Modelling and characterisation of smart materials for the design of magneto-electric devices

Modélisation et caractérisation de matériaux actifs pour la conception de dispositifs magnéto-électriques

Nicolas Galopin (1)

1 LGEP - Laboratoire de génie électrique de Paris

This study deals with the experimental characterization and the modelling of giant magnetostrictive materials and on their association with piezoelectric materials. An experimental benchmark dedicated to the survey of magneto-mechanics coupling has been achieved. This platform allows the creation in a bulk ferromagnetic sample of a homogeneous area of magnetic and mechanical sollicitations. An adapted instrumentation measures the magneto-mechanical response of the sample to these sollicitations. This experimenal benchmark has been used to characterise the behaviour of Terfenol-D samples, a giant magnetostrictive material. The gotten results show the very strong influence of the applied stress on the magnetic behaviour and on the magnetostriction strain of the material.
A model of magneto-elastic coupling, based on the definition of thermodynamic coupling coeffcients, is proposed to describe the anhysteretic behaviour of the Terfenol-D. From the minimisation of funcional energy, finite element formulation of the magneto-elastic and electro-elastic problems are established. Specific considerations allow to establish finite element formulation of magneto-electric problem by coupling the two problems. Some applications are finally studied, especially magneto-electric composite structures associating magnetostrictive layers to piezoelectric layers. The survey of these composite structures shows the interest of a such association of active materials.

La thèse porte sur la caractérisation expérimentale et la modélisation de matériaux à magnétostriction géante et sur leur association avec des matériaux piézoélectriques. Une plateforme de caractérisation dédiée à l'étude du couplage magnéto-mécanique a été réalisée. Cette plateforme permet la création dans un échantillon ferromagnétique massif d'une zone homogène de sollicitations magnétique et mécanique. Une instrumentation adaptée mesure la réponse magnéto-mécanique de l'échantillon à ces sollicitations. Cette plateforme a été utilisée pour caractériser le comportement d'échantillons de Terfenol-D, un matériau à magnétostriction géante. Les résultats obtenus montrent notamment la très forte influence de la contrainte appliquée sur le comportement magnétique et sur la déformation de magnétostriction du matériau.
Un modèle de couplage manéto-élastique, s'appuyant sur la définition de coefficients de couplage thermodynamique, est proposé pour décrire le comportement anhystérétique du Terfenol-D. A partir de la minimisation d'une fonctionnelle d'énergie, les formulations éléments finis relatives aux problèmes magnéto-élastique et électro-élastique sont établies. La formulation éléments finis du problème magnéto-électrique est ensuite obtenue par couplage des deux problèmes. Quelques applications sont enfin abordées, notamment celle de structures composites magnéto-électriques associant des couches magnétostrictives à des couches piézoélectriques. L'étude de ces structures composites met en avant l'intérêt d'une telle association de matériaux actifs.

Mots clés: Magneto-elastic couplings; magnetostriction strain; experimental caracterisation; constitutive laws; finite element modelisation; magneto-electric composite structures; Couplages magnéto-élastiques; déformation de magnétostriction; caractérisation expérimentale; lois de comportement; modélisation éléments finis; structures composites magnéto-électriques

Domaines: Physique [physics]; Sciences de l'ingénieur [physics]

Nicolas Galopin. Modélisation et caractérisation de matériaux actifs pour la conception de dispositifs magnéto-électriques. Physique [physics]. Université Paris Sud - Paris XI, 2007. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00274483v3⟩