發現：YBCO二代的新破壞模式和損傷尖端的非晶化現象

　　YBCO二代高溫超導帶材(b)制備的典型超導磁體(a)和蘭州大學提出的極端加載環境下超導帶材原位磁光法損傷檢測的示意圖(c) 蘭州大學供圖

　　如何有效檢測出材料損傷起源與裂紋演化，直接觀測和精確定位損傷部位，建立新的有效實驗檢測方法弄清其內部損傷特征，是提升YBCO二代超導材料性能有效設計與性能評估的挑戰性研究課題。

　　近日，以蘭州大學土木工程與力學學院教授周又和為主導的超導力學研究團隊經過5年的攻關研究，弄清了上述關鍵問題，相關成果以《層狀高溫超導內部損傷模式的檢測》為題發表在《自然—通訊》。

　　YBCO二代高溫超導帶材因其具有高臨界轉變溫度、高不可逆磁場和高載流能力，已成為國際學界高度關注并競相開發應用的一類高性能超導材料，我國上海、蘇州等地也將其列為高新技術材料進行研制開發制備。

　　由于YBCO二代高溫超導帶材是典型的層合材料，在極低溫、強電流和高磁場等極端使役環境下的力學變形不可避免地存在熱失配應力和強電磁應力等因素導致的材料損傷破壞行為，進而制約著這類超導材料及其磁體性能的提升與穩定運行。

　　周又和團隊在前期研究中解決了磁光法在低溫冷屏介質中的非均勻光照圖像標定等技術難題，提出了模擬極端使役環境條件下超導帶材的磁光與拉伸耦合的原位測量方法；實現了YBCO超導帶材在不同環境溫度、不同環境磁場下的高清晰度磁光圖像隨拉伸應力的變化特征，即隨著應變值的升高，超導帶材的磁光測量圖像從穿透起源及其發展的全過程演化，這一演化過程為認知超導帶材內部損傷與裂紋擴展的定量研究提供了基本的關聯信息特征。

　　基于這一特征，團隊提出了對磁通運動與損傷機制認知研究的新途徑，發現了一種點狀磁通運動的新模式及其運動時間尺度的變化特征，即隨著環境溫度從40K升高到60K和77K，運動時間尺度從30ms增加至60ms和100ms；隨著應變的增大，磁通運動由點狀結構變化為紡錘狀的穿透模式，其速度分布具有多級特征，位于（6 μm/s，1059.3 μm/s）區間；通過對穿透面積的統計分析，得到了這種應變驅動的磁通運動模式具有自組織臨界態（SOC）特征，其特征參數為-1.43±0.27；提出了磁光穿透圖像與內部損傷關聯的研究途徑。即將實驗樣品采用逐層化學腐蝕處理，由磁光圖像定位出穿透位置處的SEM掃描結果進行對比，由此得到了帶材內部損傷與裂紋擴展的特征規律。

　　團隊發現YBCO二代超導材料在使役環境下材料損傷的磁場敏感性，即穿透深度遠大于貫穿裂紋，進而揭示出這種損傷模式完全不同于傳統推測的貫穿裂紋破壞模式。其次，通過逐層腐蝕和SEM掃描，還發現了這種YBCO二代帶材從基底向上傳播的新破壞模式，且損傷尖端存在一種非晶化現象。