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双层磁电层合结构弯曲磁电效应研究与器件设计

【摘要】:磁电层合材料由磁致伸缩材料和压电材料结合而成,具有强磁电耦合效应,在层合材料上外加磁场产生电极化的正磁电效应以及在层合材料上施加外电场产生磁极化的逆磁电效应构成了磁电耦合效应,这种磁电转换效应受到人们广泛的关注。正逆磁电效应应表现出来的强磁电效应使得磁电层合材料在传感、驱动、微波通信等各领域有很重要的地位。本文基于压电层和磁致伸缩层的本构关系,针对磁致伸缩材料/压电材料非对称双层磁电层合结构建立起非线性正逆磁电耦合系数理论模型,并进一步对磁电耦合系数在不同应力,温度,外磁场,材料厚度比下的结果进行研究。首先,针对磁致伸缩/压电非对称双层磁电复合结构,基于材料的本构关系的基础上,再结合超磁致伸缩材料温度、磁场、应力的非线性本构关系,根据磁电复合材料的结构不对称引起了弯曲形变,建立了双层低频状态下非线性灵敏度以及磁力电热耦合下的磁电电场系数的理论模型。选取磁致伸缩材料和压电材料制备双层非对称磁电复合结构样品,测量了不同温度和偏置磁场下的静态磁电系数验证理论推导的正确性。将该模型退化到无应力作用下的磁电系数模型,模型预测结果与实验结果在定性和定量上均具有较好的一致性,证实了模型的有效性。在此基础上,采用该模型系统的分析了预应力、偏磁场和温度场,以及不同的厚度比和选取不同的压电材料对磁电电场系数和灵敏度的非线性影响。其次,考虑到复合磁电材料的逆磁电效应由于具有非易失性和敏感性,在磁逻辑器件和电场调节磁特性的微波器件中具有重要的应用潜力。考虑到弯曲谐振模式可以在相对较低的频率下达到较高的逆磁电耦合效应,针对非对称双层磁电层合结构在弯曲谐振模式下的非线性逆磁电耦合效应,采用超磁致伸缩材料的非线性磁力耦合本构关系与压电层的线性本构关系,根据牛顿第二定律及电流环路定理建立起逆磁电效应在弯曲谐振状态下的等效电路模型。在此基础上得到弯曲谐振模式下的非线性谐振逆磁电系数和谐振频率的表达式。根据该模型可以有效预测出弯曲谐振模式下的非线性逆磁电系数随偏磁场、预应力等的变化趋势,且与双层弯曲谐振逆磁电耦合效应下的实验结果在定性与定量上均吻合良好。最后,为进一步探讨双层磁电层合结构在弯曲模式下的磁电耦合效应与频率之间的关系,制备双层磁电层合结构材料,记录并处理不同偏磁场和不同谐振频率作用下的实验数据,得到逆磁电系数随偏磁场和谐振频率的关系曲线。研究发现在偏磁场一定时,逆磁电耦合系数随着谐振频率的变化出现弯曲谐振和长度谐振两个峰,且磁激谐振频率处,逆磁电耦合系数随着偏磁场的变化先增大后减小。逆磁电效应的双峰现象保证了在较宽偏磁场范围内有较大的磁电系数,增大逆磁电耦合效应可以通过调控偏磁场以及谐振频率。在之后对磁电材料器件的研究中发现,棱台型磁电复合材料的压电效应以及磁电效应均大于长方体型磁电复合材料,且具有更大的应力敏感度,在此基础上设计了新型的压电报警器以及磁电传感器。本文研究进一步完善了双层磁电层合结构在弯曲模式下的正逆磁电耦合效应的非线性理论模型,为磁电传感器的设计提供了理论基础。

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