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异形磁电复合材料增强磁电效应的理论和实验研究

【摘要】:由于单相磁电材料在室温下的磁电耦合都比较弱,近年来由磁致伸缩和压电材料构成的磁电复合材料成为磁电器件设计和制备的主要研究对象。影响磁电复合材料磁电效应的因素主要有:组分材料特性、界面耦合、复合方式等。为进一步提高复合材料的磁电效应,人们在圆柱环和盘环结构中,用法向应力替代剪切应力耦合,获得了较高的磁电电压系数。另外,自发现稀土铁磁合金的超磁致伸缩效应后,近几十年来关于磁致伸缩效应的研究并未取得太大的进展,这使得依赖于磁致伸缩效应的磁电效应很难发展。而且界面耦合因素对磁电系数的影响始终得不到很好的解决,所以用磁力代替磁致伸缩效应驱动压电相成为增强磁电效应的一个新途径。基于上述两种思路,本文研究磁电复合材料中增强的磁电效应,具体的研究内容如下:1、利用弹性力学方法,基于材料本构方程和连续介质运动方程,结合边界条件,理论推导沿径向极化的圆柱环和盘环结构复合材料磁电系数的频率响应表达式。然后将该模型应用于Ni/PZT/Ni圆柱环和Terfenol-D/PZT盘环结构,研究低频磁电电压系数、谐振频率、谐振磁电系数等与几何尺寸的关系,并将部分理论结果与实验进行了比较,理论与实验结果符合得很好。2、利用长条状PZT薄片的拉伸、弯曲等多种振动工作模式,设计和制备了几种MnZnFeO/PZT复合结构,在其中利用磁力驱动压电相振动获得较强磁电效应,并在悬臂梁结构中观察到高达7 Vcm-1Oe-1的自偏置磁电效应。同时,比较了结构对磁电效应强度、最佳偏置场、谐振频率等参量的影响,并研究铁氧体磁导率对磁电效应的影响。3、与单悬臂梁相比,两端固定的双悬臂梁结构,重力对称地作用于悬臂梁,可更持久地保持与竖直方向垂直的水平状态,工作状态也更加稳定。另外,双悬臂梁结构也更利于集成化,故双悬臂梁结构可视为单悬臂梁结构的改进。用高磁导率MnZnFeO和PZT压电片设计制备了双悬臂梁器件,实验结果表明双悬臂梁结构中的谐振频率较同尺寸的单悬臂梁更高,磁电系数也略低于单悬臂梁,但其数值也仍较为可观。当磁隙较大时,在最佳偏置场Hm=1030Oe下获得最高磁电系数6.2 Vcm-1Oe-1,当磁隙较小时,在较小的偏置场下也能获得较高磁电系数,所以磁隙的大小是磁力磁电器件应用时的一个重要参数。本文对异形复合材料增强磁电效应的理论和实验研究,可为磁电效应在传感器、换能器、能量收集器等方面的应用提供一定的理论基础和设计依据。

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