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超導電磁固體力學(上) 版權信息
- ISBN：9787030735447
- 條形碼：9787030735447 ; 978-7-03-073544-7
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
超導電磁固體力學(上) 本書特色
該書作者即蘭州大學電磁固體力學研究小組長期研究工作的總結與梳理，是目前國內外僅見的系統闡述和介紹超導多場耦合力學的專著。
超導電磁固體力學(上) 內容簡介
自100年前發現零電阻的超導現象以來，隨著新型超導材料的不斷研發，超導材料及其強磁場超導磁體的研制設計已成為各類高性能前沿科學裝置與工程裝置研發的基礎，是一具有戰略性的高新技術領域，具有很強的交叉學科特征。本書圍繞強磁場超導磁體研制過程中所涉及的電-磁-熱-力多場相互作用的非線性力學行為研究，在作者及其研究組的研究成果基礎上，詳細介紹了超導材料及其復合材料結構的宏觀物理與力學的理論建模、數值計算方法、實驗裝置研制與實驗測量等方面的研究方法和研究途徑，包括已有實驗結果的理論預測、理論方法的實驗驗證、新的實驗特征揭示和基于力學設計的超導磁體成功研制等。
超導電磁固體力學(上) 目錄
目錄
(上)序
前言
**章緒論1
1.1超導現象及其主要特性1
1.2實用化的超導材料3
1.2.1工程應用中的幾種超導材料3
1.2.2新一代超導材料的開發研制6
1.3超導材料與結構變形依賴性的多物理場耦合特性7
1.3.1超導材料的電磁熱本構的非線性多場耦合7
1.3.2超導電磁本構特征量的應變依賴性8
1.3.3超導熱穩定性——失超9
1.3.4超導結構的跨尺度性與力—電—磁—熱多物理場耦合特性11
1.3.5超導磁體結構設計與運行中的力學變形反問題13
1.4高性能超導磁體結構的主要電磁裝置14
1.4.1國際熱核聚變實驗反應堆15
1.4.2醫用核磁共振成像系統16
1.4.3加速器強場超導磁體17
1.4.4超導電機18
1.4.5超導懸浮列車19
1.5超導磁體研制設計的關鍵力學挑戰——功能性與安全性21
1.6本書的主要內容23
參考文獻24
第二章超導材料的極低溫基礎力學與物理實驗及實驗裝置研制33
2.1超導應變的主要測量方法33
2.1.1應變片測量原理及特性33
2.1.2低溫Bragg光柵光纖應變測試方法39
2.2高溫超導帶材橫向脫層強度測量方法47
2.2.1高溫超導帶材脫層強度測量的基本原理48
2.2.2主要測量儀器及測量技術49
2.2.3測試結果與數據處理模式52
2.3極端多場環境下超導材料力學性能測量裝置55
2.3.1研制的常溫—低溫的變溫力—熱耦合性能測試裝置55
2.3.2測試裝置的各分系統介紹56
2.3.3機械加載模式及夾具接頭58
2.3.4制冷系統與試件變溫技術58
2.3.5低溫/變溫下超導材料力學性能測試及主要結果59
2.4研制的國際首臺電—磁—熱—力全背景場加載測試裝置及其主要功能63
2.4.1裝置研制過程及主要性能指標63
2.4.2測量裝置各分系統主要功能64
2.4.3變溫、電流加載與5T背景磁場的加磁調控65
2.4.4系統集成及全自動調控與信號采集68
2.4.5主要功能性測量結果71
2.5超導力學與物理量測量的磁光法75
2.5.1測量原理介紹75
2.5.2磁光顯微系統構成及圖像處理76
2.5.3磁通崩塌的原位測量81
2.6利用研制測量裝置的基礎實驗測量89
2.6.1不同變形模式下超導帶材的臨界電流退化測量89
2.6.2超導材料低溫/變溫環境下的熱傳膨脹系數的實驗測量96
2.7超導帶材力學拉伸實驗測量的主要結果100
2.7.1試樣及實驗準備100
2.7.2測試對比及結果101
2.7.3不同低溫下超導帶材拉伸性能的測量結果102
2.8超導材料的力學與物理性能數據庫簡介105
2.8.1需求背景105
2.8.2參數數據庫主要模塊105
2.8.3已有超導材料的數據106
2.8.4超導數據庫拓展的構想114
參考文獻115
第三章超導電—磁—熱—力的基本方程118
3.1電磁場基本方程118
3.1.1超導電磁場的Maxwell方程組118
3.1.2超導材料電磁物理的主要非線性本構方程119
3.2超導塊材(或磁體等效)的熱傳導基本方程123
3.2.1熱傳導參數的溫度相關性124
3.2.2超導塊材的非線性熱交換系數及其熱交換方程125
3.2.3超導塊材或磁體內部生熱的主要來源及其危害126
3.3力學變形分析的基本方程130
3.3.1應變對超導物理本構關系退化影響的基本方程130
3.3.2超導塊材連續介質力學的基本方程131
3.3.3超導股線跨尺度的力學基本方程133
3.3.4超導CICC導體的力學基本方程143
3.3.5超導磁體線圈的力學基本方程153
參考文獻157
第四章多場相互作用的非線性計算方法165
4.1超導電磁場的數值計算方法165
4.1.1基本數值方法165
4.1.2非線性電磁場的計算技術177
4.2超導材料及結構的力學計算方法181
4.2.1有限差分法181
4.2.2考慮變參數的有限元法184
4.3多場相互作用的非線性計算流程187
4.3.1依照物理作用過程的分場降階遞推迭代法187
4.3.2考慮應變對超導本構影響的變剛度190
參考文獻191
第五章臨界電流測量方法與工程應用的評估194
5.1超導塊材臨界電流的測量方法194
5.1.1磁滯回線測量法194
5.1.2電輸運法197
5.2臨界電流計算舉例——超導線材及結構198
5.2.1基本方程198
5.2.2電纜和線圈的臨界電流199
5.2.3等效模型評估大型線圈的臨界電流206
5.3臨界電流計算舉例——超導薄帶207
5.3.1帶材的不同橫截面模型207
5.3.2圓弧超導薄帶臨界電流209
5.3.3V型超導薄帶臨界電流211
5.3.4U型超導薄帶臨界電流213
5.4超導磁體臨界電流評估與失超的電學檢測方法215
參考文獻218
第六章超導塊材與超導薄膜物理特征的理論預測221
6.1超導塊材裂紋尖端電流的“-1”次冪奇異性221
6.1.1基本方程222
6.1.2俘獲場與臨界電流分布225
6.1.3裂尖電流奇異性理論預測的實驗驗證233
6.2磁—熱相互作用的磁通跳躍理論模型及其預測結果238
6.2.1非線性磁—熱耦合的基本方程240
6.2.2數值計算方法241
6.2.3對三類典型實驗特征的統一定量預測247
6.2.4磁通跳躍場對參數的敏感性252
6.3超導薄膜的磁通崩塌255
6.3.1基本方程256
6.3.2快速Fourier變換及耦合方法257
6.3.3數值結果與討論259
參考文獻266
第七章力學變形對臨界電流降低的退化機理研究272
7.1考慮應變能的修正Ginzburg-Landau方程及其臨界電流的退化272
7.1.1含應變能耦合的修正Ginzburg-Landau方程272
7.1.2力電耦合基本方程273
7.1.3應變對臨界電流影響的理論預測與實驗結果的定性對比274
7.2應變使臨界電流降低的位錯模型及機理276
7.2.1晶界應變能的位錯模型277
7.2.2超導臨界電流隨晶界位錯變化的應變表征公式278
7.2.3理論預測與實驗結果的對比279
7.3Bi系新一代超導材料在不同變形模式下臨界電流退化的唯象模型280
7.3.1考慮超導絲線斷裂的應變表征280
7.3.2超導帶材在拉壓、彎、扭下的臨界電流退化表征281
7.3.3三種變形模式下臨界電流隨應變退化的統一表征290
7.3.4唯象模型對不同變形模式實驗結果的預測290
參考文獻297
第八章超導結構的交流損耗及其失超的應變檢測301
8.1超導電纜的交流損耗301
8.1.1基本方程301
8.1.2鐵磁基底對圓形超導電纜交流損耗的影響306
8.1.3軟鐵磁性襯底對在徑向磁場下電纜交流損耗的影響311
8.2交流損耗測量的新方法317
8.2.1交流損耗的主要實驗測試方法317
8.2.2絕熱溫升法交流損耗的實驗新方法323
8.2.3電測法檢測交流損耗的實驗測量340
8.3交流損耗測量的應用舉例342
8.3.1YBCO涂層導體焊接接頭交流損耗測試342
8.3.2含裂紋YBCO涂層導體交流損耗測試348
8.3.3超導材料受橫向壓力交流損耗測試352
8.4超導材料及磁體結構失超的應變檢測新技術354
8.4.1基于溫升熱應變的應變檢測原理356
8.4.2失超的應變檢測新判據——應變率357
8.4.3應變失超檢測方法在超導磁體中的應用舉例358
參考文獻365
目錄
(下)第九章超導線絞纜復合材料結構的多場耦合力學
第十章超導帶材及其復合材料結構的力學行為分析
第十一章超導磁體多場耦合非線性力學的理論模型及定量分析
第十二章高溫超導塊材的力學行為理論分析
第十三章高溫超導薄膜力學
第十四章高溫超導懸浮動力學
(上)序
前言
**章緒論1
1.1超導現象及其主要特性1
1.2實用化的超導材料3
1.2.1工程應用中的幾種超導材料3
1.2.2新一代超導材料的開發研制6
1.3超導材料與結構變形依賴性的多物理場耦合特性7
1.3.1超導材料的電磁熱本構的非線性多場耦合7
1.3.2超導電磁本構特征量的應變依賴性8
1.3.3超導熱穩定性——失超9
1.3.4超導結構的跨尺度性與力—電—磁—熱多物理場耦合特性11
1.3.5超導磁體結構設計與運行中的力學變形反問題13
1.4高性能超導磁體結構的主要電磁裝置14
1.4.1國際熱核聚變實驗反應堆15
1.4.2醫用核磁共振成像系統16
1.4.3加速器強場超導磁體17
1.4.4超導電機18
1.4.5超導懸浮列車19
1.5超導磁體研制設計的關鍵力學挑戰——功能性與安全性21
1.6本書的主要內容23
參考文獻24
第二章超導材料的極低溫基礎力學與物理實驗及實驗裝置研制33
2.1超導應變的主要測量方法33
2.1.1應變片測量原理及特性33
2.1.2低溫Bragg光柵光纖應變測試方法39
2.2高溫超導帶材橫向脫層強度測量方法47
2.2.1高溫超導帶材脫層強度測量的基本原理48
2.2.2主要測量儀器及測量技術49
2.2.3測試結果與數據處理模式52
2.3極端多場環境下超導材料力學性能測量裝置55
2.3.1研制的常溫—低溫的變溫力—熱耦合性能測試裝置55
2.3.2測試裝置的各分系統介紹56
2.3.3機械加載模式及夾具接頭58
2.3.4制冷系統與試件變溫技術58
2.3.5低溫/變溫下超導材料力學性能測試及主要結果59
2.4研制的國際首臺電—磁—熱—力全背景場加載測試裝置及其主要功能63
2.4.1裝置研制過程及主要性能指標63
2.4.2測量裝置各分系統主要功能64
2.4.3變溫、電流加載與5T背景磁場的加磁調控65
2.4.4系統集成及全自動調控與信號采集68
2.4.5主要功能性測量結果71
2.5超導力學與物理量測量的磁光法75
2.5.1測量原理介紹75
2.5.2磁光顯微系統構成及圖像處理76
2.5.3磁通崩塌的原位測量81
2.6利用研制測量裝置的基礎實驗測量89
2.6.1不同變形模式下超導帶材的臨界電流退化測量89
2.6.2超導材料低溫/變溫環境下的熱傳膨脹系數的實驗測量96
2.7超導帶材力學拉伸實驗測量的主要結果100
2.7.1試樣及實驗準備100
2.7.2測試對比及結果101
2.7.3不同低溫下超導帶材拉伸性能的測量結果102
2.8超導材料的力學與物理性能數據庫簡介105
2.8.1需求背景105
2.8.2參數數據庫主要模塊105
2.8.3已有超導材料的數據106
2.8.4超導數據庫拓展的構想114
參考文獻115
第三章超導電—磁—熱—力的基本方程118
3.1電磁場基本方程118
3.1.1超導電磁場的Maxwell方程組118
3.1.2超導材料電磁物理的主要非線性本構方程119
3.2超導塊材(或磁體等效)的熱傳導基本方程123
3.2.1熱傳導參數的溫度相關性124
3.2.2超導塊材的非線性熱交換系數及其熱交換方程125
3.2.3超導塊材或磁體內部生熱的主要來源及其危害126
3.3力學變形分析的基本方程130
3.3.1應變對超導物理本構關系退化影響的基本方程130
3.3.2超導塊材連續介質力學的基本方程131
3.3.3超導股線跨尺度的力學基本方程133
3.3.4超導CICC導體的力學基本方程143
3.3.5超導磁體線圈的力學基本方程153
參考文獻157
第四章多場相互作用的非線性計算方法165
4.1超導電磁場的數值計算方法165
4.1.1基本數值方法165
4.1.2非線性電磁場的計算技術177
4.2超導材料及結構的力學計算方法181
4.2.1有限差分法181
4.2.2考慮變參數的有限元法184
4.3多場相互作用的非線性計算流程187
4.3.1依照物理作用過程的分場降階遞推迭代法187
4.3.2考慮應變對超導本構影響的變剛度190
參考文獻191
第五章臨界電流測量方法與工程應用的評估194
5.1超導塊材臨界電流的測量方法194
5.1.1磁滯回線測量法194
5.1.2電輸運法197
5.2臨界電流計算舉例——超導線材及結構198
5.2.1基本方程198
5.2.2電纜和線圈的臨界電流199
5.2.3等效模型評估大型線圈的臨界電流206
5.3臨界電流計算舉例——超導薄帶207
5.3.1帶材的不同橫截面模型207
5.3.2圓弧超導薄帶臨界電流209
5.3.3V型超導薄帶臨界電流211
5.3.4U型超導薄帶臨界電流213
5.4超導磁體臨界電流評估與失超的電學檢測方法215
參考文獻218
第六章超導塊材與超導薄膜物理特征的理論預測221
6.1超導塊材裂紋尖端電流的“-1”次冪奇異性221
6.1.1基本方程222
6.1.2俘獲場與臨界電流分布225
6.1.3裂尖電流奇異性理論預測的實驗驗證233
6.2磁—熱相互作用的磁通跳躍理論模型及其預測結果238
6.2.1非線性磁—熱耦合的基本方程240
6.2.2數值計算方法241
6.2.3對三類典型實驗特征的統一定量預測247
6.2.4磁通跳躍場對參數的敏感性252
6.3超導薄膜的磁通崩塌255
6.3.1基本方程256
6.3.2快速Fourier變換及耦合方法257
6.3.3數值結果與討論259
參考文獻266
第七章力學變形對臨界電流降低的退化機理研究272
7.1考慮應變能的修正Ginzburg-Landau方程及其臨界電流的退化272
7.1.1含應變能耦合的修正Ginzburg-Landau方程272
7.1.2力電耦合基本方程273
7.1.3應變對臨界電流影響的理論預測與實驗結果的定性對比274
7.2應變使臨界電流降低的位錯模型及機理276
7.2.1晶界應變能的位錯模型277
7.2.2超導臨界電流隨晶界位錯變化的應變表征公式278
7.2.3理論預測與實驗結果的對比279
7.3Bi系新一代超導材料在不同變形模式下臨界電流退化的唯象模型280
7.3.1考慮超導絲線斷裂的應變表征280
7.3.2超導帶材在拉壓、彎、扭下的臨界電流退化表征281
7.3.3三種變形模式下臨界電流隨應變退化的統一表征290
7.3.4唯象模型對不同變形模式實驗結果的預測290
參考文獻297
第八章超導結構的交流損耗及其失超的應變檢測301
8.1超導電纜的交流損耗301
8.1.1基本方程301
8.1.2鐵磁基底對圓形超導電纜交流損耗的影響306
8.1.3軟鐵磁性襯底對在徑向磁場下電纜交流損耗的影響311
8.2交流損耗測量的新方法317
8.2.1交流損耗的主要實驗測試方法317
8.2.2絕熱溫升法交流損耗的實驗新方法323
8.2.3電測法檢測交流損耗的實驗測量340
8.3交流損耗測量的應用舉例342
8.3.1YBCO涂層導體焊接接頭交流損耗測試342
8.3.2含裂紋YBCO涂層導體交流損耗測試348
8.3.3超導材料受橫向壓力交流損耗測試352
8.4超導材料及磁體結構失超的應變檢測新技術354
8.4.1基于溫升熱應變的應變檢測原理356
8.4.2失超的應變檢測新判據——應變率357
8.4.3應變失超檢測方法在超導磁體中的應用舉例358
參考文獻365
目錄
(下)第九章超導線絞纜復合材料結構的多場耦合力學
第十章超導帶材及其復合材料結構的力學行為分析
第十一章超導磁體多場耦合非線性力學的理論模型及定量分析
第十二章高溫超導塊材的力學行為理論分析
第十三章高溫超導薄膜力學
第十四章高溫超導懸浮動力學
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超導電磁固體力學(上) 節選
**章緒論 1.1超導現象及其主要特性 隨著現代科學技術的發展，人類社會對電網、交通、醫療、能源供給等提出了更低能耗、更加快捷、更安全、更健康、更加清潔的研究需求。在這一系列前沿科學技術中，超導材料以其獨*的零電阻、完全抗磁、強載流等顯著優勢發揮出越來越難以替代的作用。例如，超導電纜、懸浮列車、核磁成像、國際熱核聚變實驗堆(ITER)等相繼研制，極大地促進了人類社會經濟的發展和進步。在《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006—2020)》中，高溫超導技術被列為具有前瞻性、先導性和探索性的前沿技術。在《中國制造2025》中，高溫超導材料的制造及應用技術被列為未來重點推動實現突破的關鍵領域。 自1911年超導現象發現以來，對于超導新材料及其物理機制的研究一直是物理學界和材料學界關注的熱點領域，大量研究人員一直致力于超導臨界溫度、臨界電流和臨界磁場等自身物理性能的提升。近些年來，隨著超導材料制備技術以及低溫制冷技術的快速發展，超導材料正在逐步實現大規模的工程應用，以期通過突破目前常導電磁裝置的性能極限，來為前沿科學研究和工程應用提供高性能、低能耗電磁裝置的支撐。在超導材料實用化的過程中，極端環境下（超低溫、強載流、高磁場）超導材料及其結構的力學行為已成為制約這類磁體裝置的有效設計與研制成敗的關鍵核心問題之一。在這些大型的超導磁體裝置中，由于超導結構為跨尺度的復合材料、多物理場—力學場強耦合和強非線性的多類復雜性強關聯，使得相應的力學研究不論是實驗測量、理論建模還是定量分析都帶來了極大的難度與挑戰。 1.1超導現象及其主要特性 1911年，荷蘭萊頓大學的科學家Onnes發現金屬Hg中的電阻在液氦溫度附近(4.2K)時突降為0，因這一重大發現于1913年獲諾貝爾物理學獎，從而開啟了一類全新的材料，即超導材料與超導物理研究的新時代［1-3］。隨后，超導電性引起了研究人員廣泛的關注并且超導體獨*的電磁特性被逐漸發現。超導科學經過一百多年的發展，相繼已有大約5000多種超導材料被發現。超導材料的正常態（即有電阻）與超導態（即無電阻）的轉變主要由臨界溫度Tc、臨界磁場Hc和臨界電流密度Jc三個互相關聯的參數所決定。在這三個臨界參數以下，材料進入超導態。相反，只要有一個參數高出其材料的相應臨界值，其材料就轉變為正常態。因此，在超導研究中，這三個參數是超導材料*重要的參數，同時也是判斷超導材料性能的指標［4］。1986年，Bednorz和Muller發現了臨界轉變溫度約為35K的多相鑭鋇銅氧化物(La-Ba-Cu-O)超導體［5］。1987年，朱經武和趙忠賢等分別獨立制備出臨界轉變溫度高于90K的釔鋇銅氧化物(Y-Ba-Cu-O)陶瓷高溫超導體，使得超導體具有在液氮溫區（77.3K）應用的可能性［6，7］。隨后，研究人員使用稀土元素(如La、Nd、Sm、Eu、Gd、Ho、Er以及Lu)制備出臨界轉變溫度在90K左右的一系列超導體，稱為REBCO超導體(RE，Rare Earth)。2001年，日本科學家Nagamatsu等發現了MgB2超導材料，其臨界溫度達到39K，是目前已知臨界溫度*高的金屬間化合物超導體［8］。2008年，日本研究團隊報道了LaFeAsO體系中存在26K的超導電性，拉開了鐵基超導體的研究序幕［9］。隨后，研究人員采用稀土替代法合成一系列的鐵基超導體，并且測試發現其臨界溫度超過了麥克米蘭極限［10-12］。2015年，研究人員觀測到在155GPa的極高壓環境下，H2S的臨界溫度突破了200K［13］。2020年，*新報道為在約270萬個大氣壓下實現了室溫15℃的超導電性［14］。圖1.1展示了一百多年來超導材料提升臨界溫度的發展歷程。 圖1.1超導材料的臨界溫度［19］ 在超導的物理特性研究方面，已發現超導材料具有獨*的物理特性，如零電阻特性、邁斯納(Meissner)效應［15］以及約瑟夫森（Josephon）效應［16］等。1933年，德國物理學家Meissner和Ochsenfeld將處于超導態的金屬圓柱Pb和Sn置于外加磁場中并測量磁通密度的分布，發現無論是先降溫再施加磁場還是先加磁場再降溫進入超導態，金屬圓柱的內部磁通都為零。這種抗磁性與磁場加載歷史無關的效應被命名為Meissner效應［15］。1950年，金茲堡（Ginzburg）和朗道（Landau）提出了著名的GL理論［17］，他們基于二級相變理論并引入序參量，結合界面能將超導體分成了第Ⅰ類和第Ⅱ類超導體。1957年，巴丁（Bardeen）、庫珀（Cooper）和施里弗（Schrieffer）三名科學家基于同位素效應，提出了著名的BCS理論［18］，從微觀角度闡明了超導電性的物理機制，其起因是通過聲子交換相互作用的Cooper電子對來形成超導電流。他們也因這一理論后來獲得了諾貝爾物理學獎。 超導材料根據臨界溫度Tc可以分為低溫超導材料和高溫超導材料。低溫超導材料通常是指臨界轉變溫度低于30K的超導材料。目前已經可以商用的低溫超導材料主要有NbTi和Nb3Sn，這些材料需要較高性能的制冷輔助裝置。高溫超導材料以Cu氧化物和MgB2為代表，其轉變溫度通常在30K以上。高溫超導氧化物陶瓷材料與低溫超導材料相比，冷卻需要的能量較少并且可以在液氮溫區應用，因此可以使制冷成本大為降低。常見的高溫超導材料包括Bi-2212、Bi-2223、REBCO等，將在下面對其特性進行介紹。 1.2實用化的超導材料1.2實用化的超導材料 1.2.1工程應用中的幾種超導材料 按照超導的臨界磁場可將超導分為第Ⅰ類和第Ⅱ類超導體。第Ⅰ類超導體僅有一個臨界磁場Hc。與**類超導體不同的是，第Ⅱ類超導體有兩個臨界磁場，分別稱為下臨界磁場Hc1和上臨界磁場Hc2。當外磁場小于Hc1時，第Ⅱ類超導體處于邁斯納態，與第Ⅰ類超導體完全相同；而當外磁場大于Hc2時，超導體處于正常態；當外磁場Hc1<> 圖1.2**類(左)與第二類(右)超導體的臨界磁場 超導材料通常被制備為帶材、線材、薄膜和塊材等結構以滿足不同的工程應用需求。超導塊材相比于傳統永磁體具有極高的俘獲磁場，能夠俘獲常規永磁體近十倍的磁場，因此可以作為高性能磁場源使用。目前常見的超導塊材主要包括REBCO超導塊材、MgB2超導塊材、Bi系超導塊材等［21］。由于塊材的力學性能通常較差，需要在其外部進行加固來提高力學強度并防止破裂［22，23］。與需要多級制備工藝的超導線圈或電纜相比，超導塊材制備過程較為簡單，而作為磁場源時不需要外部穩定的電流［24］，因此，超導塊材在醫療設備、電動機和發電機、磁懸浮設備、儲能裝置等電磁設備中具有較高的應用潛力［24-27］。 由于超導材料自身的力學強度較低，目前在超導磁體結構中常用的超導材料為超導帶材和線材。與常規的金屬導體相比，使用超導帶材和線材可以獲得更好的傳輸性能并能夠降低損耗。由于超導材料內在的熱不穩定性與力學性能不高等本征因素的存在，實際使用的超導帶材和線材通常不能由單一的超導材料所制成，即制備過程中會將超導材料與低電阻且柔韌性好的常導材料共同制成復合帶材或線材［28］。如金屬Cu和Ag等基體不僅在超導材料局部失超后（即由超導態轉變為正常態）可以有效地進行分流，而且由于其具有良好的導熱能力從而能夠有效提升超導復合材料的熱穩定性，其柔韌性可以實現有效的制備。在眾多超導材料中，目前實用價值較高且已經被制備為線材或帶材的超導體有NbTi、Nb3Sn、BiSrCaCuO(Bi-2212和Bi-2223)、REBCO和MgB2等。此外，我國研究人員目前也正在積極推進鐵基超導體的實用化。這里簡單介紹幾種常見超導線材和帶材［29］。 NbTi超導線材是由NbTi超導芯絲和穩定基體銅組成的復合線材，超導芯絲的直徑為微米量級。NbTi是目前市場上使用*為廣泛的低溫超導材料之一。不同于其他幾類實用化超導材料，NbTi具有良好的延展能力并且其臨界電流密度的應變敏感性較低。NbTi線材的主要缺點是具有較低的上臨界磁場，難以應用于研制更高場的超導磁體。 Nb3Sn超導線材與NbTi同屬于低溫超導材料，其是由Nb3Sn超導芯絲與穩定基體銅、青銅等復合而成，通常采用的制備方法有青銅法、內錫法和粉末管裝法。Nb3Sn的優點為上臨界磁場較高，可用于較高場的磁體研制中，但其缺點為Nb3Sn超導芯絲為典型的脆性材料，較大的力學載荷作用下會發生芯絲斷裂。另一方面，Nb3Sn超導線材的超導性能具有較為顯著的應變敏感性，在高場超導磁體的設計中需要綜合考慮Nb3Sn線材在熱應力和電磁力作用下臨界電流的退化。 Bi-2212的臨界溫度Tc約為90K，其在液氮溫區時高場條件下載流能力較低，而在4.2~20K時的高場性能比較好［29，30］。Bi-2212是*早用來制備超導線材的高溫超導材料之一，可以制成圓線、扁帶、棒材和塊材等結構。Bi-2212圓線的優點是臨界電流在外磁場下具有各向同性的特征，傳輸性能不受外磁場方向的影響。Bi-2212線材在實際應用中可以根據需求來繞制成多種電纜結構以傳輸更大的電流或產生更高的磁場，如6+1電纜（6-around-1 Cable）［31］或盧瑟夫電纜（Rutherford Cable）［32，33］等。 Bi-2223帶材也被稱作**代（1G）高溫超導帶材，其呈扁帶狀，通常由數十根Bi-2223超導芯絲嵌入Ag基底中制成。由于Bi-2223帶材的力學性能較差，通常在外部添加高強度Ag包套來增強力學性能。目前已有許多公司能夠商業化生產Bi-2223帶材，例如美國超導公司（AMSC）、歐洲先進超導公司、英納超導公司（中國）等。Bi-2223帶材中的基體為Ag，其生產成本偏高，并且液氮溫區的不可逆場較低和交流損耗大等缺陷限制了Bi-2223帶材的大規模應用。 REBCO超導復合帶材是第二代高溫超導材料，優點是在高場下依然能保持較高的臨界電流密度［35］。REBCO超導帶材臨界電流密度與磁場之間存在著各向異性的關系，即臨界電流密度會隨著磁場的角度發生變化。圖1.3展示了美國SuperPower公司生產的REBCO帶材的示意圖。REBCO復合帶材是層狀復合結構，由REBCO超導層、Ag層、緩沖層、哈氏合金基底以及Cu穩定層組成。REBCO復合帶材不僅在高場下具有良好的超導性能，而且其具有較高的力學強度，已有的實驗報道REBCO帶材的*高強度已經達到900MPa［36］。隨著REBCO超導帶材制備工藝的不斷成熟，其已經成為未來高場超導磁體設計的首選材料。 圖1.3REBCO復合超導帶材的示意圖［34］ MgB2是一類新型的合金超導材料，其可以制備為塊體、薄膜和線材，在零場條件下的臨界溫度為39K。MgB2超導線材包含幾十根MgB2超導芯絲和鎳基體等。與Nb3Sn線材類似，MgB2的臨界電流密度也具有較為明顯的應變敏感性。MgB2具有質量輕、原材料及制備價格低等優點，比較適用于低場的超導磁體。 1.2.2新一代超導材料的開發研制 2008年2月，日本東京工業大學Hosono教授研究小組宣布發現了一種新型鐵基化合物超導體LaFeAsO1-xFx，其轉變溫度約為26K［9］。實驗發現這種鐵基超導體載流子為電子型，且密度很低，這與傳統的氧化物高溫超導體非常相近，因此通過對鐵基超導體的研究有望為解決高溫超導電性提供一條全新的途徑。在這一
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