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磁电复合材料多物理场作用下巨逆磁电耦合特性研究

【摘要】:磁电复合材料同时具备铁磁性和铁电性因而受到了广泛的关注,且其产生的逆磁电效应因为能够减小亥姆赫兹线圈的焦耳热、具有独特的电控磁特性和逆转敏感性,更是被广泛应用于电写磁读存储器、天线等各种磁电器件中,这就使得如何增大逆磁电系数从而提高磁电器件的性能成为了一大研究热点。而目前虽然对于逆磁电效应的研究越来越多,但是大多数研究只关注逆磁电效应在单一环境下的响应,而忽略了逆磁电效应在偏磁场、温度、预应力或电压等多物理场作用下的磁-力-热-电耦合效应。因此,本文将围绕磁电复合材料在多物理场作用下的非线性磁电特性,分析影响逆磁电效应的因素,并进一步对如何实现巨逆磁电效应进行探究。首先,针对三层对称磁电层合结构,假设层间为理想界面耦合,根据压电层和磁致伸缩层的三维本构方程,得到了一个静态条件下考虑压电层的长度比、宽度比和厚度比的逆磁电效应模型。引入磁致伸缩板的非线性本构关系,得到了考虑温度、应力和偏磁场的非线性磁参数,进一步得到了考虑长度比、宽度比和厚度比的非线性逆磁电耦合模型。该模型与已有实验结果进行对比,在定性和定量上均获得了较好的一致性。通过理论预测发现,长度比越大静态逆磁电效应越小,且当长度比大到一定程度时,需要通过增大压电层的厚度比或者施加压应力来实现长度方向的逆磁电效应;宽度比越大静态逆磁电效应越大,且若宽度比很小时,同样需要增大厚度比或施加压应力来实现长度方向的逆磁电效应。根据该结论,取长度比较小、宽度比较大的一组体积比,理论预测了其最优厚度比,最终得到了一组最优体积比,在此体积比下,逆磁电系数增大到已有实验结果的6倍,并进一步预测了该体积比下的逆磁电效应受温度和预应力的影响。该研究结果为磁电层合器件的形状设计提供了一定的理论依据。其次,由于谐振逆磁电系数比低频状态下的逆磁电系数高1~2个数量级,基于等效电路法,引入不包含反函数的新型非线性磁致伸缩本构关系,建立了考虑偏磁场、温度和预应力的非线性谐振逆磁电耦合模型,并与已有实验结果在定性和定量上均吻合良好,证明了该模型的有效性。进一步得到了偏置电压和应力的转化公式,从理论上解释了偏置电压对磁电层合结构的作用,即施加偏置电压相当于对磁致伸缩层施加应力。通过理论预测发现随着偏置电压由正电压变化到负电压,谐振逆磁电系数在低场下逐渐减小,而在高场下逐渐增大,呈现“翻转”现象,且压电层厚度比越大,偏置电压对谐振逆磁电系数的调控作用就越明显。此外,在特定偏磁场下,谐振逆磁电效应随着温度的升高而减小,此时施加合适的偏置电压可以弥补温度对谐振逆磁电效应的削弱作用,从而实现在更宽温度范围内相对更大更稳定的谐振逆磁电效应。最后,为了进一步提高谐振逆磁电系数,通过实验研究了谐振逆磁电效应中的机械损耗受偏磁场、温度及输入交流电压的影响。针对三层对称磁电层合结构,首先测量了其在不同偏磁场下的逆磁电系数随频率的变化趋势,根据机械损耗的定义得到了机械损耗随偏磁场的变化趋势,并得出结论:谐振逆磁电效应的机械损耗随着偏磁场的增大呈先增大后减小的变化趋势。进一步改变测量时的温度和输入交流电压,发现随着温度的增大,机械损耗单调增加,从而对应的谐振逆磁电效应逐渐减小,并通过对比低频和谐振状态下逆磁电效应受温度影响的趋势,表明了随着温度的升高,压磁系数减小不是导致谐振逆磁电效应降低的唯一原因,机械损耗的增大也是造成谐振逆磁电效应降低的原因;输入交流电压越大,在较低偏磁场下的机械损耗就越大,对应的谐振逆磁电效应就越小,而在较高的偏磁场下输入交流电压对机械损耗及谐振逆磁电系数几乎没有影响。

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