【摘 要】
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A15型Nb3Sn超导体是制造高场（＞10T）超导磁体线圈的主要材料,被广泛应用于磁约束可控核聚变、高能物理等强磁场超导磁体设备制造领域。力学变形诱导的Nb3Sn超导临界性能退化给高场超导磁体装备的电磁性能指标和安全稳定运行造成了极其不利的影响。鉴于Nb3Sn超导体具有复杂的多尺度结构特征,不同尺度下变形-超导电性能耦合行为是相互关联的,本文首先建立了考虑微/细/宏观关联的非线性力-电磁耦合本构模
【基金项目】
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国家自然科学基金委员会（11772212、11402159）；
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A15型Nb3Sn超导体是制造高场（＞10T）超导磁体线圈的主要材料,被广泛应用于磁约束可控核聚变、高能物理等强磁场超导磁体设备制造领域。力学变形诱导的Nb3Sn超导临界性能退化给高场超导磁体装备的电磁性能指标和安全稳定运行造成了极其不利的影响。鉴于Nb3Sn超导体具有复杂的多尺度结构特征,不同尺度下变形-超导电性能耦合行为是相互关联的,本文首先建立了考虑微/细/宏观关联的非线性力-电磁耦合本构模型,提出了从原子尺度A15晶体结构到超导体微结构到宏观非均质Nb3Sn复合超导体的多尺度模拟模型。基于多晶体有限元方法,对静水压加载条件下Nb3Sn多晶体超导临界温度衰退和单轴拉压加载条件下Nb3Sn复合多晶体临界性能衰退行为进行了模拟预测,预测结果与实验观测结果定性吻合,该模型揭示了Nb3Sn复合超导体变形-超导电性能多尺度耦合机理。接着本文利用第一性原理计算方法给出了静水压、轴向拉压-剪切复合复合加载下Nb3Sn单晶费米面电子态密度变化曲线,同时建立了能够统一描述静水压、轴向拉压-剪切复合加载模式下Nb3Sn单晶费米面电子态密度演化模型,基于该模型预测了Nb3Sn单晶/多晶体静水压强下临界温度退化和Nb3Sn复合多晶体在轴向应变下临界性能退化趋势,预测值与实验结果定性吻合。研究结果有助于提高对A15型金属间化合物高场超导复合材料力-电-磁-热多尺度耦合行为的认识和描述能力,为强磁场超导磁体的设计与制造提供有力的理论支撑。
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