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高应变率作用下Nb3Sn复合超导体临界性能退化响应机理分析OA

Analysis of High-Strain-Rate Deformation Induced Degradation of Critical Properties in Nb3Sn Superconductors

中文摘要英文摘要

Nb3Sn 超导材料因其优异的超导性能,被广泛应用于粒子加速器的超导谐振腔、核聚变以及高能物理领域的超导磁体装置中.在失超和快速励磁等极端工况下,超导材料常承受高应变率的动态载荷,进而引发复杂的电磁-热-力多场耦合效应,最终导致其超导临界性能发生不可逆退化.为此,基于分子动力学模拟结果,以连续介质力学和超导物理理论为框架,研究了高应变率拉伸条件下 Nb3Sn 复合超导体的弹塑性力学行为、塑性功热耗散引起的绝热温升以及损伤演化对超导临界性能的影响.基于弹塑性变形解耦理论,将变形分解为弹性和塑性两部分,定量分析了 Nb 基体塑性功热耗散引起的温升演变规律,并基于密度泛函理论分析了绝热温升与变形损伤对 Nb3Sn 复合超导体临界性能的影响.研究结果表明:低温高应变率拉伸条件下,Nb 基体的塑性变形主要由全位错滑移主导,而 Nb3Sn 涂层由于其 A15 晶体结构的本征脆性,发生脆性断裂.温升主要源于塑性功的热转化,随着塑性应变的累积,温度随之升高.力-热耦合效应显著加剧超导临界性能退化;变形损伤主要表现为非晶化和裂纹扩展,引发电子结构的不可逆转变,进而导致超导临界性能的退化.研究结果有助于理解高应变率作用下 Nb3Sn 复合超导体的变形-温升-性能退化关联机制,对超导腔与磁体的优化设计具有理论指导意义.

Nb3Sn superconductors are vital for advanced applications like particle accelerators and fusion devices,yet their performance degrades irreversibly under the high-strain-rate dynamic loads encountered during quench or fast excitation.This study integrates molecular dynamics simulations,continuum mechanics,and density functional theory to unravel the underlying multiphysics coupling mechanisms.We probe the elastoplastic response,adiabatic heating from plastic work,and damage evolution in Nb3Sn composites under high-strain-rate tension.Our analysis reveals that at cryogenic temperatures,the niobium matrix deforms via full-dislocation slip,whereas the brittle Nb3Sn coating fractures.The associated temperature rise,driven by plastic work dissipation and accumulating with strain,synergizes with deformation-induced damage(amorphization and cracking)to severely degrade superconducting properties.These damage mechanisms cause irreversible electronic structure changes,directly impairing super-conductivity.These findings establish a deformation-thermal-damage correlation mechanism,providing a theoretical foundation for the design of resilient superconducting devices.

菅长旭;杜侨依;丁贺;肖革胜;刘志芳;乔力

太原理工大学机械工程学院,山西 太原 030024太原理工大学航空航天学院应用力学研究所,山西 太原 030024中北大学航空宇航学院,山西 太原 030051太原理工大学航空航天学院应用力学研究所,山西 太原 030024太原理工大学航空航天学院应用力学研究所,山西 太原 030024太原理工大学航空航天学院应用力学研究所,山西 太原 030024

数理科学

Nb3Sn/Nb复合超导体高应变率分子动力学弹塑性变形解耦温升临界性能退化

Nb3Sn composite superconductorshigh strain ratemolecular dynamicsdecoupling of elastic-plastic deformationtemperature risecritical properties degradation

《高压物理学报》 2026 (6)

60-76,17

国家自然科学基金(12502248,12272249,11772212)山西省基础研究计划(202303021211070,202203021212226)

10.11858/gywlxb.20251200

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