微纳米超磁致伸缩材料多场耦合本构关系及动力学特性研究

(1)研究建立能够有效描述磁性超薄膜及多层薄膜体系中表面界面效应、磁致伸缩现象以及多场耦合本构关系的细观理论，获得有效的材料弹性模量，磁弹性耦合系数与材料尺度和结构的关系；进一步，获得多层体系的有效本构关系和应力相关的理论知识，为进一步的研究工作提供较完整的理论基础；(2) 针对多层薄膜体系的多畴结构，考虑表面界面修正现行磁化模拟理论,给出体系的磁化行为，获得层间耦合，表面界面畴壁钉扎等效应对多层体系的磁弹性耦合、磁化曲线、磁致伸缩曲线、 应力效应以及温度效应的影响，解释近期的实验结果；(3) 深入研究多层悬臂梁结构的动态弯曲和扭转等动态磁机械耦合机制及相关性质，研究体系共振行为，探索动态磁弹性耦合体系中新的耦合模式，解释相关的、以及有争议的实验现象，并进一步探索体系在MEMS/NEMS中的应用导向。为在可控物理条件下优化悬臂梁结构性能提供重要的理论依据。

本立项基本按照原定计划，在微纳米磁致伸缩材料力磁耦合本构行为、动力学特性和表面性质方面进行了应用基础研究，达到了原定目标。得到的成果有：（1）建立了能够有效描述超磁致伸缩棒材铁弹行为和力-磁耦合本构关系的基本理论，将材料的铁磁磁化和铁弹应变行为的描述纳入到统一框架之中，改进了现行的本构模型。进一步将模型推广并应用到多晶和各向异性Terfenol棒材的铁弹性、磁致伸缩性质和Delta-E效应的模拟问题中，得到的结果能够与实验定量符合，阐明这些模型的合理性和实用性。（2）研究了磁性薄膜-衬底微纳悬臂梁在磁场激励下的振动性质，讨论了铁磁共振条件下自旋重取向转变附近的机械振动模式的共振激发、磁化振动以及自旋波激发与微纳梁机械振动耦合的可能性、退磁效应对微纳磁性梁振动性质的影响。相关研究成果将对磁性微纳梁结构在磁基微机-电传感器和执行器的应用具有一定的参考价值。（3） 研究了表面效应对纳米结构力学性质的影响。对前人给出的关于薄膜弹性能进行改进并应用于描述薄膜的力学行为，计算了双层超薄膜的卷曲问题，所的结过与实验复合，而且用于拟合实验的表面参数与分子动力学计算结果基本符合，证实了方法的有效性。同时与合作者提出了修正的核壳模型讨论了纳米线结构弹性性质的尺度依赖关系。（4）运用不同的模型计入表面效应研究了表面弹性对弯曲ZnO纳米线压电电势的影响，所得结果与实验结果符合,进一步讨论了两种模型的合理性和适用性。