探索阶段。基于埋入与分布式光纤的温度与应变检测原理，本项目拟开展针对超导复杂结构低温-电磁多场环境下的力学性能测试与基础实验研究，主要包括：埋入与分布式光纤光栅应变传递机制与测试技术；超导复合材料与结构的多场下力学性能表征和实验；埋入与分布式光纤在超导磁体结构励磁过程中的内部力学变形测试与失超检测方法研究等。通过本项目的研究旨在形成一套行之有效的低温-电磁多场环境下的光纤光栅温度与应变检测技术与系统，推动我国在大型超导磁体等结构的自主设计、研制与检测等前沿领域研究水平的提高。

研究项目“基于埋入与分布式光纤的低温-电磁多场环境下超导结构力学性能测试技术与实验研究”立足科学前沿，针对超导材料与结构极端服役环境下的力学性能实验表征及多场耦合等系列棘手基础力学问题，开展了深入研究与协同攻关。.围绕研究计划，项目组深入开展了理论与定量、实验等方面工作，实现了预期目标。主要包括：（1）在埋入与分布式光纤应变传递机制与测试技术方面，针对超导磁体结构极端多场环境及其特点，在传感器封装、应变传递及极端环境下的补偿与解耦等，取得了阶段性重要进展与突破；（2）针对大型超导结构力学及多场检测手段匮乏等问题，开展了埋入与分布式光纤在超导磁体结构励磁过程中的内部力学变形测试与失超检测方面深度研究，初步实现了降温、励磁全过程的基于光纤光栅的温度、应变全程检测，并首次应用于真实的低温-电磁场的运行工况下的超导磁体样机励磁和失超过程中的内部力学变形和温度的检测等，理论预测与实验实时测试结果吻合良好；（3）依托自主研发的超导材料极端多场实验平台，在超导复合材料与结构的多场下力学性能实验表征方面，发展并形成基于光纤光栅的关键的实验新方法与技术，集成了基于分布式温度、应变多信号联合的测试系统等。.项目在科学研究、人才培养和学术交流等诸多方面均取得一些重要进展，推动了我国超导材料与结构极端力学测试方法等前沿领域研究水平的提升。在专业学术期刊发表论文15篇、学术会议论文及邀请报告10余篇次，申请和授权国家专利12项（转让1项），软件著作权登记3项。培养博、硕士10余人，其中1篇入选2020年度甘肃省优秀博士学位论文、3位博士生在读期间获中央高校基础科研校内优秀研究生资助项目等。部分研究成果支撑了项目负责人参与完成的“超导磁体研制设计中的关键力学方法及应用”于2019年获教育部技术发明一等奖。项目负责人入选2019年度教育部长江学者特聘教授，2位骨干成员分别入选中科院青年创新促进会成员和晋升为兰州大学青年研究员。