作者姓名:裴永茂 8M3DG=D
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论文题目:铁磁智能材料力磁耦合行为研究 :O,,fJ<x.O
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作者简介:裴永茂,男,1979年3月出生,2002年9月师从于清华大学方岱宁教授,于2007年7月获博士学位。 CO
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铁磁智能材料,包括稀土超磁致伸缩材料和铁磁形状记忆合金,同时具有感知和驱动功能,即材料自身能感知环境变化,并作出相应的响应,因此在航空航天、MEMS、信息存储及医疗器械等技术领域有广阔的应用前景,越来越受人们的关注。这些材料往往工作在磁场、应力场等多场耦合环境中,其在多场耦合环境下的磁学、机械等物理力学性能表征以及检测至关重要。因为铁磁智能材料在磁场、应力场及耦合场作用下具有复杂的非线性响应,不同应力状态下的矫顽场、饱和磁化强度、磁导率、磁致伸缩效应,以及不同磁场作用下的弹性模量、应变导数、阻尼等材料性能均会产生明显的差异。然而迄今为止,由于铁磁智能材料的力磁耦合行为的复杂性,这方面的研究成果仍很缺乏,尤其是缺少检测铁磁智能材料力磁耦合性能技术方法及设备,限制了相关的研究进展。这一领域的研究对铁磁智能材料物理力学性能的表征、检测及多场耦合下的非线性行为、滞后响应的基础研究具有重要的意义,对智能材料和结构器件的设计具有指导作用,将在一定程度上促进电磁固体力学的发展。 p8s%bPjK
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本文从实验和理论两个方面深入研究了铁磁智能材料力磁耦合行为。我们自行研制了多轴多功能全自动力磁耦合加载与测量系统,能够同时产生强磁场和高机械载荷,实现了高精度全自动测量和控制,为研究铁磁智能材料的力磁耦合行为奠定了基础。该发明技术和设备具有多功能,高载荷,强磁场,高精度和全自动的技术特点,代表了目前国内外发展的新趋势,具有很强的国内外市场竞争力。并利用该设备,系统的实验研究了超磁致伸缩材料在多轴力磁耦合场作用下的本构行为,在国际范围内首次发现了超磁致伸缩材料的巨大受迫体磁致伸缩,磁致伸缩的“回落”现象等。在理论研究方面,提出了一个唯象的磁畴旋转模型,定量的描述了力磁耦合场作用下的磁致伸缩和磁滞回线行为;在热力学框架基础上,通过引入Preisach函数来描述畴变过程,从而提出了唯象的畴变拟弹性模型来描述超磁致伸缩材料的畴变拟弹性行为;并且利用磁致应力和机械应力的等效原则,将磁场作用引入相变动力学,提出了一个简单的唯象磁致应变模型来描述铁磁形状记忆合金的磁致应变行为。本论文从实验和理论两方面系统研究了铁磁智能材料在耦合场下的非线性滞后行为,成功的解释了其物理机制。在这些工作中,我们取得了以下创新性成果: D ][I#vh
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1. 自行研制了多轴多功能全自动力磁耦合加载与测量系统,解决了同时产生高磁场和高载荷的难题,在极头直径为100mm,极间距为100mm时,最大磁场强度能够达到1910kA/m;最大载荷可以达到2000kg;设计了小型化的液压驱动加载装置,能够在磁场均匀区旋转成任意角度,从而实现多轴力磁耦合场;当电磁铁产生巨大电磁吸引力时,由伺服电机自动实时调控极头间距,避免了手动锁定极头造成损坏极头或者压碎试件;采用绝缘和屏蔽技术,实现了电磁铁设备与液压驱动系统的结合,并自行研发了力磁耦合测控软件,实现了全自动化高精度的控制和测量;开发了多种力磁耦合实验功能,包含力磁耦合的磁致伸缩,磁滞回线,应力退磁化行为,畴变拟弹性行为和磁致断裂行为等。 1G(wE
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2. 系统的实验研究了超磁致伸缩材料在高载荷、强磁场、多轴力磁耦合场作用下的磁弹性行为,包括磁致伸缩、磁滞回线、应力应变和应力退磁化等。在国际范围内首次研究和发现[110]定向多晶Tb0.3Dy0.7Fe1.95合金在力磁耦合场作用下的巨大的受迫体磁致伸缩;磁致伸缩的“回落”现象;弹性模量的各向异性行为;路径依赖效应;擦除特性和同余特性;并研究了其拟弹性行为,首次提出了畴变拟弹性的概念。 &8%^o9sH
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3. 提出了唯象的各向异性磁畴旋转模型。在实验的基础上,提出能量分布参数为预应力的线性函数,该模型定量的预测了超磁致伸缩材料在力磁耦合场下的非滞后的非线性行为,理论预测与实验结果吻合很好;并且假设能量分布参数为磁化状态的函数,引入了耗散参数,描述了磁滞回线和磁致伸缩曲线,在低应力和高应力区域均很好的预测了超磁致伸缩材料的磁滞现象,理论预测与实验结果吻合的很好。该模型物理意义明确,表述简单。 {c1wJ
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4. 提出了一个基于热力学框架的畴变拟弹性唯象模型,通过对畴变过程的分析和简化,给出了一个合适的Gibbs自由能;并引入Preisach函数描述在力磁耦合场作用下畴变演化过程,它满足实验发现同余性和擦除特性,具有明显的磁滞特征;通过对实验过程分析,确定Preisach函数为高斯分布形式;最后将理论预测和实验结果对比,发现仅采用无磁场作用时测量得到的材料参数,该理论模型即可较好的描述在不同恒定磁场作用下的畴变拟弹性变形过程。 EO",|V-
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