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多层压电片基叠层磁电复合材料的性能研究

【摘要】:磁电复合材料是一种新型功能材料,由压电材料和压磁材料复合而成,这种材料不但结构简单,容易制备,而且具有较强的磁电效应和逆磁电效应,很容易实现磁和电之间的相互转换。为了更进一步了解磁电转换过程,提高复合材料的磁电转化灵敏度,本论文通过大量的实验,来研究复合材料的磁电转换效应和逆磁电转换效应。 首先,进行PZT多层压电片和Terfenol-D复合,通过多方面实验,研究这种磁电复合材料的性能特征,测试这种材料的磁电输出和逆磁电输出,发现使用PZT多层压电片之后,磁电灵敏度有很大提高,并且逆磁电输出明显增强。实验中测试发现磁场灵敏度为15nC/Oe,磁电系数高达9.5V/cmOe。这种结构的材料可以检测到0.1mOe的微弱磁场。叠层材料的整体逆磁电系数高达46.5G/V,且中间部位的逆磁电系数高达74G/V。这些高性能仅仅因为使用多层PZT压电片代替了单层PZT。因为多层PZT有更大的有效面积、更小的厚度和更大的电容,这个结果提供了一种高性能的磁电复合材料。 其次,研究了PZT多层压电片/Ni片复合材料的磁电效应,通过和上面实验进行比较,发现和Ni复合只需要较低的偏置磁场,这对实验要求和应用有很大的降低,而且Ni价格便宜,易于加工,更容易投入商业生产。根据磁电复合材料压电和压磁的磁电理论模型提出了叠层复合材料的等效电路。模型显示磁电复合材料的磁电压系数与厚度比、总厚度、频率和损耗有关。实验研究了镍片/多层PZT复合材料的磁电性能。多层振动器具有电容高、有效面积大和厚度小的特点,这使得该复合材料灵敏度很高,可以测试1mOe的弱磁场,在镍的厚度为0.2mm时,复合材料的磁电系数为2.58V/cmOe。该模型与实验规律非常吻合。数值计算的结果很准确的描述了磁电实验现象,理论表明,当镍片和压电片的厚度比为0.3时,磁电系数最大,这个数值计算为磁电复合材料提供了理论依据。 最后,本论文对PZT多层片/Terfenol-D/PZT多层片这种三明治结构的磁电复合材料进行了详细的实验研究。实验发现,双层时谐振频率在53kHz附近,但是三明治结构样品的谐振频率为49kHz,三明治结构样品的谐振频率降低了。这可能是由于导体粘接剂所致。三明治结构样品的磁电系数为1.49V/cmOe,磁电性能下降,这可能是因为实验中压磁相Terfenol-D性能不够好。 在上面三种复合方式中,分别研究了磁电性能与偏置磁场、频率、样品厚度、位置等因素的关系,经过测试分析,发现在谐振频率下样品中间位置磁电转化效率最高,磁电系数可以达到9.5V/cmOe。

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