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单/多极环型磁电复合材料的研究及原型磁能收集器件探索

【摘要】:磁电材料是同时具有铁电性和铁磁性的一类多铁性材料,可进行铁电和铁磁耦合产生磁电效应。由铁磁材料和铁电材料复合得到的磁电复合材料因具有较大的磁电耦合系数而成为一类应用前景广阔的新型功能材料。本文选择了 Pb(Zr,Ti)O3(PZT)压电陶瓷为铁电材料,以粉末粘接Tb1-xDyxFe2-y(Terfenol-D)和 Ni 为铁磁材料,分别制备了 Terfenol-D/PZT 和Terfenol-D/PZT/Ni两个体系的磁电耦合材料。研究了铁磁相种类、环氧树脂含量和制备工艺对单/多极(0-3-2)环型磁电复合材料的影响机制,并对原型磁能收集器件进行了探索,取得了如下研究结果。设计并制备了粘接Terfenol-D/PZT体系的(0-3-2)环型新型磁电复合材料。利用环型PZT本身作为模具,通过“一步法”在室温下直接将Terfenol-D/环氧树脂混合物压入并固化到PZT内制得。研究了 Terfenol-D与环氧树脂比例、Terfenol-D粒度、固化条件和PZT环尺寸对其磁电耦合性能的影响。当环氧树脂质量分数为14wt%,Terfenol-D粒度为100-150 μm时,直径15mm的单极(0-3-2)环型磁电复合材料在谐振频率处可得到磁电耦合系数aE,A最大约为6V/cmOe。基于单极(0-3-2)磁电复合结构,设计并制备出了具有优异磁电性能并能降低昂贵原料用量的P-T-P结构多极(0-3-2)环型磁电复合材料。具有此结构的磁电复合材料较同体积(0-3-2)型可减少昂贵的稀土金属合金(如Tb1-xDyxFe2-y)用量约35-45%,磁电性能较同尺寸单极磁电材料可提高近2倍。设计并制备了一种基于(0-3-2)环型磁电复合材料的磁能收集器原形器件,实现了一种简单小型化的原型交变磁能收集器,可将收集的磁能转为近似稳压直流电输出。在接近磁电材料谐振频率和铁磁相的饱和磁场条件下,可实现收集最高1.6v的电压,点亮单支F5/5mm红光LED。

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