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异型磁电复合材料的一些理论与实验研究

【摘要】:磁电效应定义为:材料由于电场诱导的磁化改变或由磁场诱导的电极化改变。自然界中具有磁电效应的单相材料十分稀缺,并且它们的磁电响应很微弱且只能在一些极端的温度条件下才能实现。科学家们便利用铁磁材料的磁致伸缩效应和铁电材料的压电效应组合构成的复合材料产生需要的磁电效应。因此磁电复合材料的磁电效应是通过界面之间的弹性耦合导致的乘积效应引起。这种复合材料有着丰富的应用前景,包括低频下存在的巨大磁电效应,弯曲和机电频率下磁电耦合的增强,静电场和静磁场下对铁性体序参量的调控,等。这类磁电复合材料在磁场传感器,信号处理设备,和能量收集器的应用已见诸报导。研究较多的多铁性磁电复合材料主要有以下几种模型:0-3型颗粒复合材料,2-2型层状复合材料和1-3型纤维复合材料。这些模型的提出与制备使得磁电复合材料的磁电响应有了重大的突破。此后物理学家们又提出了相应的理论模型来解释实验中观察到的现象。其中研究较为广泛的理论模型有基于弹性力学和电磁学理论的弹性力学解法和基于格林函数的多散射解法以及微观力学解法。本文首先对最近引起较多关注的异型磁电复合材料的研究进展做了一些简要的介绍。通过对前人研究成果的总结和笔者对异型磁电复合材料的理解设计了一种较为新颖的异型磁电复合材料。样品由压电材料Pb(Zr0.52Ti0.48)03(PZT-5H)口铁磁材料锰锌铁氧体(Mn-Zn ferrites)组成。一共制作了4组样品进行对照试验。新设计的异型磁电复合材料更加容易发生弯曲应变,并且材料在弯曲振动模式下的弯曲振动频率很低。样品的磁电电压系数在磁场强度较低时随磁场强度的增大呈近乎线性的变化。笔者的其中一个样品在零偏置磁场下交流磁场频率为271 Hz时,磁电电压系数为6.938V/cm Oe;当将直流磁场调整为136 Oe时,一个样品在谐振频率256 Hz时的磁电电压系数可以高达113 V/cm Oe。由此笔者在很低的频率下实现了较大的磁电响应,这为样品在未来的磁电多功能材料中的应用提供了可能。最后笔者理论探讨了弯曲模式下磁电效应的产生机制,并得出在应力大小相等的情况下,弯曲模式的磁电响应大于拉伸模式。

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