王福吉， 劉 巍， 賈振元， 劉慧芳， 趙顯嵩

（大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 116024）

0 引 言

超磁致伸縮薄膜（GMF）是一種新型的功能材料，具有能量密度高、響應(yīng)速度快和可實(shí)現(xiàn)無(wú)纜驅(qū)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，在MEMS系統(tǒng)微執(zhí)行器、傳感器以及其他功能元件中有著很好的應(yīng)用前景.國(guó)內(nèi)外科學(xué)家針對(duì)GMF進(jìn)行了大量的研究工作，在其變形機(jī)理、有限元仿真和微執(zhí)行器、傳感器設(shè)計(jì)上取得了很多成果［1～6］.

然而，目前仍然缺乏針對(duì)GMF的靜力學(xué)特性和動(dòng)力學(xué)特性的分析研究，而對(duì)GMF的靜、動(dòng)力學(xué)特性的準(zhǔn)確分析是GMF微器件精確控制的基礎(chǔ)，所以，薄膜的靜、動(dòng)力學(xué)特性研究對(duì)其進(jìn)一步的應(yīng)用研究有著非常重要的意義.

因此，本文選取福州大學(xué)采用磁控濺射方法制備的正負(fù)復(fù)合GMF懸臂梁作為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)其變形進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化建立簡(jiǎn)單實(shí)用的理論模型，繼而對(duì)以銅、聚酰亞胺為基片的兩種GMF懸臂梁進(jìn)行靜力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)研究，以期為進(jìn)一步研制開發(fā)GMF微型器件，推廣GMF微型器件在工程中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ).

1 薄膜懸臂梁靜力學(xué)分析

1.1 彈性剛度的求解

如圖1所示，本文研究的GMF懸臂梁為雙層懸臂梁，即在基片上下表面均濺射磁致伸縮材料.其中，基片上表面濺射正磁致伸縮材料（Tb0.27Dy0.73）43Fe57，下表面濺射負(fù)磁致伸縮材料Sm1.9Fe2.這種正負(fù)復(fù)合薄膜懸臂梁較單層GMF懸臂梁具有更大的磁致伸縮力，可使懸臂梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更大的彎曲變形.GMF懸臂梁由不導(dǎo)磁的塑料夾具固定在驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)中.當(dāng)施加沿薄膜懸臂梁長(zhǎng)度方向的激勵(lì)磁場(chǎng)時(shí)，正磁致伸縮材料因磁致伸縮效應(yīng)沿磁化方向伸長(zhǎng)，負(fù)磁致伸縮材料則縮短.這樣，正負(fù)磁致伸縮材料層對(duì)基片形成了彎矩進(jìn)而使其發(fā)生彎曲變形.

圖1 GMF懸臂梁的結(jié)構(gòu)Fig.1 GMF cantilever beam mechanism

磁致伸縮的本質(zhì)是磁能和機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程，彈性剛度是衡量材料機(jī)械能量轉(zhuǎn)換能力的關(guān)鍵參數(shù).項(xiàng)目研究的薄膜懸臂梁是由正負(fù)磁致伸縮材料濺射到基片上制備成的，3種材料各自的彈性常數(shù)都不同，因此在進(jìn)行薄膜懸臂梁的靜力學(xué)分析前，必須對(duì)其有效彈性剛度進(jìn)行分析計(jì)算.

將項(xiàng)目研究的正負(fù)復(fù)合GMF懸臂梁視為由正、負(fù)磁致伸縮單層膜和基片組成的復(fù)合梁.假設(shè)這3種材料的最大應(yīng)力均不超過(guò)其比例極限，采用當(dāng)量寬度法求解其中性軸位置和等效抗彎剛度［7］.這里以聚酰亞胺基片正負(fù)復(fù)合GMF懸臂梁為例說(shuō)明當(dāng)量截面法的求解過(guò)程，其結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示，選用聚酰亞胺基片的彈性模量為當(dāng)量模量，則正、負(fù)磁致伸縮薄膜的當(dāng)量寬度分別為bTb、bSm，如圖2（b）所示.根據(jù)應(yīng)變與應(yīng)力關(guān)系，可以得到GMF中性軸位置珔y和等效慣性矩珔I的計(jì)算式：

圖2 薄膜的當(dāng)量寬度示意圖Fig.2 Sketch of equivalent film width

其中hTb、hSm、hs分別為正、負(fù)磁致伸縮薄膜和基片的當(dāng)量厚度；bs為基片寬度，其值等于b.

由式（1）可知，正負(fù)復(fù)合GMF懸臂梁中性軸的位置與薄膜的寬度無(wú)關(guān)，分別將項(xiàng)目研究的聚酰亞胺基片、銅基片復(fù)合GMF材料的相關(guān)參數(shù)（見表1）代入式（1），得到以下結(jié)果：

①不同寬度的聚酰亞胺基片GMF懸臂梁實(shí)驗(yàn)樣品的中性軸位置均為珔yPI≈20μm；

②不同寬度的銅基片GMF懸臂梁實(shí)驗(yàn)樣品的中性軸位置均為珔yCu≈23μm.

表1 正、負(fù)GMF靶材成分和基片的物理性能參數(shù)Tab.1 Physical parameters of positive and negative magnetostrictive GMF substrate and target material

在此基礎(chǔ)上，將聚酰亞胺基片、銅基片GMF懸臂梁實(shí)驗(yàn)樣品尺寸參數(shù)（見表2）代入式（2），結(jié)合式（1）的計(jì)算結(jié)果得到了各種尺寸實(shí)驗(yàn)樣品的等效慣性矩和等效抗彎剛度，如表2所示.

表2 各種實(shí)驗(yàn)樣品的尺寸參數(shù)及等效慣性矩、等效剛度的計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results of experiment sample sizes，equivalent inertia moment and equivalent stiffness

1.2 撓曲線方程的求解

磁致伸縮過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，磁學(xué)量與力學(xué)量的耦合系數(shù)是一個(gè)二階分量，這使得GMF磁－機(jī)械耦合過(guò)程的力學(xué)分析異常復(fù)雜［8］.本文采用直接考慮終端變形結(jié)果而忽略中間磁致伸縮過(guò)程的方法，來(lái)研究GMF磁致伸縮過(guò)程中力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律，以得出超磁致伸縮復(fù)合薄膜磁致伸縮效應(yīng)作用的機(jī)理.

正負(fù)復(fù)合GMF懸臂梁的結(jié)構(gòu)如圖1所示，取其中長(zhǎng)度為dx的微分單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行磁致過(guò)程中的受力分析［9］.假設(shè)磁致伸縮過(guò)程中，正、負(fù)磁致伸縮薄膜產(chǎn)生的磁致伸縮力是絕對(duì)均勻分布的，這時(shí)微分單元結(jié)構(gòu)的受力情況如圖3所示.正磁致伸縮效應(yīng)薄膜在微分單元兩側(cè)產(chǎn)生的拉應(yīng)力分別為fTb（x）和fTb（x＋Δx），負(fù)磁致伸縮效應(yīng)薄膜在微分單元兩側(cè)產(chǎn)生的壓應(yīng)力分別為fSm（x）和fSm（x＋Δx）.

圖3 薄膜上微分單元的受力Fig.3 Stress of differential element on film

為了分析方便，本文引入集中力來(lái)代替正、負(fù)磁致伸縮薄膜產(chǎn)生的均布力.由于正、負(fù)磁致伸縮薄膜的彈性模量及產(chǎn)生力的大小不同，超磁致伸縮復(fù)合薄膜中性軸的位置已不在薄膜中心軸線上，其結(jié)果已在前面的計(jì)算中得出.進(jìn)一步簡(jiǎn)化微分單元結(jié)構(gòu)上的受力情況，近似地將微分單元的受力等效為作用在單元中性軸的一個(gè)彎矩，進(jìn)而可以得到微分單元所在懸臂梁截面應(yīng)力分布情況，如圖4所示.根據(jù)以上的分析結(jié)果，可以近似地將懸臂梁式GMF產(chǎn)生的磁致伸縮力簡(jiǎn)化為薄膜中性軸均布彎矩q的作用.

圖4 懸臂梁薄膜單元結(jié)構(gòu)受力分析Fig.4 Structural stress analysis of GMF cantilever beam finite element

對(duì)于均布彎矩q作用的等截面GMF懸臂梁，根據(jù)材料力學(xué)的相關(guān)知識(shí)可導(dǎo)出其撓曲線微分方程的一般形式［10］：

其中ω（x）是撓曲線方程；M（x）是懸臂梁的彎矩方程.

分析GMF懸臂梁的受力變形情況，可得到其邊界條件為

求解上述微分方程，可以得出GMF懸臂梁的撓曲線方程為

為了驗(yàn)證上述理論推導(dǎo)，本文首先從微觀角度對(duì)項(xiàng)目研制的GMF懸臂梁特性進(jìn)行簡(jiǎn)要分析.利用吉林大學(xué)研制的Jdm－13型振動(dòng)磁強(qiáng)計(jì)進(jìn)行測(cè)量，得到了項(xiàng)目研制的銅基片、聚酰亞胺基片的正負(fù)復(fù)合GMF平行易磁化軸方向的磁化曲線，如圖5所示（σ為單位質(zhì)量磁矩，Hext為磁場(chǎng)強(qiáng)度）.

圖5 銅基片和聚酰亞胺基片GMF的初始磁化曲線Fig.5 Initial magnetization curves of Cu substrate thin film and polyimide substrate thin film

由圖5可以看出，聚酰亞胺基片GMF的磁致伸縮能力較強(qiáng)，其等效抗彎剛度較小，與前面求得的結(jié)果是相同的.此外，從圖上可以看出，這兩種GMF的初始磁化曲線呈現(xiàn)出了一定的線性關(guān)系.

2 薄膜懸臂梁的靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證前面理論結(jié)果的正確性，項(xiàng)目設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)對(duì)3種不同結(jié)構(gòu)尺寸的復(fù)合薄膜懸臂梁的變形情況進(jìn)行研究.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要包括日本產(chǎn)高性能穩(wěn)壓電源Bp4610、亥姆霍茲驅(qū)動(dòng)線圈、美國(guó)產(chǎn)MicrotrakII激光測(cè)微儀、懸臂梁夾頭、美國(guó)產(chǎn)7030高斯計(jì)、示波器以及工作電腦等.其中亥姆霍茲驅(qū)動(dòng)線圈為自制設(shè)備，主要參數(shù)有：內(nèi)孔半徑18 mm，外孔半徑59.5 mm，單線圈寬度100 mm，線圈間距40 mm，單線圈匝數(shù)1 665，組合線圈電阻9.8Ω.

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.6 Experimental setup

實(shí)驗(yàn)對(duì)懸臂梁在同一磁化狀態(tài)下不同位置的偏移量進(jìn)行了測(cè)量，并通過(guò)曲線擬合得出了懸臂梁的撓曲線.在線圈驅(qū)動(dòng)電壓為30 V，磁感應(yīng)強(qiáng)度為27.4 m T時(shí)，分別得到聚酰亞胺基片、銅基片GMF懸臂梁的撓度實(shí)驗(yàn)曲線與擬合曲線.其中，圖7（a）是長(zhǎng)度38 mm、寬度3 mm的聚酰亞胺基片GMF懸臂梁磁致伸縮撓度的實(shí)驗(yàn)曲線與擬合曲線.圖7（b）是長(zhǎng)度30 mm、寬度3 mm的銅基片GMF懸臂梁磁致伸縮撓度的實(shí)驗(yàn)曲線與擬合曲線.在驅(qū)動(dòng)電壓30 V、驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)192 mT時(shí)，得到長(zhǎng)度30 mm、寬度3 mm的銅基片GMF懸臂梁磁致伸縮撓度的實(shí)驗(yàn)曲線與擬合曲線，如圖7（c）所示.

從圖7中擬合曲線方程的形式可以看出，3種情況下GMF懸臂梁磁致伸縮撓度方程的形式均為δ（x）＝Ax3－Bx2的形式，其中A、B為與磁致伸縮效應(yīng)有關(guān)的常數(shù).擬合曲線形式與理論推導(dǎo)的超磁致伸縮復(fù)合薄膜懸臂梁撓度曲線方程式（7）的形式是一致的，可以證明理論分析方法和結(jié)論是正確的.在不考慮薄膜ΔE效應(yīng)的前提下，根據(jù)懸臂梁超磁致伸縮復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)撓度分析結(jié)果，可以認(rèn)為薄膜的機(jī)械變形與薄膜產(chǎn)生的磁致伸縮力呈線性關(guān)系，即磁致伸縮過(guò)程中薄膜的磁學(xué)量與力學(xué)量呈一定的線性關(guān)系，研究的結(jié)果為動(dòng)態(tài)磁致伸縮效應(yīng)的進(jìn)一步分析研究奠定了理論基礎(chǔ).

圖7 GMF懸臂梁的撓度曲線Fig.7 Deflection curves of GMF cantilever beam

3 結(jié) 論

本文結(jié)合材料力學(xué)的相關(guān)理論，對(duì)GMF懸臂梁進(jìn)行了靜力學(xué)特性分析.在求解不同材料雙層薄膜懸臂梁中性軸的基礎(chǔ)上，建立了其在靜態(tài)磁場(chǎng)作用下的撓曲線方程；進(jìn)一步對(duì)不同基底材料和尺寸形狀的懸臂梁進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明本文的理論分析是正確的，所以通過(guò)材料力學(xué)的一般原理也可近似完成對(duì)GMF材料的理論分析.此外，本文的研究也表明磁致伸縮過(guò)程中薄膜的磁學(xué)量與力學(xué)量呈一定的線性關(guān)系，這一結(jié)論為動(dòng)態(tài)磁致伸縮效應(yīng)的進(jìn)一步分析研究奠定了理論基礎(chǔ).

［1］GUERRERO V H，WETHERHOLD R C.Strain and stress calculation in bulk magnetostrictive materials and thin films［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2004，271（2－3）：190－206

［2］DEAN J，GIBBS M R J，SCHREFL T.Finiteelement analysis on cantilever beams coated with magnetostrictive material［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2006，42（2）：283－288

［3］KAVIRAJ B，GHATAK S K.Simulation of stressimpedance effects in low magnetostrictive films［J］.Journal of Non－Crystalline Solids，2007，353（16－17）：1515－1520

［4］LEE H S，CHO C.Study on advanced multilayered magnetostrictive thin film coating techniques for MEMS application［J］.Journal of Materials Processing Technology，2008，201（1－3）：678－682

［5］ISHIYAMA K，YOKOTA C.Cantilevered actuator using magnetostrictive thin film［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2008，320（20）：2481－2484

［6］TIERCELIN N，PREOBRAZHENSKY V，MORTET V.Thin film magnetoelectric composites near spin reorientation transition［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2009，321（11）：1803－1807

［7］ROARK R J，YONG W C.應(yīng)力應(yīng)變公式［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1985

［8］王福吉.正負(fù)超磁致伸縮復(fù)合薄膜靜動(dòng)態(tài)特性及控制關(guān)鍵技術(shù)［D］.大連：大連理工大學(xué)，2005

［9］劉廷柱，陳文良，陳立群.振動(dòng)力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1998

［10］王守新.材料力學(xué)［M］.大連：大連理工大學(xué)出版社，2004