超导现象是20世纪最重要的科学发现之一。随着新型超导材料的不断研发，超导材料及其强磁场超导磁体的研制设计已成为各类高性能前沿科学装置与工程装置研发的基础，是一极具前沿战略性的高新科技领域，具有很强的学科交叉特征，其中力学变形影响已成为制约强场超导磁体开发研制的关键环节之一。本书作者及其研究团队自20世纪90年代以来一直围绕超导材料及结构的力学特性开展研究，本书主要围绕强磁场超导磁体研制设计过程中所涉及的极低温、强载流和强磁场极端使役环境下的电—磁—热—力多场相互作用的非线性力学行为研究，详细介绍了超导材料及其复合材料结构的宏观物理与力学行为的理论建模、数值计算、实验测量与实验装置研制等，包括已有实验结果的理论预测、理论方法的实验验证、新的实验特征揭示和基于力学研究的超导磁体成功设计与研制等。
样章试读
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(上)序
前言
第一章绪论1
1.1超导现象及其主要特性1
1.2实用化的超导材料3
1.2.1工程应用中的几种超导材料3
1.2.2新一代超导材料的开发研制6
1.3超导材料与结构变形依赖性的多物理场耦合特性7
1.3.1超导材料的电磁热本构的非线性多场耦合7
1.3.2超导电磁本构特征量的应变依赖性8
1.3.3超导热稳定性——失超9
1.3.4超导结构的跨尺度性与力—电—磁—热多物理场耦合特性11
1.3.5超导磁体结构设计与运行中的力学变形反问题13
1.4高性能超导磁体结构的主要电磁装置14
1.4.1国际热核聚变实验反应堆15
1.4.2医用核磁共振成像系统16
1.4.3加速器强场超导磁体17
1.4.4超导电机18
1.4.5超导悬浮列车19
1.5超导磁体研制设计的关键力学挑战——功能性与安全性21
1.6本书的主要内容23
参考文献24
第二章超导材料的极低温基础力学与物理实验及实验装置研制33
2.1超导应变的主要测量方法33
2.1.1应变片测量原理及特性33
2.1.2低温Bragg光栅光纤应变测试方法39
2.2高温超导带材横向脱层强度测量方法47
2.2.1高温超导带材脱层强度测量的基本原理48
2.2.2主要测量仪器及测量技术49
2.2.3测试结果与数据处理模式52
2.3极端多场环境下超导材料力学性能测量装置55
2.3.1研制的常温—低温的变温力—热耦合性能测试装置55
2.3.2测试装置的各分系统介绍56
2.3.3机械加载模式及夹具接头58
2.3.4制冷系统与试件变温技术58
2.3.5低温/变温下超导材料力学性能测试及主要结果59
2.4研制的国际首台电—磁—热—力全背景场加载测试装置及其主要功能63
2.4.1装置研制过程及主要性能指标63
2.4.2测量装置各分系统主要功能64
2.4.3变温、电流加载与5T背景磁场的加磁调控65
2.4.4系统集成及全自动调控与信号采集68
2.4.5主要功能性测量结果71
2.5超导力学与物理量测量的磁光法75
2.5.1测量原理介绍75
2.5.2磁光显微系统构成及图像处理76
2.5.3磁通崩塌的原位测量81
2.6利用研制测量装置的基础实验测量89
2.6.1不同变形模式下超导带材的临界电流退化测量89
2.6.2超导材料低温/变温环境下的热传膨胀系数的实验测量96
2.7超导带材力学拉伸实验测量的主要结果100
2.7.1试样及实验准备100
2.7.2测试对比及结果101
2.7.3不同低温下超导带材拉伸性能的测量结果102
2.8超导材料的力学与物理性能数据库简介105
2.8.1需求背景105
2.8.2参数数据库主要模块105
2.8.3已有超导材料的数据106
2.8.4超导数据库拓展的构想114
参考文献115
第三章超导电—磁—热—力的基本方程118
3.1电磁场基本方程118
3.1.1超导电磁场的Maxwell方程组118
3.1.2超导材料电磁物理的主要非线性本构方程119
3.2超导块材(或磁体等效)的热传导基本方程123
3.2.1热传导参数的温度相关性124
3.2.2超导块材的非线性热交换系数及其热交换方程125
3.2.3超导块材或磁体内部生热的主要来源及其危害126
3.3力学变形分析的基本方程130
3.3.1应变对超导物理本构关系退化影响的基本方程130
3.3.2超导块材连续介质力学的基本方程131
3.3.3超导股线跨尺度的力学基本方程133
3.3.4超导CICC导体的力学基本方程143
3.3.5超导磁体线圈的力学基本方程153
参考文献157
第四章多场相互作用的非线性计算方法165
4.1超导电磁场的数值计算方法165
4.1.1基本数值方法165
4.1.2非线性电磁场的计算技术177
4.2超导材料及结构的力学计算方法181
4.2.1有限差分法181
4.2.2考虑变参数的有限元法184
4.3多场相互作用的非线性计算流程187
4.3.1依照物理作用过程的分场降阶递推迭代法187
4.3.2考虑应变对超导本构影响的变刚度190
参考文献191
第五章临界电流测量方法与工程应用的评估194
5.1超导块材临界电流的测量方法194
5.1.1磁滞回线测量法194
5.1.2电输运法197
5.2临界电流计算举例——超导线材及结构198
5.2.1基本方程198
5.2.2电缆和线圈的临界电流199
5.2.3等效模型评估大型线圈的临界电流206
5.3临界电流计算举例——超导薄带207
5.3.1带材的不同横截面模型207
5.3.2圆弧超导薄带临界电流209
5.3.3V型超导薄带临界电流211
5.3.4U型超导薄带临界电流213
5.4超导磁体临界电流评估与失超的电学检测方法215
参考文献218
第六章超导块材与超导薄膜物理特征的理论预测221
6.1超导块材裂纹尖端电流的“-1”次幂奇异性221
6.1.1基本方程222
6.1.2俘获场与临界电流分布225
6.1.3裂尖电流奇异性理论预测的实验验证233
6.2磁—热相互作用的磁通跳跃理论模型及其预测结果238
6.2.1非线性磁—热耦合的基本方程240
6.2.2数值计算方法241
6.2.3对三类典型实验特征的统一定量预测247
6.2.4磁通跳跃场对参数的敏感性252
6.3超导薄膜的磁通崩塌255
6.3.1基本方程256
6.3.2快速Fourier变换及耦合方法257
6.3.3数值结果与讨论259
参考文献266
第七章力学变形对临界电流降低的退化机理研究272
7.1考虑应变能的修正Ginzburg-Landau方程及其临界电流的退化272
7.1.1含应变能耦合的修正Ginzburg-Landau方程272
7.1.2力电耦合基本方程273
7.1.3应变对临界电流影响的理论预测与实验结果的定性对比274
7.2应变使临界电流降低的位错模型及机理276
7.2.1晶界应变能的位错模型277
7.2.2超导临界电流随晶界位错变化的应变表征公式278
7.2.3理论预测与实验结果的对比279
7.3Bi系新一代超导材料在不同变形模式下临界电流退化的唯象模型280
7.3.1考虑超导丝线断裂的应变表征280
7.3.2超导带材在拉压、弯、扭下的临界电流退化表征281
7.3.3三种变形模式下临界电流随应变退化的统一表征290
7.3.4唯象模型对不同变形模式实验结果的预测290
参考文献297
第八章超导结构的交流损耗及其失超的应变检测301
8.1超导电缆的交流损耗301
8.1.1基本方程301
8.1.2铁磁基底对圆形超导电缆交流损耗的影响306
8.1.3软铁磁性衬底对在径向磁场下电缆交流损耗的影响311
8.2交流损耗测量的新方法317
8.2.1交流损耗的主要实验测试方法317
8.2.2绝热温升法交流损耗的实验新方法323
8.2.3电测法检测交流损耗的实验测量340
8.3交流损耗测量的应用举例342
8.3.1YBCO涂层导体焊接接头交流损耗测试342
8.3.2含裂纹YBCO涂层导体交流损耗测试348
8.3.3超导材料受横向压力交流损耗测试352
8.4超导材料及磁体结构失超的应变检测新技术354
8.4.1基于温升热应变的应变检测原理356
8.4.2失超的应变检测新判据——应变率357
8.4.3应变失超检测方法在超导磁体中的应用举例358
参考文献365
目录
(下)第九章超导线绞缆复合材料结构的多场耦合力学
第十章超导带材及其复合材料结构的力学行为分析
第十一章超导磁体多场耦合非线性力学的理论模型及定量分析
第十二章高温超导块材的力学行为理论分析
第十三章高温超导薄膜力学
第十四章高温超导悬浮动力学
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