铁磁成分变化对复合型多铁性材料磁电效应的影响

利用密度泛函方法计算铁电体和3d过渡金属的复合薄膜在铁磁组分改变下磁电效应的变化,以期寻找到具有更大磁电效应的铁磁铁电成分组合.     

多铁性复合材料非理想界面的模拟及其影响

为研究多铁性复合材料中界面特性对磁电耦合的影响,建立一种采用界面内聚力单元的多铁性复合材料有限元分析模型.基于压电和压磁材料本构关系的模拟特性,采用压电有限单元模拟各单相材料;将内聚力模型用于表征界面上相间相互作用力和位移间断之间的关系,可描述非理想界面的刚度和强度,并通过相应的内聚力单元来实现.各种非理想界面状况可通过调节内聚力模型参数来表征,而理想界面可通过对界面刚度加强来模拟.具有理想界面的层状多铁性复合材料的算例分析结果与文献一致.采用本文的有限元模型分析了非理想界面的刚度对磁电耦合的影响,计算了相应的磁电耦合系数.结果表明,界面刚度对复合材料的磁电系数有重要影响,当界面刚度足够大时,界面特性接近于理想界面,磁电系数趋于恒定.本文方法和结果对理论和实际中界面处理、磁电耦合性能的预测具有参考意义.     

高性能稀土-铁系超磁致伸缩复合材料的磁特性研究

以粉末粘结、模压成型方法,研制环氧树脂粘结稀土-铁系超磁致伸缩复合材料.采用电阻应变片技术,研究树脂含量、压应力大小对复合材料的磁致伸缩性能的影响规律.结果表明,当合金粉末与树脂体积比为9:1时,在1 MP压应力下其饱和磁致伸缩系数高达1070×10-6.树脂含量、压应力大小对复合材料的磁致伸缩特性的影响很大.过高或过低的树脂含量均不利于材料的磁致伸缩性能的提高,获得较高磁致伸缩性能时的合金粉末与树脂最优体积比为7:3.较小压应力能提高材料的磁致伸缩性能,压应力进一步增大则磁致伸缩性能降低,特别是在低磁场下,在较大预加应力条件下测得的样品的磁致伸缩性能较低.获得较高磁致伸缩性能时的压应力为1MPa.     

超磁致伸缩致动器动态特性分析与实验研究

基于超磁致伸缩材料磁滞非线性,结合其致动器结构,推导了致动器的动态应变模型.为了验证模型的准确性,进行了致动器动态特性测试,测试结果和理论仿真结果基本一致,为致动器的实际使用打下了基础.     

多棒结构磁致伸缩换能器的磁场研究

基于换能器的不同应用背景,设计了2台换能器样机,分别为应用于高频的双棒结构换能器样机和应用于微米级抛光的四棒结构换能器样机。基于Maxwell方程组,应用有限元方法对两台多棒结构换能器样机进行了磁场分析,确定了最佳磁路结构。研究发现,在6 000 Hz频率和2 A励磁电流下,驱动线圈串联的双棒结构换能器的平均磁通密度为0.879 T。与其他磁路结构相比,它的磁通密度更高且更均匀,适用于高频换能器。对四棒结构换能器进行不同激励条件下的磁场分析,结果可知A棒和C棒的磁通密度相位相差180°,B棒和D棒的磁通密度相位也相差180°,磁通密度峰值均为0.45 T。4个磁致伸缩材料棒之间形成闭合回路,漏磁较小,具有三维位移输出,此磁路结构适用于微米级抛光的换能器。     

高性能粘结超磁致伸缩复合材料的制备与性能表征

采用自行设计的简易压缩成型装置,以粉末粘结工艺,制备了环氧树脂粘结超磁致伸缩材料。对设计制造的成型模具及粘结超磁致伸缩材料的制备工艺及性能进行了研究。采用扫描电子显微镜（SEM）、排水测密度法、Agilent 4294A动态阻抗分析仪、电子万能试验机以及电阻应变片技术,表征了采用该装置和工艺制备的粘结超磁致伸缩材料的显微组织结构、密度、高频响应、力学性能、磁致伸缩及压应力特性。结果表明,采用该装置和工艺制备的粘结超磁致伸缩材料,组织均匀致密,气孔率低,性能重复性好,在420MPa的高压成型过程中无漏料现象发生,特别是材料的致伸缩伸缩性能高,无预压应力情况下其饱和磁致伸缩系数达820×10-6,在1MP压应力下其饱和磁致伸缩系数高达1006×10-6,同时该材料具有较高的截止使用频率。该制备方法具有成本低、成型设备及工艺简单、容易操作及产品性能高等优点,适合于工业生产。对复合材料性能改进的机理进行了阐述。     

高性能粘结超磁致伸缩复合材料的制备与性能表征

采用自行设计的简易压缩成型装置,以粉末粘结工艺,制备环氧树脂粘结超磁致伸缩材料.对设计制造的成型模具及粘结超磁致伸缩材料的制备工艺及性能进行研究.采用扫描电子显微镜(SEM)、排水测密度法、动态阻抗分析仪、电子万能试验机以及电阻应变片技术,表征粘结超磁致伸缩材料的显微组织结构、密度、高频响应、力学性能、磁致伸缩及压应力特性.结果表明,所制备的粘结超磁致伸缩材料,组织均匀致密,气孔率低,性能重复性好,在420 MPa的高压成型过程中无漏料现象发生,特别是材料的致伸缩性能高,无预压应力情况下其饱和磁致伸缩系数达820×10-6,在1 MPa压应力下其饱和磁致伸缩系数高达1006×10-6,同时该材料具有较高的截止使用频率.该制备方法具有成本低、成型设备及工艺简单、容易操作及产品性能高等优点,适合于工业生产.对复合材料性能改进的机理进行了阐述.     

步行能量采集器中磁致伸缩材料的机-磁耦合特性研究

针对步行能量采集器中磁致伸缩材料的机–磁耦合特性,提出了一种磁致伸缩材料机–磁耦合特性的研究方法,通过观察磁畴角度偏转的规律,研究应力和磁场载荷同时作用下的超磁致伸缩材料的机–磁耦合特性.发现外加磁场增加有利于磁畴的偏转和跃迁,而应力各向异性能不利于超磁致伸缩材料磁化的进行,使超磁致伸缩材料的磁化更加困难.依据以上结论选择最佳的外加磁场和应力的取值,并且计算磁致伸缩材料对外产生的磁化强度,该磁化强度具有更高的效率.     

基于Preisach修正模型的GMA前馈补偿研究

超磁致伸缩驱动器(GMA)的磁滞建模与非线性补偿是实现GMA高精度定位的基础。根据GMA的特点,提出了GMA的磁滞Preisach修正模型建模与非线性补偿方法。设计制作了一台GMA样机,对其主磁滞回线和一阶折返曲线进行了精密测量,基于实验数据建立了驱动器的Preisach磁滞修正模型。为了避免对Preisach算子求逆,提出了一种以主磁滞回线升程为基准的输入校正迭代算法,并以此设计了驱动器的前馈补偿器,实验表明,提出的GMA前馈补偿方法具有较高的精度,其定位误差不超过1%。     

超磁致伸缩薄膜磁-机械特性的弱耦合与强耦合模型的比较研究

随着微机械制造工艺和材料工业的发展,超磁致伸缩薄膜材料的研究与应用成为近年来磁致伸缩应用领域一个新的研究热点．建立超磁致伸缩薄膜的磁一机械特性模型,对于指导器件的设计、仿真具有重要意义．薄膜尺寸非常小,用有限元方法进行单元剖分时会产生严重的网格变形,降低计算精度,这里选用无单元Galerkin方法有效地解决了这一问题．本文对弱耦合模型和强耦合模型进行了分析,对强耦合方法进行了有效的改进,并应用数值计算方法对两种模型进行了比较。     

0-3型γ-C_2S压电复合材料的制备及性能研究

以γ型硅酸二钙(以下简称γ-C_2S)为基体,以锆钛酸铅(PZT)为压电相,用压制成型、碳化养护方法制备出0-3型γ-C_2S压电复合材料。分析了压电相体积分数及粒径分布、成型压力、碳化时间和极化时间对复合材料压电性能的影响,结果表明:复合材料压电性能在一定范围内随着压电相体积分数、成型压力、极化时间的增加而提高。在压电相体积分数从40%增加到85%时,复合材料压电应变常数d_(33)从4.78 pC/N提升到67.8 pC/N;在压电相体积分数保持为60%,成型压力从50 MPa增加到200 MPa时,复合材料压电应变常数d_(33)从14.6 pC/N提升到17.8 pC/N;在保持体积分数、成型压力一定时,极化时间为30 min较15 min复合材料具有更高的压电应变常数。同时,合理的颗粒级配对复合材料的压电性能也有显著的提升,当压电相体积分数为60%时,压电相陶瓷颗粒采用大颗粒、小颗粒混掺时复合材料压电性能得到显著提升,压电应变常数较只有小颗粒提升了1倍,达到33.9 pC/N。     

基于正交建模的空间柔顺构件多目标优化

为满足超磁致伸缩材料精密加工异形孔的刚性、稳定性等要求,根据材料驱动特性对空间柔顺构件多个性能参数(驱动刚度、抗扭转刚度和一阶固有频率)进行优化设计,给出一种基于正交仿真试验和遗传算法的多目标优化方法.该方法通过主结构离散参数值的正交排列组合和有限元仿真获得两者的映射试验表,再采用回归拟合的方法建立各性能参数与主要结构参数的优化模型,经多目标遗传算法获得一组最优解,使柔顺构件弯曲变形量、扭转变形量、一阶固有频率分别为51.6um、3.3um、849.7 Hz,满足超磁致伸缩驱动特性和异形孔精密加工的要求.     

"稀土巨磁致伸缩材料的制备、磁性和致动器模型研究"项目通过鉴定

由河北省科学技术厅组织,河北省自然科学基金委员会和教育厅主持的“稀土巨磁致伸缩材料的制备、磁性和致动器模型研究”项目于2004 年2 月通过鉴定. 该项目由王博文教授主持,主要参加人员有闫荣格,曹淑瑛等.鉴定委员会主任由东北大学何开元教授担任.鉴定意见认为,该项目在以下几方面具有创新性成果. 1)采用电弧熔炼和高温退火方法成功地合成了(Sm0.5Nd0.5) Fe2化合物,推翻了Pinkerton 等人认为只有采用快淬法才能获得此种化合物的结论; 2)首次采用高温加低温两次退火方法制备了粘结Tb-Dy-Fe 合金棒材,使棒状试样的动态磁致…     

基于轴向非均匀磁场的GMA磁滞主动抑制研究

项目以稀土超磁致伸缩致动器（GMA）为对象，针对其磁滞非线性展开研究。稀土超磁致伸缩微驱动器（GMA）输出位移具有很强的磁滞非线性，严重影响了GMA系统的控制精度。抑制或减弱其磁滞误差是GMA研究取得突破的关键。     

变刚度多稳态复合材料结构设计与性能分析

通过研究复合材料层合板结构局部纤维角变化的理论模型与刚度变化的关系,设计2种变刚度多稳态复合材料层合板结构. 对变刚度多稳态复合材料结构进行建模,运用Matlab求出不同的平衡方程解,得到变刚度多稳态复合材料结构的稳态构型. 制备相应的实验试件,测量变刚度多稳态复合材料结构不同稳态转变时的力学性能,通过有限元软件Abaqus模拟变刚度多稳态复合材料结构的降温冷却过程,得到平衡稳定状态的数值解. 结合理论、数值与试验,分析变刚度多稳态复合材料结构的稳态构型、稳态转变最大载荷及载荷-位移曲线的变化规律.     

基于超弹性基体的大应变复合材料制备与性能研究

采用物理共混工艺制备了聚二甲基硅氧烷/多壁碳纳米管(PDMS/MWNTs)复合大应变敏感材料,研究了掺杂比例对其大应变敏感特性的影响;在形貌表征基础上建立了敏感机理模型。初步探索了MWNTs和石墨填充PDMS复合材料的大应变特性。结果表明,PDMS/MWNTs复合材料相对电阻变化率与大应变成良好的线性特性,其中MWNTs掺量为9 wt%时复合材料表现出最优的应变特性,应变系数达到3.1;MWNTs和石墨填充PDMS复合材料电阻变化随大应变表现出非线性特性,分析认为MWNTs的远程导电网络和石墨的近程导电网络相互补充,搭建起更加稳定的导电通路,从而减缓了电阻的线性增大。     

1-3型压电复合材料发射换能器研究

针对1-3型压电复合材料换能器完整模型节点数多、计算时间长,周期模型不能直接模拟换能器水中响应特性等问题,提出了应用ANSYS软件分析1-3型压电复合材料发射器的方法,并利用此方法和厚度模式理论设计了1-3型压电复合材料发射器.同时对厚度模式理论及有限元法计算结果和试验结果三者做出了对比分析.研究结果表明,所采用的有限元法计算结果与测试结果吻合较好,制作的复合材料发射换能器谐振频率为300 kHz,最大发射电压响应为178 dB,且厚度模态纯净.     

5-甲基-2-硫代尿嘧啶紫外和振动光谱研究

采用密度泛函理论计算获得了5-甲基-2-硫代尿嘧啶(5M2TU)在气相和导体极化连续介质模型(CPCM)中的光谱,通过与FT-Raman实验光谱进行比较,发现加上溶剂模型的计算的拉曼光谱与实验比较吻合.获得了5M2TU在水、甲醇和乙腈中的紫外吸收光谱,发现在不同溶剂中吸收带会发生不同程度的位移.开展了5M2TU的紫外光谱指认,指认了在乙腈溶剂中200～330nm范围内的三个吸收带分别为πH→π*L,πH→π*L+1和πH-2→π* L+1的跃迁.在B3LYP/6-311++G(d,p)水平上,采用CPCM溶剂模型(水溶剂中)优化了5M2TU-nH2O(n=1,2)可能的稳定结构,并获得了它们的计算振动频率.研究结果表明偶极耦合和氢键作用是导致C=O伸缩振动频率向低波数位移的主要原因.     

Rp2Fe17型稀土-过渡族金属化合物磁制冷性能的研究

通过理论分析与预测,发现Re2Fe17型稀土一过渡族元素形成的化合物具有明显的制冷效果,在此基础上钭其制成合金试样,并在自行设计的测定退磁制冷温差ΔT值的测量装置上进行测试,结果为：Ce2Fe17-xCox及Er2Fe17-xNix(x=0.3-2.0)稀土铁磁金属化合物在外加磁场H．2T,t=20度时,即室温附近有明显的制冷效果,前者退磁后制冷温差ΔT＝4．75K,后者为ΔT=4．51K,基本与目前室温附近制冷效果最好的纯金属Cd接近（T＝5．25K）,但其价格约为Gd的1／3,可取代Gd作为室温磁制冷材料。