论文摘要
Nb3Sn复合超导体主要应用于强磁场超导磁体领域,力学变形诱导的其超导电性能退化是高场超导磁体制备中涉及的基础性课题之一。晶界是Nb3Sn超导材料中主要的有效磁通钉扎中心,研究晶界变形对于从细观尺度揭示这一行为具有重要作用。为此,本文从细观尺度出发,针对Nb3Sn复合超导体中晶粒及晶界的变形、磁通钉扎力的应变效应及临界温度退化问题开展了研究工作。首先,基于密排纤维增强复合材料的相关理论与多晶体有限元分析方法,建立了Nb3Sn复合超导体中晶粒及晶界变形的尺度耦合计算模型,该模型能较为真实地反映细观尺度下Nb3Sn复合超导体的结构特征;利用该模型研究了Nb3Sn复合超导体在轴向拉伸与压缩加载模式下柱状晶区和等轴晶区的微观局部应力以及晶粒及晶界变形特征,并分析了弹性范围（-0.4％≤ε≤0.4％）内拉伸与压缩两种载荷下Nb3Sn复合超导体中沿晶界的弹性变形变化特点。研究结果表明:两种不同加载模式下,Nb3Sn多晶体的Mises等效应力表现出非均匀分布特征,柱状晶晶粒和晶界处以及Nb-Nb3Sn的边界处为主要的应力集中的区域;细观局部应力与加载应力的比值范围集中在-2.191.31（在单轴拉伸和压缩加载模式下）,并沿晶界波动变化,变化幅值依赖于晶粒形貌和复合材料结构。其次,在Nb3Sn复合多晶体中晶粒及晶界细观变形分析的基础上,结合半经验力-电磁耦合本构关系,根据应变诱导的临界温度弱化与上临界磁场强度弱化之间的联系,预测了轴向载荷作用下Nb3Sn复合超导材料的临界温度退化规律。理论预测结果与实验结果定性吻合,揭示了晶粒及晶界变形在超导临界性能弱化中所起的作用。再次,借助磁通钉扎力的Labusch模型,在Nb3Sn复合多晶体晶粒晶界变形分析的基础上,讨论了沿晶界磁通钉扎力的力学效应及其分布规律;给出了环境温度为4.2K,背景磁场强度为12T时Nb3Sn复合超导材料中磁通钉扎力应变弱化的定量描述。最后,在Nb3Sn复合超导体中晶粒及晶界变形的尺度耦合计算模型的建立过程中,借助一款国外多晶体建模软件Neper,经笔者利用Python编程对Abaqus进行二次开发,生成了一套程序,该程序实现了在Abaqus中自动建立复杂Voronoi多晶体的功能,且运行十分稳定。为在Abaqus中建立结构复杂的Voronoi多晶体提供了一种有效的新方法。总之,通过本文的工作,进一步理解了Nb3Sn超导材料超导临界性能的应变效应,以及应变对其磁通钉扎力与临界温度退化的影响。相关研究结果有助于理解和揭示极低温环境下Nb3Sn复合超导体的超导电性能力学效应的起源。同时,为高场超导磁体设计以及高抗应变能力超导材料的制备和开发提供了一定的理论指导。此外,本文发展起来的数值方法和建模方法,对于复杂晶体结构的建模,及其力学行为、力-电磁耦合行为的模拟提供了一定的思路。
论文目录
文章来源
类型: 硕士论文
作者: 张鑫
导师: 乔力
关键词: 多晶超导材料,有限元分析,多晶体建模,磁通钉扎力模型,临界温度,晶界,标度关系
来源: 太原理工大学
年度: 2019
分类: 基础科学
专业: 物理学
单位: 太原理工大学
基金: 国家自然科学基金委员会(11402159,11772212)
分类号: O511.3
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标签：多晶超导材料论文; 有限元分析论文; 多晶体建模论文; 磁通钉扎力模型论文; 临界温度论文; 晶界论文; 标度关系论文;