作者姓名：裴永茂
　　论文题目：铁磁智能材料力磁耦合行为研究
　　作者简介：裴永茂，男，1979年3月出生，2002年9月师从于清华大学方岱宁教授，于2007年7月获博士学位。

　　中文摘要
　　铁磁智能材料，包括稀土超磁致伸缩材料和铁磁形状记忆合金，同时具有感知和驱动功能，即材料自身能感知环境变化，并作出相应的响应，因此在航空航天、MEMS、信息存储及医疗器械等技术领域有广阔的应用前景，越来越受人们的关注。这些材料往往工作在磁场、应力场等多场耦合环境中，其在多场耦合环境下的磁学、机械等物理力学性能表征以及检测至关重要。因为铁磁智能材料在磁场、应力场及耦合场作用下具有复杂的非线性响应，不同应力状态下的矫顽场、饱和磁化强度、磁导率、磁致伸缩效应，以及不同磁场作用下的弹性模量、应变导数、阻尼等材料性能均会产生明显的差异。然而迄今为止，由于铁磁智能材料的力磁耦合行为的复杂性，这方面的研究成果仍很缺乏，尤其是缺少检测铁磁智能材料力磁耦合性能技术方法及设备，限制了相关的研究进展。这一领域的研究对铁磁智能材料物理力学性能的表征、检测及多场耦合下的非线性行为、滞后响应的基础研究具有重要的意义，对智能材料和结构器件的设计具有指导作用，将在一定程度上促进电磁固体力学的发展。
　　本文从实验和理论两个方面深入研究了铁磁智能材料力磁耦合行为。我们自行研制了多轴多功能全自动力磁耦合加载与测量系统，能够同时产生强磁场和高机械载荷，实现了高精度全自动测量和控制，为研究铁磁智能材料的力磁耦合行为奠定了基础。该发明技术和设备具有多功能，高载荷，强磁场，高精度和全自动的技术特点，代表了目前国内外发展的新趋势，具有很强的国内外市场竞争力。并利用该设备，系统的实验研究了超磁致伸缩材料在多轴力磁耦合场作用下的本构行为，在国际范围内首次发现了超磁致伸缩材料的巨大受迫体磁致伸缩，磁致伸缩的“回落”现象等。在理论研究方面，提出了一个唯象的磁畴旋转模型，定量的描述了力磁耦合场作用下的磁致伸缩和磁滞回线行为；在热力学框架基础上，通过引入Preisach函数来描述畴变过程，从而提出了唯象的畴变拟弹性模型来描述超磁致伸缩材料的畴变拟弹性行为；并且利用磁致应力和机械应力的等效原则，将磁场作用引入相变动力学，提出了一个简单的唯象磁致应变模型来描述铁磁形状记忆合金的磁致应变行为。本论文从实验和理论两方面系统研究了铁磁智能材料在耦合场下的非线性滞后行为，成功的解释了其物理机制。在这些工作中，我们取得了以下创新性成果：
　　1.  自行研制了多轴多功能全自动力磁耦合加载与测量系统，解决了同时产生高磁场和高载荷的难题，在极头直径为100mm，极间距为100mm时，最大磁场强度能够达到1910kA/m；最大载荷可以达到2000kg；设计了小型化的液压驱动加载装置，能够在磁场均匀区旋转成任意角度，从而实现多轴力磁耦合场；当电磁铁产生巨大电磁吸引力时，由伺服电机自动实时调控极头间距，避免了手动锁定极头造成损坏极头或者压碎试件；采用绝缘和屏蔽技术，实现了电磁铁设备与液压驱动系统的结合，并自行研发了力磁耦合测控软件，实现了全自动化高精度的控制和测量；开发了多种力磁耦合实验功能，包含力磁耦合的磁致伸缩，磁滞回线，应力退磁化行为，畴变拟弹性行为和磁致断裂行为等。
　　2.  系统的实验研究了超磁致伸缩材料在高载荷、强磁场、多轴力磁耦合场作用下的磁弹性行为，包括磁致伸缩、磁滞回线、应力应变和应力退磁化等。在国际范围内首次研究和发现[110]定向多晶Tb0.3Dy0.7Fe1.95合金在力磁耦合场作用下的巨大的受迫体磁致伸缩；磁致伸缩的“回落”现象；弹性模量的各向异性行为；路径依赖效应；擦除特性和同余特性；并研究了其拟弹性行为，首次提出了畴变拟弹性的概念。
　　3.  提出了唯象的各向异性磁畴旋转模型。在实验的基础上，提出能量分布参数为预应力的线性函数，该模型定量的预测了超磁致伸缩材料在力磁耦合场下的非滞后的非线性行为，理论预测与实验结果吻合很好；并且假设能量分布参数为磁化状态的函数，引入了耗散参数，描述了磁滞回线和磁致伸缩曲线，在低应力和高应力区域均很好的预测了超磁致伸缩材料的磁滞现象，理论预测与实验结果吻合的很好。该模型物理意义明确，表述简单。
　　4.  提出了一个基于热力学框架的畴变拟弹性唯象模型，通过对畴变过程的分析和简化，给出了一个合适的Gibbs自由能；并引入Preisach函数描述在力磁耦合场作用下畴变演化过程，它满足实验发现同余性和擦除特性，具有明显的磁滞特征；通过对实验过程分析，确定Preisach函数为高斯分布形式；最后将理论预测和实验结果对比，发现仅采用无磁场作用时测量得到的材料参数，该理论模型即可较好的描述在不同恒定磁场作用下的畴变拟弹性变形过程。
　　5.  提出了一个铁磁形状记忆合金的唯象磁致应变模型，通过修改传统形状记忆合金的相变动力学公式来描述马氏体变体择优取向过程；提出了反指数形式的单一磁化曲线假设来描述易轴和难轴方向的磁化曲线的非线性；并基于磁致应力和机械应力的等效原则，将磁场的作用引入相变动力学公式，理论预测了铁磁形状记忆合金的磁致应变行为。通过理论预测与实验结果的对比发现，该模型理论预测磁化曲线，应力应变曲线和磁致应变曲线均与实验结果吻合较好。
　　注：需要指出的是自主发明的高载荷强磁场多轴力磁耦合自动加载与测量方法与技术及设备，经教育部成果鉴定，鉴定委员会一致认为：自行研制的全自动力磁耦合加载与测量设备，填补了国内空白，达到国际领先水平。该设备对研究磁性材料的力磁耦合行为，磁致失效行为以及无损检测技术具有重要的意义（鉴字 [教NF2006] 第030 号）。并获得2007 年度高等学校科学技术奖（技术发明）一等奖。目前已获得授权中国发明专利5 项，已申报受理中国发明专利1 项，获得软件著作权1 项。在国家工业部门和国防装备建设以及许多国内外高校和研究部门得到了推广应用，为其提供了多场耦合复杂环境下物理力学性能检测有效的技术手段，取得了显著的经济效益和社会效益。主要工程应用单位包括中国计量院、北京赛迪机电新技术开发公司、陕西省长安钢厂、海军XXX 舰队基地装备部、美国阿诺德磁材公司等工业企业与国防部门，提高了其物理力学检测评价水平，为指导产品设计和保证产品质量提供了实质性贡献，由此带来显著的经济效益。主要科研应用单位有清华大学、西安交通大学、兰州大学、香港大学、湘潭大学、北京理工大学、石家庄铁道研究院、澳大利亚伍伦贡大学、 太原科技大学、装甲兵工程学院，有效地提升了这些单位的实验装备水平和技术手段，增强了研究能力，取得了一批学术研究成果，由此获得几千万元科研课题项目经费。同时，北京航空航天大学、同济大学、韩国高等科学技术研究员（KAIST）等单位也准备购置，并为北京航天航空大学、中科院物理所和浙江大学材料系进行新型磁材的物理力学性能检测，取得了一批科研成果，推动了该领域的科学进展。

　　关键词：  超磁致伸缩材料；铁磁形状记忆合金；力磁耦合；本构关系；