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磁电复合振子磁电容影响因素研究

【摘要】:磁电容效应(MC)是指在外磁场作用下材料的介电常数随磁场发生改变。层状磁电复合材料的磁电容效应是宏观的磁电相互作用结果。外加磁场和磁电复合材料的宏观相互作用是以应力为媒介,磁场通过磁-力-电耦合效应影响压电体的形变,从而间接改变压电体的介电常数。压电体形变越大,介电常数变化越明显。研究表明主要有两个因素影响层状复合材料磁电容效应:一个是外加交流电场的频率,当外电场频率等于压电振子谐振频率或反谐振频率时,可获得较高的磁电容效应;另一个是压电体的极化方向,以往的研究表明,L-L复合模式的磁电耦合强度高于L-T模式。本文在室温下研究了当外电场频率等于压电振子谐振频率或反谐振频率时,压电陶瓷PZT和磁致伸缩合金Terfenol-D层状复合结构的磁电容及磁阻抗效应。具体研究内容如下:(1)实验设计了 L-L模式和L-T模式两种层状复合结构,研究压电体极化方向对层状复合结构磁电容效应的影响。从压电体、铁磁体本构方程出发,以复合振子谐振频率随磁场发生改变为基础,采用纵向方向极化的磁电转换以洛伦兹谐振子模型为基础,横向极化的磁电转换以德拜振子模型为基础,建立了磁场调控的压电体电容理论模型,数值模拟纵向极化和横向极化两种模型的磁电容。实验和数值模拟基本吻合。该研究为磁电容传感器设计建立了理论及实验基础。(2)研究了多层磁电复合结构和退磁因子对复合材料磁电耦合的影响。实验设计了三层和五层复合结构。通过复合材料的阻抗、电容和电感随磁场变化研究,发现五层复合结构阻抗的变化更大、更快。相比于三层复合结构,五层复合结构的磁分辨率更高;设计了片状PZT分别与长方形Terfenol-D和正方形Terfenol-D复合,研究退磁因子对磁电耦合的影响。实验结果表明,退磁因子和阻抗、电感、电容的饱和磁场密切相关,该研究为低磁场探测的磁场传感器设计提供了理论及实验基础。

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