發(fā)布時(shí)間：2020-03-18 20:47

【摘要】：磁電復(fù)合材料是可實(shí)現(xiàn)室溫下磁場(chǎng)-電場(chǎng)能量雙向轉(zhuǎn)換的功能材料,在微波器件、存儲(chǔ)器、能量收集器和磁傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用前景誘人。壓電/磁致伸縮磁電復(fù)合材料的磁電效應(yīng)是壓電效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)的磁-力-電耦合作用。層狀磁電復(fù)合材料相比其他連通性磁電復(fù)合結(jié)構(gòu),磁電系數(shù)最大,制備簡(jiǎn)單,成本低。其中環(huán)形層狀磁電復(fù)合材料比同樣層厚比的平板復(fù)合結(jié)構(gòu)的磁電系數(shù)高。層狀磁電復(fù)合材料在機(jī)電反諧振頻率處,磁電電壓系數(shù)出現(xiàn)峰值,不同振動(dòng)模態(tài)下的磁電效應(yīng)分布不同,從而根據(jù)振動(dòng)模態(tài)研究磁電效應(yīng)對(duì)于磁電器件的開(kāi)發(fā)利用有著指導(dǎo)意義。對(duì)于環(huán)形層狀磁電復(fù)合材料,目前沒(méi)有關(guān)于其磁電效應(yīng)分布的研究,因此本文研究了不同類(lèi)型的和多電極的環(huán)形層狀磁電復(fù)合材料的磁電效應(yīng):不同磁致伸縮層與壓電層層序的Ni/PZT/Ni、Ni/PZT和PZT/Ni環(huán)形層狀磁電復(fù)合材料,隨著電鍍的Ni層厚度增加,磁電諧振頻率和最優(yōu)偏置磁場(chǎng)都增大。層序?qū)S向模式下次磁電諧振峰的影響比主諧振峰的大,而徑向模式下只出現(xiàn)主諧振峰。不同Ni層厚度時(shí),PZT/Ni環(huán)在軸向和徑向模式下的最優(yōu)偏置磁場(chǎng)總是最小的,且其軸向模式下的最大磁電電壓系數(shù)總是最高,徑向模式下的最大磁電電壓系數(shù)在Ni層厚度大于600 μm時(shí)最高,因此PZT/Ni環(huán)形層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)的諧振磁電性能最優(yōu)。這有利于指導(dǎo)進(jìn)一步研究中對(duì)環(huán)形層狀磁電復(fù)合材料磁電性能的優(yōu)化。在多電極PZT/Ni環(huán)形層狀磁電復(fù)合材料中,既是電極也是磁致伸縮層的Ni層以周向四等分扇面電鍍?cè)谕暾鸓ZT陶瓷環(huán)內(nèi)表面。因圓環(huán)對(duì)稱(chēng)性,四個(gè)扇面在軸向磁場(chǎng)下受力和邊界條件相同,電學(xué)性能也一致,從而在PZT環(huán)的基本徑向伸縮振動(dòng)模態(tài)下的磁電效應(yīng)周向均勻分布,且與全電極PZT/Ni環(huán)形層狀磁電復(fù)合材料的磁電電壓輸出一致。多電極環(huán)形層狀磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)逐個(gè)單元串聯(lián)后的軸向磁電電壓系數(shù)成倍增加而尺寸不變,這在磁電復(fù)合材料器件應(yīng)用中有顯著的優(yōu)勢(shì)。徑向模式下的磁電電壓系數(shù)和磁電相位隨磁場(chǎng)方向的變化規(guī)律表明多電極PZT/Ni環(huán)形層狀磁電復(fù)合材料在PZT環(huán)的基本徑向伸縮振動(dòng)模態(tài)下的磁電效應(yīng)對(duì)環(huán)面內(nèi)磁場(chǎng)無(wú)取向性,可對(duì)環(huán)面內(nèi)磁場(chǎng)無(wú)定向測(cè)試大小。周向四等分的電極分布激發(fā)了第三階徑向伸縮振動(dòng)模態(tài),在該高階模態(tài)下,磁電效應(yīng)對(duì)環(huán)面內(nèi)的磁場(chǎng)存在取向性,可用于磁場(chǎng)定向。多電極平板層狀磁電復(fù)合材料中的電極分布也影響著磁電諧振。多電極平板在長(zhǎng)度伸縮振動(dòng)模態(tài)下的磁電效應(yīng)沿長(zhǎng)軸不均勻分布。在雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)中由于彎曲振動(dòng)對(duì)伸縮振動(dòng)的影響,磁電電壓沿長(zhǎng)軸呈馬鞍形分布,而三層對(duì)稱(chēng)復(fù)合結(jié)構(gòu)呈傘形對(duì)稱(chēng)分布。多電極平板層狀磁電復(fù)合材料的各單元的磁電相位相近,但電學(xué)性能差異大,串聯(lián)后的磁電電壓不能一直遞增。結(jié)合壓電/非壓磁金屬和壓電/壓磁金屬環(huán)形層狀復(fù)合材料在軸向模式下的磁電電壓系數(shù)和磁電相位隨偏置磁場(chǎng)HDC的變化規(guī)律,比較了洛倫茲力-壓電效應(yīng)耦合的磁電效應(yīng)和壓磁效應(yīng)-壓電效應(yīng)耦合的磁電效應(yīng)。洛倫茲力-壓電磁電效應(yīng)的磁電電壓系數(shù)隨HDC線(xiàn)性增長(zhǎng)(所有樣品的線(xiàn)性擬合度R2≥0.997),同時(shí)磁電相位不變約為負(fù)90°。壓電/壓磁環(huán)形層狀復(fù)合材料在軸向模式下,壓磁-壓電磁電效應(yīng)和洛倫茲力-壓電磁電效應(yīng)兩種機(jī)制同時(shí)作用于磁電電壓輸出,但兩種機(jī)制的磁電相位不同,磁電電壓以復(fù)數(shù)形式疊加。電鍍的PZT/Ni環(huán)形層狀磁電復(fù)合材料在低場(chǎng)下壓磁-壓電磁電效應(yīng)的轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)高于洛倫茲力-壓電磁電效應(yīng),即使兩者的磁電相位近乎反相,磁電電壓呈現(xiàn)壓磁-壓電磁電效應(yīng)隨HDC的變化規(guī)律,且仍有高磁電電壓系數(shù);高場(chǎng)下,PZT/Ni環(huán)隨HDC線(xiàn)性增長(zhǎng)的磁電電壓輸出源于洛倫茲力-壓電磁電效應(yīng)。此外,軸向模式下PZT/Ni環(huán)在整個(gè)磁場(chǎng)區(qū)間的磁電電壓系數(shù)都很高,因此PZT/Ni環(huán)可同時(shí)探測(cè)低磁場(chǎng)和高磁場(chǎng)。
【圖文】：

的是線(xiàn)磁致伸縮。逡逑在外磁場(chǎng)作用下，鐵磁體的磁疇發(fā)生疇壁運(yùn)動(dòng)，引起晶格間距的改變，導(dǎo)逡逑致鐵磁體尺寸發(fā)生變化，圖２－１表示鐵磁體在磁化過(guò)程中磁致伸縮系數(shù)隨磁場(chǎng)逡逑強(qiáng)度的變化及各階段磁疇的變化。在未施加外加磁場(chǎng)（／／＝0）時(shí)，磁疇混亂排逡逑列，整個(gè)鐵磁體在宏觀上未表現(xiàn)出應(yīng)變。開(kāi)始施加外加磁場(chǎng)時(shí)，磁逡逑場(chǎng)較小，，只能使得與外加磁場(chǎng)夾角較小的磁疇轉(zhuǎn)向外加磁場(chǎng)方向；外加磁場(chǎng)繼逡逑續(xù)增大（／／＝歷）時(shí)，磁疇會(huì)發(fā)生大角度轉(zhuǎn)動(dòng)，各個(gè)磁疇的應(yīng)變都沿外加磁場(chǎng)逡逑方向，此時(shí)磁致伸縮應(yīng)變對(duì)磁場(chǎng)的斜率最大，即此時(shí)壓磁系數(shù)最大；當(dāng)逡逑外加磁場(chǎng)達(dá)到一定程度（／ｆ＝／ｆ３）時(shí)，幾乎所有磁疇都轉(zhuǎn)向外加磁場(chǎng)方向，磁逡逑致伸縮應(yīng)變達(dá)到飽和狀態(tài)［１８］。由于磁電耦合系數(shù)正比于壓磁系數(shù)ｅｍ邋＝逡逑燈／冊(cè)＝Ｗ／}，在設(shè)計(jì)磁電復(fù)合材料時(shí)，更需考慮的是壓磁系數(shù)對(duì)磁逡逑電耦合系數(shù)的影響

逑此外磁電復(fù)合材料還應(yīng)用于能量收集器、存儲(chǔ)器磁讀頭、微波器件等，如逡逑圖２－２所示＃＿７５１。環(huán)境中有著無(wú)所不在的振動(dòng)、聲噪、電磁波等微弱的能量，逡逑之前都是通過(guò)壓電材料或磁致伸縮材料去收集，而磁電復(fù)合材料可同時(shí)收集逡逑機(jī)械能和磁能，如此機(jī)械、聲學(xué)、磁能都可轉(zhuǎn)換成電能�；诖烹姀�(fù)合材料的逡逑能量收集器件的能量收集和轉(zhuǎn)換效率很高。磁電復(fù)合材料的磁電滯效應(yīng)可應(yīng)逡逑用于存儲(chǔ)器磁讀頭，存儲(chǔ)單元的磁電輸出信號(hào)隨外磁場(chǎng)的變化存在明顯的滯逡逑后現(xiàn)象，用偏置下的磁電效應(yīng)可讀取存儲(chǔ)器的狀態(tài)，實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)可區(qū)別明顯逡逑的四種磁電信號(hào)，且與存儲(chǔ)器的四種狀態(tài)取得很好的一一對(duì)應(yīng)［７２】。除了磁讀逡逑頭，磁電復(fù)合材料也可制備無(wú)耗散的可逆存儲(chǔ)器件，在ＰＭＮＴ單晶基底的面逡逑內(nèi)施加不同方向的電場(chǎng)使得基底上的ＦｅＧａ納米磁體在穩(wěn)態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)兩種磁逡逑化態(tài)之間翻轉(zhuǎn)，這兩種磁化態(tài)編碼二進(jìn)制代碼比現(xiàn)有的磁隧道結(jié)等能耗低［７３］。逡逑另一方面
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TB34

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本文編號(hào)：2589170