磁敏弹性膜的研制、性能表征及应用研究进展

磁敏弹性膜是一种新型的智能材料,其力学、电学、磁学、声学等性质能够受外加磁场的控制,从而在多个领域展现在广泛的应用前景。本文首先从材料设计、制备工艺、结构设计等方面综述了磁敏弹性膜的研制方法,随后详细阐述了磁敏弹性膜的力学、电磁、声学等性能表征及内部机理,最后介绍了磁敏弹性膜在传感器、执行器、柔性机器人等领域的应用,在上述基础上,展望了磁敏弹性膜的发展,也提出了面临的问题及挑战。     

软磁材料的力磁耦合本构的实验研究

磁性材料已经在新技术中起着重要的作用,研究这些磁性材料的力学规律对于磁性材料的应用和发展至关重要.软磁材料在工作状态时,一般受到机械应力场和电磁场双重耦合场的作用,其本构关系本质上是非线性的.这给理论模拟带来了很大困难.目前无论是从实验方面或者是理论模型方面,对软磁材料的力磁耦合本构关系的研究都很不成熟.本文用实验方法,研究了高纯度镍和锰锌复合铁氧体这两种传统软磁材料的力磁耦合本构关系.研制了力磁耦合加载设备,测量设备和监控设备.采用铁氧体粉末烧结方法,烧制了实验所需的圆柱状实验试件.实验结果表明,外加应力对镍和锰锌铁氧体材料的磁致应变具有重要影响,较大预加应力对镍的磁化强度产生较明显的影响.而外应力对锰锌铁氧体材料的磁化曲线影响很小.     

天然橡胶基磁流变弹性体的研制与表征

磁流变弹性体又称磁敏高弹体,是一种由高分子聚合物和磁性颗粒构成的新型智能材料,它的力学、电学、磁学等诸性能可以由外加磁场来控制,因此磁流变弹性体在舰船、振动控制等领域具有广泛的应用前景.但目前国际上研制的磁流变弹性体存在机械性能不够好和磁致效应不够强的问题,这制约了基于磁流变弹性体器件的设计和应用.为了制备出实用型磁流变弹性体,本文对其制备条件进行了研究,包括基体类型、预结构化时磁场强度和温度、增塑剂和磁性颗粒含量对磁流变弹性体磁致效应的影响.结果表明,以天然橡胶为基体的磁流变弹性体,在高于600mT外加磁感应强度下,当磁性颗粒含量为80%(质量比)时,剪切模量的相对增量达133%;而当磁性颗粒含量为90%时,剪切模量的绝对增量达4.5MPa.本文还对磁流变弹性体应用环境进行了实验研究,结果表明磁流变弹性体在小应变下显示出更强的磁致效应,而激励频率不改变材料的磁致模量.     

微磁检测应力和塑性区的磁弹塑耦合理论

金属磁记忆微磁检测方法, 利用铁磁材料局部磁性状态的变化, 进行应力集中或塑性区域位置及程度的检测与评价. 面向微磁信号的定量理论分析可对其工程领域应用提供重要指导. 本文介绍铁磁材料微弱环境磁场下的磁弹塑性本构进展, 及其在微磁信号分析方面的应用. 力磁本构关系方面, 针对微磁检测弱磁化条件, 基于有效场理论构建了受弹塑性载荷铁磁材料的理想磁化本构的显式解析式, 并结合接近原理分析了恒定外加微弱磁场下应力-应变对材料磁化强度的影响. 检测信号分析方面, 基于弹性力学理论、静磁学理论和新建立的磁弹塑性本构关系, 建立并求解了微弱磁场下铁磁试件中弹性应力或塑性区诱导的表面磁信号的二维分析模型. 结合实验结果证实其在刻画弹塑性因素对微磁信号影响规律方面的能力, 并详细分析了微磁信号的特征量与局部弹性应力或塑性区的尺寸间的相关关系. 相比已有力磁本构关系, 本文建立的显式解析形式的理想磁化更加简洁, 有助于提升对力磁耦合效应的定量化理解和应用.      

磁致伸缩主被动隔振装置中的磁机耦合效应研究

磁致伸缩材料和柔顺位移放大机构组成的主动驱动装置具有精度高、驱动力大等特点.将其与被动隔振装置并联,形成主被动隔振装置,可以弥补纯被动隔振在低频和微幅扰动工况下的不足.本文针对这类磁致伸缩主被动隔振装置进行磁机耦合效应研究.基于Jiles-Atherton模型,分析了磁致伸缩材料所受应力对有效磁场、磁化强度、磁致伸缩系数和材料杨氏模量的影响,表征了材料磁机耦合效应.在此基础上,建立了主被动隔振装置的动力学模型,分析了主动驱动装置与被动隔振装置间的耦合作用.在耦合作用影响下,若被动隔振装置刚度不同,即使输入磁场相同,驱动器产生的驱动位移和驱动力也不相同.磁致伸缩材料的变刚度效应使隔振装置整体等效刚度不再为定值,从而影响被动隔振效果.本文提出了通过柔顺机构参数设计减小前述两种耦合影响的方法.数值仿真结果表明,磁致伸缩主被动隔振装置在低于、接近和高于谐振频率三类扰动下,都能达到比被动隔振更好的振动抑制效果.此外,仿真结果验证了考虑磁机耦合效应的数值模型具有更高精度.      

低碳钢塑性变形量磁评定法研究

针对塑性变形量评定的局限问题,基于铁磁材料塑性变形致位错在不同方向分布不同的现象,研究了磁测法在定量评定低碳钢塑性变形量方面的应用前景。实验以工程中常用的低碳钢Q195钢板为测试材料,制作了形状尺寸一致的一批试件,并对其进行了不同程度的塑性变形量加载。通过搭建的磁化检测系统,采用相同强度及频率的正弦波激励,对所有样品进行了不同方向的磁化;同时经线圈及隧道磁敏电阻(TMR)采集了每次磁化的磁化曲线,提取了磁化曲线特征参数,对比了其与塑性变形量的定量关系。结果表明:随着塑性变形量的增加,铁磁钢材在同一磁场强度下产生的磁感应强度也会变大;沿主塑性变形方向磁化时,磁滞消耗能量最少,沿主塑性变形垂直方向磁化时,磁滞消耗的能量最多;磁路内磁场在主塑性变形方向上对塑变量的变化最敏感,而磁路外磁场在主塑变垂直方向上对塑变量的变化最敏感。实现了铁磁材料磁特征参数与塑性变形量的定量关联。本研究为开发简捷的铁磁材料塑性变形量无损评定磁方法奠定了基础。     

天然橡胶基磁流变弹性体的研制与表征

磁流变弹性体又称磁敏高弹体，是一种由高分子聚合物和磁性颗粒构成的新型智能材料，它的力学、电学、磁学等诸性能可以由外加磁场来控制，因此磁流变弹性体在舰船、振动控制等领域具有广泛的应用前景。但目前国际上研制的磁流变弹性体存在机械性能不够好和磁致效应不够强的问题，这制约了基于磁流变弹性体器件的设计和应用。为了制备出实用型磁流变弹性体，本文对其制备条件进行了研究，包括基体类型、预结构化时磁场强度和温度、增塑剂和磁性颗粒含量对磁流变弹性体磁致效应的影响。结果表明，以天然橡胶为基体的磁流变弹性体，在高于600mT外加磁感应强度下，当磁性颗粒含量为80％（质量比）时，剪切模量的相对增量达133％；而当磁性颗粒含量为90％时，剪切模量的绝对增量达4．5MPa。本文还对磁流变弹性体应用环境进行了实验研究，结果表明磁流变弹性体在小应变下显示出更强的磁致效应，而激励频率不改变材料的磁致模量。     

磁驱动平面准等熵加载装置、实验技术及应用研究新进展

利用脉冲大电流装置产生随时间变化平滑上升的磁压力,实现对平面、柱面等不同结构样品的磁驱动准等熵（斜波）压缩,为极端条件下材料动力学研究提供了一种偏离Hugoniot状态热力学路径的加载手段。本文从磁驱动准等熵加载装置、实验技术、数据处理方法等方面综述了磁驱动准等熵加载技术研究近十年的新进展,评述了利用磁驱动准等熵加载技术和方法开展极端条件下材料高压状态方程、高压强度与本构关系、相变与相变动力学等方面研究的进展情况,展望了磁驱动准等熵加载技术发展及其在材料动力学、武器物理和高能量密度物理等方面的应用前景。     

功能铁磁材料的变形与断裂的研究进展

综述了近几十年, 特别是近十几年来铁磁材料的力磁耦合变形与断裂行为的研究概况. 传统铁磁弹性问题的研究已经有较长时间的积累, 文献中已有大量的研究结果发表. 近些年 来, 随着智能材料及结构应用与研究的兴起, 功能铁磁材料如稀土超磁致伸缩材料、铁磁相 变材料以及铁磁复合材料等的力学行为越来越受到重视, 人们在功能铁磁材料的变形与断裂 以及铁磁复合材料的有效性质等方面开展了大量的研究工作. 本文在简单介绍了经典铁磁弹 性和传统铁磁结构的力磁性能的研究背景基础上, 结合作者近年来在铁磁材料变形与断裂方 面所开展的工作, 着重评述了功能软铁磁材料在变形与断裂的实验研究,如实验设备和技术, 以及铁磁复合材料细观力学、软铁磁材料、铁磁功能材料的变形与断裂理论等方面的研究进 展, 并指出了需要进一步研究的方向.     

磁弹性、热磁弹性理论及其应用

介绍了磁弹性、热磁弹性的基本内容,发展简史,基本方程,理论研究,实际应用研究及其未来应用前景．      

Pentamode material for underwater acoustic wave control

五模材料是一种具有固体特征的复杂流体,可通过超材料技术由固体材料经过微结构精心设计近似得到.可调的模量各向异性和固体特征赋予五模材料优越的水声调控能力,在降低水下物体目标强度等领域有着重要潜在应用,因此受到了国内外工程和学术界关注.本文就五模材料基本概念、微结构设计、声波调控、加工制备等方面对该类材料的研究进展进行详细介绍,并对五模材料在工程中应用存在的问题进行了讨论,以期为后续相关研究者提供参考.     

DYNAMIC MODEL OF SELF-OSCILLATING GELS AND THE CONTROLLABILITY ANALYSIS

自振荡凝胶是一类在Belousov-Zhabotinsky化学反应（BZ反应）驱动下能够产生周期性收缩和膨胀大变形的智能软材料,简称为BZ凝胶,在微型激励器、传感器、药物释放、仿生材料等领域有着广泛的应用前景。基于BZ化学反应的Oregonator模型以及凝胶变形的力平衡方程,建立了由二阶微分方程表示的BZ凝胶的简化动力学模型,并通过对BZ凝胶的振荡动力学模型的分析,发现其在动力学相轨迹空间内呈现出稳定的周期性极限环振荡,进而利用改进的打靶法求得了BZ凝胶的振荡周期解,系统研究了反应物浓度、催化剂效率和链状高分子的亲水性等可控系统参数对其振荡形式、周期和幅值的影响。结果表明,只有在特定的系统参数取值下,BZ凝胶才能发生持续的周期性振荡;随着这些参数的改变,BZ凝胶的振荡形式、周期和幅值均产生规律性变化。证明了对自振荡凝胶实施周期性调控在理论上是可行的。     

The mesoscopic structures of dense granular materials

密集颗粒物质由大量颗粒组成的多体相互作用体系,在一定条件下,颗粒互相连接,形成相对稳定的介观尺度结构,其几何和动力学性质较大程度上决定了颗粒体系的宏观物理和力学性质,因此开展颗粒的介观结构研究具有重要的理论价值,是科学的前沿之一.自然界的堆石坝、堰塞体和碎屑流,以及工程中的高温气冷堆堆芯颗粒流和先进核裂变能系统（ADS嬗变）的颗粒散裂靶等都是典型的颗粒体系,研究颗粒体系宏观力学性质是灾害预测和调控技术的关键.本文首先介绍颗粒接触力理论和简化模型的研究进展,接着介绍介观尺度结构分析方法与测量技术,颗粒体系Jamming转变、软点和颗粒微位移测量技术等,最后列举了几个关键的科学问题.颗粒介质中很多基本力学问题的解决需要借鉴物理和数学等学科的最新成果,建立新的概念和范式,从新的角度、思路、理念去认识颗粒介质的基本问题.同时,颗粒介质的基础研究还要紧密结合工程应用领域的大量相关的核心技术,与工程领域专家共同合作,使得颗粒介质的研究有的放矢,更具生命力.     

软铁磁材料平面裂纹问题的耦合场

由磁弹性问题的线性化理论导出磁场下平面软铁磁体问题的控制方程和复势解。利用复势解和奇异积分方程方法,对面内磁场和远场载荷作用下的含裂纹无限大软铁磁平面问题进行了求解,得到耦合场的解。并对不同磁力模型的结果和磁场与机械载荷共同作用下的裂尖应力强度因子进行了讨论。     

智能软材料热-电-化-力学耦合问题的研究进展

本文重点评述了自然界中的典型智能软材料:聚合物胶体和水凝胶以及关节软骨的多场耦合力学问题的国内外研究现状。基于唯象热力学理论和哈密顿原理,建立了一般性的热-电-化-力学多场耦合理论。重点针对等温过程的化学-力学耦合本构关系和控制方程,通过哈密顿原理,建立了化力耦合系统的有限元列式。证明了化学-力学耦合理论架构的封闭性。通过数值算例分析了水凝胶和关节软骨的多场耦合作用。最后展望了智能软材料多场耦合研究的未来发展趋势。      

软体智能机器人的系统设计与力学建模

机器人或机电装备通常由电机模组、液压元件、齿轮和铰链等硬质部件构成,具有动力足、精度高等优点,但在实现低噪声、高安全系数与亲和性等方面存在挑战.受自然界生物体的柔软特性与高环境适应性的启发,设计制造软体机器人是近年来机器人领域的研究热点.作为软体机器人的核心构成部分,智能软材料可在外界不同刺激下产生不同响应,具有材料柔韧、生物相容性好、易于制备、价格低廉等优点,可广泛应用于机器人的设计与制造.几类典型的具备驱动功能的智能软材料与结构获得广泛的研究,包括气动软体肌肉、形状记忆合金/聚合物、离子交换聚合物、介电高弹体、响应水凝胶等.本文介绍了多种驱动类型的软体智能机器人研究成果,并从软体智能机器人的系统设计与力学建模两个方面进行了归纳分析与讨论.      

一种冲击动应力的实验系统与结果分析

为探究以材料力学理论为基础的冲击动应力问题实际与理论结果的差别程度,设计开发了冲击动应力实验装置,并测量了重锤在不同冲击高度下冲击悬臂梁的动荷系数. 同时利用ANSYS/LS-DYNA 软件对同一问题进行了数值模拟. 动荷系数模拟结果与实验值的相对差不超过3.1%,与理论值相对差在14%～23%之间. 实验和数值模拟起到相互印证的作用. 这一结论加强了对冲击动应力问题的模型、理论和误差范围的理解,在实际应用中有助于对误差范围的判断.     

一类功能梯度材料表面接触力学研究进展

针对一类杨氏模量梯度变化的功能梯度材料, 考虑摩擦、微动磨损和黏附等因素, 综述了梯度材料有限尺寸、梯度变化规律、梯度涂层厚度、界面摩擦热、压头形状等对表面接触力学性能的影响; 根据不同接触模型中接触界面应力场分布, 分析多种因素影响下功能梯度材料表面抵抗磨损的能力; 最后给出了功能梯度材料接触力学研究中仍存在的主要科学问题及进一步研究展望.      

自主泳动弹性绳的轨迹模拟

研究柔性结构与流体间耦合作用,可以促进软体机器人的发展.通过速度快、精度高的数值模拟方法模拟水下机器人的实时运动轨迹,可以为真实实验提供测试方向与理论牵引,增大实验成功的可能性.本文研究有自主运动趋势的弹性绳在二维流场中的运动轨迹.首先,对弹性绳离散化建模并同时考虑拉压与扭转弹性力,从能量角度建立动力学方程,此模型可以较为真实地反映弹性绳内力对其运动产生的作用.然后基于半拉格朗日法建立流体求解器. 最后,提出简化的基于动量方程的浸入边界法作为耦合算法,通过直接修正网格速度代替浸入边界力法中力源项的作用.使用这种算法求解耦合作用兼具简便性与快速性.对弹性绳模型、流体模型与简化耦合模型依次解算,模拟了正弦形式波动弹性绳在水中的运动轨迹.结果显示,弹性绳在弹性内力与流固相互作用力共同影响下,该种新的浸入边界法可以实现对水下弹性绳运动轨迹的模拟.数值实验显示弹性绳的自主运动参考模型的初相位改变时,其前进方向会发生改变.该仿真模拟算法与平台可以为细长形软体水生机器人的研发提供参考.