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层状磁电装置的性能优化及构型设计

【摘要】:磁电效应是介质受磁场作用产生电极化,或受电场作用产生磁极化的物理现象。近年来,由磁致伸缩材料和压电材料组成的层状复合磁电效应装置因为极其显著的磁电特性,逐渐引起了人们的注意,并被不断应用于智能电子器件领域。目前,该领域的研究主要集中在提高装置的磁电转换效率。现已表明,影响转换效率的因素主要包括:材料参数、外部磁场大小和驱动磁场频率,然而鲜有研究从理论角度解释磁场方向和外部环境温度对磁电转换效率的影响。为此,本论文从磁场角度、环境温度和结构构型入手,建立了磁电效应多场耦合模型,优化了层状磁电装置性能,同时提出了U型磁电装置。具体内容包括:首先,本论文基于弹性力学法,建立了的考虑磁场角度的层状磁电效应模型,并对不同磁场角度下的磁电效应进行了理论预测,其预测结果与现有实验吻合较好。结果表明,磁场角度对磁电转化效率影响显著。当交流磁场沿层状磁电装置长度方向时,存在一个最优的直流磁场角度可以使得装置获得最大的磁电响应,直流磁场值越大,最优角度越大。当交流磁场置于宽度方向时,无论直流磁场为何值,最优的磁场角度总是在0o。但与前者不同,后者获得最大磁电系数对应的最优磁场却随着磁场角度的增加而逐渐减小。同时本文也发现,装置在共振频率的磁电转换效率大致为低频下的100倍,且转换效率随磁场角度的变化规律保持不变。本论文结果表明,在实际生产设计中,最好的磁电器件设计方案是直流磁场保持与交流磁场共线。这样既可以获得最大的磁电系数,又不至于施加一个过大的直流磁场。其次,本论文基于等效电路法,建立了考虑环境温度影响的功能梯度型层状自偏磁电效应模型。利用该模型得到的压磁系数随直流磁场的变化规律与现有的实验结果保持一致。其预测结果显示,在较低的预应力作用下(大约?50MPa),磁电转换效率随着温度升高而减弱,而在较大的预应力作用下,则会随着温度升高而增强,但整体而言,较低的工作温度和较小的预应力更有利于功能梯度型自偏磁电装置的磁电转换。最后,本论文从结构构型设计角度出发,提出了U型磁电装置,并首次建立了该构型的理论模型。结果表明,磁致伸缩材料越长,压电材料越短,越有利于U型装置的磁电效应。同时,实验结果显示,当共振频率为91kHz时,装置获得1.3V/cmOe的最大磁电转换效率,而在低频磁电系数也可达到0.225V/cmOe。总之,本论文从磁场角度、环境温度和结构构型入手,完善和发展了磁电效应多场耦合模型,并提出了U型磁电装置。本文的理论分析、数值仿真以及实验工作丰富和发展了多场耦合磁电效应理论,同时也对层状磁电装置的技术改进和实际应用具有一定的指导意义。

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