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环形层状磁电复合材料的制备及其性能研究

【摘要】:磁电复合材料是可实现室温下磁场-电场能量双向转换的功能材料,在微波器件、存储器、能量收集器和磁传感器等领域的应用前景诱人。压电/磁致伸缩磁电复合材料的磁电效应是压电效应和磁致伸缩效应的磁-力-电耦合作用。层状磁电复合材料相比其他连通性磁电复合结构,磁电系数最大,制备简单,成本低。其中环形层状磁电复合材料比同样层厚比的平板复合结构的磁电系数高。层状磁电复合材料在机电反谐振频率处,磁电电压系数出现峰值,不同振动模态下的磁电效应分布不同,从而根据振动模态研究磁电效应对于磁电器件的开发利用有着指导意义。对于环形层状磁电复合材料,目前没有关于其磁电效应分布的研究,因此本文研究了不同类型的和多电极的环形层状磁电复合材料的磁电效应:不同磁致伸缩层与压电层层序的Ni/PZT/Ni、Ni/PZT和PZT/Ni环形层状磁电复合材料,随着电镀的Ni层厚度增加,磁电谐振频率和最优偏置磁场都增大。层序对轴向模式下次磁电谐振峰的影响比主谐振峰的大,而径向模式下只出现主谐振峰。不同Ni层厚度时,PZT/Ni环在轴向和径向模式下的最优偏置磁场总是最小的,且其轴向模式下的最大磁电电压系数总是最高,径向模式下的最大磁电电压系数在Ni层厚度大于600 μm时最高,因此PZT/Ni环形层状复合结构的谐振磁电性能最优。这有利于指导进一步研究中对环形层状磁电复合材料磁电性能的优化。在多电极PZT/Ni环形层状磁电复合材料中,既是电极也是磁致伸缩层的Ni层以周向四等分扇面电镀在完整PZT陶瓷环内表面。因圆环对称性,四个扇面在轴向磁场下受力和边界条件相同,电学性能也一致,从而在PZT环的基本径向伸缩振动模态下的磁电效应周向均匀分布,且与全电极PZT/Ni环形层状磁电复合材料的磁电电压输出一致。多电极环形层状磁电复合结构逐个单元串联后的轴向磁电电压系数成倍增加而尺寸不变,这在磁电复合材料器件应用中有显著的优势。径向模式下的磁电电压系数和磁电相位随磁场方向的变化规律表明多电极PZT/Ni环形层状磁电复合材料在PZT环的基本径向伸缩振动模态下的磁电效应对环面内磁场无取向性,可对环面内磁场无定向测试大小。周向四等分的电极分布激发了第三阶径向伸缩振动模态,在该高阶模态下,磁电效应对环面内的磁场存在取向性,可用于磁场定向。多电极平板层状磁电复合材料中的电极分布也影响着磁电谐振。多电极平板在长度伸缩振动模态下的磁电效应沿长轴不均匀分布。在双层复合结构中由于弯曲振动对伸缩振动的影响,磁电电压沿长轴呈马鞍形分布,而三层对称复合结构呈伞形对称分布。多电极平板层状磁电复合材料的各单元的磁电相位相近,但电学性能差异大,串联后的磁电电压不能一直递增。结合压电/非压磁金属和压电/压磁金属环形层状复合材料在轴向模式下的磁电电压系数和磁电相位随偏置磁场HDC的变化规律,比较了洛伦兹力-压电效应耦合的磁电效应和压磁效应-压电效应耦合的磁电效应。洛伦兹力-压电磁电效应的磁电电压系数随HDC线性增长(所有样品的线性拟合度R2≥0.997),同时磁电相位不变约为负90°。压电/压磁环形层状复合材料在轴向模式下,压磁-压电磁电效应和洛伦兹力-压电磁电效应两种机制同时作用于磁电电压输出,但两种机制的磁电相位不同,磁电电压以复数形式叠加。电镀的PZT/Ni环形层状磁电复合材料在低场下压磁-压电磁电效应的转换效率远高于洛伦兹力-压电磁电效应,即使两者的磁电相位近乎反相,磁电电压呈现压磁-压电磁电效应随HDC的变化规律,且仍有高磁电电压系数;高场下,PZT/Ni环随HDC线性增长的磁电电压输出源于洛伦兹力-压电磁电效应。此外,轴向模式下PZT/Ni环在整个磁场区间的磁电电压系数都很高,因此PZT/Ni环可同时探测低磁场和高磁场。

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