第2章 多物理场环境下Nb₃Sn超导体相转变的经验和半经验模型

Nb₃Sn超导磁体运行工况极端特殊（极低温环境：4.2K；强磁场环境：12T；强运行电流水平：68kA），为了保证超导体的安全运行，工程设计要求环境温度、磁场强度及运行的电流水平在超导体的临界曲面以内。超导体的临界曲面由临界电流密度（J_c）、临界磁场（H_c）、临界温度（T_c）三个重要的基本参数构成，曲面边界曲线分别对应临界磁场随温度的变化（H_c（T））、临界电流密度随磁场的变化（J_c（H））及临界电流密度随温度的变化（J_c（T））。当Nb₃Sn超导体工作时，制备温度和使用温度的巨大差异，导致热残余应力的产生，同时，强背景磁场强度对运行电流的作用会导致电磁应力的产生；在热残余应力和电磁应力的联合作用下，Nb₃Sn超导体的临界性能发生变化，相应的临界曲面发生漂移。对于磁体工程用Nb₃Sn超导体而言，它的安全工作范围除取决于三个重要的基本参数外，还受超导体应力应变状态的制约。

建立包含应变效应的力—电磁—热耦合本构关系，对于Nb₃Sn超导体的性能预测分析和高应变耐受性超导体的开发具有重要作用。应变的张量属性和Nb₃Sn超导体临界性能的多物理场耦合特性给这一本构关系的建立带来了很大的困难。基于实验观测结果，通过数值分析技巧，可以用最少的经验参数实现对实验观测规律的刻画。在早期的Nb₃Sn超导磁体设计和制造中，这类经验模型起到了重要作用，它们积累了对Nb₃Sn超导体复杂多物理场耦合行为的认识，揭示了应变作用下临界电流密度演化与临界温度、上临界磁场强度演化之间的内在联系。