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磁电复合材料多场耦合有限元分析及器件设计

【摘要】:磁电复合材料通过将两种功能型材料复合在一起,由两种材料的相互耦合实现磁能与电能的相互转换,在多种复合方式中,层合磁电复合材料由于结构简单,易于制备,磁电转换效率高等优势吸引了众多来自物理、力学等领域研究者的广泛关注。这使得磁电复合材料被广泛应用于多功能器件制造领域,例如磁场探测器、磁电俘能器、磁电存储器等。目前,对磁电复合材料的研究主要集中于提高磁电系数和拓宽磁电响应频率范围两个方面,近年来取得了重大的进步。之前的众多研究中,主要集中考虑应力、磁场、温度等因素对磁电效应的影响。也有部分研究关注结构尺寸对磁电系数的影响规律,但大多数都是厚度方向,即通过考虑组分材料的体积比,很少涉及到其他两个维度的影响,因为理论模型多数局限于二维情形,而且考虑时都假设两种组分材料的长度相等,对于长度不一致则无法计算,这也是目前众多理论模型的不足之处。此外,理论模型大多只考虑了稳态情形下的磁电响应,但实际上磁电结构所处的真实环境为一个瞬态过程,而且在实际中,磁电结构都是三维。另外,拓宽磁电响应范围也是一个重要的研究课题,传统的磁电器件只在较窄的范围内系数较大,但环境中的瞬态磁场的频率变化范围较大,因此为了更好的收集周围环境中的能量,需要磁电器件在较宽的范围内保持良好性能。近来有研究表明磁电效应可以应用于调控压电半导体的载流子输运过程,但缺乏相关的理论研究。鉴于此,本文首先针对层合磁电复合材料的磁-力-电耦合问题建立了三维有限元动态分析模型。其次,通过结构设计,提出了一种拓宽磁电响应范围的新型结构。随着多功能纳米器件的发展,有学者提出可以利用磁电效应实现非接触控制方式调控压电半导体内载流子移动。具体研究如下:首先,基于磁致伸缩材料的非线性本构关系以及压电材料的线性本构方程,针对层合磁电复合材料动态响应行为建立了一个磁-力-电多场耦合三维有限元模型。通过将模拟的结果和他人的实验进行对比,吻合较好,说明建立的有限元模型可以有效预测磁电复合材料的磁电响应行为。通过选取材料内部截面,给出了磁电复合材料内部磁通密度、位移、电压、应力的分布云图,由于退磁效应以及边界效应的存在,导致上述变量在磁电复合材料内部为非均匀分布。另外,在结构长度不变的情形下,发现改变结构的宽度对磁电响应也具有重要影响,长宽比越小,结构的退磁效应越明显。而且长宽比对磁电响应的影响在低、中、高磁场下的影响规律有所区别。在瞬态磁场作用下,磁电系数随时间的变化趋势是逐渐增强,最后趋于稳定,通过对磁电响应和瞬态磁场进行傅里叶分析,发现磁电响应频率为瞬态磁场频率的两倍,即出现倍频现象。两种材料通过界面耦合,材料内部应力的分布形式将直接影响压电层中的电压分布形式,并且在结构达到共振后,界面处的切应力较大,可能会导致脱粘现象。其次,为了拓宽磁电效应的响应频率,设计了一种新型磁电器件。由于新结构的自由度比传统层合结构更多,因此也会产生更多的共振模态。相比于传统的磁电器件,本文设计的新型磁电器件不仅可以在较宽的频率范围内出现多个共振峰,而且共振频率较低,避免高频情形下的涡流损耗对磁电响应的影响。由于各个共振峰相邻比较近或者有重叠部分,导致该磁电器件可以在较宽的频率范围内保持优良的磁电性能。另外,通过有限元的方法模拟了该磁电器件的共振模态,和实验结果吻合良好。通过有限元分析和实验测量,说明本文设计的新型磁电结构可以有效实现在低频情形下的宽频磁电响应,这种新型磁电器件在宽频磁电器件的应用具有巨大潜力。最后,由于压电半导体多功能纳米器件的发展,在压电半导体中存在力-电-载流子的耦合关系,而磁电复合材料的磁电响应也是一个多物理场耦合的问题,因此,把压电半导体和磁电复合材料组合成新的多功能纳米器件将会是一个复杂的多物理场耦合问题。目前,已有部分实验将磁电效应引入到压电半导体器件中,用以实现非接触式的调控压电势的新方式,但相关的理论研究十分少。所以建立了相关的理论模型预测各种因素对压电半导体的性能的影响十分重要。接着,考虑到p-n结在半导体器件中存在普遍的应用,研究了p-n结对压电半导体的电势分布的影响规律。另外,由于结构尺寸为纳米量级,表面应力将成为影响压电半导体多功能纳米器件性能的一个重要因素,本文基于Gurtin-Murdoch理论研究了在考虑表面效应对压电半导体器件的压电势的影响规律。总之,本文建立的磁电复合材料三维有限元多场耦合动态模型完善了磁电效应的理论研究;并提出了新的磁电构型,为拓宽磁电响应频率范围提供了新的思路;将磁电复合材料的多场耦合和压电半导体多场耦合相结合,为纳米器件的非接触式调控方式提供理论指导。

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