作者姓名：裴永茂
Xp+lpVcJ H+{@V B 論文題目：鐵磁智能材料力磁耦合行為研究
Z EK,Z[' 'NMO>[. 作者簡介：裴永茂，男，1979年3月出生，2002年9月師從于清華大學方岱寧教授，于2007年7月獲博士學位。
@<.ei)cqb A$M8 w9 中文摘要
-7KoR}Ck! j{j5TvsrY 鐵磁智能材料，包括稀土超磁致伸縮材料和鐵磁形狀記憶合金，同時具有感知和驅動功能，即材料自身能感知環境變化，并作出相應的響應，因此在航空航天、MEMS、信息存儲及醫療器械等技術領域有廣闊的應用前景，越來越受人們的關注。這些材料往往工作在磁場、應力場等多場耦合環境中，其在多場耦合環境下的磁學、機械等物理力學性能表征以及檢測至關重要。因為鐵磁智能材料在磁場、應力場及耦合場作用下具有復雜的非線性響應，不同應力狀態下的矯頑場、飽和磁化強度、磁導率、磁致伸縮效應，以及不同磁場作用下的彈性模量、應變導數、阻尼等材料性能均會產生明顯的差異。然而迄今為止，由于鐵磁智能材料的力磁耦合行為的復雜性，這方面的研究成果仍很缺乏，尤其是缺少檢測鐵磁智能材料力磁耦合性能技術方法及設備，限制了相關的研究進展。這一領域的研究對鐵磁智能材料物理力學性能的表征、檢測及多場耦合下的非線性行為、滯后響應的基礎研究具有重要的意義，對智能材料和結構器件的設計具有指導作用，將在一定程度上促進電磁固體力學的發展。
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F9o! 本文從實驗和理論兩個方面深入研究了鐵磁智能材料力磁耦合行為。我們自行研制了多軸多功能全自動力磁耦合加載與測量系統，能夠同時產生強磁場和高機械載荷，實現了高精度全自動測量和控制，為研究鐵磁智能材料的力磁耦合行為奠定了基礎。該發明技術和設備具有多功能，高載荷，強磁場，高精度和全自動的技術特點，代表了目前國內外發展的新趨勢，具有很強的國內外市場競爭力。并利用該設備，系統的實驗研究了超磁致伸縮材料在多軸力磁耦合場作用下的本構行為，在國際范圍內首次發現了超磁致伸縮材料的巨大受迫體磁致伸縮，磁致伸縮的“回落”現象等。在理論研究方面，提出了一個唯象的磁疇旋轉模型，定量的描述了力磁耦合場作用下的磁致伸縮和磁滯回線行為；在熱力學框架基礎上，通過引入Preisach函數來描述疇變過程，從而提出了唯象的疇變擬彈性模型來描述超磁致伸縮材料的疇變擬彈性行為；并且利用磁致應力和機械應力的等效原則，將磁場作用引入相變動力學，提出了一個簡單的唯象磁致應變模型來描述鐵磁形狀記憶合金的磁致應變行為。本論文從實驗和理論兩方面系統研究了鐵磁智能材料在耦合場下的非線性滯后行為，成功的解釋了其物理機制。在這些工作中，我們取得了以下創新性成果：
YkFAu8b> M1]}yTCd 1. 自行研制了多軸多功能全自動力磁耦合加載與測量系統，解決了同時產生高磁場和高載荷的難題，在極頭直徑為100mm，極間距為100mm時，最大磁場強度能夠達到1910kA/m；最大載荷可以達到2000kg；設計了小型化的液壓驅動加載裝置，能夠在磁場均勻區旋轉成任意角度，從而實現多軸力磁耦合場；當電磁鐵產生巨大電磁吸引力時，由伺服電機自動實時調控極頭間距，避免了手動鎖定極頭造成損壞極頭或者壓碎試件；采用絕緣和屏蔽技術，實現了電磁鐵設備與液壓驅動系統的結合，并自行研發了力磁耦合測控軟件，實現了全自動化高精度的控制和測量；開發了多種力磁耦合實驗功能，包含力磁耦合的磁致伸縮，磁滯回線，應力退磁化行為，疇變擬彈性行為和磁致斷裂行為等。
<+-=j -{}h6r 2. 系統的實驗研究了超磁致伸縮材料在高載荷、強磁場、多軸力磁耦合場作用下的磁彈性行為，包括磁致伸縮、磁滯回線、應力應變和應力退磁化等。在國際范圍內首次研究和發現[110]定向多晶Tb0.3Dy0.7Fe1.95合金在力磁耦合場作用下的巨大的受迫體磁致伸縮；磁致伸縮的“回落”現象；彈性模量的各向異性行為；路徑依賴效應；擦除特性和同余特性；并研究了其擬彈性行為，首次提出了疇變擬彈性的概念。
7},oY"" 8 %JHv2[r^P 3. 提出了唯象的各向異性磁疇旋轉模型。在實驗的基礎上，提出能量分布參數為預應力的線性函數，該模型定量的預測了超磁致伸縮材料在力磁耦合場下的非滯后的非線性行為，理論預測與實驗結果吻合很好；并且假設能量分布參數為磁化狀態的函數，引入了耗散參數，描述了磁滯回線和磁致伸縮曲線，在低應力和高應力區域均很好的預測了超磁致伸縮材料的磁滯現象，理論預測與實驗結果吻合的很好。該模型物理意義明確，表述簡單。
%AN,cE* UEx13!iFo 4. 提出了一個基于熱力學框架的疇變擬彈性唯象模型，通過對疇變過程的分析和簡化，給出了一個合適的Gibbs自由能；并引入Preisach函數描述在力磁耦合場作用下疇變演化過程，它滿足實驗發現同余性和擦除特性，具有明顯的磁滯特征；通過對實驗過程分析，確定Preisach函數為高斯分布形式；最后將理論預測和實驗結果對比，發現僅采用無磁場作用時測量得到的材料參數，該理論模型即可較好的描述在不同恒定磁場作用下的疇變擬彈性變形過程。
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