高场超导复合材料变形-超导电性能多尺度耦合特性及其本构描述

The high field superconducting magnet built with Nb3Sn is an essential component of instruments employed in a variety of large-scale scientific projects, including the International Thermonuclear Experimental Reactor,the High Energy Physics research, and the Nuclear Magnetic Resonance project. In these high field magnets, the stress/strain arises from the cooldown and operation process, inducing the performance degradation of the Nb3Sn cable-in-conduit conductors, which is a critical issue in the superconductivity applications and developments. Due to the poor understanding of the underlying mechanisms of the strain-dependent superconducting properties of high-field superconducting composites, the empirical or semi-empirical electromagnetic constitutive relations describing the coupling characteristics are utilized in the superconducting magnet design and manufacture process.The failure to make explicit an underlying theory or model impedes the development of manufacture technology of high field magnetic systems.On the basis of the micro-meso-macro frame analysis, the project intends to study the effects of strain induced variations of the characteristic parameters of material microstructure on the superconducting properties of high field magnetic material and establish the constitutive model which accounts for the multiscale coupling in strained high magnetic field material systems. A farmework for micro-to-macro transitions for multi-scale analysis of multifilamentary superconducting composites will also be developed.With the aid of the study,the multiscale features in electromechanical coupling behavior in Nb based A15-type compounds will be identified. The study will promote the material engineering application process, and the results of which are promising to engineer optimised large-scale superconducting high magnetic field systems.

Nb3Sn高场超导复合材料主要应用于热核聚变、高能物理以及高场核磁共振等磁体领域，力学变形诱导的其超导电性能退化给高场超导磁体装置的电磁性能指标和安全运行造成了极其不利的影响。由于对高场超导复合材料变形-超导电性能耦合行为认识的不足，现有的超导磁体设计还依赖于经验/半经验的电磁本构关系，缺乏成熟的考虑材料多尺度组织结构特征的工程设计用本构模型，制约了超导磁体制造水平的提升。本项目拟研究应变作用下高场超导复合材料微观组织结构特征参量变化对其超导电性能的影响，揭示材料变形-超导电性能多尺度耦合机理，提出从原子尺度A15晶体结构到材料微结构到宏观非匀质Nb3Sn超导复合材料的多尺度理论模型和模拟方法，建立考虑微/细/宏观关联的非线性力-电磁耦合本构模型。本项目的研究将提高对A15型金属间化合物高场超导复合材料力-电磁多尺度耦合行为的认识和描述能力，为强磁场超导磁体的设计与制造提供有力的理论支撑。

Nb3Sn高场超导复合材料主要应用于国际热核聚变反应堆、高能物理以及高场核磁共振波谱仪等磁体领域。应变诱导的其超导电性能退化给高场超导磁体装置的电磁性能指标和安全稳定运行造成了极其不利的影响。缺乏成熟的考虑高场超导复合材料多尺度组织结构特征的工程设计用力-电磁耦合本构模型，制约了超导磁体制造水平的提升。本项目开展了Nb3Sn高场超导复合材料变形-超导电性能多尺度耦合特性及其本构描述的研究工作：（1）在原子尺度上，揭示了晶格畸变诱导的电子态密度的变化，建立了统一描述不同加载状态下Nb3Sn单晶费米面上电子态密度演化的理论模型，模型预测结果与第一性原理模拟结果吻合良好；揭示了应变诱导的费米面上电子态密度的变化在Nb3Sn上临界磁场、临界温度弱化中的作用，理论研究结果得到了最新实验结果（Ren et al. Physical Review B,2017，95, 184503）的支持；(2)研究了外载作用下Nb3Sn多晶体和Nb-Nb3Sn-Cu复合晶体结构的微观应变分布，及其对磁通钉扎力的影响规律，揭示了晶粒取向、晶界处的应力集中对Nb3Sn材料力-电磁耦合特性的影响规律；（3）研究了多物理场作用下Nb3Sn材料超导相转变过程中的非线性特征和多物理场耦合特征，建立了可以统一描述力-磁/力-热耦合的多场环境下材料电阻转变和磁电阻转变的理论模型，模型预测结果与实验结果吻合良好；（4）鉴于Nb3Sn材料正常态电阻率的应变效应对于理解其超导电行为的重要性，通过考虑应变作用下电子态密度、能带结构、声子谱的变化，以及力热耦合作用下费米能级的移动，构建了描述Nb3Sn超导材料常态电阻率力-热耦合效应的微观理论模型，模型预测结果与实验结果吻合良好，表明了应变作用下的电子态密度的变化和声子态密度的变化在决定Nb3Sn材料常态电阻率行为中的竞争机制。相关研究工作揭示了Nb3Sn高场超导复合材料变形-超导电性能耦合行为的多尺度耦合机制，为高场超导磁体设计以及高应变耐受性超导超导材料的制备和开发提供了一定的理论支撑。