题目：新型磁致伸缩材料的磁致伸缩唯象理论和实验研究

磁致伸缩材料在外磁场作用下伸长和缩短，实现电磁能和机械能之间的快速高效转化，是在国防和民用领域均有广泛应用前景的重要智能材料，被列为二十一世纪战略新材料。然而磁致伸缩材料的磁致伸缩行为具有许多复杂的物理特征，比如磁致伸缩各向异性、压力效应、磁致伸缩滞后以及力磁多场耦合作用效应等，对这些物理特征的规律和机理认识不清将严重影响以磁致伸缩材料为核心元件的功能器件的设计和使用。为此，本文的工作从实验和理论两个角度出发，既实验研究了材料的磁致伸缩各向异性、压力效应、磁致伸缩滞后以及力磁多场耦合作用效应等物理特征的现象和规律，又基于描述磁畴的唯象理论进行建模，揭示了这些物理特征的内在本质和机理，补充和完善了现有对磁致伸缩行为的研究。揭示了FeGa合金和TbDyFe合金中存在的磁致伸缩各向异性。制备了Fe81Ga19[001]和[110]两种不同取向的晶体并测量了它们在不同压应力下的磁致伸缩性能曲线。基于唯象理论建模模拟了两种取向晶体不同压力下的磁畴转动路径并计算了相应的磁致伸缩。实验和模拟吻合较好，证实了FeGa合金中磁致伸缩各向异性的存在：[001]取向晶体具有比[110]取向晶体更优异的磁致伸缩性能，而[110]取向晶体的压力效应比[001]取向晶体更为明显。对TbDyFe合金的磁致伸缩各向异性进行了理论模拟研究，结果显示[110]和[111]取向TbDyFe晶体加压后的最大饱和磁致伸缩均为2460ppm，大于[112]取向晶体的2131ppm。阐明了低压力下磁晶各向异性能主导，高压力下磁弹性能主导的磁致伸缩行为机制。实验测量了Fe81Ga19[001]取向晶体在大压力范围下的磁致伸缩性能曲线，并从中提取了磁致伸缩饱和场和压磁系数随压应力的变化关系，发现了双阶段现象。通过模拟不同压应力状态下的磁畴转动路径和相应的磁致伸缩，揭示了双阶段现象的物理本质：低压力下磁晶各向异性能占主导，磁畴在外场作用下不可逆旋转，磁致伸缩曲线存在明显的跳变增长。高压力下磁弹性能占主导，磁畴在外场作用下发生可逆旋转，磁致伸缩曲线近似连续平滑的增长至饱和。基于模拟结果推导的磁致伸缩饱和场及压磁系数随压力变化的数学表达式与实验结果吻合很好，进一步证实了主导磁致伸缩行为的双机制。揭示了磁致伸缩材料在大压力范围内的磁致伸缩滞后变化规律。实验测量了TbDyHoFe[110]取向晶体在0-45MPa压应力范围内的磁致伸缩曲线，并从中提取了饱和磁致伸缩及磁致伸缩滞后随压力的变化关系，发现饱和磁致伸缩和磁致伸缩滞后均随压力增大而增大且同时达到最大值，继续增加压应力两者几乎保持不变。根据唯象理论模拟结果，建立临界跳变场模型进行分析，得出结论：低压力阶段磁致伸缩滞后的增长是由于压力使得对磁致伸缩滞后产生贡献的90o磁畴体积分数增多导致的。测量了TbDyFe[110]取向晶体在0-120MPa压应力范围内的磁致伸缩曲线和次级磁致伸缩滞后环，发现随压力增大，磁致伸缩滞后先增加后减小，高压力下几乎消失。基于唯象理论计算了高低压力下的自由能分布，模拟了磁畴转动路径并给出了不同压力下的模拟磁致伸缩曲线。理论研究结果表明，随压力增大，主导能量从磁晶各向异性能转变为磁弹性能，驱使磁畴转动模式从不可逆转为可逆，因而磁致伸缩滞后逐渐减小直至消失。发现了应力诱发面内各向异性并阐明了及其对磁致伸缩性能的影响。实验测量了[110]取向TbDyFe晶体在不同压力下的磁致伸缩曲线，发现压力从0MPa增加至75MPa的过程中，饱和磁致伸缩持续增长。计算了垂直应力方向(110)面内的自由能分布，发现随压力增加，能量最低点偏离初始的（110）面内的4个方向，转向[1-10]和[-110]方向。正是该应力诱发面内各向异性导致磁畴的初始排布发生改变，进而提高饱和磁致伸缩。阐明了[001]取向FeGa单晶在多轴应力磁场作用下的磁致伸缩行为特点。实验测量了[001]取向Fe81Ga19单晶在多轴应力磁场载荷下的轴向磁致伸缩，发现随着所加压应力和磁场之间夹角增大，磁致伸缩降低。当夹角为30o时，观察到了磁致伸缩降的现象，磁致伸缩先增长后降低最终达到饱和。基于唯象理论进行了计算模拟，很好的解释了磁致伸缩随应力磁场之间夹角的变化关系，并揭示了产生磁致伸缩降的物理机理。