电工|中国工程院院士马伟明：关于电工学科前沿技术发展的若干思考( 七 )

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4.1需求说明
不同于传统机电能量转换装备，电磁能装备受极高功率（数万兆瓦）、极短时间（数毫秒）、极大电流（数兆安）、极高速度（数千米每秒），以及上述物理量极高变化率等极端条件的共同耦合作用，其电磁、温度、应力等物理量的变化率与峰值极大，产生极端的电磁热力冲击环境，在材料上形成巨大的磁场梯度、温度梯度和应力梯度，以及多种高度非线性的瞬时耦合物理效应，这使得在传统周期稳态或准稳态工况下建立的材料模型与性能表征、设计理论、测量技术等无法适用于这种极端的冲击态物理环境。
同时，国内外在冲击条件下材料物性参数演变规律和机理研究尚为空白，传统材料手册上的性能参数均无法表征材料的冲击响应。
可以说，电磁能装备的发展面临设计理论空白、分析方法受限、材料器件脉冲工作状态性能不明、制造工艺薄弱、试验验证、测量手段匮乏等难题。亟需开展传统周期稳态/准稳态工况向极端条件下非周期瞬态工况拓展及电磁能与材料相互作用时空演化机理方面的研究。
4.2关键科学问题
1）极端条件下器件失效机理与尽限应用
工作于非周期瞬态的电磁武器装备受到极端环境和工况的约束，采用现有理论方法进行分析和设计，很难满足其对功率密度和能量密度的苛刻要求。因此，在多物理场瞬态建模方面需要突破电热力多场耦合建模及其高效仿真（见图13），尤其是极端条件下瞬态特性的精确表征；失效机理方面需要突破现有定性或半定量失效分析方法，结合芯片与封装材料物理特性来实现器件可靠性安全边界的量化评估；尽限应用方面需要综合考虑器件建模、失效量化评估、多平台多速率仿真等，探索器件应用极限能力的边界。

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2）极端条件电磁能材料动态响应表征原理
目前，电磁热力多场耦合极端条件下电磁能材料动态响应表征方面的研究是“无人区”，缺乏电磁能材料在极端条件作用下的测试理论和测试方法。传统测试手段一般采用稳态热环境或缓慢热加载，应变率范围窄，难以考虑纯电致塑性效应和温度冲击效应。
而电磁能装备的电磁、温度、应力冲击速率大，多个物理场耦合冲击作用，例如，冲击条件下的电流密度、温升速率和应变率分别是现有测试手段的10000倍、100倍和10000倍。因此，开展多场耦合极端冲击材料物性在线测试和原位观测方法研究，获得电磁热力多场耦合冲击下的材料动态响应表征原理，是电磁能材料性能调控和优化电磁能装备应用性能的关键。
3）极端条件电磁能材料的非线性构效关系
极端条件多场耦合冲击作用下，电磁能材料的构效关系呈“强非线性”特征，国内外在此领域的研究均为空白，电磁能材料的构效关系不完备、性能结果不完善，导致设计理论难突破，严重制约着电磁能装备新材料的研发和装备性能的提升。开展多场耦合极端冲击材料的非线性构效关系研究，明晰材料成分、组织与极端冲击性能关系，是认知电磁能与材料相互作用机理和提升电磁能装备性能的基础。
4）极端条件电磁能装备稳定性与失效机制
电磁能装备工作于电磁热力多场耦合作用的极端工况，与传统机电转换系统不同，其每次运行都伴随着材料性能的明显劣化，直至达到使用寿命进而失效。由于电磁能装备设计面临诊断依据匮乏的难题，无法实现设备状态的实时评估，严重制约了电磁能装备极端工况长期服役的稳定性。