高温超导材料的磁通崩塌及力学行为研究

发布时间：2020-08-10 11:18

【摘要】：高温超导体因其优异的载流能力和较高的临界磁场,使其一经发现就受到了广泛的关注,并且在医疗技术及核聚变装置等领域具有广阔的应用前景。超导材料的工作环境为极低温、大电流和强磁场,极端环境下的热稳定性及力学特性已经是制约超导结构安全运行的关键因素。在极低温的环境中,超导体内的磁通涡旋运动可能会引起磁热不稳定,如超导体的磁通跳跃会导致其体内磁场和电流分布的急剧变化,并伴随着显著的温度跳跃,从而威胁超导材料及结构运行的稳定性。而在高场下,超导体将会承受极大的电磁应力及热应力,其可能导致材料发生永久性的损伤或破坏,直接威胁超导结构的安全。本文针对超导材料的热稳定性及力学特性,基于快速傅里叶变换的方法研究了高温超导薄膜内的磁通崩塌行为,探讨了外场条件下超导体中的力学响应,分析了电磁力作用下Bi2212超导复合线材的断裂特性。首先,本文介绍了描述超导电磁场特性的基本方程,给出了快速傅里叶变换计算磁热耦合方程的基本计算流程。在此基础之上,计算了薄膜中的磁通动力学行为,并且详细地分析了非均匀薄膜、含有内部裂纹的薄膜以及多块排列式薄膜中的磁通崩塌行为。考虑了加载速率、环境温度、外磁场大小以及缺口等因素对磁通崩塌的影响,并对比了均匀薄膜与非均匀薄膜的磁通崩塌。对于含内部裂纹的薄膜,分析了磁通崩塌与缺陷位置、角度以及长度之间的关系。多块排列式薄膜的计算结果表明,相邻薄膜中的电流和磁场相互影响,从而导致在两块薄膜相邻的边界处比较容易出现磁通崩塌。其次,研究了薄膜在外磁场下的力学响应。基于快速傅里叶变换方法,得到了超导体内电流和磁场的分布,进而给出薄膜内的电磁体力分布。结合有限元方法及超导薄膜中的电磁体力,研究了圆形和方形薄膜在下降场和上升场中的应力变化,分析了缺口、夹杂以及基底等因素对其应力分布的影响。在磁场下降阶段,薄膜内同时存在拉应力和压应力,其可能导致薄膜的破坏。此外,也考虑了磁通崩塌期间的热应力。在磁通崩塌初期,薄膜内的热应力为压应力;当磁通崩塌发生完全时,薄膜内出现了拉应力,而且应力主要集中在磁通崩塌的区域。最后,建立了双悬臂梁桥接模型研究了Bi2212线材中的断裂行为。通过分别建立对称模型、非对称模型以及四层梁结构模型研究了芯丝中的裂纹问题。考虑了芯丝中气泡的位置、大小以及夹层物质等的影响。超导线材中银层和超导层的比例会改变其力学性能与载流能力。数值计算结果表明,桥接芯丝的位置对于双悬臂梁应变和应变能释放率的影响是不一致。总之,本文通过研究高温超导材料的磁通崩塌行为及力学响应,为极低温、高电流情况下超导体的平稳运行提供了较好的理论依据。本文的研究对超导电子器件及结构的设计和安全运行有一定的参考价值。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM26
【图文】：

零电阻效应

科学家发现高温超导材料，使得超导体可以在液广泛应用的可能。高温超导体具有较高的临界转可以制备成具有大尺度、高磁场的超导磁体，具电机、超导限流器、超导储能器等大型磁体装置材料在能源领域、信息通讯、医疗卫生、军工技值。由于超导材料所处的工作环境为极低温、高可避免的会受到外界的机械荷载、温度扰动等因电磁体力，并且会伴有热量耗散, 容易发生磁热的损坏，影响超导装置的安全运行，因此研究超以及力学响应问题对其工程应用具有非常重要的的发展历程

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图 1-2 各种超导材料发现的时间[3]超导研究突破性的进展发生在 1986 年，瑞士苏黎世的 IBM 公司的科学和缪勒[4]做出了具有突破意义的工作。他们在研究LaBaCuO陶瓷氧化物了其具有超导电性，临界温度可以达到 35K。在 1987 年，美国科学家吴茂昆等人[5]和我国科学家赵忠贤、陈立泉等人[6]分别独立地发现 YB超导体，其临界温度为 90K，首次突破了液氮温度 77K。从此开始，超

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兰州大学博士论文部的磁场分布过程中高[76行为稳定行为及其伴随的1.21.2.过程中伴随着温度的巨大跳跃76]，从而会产生较大的热应力行为是影响超导研究现状.1 磁热不稳定部的磁场分布，从而严重影响超导材料的伴随着温度的巨大跳跃从而会产生较大的热应力超导电子器件安全运行的关键因素之一稳定行为及其伴随的力学磁热不稳定行为的研究从而严重影响超导材料的伴随着温度的巨大跳跃，超导体内的局部温度会超过临界温度数倍甚至更[77电子器件安全运行的关键因素之一力学问题对超导电子器件的应用具有行为的研究从而严重影响超导材料的超导电性超导体内的局部温度会超过临界温度数倍甚至更77, 78]，这将会使材料发生破坏对超导电子器件的应用具有高温超导材料的磁通崩塌及力学行为研究超导电性[15]。此外磁热不稳定行为这将会使材料发生破坏[80]。因此此外磁热不稳定行为[79因此研究超导体的对超导电子器件的应用具有重要的意义此外磁热不稳定行为发生79]。磁热不稳定研究超导体的磁热不意义。发生磁热不稳定磁热不

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