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正负超磁致伸缩复合薄膜静动态特性及控制关键技术

王福吉  
【摘要】:微系统技术日益广泛地用于医学、生物学、半导体等许多科技和工业领域中,发挥了重要作用。传感和驱动功能是微系统技术的核心,微系统技术的发展要求其材料能对外界信号做出灵敏的响应或输出较大的应力和应变。稀土超磁致伸缩薄膜材料是近年来发展起来的一种新型的功能材料,具有磁致伸缩应变大、响应速度快、能量密度高、各向异性值低,软磁特性好、无涡流损耗和高频驱动等优点,易于实现微型化、智能化和集成化。在微驱动器件中应用时,具有很高的响应速度和较大的输出应力,从而在微系统器件(如悬臂梁驱动器、原子力显微镜探针、超声微马达和微泵等)中处于重要地位。超磁致伸缩薄膜作为一种新兴的功能薄膜材料,特别是正负超磁致伸缩复合薄膜,其有利于开发成微型驱动器件的性能特点还不完全被人们所认知。在国家自然科学基金资助下,本论文以这种新型的薄膜功能材料为基础,以超磁致伸缩薄膜悬臂梁为研究对象,采用理论分析与实验研究相结合的方法,对薄膜的磁致伸缩机理、静动态特性及控制方法进行研究,理论与实验研究结果为推广超磁致伸缩薄膜微型器件在微系统中的应用奠定基础。 本论文从微观磁致伸缩机理入手,利用弹性小变形理论和微观量子理论建立了薄膜静、动态微观磁致伸缩方程。制备了性能稳定、磁致伸缩应变大、能量密度高、响应速度快的正负超磁致伸缩复合薄膜,超磁致伸缩复合薄膜的基片有两种,分别为聚酰亚胺薄片和铜薄片。研究分析了制备的超磁致伸缩复合薄膜静态磁化的初始磁化曲线、磁滞回线的变化规律,得到制备薄膜的饱和磁化强度、矫顽力以及退磁场等性能参数与相关物理量之间的关系。 在研究、分析空心圆柱磁场设计方法和计算理论的基础上,针对超磁致伸缩薄膜驱动要求,以磁场强度大小、均匀度分布为目标,对无铁芯、有铁芯两种赫姆霍兹组合线圈的结构尺寸、最优磁场效率系数等进行了设计计算。对设计线圈产生的磁场,以及在这两种磁场作用下,磁致伸缩过程中超磁致伸缩薄膜内部磁场的大小及分布均匀度等方面进行了研究分析。实验结果表明:所研制的两种驱动线圈产生磁场强度的大小足以使超磁致伸缩薄膜产生大的磁致伸缩;线圈产生磁场的均匀度高,能够保证超磁致伸缩薄膜受到一个相对均匀的磁场作用。磁致伸缩过程中,超磁致伸缩薄膜内部磁化磁场的分布非常均匀,大小与薄膜外围磁场强度大小基本一致,方向与薄膜外围磁场方向相反。进一步证明了在薄膜磁-机械耦合模型建立和求解过程中,用超磁致伸缩薄膜外围磁场强度替代薄膜内部磁化磁感应强度的方法是切实可行的。 根据薄膜磁致伸缩能计算理论,从热力学第一定律出发,建立和求解超磁致伸缩薄膜的磁-机械耦合模型。在超磁致伸缩薄膜梁的磁致伸缩测量原理和方法研究的基础上,结合研制的赫姆霍兹线圈结构形式,完善了正负超磁致伸缩复合薄膜梁磁致伸缩的测量系统。通过对正负超磁致伸缩复合薄膜梁磁致伸缩受力状态的分析研究,从理论上推导出薄膜梁磁致伸缩的挠曲线方程,并对通过实验测得薄膜梁上各个位置偏移量方法得出的薄膜梁挠曲线与利用理论方程得出的挠曲线进行对比分析,结果表明实验挠曲线与理论挠曲线基本吻合。提出了正负超磁致伸缩复合薄膜梁固有频率的计算方法及振动方程,并通过实验对薄膜梁的振动波形进行研究,得出了超磁致伸缩薄


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