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磁电复合材料温度稳定性研究与磁电磁通门传感器的设计

【摘要】:磁电复合材料是由磁致伸缩相和压电相复合得到,作为一种新型的功能材料,磁电复合材料受到研究者的广泛关注,它集铁磁性、铁电性、磁电效应于一体,能够实现将电场转化为磁场、或者将磁场转化为电场。由于其独特的性质,磁电复合材料特别是层状磁电复合材料在传感器、存储器、变压器、能量采集器、换能器、智能滤波器、回转器、移相器等元件上有广泛的应用。但是,目前对磁电复合材料的研究主要集中在新型磁电复合材料的制备以及提高磁电复合材料的性能方面,对磁电复合材料温度稳定性的研究还比较少。本文针对磁电复合材料温度稳定性研究现状,展开了高温度稳定性层状磁电复合材料的制备与性能的研究。考虑到层状磁电复合材料的优异性能,本文还通过把磁通门技术与层状磁电复合材料结合起来实现磁通门传感器的优化,设计出一种新型磁电磁通门传感器。本文搭建了变温下磁电系数测试平台,设计了新平台下样品测试夹具。采用该装置能够测试层状磁电复合材料在不同温度下的磁电系数,为后续层状磁电复合材料的温度稳定性的研究提供了帮助。本文采用焊接或环氧树脂粘接的方法制备了 4种三层磁电复合材料Ni/PZT/Ni(焊接复合)、Ni/PZT/Ni(环氧树脂粘接复合)、Metal-glass/PZT/Metal-glass(焊接复合)、Metal-glass/PZT/Metal-glass(环氧树脂粘接复合),并在-20~100℃的温度范围内测量了 4种层状磁电复合材料的磁电电压系数及焊接复合的两种层状磁电复合材料的磁电电荷系数。通过比较发现:采用焊接复合的层状磁电复合材料在-20~100℃的温度范围内磁电电压系数表现出良好的温度稳定性;而采用环氧树脂粘接复合的层状磁电复合材料在温度升高到40℃之后磁电电压系数开始随温度明显下降;还发现采用焊接复合的两种层状磁电复合材料在-20~100℃的温度范围内磁电电荷系数均随温度的升高而升高,并结合电容-温度曲线从理论上分析了这种现象。本文设计了基于层状磁电复合材料Metal-glass/PVDF的长条型磁电磁通门传感器。并且在地球的水平面、垂直于东西轴的平面、垂直于南北轴的平面三个平面上检测了该磁电磁通门传感器对地球磁场的响应。该磁电磁通门传感器具有结构简单、灵敏度高、柔韧性好、各向异性等优点。可以用来测量地磁场等微弱的直流磁场的强度及方向,适用于航海、军事、工业、医疗和探矿业等领域的弱磁场探测。

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