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磁电复合材料与器件研究

【摘要】:多铁性材料同时具有铁电、铁磁或者铁弹性以及这些电、磁及弹性参量之间的耦合,使其在磁传感、多态存储、电控微波器件等领域具有极大的潜在应用价值,因此被广泛研究。磁电效应作为多铁材料的一个重要特性,它所具有的理论和实际意义促使其成为科研工作者密切关注的热点。磁电效应包括正磁电效应和逆磁电效应,正磁电效应是指电极化对外加磁场的响应,而逆磁电效应是指磁化对外电场的响应。。两相磁电复合材料的磁电耦合系数要比单相磁电材料大得多,而且易制备,因此得到了越来越多的研究。两相磁电复合材料是由压电相和铁磁相复合而成,常见的复合体系有0-3型、1-3型、2-1型以及2-2型等。近年来研发的新的磁扭电耦合模式因具有极大的磁电耦合效应亦受到很大关注。本文着重研究2-2型磁电复合材料的正逆磁电性能,磁-弹-电复合材料的磁扭电效应,并在器件应用方面进行一些探索。主要研究内容和结果如下:1、制备了厚度方向极化的无铅陶瓷材料0.95(K0.5Na0.5)Nb0.96Sb0.02Ta0.02O3 0.05(Bi0.5K0.5)ZrO3 (KNNST-BKZ)与长度方向磁化的磁致伸缩材料Metglas构成的无铅磁电复合材料,利用本组自主构建的全自动磁电耦合系数测试系统对其磁电耦合性能进行了表征。在谐振频率下的磁电耦合系数达到7.85V/cm·Oe。结果表明这一无铅KNNST-BKZ/Metglas层状复合材料具备器件应用的前景。2、制备了不包含磁致伸缩材料的铁磁体-弹性材料-压电材料的磁扭电复合材料,实现了强磁电耦合效应。研究了不同长度梁结构磁电耦合系数随频率的变化关系,及谐振条件下磁电电压随磁场大小的线性关系。其中8cm长悬臂梁在5.524Hz谐振频率下磁电耦合系数达到3800V/cm·Oe。从理论上解释了准静态下不同梁长度磁电耦合系数相同(皆为10V/cm·Oe)的现象。这种长梁的结构设计显示出低频下非常高的磁传感灵敏度。本研究为优化设计高磁电耦合性能的磁扭电复合材料提供了指导意义3、研究了两种不同模式的逆磁电复合材料,一种是基于Pb(Zr,Ti)O3-bimorph/Metglas弯曲模式的复合材料,另一种是叉指电极Pb(Zr,Ti)O3/Metglas纵向模式的复合材料。相同电场下的逆磁电耦合系数分别是是传统的unimorph/Metglas结构的1.4倍和1.97倍。实验结果与理论预测相一致。这两种逆磁电复合材料对于弯曲模式和纵向模式的逆磁电耦合器件的优化设计提供了指导。4、分析了可调电感的可能性,制备了环形压电/铁氧体复合材料的可调电感器件。实验验证了电感的线性可调,在4kV/cm的电场作用下,电感的可调量达到56.7%。

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