超磁致伸縮材料、器件損耗理論與實驗研究.pdf

1、基于材料本身的各種物理效應(yīng)，智能材料可實現(xiàn)電、磁、熱等能量與機械能之間的相互轉(zhuǎn)換，是集驅(qū)動與傳感于一體的新型功能材料，并成為從大功率換能器件到微納尺度元件設(shè)計與制造的基礎(chǔ)。常見的智能材料包括超磁致伸縮材料、壓電材料、形狀記憶合金、電致伸縮及磁流/電流變液等材料，它們在精密驅(qū)動、超精密加工、超聲切削、振動主動控制及無損檢測等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。智能材料在能量轉(zhuǎn)換的過程中普遍存在輸入信號與輸出信號之間的遲滯行為，對于超磁致伸縮材料，其體現(xiàn)為

2、磁滯，實際上是一種能量的損耗。本文針對超磁致伸縮材料的磁滯行為，以材料物理本質(zhì)屬性為基礎(chǔ)，采用磁、機械、磁機耦合三種損耗及其相應(yīng)損耗因子來表征材料的磁滯行為，研究了三種損耗因子的計算與測量方法，為超磁致伸縮材料在高頻、大功率等場合下的應(yīng)用提供分析與建模的基礎(chǔ)。
　　 本文所做的主要研究工作及創(chuàng)新點體現(xiàn)在以下四個方面：
　　 1、超磁致伸縮材料磁滯非線性建模的方法包括基于物理磁滯模型，如Jiles-Atherton磁滯模型

3、、自由能模型，以及基于數(shù)學(xué)方法的Preisach磁滯模型等，但這些模型在動態(tài)應(yīng)用條件下的時間響應(yīng)性、計算復(fù)雜度以及在表現(xiàn)材料物理本質(zhì)屬性方面皆有一定局限性。磁滯從物理的本質(zhì)上講實際上是一種能量的損耗，本文基于Gibbs、Helmholtz自由能推導(dǎo)的線性壓磁本構(gòu)方程組，采用磁、機械、磁機耦合三種損耗及其損耗因子來表征材料的磁滯行為，在內(nèi)耗理論的基礎(chǔ)上分析了磁滯損耗的物理本質(zhì)，保證了磁滯表征方法在動態(tài)應(yīng)用中的簡潔直接、快速響應(yīng)及準(zhǔn)確的特點

4、。
　　 2、磁、機械、磁機耦合三種損耗因子表征的理論基礎(chǔ)是超磁致伸縮振子的阻抗表達(dá)及其與共振和反共振點的機械品質(zhì)因素之間的關(guān)系?？紤]到磁致伸縮材料的各向異性，同時建立了k33、k31、kt、kp、k15五種振子振動模式的阻抗表達(dá)，并推導(dǎo)出各模式下的磁、機械、磁機耦合損耗因子與機械品質(zhì)因素Q之間的關(guān)系表達(dá)。
　　 3、在實驗方法上，建立了磁滯損耗因子的高能量表征實驗平臺，以k33軸向伸長模式為基礎(chǔ)，獲得了該模式下的損耗因

5、子及其在各種偏置磁場條件下的變化趨勢及若干關(guān)鍵參數(shù)的變化特征。采用區(qū)別于驅(qū)動線圈的感應(yīng)線圈的阻抗特性，以降低線圈本身參數(shù)屬性對振子阻抗特性及損耗因子的影響。同時，將考慮損耗因子的等效電路分析方法應(yīng)用到超磁致伸縮換能器的建模中。并分析了恒定電流驅(qū)動(磁場恒定)、恒定電壓驅(qū)動(磁感應(yīng)強度恒定)以及恒定振幅輸出(輸入功率恒定)三種驅(qū)動方式對損耗因子實驗測量過程的影響。
　　 4、渦流損耗是超磁致伸縮材料動態(tài)應(yīng)用的另一種主要損耗，其大小

6、與材料的物理屬性(電阻率、磁導(dǎo)率)、幾何形狀(圓柱、疊片等)及器件工作的頻率密切相關(guān)。決定渦流損耗的關(guān)鍵因素是渦流截止頻率，抑制渦流損耗的方法包括提高材料的電阻率或采用薄片及其疊堆形式的材料結(jié)構(gòu)。為降低渦流損耗對超磁致伸縮材料磁滯損耗分析過程的影響，本論文分析了整體棒狀結(jié)構(gòu)與疊堆結(jié)構(gòu)的超磁致伸縮棒的渦流損耗模型，通過試驗分析了兩種結(jié)構(gòu)材料的渦流損耗對器件阻抗頻譜及振動輸出的影響，驗證了實驗結(jié)果與模型的一致性。
　　 以上研究成果