1.3 本书主要内容

本书围绕强磁场磁体用Nb₃Sn超导体临界性能的微结构理论与多尺度多物理场模拟，针对力—电磁—热多物理场环境下Nb₃Sn超导体临界性能和失超在不同尺度上的响应规律及关联，建立了Nb₃Sn超导体临界性能预测和分析的多尺度理论模型，并通过与实验观测结果比对模型进行了验证。强磁场超导磁体制造的初期，经验模型以其简洁的形式和对实验观测得到的超导体临界性能的准确描述，被广泛应用于超导磁体的设计制造。第2章介绍了多物理场环境下Nb₃Sn超导体相转变的经验和半经验模型，给出了多物理场耦合问题的常用解耦处理方法，重点介绍了基于应变不变量解析表示的超导临界温度、上临界磁场强度，以及多物理场环境下超导体相转变的唯象模型。随着强磁场超导磁体制造水平的提升，依赖对实验观测结果进行经验及半经验拟合的模型已难以满足工程设计的需求，对于Nb₃Sn超导体临界性能的精准描述，需要考虑超导体材料的多尺度结构特征。第3章介绍了Nb₃Sn超导体的微结构特征和多层次力学模型，描述了从A15相晶体结构到超导体材料微结构再到宏观非均质Nb₃Sn复合超导体结构的特征，基于此实现不同尺度上的变形分析。在Nb₃Sn超导体多尺度力学模型的基础上，第4章通过构建的Nb₃Sn超导体临界性能的微结构理论，建立和发展考虑微/细/宏观关联的非线性力—电磁—热耦合本构关系：首先分析了多轴应变状态下，晶格畸变诱导的电子能带结构演化的规律；其次考虑复杂应变状态下，费米面上电子态密度的演化规律，构建包含应变张量效应的应变函数；之后建立微/细观关联的描述Nb₃Sn材料变形—超导电性能（临界温度、上临界磁场强度、临界电流）耦合行为的多尺度分析模型；最后在Nb₃Sn多晶体及复合多晶体力学行为分析的基础上，对Nb₃Sn超导体变形—超导电性能耦合行为进行预测，并与已有实验结果进行比对，验证多尺度模型的描述能力。当温度、磁场及电流的任一参数值超过临界值时，超导体都会发生相的转变，成为常导体，发生失超。对Nb₃Sn超导磁体结构进行失超预防，一方面需要对超导体临界性能进行充分理解和精准预测，另一方面需要对Nb₃Sn超导体正常态电阻率行为进行准确的刻画。第5章中讨论了马氏体相变对Nb₃Sn超导体正常态电阻率行为的影响规律和描述方法。失超是Nb₃Sn超导磁体服役过程中的重要现象，失超瞬时释放的巨大磁体能量会导致超导磁体局部温度过高被毁伤和产生局部高电压击穿绝缘层。第6章基于有限元方法，初步分析了Nb₃Sn多晶体失超瞬态微结构的热应力和热分布特征，数值模拟结果揭示了晶界处的应力变化及晶粒内部的应力梯度，研究结果为进一步研究Nb₃Sn复合超导体在多物理场环境下的失超瞬态演化行为奠定了基础。第7章对全书进行了总结，并对未来发展做了展望。