第一章绪论
1.1超导现象及其主要特性
随着现代科学技术的发展，人类社会对电网、交通、医疗、能源供给等提出了更低能耗、更加快捷、更安全、更健康、更加清洁的研究需求。在这一系列前沿科学技术中，超导材料以其独*的零电阻、完全抗磁、强载流等显著优势发挥出越来越难以替代的作用。例如，超导电缆、悬浮列车、核磁成像、国际热核聚变实验堆(ITER)等相继研制，极大地促进了人类社会经济的发展和进步。在《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020)》中，高温超导技术被列为具有前瞻性、先导性和探索性的前沿技术。在《中国制造2025》中，高温超导材料的制造及应用技术被列为未来重点推动实现突破的关键领域。
自1911年超导现象发现以来，对于超导新材料及其物理机制的研究一直是物理学界和材料学界关注的热点领域，大量研究人员一直致力于超导临界温度、临界电流和临界磁场等自身物理性能的提升。近些年来，随着超导材料制备技术以及低温制冷技术的快速发展，超导材料正在逐步实现大规模的工程应用，以期通过突破目前常导电磁装置的性能极限，来为前沿科学研究和工程应用提供高性能、低能耗电磁装置的支撑。在超导材料实用化的过程中，极端环境下（超低温、强载流、高磁场）超导材料及其结构的力学行为已成为制约这类磁体装置的有效设计与研制成败的关键核心问题之一。在这些大型的超导磁体装置中，由于超导结构为跨尺度的复合材料、多物理场—力学场强耦合和强非线性的多类复杂性强关联，使得相应的力学研究不论是实验测量、理论建模还是定量分析都带来了极大的难度与挑战。
1.1超导现象及其主要特性
1911年，荷兰莱顿大学的科学家Onnes发现金属Hg中的电阻在液氦温度附近(4.2K)时突降为0，因这一重大发现于1913年获诺贝尔物理学奖，从而开启了一类全新的材料，即超导材料与超导物理研究的新时代［1-3］。随后，超导电性引起了研究人员广泛的关注并且超导体独*的电磁特性被逐渐发现。超导科学经过一百多年的发展，相继已有大约5000多种超导材料被发现。超导材料的正常态（即有电阻）与超导态（即无电阻）的转变主要由临界温度Tc、临界磁场Hc和临界电流密度Jc三个互相关联的参数所决定。在这三个临界参数以下，材料进入超导态。相反，只要有一个参数高出其材料的相应临界值，其材料就转变为正常态。因此，在超导研究中，这三个参数是超导材料*重要的参数，同时也是判断超导材料性能的指标［4］。1986年，Bednorz和Muller发现了临界转变温度约为35K的多相镧钡铜氧化物(La-Ba-Cu-O)超导体［5］。1987年，朱经武和赵忠贤等分别独立制备出临界转变温度高于90K的钇钡铜氧化物(Y-Ba-Cu-O)陶瓷高温超导体，使得超导体具有在液氮温区（77.3K）应用的可能性［6，7］。随后，研究人员使用稀土元素(如La、Nd、Sm、Eu、Gd、Ho、Er以及Lu)制备出临界转变温度在90K左右的一系列超导体，称为REBCO超导体(RE，Rare Earth)。2001年，日本科学家Nagamatsu等发现了MgB2超导材料，其临界温度达到39K，是目前已知临界温度*高的金属间化合物超导体［8］。2008年，日本研究团队报道了LaFeAsO体系中存在26K的超导电性，拉开了铁基超导体的研究序幕［9］。随后，研究人员采用稀土替代法合成一系列的铁基超导体，并且测试发现其临界温度超过了麦克米兰极限［10-12］。2015年，研究人员观测到在155GPa的极高压环境下，H2S的临界温度突破了200K［13］。2020年，*新报道为在约270万个大气压下实现了室温15℃的超导电性［14］。图1.1展示了一百多年来超导材料提升临界温度的发展历程。
图1.1超导材料的临界温度［19］
在超导的物理特性研究方面，已发现超导材料具有独*的物理特性，如零电阻特性、迈斯纳(Meissner)效应［15］以及约瑟夫森（Josephon）效应［16］等。1933年，德国物理学家Meissner和Ochsenfeld将处于超导态的金属圆柱Pb和Sn置于外加磁场中并测量磁通密度的分布，发现无论是先降温再施加磁场还是先加磁场再降温进入超导态，金属圆柱的内部磁通都为零。这种抗磁性与磁场加载历史无关的效应被命名为Meissner效应［15］。1950年，金兹堡（Ginzburg）和朗道（Landau）提出了著名的GL理论［17］，他们基于二级相变理论并引入序参量，结合界面能将超导体分成了第Ⅰ类和第Ⅱ类超导体。1957年，巴丁（Bardeen）、库珀（Cooper）和施里弗（Schrieffer）三名科学家基于同位素效应，提出了著名的BCS理论［18］，从微观角度阐明了超导电性的物理机制，其起因是通过声子交换相互作用的Cooper电子对来形成超导电流。他们也因这一理论后来获得了诺贝尔物理学奖。
超导材料根据临界温度Tc可以分为低温超导材料和高温超导材料。低温超导材料通常是指临界转变温度低于30K的超导材料。目前已经可以商用的低温超导材料主要有NbTi和Nb3Sn，这些材料需要较高性能的制冷辅助装置。高温超导材料以Cu氧化物和MgB2为代表，其转变温度通常在30K以上。高温超导氧化物陶瓷材料与低温超导材料相比，冷却需要的能量较少并且可以在液氮温区应用，因此可以使制冷成本大为降低。常见的高温超导材料包括Bi-2212、Bi-2223、REBCO等，将在下面对其特性进行介绍。
1.2实用化的超导材料1.2实用化的超导材料
1.2.1工程应用中的几种超导材料
按照超导的临界磁场可将超导分为第Ⅰ类和第Ⅱ类超导体。第Ⅰ类超导体仅有一个临界磁场Hc。与第一类超导体不同的是，第Ⅱ类超导体有两个临界磁场，分别称为下临界磁场Hc1和上临界磁场Hc2。当外磁场小于Hc1时，第Ⅱ类超导体处于迈斯纳态，与第Ⅰ类超导体完全相同；而当外磁场大于Hc2时，超导体处于正常态；当外磁场Hc1<Ha<Hc2时，超导体处于超导态和正常态并存的混合态，如图1.2所示。实用化的超导材料为非理想的第Ⅱ类超导材料，其特点为超导中含有大量的夹杂与缺陷，其可以作为钉扎中心阻碍磁通线的运动来提升超导体的临界电流。由于非理想第Ⅱ类超导体内磁通线分布不均匀，其电流不仅可以存在于超导表面而且也可以在超导体内流动，因此非理想第二类超导体具有较高的载流能力［20］。
图1.2第一类(左)与第二类(右)超导体的临界磁场
超导材料通常被制备为带材、线材、薄膜和块材等结构以满足不同的工程应用需求。超导块材相比于传统永磁体具有极高的俘获磁场，能够俘获常规永磁体近十倍的磁场，因此可以作为高性能磁场源使用。目前常见的超导块材主要包括REBCO超导块材、MgB2超导块材、Bi系超导块材等［21］。由于块材的力学性能通常较差，需要在其外部进行加固来提高力学强度并防止破裂［22，23］。与需要多级制备工艺的超导线圈或电缆相比，超导块材制备过程较为简单，而作为磁场源时不需要外部稳定的电流［24］，因此，超导块材在医疗设备、电动机和发电机、磁悬浮设备、储能装置等电磁设备中具有较高的应用潜力［24-27］。
由于超导材料自身的力学强度较低，目前在超导磁体结构中常用的超导材料为超导带材和线材。与常规的金属导体相比，使用超导带材和线材可以获得更好的传输性能并能够降低损耗。由于超导材料内在的热不稳定性与力学性能不高等本征因素的存在，实际使用的超导带材和线材通常不能由单一的超导材料所制成，即制备过程中会将超导材料与低电阻且柔韧性好的常导材料共同制成复合带材或线材［28］。如金属Cu和Ag等基体不仅在超导材料局部失超后（即由超导态转变为正常态）可以有效地进行分流，而且由于其具有良好的导热能力从而能够有效提升超导复合材料的热稳定性，其柔韧性可以实现有效的制备。在众多超导材料中，目前实用价值较高且已经被制备为线材或带材的超导体有NbTi、Nb3Sn、BiSrCaCuO(Bi-2212和Bi-2223)、REBCO和MgB2等。此外，我国研究人员目前也正在积极推进铁基超导体的实用化。这里简单介绍几种常见超导线材和带材［29］。
NbTi超导线材是由NbTi超导芯丝和稳定基体铜组成的复合线材，超导芯丝的直径为微米量级。NbTi是目前市场上使用*为广泛的低温超导材料之一。不同于其他几类实用化超导材料，NbTi具有良好的延展能力并且其临界电流密度的应变敏感性较低。NbTi线材的主要缺点是具有较低的上临界磁场，难以应用于研制更高场的超导磁体。
Nb3Sn超导线材与NbTi同属于低温超导材料，其是由Nb3Sn超导芯丝与稳定基体铜、青铜等复合而成，通常采用的制备方法有青铜法、内锡法和粉末管装法。Nb3Sn的优点为上临界磁场较高，可用于较高场的磁体研制中，但其缺点为Nb3Sn超导芯丝为典型的脆性材料，较大的力学载荷作用下会发生芯丝断裂。另一方面，Nb3Sn超导线材的超导性能具有较为显著的应变敏感性，在高场超导磁体的设计中需要综合考虑Nb3Sn线材在热应力和电磁力作用下临界电流的退化。
Bi-2212的临界温度Tc约为90K，其在液氮温区时高场条件下载流能力较低，而在4.2~20K时的高场性能比较好［29，30］。Bi-2212是*早用来制备超导线材的高温超导材料之一，可以制成圆线、扁带、棒材和块材等结构。Bi-2212圆线的优点是临界电流在外磁场下具有各向同性的特征，传输性能不受外磁场方向的影响。Bi-2212线材在实际应用中可以根据需求来绕制成多种电缆结构以传输更大的电流或产生更高的磁场，如6+1电缆（6-around-1 Cable）［31］或卢瑟夫电缆（Rutherford Cable）［32，33］等。
Bi-2223带材也被称作第一代（1G）高温超导带材，其呈扁带状，通常由数十根Bi-2223超导芯丝嵌入Ag基底中制成。由于Bi-2223带材的力学性能较差，通常在外部添加高强度Ag包套来增强力学性能。目前已有许多公司能够商业化生产Bi-2223带材，例如美国超导公司（AMSC）、欧洲先进超导公司、英纳超导公司（中国）等。Bi-2223带材中的基体为Ag，其生产成本偏高，并且液氮温区的不可逆场较低和交流损耗大等缺陷限制了Bi-2223带材的大规模应用。
REBCO超导复合带材是第二代高温超导材料，优点是在高场下依然能保持较高的临界电流密度［35］。REBCO超导带材临界电流密度与磁场之间存在着各向异性的关系，即临界电流密度会随着磁场的角度发生变化。图1.3展示了美国SuperPower公司生产的REBCO带材的示意图。REBCO复合带材是层状复合结构，由REBCO超导层、Ag层、缓冲层、哈氏合金基底以及Cu稳定层组成。REBCO复合带材不仅在高场下具有良好的超导性能，而且其具有较高的力学强度，已有的实验报道REBCO带材的*高强度已经达到900MPa［36］。随着REBCO超导带材制备工艺的不断成熟，其已经成为未来高场超导磁体设计的首选材料。
图1.3REBCO复合超导带材的示意图［34］
MgB2是一类新型的合金超导材料，其可以制备为块体、薄膜和线材，在零场条件下的临界温度为39K。MgB2超导线材包含几十根MgB2超导芯丝和镍基体等。与Nb3Sn线材类似，MgB2的临界电流密度也具有较为明显的应变敏感性。MgB2具有质量轻、原材料及制备价格低等优点，比较适用于低场的超导磁体。
1.2.2新一代超导材料的开发研制
2008年2月，日本东京工业大学Hosono教授研究小组宣布发现了一种新型铁基化合物超导体LaFeAsO1-xFx，其转变温度约为26K［9］。实验发现这种铁基超导体载流子为电子型，且密度很低，这与传统的氧化物高温超导体非常相近，因此通过对铁基超导体的研究有望为解决高温超导电性提供一条全新的途径。在这一
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