超导材料与结构中的力学问题研究- Applied Superconductivity Conference 2010 相关力学问题评述

1、超导材料与结构中的力学问题研究 Applied Superconductivity Conference 2021 相关力学问题评述论文摘要：(Washington DC, August 1-6, 2021), 紧紧围绕超导材料与结构中的力学问题，在充分掌握信息根底上，针对几个主要研究方向中的研究进展作了简要评述在此根底上，进一步提炼出研究的着力点，并给出努力方向。挑战中充满机遇，超导材料力学开展呼唤更多的材料固体力学专家参加这一研究行列论文关键词：超导材料与结构,力学相关问题1会议概况由IEEE应用超导委员会正如力学及力学相关特性如超导材料力-电-磁耦合作用机理的研究对超导材料的制备及结构的

2、设计是必需的，在有些情形下如超导储能系统和超导磁体甚至是至关重要的本届应用超导会议专门安排了5个与超导材料与结构力学特性研究直接有关的专场报告Oralpostersessions值得一提的是，为了表彰美国国家标准局NationalInstituteofStandardsandTechnology,NIST的JackW.Ekin教授2021年度应用超导终身奉献奖获得者之一IEEEAwardsforContributioninthefiledofAppliedSuperconductivity在超导材料与结构力学相关特性研究方面的所作的奉献，会议组还安排了一个特别专场(TheSpecialSess

3、ioninhonorofJackEkin)下面着重就本届会议中有关超导材料、结构中与力学及力学相关的几个主要问题的研究进展做简要介绍超导材料根本力学特性研究超导材料由于其固有的材料特性，其极限应变十分有限，譬如Bi-2223超导材料仅为0.1%为了增强其力学性能，采用延展性比拟好的银或银镁合金包套这种材料对于这种复合功能材料，不断优化材料结构使得此带材在满足一定的超导电特性前提下具有更好的韧度和更高的机械强度，是作为走向工程应用所面临的根底问题之一其相关的根本研究课题主要有，不同超导材料与结构在不同外部加载下如单向拉伸和简单弯曲载荷的应力-应变关系；不同超导结构如Bi-2223带材、YBCO薄

4、膜涂层复合薄膜及超导磁体等局部或整体的内部应力及变形评估；超导结构的强度、变形与超导材料组分、微结构以及磁场和温度的关系从本届会议来看，研究主要围绕低温超导Nb3Sn电缆、高温超导Bi-2223带材、Bi-2212线材到YBCO涂层复合薄膜展开，研究内容已经由根本的应力-应变关系深入到后者即超导材料与结构力学特性和各主要材料参数影响规律的研究但是，相比实验工作，相关理论研究无论是数量还是质量明显薄弱，而且滞后超导材料应变敏感性规律研究超导复合材料与结构和一般复合材料的最主要区别在于，除了具有独特的电磁特性，更为关键的是，其电磁本构量如临界电流与力学本构量密切关联即物理场与力学场是耦合的对几乎上

5、所有的超导复合材料而言，相关实验已经发现，超导临界电流的改变与材料内部应变密切相关：在外加载荷作用下，当材料内部应变积累到某一临界值时，超导临界电流迅速衰减，而且不可逆超导材料学界把这一现象成为超导材料应变敏感性Strain-sensitivity;超导材料内部力-电-磁耦合机理以及在此根底上的作用规律构成了这一问题的核心但遗憾的是，从有关会议研究报告来看，这一问题始终没有得到较好地解决作者认为，除了超导材料结构比拟复杂之外，多种物理场电、磁、力及热深度耦合是更为深层的原因。而力学界研究人员介入不够更使得这一问题研究进展缓慢超导悬浮相关力学特性研究超导悬浮是伴随着超导现象的发现而很早出现的，但

6、是直到上世纪八十年代中期高温超导材料尤其是YBCO超导陶瓷材料发现之后才真正展开研究的本文作者依托教育部创新团队;的平台曾经做过一些工作，取得了一些实质的研究进展，并获得了国际同行的肯定。作者认为，就超导悬浮系统而言，力学稳定性仍然是困扰其成功走向应用的最为关键的根底问题之一这种稳定性表现在，由于超导材料独特的非线性电磁本构导致的长期时间效应的不稳定非线性系统时间长期效应下的复杂现象，和力-电-磁多物理场耦合以及不同自由度之间耦合共同导致的空间上的不稳定即在外部干扰作用下是否维持平衡状态的稳定性本届会议来看，有关超导悬浮系统的研究相比其他研究方向数量有限，而且日本学者保持持续研究相关的主要研究

7、为，将超导悬浮系统物理模型做不同程度的简化，从而得到便于定量分析的数学方程问题在于，由于过度的简化，很有可能丢弃了很重要的系统信息，从而使得所得到的研究结果很难反映问题真正的物理本质。截至目前，作者还未见到有关稳定性研究重要进展的研究报道超导材料断裂研究相比常规的导电体而言，超导材料具有非常大的承载电流密度，在稳恒强磁场或比拟大的脉冲磁场外加或自感应场作用下，其内部的电磁力所引起的应力是非常可观的另外，如前所述，超导材料多为陶瓷脆性材料如高温超导材料，在如此高的电磁应力作用下，材料内部很容易从局部有缺陷处产生裂纹，并开展演化直至材料破坏以前认为，这一问题仅对高温超导大块体材料是重要的，但现在看

8、来，由于电磁力导致的微裂纹对于其它几种主要的超导复合材料同样是不容无视的相关实验已经观察到，对于YBCO涂层薄膜复合薄膜，微裂纹不仅存在于YBCO超导材料中，而且有些裂纹可以延伸至YBCO与银基之间形成层间裂纹；不但如此，在B-i2223/Ag带材、Bi-2212线材以及低温超导Nb3Sn复合电缆超导材料中也观察有大量裂纹存在。这类裂纹的产生、扩展，不仅仅对结构强度构成威胁，更为重要的是，这种微裂纹的累积会导致电性能的劣化甚至失效但遗憾的是，仅有大局部的实验观测图片或数据，这次会议还未见进一步的相关理论研究3.所面临的挑战与机遇超导材料作为一类特殊的电磁固体材料，除了材料强非线性的电磁学本构关

9、系之外，其独特之处还在于，力-电-磁-热等物理场是耦合作用的当应力、应变或热与电磁行为出现强的交互作用时，不仅仅单纯力学行为如变形、振动及稳定性，更为重要的是力学量、电磁、热学量的强关联作用规律，对于超导材料与结构设计就变得极端重要应用超导研究至少涉及物理、材料、力学等相关学科，学科跨度大并深度交叉因此，各主要学科领域深入合作、集中攻关方是解决相关科技难题的有效途径从以上所介绍的主要力学及相关问题研究状况来看，相关实验探索远远多于理论研究；相比超导材料其它材料特性方面的研究，力学及力学相关问题的研究远不够深入、系统一直以来，有关应用超导的研究主要由物理、材料学科的科学家为主导专业背景不同，看待

10、问题的视角及解决问题的方法亦会不同因此，作者认为，力学界科学家应该积极介入，利用力学领域比拟成熟或新开展的理论和实验手段，协同攻关如此，有关超导材料与结构力学的研究前景将是值得期待的最后，针对国内电磁材料与结构力学研究，我们的建议是，超导材料的蓬勃开展出现了很多有挑战性的力学研究课题，科学的开展召唤力学尤其是材料固体力学科学家的参加；中国是国际合作工程ITER国际热核聚变实验反响堆InternationalThermonuclearExperimentalReactor，缩写为ITER重要成员国之一，这一工程的成功实施，没有对相关力学问题的深刻理解与解决，将是不完全的国内固体力学专家应该给予充分关注，并积极展开超导材料与结构力学的相关研究致谢：参考文献1 Noe M. Superconductivity for power applications is getting m