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超导材料与结构中的力学问题研究

时间:2016-01-02 11:50 来源:第一论文网 作者:论文网 点击:
(Washington DC, August 1-6, 2010), 紧紧围绕超导材料与结构中的力学问题,在充分掌握信息基础上,针对几个主要研究方向中的研究进展作了简要评述.在此基础上,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,超导材料力学发展呼唤更多的材料固体力学专家加入这一研究行列.
   1会议概况

  由IEEE应用超导委员会(TheIEEECouncilonSuperconductivity)主办,美国劳伦茨国家实验室(LawrenceBerkeleyNationalLaboratory)、美国能源部(DepartmentofEnergy)及海军国家实验室(NavalResearchLaboratory)共同资助的两年一度(偶数年度)的应用超导国际会议(AppliedSuperconductivityConference2010)于今年8月1日至6日在美国华盛顿举行.伴随着铁基超导体的发现与深入研究,更是在国际能源危机的大背景下,本届应用超导国际会议规模空前,来自美国、西欧及东亚等地区70个国家的共计1400余人参加了这次盛会。出席会议的不仅有大学、国家实验室等研究机构的人员,而且吸引了美国政府决策部门(美国能源部)的负责人以及众多的商业界人士.根据会议统计,来自中国代表约有20位(不包含在国外工作或访问的华人代表),他们主要来自中国科学院合肥分院、中国科学院电工所、清华大学、华中科技大学及西南交通大学等单位.

   2超导材料与结构力学相关问题研究进展

   超导材料,根据其临界转变温度不同被分为低温超导(LowTemperatureSuperconductors)和高温超导(HighTemperatureSuperconductors,特指临界温度在液氮温区70K以上的超导材料.典型的低温超导材料有有Nb3Sn和NbTi等;而高温超导材料有Y系YBCO(YBa2Cu3Ox)、Bi系Bi-2223((Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3Ox)和Bi系Bi-2212(Bi2Sr2CaCu2Ox)。根据材料特性及不同用途,超导材料制备成块材(如超导磁体、超导悬浮中超导块材)、或者与其他金属或金属合金等材料一起制成带材(Bi2223)、圆线(Bi2212)薄膜涂层复合体(YBCO)及复合电缆(Nb3Sn)等.如图1所示,不同超导材料具有不同的临界电流密度与相应的磁场关系及范围.因此,可以根据不同的使用范围,选择合适的超导材料.目前,低温超导材料Nb3Sn或NbTi已经在超导磁体(如磁共振MRI和核磁共振NMR)中发挥作用.正在走向实用或已具有明显应用前景的是二代YBCO涂层薄膜和Bi系2212圆线材及2223带材.在磁场大于25特范围,Bi系2212圆线材称为最有竞争力的选择之一.

   图1各种超导材料临界电流密度与磁场变化关系(Source:PeterJ.Lee,NHMFL,TallahasseeUSA)
   正如来自德国卡尔斯鲁厄理工学院(KarlsruherInstitutfürTechnologie,KIT)的MathiasNoe教授做的首场大会报告中所指出的,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(Oral&postersessions).值得一提的是,为了表彰美国国家标准局(NationalInstituteofStandardsandTechnology,NIST)的JackW.Ekin教授(2010年度应用超导终身贡献奖获得者之一
IEEEAwardsforContributioninthefiledofAppliedSuperconductivity)在超导材料与结构力学相关特性研究方面的所作的贡献,会议组还安排了一个特别专场(TheSpecialSessioninhonorofJackEkin).
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.

   超导材料基本力学特性研究.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,采用延展性比较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基础问题之一.其相关的基本研究课题主要有,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,研究内容已经由基本的应力-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基础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较复杂之外,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“教育部长江学者创新团队”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基础问题之一.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,在稳恒强磁场或比较大的脉冲磁场(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,并发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忽视的.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,仅有大部分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,利用力学领域比较成熟或新发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,超导材料的蓬勃发展出现了很多有挑战性的力学研究课题,科学的发展召唤力学尤其是材料固体力学科学家的加入;中国是国际合作项目ITER(国际热核聚变实验反应堆InternationalThermonuclearExperimentalReactor,缩写为ITER)重要成员国之一,这一项目的成功实施,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:
   本文作者之一感谢美国能源部(U.S.DepartmentofEnergy)资助及合作者JustinSchwartz教授的热情帮助和支持.
参考文献
1 Noe M. Superconductivity for power applications is getting more and more attractive. Plenarypresentation in ASC 2010
2 Iwasy Y. Case studies in superconducting magnets-design and operational issues [M]. New York:Springer, 2009
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