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超磁致伸缩/压电层状磁电复合材料的磁电效应研究

【摘要】:超磁致伸缩/压电层状磁电复合材料具有显著的磁电效应,能够实现磁场-电场能量的双向转换,可在微波器件、磁电换能器和磁传感器等领域广泛应用,并成为国内外磁电效应领域的研究热点。为了有效地设计、开发以其为核心的磁电器件,须研究影响磁电转化的因素,揭示组成材料间的耦合关系,建立转化关系的理论模型。本文以层状磁电复合材料为研究对象,对超磁致伸缩材料的非线性磁-弹性耦合关系、超磁致伸缩/压电层状复合材料的磁电效应和其逆效应进行了研究。主要研究工作如下: 1.由Gibbs自由能出发,以Jiles-Atherton模型为基础,建立了超磁致伸缩材料非线性磁-弹性耦合的理论模型。本模型通过有效磁场He的引入考虑了预应力对超磁致伸缩材料磁性的影响。经实验验证该模型能够较准确预测Terfenol-D棒在不同压预应力水平下的磁致伸缩应变性质;动态磁致伸缩系数d33与磁场的关系;杨氏模量随应力和磁场的变化。 2.以最小势能原理为基础,应用有限元方法对层状磁电复合材料进行了静态结构分析。应用该方法与实验结果对比确定了理论模型中磁致伸缩材料线性工作范围。在此工作区间研究了不同层数,磁致伸缩层磁化方向、压电层极化状态,磁场方向等因素对层状磁电复合材料磁电效应的影响。为优化层状磁电复合材料结构设计提供了理论上的指导。 3.在超磁致伸缩材料标准平方模型和线性压电材料本构方程基础上,应用有限元方法,利用Hamilton变分原理建立了磁电复合材料动力学方程。应用作者所建立的超磁致伸缩材料非线性磁-弹性耦合模型,得出动力学方程所需动态杨氏模量。以L-T型Terfenol-D/PZT/Terfenol-D三层磁电复合结构为例,自编MATLAB程序进行了动力特性分析。经实验验证本模型可以较准确的预测磁电复合材料在不同偏置磁场和交流驱动磁场激励下其输入输出特性。 4.对L-T型Terfenol-D/PZT/Terfenol-D三层磁电复合材料进行了模态分析。计算了一阶谐振状态下,磁电电压转换系数为3280mV.Oe-1,比较得出在该谐振状态下磁电转换系数可比低频磁电转换系数高1-2个数量级。使用本征向量绘制了前三阶振型图,经分析应使该磁电复合材料工作在一阶振动模态,二、三阶振型容易出现脱胶现象而影响磁电材料性能。 5.采用等效电路法得到了L-T型磁致伸缩/压电多层磁电复合材料逆磁电系数方程。分析了材料性能参数、磁致伸缩材料与压电材料的体积比等与逆磁电系数的关系。研究结果为磁电层状复合材料在电-机-磁耦合方面的应用提供了理论依据,有助于优化以层状磁电复合材料为核心的磁场传感器结构。

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