空间形态铁磁非晶丝巨磁阻抗效应研究

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铁磁非晶丝(简称非晶丝)具有巨磁阻抗(Giant Magneto-impedance,GMI)效应,在外加直流磁场环境下,其阻抗随着磁场和外加应力而变化,具有较高的灵敏度和响应速度,在编织复合材料健康监测领域具有重要的应用价值。本文以Co基非晶丝为研究对象,采用力学及磁学等多种设备测试基本特性参数,通过数值解析和实验相结合的手段,结合平纹编织工艺和四步法编织工艺,探索了一维到多维形态下非晶丝内应力对GMI效应的影响规律。首先,从单根非晶丝入手,分析非晶丝GMI效应基本理论发现几何参数对其GMI效应具有一定的影响,结合弹性力学理论,建立了一维形态下拉伸应力和弯曲应力与非晶丝直径和长度参数之间的关系模型,通过数值解析结果发现:当外加激励频率为1MHz/10MHz/20MHz时,非晶丝GMI效应随外加拉伸和弯曲应力的增加均呈现出先增大后减小的趋势,且当应力达到特定数值后,其GMI效应较未受力状态减弱。其次,从实验方案分析入手,设计了非晶丝固定所需的专用装置,对非晶丝施加不同拉伸/弯曲应力后,利用装置固定其受力状态后置于亥姆霍兹线圈中,并接入精密阻抗分析仪,测试了不同应力状态和磁场强度下的非晶丝GMI效应。结果表明:在1MHz/10MHz/20MHz频率下,相对于初始状态,非晶丝受拉伸/弯曲应力时,GMI效应均表现出随着应力的增加而逐渐增大后减小的趋势,证明了数值解析结果的正确性。最后,通过分析平纹编织工艺和四步法编织工艺下非晶丝所形成的空间形态,建立了空间形态函数模型,并根据空间形态函数,通过3D打印工艺制作了二维和三维形态固定模具。然后,将非晶丝分别嵌入到二维和三维形态固定模具中,采用固定装置固定不同受力状态下的非晶丝,测试了非晶丝GMI效应。结果表明:相比于一维形态,二维形态下的非晶丝受到较小拉伸应力即可产生大致相当的GMI效应数值变化率;与一维形态和二维形态下相比,三维形态下整体表现出较高GMI效应值,且受应力变形时的敏感性较高,较小的应力即可产生比一维和二维形态下更大的GMI效应数值变化。本文从一维形态入手,揭示了拉伸和弯曲应力对Co基非晶丝GMI效应的影响规律,逐步拓展到二维和三维形态,最终分析了Co基非晶丝在典型空间形态下应力状态对GMI效应的影响规律,为非晶丝用于编织复合材料应力状态监测及损伤预测提供理论支撑。
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