薄膜磁电复合材料磁-力-电耦合的非线性动力学行为研究

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基本信息

  • 批准号：
    11702120
  • 项目类别：
    青年科学基金项目
  • 资助金额：
    25.0万
  • 负责人：
    张娟娟
  • 依托单位：
    兰州大学
  • 学科分类：
    A0808.多场耦合与智能结构力学
  • 结题年份：
    2020
  • 批准年份：
    2017
  • 项目状态：
    已结题
  • 起止时间：
    2018-01-01 至2020-12-31

项目摘要

Magnetoelectric (ME) composite thin film is a new type of magnetic sensitive functional composites, which can achieve the energy transformation between magnetic energy and electric energy. It has a promising application in smart structures and miniature devices. The ME effect of ME composite thin film is a multi-field coupling problem, which involves magnetic field, electric field and mechanical field. However, there is only a few researches focus on this kind of ME composites, and dynamic problems are still not solved well so far. Based on thermodynamics, many factors are taken into account in this project, such as the nonlinear characteristics of materials, surface effect and the multi-field couplings, then the expression of total free energy of ME composite thin film will be obtained. On that basis, by solving the dynamic equations, associating with the electrical and mechanical boundary conditions, and a multi-field coupled nonlinear dynamic model for the ME composite thin film will be built. Besides, the corresponding numerical simulation program is designed in this work. Then the distribution characteristics of the stress field, the magnetic field and the electric field will be studied at static and resonant conditions. And the influences of the nonlinear characteristics of materials, surface effect and geometric parameters on the ME effect of ME composite thin film will be analyzed quantitatively. Finally, some special ME structures will be fabricated to achieve a higher ME coefficient and a wider bandwidth, thus ME devices can be operated well in a wider frequency range.
薄膜磁电复合材料是一类新型磁敏感功能复合材料，能够实现磁能和电能之间的相互转换，在微型智能结构与器件中有广泛应用前景。薄膜磁电复合材料的磁电效应是一个涉及了磁场、电场以及弹性场的多场耦合问题，其非线性动力学问题的研究尚不完善。基于此，本项目拟从热力学角度出发，通过考虑组分材料的非线性特性、表面效应、多场耦合等因素，建立薄膜磁电复合材料的自由能范式。在此基础上，结合动力学方程以及力学、电学边界条件，建立薄膜磁电复合材料磁-力-电耦合的非线性动力学模型。并设计与之相对应的数值仿真程序，研究静态及谐振情况下薄膜磁电复合材料的应力场、极化电场、磁场分布特性，定量揭示材料非线性特性、表面效应、几何参数等因素对薄膜磁电复合材料磁电效应的影响规律。对薄膜磁电复合材料进行一些结构设计，使其具有较高的磁电系数，较宽的谐振域，从而实现磁电器件在更宽的响应频率范围内工作。

结项摘要

在充分考虑了组分材料的非线性特性，采用能够反映铁电、铁磁材料微观畴变特性的非线性本构方程，结合相应的力学、电学边界条件，建立了薄膜磁电复合材料的非线性正、逆磁电效应的理论模型，分析预测了薄膜磁电复合材料在不同温度、不同预压力、不同磁场等复杂环境下的磁电性能。同时考虑到偏磁场对层状磁电复合材料磁电效应的影响，理论分析了高磁导率材料的加入对其磁电性能的影响，通过对其磁场、电场、应力场的详细分析，揭示功能梯度磁电复合材料自偏磁电产生的主要原因。考虑到铁电材料中极化强度会随时间和位置的变化，将极化强度作为铁电材料的序参数，建立了铁电材料的自由能范式，并基于相场理论，详细分析了外加电场频率变化时，铁电材料的内部电畴变化过程，同时也分析了极化强度随时间的变化规律，建立了外电场作用下铁电材料的微观畴变与宏观电学参量之间的关系。以上理论研究为包含磁电复合材料的相关智能器件在复杂环境下的多物理场分析，提供一种可靠、方便、快捷的理论计算模型。在理论分析的基础上，考虑到界面性能对磁电系数有很大的影响，设计并制备了两类新型功能磁电结构，类X型和类A型磁电结构，通过测试发现，该类新型磁电结构的磁电系数高于传统层状磁电结构，而且在一个较宽的频率域中都保持较高的磁电转化系数，该类磁电结构在宽频磁电器件中具有潜在的应用价值。

项目成果

期刊论文数量（12）
专著数量（0）
科研奖励数量（0）
会议论文数量（0）
专利数量（0）
Experimental Investigation of the Magnetoelectric Effect in NdFeB-Driven A-Line Shape Terfenol-D/PZT-5A Structures
NdFeB 驱动 A 线形 Terfenol-D/PZT-5A 结构磁电效应的实验研究
  • DOI：
    10.3390/ma12071055
  • 发表时间：
    2019-04-10
  • 期刊：
    MATERIALS
  • 影响因子：
    3.4
  • 作者：
    Zhang, Juanjuan;Kang, Yan;Weng, George J.
  • 通讯作者：
    Weng, George J.
Three dimensional phase-field simulations on the frequency dependence of polarization vectors and hysteresis loops in ferroelectric crystals
铁电晶体中偏振矢量和磁滞回线频率依赖性的三维相场模拟
  • DOI：
    10.1063/1.5078647
  • 发表时间：
    2019-02
  • 期刊：
    Journal of Applied Physics
  • 影响因子：
    3.2
  • 作者：
    Zhang Juanjuan;Fang Chao;Weng George J
  • 通讯作者：
    Weng George J
Theoretical study on self-biased magnetoelectric effect of layered magnetoelectric composites
层状磁电复合材料自偏置磁电效应的理论研究
  • DOI：
    10.1016/j.mechmat.2020.103609
  • 发表时间：
    2020-12
  • 期刊：
    Mechanics of Materials
  • 影响因子：
    3.9
  • 作者：
    Zhang Juanjuan;Du Han;Xia Xiaodong;Fang Chao;Weng George J.
  • 通讯作者：
    Weng George J.
Effect of boundary conditions on magnetocapacitance effect in a ring-type magnetoelectric structure
环形磁电结构中边界条件对磁电容效应的影响
  • DOI：
    10.1016/j.physleta.2017.10.005
  • 发表时间：
    2017-12-20
  • 期刊：
    PHYSICS LETTERS A
  • 影响因子：
    2.6
  • 作者：
    Zhang, Juanjuan
  • 通讯作者：
    Zhang, Juanjuan
The effect of temperature and graphene concentration on the electrical conductivity and dielectric permittivity of graphene-polymer nanocomposites
温度和石墨烯浓度对石墨烯-聚合物纳米复合材料电导率和介电常数的影响
  • DOI：
    10.1007/s00707-019-02588-4
  • 发表时间：
    2020
  • 期刊：
    Acta Mechanica
  • 影响因子：
    2.7
  • 作者：
    Xia Xiaodong;Weng George J.;Zhang Juanjuan;Li Yang
  • 通讯作者：
    Li Yang

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其他文献

内镜吻合夹技术在胃瘘中的应用
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    --
  • 作者：
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    汪志明
越冬低温及栽期对偏低海拔区当归生长的影响
  • DOI：
    10.13207/j.cnki.jnwafu.2017.09.018
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  • 发表时间：
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  • 发表时间：
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  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    张娟娟;林拥军;周菲
  • 通讯作者：
    周菲

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聚合物基磁电复合材料的跨尺度多场耦合机理研究
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课题项目：调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要：

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题，其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子，其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而，TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用，影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法，探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用，为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义，并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路：

科学问题：TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达？
前期研究：已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应，但其具体机制尚不明确。
研究创新点：本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线：包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术：TRIM2与病毒RNA的相互作用分析，IFN-β启动子活性检测。
实验模型：使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
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