11月18日，中国科学院公布了2021年增选院士名单，兰州大学超导力学研究院院长、土木工程与力学学院教授周又和榜上有名；此时，周又和集成其团队研究成果所撰写的百万字《超导电磁固体力学》专著经科学出版社申报的国家科学技术学术著作出版基金资助项目的获批也正在公示中，可谓是双喜临门。

    周又和1957年出生于湖北汉川的一个农民家庭，1977年恢复高考后首届考入华中工学院（现华中科技大学）力学专业本科学习，毕业后留校任教，并在校获固体力学硕士学位。1987年9月来兰州大学攻读固体力学专业博士学位，主要从事板壳非线性力学研究，1989年底获博士学位后留兰州大学任教至今。先后获教育部长江学者特聘教授、国家杰出青年科学基金、国家教学名师奖和全国五一劳动奖章等。开展了压电、铁磁、超导材料和风沙电等多场耦合非线性力学研究，取得的成果获国家自然科学奖二等奖2项、国家科学技术进步奖二等奖1项、教育部技术发明奖一等奖1项和IEEE超导委员会国际奖励1项等。他开创的多场耦合超导固体力学，为提升我国超导应用水平和国际影响力做出了显著贡献。

超导力学——强场超导磁体研制中的瓶颈

    1911年，荷兰物理学家在将汞冷却到4.2K（即摄氏温度零下269℃）的极低温时，发现了电阻突降为零的超导现象。100多年来，大量物理与材料科学家投入其中，通过超导物理机制研究和新超导材料的开发制备，来提高超导材料的临界温度、临界电流和临界磁场，成为前沿科学研究中的一个主要领域。与此同时，超导电工界也将研发的高载流新能源超导材料应用到大量的科学与工程装置中，以期来提升这些电磁装置的性能。例如，在强电领域有医用检测的磁共振成像仪、时速可达每小时600千米的超导磁悬浮列车、高能加速器、热核聚变实验堆等，其中的超导磁体与超导块材等为核心部件。

    由于超导材料及其磁体结构处于极低温、强载流和强磁场的极端使役环境，伴随着超导材料进入工程应用，其力学研究自上世纪60年代以来就一直受到重视，成为磁体设计的功能性实现与安全性保障的重要环节。然而，在已有的这些超导力学研究中，主要是将力学量作为使役环境的输出来开展。而在磁体结构的使役中，却还存在着力学量对超导特性的反作用退化效应。由于研究难度太大，后者往往没有被考虑，进而导致设计不能一次达标。例如，原预算100亿欧元的国际热核聚变实验堆（简称为ITER）这一重大国际合作项目，就是依靠大空间超导磁体产生的11T强磁场来约束热核聚变的等离子体流动在一有限空间内进行，我国于2007年加入这一国际合作项目，承担着10%的费用。在这一新能源大科学装置开建后，将所设计的超导磁体基本结构即CICC导体在类ITER磁场下开展运行次数的实验测量时，发现到运行5-6千次后，因载流能力下降而达不到需要的磁场强度，这与2-3万次运行次数的预期目标相差甚远。为此，依照已有设计理论提出了增大绞缆节距（即长绞节距）来提高运行次数，但制备出的样品实验结果却否定了这一预测。然后，通过减小节距（即短绞节距）制备样品，最终得到了可满足运行次数目标的结果。但是，这些实验特征结果却没有理论揭示。这一示例正如挪威著名超导科学家Tom H Johansen于2000年在《超导科学与技术》国际期刊上所发表的综述论文中开宗明义所指出的那样：“超导材料的发展和应用已经到了这样一个转折点，即这类材料对高磁场的力学响应比对超导性质如临界电流的研究更为重要”。

    从研究方法上看，仅考虑使役环境的力学响应研究为单向的即one-way，而在此基础上还考虑力学的反作用效应的力学研究为多场相互作用即two-way。其次，超导磁体还涉及到超导物理非线性、力学参数的场关联非线性、多场耦合非线性及几何上跨尺度表征等复杂性，致使two-way的超导多场耦合力学研究一直处于空白。而在国内，超导力学研究一直是无人区，从而也制约着我国在这一高新技术领域制备的自主设计能力。

    周又和从力-电-磁-热多场强耦合和材料物性-结构制备-力学响应多重非线性交织的学术视角出发，针对超导新能源材料和聚变堆、核磁共振等强磁场大型装置中超导磁体的力学敏感性和力学研究的复杂性与迫切性，提出关键力学问题。在此基础上，从理论建模、装置研制、关键技术、实验和数值模拟等开展系统深入研究，取得了多项重大突破，为提升我国超导应用水平和国际影响力做出了显著贡献。

勇于突破——实现了我国超导磁体设计的力学支撑

    还在新世纪之初，时任中科院近代物理研究所离子源室主任的赵红卫研究员（现为该所党委书记，2019年当选为中科院院士）从文献中查得国内仅周又和团队开展了超导力学的相关理论研究，就直接与周又和联系并当面交流，商讨如何攻克超导磁体设计中的力学困境以及今后合作研究的可能。中科院近物所是我国重粒子高能加速器科学装置研制及其基础物理研究的主导单位，为了提升高能加速器的性能，该所尝试着将原有加速器中的常导磁体改为超导磁体来实施，首台选定为5T超导磁体的粒子源发生器。他们按照电工学的方式和粒子源发生器5T磁体性能要求，在给定磁体几何构型和可达超导电流的情形下，给出了这一超导磁体的设计图纸。但由于没有做过超导磁体的制备，就将其交由德国一公司来实施。该公司在完成第二次制备后，邀请甲方一道测试，通过后就可交付。然而，在施加运行低温与强电流后，又一次发现所产生的磁场性能仍不能达到合同技术指标（每次制备不成功，制备的装置就几乎报废）。就是在这一困境下，赵红卫研究员联系到周又和。周又和看了该磁体图纸后，以他的力学背景知识现场给出判断：超导磁体在低温与强电磁力作用下的变形会使磁场分布发生改变，这样就构成了设计的反问题，即如何在常温环境下选择各结构的构型进行制备后、通过使役环境下的力学变形来实现图纸中的磁体构型。从数学层面上来，对于反问题的研究总是比正问题难得多，加之力学的正、逆效应的相互作用这一“卡脖子”难题，国际上无人涉足，具有极大的挑战性。即便如此，周又和仍以敢于挑战科学难题的雄心和勇气，为了我国这一高新技术的发展，就毅然决然地进入了这一研究领域。

    周又和带领团队创建的超导材料/磁体的力-电-磁-热耦合非线性理论模型中（即two-way），考虑了超导电磁本构非线性及其应变关联非线性、温度敏感与热交换非线性、结构变形与电磁热耦合非线性，然后通过他创立的求解非线性边值问题的通用小波方法和分场降阶迭代法，实现了对多场耦合效应的准确高效计算。通过自编计算程序，准确预测出了超导材料的热磁失稳与磁通崩塌、超导绞缆/带材/磁体等物理与力学的实验特征，开启了超导断裂力学理论研究；揭示出磁通蠕变和磁通钉扎以及应变使超导性能退化的特征规律及其超导性能丧失的失超关联机制等。

    经过这一系列的有效积累，到2014年，周又和团队为近物所一次成功自主制备出的首台5T超导磁体提供了有效的力学支撑，其研究论文在应用超导领域的国际期刊上发表后，引起了美英德等国学者的关注。如2016年美国学者在《超导科学与技术》国际期刊上发表的论文指出，在给出“在运行期间，磁体通电后经Lorentz力在股线上产生更大的应变，这一现象已被数值求解和实验证实。由于其材料的失效应变低，弄清磁体线圈内的应变发展是关键的”这一段肯定评价中，他们2014年发表的论文是此处的唯一引文。由此可见，从力学层面上实现超导磁体设计并被实验证实有效的工作是周又和带领团队首次实现的。其它还有“支撑了磁共振成像仪磁体设计”肯定评价等。在周又和团队的力学支撑下，截至目前，中科院近物所已完成百余台超导磁体的自主制备（包括出口到美国），50亿元的多台大型装置也进入研制。

攻坚克难——填补了我国超导材料实验力学的空白

    超导材料力学性能测量装置和实验研究对于超导新现象新规律的发现和理论研究不可或缺。超导材料的密闭超低温与强磁场强电流使役工况，导致对机械加载、变温调控和力学变形测量极其困难，国内外一直没有全使役场的力学测量装置。

周又和团队研制的国际首台全背景场超导力学实验科学装置

    在国家自然科学基金委的重大科研仪器研制项目的资助下，周又和带领团队攻克了超低温应变测试、超导加载接头、二级超导磁体加磁、两级温控系统、试件大范围变温等12 项关键技术，解决了超导材料力-电-磁-热加载与变形高精度测量的技术难题，成功研制出首台全使役场可调的超导力学实验装置。其它还有开启了三维超导悬浮力特征的实验研究，发现了悬浮力-位移特征曲线上的交叉现象；提出了应变检测失超新原理新方法及应变率新判据，显著提高了磁体安全性检测的精准度；针对接头材料强烈影响超导磁体性能这一瓶颈，发现了预应力同时影响接头电阻与力学强度新现象，提出了预应力调控与低温区焊接新工艺，制备出高性能接头；提出的超导带材剥离强度实验获建国家标准等。

    研制的装置被英国学者认为是“世界领先的（world-leading）”；发现的交叉现象被国际超导专家Sanchez列为超导悬浮“深入理解和改进性能作出了实验和理论研究大量努力”的最新工作；提出的应变率判据被国际论文肯定“能作为失超的一个判据”；发明的接头材料被日本大版大学超导中心主任等学者肯定“具有高机械强度，可使超导磁体制备得更小”“可现场灵活制备”等。

    目前，周又和团队建立超导实验测量装置等已在国内多家单位得到应用。如应变检测技术被中科院近物所应用后，被肯定具有“高精度“、成为”加速器磁体的重要检测手段”；西北有色金属院肯定兰州大学提供的力学测量结果“为新一代Bi 超导材料制备提供了重要的参考依据”；发明的焊接工艺被西部超导公司应用后认为“解决了接头材料制备的关键技术难题及磁体运行不稳定困境”等。

面向未来——我国自主建堆的力学新挑战

    2017年，在北京召开的“ITER十周年”大会上，中科院等离子研究所李建刚院士代表我国宣布未来自主建立“中国聚变工程试验堆”的计划，目标是将聚变新能源装置从实验研究走向工程应用的阶段性论证。该装置磁场强度为14-16T，总概算为670亿元，2019年已启动该装置研制的60亿元工程论证项目。

    由于这一聚变工程试验堆的磁场强度高于ITER国际合作项目，其超导磁体的研制设计也就会遇到更多的力学问题。为此，在2018年启动的中科院先导B计划“下一代高场超导磁体关键科学与技术”中，针对力学需求，周又和于2019年被邀请参加到这一项目研究中，主要针对其强场超导磁体力学开展进一步的深入研究。

    此前，周又和团队针对ITER聚变新能源装置中的超导CICC导体基本结构国外所开展的运行次数实验特征，通过建立理论模型对所有实验特征均给予了有效的定量揭示。这一论文于2018年在《Acta Mechanica Sinica》发表后，引起了李建刚院士团队的关注。他们在基础实验与这一理论模式的指导下，采用短绞节距制备出CICC导体样品，并将样品送到欧洲实验室开展性能测试，证实了这一选择是合适的。正如他们就此研究于2021年发表的论文中所指出：周又和等人的这一理论给出了“短绞节距电缆模式表现出比长绞节距电缆模式具有更高的横向机械强度，其定量研究……为实验结果提供了好的支撑。所以，对于中国聚变工程试验堆的TF原型线圈的HF导体，短绞节距电缆模式是首选。”

李建刚院士于2019年参观考察兰州大学自主研制的全背景场超导材料实验力学装置

    此外，应李建刚院士的要求与建议，期待周又和团队能尽快将目前5T背景磁场的全使役环境的超导材料实验力学装置提升到14-16T背景磁场，以满足中国聚变工程试验堆中磁体研制设计中所需的超导材料基本性能实验测量的需求。做过装置的研究人员都深知，这不是简单的放大就可以实现的。但是，周又和带领团队仍然在不懈努力，通过寻找能攻克的突破路径，来满足我国前沿科学与工程研究的重大需求，进而来推动科学研究的不断向前发展。

    文:法伊莎,李蕾

    编辑:段晓耀

    责任编辑:彭倩