超磁致伸缩薄膜的磁机耦合特性及其在泳动机器人中的应用

摘要

本文从薄膜磁致伸缩现象的产生机理出发，分析论述了超磁致伸缩薄膜的磁致伸缩特性。同时，较为系统地分析研究了材料成分、薄膜内应力和热处理等因素对超磁致伸缩薄膜低磁场下磁致伸缩性能的影响规律。在此基础上，采用射频磁控溅射法，研制出了铽镝铁-聚酰亚胺-钐铁和铽镝铁-铜-钐铁两种双层超磁致伸缩薄膜，该薄膜具有较好的表面质量和较小的滞回性。采用赫姆霍茨线圈作为超磁致伸缩薄膜的驱动线圈，并结合激光微位移传感器作为位移量的检测单元，构成一个超磁致伸缩薄膜静动态磁机耦合特性的实验系统。对驱动线圈产生的磁场进行了有限元分析和实验研究，结果表明：驱动线圈产生磁场强度的大小和均匀度都满足了薄膜的驱动要求。 针对超磁致伸缩薄膜的磁机耦合特性“力非线性”的特点，从唯象的角度和工程应用的角度分析了超磁致伸缩薄膜低磁场下的巨磁特性、软磁特性和预应力状态下的滞回特性。提出了一个低磁场下超磁致伸缩薄膜非线性耦合模型。该模型包括改进的瑞利模型和“蝴蝶曲线”模型。采用研制出的双层超磁致伸缩薄膜实验数据验证了所提出的模型。结果显示：模型可较好的预测超磁致伸缩薄膜低磁场磁极化回线和磁致伸缩回线，特别是描述应变回线的“蝴蝶曲线”模型，可较精确地预测超磁致伸缩薄膜低磁场下磁致伸缩回线。利用前人研制出的超磁致伸缩薄膜的实验结果同样验证了模型的正确性。针对超磁致伸缩薄膜的几何非线性变形特性，对研制出的聚酰亚胺基片和铜基片超磁致伸缩薄膜悬臂梁进行实验研究，发现其端部偏移量分别达到其厚度的2倍和0.5倍。同时，结合非线性弹性理论，建立了双层超磁致伸缩薄膜的几何非线性变形模型。采用所研制出的双层超磁致伸缩薄膜悬臂梁变形的试验结果验证了模型的合理性。低磁场下超磁致伸缩薄膜非线性耦合模型和几何非线性变形模型为有效地研制准静态超磁致伸缩薄膜微器件提供了重要的理论依据。 在交变的磁场中，超磁致伸缩薄膜会展现出更强的非线性特性。根据哈密顿原理，采用分离变量法和摄动法建立了超磁致伸缩薄膜非线性振动模型。将超磁致伸缩薄膜超谐波共振的实验结果与所提出的模型进行了分析比较，结果表明：非线性振动模型可较好地解释双层超磁致伸缩薄膜的主共振和超谐波共振现象。同时，对双层超磁致伸缩薄膜的驱动特性进行系统的研究，发现两种双层超磁致伸缩薄膜具有十阶超谐波共振的特性，给出并分析了直流偏置磁场和交流磁场对超磁致伸缩薄膜共振频率、振动幅值的影响规律。超磁致伸缩薄膜的非线性振动模型和动态特性的实验研究结论可提高动态超磁致伸缩薄膜微器件的设计效率和控制精度。 最后，探索性地将超磁致伸缩薄膜应用于微型泳动机器人的设计研究，设计研制出了一个能在液体微管道内游动的微型机器人。当超磁致伸缩薄膜的驱动频率为5阶超谐波共振频率时，微机器人实现了向前游动。根据流体动力学原理，建立了微型泳动机器人的动力学模型。针对液体粘度、机器人本体的质量和刚度、超磁致伸缩薄膜尾鳍的质量和刚度对泳动性能的影响进行了试验研究。采用聚酰亚胺基双层超磁致伸缩薄膜制作的微型机器人在汽油中的最大泳动速度可达2.86mm/s。

目录

文摘

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1绪论

1.1选题的科学依据

1.1.1课题的提出

1.1.2课题来源

1.1.3课题的研究背景

1.2超磁致伸缩材料的研究与应用

1.2.1体超磁致伸缩材料的研究与发展

1.2.2超磁致伸缩薄膜的研究

1.2.3超磁致伸缩薄膜传感器和执行器的研究与应用现状

1.3微型泳动机器人的研究现状

1.3.1液体中微机器人研究现状

1.3.2无缆供能的微管道机器人发展现状

1.3.3液体中微机器人的关键技术问题

1.4本课题的研究目的和意义

1.5论文的主要研究内容

2薄膜的磁致伸缩机理及超磁致伸缩薄膜的特性

2.1磁致伸缩现象机理

2.2超磁致伸缩薄膜材料的特性

2.2.1磁致伸缩特性

2.2.2超磁致伸缩薄膜的动态特性

2.2.3超磁致伸缩薄膜的△E效应

2.3超磁致伸缩薄膜磁致伸缩性能的影响因素

2.3.1材料成分对薄膜磁致伸缩性能的影响

2.3.2薄膜内应力对薄膜磁致伸缩性能的影响

2.3.3热处理对薄膜磁致伸缩性能的影响

2.3.4磁致伸缩复合镀层

2.4双层超磁致伸缩薄膜的制备

2.4.1双层超磁致伸缩薄膜的制备方法

2.4.2超磁致伸缩薄膜靶材和基片的选择

2.4.3超磁致伸缩薄膜的制备工艺参数

2.5材料性能检测

2.5.1超磁致伸缩薄膜微观结构

2.5.2超磁致伸缩薄膜磁性能

2.6本章小结

3超磁致伸缩薄膜磁机耦合特性试验系统

3.1超磁致伸缩薄膜磁机耦合特性检测装置

3.2超磁致伸缩薄膜驱动线圈的优化设计

3.2.1空心圆柱线圈的设计方法

3.2.2赫姆霍茨线圈的功率优化和形状选择

3.2.3赫姆霍茨线圈的设计

3.3驱动线圈磁场的均匀度分析

3.3.1线圈中心点附近磁场强度的确定

3.3.2驱动磁场径向均匀度的分析计算

3.3.3驱动磁场的轴向均匀度分析计算

3.4超磁致伸缩薄膜驱动磁场均匀度有限元仿真分析与实验

3.5本章小结

4超磁致伸缩薄膜静态磁机耦合特性分析及模型的研究

4.1超磁致伸缩薄膜低磁场准静态磁机耦合特性及模型

4.1.1超磁致伸缩薄膜低磁场磁机耦合特性分析

4.1.2超磁致伸缩薄膜低磁场下准静态磁机耦合模型

4.1.3实验验证与讨论

4.2双层超磁致伸缩薄膜几何非线性变形分析及模型

4.2.1双层超磁致伸缩薄膜几何非线性变形分析

4.2.2 双层超磁致伸缩薄膜几何非线性变形模型

4.2.3双层超磁致伸缩薄膜实验验证及结果分析

4.3本章小结

5超磁致伸缩薄膜动态磁机耦合特性分析及模型的研究

5.1超磁致伸缩薄膜非线性振动模型

5.1.1动态磁致伸缩等效载荷

5.1.2超磁致伸缩薄膜非线性振动方程

5.1.3超磁致伸缩薄膜主共振响应

5.1.4超磁致伸缩薄膜超谐波共振响应

5.2超磁致伸缩薄膜振动特性及模型实验验证

5.2.1超磁致伸缩薄膜振动图象

5.2.2超磁致伸缩薄膜共振频率的变化

5.2.3超磁致伸缩薄膜振动幅值的变化

5.3本章小结

6超磁致伸缩薄膜微型泳动机器人

6.1超磁致伸缩薄膜微型泳动机器人的结构设计

6.1.1超磁致伸缩薄膜微型机器人的泳动推进模式

6.1.2超磁致伸缩薄膜泳动微型机器人的结构

6.2超磁致伸缩薄膜微型泳动机器人的仿生机理

6.3微型泳动机器人的驱动性能实验

6.3.1液体中超磁致伸缩薄膜的振动特性

6.3.2超磁致伸缩薄膜微型泳动机器人实验系统

6.3.3不同液体中超磁致伸缩薄膜微型机器人的泳动特性实验与分析

6.4本章小结

7结论与展望

7.1结论

7.2进一步工作展望

参考文献

创新点摘要

部分实物照片

攻读博士学位期间发表学术论文情况

致 谢