【摘要】：由超磁致伸縮材料Terfenol-D(鋱鏑鐵合金)與壓電材料構成的三層對稱式磁電層合結構,因其具有強磁電耦合效應被廣泛應用在磁電傳感器、能量采集器等器件中,以及強逆磁電耦合效應被廣泛應用在電磁讀寫器等器件中,成為近年來的一個研究熱點。已有研究表明,正磁電耦合效應在不同環(huán)境溫度及應力水平下會呈現(xiàn)不同的非線性特性;逆磁電耦合效應在偏磁場作用下會呈現(xiàn)非線性特性,而且壓電層所占體積比對逆磁電效應的非線性特性也有影響,但是目前仍未有完善的理論模型可以描述正磁電耦合效應及逆磁電耦合效應所呈現(xiàn)的這種非線性。針對上述問題,本文開展了以下工作:首先,采用等效電路法對L-T模式的Terfenol-D/PZT/Terfenol-D結構進行分析。選用超磁致伸縮材料的變系數(shù)的非線性本構關系和壓電材料的線性本構關系,并依據(jù)牛頓第二定律,從而得到磁電層合結構的振動方程。之后將面力等效為電路中的電壓,將速度等效為電路中的電流,得到磁電層合結構的等效電路,并由等效電路推導出靜態(tài)強非線性力-磁-熱耦合下的磁電電場系數(shù)模型。不考慮預應力作用時,該模型預測的不同溫度下的靜態(tài)磁電電場系數(shù)隨偏磁場的變化結果與已有實驗測量結果相比,在中低場下無論是定性還是定量上均具有較好的一致性,在高場下模型預測結果比實驗結果偏小,證明了本章提出的模型的有效性。在此基礎上,采用該模型預測磁電層合結構在不同偏磁場、預應力及環(huán)境溫度下磁電系數(shù)的變化規(guī)律,結果發(fā)現(xiàn):磁電層合結構在環(huán)境溫度為0℃時磁電耦合最強;在高溫環(huán)境中,通過施加較大的壓應力可以有效抑制環(huán)境溫度導致的磁電效應的劇烈衰減現(xiàn)象;在環(huán)境溫度為室溫附近時,施加適當?shù)睦瓚梢栽龃笞畲蟠烹婋妶鱿禂?shù),降低達到最大磁電電場系數(shù)時所需要的偏磁場。該工作可以為高性能、小型化磁電器件在極端環(huán)境條件下的設計應用提供理論依據(jù)。其次,針對由理想線圈纏繞的PMN-PT/Terfenol-D/PMN-PT結構的逆磁電耦合效應提出一種等效電路的理論分析方法。該等效電路模型選用超磁致伸縮材料的非線性磁-熱-力本構關系與壓電層的力-熱-電本構關系,并根據(jù)牛頓第二定律及電流環(huán)路定理建立而成。進而依據(jù)該等效電路模型建立了逆磁電系數(shù)的理論模型。不考慮預應力及環(huán)境溫度影響時,該模型預測的逆磁電系數(shù)隨偏磁場變化結果與已有實驗結果在定性和定量上均具有較好一致性,驗證了該模型的有效性。在此基礎上,采用該模型預測了磁電層合結構中壓電層所占不同體積比、環(huán)境溫度、預應力以及偏磁場環(huán)境對逆磁電系數(shù)的影響。結果發(fā)現(xiàn):存在一個最優(yōu)的體積比使得逆磁電系數(shù)達到最大值;并且磁電層合結構在0℃時逆磁電耦合最強,施加拉應力有利于進一步提高逆磁電系數(shù)并降低獲得最大逆磁電系數(shù)所需偏磁場;在高溫或變溫環(huán)境中,施加一定的壓應力有利于降低溫度變化引起的逆磁電效應的衰減。本文的研究工作可以為高性能、小型化磁電器件在不同環(huán)境條件的使用提供理論基礎,并為磁電層合結構的逆磁電效應的研究提供進一步的理論基礎。最后,從連續(xù)介質力學角度,為Terfenol-D/PZT/Terfenol-D結構建立了一個非線性熱-磁-電耦合效應的理論模型。該理論模型選用超磁致伸縮材料的非線性磁-熱-力本構關系與壓電層的力-熱-電的線性本構關系,在磁致伸縮層和壓電層的界面引入耦合因子來描述層與層之間的應變傳遞效率,最終建立起一個非線性迭代計算的磁電系數(shù)理論模型。模型預測的溫度對磁電系數(shù)的影響結果與已有實驗結果相比,在定性和定量上均具有較好的一致性,證明了本文提出模型的有效性。在此基礎上,采用該模型預測了環(huán)境溫度、界面耦合因子及超磁致伸縮材料的熱膨脹系數(shù)對磁電耦合效應的影響。預測結果顯示:0℃時磁電耦合效應最強,此時提高耦合因子有利于在較小偏磁場下實現(xiàn)大磁電耦合,并且降低溫度變化引起的磁電效應的衰減;熱膨脹系數(shù)越小越有利于實現(xiàn)在較小偏磁場獲得大磁電耦合的目的,同時也可以降低溫度變化引起的磁電效應的衰減。該理論模型可以為磁電器件的制備及在不同溫度環(huán)境下的應用提供理論依據(jù)。
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【學位授予單位】：中國計量學院
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TB381

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6 本報記者 陸本，

本文編號：2464529