超磁致伸縮材料的本構(gòu)理論研究.pdf

1、超磁致伸縮材料作為一種新型的功能材料具有很多優(yōu)越性，目前人們已經(jīng)設(shè)計(jì)并制造出各種智能結(jié)構(gòu)和器件，如：主動(dòng)減振裝置、高精度線性馬達(dá)、超磁致伸縮微泵、微閥門(mén)、微定位裝置等等，使得磁致伸縮材料在眾多的功能材料中備受矚目。然而實(shí)驗(yàn)表明超磁致伸縮材料的本構(gòu)行為具有十分復(fù)雜的非線性特征包括飽和現(xiàn)象、力－磁－熱多場(chǎng)耦合效應(yīng)及磁滯效應(yīng)，對(duì)此認(rèn)識(shí)不清將嚴(yán)重影響以此材料為核心原件的眾多功能器件的設(shè)計(jì)和使用。為此，本文針對(duì)超磁致伸縮材料的復(fù)雜本構(gòu)行為，用不同

2、的方法(熱力學(xué)或磁疇理論或二者相結(jié)合)，從不同的角度(可逆和不可逆磁化過(guò)程)，在不同的適用條件(外加靜磁場(chǎng)或交變磁場(chǎng))下對(duì)超磁致伸縮材料復(fù)雜的非線性本構(gòu)行為進(jìn)行了理論建模，這一理論研究既涵蓋了超磁致伸縮材料的宏觀多場(chǎng)耦合效應(yīng)及磁滯現(xiàn)象，又能從微觀機(jī)理上揭示其物理本質(zhì)，補(bǔ)充和完善了現(xiàn)有超磁致伸縮材料的本構(gòu)理論。 首先，從宏觀連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的角度，將超磁致伸縮材料彈性Gibbs自由能G(σ，M，T)進(jìn)行泰勒展開(kāi)，運(yùn)用熱力學(xué)關(guān)系導(dǎo)出了一

3、個(gè)針對(duì)一維超磁致伸縮材料的能全面描述力－磁－熱耦合行為的非線性宏觀唯象的理想(無(wú)磁滯)本構(gòu)模型。在已有力－磁耦合模型的基礎(chǔ)上該模型不僅涉及了通常的熱應(yīng)力導(dǎo)致的應(yīng)變還涉及了由于熱擾動(dòng)產(chǎn)生的熱磁耦合應(yīng)變；其次，在考慮自發(fā)磁化磁矩間的相互作用能的基礎(chǔ)上重新推導(dǎo)內(nèi)能及彈性Gibbs自由能的表達(dá)式，運(yùn)用熱力學(xué)關(guān)系導(dǎo)出一個(gè)涉及力－磁－熱多場(chǎng)耦合效應(yīng)和“外斯分子場(chǎng)”的有效磁場(chǎng)，并在此基礎(chǔ)上考慮可逆磁化，引入釘匝效應(yīng)引起的磁滯損耗、高頻激勵(lì)引起的經(jīng)典損

4、耗和反常損耗，建立了一個(gè)適用于靜、動(dòng)態(tài)加載條件下的超磁致伸縮材料多場(chǎng)耦合磁滯模型。同時(shí)引入“體積分?jǐn)?shù)”對(duì)此耦合磁滯模型做出修正，使其模擬的次要回線能夠滿足“封閉性”；最后，針對(duì)現(xiàn)有物理模型的不足，從基本的磁疇理論出發(fā)，全面考慮磁疇運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)主要形式——疇轉(zhuǎn)和壁移在外加預(yù)壓力和磁場(chǎng)作用下對(duì)磁化過(guò)程的貢獻(xiàn)，建立了超磁致伸縮材料的一維細(xì)觀模型。與已有模型相比，上述理論模型能夠從定性或定量?jī)蓚€(gè)方面更好的反映實(shí)驗(yàn)揭示的材料的力－磁－熱多場(chǎng)耦合效應(yīng)