层状复合材料的磁光耦合与圣维南原理

摘要

自从在液体和气体中发现磁致双折射效应后距今已有100多年，1970年代某些磁性半导体在低温和强磁场条件下也被观察到具有磁致双折射效应。但由于使用不便，这些材料均无实际应用。由于室温和低磁场下的固体磁致双折射材料具有广泛的应用前景，因此寻求该类材料成为物理及材料领域的一个极具意义的研究方向。近年来层状复合功能材料的迅速发展为开拓层状复合磁光材料提供了思路。 本文将磁致伸缩材料和弹光材料复合成一种新型的层状磁致双折射材料，在室温下观测到较大的磁致双折射效应，其磁光效应来源于磁致伸缩与应力双折射的乘积效应，或称为磁致伸缩诱导应力双折射效应。 该复合材料由铁磁材料铽镝铁和高分子材料聚碳酸酯两相组成，前者具有超大磁致伸缩效应，而后者具有稳定的应力双折射功能。两者制成片状、并粘结后形成层状复合材料。 本文首先分别讨论了两相材料各自的性质，并实验测量了相关参数;实验观测了两者层状复合结构的磁光效应及其规律;由铁磁体的本构方程和弹光相材料的应力应变方程出发，推导出该复合材料的磁致应力双折射效应的数学模型——归一化输出光强。通过Matlab对理论进行仿真显示，理论计算与实验结果趋于一致;然后从弹性力学基本方程出发，建立弹性力学模型，选择合适的边界条件，分析了弹性耦合条件下圣维南原理对弹光相介质内部应力分布的影响，对归一化输出光强表达式作出修正;最后对于该层状复合材料的应用进行尝试，将其用作磁光调制器，成功实现了低频信号（频率≤5kHz）的调制，再将其用作核心部件组建微位移测量系统，该测量系统预期精度可达1μm。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究意义

1．2 磁光效应及磁光材料

1．2．1 磁光效应

1．2．2 磁光材料

1．3 本文主要工作

参考文献

第二章 磁致伸缩效应与磁致伸缩材料

2．1 磁致伸缩效应

2．2 磁致伸缩效应的来源

2．3 磁致伸缩材料

2．3．1 传统磁致伸缩材料

2．3．2 稀土超磁致伸缩材料

2．4 磁致伸缩的测量

2．5 本章小结

参考文献

第三章 应力双折射效应与材料

3．1 应力双折射效应

3．2 应力双折射材料

3．2．1 应力双折射材料性能比较

3．2．2 聚碳酸酯器件的制备

3．2．3 聚碳酸酯退火处理

3．3 本章小结

参考文献

第四章 磁致应力双折射效应理论探讨

4．1 应力与应变的关系

4．1．1 应力

4．1．1 应变

4．1．3 应力和应变的关系

4．2 磁光效应归一化输出光强表达式的推导

4．2．1 磁致伸缩相的弹性矩阵与本构方程

4．2．2 弹光相应力-应变方程

4．2．3 归一化输出光强表达式的推导

4．4 复合材料磁光效应的实验与分析

4．5 本章小结

参考文献

第五章 圣维南原理对磁光效应的影响及分析

5．1 圣维南原理

5．2 弹性力学模型分析

5．3 利用圣维南原理修正的磁光表达式

5．4 理论分析与实验验证

5．5 本章小结

参考文献

第六章 磁致应力双折射复合材料的应用

6．1 磁光调制器件

6．2 微位移测量仪

6．3 本章小结

参考文献

第七章 结论

在读期间发表的学术论文与科研成果

致谢