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《兰州大学》 2010年
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铁磁类材料若干多场耦合行为的实验研究

梁轶瑞  
【摘要】: 铁磁类材料由于其优越的磁敏特性和易于加工的特点,已经被越来越广泛的应用于航空航天、微机电系统、超声波发生等领域,在新型智能材料家族中占有重要的地位。然而,铁磁类材料在磁场、应力场、温度场等多种外部因素耦合作用影响下却具有非常复杂的非线性响应特性,是相应的器件设计和安全、有效、准确发挥其功能的关键。本博士学位论文结合某些工程实际的具体需求,针对具有不同用途的三种铁磁类材料,即:超低碳钢、超磁致伸缩合金、铁镍合金的关键材料性能,特别是力学性能展开了实验研究,重点研究了超磁致伸缩合金棒材在力-磁-热耦合条件下的静、动态响应特性。 通过对超磁致伸缩合金、铁镍合金、超低碳钢在外加非均匀交流和直流电场作用下热传导性能变化的实验研究,发现了非均匀电场对铁磁类材料热传导影响的大小与材料本身的热导率有关,热导率越高的材料对电场的影响越敏感,并给出不同电场形式和强度、不同热导率对铁磁类材料热传导速度的影响规律;基于自主研发的智能温度控制系统并与现有力-磁耦合测试系统相结合,首次成功实现了力-磁-热多场耦合实验环境的模拟,对超磁致伸缩合金棒材在力-磁-热多场耦合条件下静、动态磁弹性响应进行了较为系统的实验测量。一方面给出了静加载情形时超磁致伸缩合金棒材的杨氏模量在多场耦合条件下的变化规律,即ΔE效应的定量规律,以及在多场耦合条件下影响超磁致伸缩合金杨氏模量最小值(也即:材料的安全工作点)的主要因素和规律。在此基础上,给出便于工程应用的反映超磁致伸缩合金棒材在力-磁-热耦合作用下的杨氏模量经验公式。另一方面给出了超磁致伸缩合金棒材在力-磁-热多场耦合条件下磁致伸缩小回线的方向和大小随激励磁场频率、激励磁场强度、预压力、偏置磁场强度、环境温度的变化规律,发现了超磁致伸缩合金棒材在动态响应过程中存在的高阶共振频率随偏磁场的变化发生“漂移”的现象,并进一步研究了超磁致伸缩合金棒材在动态响应过程中存在的激励磁场与应变响应之间的“时滞”效应的大小与预压力、激励频率、环境温度之间的关系,给出了使其响应“时滞”最小(响应速度最快)的激励频率参数;针对于在微型磁控阀门、微型线性马达等微机电系统中有广泛应用的超磁致伸缩薄膜,提出了一种能够有效的提升超磁致伸缩薄膜低场磁致伸缩性能和低场灵敏度的最优热处理温度和热处理时间的参数选取方案;针对常用于热核聚变反应堆(Tokamak装置)外围馈线系统磁敏电子器件磁防护系统中的铁镍合金,提出了一套提高铁镍合金磁导率和磁屏蔽效能的行之有效的优化方法以及铁镍合金磁屏蔽防护罩的设计方案,最终研制出了满足热核聚变反应堆外围磁敏电子器件磁屏蔽需求的磁屏蔽防护罩。
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