含铁磁基底的高温超导带材中磁通跳跃行为及其力学效应研究

It is an important subject to study the flux jump behavior and its mechanical effect of HTS tapes in superconducting applications, which is directly related to the security and stability of HTS devices and equipment. Based on the superconducting power-law model and the method of minimum electro-magnetic entropy production, this project selects a typical HTS tape containing ferromagnetic substrate placed in an applied magnetic filed, and presents an analysis of the influence of ferromagnetic substrate on the behavior of flux jumps and the structure of flux avalanches in the tape considering the interaction of superconducting layer and ferromagnetic substrate. Meanwhile, the distributions of Lorentz force and thermal Stress during flux jumps for the HTS tape are obtained by the finite element software, and the dependences of the magnetostrictive properties for the whole superconducting tape on the geometry dimensions and mechanical parameters of ferromagnetic substrate are systematically analyzed. It is of great significance to carry out this project to reveal the physical mechanism of flux jumps, enrich the theory of superconducting magnetic thermal stability, and promote the research of HTS tapes application of key technologies.

高温超导带材的磁通跳跃行为及其力学效应是超导应用中关注的重要课题，其研究直接关系到高温超导器件和设备的安全稳定性。本项目选取含铁磁基底的高温超导带材为研究对象，基于超导幂函数模型和最小电磁熵产生方法，考虑超导层与铁磁基底的相互作用，数值分析外磁场下铁磁基底对高温超导带材的磁通跳跃行为和磁通崩塌结构的影响。同时，借助有限元软件，数值模拟磁通跳跃过程中高温超导带材的Lorentz力和温度应力分布，系统分析整个带材的磁致伸缩特性对铁磁基底的几何尺寸和力学参量的依赖性。本项目课题的开展对揭示磁通跳跃的物理机制，丰富超导的磁热稳定性理论，以及推动高温超导带材应用关键技术研究具有重要意义。

高温超导带材的磁通跳跃行为及其力学效应是超导应用中关注的重要课题。当外磁场强度或变化速率过大时，超导电流将变得不稳定，大量磁通在极短时间内突然进入到超导体内部，产生足够大的温度升高，极易造成超导体转变成正常态。此外，洛伦兹力和温度应力的共同作用也可能会导致带材撕裂脱层。这些都严重威胁着高温超导带材的磁热稳定性和机械稳定性。本项目首先基于临界态模型和最小磁能变分方法，理论分析了含空洞缺陷高温超导带材的磁化和力学特性。结果表明在均匀斜磁场作用下，感应电流非单调地从带材表面向内穿透。磁化强度与外磁场始终不共线，且它们的夹角随外磁场增加而逐渐减小。一旦超导样品的磁化强度确定，这里的结果可以作为一个快速参考去判断内部缺陷的尺寸和形状。其次基于Maxwell方程组和幂律模型，理论推导出描述超导电磁特性的A-V方程，结合热传导方程以及加权残值法和有限差分法，建立了二维超导带材或块体的磁热耦合模型。一方面，数值分析了零场冷磁化、场冷磁化以及正交磁化阶段高温超导带材的磁热稳定性，结果表明磁通跳跃紧密依赖于外磁场倾斜方向和变化速率。随着外磁场倾斜角度的增加，第一次发生磁通跳跃的时间将会延迟。仅当外磁场变化速率处于某一范围时，超导体才会发生磁通跳跃，且每次磁通跳跃都会伴随着温度跳跃。此外，正交磁化可以有效地消除超导带材的剩余磁场。另一方面，结合牛顿第二定律，将已有模型拓展到可以描述非均匀磁场下超导带材或块材(具体为超导-永磁导轨系统)的悬浮动力学。结果表明超导体在弱激扰下沿水平、竖直和环向方向同时发生振动漂移，且永磁导轨中引入纯铁或铸钢等软铁磁体可以有效地缓解漂移现象。另外，在强激扰下超导体会发生奇特的悬浮力跳跃现象。最后将已有模型推广到分析超导带材的力学特性，发现伴随着磁通跳跃的发生，超导带材的电磁体力、磁致伸缩以及裂纹尖端应力强度因子也会发生跳跃现象。