章喆

摘 要

依托科研實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，指導(dǎo)本科生完成磁電耦合響應(yīng)復(fù)合材料的制備、多場(chǎng)耦合輸運(yùn)測(cè)試系統(tǒng)整體框架的搭建、探針臺(tái)的配置和LabVIEW圖形用戶(hù)界面的設(shè)計(jì)等實(shí)踐過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料磁電耦合性能的測(cè)試和分析。實(shí)踐表明，該測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用培養(yǎng)了學(xué)生的科研探索思維，動(dòng)手動(dòng)腦能力，從而在實(shí)踐教學(xué)中，提高了本科生創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞

創(chuàng)新能力;多場(chǎng)耦合輸運(yùn)測(cè)試系統(tǒng);磁電耦合

中圖分類(lèi)號(hào)： G 642.0 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 14 . 29

Abstract

Based on the scientific research laboratory equipment， the construction and application of multi-field coupled transport test system and its application in materials research were taken as an example to carry out the training and exploration of the undergraduates' engineering practical innovation ability. The students were guided to set up the multi-field coupled transport test system， to design the LabVIEW graphical user interface and also to design a magnetoelectric coupling composite material. The magnetoelectric coupling properties of the designed material were tested using the above system. Based on this， the system improves the students' ability of innovation and comprehensive quality.

Key words

Innovation ability; Multi-field coupling transportation test system; Magnetoelectric coupling

0 引言

在“新工科”和工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證背景下，對(duì)工科專(zhuān)業(yè)本科生的實(shí)踐創(chuàng)新能力提出了更高的要求[1]。傳統(tǒng)實(shí)踐能力的培養(yǎng)通常是通過(guò)實(shí)驗(yàn)課程來(lái)實(shí)現(xiàn)的，實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)象簡(jiǎn)單、方案單一，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯而易見(jiàn)，屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只是按照操作步驟機(jī)械重復(fù)，缺少思考問(wèn)題、探索方法、設(shè)計(jì)方案的機(jī)會(huì);并且實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置主要以單科課程為主，缺乏學(xué)科、知識(shí)的交叉，學(xué)生綜合應(yīng)用、融會(huì)貫通進(jìn)行解決問(wèn)題的能力得不到鍛煉;此外，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際工程問(wèn)題結(jié)合不緊密，學(xué)生缺乏把所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于工程實(shí)踐的能力，走出校園即感到茫然無(wú)所適從。因此很難激發(fā)學(xué)生的興趣與積極性，創(chuàng)新能力的培養(yǎng)效果甚微[2]。

根據(jù)教育部提出的一流本科教育實(shí)施方案3.0的任務(wù)要求，強(qiáng)化科教協(xié)同育人，推動(dòng)學(xué)校科研實(shí)驗(yàn)室逐步向本科生開(kāi)放，為更多大學(xué)生加入科研團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造條件。依托各級(jí)科研平臺(tái)和重大項(xiàng)目，建立科教融合、相互促進(jìn)的協(xié)同培養(yǎng)機(jī)制，選取最新科研成果設(shè)置為實(shí)驗(yàn)案例，以現(xiàn)代化科研手段支撐高質(zhì)量本科人才培養(yǎng)[3]。科教融合有利于加強(qiáng)科學(xué)研究與高等教育更加緊密結(jié)合，有利于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)，建立教研一體化新模式是創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的本質(zhì)要求[4]。因此，高校中老師們豐富多樣的科研項(xiàng)目可以作為本科生綜合型、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的來(lái)源，立足于學(xué)科發(fā)展前沿，以跨年級(jí)小團(tuán)隊(duì)探索為主，使得學(xué)生的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)從探索性研究變?yōu)橄鄬?duì)系統(tǒng)性訓(xùn)練，培養(yǎng)了學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力。

磁電功能材料以其電、磁、光、熱、力及其耦合的機(jī)電、磁電、光電等豐富多樣的功能和優(yōu)良的“電-磁-力”轉(zhuǎn)換功能以及快速響應(yīng)速度等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于高靈敏度傳感器、存儲(chǔ)器、換能器、聲納等各種功能器件中，在深化工程教育改革方面有著極其重要的作用[5]。特別是利用磁電材料的磁電耦合效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換，為設(shè)計(jì)新型信息功能器件提供了新穎的思路[6]。為了讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室親手操作和理解多場(chǎng)耦合輸運(yùn)測(cè)試系統(tǒng)四大模塊的基本原理，通過(guò)多場(chǎng)耦合輸運(yùn)測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建和多場(chǎng)耦合輸運(yùn)測(cè)試系統(tǒng)LabVIEW軟件的原理和操作，磁電耦合功能材料的設(shè)計(jì)和制備及其多場(chǎng)耦合測(cè)試分析，使學(xué)生不但掌握了磁電耦合材料多功能的原理及應(yīng)用前景，同時(shí)對(duì)材料在光、電、溫度、微波以及磁場(chǎng)等多物理場(chǎng)耦合中的響應(yīng)有了更深的理解，培養(yǎng)了學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，激發(fā)了學(xué)生探索知識(shí)的極大興趣和科研創(chuàng)新思維，在提出問(wèn)題、解決問(wèn)題中提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

1 多場(chǎng)耦合輸運(yùn)測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

1.1 多場(chǎng)耦合輸運(yùn)測(cè)試系統(tǒng)整體框架與配置

多場(chǎng)耦合輸運(yùn)測(cè)試系統(tǒng)包含四大模塊，即：磁電耦合激勵(lì)信號(hào)加載及其控制、探針臺(tái)及其輔助設(shè)備、磁電耦合信號(hào)探測(cè)、通信以及數(shù)據(jù)采集分析存儲(chǔ)等四大模塊。在模塊集成和聯(lián)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中始終遵循從整體到部分、可擴(kuò)展性、經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠、操作性好的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生設(shè)備和加載控制儀器都通過(guò)通用接口總線(xiàn)（GPIB）與主控計(jì)算機(jī)相連，對(duì)外場(chǎng)的控制通過(guò)主控計(jì)算機(jī)發(fā)出指令進(jìn)行空間、強(qiáng)度及加載時(shí)間的控制，具體連接如圖1所示。

1.2 多場(chǎng)耦合輸運(yùn)測(cè)試系統(tǒng)軟件及流程圖

磁電耦合效應(yīng)測(cè)量涉及磁場(chǎng)、電場(chǎng)控制與測(cè)量，微弱電壓、電荷測(cè)量，激光信號(hào)采集，配合磁場(chǎng)的介電、鐵電測(cè)量以及變溫、真空系統(tǒng)的獲取與控制，配合相應(yīng)的傳感器、測(cè)試儀器、控制儀表可實(shí)現(xiàn)以上功能。測(cè)試設(shè)備通過(guò)GPIB總線(xiàn)與總控計(jì)算機(jī)通信，測(cè)試信號(hào)采集、存儲(chǔ)通過(guò)總控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。

測(cè)試系統(tǒng)的軟件由LabVIEW實(shí)現(xiàn)。LabVIEW使用RS232（標(biāo)準(zhǔn)串行接口總線(xiàn)）硬件標(biāo)準(zhǔn)控制外加磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)等，使用GPIB硬件標(biāo)準(zhǔn)控制測(cè)試源表和鎖相放大器。外場(chǎng)串口利用串口轉(zhuǎn)USB轉(zhuǎn)換線(xiàn)連入電腦，測(cè)試源表和鎖相放大器則利用GPIB通信線(xiàn)及GPIB轉(zhuǎn)USB轉(zhuǎn)換器連入電腦。磁電電壓信號(hào)隨外加偏置磁場(chǎng)變化的軟件流程圖如圖2所示。

2 磁電功能材料設(shè)計(jì)及其多場(chǎng)耦合測(cè)試

引導(dǎo)學(xué)生以壓電和鐵磁材料為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)具有磁電耦合響應(yīng)的復(fù)合材料，利用上述系統(tǒng)測(cè)試該材料體系的磁電耦合性能。在實(shí)驗(yàn)中為學(xué)生們提供Terfenol-D和Ni兩種鐵磁性材料和Pb（Zr，Ti）O3（PZT）壓電材料，通過(guò)不同的復(fù)合方式得到不同振動(dòng)模式的磁電耦合方式。通過(guò)設(shè)計(jì)具有不同磁致伸縮特性的非對(duì)稱(chēng)層狀磁電復(fù)合材料，探究磁致伸縮材料（Terfenol-D與Ni）厚度比在不同磁場(chǎng)與頻率條件下對(duì)磁電耦合特性的影響。在本文實(shí)驗(yàn)實(shí)例中，PZT的尺寸為20mm×5mm×1mm，極化沿厚度方向，Terfenol-D的尺寸為15mm×5mm×0.5mm，磁致伸縮沿長(zhǎng)度方向，Ni的尺寸為15mm×5mm×0.2mm。Terfenol-D和Ni薄片用環(huán)氧樹(shù)脂粘接在PZT的上下表面就形成了復(fù)合磁電耦合材料。利用上述搭建的平臺(tái)測(cè)試其磁電耦合性能，通過(guò)LabVIEW控制測(cè)試界面輸入測(cè)試條件并輸出測(cè)試結(jié)果。測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

由磁電耦合系數(shù)隨頻率變化關(guān)系可以看到，復(fù)合材料的磁電耦合響應(yīng)出現(xiàn)了三個(gè)振動(dòng)峰，分別為一階彎曲振動(dòng)，一階長(zhǎng)度振動(dòng)，二階長(zhǎng)度振動(dòng)[7]，振動(dòng)頻率分別為13.5kHz、36.2kHz和78.5kHz。在400 Oe磁場(chǎng)下，獲得了最大的磁電耦合系數(shù)153mV/cm·Oe。針對(duì)這些測(cè)量結(jié)果，學(xué)生們進(jìn)一步查找相關(guān)資料，研究產(chǎn)生共振的物理機(jī)制并應(yīng)用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論結(jié)合壓電、壓磁本構(gòu)方程計(jì)算共振峰出現(xiàn)的頻率，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

3 結(jié)語(yǔ)

在多場(chǎng)耦合測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的科研實(shí)踐活動(dòng)中，整個(gè)過(guò)程都由學(xué)生自主查閱文獻(xiàn)資料，制定實(shí)驗(yàn)方案，分析數(shù)據(jù)，總結(jié)規(guī)律，探究數(shù)據(jù)背后的物理事實(shí)和相關(guān)機(jī)制，揭示材料在多場(chǎng)耦合激勵(lì)下的響應(yīng)機(jī)制。通過(guò)這一系統(tǒng)研究過(guò)程的全面訓(xùn)練，培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，并且整個(gè)研究解決問(wèn)題的過(guò)程有趣且有挑戰(zhàn)性，好奇心激勵(lì)學(xué)生們自發(fā)的去解決問(wèn)題，提升了學(xué)生自主解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。此外，還啟發(fā)學(xué)生開(kāi)展相關(guān)的研究工作，如針對(duì)磁電耦合共振頻率產(chǎn)生的物理機(jī)制，設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)調(diào)控不同振動(dòng)模式的共振頻率，應(yīng)用于不同的場(chǎng)合;通過(guò)相關(guān)結(jié)構(gòu)和材料的設(shè)計(jì)來(lái)提升磁電耦合系數(shù)等。因此，依托科研課題和相關(guān)科研設(shè)備，設(shè)計(jì)綜合實(shí)踐類(lèi)、探究性的研究課題，踐行本科生科教融合，打造一流本科教育，對(duì)于培養(yǎng)具有行業(yè)背景知識(shí)的創(chuàng)新型人才具有深遠(yuǎn)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]鐘登華.新工科建設(shè)的內(nèi)涵與行動(dòng)[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[2]王翎力，金京一，謝玉忠，等.科研項(xiàng)目向本科化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目轉(zhuǎn)化的探索[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2019，38（11）：129-133.

[3]吳巖.一流本科一流專(zhuān)業(yè)一流人才[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2017，（11）：4-12，17.

[4]劉玉琳，徐雙滿(mǎn)，霍凱.科教融合創(chuàng)新指導(dǎo)下的本科生實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2018，35（8）：31-34.

[5]Ma J， Hu J， Li Z， et al. Recent progress in multiferroic magnetoelectric composites： from bulk to thin films[J]. Advanced Materials. 2011， 23（9）：1062-87.

[6]徐瑞成，王振華，陳剛，等.多鐵性復(fù)合材料磁電耦合效應(yīng)研究進(jìn)展[J].中國(guó)陶瓷，2018，9：1-11.

[7]Cheng JH， Wang YG， Xie D. Resonance magnetoelectric effect in Ni/Pb（Zr，Ti）O3/Terfenol-D trilayered composites with different mechanical boundary conditions[J]. Applied Physics Letters.2014，104（25）：252411.