作者姓名：裴永茂
　　論文題目：鐵磁智能材料力磁耦合行為研究
　　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(xué)方岱寧教授，于2007年7月獲博士學(xué)位。

　　中文摘要
　　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(qū)動功能，即材料自身能感知環(huán)境變化，并作出相應(yīng)的響應(yīng)，因此在航空航天、MEMS、信息存儲及醫(yī)療器械等技術(shù)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，越來越受人們的關(guān)注。這些材料往往工作在磁場、應(yīng)力場等多場耦合環(huán)境中，其在多場耦合環(huán)境下的磁學(xué)、機(jī)械等物理力學(xué)性能表征以及檢測至關(guān)重要。因?yàn)殍F磁智能材料在磁場、應(yīng)力場及耦合場作用下具有復(fù)雜的非線性響應(yīng)，不同應(yīng)力狀態(tài)下的矯頑場、飽和磁化強(qiáng)度、磁導(dǎo)率、磁致伸縮效應(yīng)，以及不同磁場作用下的彈性模量、應(yīng)變導(dǎo)數(shù)、阻尼等材料性能均會產(chǎn)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(fù)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(shù)方法及設(shè)備，限制了相關(guān)的研究進(jìn)展。這一領(lǐng)域的研究對鐵磁智能材料物理力學(xué)性能的表征、檢測及多場耦合下的非線性行為、滯后響應(yīng)的基礎(chǔ)研究具有重要的意義，對智能材料和結(jié)構(gòu)器件的設(shè)計具有指導(dǎo)作用，將在一定程度上促進(jìn)電磁固體力學(xué)的發(fā)展。
　　本文從實(shí)驗(yàn)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(tǒng)，能夠同時產(chǎn)生強(qiáng)磁場和高機(jī)械載荷，實(shí)現(xiàn)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(chǔ)。該發(fā)明技術(shù)和設(shè)備具有多功能，高載荷，強(qiáng)磁場，高精度和全自動的技術(shù)特點(diǎn)，代表了目前國內(nèi)外發(fā)展的新趨勢，具有很強(qiáng)的國內(nèi)外市場競爭力。并利用該設(shè)備，系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究了超磁致伸縮材料在多軸力磁耦合場作用下的本構(gòu)行為，在國際范圍內(nèi)首次發(fā)現(xiàn)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(xiàn)象等。在理論研究方面，提出了一個唯象的磁疇旋轉(zhuǎn)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(xué)框架基礎(chǔ)上，通過引入Preisach函數(shù)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(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的等效原則，將磁場作用引入相變動力學(xué)，提出了一個簡單的唯象磁致應(yīng)變模型來描述鐵磁形狀記憶合金的磁致應(yīng)變行為。本論文從實(shí)驗(yàn)和理論兩方面系統(tǒng)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(jī)制。在這些工作中，我們?nèi)〉昧艘韵聞?chuàng)新性成果：
　　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(tǒng)，解決了同時產(chǎn)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(qiáng)度能夠達(dá)到1910kA/m；最大載荷可以達(dá)到2000kg；設(shè)計了小型化的液壓驅(qū)動加載裝置，能夠在磁場均勻區(qū)旋轉(zhuǎn)成任意角度，從而實(shí)現(xiàn)多軸力磁耦合場；當(dāng)電磁鐵產(chǎn)生巨大電磁吸引力時，由伺服電機(jī)自動實(shí)時調(diào)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(shù)，實(shí)現(xiàn)了電磁鐵設(shè)備與液壓驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)合，并自行研發(fā)了力磁耦合測控軟件，實(shí)現(xiàn)了全自動化高精度的控制和測量；開發(fā)了多種力磁耦合實(shí)驗(yàn)功能，包含力磁耦合的磁致伸縮，磁滯回線，應(yīng)力退磁化行為，疇變擬彈性行為和磁致斷裂行為等。
　　2.??系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究了超磁致伸縮材料在高載荷、強(qiáng)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(yīng)力應(yīng)變和應(yīng)力退磁化等。在國際范圍內(nèi)首次研究和發(fā)現(xiàn)[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(xiàn)象；彈性模量的各向異性行為；路徑依賴效應(yīng)；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。
　　3.??提出了唯象的各向異性磁疇旋轉(zhuǎn)模型。在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出能量分布參數(shù)為預(yù)應(yīng)力的線性函數(shù)，該模型定量的預(yù)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(yù)測與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合很好；并且假設(shè)能量分布參數(shù)為磁化狀態(tài)的函數(shù)，引入了耗散參數(shù)，描述了磁滯回線和磁致伸縮曲線，在低應(yīng)力和高應(yīng)力區(qū)域均很好的預(yù)測了超磁致伸縮材料的磁滯現(xiàn)象，理論預(yù)測與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合的很好。該模型物理意義明確，表述簡單。
　　4.??提出了一個基于熱力學(xué)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(shù)描述在力磁耦合場作用下疇變演化過程，它滿足實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)同余性和擦除特性，具有明顯的磁滯特征；通過對實(shí)驗(yàn)過程分析，確定Preisach函數(shù)為高斯分布形式；最后將理論預(yù)測和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)僅采用無磁場作用時測量得到的材料參數(shù)，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。
　　5.??提出了一個鐵磁形狀記憶合金的唯象磁致應(yīng)變模型，通過修改傳統(tǒng)形狀記憶合金的相變動力學(xué)公式來描述馬氏體變體擇優(yōu)取向過程；提出了反指數(shù)形式的單一磁化曲線假設(shè)來描述易軸和難軸方向的磁化曲線的非線性；并基于磁致應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的等效原則，將磁場的作用引入相變動力學(xué)公式，理論預(yù)測了鐵磁形狀記憶合金的磁致應(yīng)變行為。通過理論預(yù)測與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比發(fā)現(xiàn)，該模型理論預(yù)測磁化曲線，應(yīng)力應(yīng)變曲線和磁致應(yīng)變曲線均與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。
　　注：需要指出的是自主發(fā)明的高載荷強(qiáng)磁場多軸力磁耦合自動加載與測量方法與技術(shù)及設(shè)備，經(jīng)教育部成果鑒定，鑒定委員會一致認(rèn)為：自行研制的全自動力磁耦合加載與測量設(shè)備，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。該設(shè)備對研究磁性材料的力磁耦合行為，磁致失效行為以及無損檢測技術(shù)具有重要的意義（鑒字?[教N(yùn)F2006]?第030?號）。并獲得2007?年度高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)獎（技術(shù)發(fā)明）一等獎。目前已獲得授權(quán)中國發(fā)明專利5?項，已申報受理中國發(fā)明專利1?項，獲得軟件著作權(quán)1?項。在國家工業(yè)部門和國防裝備建設(shè)以及許多國內(nèi)外高校和研究部門得到了推廣應(yīng)用，為其提供了多場耦合復(fù)雜環(huán)境下物理力學(xué)性能檢測有效的技術(shù)手段，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。主要工程應(yīng)用單位包括中國計量院、北京賽迪機(jī)電新技術(shù)開發(fā)公司、陜西省長安鋼廠、海軍XXX?艦隊基地裝備部、美國阿諾德磁材公司等工業(yè)企業(yè)與國防部門，提高了其物理力學(xué)檢測評價水平，為指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計和保證產(chǎn)品質(zhì)量提供了實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn)，由此帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。主要科研應(yīng)用單位有清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、蘭州大學(xué)、香港大學(xué)、湘潭大學(xué)、北京理工大學(xué)、石家莊鐵道研究院、澳大利亞伍倫貢大學(xué)、?太原科技大學(xué)、裝甲兵工程學(xué)院，有效地提升了這些單位的實(shí)驗(yàn)裝備水平和技術(shù)手段，增強(qiáng)了研究能力，取得了一批學(xué)術(shù)研究成果，由此獲得幾千萬元科研課題項目經(jīng)費(fèi)。同時，北京航空航天大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、韓國高等科學(xué)技術(shù)研究員（KAIST）等單位也準(zhǔn)備購置，并為北京航天航空大學(xué)、中科院物理所和浙江大學(xué)材料系進(jìn)行新型磁材的物理力學(xué)性能檢測，取得了一批科研成果，推動了該領(lǐng)域的科學(xué)進(jìn)展。

　　關(guān)鍵詞：??超磁致伸縮材料；鐵磁形狀記憶合金；力磁耦合；本構(gòu)關(guān)系；